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发布：2026-06-08 07:12:52 · 事件：2026-06-08 07:12:52

摘自 《煤气与热力》2025年6月刊 PTC电热膜供暖系统间歇运行方案优化 吴思琦 1、2 ，许志鹏 1、2 ，张甜甜 1、2 ，韩东亮 1、2 ，谭羽非 1、2 ，杨悦 1、2 （1.哈尔滨工业大学 建筑与设计学院， 黑龙江 哈尔滨 150006； 2.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化 部重点实 验室， 黑龙江 哈尔滨 150006） 摘要：对PTC电热膜特性展开试验研究。

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  摘自 《煤气与热力》2025年6月刊>>> PTC电热膜供暖系统间歇运行方案优化 吴思琦 1、2 ，许志鹏 1、2 ，张甜甜 1、2 ，韩东亮 1、2 ，谭羽非 1、2 ，杨悦 1、2 （1.哈尔滨工业大学  建筑与设计学院，  黑龙江  哈尔滨  150006； 2.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化 部重点实 验室，  黑龙江  哈尔滨  150006） 摘要：对PTC电热膜特性展开试验研究。采用模拟方法，在保证供暖效果前提下，最大限度利用围护结构蓄热能力，通过调整通电时间对PTC电热膜供暖系统间歇运行方案进行优化。通电阶段：PTC电热膜通电响应迅速，通电前60 s升温速率较大。60 s后，升温速率减小并逐渐趋于稳定。PTC电热膜具有自限温特性。在没有覆盖物影响时，电热膜中部表面温度较高，四周表面温度较低。热流密度随表面温度升高呈线性下降趋势，下降速率较大。断电阶段：由于电热膜自身没有蓄热特性，断电后表面温度迅速下降。PTC电热膜供暖系统可为房间提供相对舒适的热环境。通过调整通电时间，最大限度利用围护结构蓄热能力，可在保证供暖效果的前提下，获得理想的经济性。 关键词： PTC电热膜；间歇运行；电热膜供暖；方案优化 参考文献示例： 吴思琦，许志鹏，张甜甜，等. PTC电热膜供暖系统间歇运行方案优化［J］. 煤气与热力，2025，45（6）：A16-A23. 1  概述 随着 “双碳”政策的提出，我国清洁能源发电技术迅速发展。电供暖作为清洁电能利用的一种恰当方式，可有效提高供热效率。其中，电热膜供暖是电供暖常见方式之一。电热膜将电能转换为热能后，通过热辐射、对流换热为房间提供热量，具有电热转换率高、占用空间小、供热均匀等特点。但结合当前电热膜使用情况，常规电热膜在应用过程中存在较大弊端： ① 若用户采用地面辐射供暖，床、沙发下的热量难以扩散，电热膜表面温度上升，造成局部过热 ［ 1 ］ ，轻则使膜下保温层融化，释放甲醛等有害气体，重则损坏电热膜甚至引发火灾。 ② 电热膜供暖系统在设计和运行时未能充分利用墙体蓄热性能，造成资源浪费。因此，为实现电热膜供暖系统安全节能运行，改善电热膜性能、深入结合建筑蓄热性能十分重要。 国内外学者多从电热膜材料入手，改善电热膜性能，以解决电热膜的安全问题。 Wang 等人 ［ 2 ］ 以多壁碳纳米管（ MWCNT ） / 聚间苯二甲酰胺（ PMIA ）纳米复合薄膜为电热元件进行研究，结果表明 MWCNT 含量对复合薄膜电性能、电热性能、热稳定性有一定影响。 Luo 等人 ［ 3 ］ 研制出一种由抽象碳纳米管（ CNT ）基复合材料合成的高性能电热膜。 