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电热膜电地暖施工
第一讲 电热膜定义及类型划分
一、 电热膜定义
电热膜是直接将电能转换成热能的电热元件, 与电热管、 电热棒、 电热板、 电暖器、 电饭煲、 电磁炉等一样, 是电热产品庞大家族中的一个组成部分。但不同的是, 电热膜在国内还是一个比较新的产品类别, 应用历史也只有短短的十年左右, 应用领域也远不如其它电热产品广泛, 因此人们对电热膜的认识和了解还没有达到普及的程度。
电热膜, 英文名”hot film”或”electrothermal film”, 日文名”面状发热体”。在国内外的教科书和词典里难以查找到电热膜的准确定义, 国内前几年对于电热膜的定义大都是基于电热膜厂家的宣传资料, 以碳基印刷油墨电热膜为主, 如: ”电热膜是一种通电后能发热的半透明聚酯薄膜, 由可导电的特制油墨、 金属载流条经加工、 热压在绝缘聚酯薄膜间制成。”原建设部在 对于电热膜的建筑工业行业标准的立项报告中的名称亦为《低温辐射聚酯电热膜》, 显然也是指碳基印刷油墨电热膜, 后来更改为《低温辐射电热膜》。最近几年来, 随着各类电热膜的技术进步和规模化生产及市场应用, 人们对各种类型电热膜有了逐步认识和了解的机会, 如何更加准确定义电热膜也成了业界普遍关注和探讨的问题之一。
笔者曾给电热膜定义为”能够实现电热转换、 具有薄膜状结构且表面均匀发热的电加热体”( 见《中国住宅设施》 第8期) 。《低温辐射电热膜》行业标准的征求意见稿中给出的电热膜定义为, ”通电后能够发热、 具有片状结构且厚度较薄的面状电加热元件。由纯电阻式加热材料、 金属电极和外覆电绝缘材料构成。”该标准计划在年内获批准, 届时, 自电热膜引进到国内以来一直比较混乱的电热膜定义也将暂时告一段落。
二、 电热膜分类
据不完全统计, 当前市面上叫做电热膜的产品有十几种, 加上具有电热膜结构以其它名字命名的类似产品, 电热膜产品类别共计在20种以上。笔者在 第10期的《供热制冷》杂志上在国内首次提出按电热膜发热体材料分类, 把电热膜分为”印刷油墨型、 碳纤维型、 金属丝( 片) 型、 导电高分子材料型”等四种类型( 以下简称四分法) 。《低温辐射电热膜》标准征求意见稿中把电热膜分为金属基和非金属基两类( 以下简称两分法) , 而非金属基电热膜再细分为碳纤维、 碳基油墨和高分子三种类型。
电热膜两分法和四分法没有本质的区别, 只是两分法把非金属基电热膜作为Ⅰ级, 除金属基以外的其它三种类型电热膜作为它的次级即Ⅱ级, 这尽管从逻辑关系上讲没有错误, 可是两分法强调了金属材料, 弱化了其它材料的地位, 而包括电热材料在内的新材料的技术进步速度是很快的, 如此, 未来的非金属基电热膜的次级类型将会不断增加, 而金属基电热膜在相当长的时期内再再行分类的可能性不大, 这样会形成两大类电热膜家族成员的严重不均衡, 即: 非金属基电热膜有了庞大的家族且甚至已经到了第Ⅲ级、 第Ⅳ级, 而金属基电热膜依然还是只有一个成员。况且两分法是参照国家标准《红外辐射加热器实验方法》( GB/T7287- ) 中按辐射基体分类红外辐射加热器的分类用于电热膜, 而红外辐射加热器类型划分本身也值得商榷, 列举如: 非金属基红外加热器类型中”半导体类加热器”明显包括”陶瓷类、 搪瓷类、 高硅类、 锆英砂类加热器”等, 而被列入非金属基类的”聚酯薄膜加热器”当然也可能是封装的金属基发热材料即”金属基加热器”。
除上述两分法和四分法外, 大部分电热膜生产厂家从不同角度给自己的产品命名, 有的以电热膜外覆绝缘材料定义电热膜, 如: 聚亚酰胺电热膜, 硅( 橡) 胶电热膜, 云母电热膜, PET电热膜; 有的是以电热膜功率密度大小定义, 如低温、 中温、 高温电热膜; 有的从强调辐射热概念定义电热膜, 如: 辐射电热膜, 远红外电热膜; 有的强调发热体颗粒大小, 如: 叫纳米电热膜、 碳纳米电热膜; 也有如”生态电热膜”、 ”电热地膜”则分别从电热膜的环保特性和地暖应用方式上定义电热膜。而最近两年在上海、 四川、 重庆、 武汉等地普遍叫的比较响的”硅晶、 碳晶电热膜”以及最近出现的”高( 超) 碳晶电热膜”等等, 据笔者考察以及与相关厂家沟通后, 能够断定这类电热膜是碳纤维电热膜, 如果细分类型也应该在定语后面最后加上”碳纤维电热膜”。碳晶的叫法是不科学的。
