電熱陶瓷磚的應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn)化狀況

劉樹，區(qū)卓琨

（國家陶瓷及水暖衛(wèi)浴產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，佛山528225）

1 前言

我國北方大部分地區(qū)主要采用燃煤鍋爐進(jìn)行集中供暖，而這種采暖方式在供暖成本和熱量消耗上都存在著嚴(yán)重浪費，其排放的氣體對環(huán)境也造成污染。近年，我國北方許多城市冬季出現(xiàn)了嚴(yán)重的霧霾天氣，霧霾可引發(fā)多種疾病，直接危害到人類的健康，給人們造成極大恐懼，嚴(yán)重地影響了人們的生活和社會發(fā)展。據(jù)分析[1]，冬季霧霾的主要成分為可吸入顆粒物、二氧化硫和氮氧化物等有害氣體，主要由燃煤鍋爐供暖產(chǎn)生。

另外，在夏熱冬冷地區(qū)，尤其是以上海、南京、杭州、合肥、南昌、武漢、長沙、重慶、成都等一些省會級大城市為代表，這些地區(qū)采暖期比較短，而且日平均溫度基本在0℃以上。這些地區(qū)冬季有其獨自的氣候特點[2]：在12月、1月、2月這三個月內(nèi)，日平均溫度較低，一般低于10℃，有很長時間日平均溫度會低于5℃，而且相對濕度較大，一般在70～80%之間，這會讓人產(chǎn)生很強的冷感，有的人甚至產(chǎn)生凍瘡現(xiàn)象。因此，有必要在這些地區(qū)采取一定的采暖措施。但如果采用傳統(tǒng)的集中供熱的形式，不僅會出現(xiàn)集中供熱引起的諸多問題，更重要的是會使無人活動區(qū)內(nèi)的加熱量白白浪費，造成資源浪費和經(jīng)濟損失。住建部在2013年初也明確表示，南方地區(qū)在室外溫度低于5℃時，需要設(shè)置必要的供暖設(shè)備，提倡分散式供暖方式，不提倡集中的供暖熱源。

因此，如果能夠選擇一種適當(dāng)?shù)牟膳问?，只對有采暖需求的局部區(qū)域進(jìn)行加熱，其供熱能力能夠隨天氣變化而變化，最好能夠達(dá)到人在即熱、人走即停的效果。近年出現(xiàn)的電熱陶瓷磚就是這樣一種采暖方式，它既可以保證局部區(qū)域的采暖需求，又可以減少采暖能耗，節(jié)約能源，減少污染，具有良好的經(jīng)濟性。

2 電熱陶瓷磚與其他供暖方式的比較

從家庭供暖的功能劃分，有集中供暖和獨立供暖兩種，集中供暖比較適合整個建筑和城市供暖系統(tǒng)建設(shè)，在我國北方地區(qū)普遍采用集中供暖的形式，而南方和中部地區(qū)采暖習(xí)慣不一，更趨向家庭獨立供暖系統(tǒng)。集中供暖一般為燃煤鍋爐集中供熱或利用熱電廠余熱；獨立供暖的方式就比較多樣，例如暖風(fēng)空調(diào)、燃?xì)獗趻鞝t、電暖氣、水地暖等，這些供暖方式的優(yōu)勢和不足見表1所示。

相對以上幾種供暖方式，電熱陶瓷磚能夠?qū)崿F(xiàn)分戶、分室控制、按需供暖，節(jié)約使用費用；電熱陶瓷磚結(jié)構(gòu)簡單，安裝同時實現(xiàn)裝飾功能，投資費用低；以電能為能源，不會產(chǎn)生污染環(huán)境的有害氣體；電熱轉(zhuǎn)換率高，能夠更加有效地利用資源；溫度控制靈活，可實現(xiàn)“人在即熱、人走即停”；不用傳統(tǒng)集中供暖所需的管網(wǎng)和終端，可以節(jié)省大量市政基礎(chǔ)設(shè)施投入和維護(hù)費用等。

