电热陶瓷砖的应用及标准化状况

刘树，区卓琨

（国家陶瓷及水暖卫浴产品质量监督检验中心，佛山528225）

1 前言

我国北方大部分地区主要采用燃煤锅炉进行集中供暖，而这种采暖方式在供暖成本和热量消耗上都存在着严重浪费，其排放的气体对环境也造成污染。近年，我国北方许多城市冬季出现了严重的雾霾天气，雾霾可引发多种疾病，直接危害到人类的健康，给人们造成极大恐惧，严重地影响了人们的生活和社会发展。据分析[1]，冬季雾霾的主要成分为可吸入颗粒物、二氧化硫和氮氧化物等有害气体，主要由燃煤锅炉供暖产生。

另外，在夏热冬冷地区，尤其是以上海、南京、杭州、合肥、南昌、武汉、长沙、重庆、成都等一些省会级大城市为代表，这些地区采暖期比较短，而且日平均温度基本在0℃以上。这些地区冬季有其独自的气候特点[2]：在12月、1月、2月这三个月内，日平均温度较低，一般低于10℃，有很长时间日平均温度会低于5℃，而且相对湿度较大，一般在70～80%之间，这会让人产生很强的冷感，有的人甚至产生冻疮现象。因此，有必要在这些地区采取一定的采暖措施。但如果采用传统的集中供热的形式，不仅会出现集中供热引起的诸多问题，更重要的是会使无人活动区内的加热量白白浪费，造成资源浪费和经济损失。住建部在2013年初也明确表示，南方地区在室外温度低于5℃时，需要设置必要的供暖设备，提倡分散式供暖方式，不提倡集中的供暖热源。

因此，如果能够选择一种适当的采暖形式，只对有采暖需求的局部区域进行加热，其供热能力能够随天气变化而变化，最好能够达到人在即热、人走即停的效果。近年出现的电热陶瓷砖就是这样一种采暖方式，它既可以保证局部区域的采暖需求，又可以减少采暖能耗，节约能源，减少污染，具有良好的经济性。

2 电热陶瓷砖与其他供暖方式的比较

从家庭供暖的功能划分，有集中供暖和独立供暖两种，集中供暖比较适合整个建筑和城市供暖系统建设，在我国北方地区普遍采用集中供暖的形式，而南方和中部地区采暖习惯不一，更趋向家庭独立供暖系统。集中供暖一般为燃煤锅炉集中供热或利用热电厂余热；独立供暖的方式就比较多样，例如暖风空调、燃气壁挂炉、电暖气、水地暖等，这些供暖方式的优势和不足见表1所示。

相对以上几种供暖方式，电热陶瓷砖能够实现分户、分室控制、按需供暖，节约使用费用；电热陶瓷砖结构简单，安装同时实现装饰功能，投资费用低；以电能为能源，不会产生污染环境的有害气体；电热转换率高，能够更加有效地利用资源；温度控制灵活，可实现“人在即热、人走即停”；不用传统集中供暖所需的管网和终端，可以节省大量市政基础设施投入和维护费用等。

3 电热陶瓷砖的原理

电热陶瓷砖是将电热膜、发热电缆、电热板等发热元件与陶瓷砖、聚氨酯保温板等复合而成的一种装饰用陶瓷砖，如图1所示，陶瓷砖位于面层起装饰作用，下面的发热层与陶瓷砖之间有一层保护层，一般使用薄膜，发热层下面有一层反射膜，作用是将热辐射向上反射，减少向下的热量损失，聚氨酯保温层起进一步保温的作用并保护发热层免遭施工破坏。电热陶瓷砖可以像普通陶瓷砖一样用于地面装饰，通过温控器可以实现温度控制，并能分区取暖，如果加入智能控制单元则可实现远程遥控，回家之前开启取暖器，出门关闭取暖器得到实现。