笔者以为, 以发热材料为主体分类和命名电热膜是较为科学的, 因为发热材料决定了电热膜的特性, 以发热材料定义电热膜无论对于具有一定理工科知识和其它非专业的人士, 都能够较为容易的从根上认识和了解不同类型电热膜的基本特性, 也避免了厂家经过模糊概念达到一己目的企图。当然如同电热膜的定义一样, 待《低温辐射电热膜》标准获批后, 生产厂家自然要遵循标准上的电热膜分类命名自己的产品, 届时电热膜分类的混乱现象也将会得到一定程度的遏制。
以下分别就两分法和四分法中共同出现的 ”金属基、 碳基印刷油墨、 碳纤维、 高分子”等四种类型的电热膜发热材料、 生产加工工艺和相应电热膜的基本性能特点作一介绍。
碳基印刷油墨型电热膜
( 图1)
发热材料为石墨、 金属粉末、 金属氧化物( 见图1) 。碳基印刷油墨电热膜的生产工艺是将上述发热材料与其它填料一起制成油墨状浆料, 以丝网印刷工艺定量印刷在预先粘结有金属载流条( 作为电极) 的聚酯薄膜上, 再上覆聚酯薄膜形成绝缘结构, 故又称印刷油墨电热膜。该类电热膜的功率控制主要是经过浆料成分、 油墨条厚度和间距等实现。
碳基印刷油墨电热膜的技术核心是浆料的生产加工技术。其特点是生产工艺简单, 原材料成本相对较低, 国产化程度大。当前国内已有多家碳基油墨浆料生产企业, 十几家碳基印刷油墨电热膜生产厂家, 生产加工技术已经赶上并超过了国外同行。国外品牌以美国、 韩国为主, 但大都不具备地暖施工技术指导能力, 甚至有些韩国企业连什么叫泄漏电流、 电热膜泄漏电流产生的机理也不清楚就敢在国内用于电地暖。
金属基电热膜
( 图2)
发热材料为纯金属或金属合金材料( 见图2) 。金属基电热膜的生产工艺是将发热体金属或金属合金材料首先制成金属箔, 在聚酯薄膜上粘接制作成电阻回路, 其上再覆一层聚酯薄膜形成绝缘结构。常见的金属电热材料有铜、 镍、 铜镍、 铁铬铝等。不同的金属和金属合金材料具有不同的电阻率即导电特性, 据此能够根据不同的工作电压、 单位面积功率要求选择不同的金属发热材料和设计成不同的电阻线路。而金属材料的不同也将直接影响发热体的性能( 如抗氧化能力) 以及成本造价。
碳纤维电热膜
( 图3)
发热材料: 碳纤维( 见图3) 。碳纤维是由含炭量较高( 一般在90%以上) 的原料纤维, 放在惰性气体中, 经200～300℃的热稳定氧化、 1000～ ℃的碳化及石墨化处理而成。根据基础原料不同碳纤维又可分为聚丙烯腈( PAN) 基、 沥青基和粘胶基碳纤维, 其中PAN基碳纤维在全世界的碳纤维生产中占有90%的比例, 当前世界碳纤维技术主要掌握在日本的东丽公司、 东邦Tenax集团和三菱人造丝集团, 而其它大部分碳纤维企业的生产工艺仍在摸索中不断完善。国内碳纤维电热膜生产用碳纤维原材料主要从日本东丽公司进口。
碳纤维具有耐高温、 耐磨擦、 导电、 导热及耐腐蚀等, 外形有显著的各向异性, 柔软、 可加工成各种织物, 比重小, 沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维能够与树脂、 金属、 陶瓷等基体复合形成多种复合材料, 用于航空航天、 汽车、 石油钻探、 体育及医疗器械等多个领域。
利用碳纤维的导电特性将其做成电热材料, 按发热体结构的不同可分为碳纤维发热线缆和碳纤维电热膜两种。其中碳纤维电热膜按生产加工工艺不同又分直接将碳纤维丝( 小丝束或大丝束) 作为经线或纬线经过纺织工艺生产的非均匀性线面状碳纤维电热膜, 以及将碳纤维丝剪切成紊乱短纤维, 与纸浆混合后用造纸工艺形成碳纤维电热纸。调整碳纤维比例可得到不同的功率密度。按照用途和绝缘等级要求外覆不同绝缘材料即形成碳纤维电热膜。
高分子电热膜
图4
发热材料: 导电高分子材料( 见图4) 。生产工艺, 首先利用不同的分子设计手法合成出功能性高分子导电复合材料, 经过喷涂或逗号涂工艺将上述导电高分子材料均匀涂敷于预先植入电极的基材上形成裸体电热膜, 外覆不同绝缘材料即形成高分子电热膜。
高分子电热膜诞生于日本, 新宇阳是当前国内高分子电热膜的唯一生产厂家, 拥有多项专利和专有技术, 产品技术上已实现”任意幅宽和形状、 任意使用电压( 交、 直流两用) 、 任意单位面积功率”等”三个任意”的技术优势, 并在多个应用领域开发出不同的系列产品。
