電熱陶瓷磚的應用及標準化狀況

劉樹，區卓琨

（國家陶瓷及水暖衛浴產品質量監督檢驗中心，佛山528225）

1 前言

我國北方大部分地區主要采用燃煤鍋爐進行集中供暖，而這種采暖方式在供暖成本和熱量消耗上都存在著嚴重浪費，其排放的氣體對環境也造成污染。近年，我國北方許多城市冬季出現了嚴重的霧霾天氣，霧霾可引發多種疾病，直接危害到人類的健康，給人們造成極大恐懼，嚴重地影響了人們的生活和社會發展。據分析[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生。

另外，在夏熱冬冷地區，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，這些地區采暖期比較短，而且日平均溫度基本在0℃以上。這些地區冬季有其獨自的氣候特點[2]：在12月、1月、2月這三個月內，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，這會讓人產生很強的冷感，有的人甚至產生凍瘡現象。因此，有必要在這些地區采取一定的采暖措施。但如果采用傳統的集中供熱的形式，不僅會出現集中供熱引起的諸多問題，更重要的是會使無人活動區內的加熱量白白浪費，造成資源浪費和經濟損失。住建部在2013年初也明確表示，南方地區在室外溫度低于5℃時，需要設置必要的供暖設備，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的采暖形式，只對有采暖需求的局部區域進行加熱，其供熱能力能夠隨天氣變化而變化，最好能夠達到人在即熱、人走即停的效果。近年出現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域的采暖需求，又可以減少采暖能耗，節約能源，減少污染，具有良好的經濟性。

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建設，在我國北方地區普遍采用集中供暖的形式，而南方和中部地區采暖習慣不一，更趨向家庭獨立供暖系統。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，例如暖風空調、燃氣壁掛爐、電暖氣、水地暖等，這些供暖方式的優勢和不足見表1所示。

相對以上幾種供暖方式，電熱陶瓷磚能夠實現分戶、分室控制、按需供暖，節約使用費用；電熱陶瓷磚結構簡單，安裝同時實現裝飾功能，投資費用低；以電能為能源，不會產生污染環境的有害氣體；電熱轉換率高，能夠更加有效地利用資源；溫度控制靈活，可實現“人在即熱、人走即停”；不用傳統集中供暖所需的管網和終端，可以節省大量市政基礎設施投入和維護費用等。

3 電熱陶瓷磚的原理

電熱陶瓷磚是將電熱膜、發熱電纜、電熱板等發熱元件與陶瓷磚、聚氨酯保溫板等復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，下面的發熱層與陶瓷磚之間有一層保護層，一般使用薄膜，發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，聚氨酯保溫層起進一步保溫的作用并保護發熱層免遭施工破壞。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溫度控制，并能分區取暖，如果加入智能控制單元則可實現遠程遙控，回家之前開啟取暖器，出門關閉取暖器得到實現。

圖1 電熱陶瓷磚結構原理圖

4 各類發熱單元的應用狀況

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

表1 各種供暖方式優劣比較

4.1 電熱膜

電熱膜是一種通電后能發熱的半透明薄膜，由可導電的特制油墨、金屬載流條經印刷、熱壓在兩層絕緣薄膜間制成的一種加熱元件，其發熱原理是電阻發熱，印刷油墨條相當于電阻，金屬載流條相當于導線，把若干個電阻并聯起來。電熱膜加熱時，熱能轉換為輻射能，通過電磁波的形式發射到人體與房間的圍護結構上，此時電磁波的輻射能又轉換為人體和墻面的熱能，使墻面和人體產生熱效應。除此之外，房間的圍護結構還與室內空氣進行對流換熱，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，溫度要比室內空氣高，這是電熱膜輻射采暖節能的原因[3]。

電熱膜用的導電油墨配方中有高紅外發射材料，這些材料主要包括位于元素周期表第2到第5周期內的化合物，在加熱時能輻射出不同波長的紅外線。紅外發射材料的發射率與材料類別、溫度和墨層厚度等因素有關，導電油墨配方中需要幾種不同材料配出所需要的發射率材料[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。電熱膜采暖產生的紅外線能夠穿透人體肌膚表層，改善身體內部循環，激發體內水分子運動，促進新陳代謝，有益于人的身體健康。

電熱膜技術20世紀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、日本等相繼開發出應用于航空、航天、軍事等領域的產品。國內對電熱膜技術的研究起步相對較晚，1989年蔡淑珍對陶瓷型電熱膜進行了研究，其發明的陶瓷型電熱膜技術屬國內外首創[5]。隨著2004年哈爾濱工業大學的董重成編制了《低溫輻射電熱膜供暖技術規程》，電熱膜在采暖方面的應用有了技術規范后得到逐步推廣。隨著原材料的選擇多樣性和生產工藝的逐步提高，電熱膜在穩定性和可靠性方面都有顯著的提高，生產成本逐漸降低，其應用范圍越來越廣泛。

4.2 發熱電纜

發熱電纜是利用導體通電后因自身電阻產生發熱現象，通過發出的遠紅外線輻射方式和熱傳導的方式將熱量傳給面層陶瓷磚并保持在一定溫度區間運行的一種特殊電纜[6]。用作加熱元件的發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變成熱能的材料作導體，目前常見的導體有兩種：一種是以金屬或金屬合金為發熱材料的電纜，另一種是以碳素纖維為發熱材料的電纜。發熱電纜可分為單導發熱電纜和雙導發熱電纜。單導發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所示為雙導發熱電纜的結構圖。雙導發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。雙導發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，對人體不產生危害，故雙導發熱電纜的電磁輻射低于單導發熱電纜。

