碳晶加熱技術在家用電取暖器中的設計應用

程正昌等

隨著現代技術的不斷提高，電取暖產品的種類日益增多，這些產品在寒冷的冬日給人們帶來溫暖舒適的享受。然而，電取暖產品由于制熱原理、材料、結構等因素的不同，致使該類產品存在各自的優點和不足。碳晶加熱技術作為一種新型環保的采暖方式，具有制熱效果佳、節能環保、安全可靠等特點，將其運用到家用電取暖產品中是未來發展的趨勢，可以最大程度的解決人們“耗電快、制熱慢、成本高”的現實問題，從而提高人們的生活質量，使我國真正的走向節能環保的時代。

研究背景

隨著日前人們生活水平的提高，對冬季采暖產品的需求也不僅僅限于御寒功能，越來越多的消費者在選購采暖產品時開始將舒適、健康納入考慮基礎。近年來市場上日漸興起的碳晶采暖產品正迅速走入我們的視線，成為消費者冬日取暖的新選擇。碳晶是一種改性提純的碳素顆粒發熱產品，以短碳纖維改性后進行球磨處理，制成微晶顆粒后，再加入遠紅外發射劑，以特殊工藝合成制作而成的加熱元件。碳晶采暖產品具有舒適、安全、節能、可控等多項優點，可以預見，在未來高耗能、高污染的傳統采暖產品將會被其逐步替代。將碳晶加熱技術運用到家用電取暖器的設計中是未來發展的趨勢。

電取暖產品的用戶研究及消費需求分析

1.用戶特征分析

該課題研究將碳晶加熱技術應用到家庭電取暖產品中，其用戶人群主要是家庭人員，產品的使用環境為家庭環境。

冬季人體的免疫力相對較低，不當的采暖方式極有可能引發呼吸道疾病以及各種流行病等。所以，提高人們的采暖質量，營造良好舒適的室內取暖環境成為家庭取暖的主要心理需求。電取暖器作為冬季取暖的重要設備之一，成為國內乃至全球家電市場的熱點。對于家庭取暖而言，取暖器不僅僅可以滿足基本的取暖功能，同時成為聯絡情感的特殊工具。寒冷冬日，家庭成員圍坐取暖器取暖、交流，并且可以從事學習、觀看電視、上網等娛樂休閑活動。電取暖器品使用方便，操作靈活，可以根據個人需求隨意移動，滿足人們在家庭空間內小范圍內取暖的需求。以家庭為單位的取暖方式，取暖器無疑是最為經濟、常用的工具之一。但是人們在購買該類產品時，仍然存在諸多的顧慮。特別是對于家庭中的老人和小孩而言，安全、健康、耗能等問題仍是購買電取暖器的重要考慮因素。

2.用戶消費需求分析

人們在購買商品的過程中，為了滿足一定的消費欲望而產生購買動機，這種心理活動以一種特殊的形式和規律表現出來的。根據著名心理學家馬斯洛的需求理論可知，人的需求是有層次的。它包括：生理需求、安全需求、愛和歸屬感、尊重和自我實現五類。生理需求是最基本的需求，位于最低層次；自我實現則是作為最高層次的需求。以上需求表明，消費者的在購買的過程中心理變化是一個極為復雜的過程。經調研發現，外觀、功能、節能、安全、經濟、耐用是影響消費者購買電取暖產品的主要因素。總體而言，電取暖器的選購傾向于產品功能以外的多方面需求。消費者的心理需求主要表現在以下幾個方面：

第一，美的需求。美的需求在即指外觀需求。人們渴望在美的環境中生活與工作，優美的產品外觀即可獲得精神上愉悅和心情的舒暢。這種賦予在電取暖產品中的美，既包括色彩、造型、材料等方面的的處理，同時又包括電取暖產品本身與室內環境之間的協調。例如，市面上的碳晶墻暖畫，除了具有散熱提升溫度的作用，在裝飾美化空間方面發揮著重要的功能。

第二，功能需求。電取暖器在結構、造型 、材料等方面，多以功能為載體，而不是一般意義上的裝飾和美化。由于消費者喜好的差異、文化差異、認識差異，對于同一產品所需的附加功能的要求也不同。而今，除了常用取暖功能外，多功能電取暖器的市場需求不斷增大，烘干、加濕、凈化空氣、取暖面積加大等功能常常作為產品的有力競爭因素。一款價格適中、外觀別致、功能多變的電取暖器往往得到大多數消費者的喜愛。