高分子电热膜的功率密度是经过调整发热体材料的聚合度、 正负极性基团数目和比例以及自由电数来实现, 而非经过加减涂敷量。
尽管电热膜类型不同, 但都含有发热体、 电极和绝缘层等三个共同的部分, 都是外覆绝缘层内加发热体结构。不同的是金属基电热膜和碳基油墨电热膜是直接热压在绝缘聚酯薄膜间, 而碳纤维和高分子电热膜是将发热材料涂敷于基材上, 然后外覆绝缘材料。
不同类型的电热膜由于其发热材料不同和生产加工工艺的不同, 电热膜也分别具有不同的电热特性和应用性能, 如: 功率密度的极限值、 发热体的热稳定性和热均匀性, 抗氧化老化能力、 功率衰减、 龟裂和融胀性等等, 而这些特性直接决定了产品最为适宜的应用领域以及作为发热体材料在应用施工中的工艺要求, 这将在下一讲”电热膜的应用”中述及。
第二讲 电热膜产品特性及应用领域
一、 电热膜产品特性
电热膜的发热材料和产品结构形态是决定电热膜产品性能的主要因素, 其中发热材料起决定性作用。上一讲中我们依据发热材料不同把电热膜分为金属基、 碳基油墨、 碳纤维和高分子等四种类型, 这四种类型的电热膜因为同属于电加热元件, 因此有着共同的特点, 可是不同发热材料先天的物理、 化学、 电化学、 电热等性质的不同又决定了不同电热膜性能的差异, 这些差异反应在电热膜产品性能上, 表现出电热膜单位面积电阻率的差异特别功率极限值的不同、 辐射热占电—热转换率比例的不同、 产品抗氧化能力、 产品抗龟裂及融胀性能不同、 使用过程中功率密度变化的不同以及产品使用寿命的不同等各个方面, 也因此决定了不同类型电热膜既有共同的应用领域、 又有各自最佳的使用范围。
( 一) 电热膜产品的共同特性
电热膜作为一类新型的低温辐射电加热元件, 与电锅炉、 电暖气等其它类型的电加热体有着明显的不同, 概括起来有以下几点:
1、 电—热转换效率高, 辐射热占比大
电热膜的电—热转换效率是所有电加热元件中最高或并列最高的, 在能量转换过程中几乎没有任何其它形式的能量损失, 如光能、 机械能、 化学能等, 电—热转换效率几近100%。其中, 电—热辐射转换效率比例也是相同单位面积功率的电加热元器件中较大的, 以中国房地产及住宅研究会住宅设施委员会《低温辐射电热膜》标准验证检验用”新宇阳高分子电热膜”的检测结果为例, 电热膜功率密度150w/m²的电-热辐射转换效率为63%, 发向全发射率高达0.87。
2、 电磁辐射小, 对人体无危害
我们经常能够感受到电磁辐射的实例, 如: 将手机放在座机电话旁, 当有来电或短信信号时, 座机电话总是早于手机信号发出”吱、 吱、 吱……”的声音; 吸尘器在电视机旁工作时, 会影响电视信号质量等。个别厂家的单导发热电缆电地暖系统影响电视机信号质量也是电磁辐射的原因。
对于绝大部分电热膜产品, 发热体材料和产品结构决定了电热膜在使用过程中的电磁辐射量( 磁感应强度) 均很小, 约为0.1-1.0μT( 微特斯拉, 1高斯=100微特斯拉=) 左右, 不会构成对人体的危害。
国际非电离放射线防护委员会( ICNIRP) ) 1998年对于电器产品电磁辐射量限定值推荐为: 50Hz的磁感应强度100μT, 20-30kHz的磁感应强度6.25μT。电热膜使用中的磁感应强度比其它家用电器产品要小的多, 如: 电子微波炉为20μT、 吸尘器为20μT、 手机电话为20μT、 彩色电视机为2μT( 以上数据为美国环境署公布) 。电热膜在使用过程中也不会对其它电器产品产生电磁干扰现象, 如: 新宇阳高分子电热膜用做国家广电总局卫星天线融雪系统已经过数个冬季的检验、 验证。
3、 有效发热面积大, 热均匀性和热舒适性好
电热膜整个表面作为电加热体, 发热面积大, 热散布快; 电热膜表面功率密度均匀, 表面温差小, 热均匀性好; 电热膜以远红外辐射热为主, 用于供暖时对空气扰动影响小, 体感温度高, 热舒适性好。
4、 物理性能稳定, 功率变化小, 使用寿命长
不同类型电热膜在用做低温辐射电热膜使用时, 材料的性能相对稳定, 使用过程中的物理化学性质以及功率密度变化小, 使用寿命长。
5、 厚度薄, 柔性好, 占用空间小
