一种地热电缆设计制造方法

曹振鹏

（远东电缆有限公司，江苏 宜兴 214200）

人与环境的可持续共存是当前人类发展的主要原则之一，既要兼顾发展也要兼顾保持绿色、生态的环境。传统的供暖系统是以燃烧提供热能，通过热源网络传输至各个需要供暖的场所，然而，无论是燃煤、油、气对环境都产生了严重的污染，因此导致很多的疾病的发生，所以，如何改变传统的供暖系统和工作原理，以减少对环境的破坏是人类需要投入精力去践行的重要事情，地热电缆供热系统应运而生，从根本上解决了环境污染的问题。该文对地热电缆设计可行性分析，从各个角度来考虑其可行性，是否能够解决传统供热系统的种种弊病。

1 地热电缆供热系统可行性分析

1.1 国家电网系统电力量供应问题

我国电力生产基础设施比较完善，很多设施不断的升级和兴建，每年生产电量增长率约为10%，用电需求在不断的扩大，目前可以满足生产和生活的使用，但是部分偏远地区仍存在电力短缺，电力消耗量较大的主要集中在大中城市。随着电力生产建设不断发展，可以满足人们的正常需求，并且开发了核能、太阳能、水能、风能等转化为电能，提高了电力生产的效率的同时减少了环境污染。地热电缆供暖系统是利用电能转化为热能，所以电是唯一的热能转化来源，有了国家电网系统电力量供应充足的保证，地热电缆从能量供应方面考虑是可行的，完全可以满足地热电缆系统电量的消耗。

1.2 地热电缆供热系统与传统供暖系统对比

传统的供暖系统首先从环境考虑，去噪声较大，有明显的系统水循环噪声，燃烧时消耗空气的氧气，并且排除有害气体，需要巨大的空间储藏燃料，燃料也会造成环境污染。其次，传统供暖系统10 年左右就需要更换设备，而且随着使用年限增加会影响供暖的效果，系统管线等容易出现故障，可靠性比较低。最后，传统的供暖系统调整温度较为困难，误差较大，消耗自然燃料资源的同时消耗巨量的水资源。反观，地热电缆供热系统消耗电能，做到环保零排放符合国家绿色环保发展的理念。可靠性较高，不需要经常维护或者更换部件，使用寿命可达几十年，且占地面积较小，能够实现精准调控温度[1]。

1.3 地热电缆具备的特性分析

从安全方面考虑，为了保证系统的安全性，设置地热电缆最高温度上限为85℃，并且地热电缆具备长期的耐热性，在超过其温度上限时会自动关闭或者断开电路，将其长时间运行的安全系数控制在安全范围内。从供暖方面考虑，地热电缆能够高效地传递热量，并且采取比较温和的方式，传统方式造成室内温度难以控制、空气干燥不利于人体长时间室内作息等情况。地热电缆采用对空气加热，通过热空气的流动达到供暖的效果，避免了传统方式出现的弊病。从使用寿命方面看，地热电缆使用寿命可达45 年以上，维修时费用较低、操作方便等。这些特性有效地提高了供热系统的效率，从以上方面具备了推广和使用的条件，能够为人们提供一个舒适的公共暖环境。

2 地热电缆设计

2.1 采用的传递热量原理

其中地热系统的组成如图1 所示。从图1 中可以看出电缆地热系统中具有重要作用，连接着不同组成部分，最终实现热量辐射。其中传热学中的热量传递是利用了空气对流，利用温度差产生空气对流，主要有3 种方式：对流传递、导热传递、热辐射传递。对流是流体各个部分产生运动而达到的传热效果，导热是物体的微粒子进行无规则运动产生的宏观位移达到传热效果，热辐射是高速从一个物体传递另一个物体达到传热效果。由于热辐射传热效率方面比较高，我们积极采取热辐射传递热量的原理，地热电缆采用电能作为能源，发热电缆作为发热体，把电能转化为热能，通过地面辐射的方式达到室内供暖的效果。

2.2 地热电缆的结构设计

发热电缆作为发热体在设计时需要从功效上考虑，纤芯采用3 根高阻合金丝右旋束绞组合而成，以提高发热效率，保证电缆的整体的柔韧性。选材方面考虑到耐高温、抗氧化、柔韧性、耐磨性、抗腐蚀性等方面，铝铬合金、铜镍合金都能满足这些需求。其次是内外层绝缘包裹，考虑到耐点度、带热度、柔韧性、绝缘性等方面，选取聚乙烯复合式绝缘结构，其分子结构采用交联结构，可以强化导热性和柔韧性。接着是接地线，考虑安全因素采用多股镀铜线，以屏蔽方式接地，防止漏电、电磁干扰等。外层先后是屏蔽线和护套，铝塑复合材料起到径向阻水效果，防护套使用高温改型PVC[2]。以上设计要求按照国标标准执行，方便维修、更换零件等。