3 電熱陶瓷磚的原理

電熱陶瓷磚是將電熱膜、發(fā)熱電纜、電熱板等發(fā)熱元件與陶瓷磚、聚氨酯保溫板等復(fù)合而成的一種裝飾用陶瓷磚，如圖1所示，陶瓷磚位于面層起裝飾作用，下面的發(fā)熱層與陶瓷磚之間有一層保護(hù)層，一般使用薄膜，發(fā)熱層下面有一層反射膜，作用是將熱輻射向上反射，減少向下的熱量損失，聚氨酯保溫層起進(jìn)一步保溫的作用并保護(hù)發(fā)熱層免遭施工破壞。電熱陶瓷磚可以像普通陶瓷磚一樣用于地面裝飾，通過溫控器可以實現(xiàn)溫度控制，并能分區(qū)取暖，如果加入智能控制單元則可實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，回家之前開啟取暖器，出門關(guān)閉取暖器得到實現(xiàn)。

圖1 電熱陶瓷磚結(jié)構(gòu)原理圖

4 各類發(fā)熱單元的應(yīng)用狀況

用于電熱陶瓷磚的發(fā)熱單元主要有電熱膜、發(fā)熱電纜、碳晶電熱板等，其使用性能各有所長。

表1 各種供暖方式優(yōu)劣比較

4.1 電熱膜

電熱膜是一種通電后能發(fā)熱的半透明薄膜，由可導(dǎo)電的特制油墨、金屬載流條經(jīng)印刷、熱壓在兩層絕緣薄膜間制成的一種加熱元件，其發(fā)熱原理是電阻發(fā)熱，印刷油墨條相當(dāng)于電阻，金屬載流條相當(dāng)于導(dǎo)線，把若干個電阻并聯(lián)起來。電熱膜加熱時，熱能轉(zhuǎn)換為輻射能，通過電磁波的形式發(fā)射到人體與房間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，此時電磁波的輻射能又轉(zhuǎn)換為人體和墻面的熱能，使墻面和人體產(chǎn)生熱效應(yīng)。除此之外，房間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)還與室內(nèi)空氣進(jìn)行對流換熱，在輻射采暖中，輻射換熱占總換熱量的50%以上，人或物體可以從輻射源直接獲得熱量，溫度要比室內(nèi)空氣高，這是電熱膜輻射采暖節(jié)能的原因[3]。

電熱膜用的導(dǎo)電油墨配方中有高紅外發(fā)射材料，這些材料主要包括位于元素周期表第2到第5周期內(nèi)的化合物，在加熱時能輻射出不同波長的紅外線。紅外發(fā)射材料的發(fā)射率與材料類別、溫度和墨層厚度等因素有關(guān)，導(dǎo)電油墨配方中需要幾種不同材料配出所需要的發(fā)射率材料[4]。電熱膜輻射釆暖能夠輻射8～12μm的紅外線，人的正常體溫是36.5℃，相當(dāng)于9.35 μm的波長，人體吸收的光譜與電熱膜輻射的光譜相匹配，大部分能量都能被人體吸收，能量利用率高。電熱膜采暖產(chǎn)生的紅外線能夠穿透人體肌膚表層，改善身體內(nèi)部循環(huán)，激發(fā)體內(nèi)水分子運動，促進(jìn)新陳代謝，有益于人的身體健康。

電熱膜技術(shù)20世紀(jì)50年代起源于美國，70年代開始，電熱膜的研究越來越多。美國、英國、日本等相繼開發(fā)出應(yīng)用于航空、航天、軍事等領(lǐng)域的產(chǎn)品。國內(nèi)對電熱膜技術(shù)的研究起步相對較晚，1989年蔡淑珍對陶瓷型電熱膜進(jìn)行了研究，其發(fā)明的陶瓷型電熱膜技術(shù)屬國內(nèi)外首創(chuàng)[5]。隨著2004年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的董重成編制了《低溫輻射電熱膜供暖技術(shù)規(guī)程》，電熱膜在采暖方面的應(yīng)用有了技術(shù)規(guī)范后得到逐步推廣。隨著原材料的選擇多樣性和生產(chǎn)工藝的逐步提高，電熱膜在穩(wěn)定性和可靠性方面都有顯著的提高，生產(chǎn)成本逐漸降低，其應(yīng)用范圍越來越廣泛。

