木基电热材料电热性能分析及板面温度模拟

李 祯 ，张桂兰 ，李 博 ，山其米克

(1.中国科学院理化技术研究所，北京 100019；2.新疆农业科学研究院生物质能源研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)

电热材料由于它的特殊功能，已广泛应用于农业、工业、军工、民用以及医学等领域，而木基电热材料是以木质材料为基体材料，采用同步复合技术将其与导热性能良好的碳素材料复合而制成导热性能良好、通电后可以自发热的一种新型电热材料。正是由于该材料具有良好的导热性能，将其应用于地暖地板可以大大降低采暖运行成本和建筑能耗[1-3]，不仅顺应国家节能减排的要求，也符合我国供暖体制变化的需求。目前，我国的供暖体制主要采用地面采暖供热，特别是低温热水地面辐射采暖应用较为广泛。但是，这种集中采暖技术的最大缺陷是不能根据室外温度的变化而改变供热量，存在着能源调节不良，采暖运行成本高，建筑能耗大等问题[4-7]。因此，提高地面采暖供热效率、实现温度调控是直接影响地面采暖能耗和环境污染的关键因素。鉴于此，本研究通过对木基电热材料电热性能的分析以及板面温度分布的模拟，获得一种板面温度分布均匀、节能降耗的木基电热材料，为木基电热材料在地面采暖地板中的推广应用提供理论基础。该材料在地暖地板的应用不仅可以控制用户所需供热量，而且很大程度上可以解决能源浪费的问题，在环保和节能方面具有其他供暖技术无法比拟的优势，发展前景广阔。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用材料木基材料为市购中密度纤维板；碳素材料是深圳盛田丰科技有限公司；铜胶带为厚度0.13 mm，深圳盛田丰科技有限公司提供，起到电极的作用；电线的截面规格为1.5 mm2，天津市正标津达线缆有限公司提供；电焊丝选用中亚天津电子锡焊技术有限公司；导热胶选自上海卓优化工；铝箔胶带为厚度0.05 mm，北京世通骏豪商贸有限公司提供。

1.2 试验设备

（1）万能试验压机：工作幅面500 mm×500 mm，苏州新协力企业发展有限公司；（2）数字钳式万用表：型号UT201，优利德钳式万用表；（3）数据采集仪：安捷伦34970A，采集温度数据，深圳市世家仪器有限公司；（4）温度传感器：PT100型号，西安夏溪电子科技公司；（5）电烙铁LC：深圳市旻昊电子科技有限公司；（6）调压变压器：型号SVC-10KVA，上海振华稳压器厂。

1.3 试验方法

1.3.1 木基电热材料制备

采用人造板工艺，其中热压时间、热压温度和热压压力为固定工艺参数，将木质材料和发热层热压复合制备成木基电热材料。在木基电热材料各项力学性能达到国标要求的条件下，开展材料电热性能的研究。

1.3.2 发热层功率控制

采用数字万用表直接测量通电前后的木基电热材料两极上的电阻，每块材料测量6次后取平均电阻值，通过电阻测试结果分析发热层的功率。涂覆形式分别为：全涂覆、条状涂覆和S状涂覆，见图1。

图1 发热层的不同涂覆形式Fig.1 Different coating forms of the heat -generating layer

1.3.3 电热性能测试方法

将内置发热层的木基电热材料置于稳定的环境，连接好线路，接通电源，按要求对变压器进行调压，利用万用表记录电压和电流值，并记录材料发热温度。为了更好地分析材料表面的温度分布，对材料表面进行网格划分，用万用表、温度传感器进行板面温度实测，并采用MATLAB软件拟合板面温度分布图。选取9个测温点如图2所示，利用数据采集仪对测温点进行温度测试，每分钟采集数据1次。

1.3.4 电热性能模拟方法

图2 测点分布Fig.2 Distribution of measuring points

根据SolidWorks和Gambit建立物理模型并划分网格，利用fluent软件分析木基电热材料实测点的数据，模拟材料板面的温度分布，对比实测与模拟，验证结果的准确性。

2 结果与分析

2.1 涂覆形式对材料功率的影响

表1 电阻测试结果Table 1 The coefficient of resistance of determination results

表1表明，发热层的涂覆形式直接影响材料的电阻，涂覆形式不同则材料的电阻也不同，而电阻的影响因素为电阻率、涂层长度以及涂层横截面积。三者之间存在电阻与电阻率、涂层长度成正比例关系，电阻与涂层横截面积却成反比例关系。因此，全涂覆的发热层因为其截面积最大，长度较小，所以全涂覆发热层的电阻最小；条形涂覆发热层与前者相比虽然涂层长度不变，但其截面积变小了，因此条形涂覆发热层的电阻较前者大，而S形涂覆发热层较前两者长度长，截面积小，所以电阻最大。因此，在相同电压下，可以通过改变发热涂层涂覆形式来实现木基电热材料的功率控制。

2.2 木基电热材料电热性能分析

将制备好的木基电热材料进行电热性能分析，通过调压使制备的3种电热材料在同一功率下进行板面升温速率的测试，根据地板采暖设计，每平米地面采暖辐射功率为160～300 W计算，则所取试样功率可以控制在10～30 W之间，电热性能测试分析见图3所示。