1945 年， Frydman 等人发现在 BaTiO 3 陶瓷中加入微量稀土元素后，其室温电阻率大幅下降，由此发现 PTC （ Positive Temperature Coefficient ，正温度系数热敏）材料的特性。 PTC 材料具有电阻随温度升高而增大的特性。将 PTC 材料加入石墨烯电热膜中，制成 PTC 电热膜，可使电热膜在加热过程中实现自动控温和过载保护，有效解决电热膜工作时易局部过热的问题。 对于建筑墙体蓄热的研究，韩莹 ［ 4 ］ 提出建筑综合热惰性的概念，建立动态热平衡方程，通过计算、实测和模拟相结合的方法，分析了建筑材料、结构对室内温度场的影响。刘馨 ［ 5 ］ 研究了建筑综合热惰性在多种内外扰因素影响下的响应特性。闫振业等人 ［ 6 ］ 研究了围护结构蓄热供暖房间的动态热特性及影响因素。胡悦 ［ 7 ］ 利用 EnergyPlus 软件，模拟建筑外墙外保温、外墙内保温、外墙无保温 3 种墙体结构下的室内温度及墙体壁面温度。结果表明，相同墙体厚度下，外保温墙体热工性最优。 Aste 等人 ［ 8 ］ 对 6 种不同热物性参数的墙体建筑模型进行能耗模拟，指出了有效降低建筑能耗的方法。张在喜 ［ 9 ］ 分析了蓄热系数、热惰性指标等参数对墙体传热的影响。 由以上分析可知，受成本和技术限制，目前对于 PTC 电热膜的性能研究多停留在试验阶段，缺乏实际工程验证，针对电供暖系统与建筑蓄热性能结合的研究较少。 本文对 PTC 电热膜特性展开试验研究。采用模拟方法，在保证供暖效果前提下，最大限度利用围护结构蓄热能力，通过调整通电时间对 PTC 电热膜供暖系统间歇运行方案进行优化。未特殊强调时，电热膜指 PTC 电热膜。 2 PTC 电热膜特性试验 2.1  试验内容 小室初始温度为 15 ℃ ，对电热膜施加 220 V 电压通电 12 h 。然后断电，持续散热。在通电阶段，对 PTC 电热膜通电响应速度、自限温特性、表面温度分布、热流密度 - 温度特性、室内温度进行测量分析。在断电阶段，对 PTC 电热膜降温速率进行测量分析。 2.2  测点布置 选用热导率 0.037 W/ （ m·K ）、厚 30 mm 的聚苯乙烯泡沫塑料，制成长 × 宽 × 高（均为小室内尺寸）为 1 000 mm×550 mm×500 mm 的试验小室，见图 1 。 图 1    PTC 电热膜特性试验小室 电热膜（居中布置）有效发热尺寸为 900 mm×520 mm ，在电热膜表面布置 10 个测点，测点布置见图 2 。测点 1 用与搭建试验小室相同的保温材料覆盖，用于模拟房间内家具覆盖于电热膜之上的情况，与其他测点形成对照，以测试 PTC 电热膜存在局部覆盖时的温度，验证 PTC 电热膜的自限温性能。各测点布置贴片式热电偶，保证热电偶接触良好。采用温度计测量小室的室内温度，小室测点位于小室中心，距底面 250 mm 。采用多用表测量 PTC 电热膜的电压、电流。 图 2     电热膜表面测点布置 各测点温度每 5 s 记录 1 次，电压、电流每 1 min 记录 1 次。根据实测电压   、电流计算通电时电热膜电阻，根据功率、热电转化效率（取 1 ）计算电热膜热功率，进而根据电热膜有效发热面积计算电热膜热流密度。 2.3  试验结果及分析 ①  通电阶段 通电 3 h 内电热膜表面温度随时间变化见图 3 。由图 3 可知，通电前 60 s 电热膜表面升温速率较大，说明 PTC 电热膜通电响应迅速。 60 s 后，升温速率减小并逐渐趋于稳定，这是由于电热膜中的 PTC 材料具有电阻随温度升高而增大的特性，温度升高使电热膜热功率下降，温升速率减小。 图 3     通电 3 h 内电热膜表面温度随时间变化 测点 1 存在保温材料覆盖，温度明显高于其他测点，但温度始终低于 48 ℃ ，说明 PTC 电热膜具有自限温特性。