电热膜是所有电加热体中厚度最薄, 一般在1 mm以内, 可称为超薄电加热体; 外覆绝缘层以聚酯薄膜等柔性产品为主, 易于后加工和运输、 安装等, 同时在所有电加热产品中占用空间面积最小, 易于做隐蔽工程。
6、 后续开发空间大, 产品应用领域广
电热膜作为通电后能够直接将电能转化为热能的电加热元器件, 加上利用有些电热膜类型的个性特点, 如: 新宇阳高分子电热膜”任意幅宽和形状、 任意电压( 交、 直流) 、 任意功率密度”以及调整辐射波长范围和辐射强度的功能性等, 能够开发出不同应用领域、 多种产品系列。
( 二) 不同类型电热膜的个性特点
发热材料不同, 电热膜性能也有不同; 同类发热材料, 不同电热膜厂家的产品也有性能差异, 特别是碳基油墨电热膜表现的更加突出。
金属基电热膜以纯金属或合金为发热材料, 功率密度能够严格计算和设计, 功率密度误差能够控制到最小; 是唯一不存在电极和发热材料之间是否紧密接触问题的电热膜类型。金属基电热膜在大面积使用时的连接点会较多、 电热膜局部破坏会发生断路或高电压漏电; 金属发热体的抗氧化能力较弱, 如果长期处于潮湿环境中使用, 即使少量的水分子透过绝缘层渗透到金属发热体内也会使金属氧化而导致功率衰减, 从而影响到使用效果。
碳基油墨电热膜生产工艺简单, 造价低廉, 加工技术成熟, 功率密度误差和变化因厂家而异。以金属铜片载流条做电极同样有潮湿环境下易于氧化和老化的问题, 与金属基电热膜的加工工艺相同, 都是将发热材料直接热压在绝缘层之间, 加工过程中应严格避免将空气直接热压在两层绝缘膜之间, 因为电热膜在使用过程中随温度升高、 气体膨胀、 绝缘层软化、 电热膜会出现鼓泡( 融涨) 甚至破裂, 也是这类电热膜易于出现龟裂的原因之一。另外, 碳基油墨电热膜的功率密度受发热材料和绝缘层材料的制约, 一般功率密度极限值在300-400w/㎡ 左右, 从而限制了它的应用范围。
碳纤维电热膜是所有电热膜中耐高温性能最好的, 因此它的最佳用途是作为大功率密度、 刚性电热板的发热元件使用。低功率密度柔性碳纤维电热膜的热均匀性和功率密度的衰减是必须解决的问题。而低功率密度碳纤维电热膜电极的处理大都与碳基油墨电热膜相同, 同样存在电极氧化、 老化的问题等。
高分子电热膜的电极经过特殊处理, 电极与导电高分子发热材料密切接触且柔韧性好, 局部破坏不影响整体工作, 裸体电热膜与接线端子、 引出电线连线后再外敷绝缘层的工艺保证了电热膜接线处的电气安全性能, 高分子”三个任意”的特性决定了产品的适用性强、 后续产品开发空加大。而有机高分子材料的耐温极限一般在250℃以内, 因此高分子电热膜不能用于制作高温电热膜。
二、 电热膜应用领域
电热膜作为具有突出特性的电加热元件, 在国内外已经应用在多个领域。这项技术自上世纪90年代引入中国以来, 经过十几年的发展形成了世界上电热膜类型最为齐全、 应用领域最为广泛、 用量也最大的电热膜大国。
( 一) 工业、 农业和畜牧业
电热膜在工业上的应用包括罐体、 管道的加热和保温, 工业生产和加工过程中的局部加热, 远红外低温外烘箱、 干燥箱等。
农业上, 温室育种育苗, 农业蔬菜大棚供暖等。
电热膜在畜牧业的应用如: 利用电热膜的加热功能和远红外的杀菌消毒作用促进禽类的孵化及幼雏( 畜) 的成长环境的建设等。
( 二) 融雪化冰、 防冻
电热膜的融雪化冰和防冻应用在日本已有大量的工程案例, 主要在高速公路的桥梁、 坡道, 建筑物地下停车场出入口、 铁路路道岔等。中国已经成功的应用案例有卫星接收天线融雪、 道路融雪( 图1) 。
( 三) 理疗保健和医疗
利用电热膜远红外热辐射特性, 用于理疗保健应用如: 电热服装、 电热护腰等护理系列, 岩盘浴、 汗蒸房、 高温瑜伽等。随着电热膜技术的进步和应用研究的深入, 治疗性电热膜的开发应用也将在不久会进入产业化生产阶段。
( 四) 建筑供暖
分为主供暖和辅助供暖应用。主供暖应用是指在供暖期完全以电热膜供暖形式实现供热并达到室内设计温度要求, 大多是经过供暖应用工程实现, 分为顶棚、 墙裙和地面供暖等三种不同形式。
辅助供暖是指作为主供暖应用的补充热源使用, 多以成品的形式出现, 如做成电热画、 ( 远红外) 辐射电热板、 电热地毯、 电热靴等多种形式。有直接用220伏电压, 也有的用安全电压, 取决于用户需求和电热膜类型和技术。