4.2 發(fā)熱電纜

發(fā)熱電纜是利用導(dǎo)體通電后因自身電阻產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，通過發(fā)出的遠(yuǎn)紅外線輻射方式和熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳給面層陶瓷磚并保持在一定溫度區(qū)間運行的一種特殊電纜[6]。用作加熱元件的發(fā)熱電纜與熱損耗很小的普通輸電電纜有很大的不同，它必須采用能使電能最大限度地轉(zhuǎn)變成熱能的材料作導(dǎo)體，目前常見的導(dǎo)體有兩種：一種是以金屬或金屬合金為發(fā)熱材料的電纜，另一種是以碳素纖維為發(fā)熱材料的電纜。發(fā)熱電纜可分為單導(dǎo)發(fā)熱電纜和雙導(dǎo)發(fā)熱電纜。單導(dǎo)發(fā)熱電纜必須形成回路，其兩端為冷線，均需與溫控器、電源連接。圖2所示為雙導(dǎo)發(fā)熱電纜的結(jié)構(gòu)圖。雙導(dǎo)發(fā)熱電纜本身自成回路，其一端為冷線，另一端封閉，只需一端與溫控器、電源連接，所有接線都在同一端。雙導(dǎo)發(fā)熱電纜中雙芯線的電磁場為正反兩個方向，可互相抵消，磁場中和，對人體不產(chǎn)生危害，故雙導(dǎo)發(fā)熱電纜的電磁輻射低于單導(dǎo)發(fā)熱電纜。

圖2 雙導(dǎo)發(fā)熱電纜結(jié)構(gòu)示意圖

歐洲的芬蘭、丹麥、挪威、俄羅斯等國有很多機構(gòu)從事發(fā)熱電纜的研究、制造和安裝技術(shù)工作。由于發(fā)熱電纜獨有的特點和對其研究的深入，發(fā)熱電纜在國外的應(yīng)用很廣泛，如足球場、草坪、花壇供熱系統(tǒng)，輸運管道伴熱系統(tǒng)，機庫和廠房等的采暖系統(tǒng)，屋頂、地面等的融雪系統(tǒng)等。在國內(nèi)，2000年，上海電纜廠的張靜平對自控溫加熱電纜的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。2003年，山西的徐鵬對發(fā)熱電纜低溫輻射采暖進(jìn)行了探究，闡述了發(fā)熱電纜低溫輻射采暖系統(tǒng)的工作原理、發(fā)展前景和優(yōu)勢，介紹了其施工工藝及使用時應(yīng)注意的問題。2009年，喬文媛、張國強對發(fā)熱電纜低溫輻射采暖能耗進(jìn)行了分析，得出其節(jié)能，可以推廣應(yīng)用的結(jié)論。

4.3 碳晶電熱板

碳晶電熱板是由碳晶發(fā)熱材料制成的一種新型電發(fā)熱產(chǎn)品，它是以短碳纖維制成的平板充當(dāng)核心發(fā)熱體，通過層壓技術(shù)，把遠(yuǎn)紅外發(fā)射劑、導(dǎo)線電極、絕緣材料等結(jié)合在一起，制成的面狀電熱板。碳晶電熱板具有發(fā)熱性能均勻穩(wěn)定、升溫快、電絕緣性能優(yōu)良、工作壽命長的優(yōu)點，其電能與熱能的轉(zhuǎn)換率可達(dá)98%以上。