第三，安全需求。

碳晶技術的概述

1. 碳晶概念闡釋

碳晶，全稱碳素微晶。它是一種改性提純碳素顆粒發熱材料，以短碳纖維改性后進行球磨處理，制成微晶顆粒后，再加入遠紅外發射劑，以特殊工藝制制作成的加熱元件。具有紅外熱輻射的特性。

2.碳晶產品的制熱原理

碳晶的制熱原理是在電的引發激勵下，通過碳分子團的熱組件中產生“布朗運動”，由碳分子間的相互撞擊和摩擦，產生的熱能以遠紅外輻射的形式向外傳遞，其電能和熱能的轉化率高達98%以上。碳晶產品則是利用碳晶片高效發熱的特點，在通電在30秒左右內，發熱體表面的溫度迅速升高，并將熱能傳遞給碳晶電熱采標表面的覆蓋物以及碳晶電熱材料背面的絕緣散熱材料。以恒定的溫度進行熱輻射，向周圍空間散發熱量。其發熱的形式是面狀發熱，發熱面上的每一部分既為發熱面又是散熱面。

3. 碳晶與其它制熱原理的比較

如今電取暖器的品種較多，從制熱原理上可以分為：電熱絲發熱體、石英管發熱體、陶瓷發熱體、鹵素管發熱體、導熱油發熱體和碳纖維發熱體。以阻絲作為發熱元件的電取暖器，雖然結構簡單，但是安全性卻較差，觸電并容易引發著火事故。遠紅外石英管電暖器，雖然具有較好的取暖效果，但其紅光刺眼，使用壽命較短。電熱油汀取暖器有無明火、無輻射、無噪聲的特點，但它產生的電耗較大，預熱時間長。下面對各種制熱原理作簡單的分析。

通過對電取暖器的制熱原理比較和分析得知，碳晶制熱原理與傳統電熱材料的工作原理相比，其制熱主要依靠晶格震動的格波傳熱，克服了金屬絲、PTC、碳化硅等電熱體強度低、耐高溫易氧化、使用壽命短的缺陷。比目前廣泛采用的金屬絲、PTC陶瓷、石英管、鹵素管等電熱材料的熱效率高達30%-40%，更加節能環保。而今，隨著技術和設計水平的不斷提高，碳晶產品的設計更加多樣化、現代化和藝術化。技術的不斷升級，逐漸改善了人們的采暖質量并且得到越來越多的人接受。

4.碳晶取暖產品與其它取暖產品的比較

（1）節能性

碳晶取暖產品的經濟性在于它比現在廣泛采用的石英管、鹵素管等電熱材料效率高30%-40%，具有發熱迅速，節能省電，運行費用比傳統方式節約。以碳晶地暖為例，日常運行的費用僅是空調制熱費用的三分之一，是水暖和發熱電纜的一半。采用水暖，鍋爐本身的熱損耗較大，維護更換配件的費用之高。發熱電纜所固有的線損率很難低于20%，加上系統的損耗和防止開裂加厚的混凝土層吸收的熱量，其使用中實際電熱轉化率低于70%。100平方米每月花費1500元以上。而碳晶遠紅外材料，其電熱轉化率高達98%，是目前電熱轉換率最高的材料。

（2）環保性

由于冬季室內空間處于相對封閉的狀態，人體的免疫力降低。在選擇取暖產品時應該格外注重產品的環保性以及和安全性。碳晶加熱技術與傳統加熱方式相比，在使用時無任何釋放物質，對于室內環境不會產生任何污染或者有害氣體，屬于一種清潔能源，具有很強的環保性。碳晶取暖產品在供暖時，一般在較短的時間內（約30秒內）即可達到既定的溫度。在室內使用碳晶取暖器時，不會產生任何的灰塵，無任何有害氣體、噪聲以及有害輻射。而油汀式取暖器在使用時，則升溫緩慢，長期使用可能出現焊點漏油的問題。無論是在辦公間或者家庭空間皆可以放心使用。

