石墨烯加熱板/膜作為仔豬保溫供熱體的節能特性研究

朱曉明 周昕 徐杏 肖華 周衛東

摘要 [目的]研究石墨烯加熱板/膜作為仔豬保溫供熱體的節能特性。[方法]利用自行設計制作的能耗監測試驗裝置對市售石墨烯加熱板、石墨烯加熱膜和電阻絲加熱板進行室溫15 ℃下的升溫能耗試驗、恒溫21 ℃的能耗試驗。[結果]石墨烯加熱板/膜升溫至預設溫度的時間和所需能耗均高于電阻絲加熱板，未能表現出明顯的低能耗性能。[結論]市售石墨烯板/膜的節能性均略遜于電阻絲。

關鍵詞 仔豬;石墨烯;節能

中圖分類號 S26文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）24-0216-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.24.061

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on the Energysaving Characteristics of Graphene Heating Plate/Film as Heat Preservation Body for Piglets

ZHU Xiaoming，ZHOU Xin，XU Xing et al （Institute of Animal Husbandry and Veterinary Science， Zhejiang Academy of Agricultural Sciences，Hangzhou，Zhejiang 310021）

Abstract [Objective]To study the energysaving characteristics of graphene heating plate/membrane as the heat preservation and heating body for piglets. [Method]The energy consumption monitoring experiment device selfdesigned was used to conduct the energy consumption experiment of graphene heating plate， graphene heating film and resistance wire heating plate at room temperature of 15 ℃ and constant temperature of 21 ℃ respectively. [Result]The heating and thermostatic experiment showed that the time and energy consumption required to heat the graphene heating plate/film to the preset temperature were higher than the resistance wire heating plate， the graphene heating plate/film had no obvious low energy consumption performance compared with the electric wire heating plate. [Conclusion]The energysaving properties of commercially available graphene sheets/films were slightly inferior to resistance wires.

Key words Piglet;Graphene;Energysaving

幼齡畜禽是恒溫動物，其出生后體溫維持和調節系統尚未完全發育，適應外界環境溫度的變化存在較大困難，因此，提供并維持合適的環境溫度對于其生命安全和后續的健康生長發育至關重要[1-3]。通常幼齡畜禽父母利用墊料和體溫等為其維持體溫提供熱源和保溫直至其能完全適應外界環境，但是隨著畜禽養殖業向集約化、規模化發展[4-6]，這種由父母提供的庇護逐漸失去，需要提供外來熱源和保溫措施協助幼齡畜禽維持體溫直至其體溫維持和調節系統發育完成后脫溫。同時，北方地區冬季環境溫度對生長和成年畜禽生命健康也是威脅，必要時也需要提供熱源和保溫措施。雖然在規模化畜禽養殖業中外界熱源和保溫的技術和設備研究與應用已取得較好的進展，但運行的熱源設備普遍存在著能耗大、加熱效率低、維修保養不便、運行成本高、安全隱患突出等問題，迫切需要研發節能、安全的新型熱源和保溫設備及材料。

石墨烯是一種新型二維平面結構的納米碳材料，相比于其他碳質材料，理論上講其特殊的原子層結構使其表現出非常優異的電學、熱學和力學等性能[7-10]。用石墨烯制作的加熱板/膜以遠紅外輻射的方式均勻傳播熱能，具有發熱快、發熱均勻、效率高等優點[11]。該研究利用模擬的豬舍環境和仔豬保溫箱，通過升溫時間、恒溫能耗監測，研究比較了石墨烯加熱板/膜、電阻絲加熱板的加熱性能及節能特性，以期為后續畜禽養殖業節能、安全的新型熱源設備研發提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料 該研究熱源分別為市售石墨烯加熱板、石墨烯加熱膜、電阻絲加熱板（圖1）。石墨烯加熱板120 cm×50 cm×1.2 mm，發熱體為石墨烯層;石墨烯加熱膜105.0 cm×52.5 cm×0.8 mm，發熱體為石墨烯層;電阻絲加熱板100 cm×55 cm×20 mm，發熱體為電阻絲。

1.2 儀器與裝置

仔豬保溫箱1 300 mm×600 mm×600 mm，用厚度為5 mm三合板材自制（圖2）;智能電表：上海民熔電氣DDSD-LDG，可同時監測電量、電壓、電流和功率;溫控系統：上海恒遠電氣直源溫控儀搭載PT100型溫度傳感器;自制試驗裝置實物見圖2，主視圖和左視圖見圖3。

1.3 試驗裝置工作流程 自制能耗監測試驗裝置工作流程見圖4。

1.4 測定方法

將石墨烯加熱板、石墨烯加熱膜和電阻絲加熱板分別放入3個獨立的自制仔豬保溫箱，分別連接好電路并完成調試，進行能耗監測：在溫控儀上設定好目標溫度，分別記錄初始溫度、電量、時間后通電，記錄各自的電壓、電流和瞬時功率，每24 h記錄一次溫度、電量、電壓、電流和瞬時功率。

實際能耗和理論能耗計算：以第一天08：00至第二天08：00，實際的能耗定為1 d的能耗，理論能耗以每天08：00記錄的瞬時功能×24 h/1 000計算。

2 結果與分析

2.1 室溫15 ℃下的升溫和能耗

在室內溫度15 ℃的環境下，預設加熱溫度25 ℃，結果顯示：3種材料加熱至預設溫度時間分別為6.13、6.33、4.70 h，能耗分別為0.9、0.9、0.6 kW·h（表1）。電阻絲加熱板加熱至預設溫度所用時間最短、所需能耗最低，石墨烯加熱板/膜加溫至預設溫度的時間和所需能耗相近。

2.2 恒溫21 ℃的能耗

將自制能耗監測裝置的恒溫值設置為21 ℃，持續監測每日的耗電量，監測時間為3月11—17日。

每日室溫為12、11、14、14、14、14、15 ℃。結果顯示：3種加熱材料能耗未出現明顯差異，石墨烯加熱板/膜較電組絲加熱板未表現出明顯的低能耗性能（圖5）。

無論石墨烯材質加熱板還是電阻絲加熱板均為純電阻型電路，電能轉換為熱能遵循焦耳定律，Q=W=Pt=（U2/R）t，如表2所示，石墨烯材料在整個試驗初始時和恒溫條件下石墨烯

加熱板電阻值變化很小，說明其功率穩定，電阻絲加熱板在21 ℃時功率比在11 ℃時功率低了6.31%。

石墨烯加熱板與石墨烯加熱膜的發熱體為相同材質，石墨烯加熱板沒有包裹，石墨烯加熱膜有包裹材料，其是否對熱效率有影響需要進一步研究。石墨烯加熱膜和電阻絲加熱板的發熱體不同且外部都有包裹材料，兩者在恒溫階段能耗十分接近。

3 結論

該研究利用自行設計制作的能耗監測試驗裝置對石墨烯加熱板、石墨烯加熱膜和電阻絲加熱板的保溫節能特性進行了實時監測和比較分析，得到以下結論。

（1）石墨烯材料的加熱功率均高于電阻絲加熱板，實際能耗與理論能耗相比，2種石墨烯材料節能性均略遜于電阻絲。

（2）恒溫狀態下石墨烯材料與電阻絲材料24 h能耗無顯著差異。

（3）石墨烯材料達到設置溫度所需時間和電能均多于電阻絲。

參考文獻

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