图3 功率与升温曲线关系Fig.3 The relationship between power and heating curves

图3表明，3种碳素材料不同涂覆形式的木基电热材料在不同功率下其板面温度随时间的变化呈递增趋势，即随着通电时间的延长，板面温度逐渐上升，最后达到稳定状态。在通电初期，电热材料的板面温度上升迅速，因为通电初期电热材料的发热与散热速率较快，但发热速率大于散热速率，随着散热速率的增大，板面温度上升，当发热速率与散热速率相等时，板面温度趋于平稳。此时，电热材料的电热效应趋于稳定[8-10]。当电热材料通电时间15 min左右，输入功率10 W时，3种电热材料的板面温度均达到25 ℃以上；当输入功率20 W时，板面温度均达到50 ℃以上，其中涂覆形式S型的电热材料板面温度最高，可达到65 ℃以上；不同功率下材料板面温度均符合供暖需求。

室温下，通过调压后相同功率下不同涂覆形式板面升温结果见表2。

表2 相同功率下不同涂覆形式板面升温结果Table 2 Different coating surface temperature rise results under the same power

2.3 木基电热材料板面温度分布

为了直观地看出电热材料板面温度分布情况，利用MATLAB软件对个测温点的温度数据进行拟合获得温度分布云图，下图4～6为功率在15 W左右时的温度分布云图。

图4 全涂覆电热材料温度分布云图像Fig.4 The temperature distribution of full coating

图5 条形涂覆电热材料温度分布云图像Fig.5 The temperature distribution of strip coated

图4～6表明，S形涂覆的木基电热材料其板面温度分布较其他两种形式均匀，最大温差在1℃以内。板面中心温度略微高于板面边部温度，可能由于热空气聚集辐射所导致[11-12]。

图6 S形涂覆电热材料温度分布云图像Fig.6 The temperature distribution of S coated

2.4 工艺优化

综合考虑木基电热材料电热性能和板面温度分布，碳素材料S型涂覆的电热材料通电初期温度上升速度较快，板面温度稳定后温度也较高，同时其15 min板面温度分布较均匀，所以优选碳素材料S型涂覆形式。

2.5 木基电热材料电热性能模拟

2.5.1 物理模型的建立

选用S形涂覆的电热材料，试样尺寸：长×宽为300 mm×170 mm。根据SolidWorks建立模型，并导入Gambit划分网格，采用六面体结构网格。如图7所示，电热板距离Z轴方向500 mm。模型边界采用壁面边界和压力出口，介质类型为空气。

2.5.2 边界条件设定

木基电热材料的板面温度随通电时间在变化，因此对其辐射量进行数值模拟应采用非稳态模型。材料板面对外热交换方式主要为热对流和热辐射，一部分热量通过板面以对流形式与室内空气进行热交换，形成自然对流，板面附近空气的流动属于标准k−ε模型，另一部分热量以热辐射形式向周围空气传递，辐射模型为S2S模型[13-15]。

图7 物理模型Fig.7 The physical model

在1个标准大气压、室温(23±2) ℃条件下，考虑重力对自然对流产生的浮力影响。边界条件选取图2中测温点1、2、8、9的温度值，其余测温点的温度值作为验证模型的准确性。

2.5.3 仿真计算结果分析

选择压力求解器并采用couple离散格式进行迭代求解，处理一段时间后，结果收敛见图8，模拟值见表2。

图8 模拟温度云图像Fig.8 Simulated temperature nephogram

表2 模拟与实测对比结果Table 2 Comparison of simulation and measured results

图8中左侧温度条从蓝色到红色表明温度依次上升，右侧的温度模拟结过说明S形涂覆的木基电热材料板面温度分布较均匀，温度从内向外呈辐射状依次递减。并从表2数据可以看出模拟值与实测值的相差在5%以内，模拟仿真结果与试验数据有较高的相似性，表明仿真模型是有效的。

3 结论与讨论

木基电热材料作为地暖地板的材料，主要考虑木基电热材料的功率控制和发热均匀性，地板功率可以根据用户需求调整碳素材料的涂覆形式来控制，一般功率设计为80～160 W/m2，发热均匀性直接影响地板的发热效率、使用寿命及安全性。

本研究以碳素材料作为发热材料，碳素材料分别采用3种不同涂覆形式与木基材料同步复合，通过设计碳素材料涂覆形式实现木基电热材料相同电压下电阻的不同，从而实现了电热材料的功率可控。电热材料通过调压，当输入功率10 W、通电时间15 min左右时，3种材料的板面温度均达到25 ℃以上；当输入功率15 W时，3种材料板面温度均在35 ℃以上；输入功率为20 W时，板面温度均在50 ℃以上，其中S涂覆形式的温度可以达到65 ℃以上。而且温度云图表明S形涂覆木基电热复合材料板面温度较高，温度分布均匀，最大温差在1 ℃以内。说明碳素材料S型涂覆的电热材料通电初期温度上升速度较快，板面温度稳定后温度也较高，同时其15 min板面温度分布较均匀，所以优选碳素材料S型涂覆形式作为电热材料的内置发热层形式。在此基础上，采用Fluent软件对木基电热材料板面的升温过程的动态仿真进行了模拟，且模拟仿真结果与试验测试数据差值百分比在5%以内，所以仿真模型是有效的。

本研究只从功率控制和板面温度分布进行了研究与模拟，未对空间采暖进行模拟，所以空间采暖有待进一步深入研究。