在没有覆盖物影响时，电热膜中部表面温度较高，四周表面温度较低。 将碳纤维电热膜作为对照试验材料，比较通电过程两种电热膜热流密度随平均表面温度的变化。由实测结果可知，随着电热膜表面温度升高，碳纤维电热膜热流密度变化极小，平均表面温度为 10 ℃ 与 45 ℃ 时的热流密度仅相差 2 W/m 2 。 PTC 电热膜热流密度随表面温度升高呈线性下降趋势，下降速率较大。 ②  断电阶段 断电后电热膜平均表面温度随时间变化见图 4 。由图 4 可知，由于电热膜自身没有蓄热特性，断电后表面温度迅速下降，断电 100 s 后，平均表面温度由 40.78 ℃ 降至 20.45 ℃ 。 图 4     断电后电热膜平均表面温度随时间变化 3 PTC 电热膜供暖系统模型 3.1  电热膜供暖系统模型 ①  物理模型 以哈尔滨江北区某公共建筑的 2 层南向房间作为模拟对象，房间建筑面积 244.8 m 2 ，模拟房间通过楼梯与 1 层、 3 层连通。根据热流密度 - 温度特性试验结果，建立电热膜供暖系统模型。模拟房间平面布置及电热膜敷设位置见图 5 。 图 5     模拟房间平面布置及电热膜敷设位置 模拟房间长 × 宽 × 高为 17.0 m×14.4 m×3.6 m ， 12 扇外窗，无外门，热源为 PTC 电热膜。采用 ANSYS 软件建立房间电热膜供暖系统物理模型，见图 6 。图 6 中蓝色圆点为三维坐标系原点。在物理模型搭建过程中，将楼梯部分设定为天花板、地板。忽略电热膜细节尺寸，将电热膜视为均匀热源。模拟房间位于中间层，忽略与楼上、楼下房间的传热。在进行外墙、天花板、地板蓄放热模拟时，不考虑外窗的蓄放热。忽略地板装饰层。 图 6     物理模型 围护结构性能参数见表 1 。外墙外表面传热系数为 23.3 W/ （ m 2 ·K ），内表面传热系数为 8.7 W/ （ m 2 ·K ）。外窗传热系数为 0.8 W/ （ m 2 ·K ）。在模拟房间内设置温度测点，用于测量计算房间平均室内温度。 表 1     围护结构性能参数 基准方案：电热膜通电时间（ 10.5 h ）为 20 ： 30  —次日 7 ： 00 ，断电时间（ 13.5 h ）为次日 7 ： 00 —次日 20 ： 30 。将通电时间与断电时间之和定义为 1 个运行日。通电阶段：电热膜持续通电。断电阶段：室内温度限值为 18 ℃ ，当室温低于 18 ℃ 时电热膜通电，当室内温度达到 20 ℃ 时电热膜断电。 ②  数学模型 传热模型分为围护结构固体计算域和内部空气流体计算域。围护结构蓄热基于非稳态传热中的蓄热原理展开，外墙、天花板、地板的蓄放热性能与热阻、比热容有关 ［ 10 ］ ，依据表 1 围护结构参数，建立围护结构蓄放热模型。 电热膜与空气的传热方式包括自然对流和热辐射，空气的基本方程由连续性方程、动量方程、能量方程构成。空气湍流模型采用 Realizable k- ε 模型，辐射模型选用 DO 模型 ［ 11 ］ 。 以 20 ： 30 为起始时刻，逐时室外温度可描述为 ［ 10 ］ ： 式中      T ——逐时室外温度， K 　　　t ——模拟时间， s 式（ 1 ）中， sin 函数的自变量的单位为（ ° ）。例如，若要计算 21 ： 30 的室外温度，则将 t 为 3 600 s 代入式（ 1 ），计算得到此时室外温度 T 为 255.13 K 。 ③  初始及边界条件 房间初始温度设定为 18 ℃ 。空气密度与温度变化关系选用 Boussinesq 模型，流体中的黏性耗散忽略不计。围护结构与空气接触的壁面采用第三类边界条件，室外温度由式（ 1 ）计算。天花板上表面、地板下表面设为绝热条件。外墙、天花板、地板内导热过程为无内热源、一维、非周期性非稳态导热过程。