张志山
天元建设集团有限公司 山东临沂 276000
摘要：清洁取暖按照宜电则电、宜气则气、宜煤则煤、宜热则热的原则合理规划和发展。“煤改电”是农村地区清洁取暖的重要方式，在北京、河北、郑州等多地被大量采用。目前，电供暖包括碳晶、石墨烯发热器件、电热膜、蓄热电暖气等分散式电供暖，以及电锅炉、热泵等集中式电供暖多种形式。本文基于石墨烯远红外绿色智能电采暖地暖系统设计与研发展开论述。
关键词：石墨烯远红外；绿色智能电采暖；地暖系统设计与研发
引言
随着“煤改电”政策的大力推行以及北方冬季供暖的需求，空气源热泵越来越受到大众的关注。空气源热泵末端的形式主要采用风机盘管或低温地板辐射供暖，然而在农村地区主要以散热器供暖为主。而空气源热泵系统制备的热水一般不超过50℃，因此空气源热泵+散热器采暖系统在农村应用的关键在于散热器低温运行时散热量能否满足采暖要求。传统散热器的供回水温度为75℃/50℃，若采用空气源热泵系统，室内负荷不变，则必须通过增加散热器的片数增加散热量，但受到空气源热泵出水温度影响，片数增加过多，占用空间过多。因此，必须提高散热器的散热能力。
1测试方法
红外辐射习惯上通称为红外线。红外辐射具有两个特点。第一是不可见性。人眼的视觉细胞只敏感可见光，因而无法观察到红外辐射。若要观察红外辐射，必须依赖专业仪器设备进行测量。第二是具有显著的热效应。自然界的绝大多数物质（包括人体）对红外辐射具有良好的吸收特性，能在接受辐射后加剧其分子运动，并立即转化为热能、温度迅速升高。这就是红外线的热效应。在寒冷的冬天，如果家中有产生红外辐射的地暖，那就好像沐浴在阳光下一般。结合测试要求及建筑实际情况，分别在起居室和东卧室布置地面式石墨烯发热膜，和墙面式石墨烯发热膜，用于房间采暖。采用温控器控制地面电加热元件启停，设定室内温度达到22℃停止供暖，低于18℃开始供暖，电加热元件根据温控器设定按通断模式运行。（1）供暖室内温度测点布置：供暖室内温度测点位于被测房间对角连线的均分位置，距地面为1100mm。（2）石墨烯供暖设备表面温度测点布置：将石墨烯供暖设备表面按按图3方式进行温度测点布置，布置5个表面温度测点。（3）系统稳定运行1h后，每隔5min采集室外温度、供暖室内温度，每隔1min采集石墨烯供暖设备表面温度，每隔5min采集系统供热电功率及耗电量。（4）根据采集数据，给出测试期间室外空气温度、供暖室内温度、系统供热电功率及耗电量随时间变化的曲线，给出石墨烯供暖设备表面温度分布随时间变化的曲线及加热阶段典型时刻的红外热成像图片。（5）石墨烯电供暖属于低温地面辐射供暖，测试期间辐射表面平均温度29℃，供暖室内平均温度19℃左右，室内热舒适性较好。且较燃煤采暖提高了室内空气品质。（6）供暖年能耗3926kWh，单位面积耗电量49kWh/m2。供暖能耗受建筑保温情况影响，测试农房采用50mm厚聚氨酯外墙保温，处于中等节能水平。不建议未采取保温措施的建筑采用电采暖。（7）在电采暖实行峰谷电价政策的支持下，供暖年运行费用1570元，与常规散煤采暖相近，居民可以接受。
2采暖方案
a．住宅和公寓采用共用立管的分户独立系统形式。分户计量，采用每户总体室温控制;室内为机械循环热水供暖系统。共用立管设置在水暖管道井内，立管顶端装设带锁封装置的E121型自动排气阀(便于拆卸安装)。户内分集水器均安装在厨房炉灶下方，分集水器与接燃气管道之间采用隔热板隔开，以保证燃气管道不会受到影响产生温升。b．商业采用空调采暖系统，根据平面布局，设置全空气或新风加风机盘管系统。