碳晶電熱板的發(fā)熱原理是在交變電場的作用下，發(fā)熱體中的碳分子團(tuán)產(chǎn)生“布朗運動”，碳分子之間發(fā)生劇烈的摩擦和撞擊，接著它與納米級的丙烯腈基碳纖維原料相結(jié)合組成搭接線，這樣既可防止產(chǎn)生火花，又可保證能形成散熱均勻的面狀發(fā)熱體，產(chǎn)生的熱能以遠(yuǎn)紅外輻射和對流的形式對外傳遞。

國內(nèi)外對碳晶電熱板的研究都是從21世紀(jì)開始的，國內(nèi)各科研機構(gòu)對碳晶電熱板的發(fā)熱原理、輻射特性、電熱轉(zhuǎn)換效率等進(jìn)行了深入研究。2010年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張海橋?qū)μ季щ姛岚鍎討B(tài)運行的熱工性能進(jìn)行了實驗研究，并建立了碳晶電熱板輻射采暖模型。隨著理論研究的深入和研發(fā)推廣的擴大，目前國內(nèi)外碳晶電熱板在局部采暖方面的應(yīng)用越來越多。

5 標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀及需求

由于電熱陶瓷磚出現(xiàn)的時間還不長，目前還沒有針對該產(chǎn)品的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。電熱陶瓷磚涉及到陶瓷磚、電熱元件、地暖安裝等，與陶瓷磚有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有 GB/T 4100-2015《陶瓷磚》和 GB 6566-2010《建筑材料放射性核素限量》等；與電熱元件有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T4654-2008《非金屬基體紅外輻射加熱器通用技術(shù)條件》、GB/T7287-2008《紅外輻射加熱器試驗方法》、GB/T8623-1988《金屬管狀遠(yuǎn)紅外輻射加熱器》、GB4706.82-2014《家用和類似用途電器的安全房間加熱用軟片加熱元件的特殊要求》、QB/T4986-2016《家用和類似用途電器電磁場的安全評價和測量方法》等；與地暖安裝控制有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有GB31459-2015《家用和類似用途地暖設(shè)備用溫度控制系統(tǒng)的安全要求》、JGJ 142-2012《輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程》、JGJ 319-2013《低溫輻射電熱膜供暖系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》等。這些標(biāo)準(zhǔn)從不同的角度對電熱陶瓷磚各組件的性能指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)范，但不完全適用于電熱陶瓷磚這一集成化產(chǎn)品，因此有必要對電熱陶瓷磚這一新興產(chǎn)品制訂相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，以利于產(chǎn)品的推廣使用和消費者的理性選擇。下面從幾個主要方面對電熱陶瓷磚標(biāo)準(zhǔn)的制訂提出建議。

5.1 電磁輻射

遠(yuǎn)紅外輻射電熱元件在使用時會以一種非電離輻射的方式向外發(fā)射熱射線，導(dǎo)致空間中被輻射到的物體表面粒子震動產(chǎn)生摩擦熱能，而人體神經(jīng)傳遞依靠生物電位來輸送信號，長期使用電熱元件產(chǎn)生的電磁輻射可能會對人體造成影響。為避免人類因在電磁場強度中過度暴露影響人體健康，世界上不同的國家和組織都有著自己的電磁場暴露標(biāo)準(zhǔn)值。表2為國際組織及國家的工頻電磁場職業(yè)暴露和公眾暴露限值[7]，我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 4986-2016規(guī)定頻率50 Hz時公眾暴露的電磁場強度參考值為100 μT[8]，與ICNIRP保持一致。韓博等[9]從急性和累積效應(yīng)兩方面對電磁輻射的安全性問題進(jìn)行了研究，通過實測發(fā)現(xiàn)電熱膜產(chǎn)生的電磁輻射場中最大電磁輻射僅為225.4 nT，僅為中國國家標(biāo)準(zhǔn)限値的1/444，即電熱膜在電磁輻射強度方面的安全性能達(dá)到世界上多數(shù)國家和國際組織的要求。從量子物理模型分析認(rèn)為，神經(jīng)微管系統(tǒng)的狀態(tài)會因電熱膜產(chǎn)生的電磁輻射場發(fā)生變化，但不會引起累積效應(yīng)?？紤]到公眾對電磁輻射的知識匱乏以及畏懼心理，所以在制訂電熱陶瓷磚標(biāo)準(zhǔn)時將電磁輻射列為性能指標(biāo)之一，通過測試數(shù)據(jù)明明白白地告訴消費者電磁輻射的影響是微乎其微的，消除公眾的疑惑。

