基于ANSYS的电地暖铺通电后温度模拟

1.前言

    地热暖铺采用特殊的发热合金进行发热，其优点是铺装方便，占地面高度小，使用安静。
    发热电缆地面低温辐射采暖系统，安装于地面的水泥层中。其优点是：当它运行时，整个地面是温暖的，它的温度范围分布是头凉而脚暖，符合人体工程学，具有较好的保健作用。又由于其能够做到每个房间的温度可调，所以能够避免能源的浪费，具有节能环保的优点。还为用户节省出了暖气占用的空间，增大了有效使用面积。避免了占地建锅炉房、煤灰场，用节约的土地可开发更多的商品房，同时还可节约后期维修费用。而对社会而言，它为电力过剩地区的电力消费找到了一个突破口，减少了燃煤、燃油、燃气等采暖方式对大气环境的污染，是治理城市大气污染的一个重要途径。正由于上述这些优点，所以发热电缆地面低温辐射采暖系统正被越来越多的房地产开发商和众多的装修用户所接受，广泛用于现在的高档住宅，酒店，机场还有部分体育场。
    发热电缆的发热元件是由铜、镍合金制成的电阻丝，在一根发热电缆内，任意同等长度距离内的阻值是相等的。发热电缆通过密封防水的接线盒与冷线相连，当冷线被加上电压后，电流在发热电缆中通过，由于受到电阻的阻碍，电能转化为热能并以辐射的形式散发出来，其热效率高达97%以上。热量首先被水泥层所吸收，再通过传导和辐射形式加热房间内的密实物体和空气。
    室温可以达到所要求的温度，一般为18-21℃。暖线的安装设计是按用户的要求温度及房间的热丧失计算的。由于是地板辐射采暖方式，所以在18℃室温时的舒适度相当于普通暖气采暖方式２０℃时的舒适度，由此它比普通采暖方式节能１０％左右。地面温度一般为21-24℃，浴室可达到更高，起居室则可相应降低。发热电缆接通电源后，自身工作温度为40℃～60℃。
2.地面温度模拟

    本文主要对地面温度进行模拟，并绘制出温度变化曲线，并进行讨论。
    系统结构图如下：

    （1）发热线缆各个部分材料的导热系数（表中系数都采用国际单位制）

    （2）地板铺设层

系统的起始温度为5摄氏度，发热合金的功率为20W/m。
    用Ansys进行建模。由于系统在轴向方向上可以看做是无限延伸的结构，所以此问题可以看成是平面应变问题，故采用平面结构即可。因为此项目是本人为某公司做得项目分析，起先采用的三维造型，模拟三个小时的温度变化曲线，计算机用了9个小时进行计算，后来我将模型进行改进，改为平面结构，此时计算3个小时不过1分钟左右，可以看出将问题进行简化是CAE分析中相当关键的一项任务。

   下面模拟两个极限情况，即空气的传热系数为5和10的时候。图4和5中是空气传热系数为5的情况，图6和7是空气传热系数为10的情况。对比可知，同样在三小时后，地板温度两者相差达到4度左右，故空气传热系数对地板温度的影响很大。在建立模型时，一定要正确设定该值。同时从图5中可以看出，在两小时时地板温度已经上升到20摄氏度，与实际情况相符合。故在做本模型时，如果发现仿真情况与实际情况相差很大时，要检验一下传热系数的设定。

图4（空气传热系数为5）

图5（空气传热系数为5）

图6（空气传热系数为10）

图7（空气传热系数为10）

    从图3、5和7中可以看到，在前三小时，地面温度上升的还是很快的。这说明，系统还未达到相对平衡，下面模拟20小时后的情况，此时将时间步长设为600s，空气传热系数设为7.5。温度变化曲线如图8:

图8

    从图中可以看出，温度已经趋于稳定了。其中在时间24000s时出现了一个转折点，在这以前温度上升较快；以后，温度上升较慢，直至平衡。从图中还可以作出结论，地面温度最后不会超过45摄氏度，这也是整个系统的平衡温度，相应的空气温度在40度左右，这也是在安全温度范围内的。
3.结论

    本文对地热暖进行了温度模拟，采用该取暖方式有很多好处。从图8中看出，在前期室温上升较快，而在后期温度上升很慢，这是较安全的。万一人们出门忘了关了电源，也不会有火灾的隐患，因为从图中可以看出随着时间增长，温度上升速度越来越慢。
    模拟过程中，最关键的因素是空气传热系数的设定。这只能采用经验法，所以有很大的不确定度。最后结果与实际情况是否吻合，关键就是这个参数的设定问题。好在我们可以通过调整这个参数，来一步步接近实际情况。
    Ansys在热力学分析方面的强大功能，可以使设计者更快，更好的对系统进行设计，而不用通过热力实验来测定温度的变化曲线。要知道实验既费时，代价又高，所以使用Ansys可以使企业更加具有竞争力。

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