电热膜上下表面温度均设定为 38 ℃ ，与地板传热过程为双层平壁稳态传热过程。 3.2  网格无关性 对不同区域网格进行细化及边界层属性定义，网格数分别为 16.1×10 4 、 20.3×10 4 、 32.4×10 4 、 48.6×10 4 、 55.6×10 4 。从电热膜通电的 20 ： 30 起，模拟 1 h ，时间步长设置为 25 s ，对比分析不同网格模型的模拟结果（房间平均室内温度），选择适宜的网格数。房间平均室内温度随网格数的变化见图 7 。由图 7 可知，随着网格加密，网格数为 32.4×10 4 和 48.6×10 4 的模拟结果相差 0.05 ℃ ， 32.4×10 4 和 55.6×10 4 的模拟结果相差 0.03 ℃ ，可认为模型网格数为 32.4×10 4 时的计算结果已满足要求。因此，选定模型网格数为 32.4×10 4 。 图 7     房间平均室内温度随网格数的变化 3.3  模型验证 室外温度保持在 -20 ℃ ，房间初始温度为 18 ℃ ， 1 个运行日（ 20 ： 30 —次日 20 ： 30 ）房间平均室内温度的实测值、模拟值随时间的变化见图 8 。由图 8 可知，房间平均室内温度的实测值、模拟值随时间的变化趋势一致。与实测值相比，模拟值的最大相对误差的绝对值为 0.26% 。因此，模型的计算准确性比较理想，模拟结果可以接受。 图 8    1 个运行日房间平均室内温度的实测值、模拟值随时间的变化 4  供暖效果 4.1  通电阶段 室外温度由式（ 1 ）确定，基准方案运行日房间平均室内温度随时间的变化见图 9 。由图 9 可知，基准方案电热膜断电时房间平均室内温度为 22.77 ℃ ，断电 197 min 后平均室内温度降至 20 ℃ 。运行日结束时，平均室内温度为 18.20 ℃ ，满足最低室温要求。模拟结果表明，基准方案 PTC 电热膜供暖系统可满足热舒适要求。 图 9     基准方案运行日房间平均室内温度随时间的变化 取模型的 2 个截面为代表，对室内温度场展开研究。截面 1 （见图 10 ）： z =1.5 m 截面；截面 2 （见图 11 ）： y =7.2 m 截面。 图 10     截面 1  图 11     截面 2 基准方案通电阶段房间平均室内温度、截面 1 平均温度、截面 2 平均温度随时间变化见图 12 。由图 12 可知，通电阶段截面 2 平均温度最高，其次是房间平均室内温度，截面 1 平均温度最低。通电结束时，房间平均室内温度为 22.77 ℃ ，截面 1 平均温度为 22.67 ℃ ，截面 2 平均温度 22.81 ℃ 。 图 12     基准方案通电阶段房间平均室内温度、截面 1 平均温度、截面 2 平均温度随时间变化 基准方案通电结束时，截面 1 温度场、截面 2 温度场、天花板表面温度场分别见图 13~15 。图中数值相应单位为 K 。由图 12 可知，基准方案通电结束时截面 1 温度分布均匀，有利于营造比较舒适的热环境。截面 2 人员活动区域（本文取 1.2~1.8 m 高度）温度梯度小，不会因温差过大造成不舒适感。 分析天花板表面温度场可知，天花板表面等温线密集、温差较大，在电热膜正上方形成高温区域。因此，电热膜供暖系统可为房间提供相对舒适的热环境。 图 13     基准方案通电结束时截面 1 温度场 图 14     基准方案通电结束时截面 2 温度场  图 15     基准方案通电结束时天花板表面温度场 4.2  断电阶段 基准方案断电阶段房间平均室内温度、地板表面平均温度随时间变化见图 16 。由图 16 可知，电热膜断电后，房间平均室内温度、地板表面平均温度均出现下降，大部分时间地板表面平均温度高于房间平均室内温度。 