( 五) 其它领域
以电热膜为电加热元件, 利用电热膜的电—热转特性以及不同类型电热膜的个性特点, 能够应用在有电力作为能源又有热需求的不同领域。而特殊功能性电热膜以及耐高温或超高温电热膜技术的开发应用将更加丰富和拓展电热膜的应用领域, 给人们的生产和生活带来高科技成果所赋予的舒适和享受。
第三讲 电热膜供暖应用概述
一、 电热膜供暖应用发展历程和应用现状及前景分析
1、 国内外电热膜供暖发展历程和应用现状
电热膜在国外的技术研发和工业化生产始于上世纪70年代后半期。日本是电热膜大面积用于供暖最早的国家, 也是世界上最早制订电热膜地暖应用规程的国家, 这主要源于日本在电热新材料技术的进步、 打坐式生活习惯以及电力资源充分等多方面原因。电热膜技术引入中国是在上世纪90年代末, 随后经过十几年的技术研发和应用实践, 无论是电热膜类型的齐全程度、 电热材料高端技术研发现状以及规模化生成工艺、 各类电热膜后续产品的开发及应用都已经走在了世界的前列, 使中国成为了名副其实的电热膜大国并正在向强国迈进。
中国最早的电热膜供暖应用案例是世纪之交, 从美国购进”无机非金属基电热膜”( 即印刷油墨电热膜) 产品的顶棚供暖, 从东北的内蒙、 黑龙江到北京、 河北等地均有大面积应用工程, 几乎全部以失败告终, 给电热膜的技术进步和产品应用带来了近乎毁灭性的打击。北京新宇阳科技有限公司逆风而上, 率先在国内开发了高分子电热膜技术并用于地板供暖, 开启了国内电热膜电地暖的先河, 并逐步得到社会各界的认可。此后不同类型电热膜厂家包括早期做电热膜顶暖的企业也开始纷纷效仿做电热膜电地暖, 至今电热膜电地暖已经成为了国内不同类型电热膜供暖应用的主流。
据《中国建设报》 盘点活动初步统计, 中国电热膜供暖应用的总面积约为 万平方米, 超过世界其它所有国家应用面积的总和。可是与国内其它供暖形式相比, 单从系统散热末端讲, 是所有供暖类型中应用面积最少的, 约为发热电缆电地暖的1/5-1/8, 与传统的集中热源、 散热器末端相比, 不足其总量的0.5%。
2、 电热膜供暖应用前景分析
电热膜在中国供暖的应用尽管只有十几年的历史, 而且走过弯路, 可是由于电热膜供暖的先天优势, 特别伴随着电热膜技术的成熟、 国产化程度的提高, 电热膜电地暖工程的成功, 早期受到电热膜顶棚供暖影响的所有关联人员包括政府官员、 暖通专家和设计师、 开发商和消费者等也已经开始逐步正视电热膜技术和电热膜供暖应用。
国家电力紧张的逐步缓解特别是大城市冬季夜间电力的过剩, 化石资源特别燃气资源的严重不足, 供暖用煤价格的跌宕起伏, 集中供热收费难, 无集中供热条件的南方大部分城市近几年迅猛增长的供热需求等, 这些因素促使人们加快探寻新的具有科技含量和具有”环保、 舒适、 节能”特点的新型供暖方式的步伐, 这就给电热膜电地暖的大面积推广应用带来了良好的机遇。
同时, 因电热膜顶棚供暖失败而一度放缓的建设行业《低温辐射电热膜》标准的即将出台, 国家主流媒体《中国建设报》关注和开辟中国地暖专版对地暖全面、 客观的宣传报道, 使人们认识、 了解和选择地暖包括电热膜电地暖起到了良好的推动作用。综合以上因素, 笔者认为电热膜电地暖已经进入快速发展阶段。
二、 电热膜供暖与其它供暖方式优劣势对比
不同供暖形式之间由于系统构成和技术含量的不同而有不同的比较优劣势。现存的供暖形式, 无论是传统的散热器、 热风中央空调还是水地暖和电地暖, 系统技术上都是成熟或基本成熟的, 但都仍有系统优化和技术进步的空间, 同时各种供暖形式也都有最佳的应用范围和限制使用条件。因此, 科学、 合理的选择供暖方式应该是能源资源条件、 建筑物结构和用途、 消费者的使用需求、 管理方便程度以及初投资和运行成本等各种因素的综合对比分析后得出的方案。
1、 电热膜”顶暖、 墙暖、 地暖”之间的对比
上一讲中曾论述过, 以电热膜作为发热体的供暖方式分为主供暖和辅助供暖, 主供暖是指经过工程施工构成完整的电热膜供暖系统, 按照电热膜铺装方式, 主供暖分为”顶棚、 墙裙和地板”三种方式, 分别称为”顶暖、 墙暖和地暖”。辅助供暖是指以电热膜作为辅助热源的供暖方式, 一般是以带电源插座的电加热产品形态出现, 如电热板、 电热毯、 电热画、 电热靴等。本文仅比较三种主供暖形式之间的差异。