其中，全空气系统和新风机组的新风段设置新风预热系统，保证冬季进入室内的新风达到可处理温度。c．商业设置地板辐射采暖系统作为辅助采暖系统(包括值班采暖)，敷设区域包括主要出入口、商场1层、各层公共卫生间及有给排水专业管道有防冻要求的场所。d．外围商铺设置地板辐射采暖系统，系统采用下供下回双管异程式系统，各商铺设置热计量装置。e．地下车库设置散热器采暖系统。f．所有采暖及空调系统的水平干管，均敷设于地下车库内。各单体入口均设置热计量装置，装置设于各单体热计量间内。g．根据当地气候条件，商业主要出入口均应设置门斗，门斗内外门设置两道电热风幕。h．商业空调系统制冷站设置在地下车库内。
3供水温度对石墨烯复合涂层样品的影响
随着供水温度的升高，样品的散热量逐步升高，而散热量随供水温度的变化率先增大后减小。对于石墨烯质量分数为5%的曲线，供水温度为40℃时的散热量比温度为30℃的散热量增加59.347W，供水温度为60℃比50℃散热量仅增加4.44W。实验研究表明，在供水温度为30～60℃条件下，涂有石墨烯复合涂层的散热器散热效果比纯环氧树脂的散热效果有明显改善。其中石墨烯质量分数为5%时的散热量最佳，供水温度为50℃时，样品的散热量为127.13W，约为纯环氧树脂的13倍。随着供水温度的升高，样品的散热量增加，但增加的幅度逐渐减小。实验表明，在40～50℃时的散热量变化率高。为了提高散热器散热量，可适当提高供水温度，而随着供水温度的提高，相当于使空气源热泵冷凝器的温度升高，其COP会降低，因此应综合考虑确定供水温度。
4石墨烯电热地板发热效果
石墨烯电热地板利用石墨烯片状结构具有高导电和高导热性能，使地板表面温度能快速升到设定温度。测试条件：选取一个相对密闭的、面积约47m2、层高4m的房间，在36V驱动电压下加热，石墨烯电热地板的功率密度为160W/m2，分别选取不同位置地板上的4个点来测试地板表面温度，并在距离地面0.5m、1m处检测房间空气温度，进行发热地板的发热效果测试。在室温11.5℃的条件下，前70min地板房间升温相对较快，70min左右逐步趋向平衡；加热250min后地板表面温度最高达到37.6℃，房间内距离地面0.5m和1m处空气温度均达到22.2℃；随着温度升高房间湿度由44%降到36.2%。加热250min一共耗电26.3kWh，单位体积内每小时平均用电量0.0335kWh/m3。关闭电源150min后地板表面温度降到约21.5℃，房间温度降到20.3℃，整体保温性较高。通过试验发现，石墨烯电热地板的发热效果、房间的整体保温效果与起始室温、空间大小、墙面材质等有关系。起始室温高、空间小、墙体保温效果好，减少了热损失，整个房间温度上升的更快。
结束语
石墨烯电热地板采用石墨烯电热涂层技术，工作时以“面”的形式发热，与以“线”的形式发热的发热电缆相比，其辐射的热能更多、更快、更均匀；与碳晶电热膜相比，电热辐射转换效率更高，石墨烯产生的远红外线波长与人体远红外线波长相近，主要波长集中在5～15um，最大峰值在9um，与人体的红外辐射最大值8～10um相吻合，使人体能接收的远红外线辐射更多，产生一定的共振，可促进人体血液循环和新陈代谢，具有明显理疗效果。此外，石墨烯电热地板所散发的远红外线，辐射高度约1.2～2m，使人的全身都能感受到热量，给人以沐浴在阳光下的感觉。石墨烯电热层作为的热源具有巨大的应用前景。
参考文献
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