2.3 地热电阻的结构符合性计算

通过计算测算电阻线芯的材质和阻值在不同电阻率、电缆长度下的合理的区间。电缆的各种参数决定电缆传递热的性能，传递过程中损耗热量、传递效率、最高温度的影响。参数包括电阻系数、介电常数、磁导系数、电缆结构等，单位长度电缆线芯在一定温度下的直流电阻，在导体电阻的温度系数影响下，线芯材料的组织变化，根据不同的功率要求，计算出电流量和有效电阻，一次验证材料的符合性。结构中的热阻是能够影响热量传递的，需要逐个计算热阻的值，以找到科学、合理的提高热量传递的有效值。电缆的传热计算、损耗计算等都是决定热量传递效果好坏的重要因素，通过计算找到地热电缆最大工作效率的范围值，在保证安全的前提下，将传递热量的效率最大化。其中在电缆设计中，可选择WJN-18/2R 电缆，线性负荷为18 W/m，在铺设过程中可以结合工程实际面积合理确定铺设间距。其中相关技术指标详情见表1。

表1 电缆铺设相关技术指标详情

2.4 地热电缆制作工艺流程设计

热电缆制作工艺流程设计如图2 所示。线芯采用3 根高阻合金丝右旋绞组成，并制成有节距的。按照由内到外，采用绝缘抗张强度、断裂伸长率、热收缩率在符合性范围内的材料，进行内外双层复合绝缘的挤包，保证材料的柔韧性和使用寿命，有效地减少了绝缘材料工作过程中的电量损失。再外一层的金属接地屏蔽包层为铝制，并完成接地线阻水层热合纵包，防止电力外泄造成的损失和避免不安全因素[3]。最外层是聚乙烯复合绝缘结构包裹在外层，以保证内芯完好。地热电缆的工艺及流程要结合材料的特点进行编制，按照由内到外的顺序，使各个组成结构发挥正常作用，并综合以上计算符合性阈值进行合理设计，达到预期的地热电缆效果。

图2 热电缆制作工艺流程设计

3 地热电缆的传热原理模型建设

3.1 传递热学与电缆组合模型理论分析

在地热电缆设计阶段、结构符合性计算可以确定实际散热温度的分布以及电量和热量的流失。从预期作用来分析，计算的温度提升是阈值，可以适用于实际的应用，在阈值范围内合理取值可以保证地热电缆的正常和安全工作。电缆通过电能转化为热能，借助电缆的结构特征最大效率发挥热量传递，从中心的线芯传递到空气中，符合传递热学与电缆组合发挥作用的，符合散热的原理。热量从线芯发出，传递到绝缘层、屏蔽层、外护套和空气等媒介，达到提高、保持室内温度的效果。

3.2 传递热物理模型建设

电缆作为发热的源头，切面外圈小于电缆的一个单位长度，传热的效率与周围璧面的关系。任意2 根缆线的温差较小，视为同等温度，且缆线柱面温度分布相同，缆线之间有绝热面，不存在热量互相传递。按照热量向外传递的顺序建立模型，缆线内到外按照顺序，再水泥、地板、空气、其他，达到热量传递的过程提高室内的温度，实现电缆传递热量的物理模型建设。建立模型的好处是可以利用现代数学计算方法实现求解热传递的点块温度，并且能够更加精确的计算[4]。

3.3 传递热数学方法模型建设

我们建设了物理模型，接下来需要采用数学的方法进行模型建设，计算出稳态温度场的单位元的温度，计算出热流的密度，在能量守恒的理论支撑下，计算发热源的发热效率，进而计算出温度场的阈值。温度场离散计算到各个单元上，计算单元的发热和散热、流量、温度分布等，计算出精确的阈值。不同材料的地热电缆温度场分布是不同的，通过精确的计算确定出材料的符合性，并确定材料是否可以适用于电缆的设计和制造，给予电缆设计和制造的理论支持基础[5]。

4 结语

地热电缆供暖系统设计需要合理的设计电缆的结构、正确的运用热传递原理，电缆的结构组成材料选取要结合计算的值来确定符合性，热传递要结合电能转化为热能后向外高效的传递，期间减少损失的热量，并达到可控制温度变化的效果，最终完成提升和保持室温的目的。再通过模型建设，验证计算出地热电缆设计到应用的合理性。