电热膜顶暖的优点: 不容易造成过热环境, 因此能够不做局部过热保护系统; 安装在顶棚, 与人体不直接接触, 因此即使万一因为施工或非正常使用造成电热膜损坏而发生漏电, 也轻易不会造成人身伤害。缺点: 头热脚冷不符合人体生理需求特点, 舒适性差; 能耗高, 围护结构越差、 能耗相对越高。
电热膜墙暖的优点: 不容易造成局部过热; 不会产生头热脚冷现象, 舒适性好于顶暖而差于地暖。缺点是对家具的摆放位置有一定限制, 达到相同供暖效果的能耗介于顶暖和地暖之间。
电热膜电地暖的优点: 在三种供暖形式中舒适性最好、 能耗最低, 同时可根据需要设计成蓄热式供热系统, 有效利用波谷电。缺点: 一是使用过程中会因覆盖造成局部过热, 因此应设置过热保护系统; 二是电气安全保护比顶暖、 墙暖要求更高, 加大了系统成本。
2、 电热膜地暖与发热电缆地暖的对比
电地暖分为电热膜电地暖和发热电缆电地暖, 均是以电能作为供热能源, 分别以电热膜和发热电缆作为发热体, 直接经过电热转换达到建筑供暖目的。两种电地暖形式中的发热体产品技术和施工工艺都已成熟, 智能化控制系统完备, 并均有大量成功应用案例, 是近年来供暖技术进步、 在所有供暖形式中成长速度最快的。
两种电地暖系统之间也分别具有相正确优劣势, 简单归纳如下:
发热电缆产品结构决定了其泄漏电流比电热膜电地暖系统小, 因此发热电缆电地暖系统能够直接套用国家或行业漏电保护30mA 的标准, 而电热膜电地暖在做水泥结合层结构时, 由于电容效应而产生的泄漏电流要远远大于发热电缆, 因此30mA的漏电保护装置对于电热膜电地暖是不合适的, 可是现阶段只有这一标准, 因此增加了电热膜电地暖企业的技术和施工难度, 也因此增加了系统成本。而黑龙江省的地方标准, 既不做电热膜电地暖系统安全接地, 又不接漏电保护, 标准明显存在缺陷, 安全隐患极大, 如果不能及时更正将后患无穷。
电热膜电地暖的发热体面积大, 发热体温度低, 地面温度均匀性好; 而发热电缆地暖发热体线上温度高, 线间温度低, 向下散失的热量多, 地板表面的温度均匀性也不如电热膜电地暖; 发热电缆电地暖系统几乎无法安装局部过热系统, 而电热膜电地暖则容易实现, 从而增加了系统的安全性能; 绝大部分厂家的电热膜电地暖在使用过程中均不会产生电磁辐射, 而即使加有屏蔽的单导发热电缆也会产生一定的辐射量, 个别厂家的产品甚至远远超过国际非电离放射线防护委员会( ICNIRP) ) 对于电器产品电磁辐射量推荐的限定值。
另外, 电热膜电地暖在直接与木地板结合时可形成超薄电地暖, 层高影响小; 电热膜发热体一般并联连接, 更容易根据供暖实际需要实现智能化控制, 如刚进入供暖季只开启部分发热体, 冬季最冷季节全部启动, 而发热电缆电地暖一般每个房间只有一条回路, 只能是频繁开、 断达到控制房间温度目的, 相比电热膜电地暖系统的多回路并联连接更科学, 也更节能。
3、 电热膜电地暖与水地暖的对比
地暖作为一个完整的供暖系统, 无论水地暖和电地暖, 至少包括热源、 散热末端、 控制( 安全运行和温度控制等) 几个部分, 因此比较电热膜电地暖和水地暖也应该是两个系统的对比, 包括系统投资。可是地暖行业一般所说的水地暖往往单指散热末端, 甚至连室内温度控制也不包括在内。
单从系统散热末端讲, 如果万一地面被破坏, 电热膜电地暖假如没有足够的安全保护措施会危及人身生命, 水地暖漏水损失的只是财产, 这是两者的最大不同。电热膜电地暖地面温度比水地暖均匀, 不会发生因系统失灵冻裂管路现象, 温度控制也更加方便。
电热膜电地暖和水地暖系统对比, 在其它条件完全相同的情况下, 水地暖的热源形式决定了系统的环保、 节能效果, 如新能源和可再生能源的使用, 空气源、 水源和地源热泵不但能够做水地暖解决冬季供热也可用于夏季供冷, 提高了设备利用效率, 从而弥补了热泵投资成本过高的缺陷。如果仅用热泵解决供暖问题, 运行成本比电热膜电地暖能够减少30-40%, 可是投资成本却提高2-3倍, 降低了能耗为社会作了贡献, 综合成本高消费者没有经济效益。至于化石燃料锅炉水地暖与电热膜电地暖相比, 锅炉占地、 运行和维修管理费用、 锅炉更换、 燃料价格的波动、 收费难等因素综合考虑, 电热膜电地暖的优势可能更加明显。