图1 电热陶瓷砖结构原理图

4 各类发热单元的应用状况

用于电热陶瓷砖的发热单元主要有电热膜、发热电缆、碳晶电热板等，其使用性能各有所长。

表1 各种供暖方式优劣比较

4.1 电热膜

电热膜是一种通电后能发热的半透明薄膜，由可导电的特制油墨、金属载流条经印刷、热压在两层绝缘薄膜间制成的一种加热元件，其发热原理是电阻发热，印刷油墨条相当于电阻，金属载流条相当于导线，把若干个电阻并联起来。电热膜加热时，热能转换为辐射能，通过电磁波的形式发射到人体与房间的围护结构上，此时电磁波的辐射能又转换为人体和墙面的热能，使墙面和人体产生热效应。除此之外，房间的围护结构还与室内空气进行对流换热，在辐射采暖中，辐射换热占总换热量的50%以上，人或物体可以从辐射源直接获得热量，温度要比室内空气高，这是电热膜辐射采暖节能的原因[3]。

电热膜用的导电油墨配方中有高红外发射材料，这些材料主要包括位于元素周期表第2到第5周期内的化合物，在加热时能辐射出不同波长的红外线。红外发射材料的发射率与材料类别、温度和墨层厚度等因素有关，导电油墨配方中需要几种不同材料配出所需要的发射率材料[4]。电热膜辐射釆暖能够辐射8～12μm的红外线，人的正常体温是36.5℃，相当于9.35 μm的波长，人体吸收的光谱与电热膜辐射的光谱相匹配，大部分能量都能被人体吸收，能量利用率高。电热膜采暖产生的红外线能够穿透人体肌肤表层，改善身体内部循环，激发体内水分子运动，促进新陈代谢，有益于人的身体健康。

电热膜技术20世纪50年代起源于美国，70年代开始，电热膜的研究越来越多。美国、英国、日本等相继开发出应用于航空、航天、军事等领域的产品。国内对电热膜技术的研究起步相对较晚，1989年蔡淑珍对陶瓷型电热膜进行了研究，其发明的陶瓷型电热膜技术属国内外首创[5]。随着2004年哈尔滨工业大学的董重成编制了《低温辐射电热膜供暖技术规程》，电热膜在采暖方面的应用有了技术规范后得到逐步推广。随着原材料的选择多样性和生产工艺的逐步提高，电热膜在稳定性和可靠性方面都有显著的提高，生产成本逐渐降低，其应用范围越来越广泛。

4.2 发热电缆

发热电缆是利用导体通电后因自身电阻产生发热现象，通过发出的远红外线辐射方式和热传导的方式将热量传给面层陶瓷砖并保持在一定温度区间运行的一种特殊电缆[6]。用作加热元件的发热电缆与热损耗很小的普通输电电缆有很大的不同，它必须采用能使电能最大限度地转变成热能的材料作导体，目前常见的导体有两种：一种是以金属或金属合金为发热材料的电缆，另一种是以碳素纤维为发热材料的电缆。发热电缆可分为单导发热电缆和双导发热电缆。单导发热电缆必须形成回路，其两端为冷线，均需与温控器、电源连接。图2所示为双导发热电缆的结构图。双导发热电缆本身自成回路，其一端为冷线，另一端封闭，只需一端与温控器、电源连接，所有接线都在同一端。双导发热电缆中双芯线的电磁场为正反两个方向，可互相抵消，磁场中和，对人体不产生危害，故双导发热电缆的电磁辐射低于单导发热电缆。

图2 双导发热电缆结构示意图

欧洲的芬兰、丹麦、挪威、俄罗斯等国有很多机构从事发热电缆的研究、制造和安装技术工作。由于发热电缆独有的特点和对其研究的深入，发热电缆在国外的应用很广泛，如足球场、草坪、花坛供热系统，输运管道伴热系统，机库和厂房等的采暖系统，屋顶、地面等的融雪系统等。在国内，2000年，上海电缆厂的张静平对自控温加热电缆的稳定性进行了分析。2003年，山西的徐鹏对发热电缆低温辐射采暖进行了探究，阐述了发热电缆低温辐射采暖系统的工作原理、发展前景和优势，介绍了其施工工艺及使用时应注意的问题。2009年，乔文媛、张国强对发热电缆低温辐射采暖能耗进行了分析，得出其节能，可以推广应用的结论。