圖2 雙導發熱電纜結構示意圖

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

4.3 碳晶電熱板

碳晶電熱板是由碳晶發熱材料制成的一種新型電發熱產品，它是以短碳纖維制成的平板充當核心發熱體，通過層壓技術，把遠紅外發射劑、導線電極、絕緣材料等結合在一起，制成的面狀電熱板。碳晶電熱板具有發熱性能均勻穩定、升溫快、電絕緣性能優良、工作壽命長的優點，其電能與熱能的轉換率可達98%以上。

碳晶電熱板的發熱原理是在交變電場的作用下，發熱體中的碳分子團產生“布朗運動”，碳分子之間發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合組成搭接線，這樣既可防止產生火花，又可保證能形成散熱均勻的面狀發熱體，產生的熱能以遠紅外輻射和對流的形式對外傳遞。

國內外對碳晶電熱板的研究都是從21世紀開始的，國內各科研機構對碳晶電熱板的發熱原理、輻射特性、電熱轉換效率等進行了深入研究。2010年，哈爾濱工業大學的張海橋對碳晶電熱板動態運行的熱工性能進行了實驗研究，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推廣的擴大，目前國內外碳晶電熱板在局部采暖方面的應用越來越多。

5 標準化現狀及需求

由于電熱陶瓷磚出現的時間還不長，目前還沒有針對該產品的國家標準或行業標準發布。電熱陶瓷磚涉及到陶瓷磚、電熱元件、地暖安裝等，與陶瓷磚有關的標準有 GB/T 4100-2015《陶瓷磚》和 GB 6566-2010《建筑材料放射性核素限量》等；與電熱元件有關的標準有GB/T4654-2008《非金屬基體紅外輻射加熱器通用技術條件》、GB/T7287-2008《紅外輻射加熱器試驗方法》、GB/T8623-1988《金屬管狀遠紅外輻射加熱器》、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的標準有GB31459-2015《家用和類似用途地暖設備用溫度控制系統的安全要求》、JGJ 142-2012《輻射供暖供冷技術規程》、JGJ 319-2013《低溫輻射電熱膜供暖系統應用技術規程》等。這些標準從不同的角度對電熱陶瓷磚各組件的性能指標進行了規范，但不完全適用于電熱陶瓷磚這一集成化產品，因此有必要對電熱陶瓷磚這一新興產品制訂相適應的標準，以利于產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準的制訂提出建議。

5.1 電磁輻射

遠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射熱射線，導致空間中被輻射到的物體表面粒子震動產生摩擦熱能，而人體神經傳遞依靠生物電位來輸送信號，長期使用電熱元件產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準值。表2為國際組織及國家的工頻電磁場職業暴露和公眾暴露限值[7]，我國行業標準QB/T 4986-2016規定頻率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]從急性和累積效應兩方面對電磁輻射的安全性問題進行了研究，通過實測發現電熱膜產生的電磁輻射場中最大電磁輻射僅為225.4 nT，僅為中國國家標準限値的1/444，即電熱膜在電磁輻射強度方面的安全性能達到世界上多數國家和國際組織的要求。從量子物理模型分析認為，神經微管系統的狀態會因電熱膜產生的電磁輻射場發生變化，但不會引起累積效應。考慮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準時將電磁輻射列為性能指標之一，通過測試數據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、發熱元件以及泡沫保溫塑料等復合而成的，在陶瓷磚上面出現覆蓋物時存在發熱的安全隱患。王佐民認為輻射電熱膜供暖產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]，方修睦等則發現在電熱膜安裝余量較大時容易出現過熱現象[11]。孫宇[12]、杜寶相[13]等根據電熱供暖系統火災現場分析發現在溫控器失控以致電熱膜持續發熱且散熱狀況不良時，局部溫度高達147℃，具有較高引燃能力。李緒泉[14]等研究發現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準時應考慮電熱安全性指標。

我國行業標準JG/T286-2010中規定在正常工作狀態下電熱膜發熱單元表面溫度不超過80℃，非正常工作狀態下最高溫度90℃[15]。國家標準GB/T18883-2002《室內空氣質量標準》規定[16]冬季采暖條件下宜控制室內溫度在16～24℃、濕度在30～60%。藺潔[17]等以北京地區地板輻射供暖系統為研究對象,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，結論是舒適的房間空氣溫度為17.4～20.9℃，對應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能，也直接影響人體的舒適感。國家標準GB/T 27963-2011《人居環境氣候舒適度評價》規定[18]人體感覺舒適的溫濕度指數為17.0～25.4之間，計算方式如下：

式中：I為溫濕度指數，RH為濕度，T為溫度，若濕度為50%，則室內溫度控制在20℃，溫濕度指數為19.0，人體感覺比較舒適，也比較節能。Fukai K等[19]通過研究，建議發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下表面溫度定在25℃以下，非正常工作狀態下電熱陶瓷磚表面溫度不應超過42℃，這樣既能滿足人體舒適度要求，又可節能。

6 電熱陶瓷磚應用需要注意的問題

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，需要經過培訓，規范施工，否則質量比較難控制。

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