基于石墨烯電熱膜采暖系統的使用性能分析研究

余海龍，林克輝，林創興，潘杰

（東莞市唯美陶瓷工業園有限公司，東莞 523000）

1 前言

石墨烯電熱膜采暖系統是指在地面鋪設一層石墨烯電熱膜作為發熱源，通過溫控器作為發熱控制端而進行取暖的一種方式[1]。石墨烯電熱膜采暖是近十幾年來才新興起來的一種采暖方式，其原理為通過面狀的石墨烯電熱膜發熱，將熱能轉換成輻射能，通過電磁波的形式發射到人體與圍護結構上，使其產生熱效應[2]。相比于其他形式的采暖系統，石墨烯電熱膜采暖系統具有室內熱舒適性高、升溫迅速、電熱轉換效率高、采暖費用低、易于控制、無污染等優點。[3-4]在石墨烯電熱膜的使用能耗經濟性分析研究中，卞鵬[5]分析了電熱膜地熱采暖系統經濟技術因素；殷昊[2]對電熱膜地暖系統進行了能耗分析。但這些都是基于實驗室及北方條件下得出來的數據，而且并沒有得到剛修建好的濕度較高、環境較惡劣等狀態下的真實使用環境的數據。隨著居民生活質量的提高以及對于生活舒適性的追求需要，南方地區對于供暖的需要也越來越大，石墨烯電熱膜在南方地區的使用也越來越普及。而基于南方真實使用條件下的電熱膜的能耗及使用性能的研究報道較少。

本文基于南方地區客觀真實的使用條件下，對于剛修建好的民用住宅進行連續通電使用測試，通過一系列數據表征測試，對剛修建好的濕度較大、填充層厚度不同的房子進行能耗分析及使用性能的研究，為用戶在使用過程中對于能耗及升溫速率等性能方面提供指導。

2 試驗

石墨烯電熱膜施工工藝：首先將地面找平，找平后的地面鋪滿聚氨酯保溫板，然后鋪設石墨烯電熱膜，接著按照地磚鋪貼工藝用水泥砂漿進行填充鋪貼瓷磚。

測試條件為南方地區普通住宅，室溫13-15℃左右，室溫設定溫度為溫升5-7℃，房屋有不同朝向及不同圍護結構，同時為了測試電熱膜上不同厚度水泥砂漿填充層的影響，施工時設計了幾種不同厚度的填充層。試驗過程中通過溫控器的使用數據抓取，監控不同房間的溫升時間及能耗數據，并對數據進行處理分析。

3 .結果與分析

3.1 填充層厚度對升溫速度及能耗的影響

3.1.1 填充層厚度對升溫速度的影響

試驗過程中研究了在同一朝向及同樣圍護結構下，不同填充層厚度在電熱膜開啟后的地面溫度變化、室內溫度變化，結果如圖1、圖2所示。

由圖1和圖2可知，地面填充層的厚度對地面以及室溫的溫升速度具有非常大的影響。隨著地面填充層厚度的減少，地面升溫速度和空氣溫度的升溫速度逐漸加快。當填充層厚度為9cm時，通電1h后地面溫度才提高0.7℃，空氣溫度基本沒有變化；當填充層厚度為3cm時，通電1h后地面溫度就提高了5.2℃，空氣溫度也提高了1.1℃。而且當地面填充層厚度層為9cm時，開啟8h后空氣溫度才升高了3℃，室溫提升效率受到極大的影響；當厚度降到5cm時，6-7h左右就達到了保溫狀態；當厚度為3cm時，基本開啟5-6h就可以達到設定溫升為5℃的目標。這是因為隨著地面填充層厚度的增加，石墨烯電熱膜產生的熱量需要先通過填充層升溫加熱，然后再通過地面將熱量輻射到空間中，因此地面填充層的厚度越厚，熱量傳到地面的時間的就越長，因此升溫速率就會大大的降低。

圖1 不同填充層厚度對發熱地面溫升的影響

圖2 不同填充層厚度對空氣溫度溫升的影響

3.1.2 填充層厚度對能耗的影響

不同填充層厚度連續工作72h電熱膜的工作時間如圖3所示。由圖3可知，雖然地面填充厚度過厚會影響升溫效率，但并不影響能耗的增加。由圖3可知，在開啟后連續工作的72h內，不同厚度填充層的石墨烯電熱膜工作基本都在19-21h內，沒有太大的變化。這是因為填充層在石墨烯電熱膜上面相當于一個蓄熱結構，當溫度達到設定溫度停止工作后，填充層儲蓄的熱量也會緩慢的釋放到空氣中，而填充層厚度越厚，儲蓄的熱量越大，釋放到空氣中的熱量就越多，保溫的時間也就會越長。

圖3 連續開啟72小時不同厚度填充層厚度電熱膜工作時間

通過以上分析可知，雖然填充層過厚會影響室內的升溫效率，但并不會過多地增加能耗。因此，只要石墨烯電熱膜長期開啟使用，地面填充層的厚度只會影響剛開啟時的升溫速率，并不會太大影響后期的使用效果及能耗。對于需要追求升溫速率較快的消費者來說，就可以通過減少填充層的厚度來達到這一目的。

3.2 濕度對升溫速度的影響

該居民房由于剛裝修完成，地面及墻面涂料等水分較大，室內濕度達到70%-80%，濕度的影響對于室內溫度的升高具有非常大的影響。為了測試濕度對溫度提升的影響，采用環境一樣的兩間房子，一間不做任何處理，一間用除濕機進行除濕24h處理，處理后的濕度為45%左右。除濕完成后兩間房同時通電升溫，測試地面溫度和空氣溫度變化，結果如圖4和圖5所示。

圖4 濕度對發熱地面溫升的影響

圖5 濕度對室內溫度的影響

由圖4和圖5可知，室內濕度對地面溫度和室內空氣溫度的提升具有非常大的影響。當室內濕度在75%左右時，地面溫度和室內濕度都提升的非常緩慢，開啟2個小時后地面溫度才提高3.9℃，室內空氣溫度才提高0.4℃。而當濕度降到45%左右時，2h后地面溫度和室內空氣溫度分別達到了10.6℃和3.2℃。尤其在除濕前，通電8h后室內溫度才提高3.7℃，溫度提高的非常緩慢，大大的影響了石墨烯電熱膜的體驗感。之所以濕度對溫度的提升有這么大的影響，是因為水的比熱容比較大，為4200J/Kg·℃，即1kg的水升高1℃需要4200J的能量，而干混凝土的比熱容為970J/Kg·℃。因此當空氣中濕度較大時，石墨烯電熱膜產生的熱量大部分都用于水的溫度提升，消耗了大量的能量，所以整體溫度的提升就會變得非常的緩慢。

因此，一般新裝修的房子由于濕度較高，剛開始的時候升溫速度都會非常緩慢，而且能耗也會非常的高。一般待房子裝修后到第二年使用時，隨著濕度越來越低，電熱膜系統的升溫時間會越來越快，同時能耗也會逐步降低。

4 結論

（1）石墨烯電熱膜表面不同填充層的厚度對溫度的提升具有非常大影響。填充層越厚，升溫速度越慢。但當其達到設定溫度后，電熱膜連續工作時不同厚度填充層對能耗的影響差別較小。

（2）濕度對電熱膜的升溫速度具有非常大影響。這是因為水的比熱容比較大，其比熱容可達4200J/Kg·℃，因此濕度越大，升溫效率就會越慢。