4.3 碳晶电热板

碳晶电热板是由碳晶发热材料制成的一种新型电发热产品，它是以短碳纤维制成的平板充当核心发热体，通过层压技术，把远红外发射剂、导线电极、绝缘材料等结合在一起，制成的面状电热板。碳晶电热板具有发热性能均匀稳定、升温快、电绝缘性能优良、工作寿命长的优点，其电能与热能的转换率可达98%以上。

碳晶电热板的发热原理是在交变电场的作用下，发热体中的碳分子团产生“布朗运动”，碳分子之间发生剧烈的摩擦和撞击，接着它与纳米级的丙烯腈基碳纤维原料相结合组成搭接线，这样既可防止产生火花，又可保证能形成散热均匀的面状发热体，产生的热能以远红外辐射和对流的形式对外传递。

国内外对碳晶电热板的研究都是从21世纪开始的，国内各科研机构对碳晶电热板的发热原理、辐射特性、电热转换效率等进行了深入研究。2010年，哈尔滨工业大学的张海桥对碳晶电热板动态运行的热工性能进行了实验研究，并建立了碳晶电热板辐射采暖模型。随着理论研究的深入和研发推广的扩大，目前国内外碳晶电热板在局部采暖方面的应用越来越多。

5 标准化现状及需求

由于电热陶瓷砖出现的时间还不长，目前还没有针对该产品的国家标准或行业标准发布。电热陶瓷砖涉及到陶瓷砖、电热元件、地暖安装等，与陶瓷砖有关的标准有 GB/T 4100-2015《陶瓷砖》和 GB 6566-2010《建筑材料放射性核素限量》等；与电热元件有关的标准有GB/T4654-2008《非金属基体红外辐射加热器通用技术条件》、GB/T7287-2008《红外辐射加热器试验方法》、GB/T8623-1988《金属管状远红外辐射加热器》、GB4706.82-2014《家用和类似用途电器的安全房间加热用软片加热元件的特殊要求》、QB/T4986-2016《家用和类似用途电器电磁场的安全评价和测量方法》等；与地暖安装控制有关的标准有GB31459-2015《家用和类似用途地暖设备用温度控制系统的安全要求》、JGJ 142-2012《辐射供暖供冷技术规程》、JGJ 319-2013《低温辐射电热膜供暖系统应用技术规程》等。这些标准从不同的角度对电热陶瓷砖各组件的性能指标进行了规范，但不完全适用于电热陶瓷砖这一集成化产品，因此有必要对电热陶瓷砖这一新兴产品制订相适应的标准，以利于产品的推广使用和消费者的理性选择。下面从几个主要方面对电热陶瓷砖标准的制订提出建议。

5.1 电磁辐射

远红外辐射电热元件在使用时会以一种非电离辐射的方式向外发射热射线，导致空间中被辐射到的物体表面粒子震动产生摩擦热能，而人体神经传递依靠生物电位来输送信号，长期使用电热元件产生的电磁辐射可能会对人体造成影响。为避免人类因在电磁场强度中过度暴露影响人体健康，世界上不同的国家和组织都有着自己的电磁场暴露标准值。表2为国际组织及国家的工频电磁场职业暴露和公众暴露限值[7]，我国行业标准QB/T 4986-2016规定频率50 Hz时公众暴露的电磁场强度参考值为100 μT[8]，与ICNIRP保持一致。韩博等[9]从急性和累积效应两方面对电磁辐射的安全性问题进行了研究，通过实测发现电热膜产生的电磁辐射场中最大电磁辐射仅为225.4 nT，仅为中国国家标准限値的1/444，即电热膜在电磁辐射强度方面的安全性能达到世界上多数国家和国际组织的要求。从量子物理模型分析认为，神经微管系统的状态会因电热膜产生的电磁辐射场发生变化，但不会引起累积效应。考虑到公众对电磁辐射的知识匮乏以及畏惧心理，所以在制订电热陶瓷砖标准时将电磁辐射列为性能指标之一，通过测试数据明明白白地告诉消费者电磁辐射的影响是微乎其微的，消除公众的疑惑。