图 16     基准方案断电阶段房间平均室内温度、地板表面平均温度随时间变化 运行日结束时，围护结构（除天花板）内表面温度分布、围护结构（除地板）内表面温度分布分别见图 17 、 18 。由图 17 、 18 可知，由于外窗热阻最小，受室外温度影响最大，外窗内表面温度最低。电热膜自身没有蓄热特性，断电后表面温度迅速下降。地板表面温度在所有围护结构中温度最高，高于运行日结束时的房间平均室内温度（ 18.20 ℃ ），说明运行日结束时围护结构仍有余热可以利用，基准方案并非最优运行方案，应对运行方案进行调整，在保证断电阶段最低室内温度的前提下，最大限度利用围护结构蓄热能力。 图 17     运行日结束时围护结构（除天花板）内表面温度分布  图 18     运行日结束时围护结构（除地板）内表面温度分布 5  运行方案调整 5.1  改进方案运行效果 改进方案 1 ：电热膜通电时间（ 7.0 h ）为 00 ： 00  — 次日 7 ： 00 ，断电时间（ 17.0 h ）为次日 7 ： 00 —次日 24 ： 00 。 改进方案 2 ：电热膜通电时间（ 8.0 h ）为 23 ： 00  — 次日 7 ： 00 ，断电时间（ 16.0 h ）为次日 7 ： 00 —次日 23 ： 00 。 改进方案 1 、 2 运行日房间平均室内温度随时 间的变化分别见图 19 、 20 。图 19 、 20 曲线起始点 为 通电开始时间（房间平均室内温度为 18 ℃ ），终 止点为断电阶段房间平均室内温度降至 18 ℃ 的时间。 由于基准方案在断电阶段房间平均室内温度均高 于 18 ℃ ，因此图 9 曲线为 1 个运行日的 24 h 完整曲线。 图 19     改进方案 1 运行日房间平均室内温度随时间的变化 图 20     改进方案 2 运行日房间平均室内温度随时间的变化 两种改进方案模拟结果见表 2 。由表 2 可知，改进方案 1 、 2 在断电阶段断电后房间平均室内温度降至 18 ℃ 所需时间均短于断电时间，需要再次通电以保持房间平均室内温度大于等于 18 ℃ 。 表 2     两种改进方案模拟结果 5.2  经济性对比 哈尔滨非居民用户电供暖分时电价见表 3 。基于对平均室内温度要求，对 3 种方案运行日电热膜通电时间进行模拟，并根据分时电价对 3 种运行方案运行日电费进行测算。测算结果表明，改进方案 2 的运行日电费最低，其次是基准方案，改进方案 1 电费最高。由此可知，通过调整通电时间，最大限度利用围护结构蓄热能力，可在保证供暖效果的前提下，获得理想的经济性。 表 3     哈尔滨非居民用户电供暖分时电价 6  结论 ①  通电阶段： PTC 电热膜通电响应迅速，通电前 60 s 升温速率较大。 60 s 后，升温速率减小并逐渐趋于稳定。 PTC 电热膜具有自限温特性。在没有覆盖物影响时，电热膜中部表面温度较高，四周表面温度较低。热流密度随表面温度升高呈线性下降趋势，下降速率较大。 ②  断电阶段：由于电热膜自身没有蓄热特性，断电后表面温度迅速下降。 ③ PTC 电热膜供暖系统可为房间提供相对舒适的热环境。 ④  通过调整通电时间，最大限度利用围护结构蓄热能力，可在保证供暖效果的前提下，获得理想的经济性。 参考文献： ［  1  ］      冉东生，田开明，王月敏 .  低温电热膜的产业化现状［ J ］ .  科技与金融， 2019 （ 9 ）： 94-97. ［  2  ］     WANG F X ， ZHANG K ， LIANG W Y ， et al. 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