（3）保健性

碳晶在工作過程中會發出遠紅外輻射，使用者在受到遠紅外線的低溫輻射后，能被吸收轉化為熱能，享受溫暖之余，它還能抑制細菌的生長，凈化空氣。其熱量接觸皮膚后，暖而不燥，非常舒適。更重要的是，碳晶取暖產品還具有理療的功能。以遠紅外碳晶理療板為例，除了帶給腳步溫暖外，還具有一定的理療的作用，對腳步的一些疾病具有理療的作用，從而促進血液循環和新陳代謝，提高人體的免疫力等。近年來，節能環保成為電取暖產品發展的一個關鍵詞，健康和舒適同樣成為了人們購買該類產品的參考因素。碳晶取暖產品的優勢，除了以上所提到節能性、環保性、保健性，安全性同時是此類產品的重要特征之一。絕緣等級高，連續使用壽命長，還具有防水、防潮的特點，使用非常安全。此外，產品的選擇性較大，可加工成板狀、帶狀以及其它復雜的外形，易加工生產。

家用碳晶取暖器的設計

1.設計定位

本次設計主要圍繞碳晶加熱技術展開，設計一款外觀精致、制熱效果佳、節能安全、可折疊多功能的碳晶取暖器。如今電取暖產品的外觀注重以簡約、精致、超薄來表達現代和科技的概念，在產品的風格定位上，現在年輕人的審美比較偏向于簡約而精致，顯得優雅而溫馨，因而家用碳晶電取暖器的風格定位于北歐簡約風，另外，該產品針對家庭用途而設計，所以設計方向體積小巧、風格簡約，多功能，方便操作的產品。色彩的選擇搭配上選用藍色、紫色、紅色，給人強烈的視覺感，再與富有科技感的銀色不銹鋼搭配，盡顯現代氣息又不失感染力。置于室內空間中，通過折疊可以很好地進行收納，節約空間；也可以根據不同的需求，進行變換，如變成茶幾，立式取暖器或床上用電腦桌。在產品材質定位上，以工程塑料為主，輔以不銹鋼材質，塑料部件容易更換色彩，繽紛色彩使其具有時尚感，適合年輕人的喜好，同時也易于批量化生產，制造成本相對較低。

2.概念草圖繪制及最終方案確立

根據前期的調研分析和設計定位繪制草圖，不斷推敲通過怎樣合理的方式將多種功能疊加到家用碳晶取暖器上面，讓其能達到一物多用的功效；在造型繪制的過程中，盡可能用最簡單的造型手法去設計，讓它變得簡約時尚，吸引年輕人的眼光；推敲用哪些相關的折疊結構，可以讓它便于收納和運輸。

經過層層的揣摩和推敲發現，在嚴寒的冬天，如果有一款取暖產品能夠讓我們在暖暖的茶幾上品茶；可以暖暖地地在床上玩游戲；可以最大面積地進行供暖，那該多好哈。于是想到了將茶幾、床用電腦桌和立式取暖器這些功能融合到一起，這樣很好地達到一物多用，讓我們可以在寒冷的冬季隨心所欲地做自己想做的事，享受暖暖的生活，最后繪制出了最終確定的方案。

3.未來展望

相比于傳統的采暖方式，碳晶取暖產品在某種程度上提高了人們的生活質量并且有利于身體的健康，為家電市場注入新的活力。在肯定其進步性的同時，碳晶技術的未來發展仍然面對著不少的挑戰。從碳晶概念的提出到碳晶加熱技術的應用，其發展過程仍然存在各種制約因素。首先，對于該類產品社會的認知度并不高，人們在購買時往往受到固有的思維的限制，選擇空調、電熱油汀取暖器等取暖產品。其次，技術、人力投入不足。基于以上的形勢分析，碳晶取暖產業存在諸多不確定的因素，突破阻礙其發展的瓶頸是未來努力的方向。面對人口、資源、環境日益緊張的今天，高效、安全、健康的碳晶采暖產品無疑迎來了一個契機。因此，加快產品的更新換代，改善經營狀況、提升設計理念、增加技術等都應該成為該行業努力的重點。讓人們的取暖方式，真正的進入一個安全、環保、健康的時代。作為一個設計者而言，應該把人性化的觀念系統地貫穿到設計實踐中，在以人為中心的前提下，需要正確認識社會效益與經濟效益、現實利益與長遠利益的關系，把人性化的設計觀念發揮到極致。

（作者單位：浙江理工大學）