表2 各国工频电磁场暴露限值

5.2 电热安全性

电热陶瓷砖是由陶瓷砖、发热元件以及泡沫保温塑料等复合而成的，在陶瓷砖上面出现覆盖物时存在发热的安全隐患。王佐民认为辐射电热膜供暖产生过热安全性问题主要在于装饰材料以及电线破损短路等电热膜外部因素[10]，方修睦等则发现在电热膜安装余量较大时容易出现过热现象[11]。孙宇[12]、杜宝相[13]等根据电热供暖系统火灾现场分析发现在温控器失控以致电热膜持续发热且散热状况不良时，局部温度高达147℃，具有较高引燃能力。李绪泉[14]等研究发现电热膜在正常工况和绝热工况下的最高温度分别为48.54℃和108.09℃，因此正常工况下不存在过热安全性问题，但在非正常工况下，例如地面堆放较多物品时则有过热的安全隐患。因此，在制订电热陶瓷砖标准时应考虑电热安全性指标。

我国行业标准JG/T286-2010中规定在正常工作状态下电热膜发热单元表面温度不超过80℃，非正常工作状态下最高温度90℃[15]。国家标准GB/T18883-2002《室内空气质量标准》规定[16]冬季采暖条件下宜控制室内温度在16～24℃、湿度在30～60%。蔺洁[17]等以北京地区地板辐射供暖系统为研究对象,分析了地板表面温度、房间平均辐射温度、房间空气温度对人体舒适度的影响，结论是舒适的房间空气温度为17.4～20.9℃，对应的地板表面温度约为21.4～25.3℃，过高的地板表面温度既不利于节能，也直接影响人体的舒适感。国家标准GB/T 27963-2011《人居环境气候舒适度评价》规定[18]人体感觉舒适的温湿度指数为17.0～25.4之间，计算方式如下：

式中：I为温湿度指数，RH为湿度，T为温度，若湿度为50%，则室内温度控制在20℃，温湿度指数为19.0，人体感觉比较舒适，也比较节能。Fukai K等[19]通过研究，建议发热面板与人体接触面温度不超过42℃。因此，考虑建议电热陶瓷砖正常工作状态下表面温度定在25℃以下，非正常工作状态下电热陶瓷砖表面温度不应超过42℃，这样既能满足人体舒适度要求，又可节能。

6 电热陶瓷砖应用需要注意的问题

电热陶瓷砖供暖是按照平方计算功率的，采暖面积越大，其使用功率越大，家庭用电负荷越大。对于一些户型较大的户型尤其是采暖面积超过100 m2的户型，再加上客户家中的其他电器，可能要考虑增容的问题，一般老的小区这一问题比较突出。这一问题也是制约电采暖方式推广的主要的问题。另外，电热陶瓷砖的施工比较繁杂，铺贴时不能损坏瓷砖中的电路，对一般瓦匠来说，需要经过培训，规范施工，否则质量比较难控制。

参考文献

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[13]杜宝相,冷雪松.一起电热膜汗蒸房火灾的认定 [J].消防科学与技术,2014,33(1)：114-116.

[14]李绪泉,韩博,刘龙.某型号电热膜过热安全性的实验研究[J].建筑科学,2016,32(12)：161-166.

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[16]国家质量监督检验检疫总局.GB/T 18883-2002室内空气质量标准[S].北京：中国标准出版社，2002.

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[18]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 27963-2011人居环境气候舒适度评价 [S].北京：中国标准出版社，2011.

[19]Kojima A,Kohno T,Fukai K.LOW TEMPERATURE BURN PREVENTING ELECTRIC FLOORHEATING SYSTEM,ELECTRIC FLOOR HEATING PANEL,FLOOR HEATING FLOOR MATERIAL,AND ELECTRIC FLOOR HEATING DEVICE：US,EP 1429080 A4[P].2004.