表2 各國工頻電磁場暴露限值

5.2 電熱安全性

電熱陶瓷磚是由陶瓷磚、發(fā)熱元件以及泡沫保溫塑料等復(fù)合而成的，在陶瓷磚上面出現(xiàn)覆蓋物時存在發(fā)熱的安全隱患。王佐民認(rèn)為輻射電熱膜供暖產(chǎn)生過熱安全性問題主要在于裝飾材料以及電線破損短路等電熱膜外部因素[10]，方修睦等則發(fā)現(xiàn)在電熱膜安裝余量較大時容易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象[11]。孫宇[12]、杜寶相[13]等根據(jù)電熱供暖系統(tǒng)火災(zāi)現(xiàn)場分析發(fā)現(xiàn)在溫控器失控以致電熱膜持續(xù)發(fā)熱且散熱狀況不良時，局部溫度高達(dá)147℃，具有較高引燃能力。李緒泉[14]等研究發(fā)現(xiàn)電熱膜在正常工況和絕熱工況下的最高溫度分別為48.54℃和108.09℃，因此正常工況下不存在過熱安全性問題，但在非正常工況下，例如地面堆放較多物品時則有過熱的安全隱患。因此，在制訂電熱陶瓷磚標(biāo)準(zhǔn)時應(yīng)考慮電熱安全性指標(biāo)。

我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T286-2010中規(guī)定在正常工作狀態(tài)下電熱膜發(fā)熱單元表面溫度不超過80℃，非正常工作狀態(tài)下最高溫度90℃[15]。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18883-2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定[16]冬季采暖條件下宜控制室內(nèi)溫度在16～24℃、濕度在30～60%。藺潔[17]等以北京地區(qū)地板輻射供暖系統(tǒng)為研究對象,分析了地板表面溫度、房間平均輻射溫度、房間空氣溫度對人體舒適度的影響，結(jié)論是舒適的房間空氣溫度為17.4～20.9℃，對應(yīng)的地板表面溫度約為21.4～25.3℃，過高的地板表面溫度既不利于節(jié)能，也直接影響人體的舒適感。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27963-2011《人居環(huán)境氣候舒適度評價》規(guī)定[18]人體感覺舒適的溫濕度指數(shù)為17.0～25.4之間，計算方式如下：

式中：I為溫濕度指數(shù)，RH為濕度，T為溫度，若濕度為50%，則室內(nèi)溫度控制在20℃，溫濕度指數(shù)為19.0，人體感覺比較舒適，也比較節(jié)能。Fukai K等[19]通過研究，建議發(fā)熱面板與人體接觸面溫度不超過42℃。因此，考慮建議電熱陶瓷磚正常工作狀態(tài)下表面溫度定在25℃以下，非正常工作狀態(tài)下電熱陶瓷磚表面溫度不應(yīng)超過42℃，這樣既能滿足人體舒適度要求，又可節(jié)能。

6 電熱陶瓷磚應(yīng)用需要注意的問題

電熱陶瓷磚供暖是按照平方計算功率的，采暖面積越大，其使用功率越大，家庭用電負(fù)荷越大。對于一些戶型較大的戶型尤其是采暖面積超過100 m2的戶型，再加上客戶家中的其他電器，可能要考慮增容的問題，一般老的小區(qū)這一問題比較突出。這一問題也是制約電采暖方式推廣的主要的問題。另外，電熱陶瓷磚的施工比較繁雜，鋪貼時不能損壞瓷磚中的電路，對一般瓦匠來說，需要經(jīng)過培訓(xùn)，規(guī)范施工，否則質(zhì)量比較難控制。

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