4、 电热膜电地暖与传统供暖方式的对比
传统供暖方式主要指热源为大型集中锅炉、 小区独立供暖锅炉, 以各种散热器为散热末端的自然对流传热为主的传统供暖形式, 能源包括各种化石燃料、 电能或新能源和可再生能源。
中国北方15个省和直辖市的132个地级市的集中供热总面积至 底达到39亿立方米, 占该地区总供热面积的70-80%, 且每年以3亿立方米的比例递增。今后中国北方地区的供热仍将以集中供热为主这一方针至少在今后相当长一段时间内不会改变。集中供热从一次能源转换效率、 污染物排放治理等方面确实有其突出的优势, 国家从 开始推行的供热体制、 热计量改革、 配套政策等如果能够顺利推行, 集中供热高能耗的现状可能能够得到遏制。但仅仅是供热计量改革一项, 历经数年, 结果仍是”步履艰难、 收效甚微”, 这是由于大型集中供热体制、 供热系统方式自身决定的, 因此尽管集中供热热源部分的一次能源转换效率较高, 可是长距离管网的热损耗、 热输送用泵的电力能耗、 用户末端无法经过控制实施行为节能节能造成末端无谓的能量消耗等, 致使整个供热系统的单位总能耗在相同围护结构、 达到同样供暖效果的情况下依然是所有供暖形式中最高或较高的。集中供热的高能耗状况至少在未来的几年内甚至更长时间不可能发生根本转变。
电热膜电地暖与传统供热方式相比的优势在于, 地暖的舒适、 节能; 电地暖热源与散热末端自成系统, 发热体寿命周期内( 一般30-50年) 没有任何其它费用支出; 运行中经过设备的智能化控制, 能够根据需要简单实现”舒适运行、 节能运行、 防冻运行”, 行为节能最为彻底; 电热膜电地暖发热面积大、 占用空间小、 无收费难的问题等。
第四讲 电热膜电地暖—基础篇
电热膜电地暖系统的特点能够概括成以下几各方面, 环保: 电能是最清洁能源, 没有环境污染, 对于民用住宅, 不会出现其它独立供暖形式中使用化石燃料造成的局部环境污染; 节能: 包括地板供暖系统本身的节能和电地暖系统特有的智能化温度控制的行为节能; 舒适: 热从脚下升, 促进血液循环, 符合人体生理需求。具有远红外热辐射的理疗保健功能, 无对流传热使空气扰动带来的污染和不适。在所有供暖形式中发热体面积最大, 温差小、 温度均匀性好, 体感温度高; 其它特点: 地暖中的超薄型特征、 使用寿命长、 无维修维护费用、 无收费难、 具有电力削峰填谷作用等。可是, 电热膜电地暖与其它任何一种供暖形式一样, 也有它的不足之处和最佳适用条件, 如: 使用的是高品位能源, 在冬季电力紧张的地区显然是不适宜的, 而在集中供热管网覆盖到的地区大面积推广也是另一种形式的资源能源的浪费。
一、 电热膜电地暖系统的适用条件
电热膜电地暖是以电能为能源, 因此能够提供设计功率负荷且稳定的电能是必要条件。与其它供暖形式的初投资对比, 综合各种供暖系统的占地、 维护维修费用、 寿命期间的设备更换次数等因素, 电热膜电地暖的初投资是比较低的。就运行成本而言, 任何一种供暖方式在用于非节能建筑时能耗都会很高, 可是中国北方现行的大型集中供热, 开发商和用户不太关心或不清楚实际能耗, 关注的只是房间温度和收费标准, 而现行的收费标准并不能真正反映供暖公司的实际运营成本, 如山东省东营市的收费标准是18元/㎡, 而实际供热成本高出一倍还多, 北京市 在原有财政补贴的基础上给热力公司追加了90亿元补贴, 才保证了供暖收费不涨价。选择独立供暖时, 人们习惯于以集中供热收费标准作参照, 高于此标准则认为供热系统能耗高, 会引发出一系列问题。因此不少电热膜厂家强调必须保证达到节能建筑才能够使用电热膜电地暖, 其实是无奈之举。
总之, 电力充分、 较低的电价或有波谷电价、 节能建筑、 有间歇供暖需求等是选择电热膜电地暖的最适宜条件。
二、 电热膜电地暖系统结构
电热膜电地暖系统一般包括”入户电源、 系统控制、 地面散热末端”三个主要的组成部分。
入户电源为电热膜电地暖系统提供能源, 分为三相380V和单相220V, 一般以220V交流电源直接与电热膜相连接, 也有使用直流电源、 36V以下安全电压, 但在用做建筑主供暖时因功率和电流较大, 低电压电热膜的供暖应用仅限于辅助供暖。
系统控制是实现用户按需供暖的重要手段, 也是系统电气安全的重要保证。控制的具体内容和控制方式因系统设计而不同, 既能够包含在高档楼宇的自动化控制系统内, 也能够在普通住宅中经过简单的温控器、 漏电保护装置等实现。近年来电地暖控制系统的智能化水平进步很快, 使用户能够方便的实现”舒适运行、 节能运行、 防冻运行”, 达到行为节能的目的。
地面散热末端自下而上分别为保温层( 又叫隔热层、 绝热层) 、 电热膜、 水泥结合层( 又叫填充层) 、 表面装饰层。表面装饰层有木地板( 实木和复合) 、 瓷砖、 石材、 地毯等, 其中表面装饰层为木地板或地毯时能够省去填充层而直接将其铺设在电热膜上面。
三、 电热膜电地暖系统必备的安全措施
建筑工业行业标准《低温辐射电热膜》报批稿对于电热膜的相关技术参数做了明确的规定, 包括电热膜功率密度偏差、 工作时的表面温度差异、 电气强度、 绝缘电阻、 泄漏电流、 电-热辐射转换效率、 工作寿命等。该标准的颁布实施能够促使不同类型电热膜生产企业严格质量管理, 在一定程度上防止伪劣产品流入市场, 并对电热膜用于建筑供暖的安全奠定了基础。可是, 要保证电热膜供暖特别电地暖系统的安全仅靠电热膜产品标准是远远不够的, 没有规范的电热膜电地暖设计施工工艺规范和严格的施工验收标准, 很难保证系统的安全运行和数十年的使用寿命, 这也是早期的无机非金属基印刷油墨电热膜只做顶暖不做地暖的直接原因。电热膜电地暖系统最重要的安全问题是局部过热和电气安全两大问题。
1、 局部过热
局部过热是指电地暖系统在使用过程中由于装饰层表面上覆传热性能差的物品, 如棉被、 大型落地家具等, 使其下部热量逐步聚集、 温度升高并产生一定危害的现象。局部过热的危害轻则烧坏发热体下部保温层、 产生甲醛等有害物质, 地面出现镂空, 发热体漏电、 断路、 短路等, 重则可能会引起火灾甚至危及生命。尽管一般电地暖系统使用说明书中都会有诸如”在使用过程中禁止大面积覆盖”等说明, 可是用户在使用过程中很难完全避免因覆盖而发生的局部过热现象。
电热膜电地暖系统的局部过热与不同类型电热膜产品性能、 地面散热末端结构、 电热膜功率密度三个主要因素有关。①、 产品性能: 不同类型电热膜具有不同的”温度-电阻”曲线和电-辐射热比例, 正的温度-电阻曲线和辐射热占比大, 热穿透能力强的电热膜类型, 造成局部过热的可能性就越小。②、 地面散热末端结构: 电热膜上覆材料不同, 传热效果即蓄热量不同, 各层间的温度梯度也不同, 上覆层综合导热系数越大越不容易产生局部过热。木地板下直接铺设电热膜的铺装结构比瓷砖+水泥砂浆结构容易造成局部过热, 危害也更大。③、 功率密度: 功率密度越大, 单位时间产生的热量越多, 造成局部过热的可能性就越大。因此, 局部过热是上述三个基本条件的关联函数, 是相互影响和制约的。为了防止用户在使用过程中可能出现的局部过热现象, 在进行电热膜电地暖系统设计时, 必须依照边界条件设置过热保护系统并保证不会出现死角。
局部过热保护系统的作用是即使用户在地板上放置了不易传热的物品也不会发生局部过热现象。因为如果放置的物品面积较小时, 基于上述过热保护系统设置的条件, 不会发生局部过热现象; 当物品面积较大时, 过热点周围达到设置的最高允许温度, 过热保护系统启动, 发热体断路停止工作。撤除覆盖物、 发热体表面降低到安全温度后发热体重新自动启动。另外, 以新宇阳高分子电热膜电地暖系统铺设工艺为例, 每个房间的每条电热膜均为并联连接, 电源线直接在接线盒汇总( 绝不允许现场接线、 做绝缘) , 一旦发生局部过热, 不工作的往往只是过热点上的电热膜, 其它发热体照常工作, 基本上不会影响室内温度。当前大部分厂家的电热膜电地暖工程都没有安装过热保护系统, 有的厂家只是在每条电热膜的一端安装一个金属保险丝, 或利用温控器的地温传感探头, 均很难真正起到过热保护的作用。
2、 电气安全
电热膜电地暖系统的电气安全问题取决于发热体产品质量、 施工工艺、 安全保护措施, 这里主要强调安全接地和漏电保护。所有类型的电热膜因为都是面状电加热体, 当上部铺装水泥砂浆层时, 形成电容结构并因此产生感应电压和相应的泄漏电流, 电热膜上部直接铺设木地板则不存在泄漏电流的问题。泄漏电流与电热膜类型和产品结构
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