基于石墨烯電熱膜采暖系統(tǒng)的使用性能分析研究

余海龍，林克輝，林創(chuàng)興，潘杰

（東莞市唯美陶瓷工業(yè)園有限公司，東莞 523000）

1 前言

石墨烯電熱膜采暖系統(tǒng)是指在地面鋪設(shè)一層石墨烯電熱膜作為發(fā)熱源，通過溫控器作為發(fā)熱控制端而進(jìn)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(fā)熱，將熱能轉(zhuǎn)換成輻射能，通過電磁波的形式發(fā)射到人體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，使其產(chǎn)生熱效應(yīng)[2]。相比于其他形式的采暖系統(tǒng)，石墨烯電熱膜采暖系統(tǒng)具有室內(nèi)熱舒適性高、升溫迅速、電熱轉(zhuǎn)換效率高、采暖費(fèi)用低、易于控制、無污染等優(yōu)點(diǎn)。[3-4]在石墨烯電熱膜的使用能耗經(jīng)濟(jì)性分析研究中，卞鵬[5]分析了電熱膜地?zé)岵膳到y(tǒng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)因素；殷昊[2]對電熱膜地暖系統(tǒng)進(jìn)行了能耗分析。但這些都是基于實(shí)驗(yàn)室及北方條件下得出來的數(shù)據(jù)，而且并沒有得到剛修建好的濕度較高、環(huán)境較惡劣等狀態(tài)下的真實(shí)使用環(huán)境的數(shù)據(jù)。隨著居民生活質(zhì)量的提高以及對于生活舒適性的追求需要，南方地區(qū)對于供暖的需要也越來越大，石墨烯電熱膜在南方地區(qū)的使用也越來越普及。而基于南方真實(shí)使用條件下的電熱膜的能耗及使用性能的研究報(bào)道較少。

本文基于南方地區(qū)客觀真實(shí)的使用條件下，對于剛修建好的民用住宅進(jìn)行連續(xù)通電使用測試，通過一系列數(shù)據(jù)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(jìn)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(dǎo)。

2 試驗(yàn)

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(shè)石墨烯電熱膜，接著按照地磚鋪貼工藝用水泥砂漿進(jìn)行填充鋪貼瓷磚。

測試條件為南方地區(qū)普通住宅，室溫13-15℃左右，室溫設(shè)定溫度為溫升5-7℃，房屋有不同朝向及不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)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(shí)設(shè)計(jì)了幾種不同厚度的填充層。試驗(yàn)過程中通過溫控器的使用數(shù)據(jù)抓取，監(jiān)控不同房間的溫升時(shí)間及能耗數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

3 .結(jié)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(yàn)過程中研究了在同一朝向及同樣圍護(hù)結(jié)構(gòu)下，不同填充層厚度在電熱膜開啟后的地面溫度變化、室內(nèi)溫度變化，結(jié)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(dāng)填充層厚度為9cm時(shí)，通電1h后地面溫度才提高0.7℃，空氣溫度基本沒有變化；當(dāng)填充層厚度為3cm時(shí)，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(dāng)?shù)孛嫣畛鋵雍穸葘訛?cm時(shí)，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(dāng)厚度降到5cm時(shí)，6-7h左右就達(dá)到了保溫狀態(tài)；當(dāng)厚度為3cm時(shí)，基本開啟5-6h就可以達(dá)到設(shè)定溫升為5℃的目標(biāo)。這是因?yàn)殡S著地面填充層厚度的增加，石墨烯電熱膜產(chǎn)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(shí)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(fā)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(xù)工作72h電熱膜的工作時(shí)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(xù)工作的72h內(nèi)，不同厚度填充層的石墨烯電熱膜工作基本都在19-21h內(nèi)，沒有太大的變化。這是因?yàn)樘畛鋵釉谑╇姛崮ど厦嫦喈?dāng)于一個(gè)蓄熱結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)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(shí)間也就會越長。

圖3 連續(xù)開啟72小時(shí)不同厚度填充層厚度電熱膜工作時(shí)間

通過以上分析可知，雖然填充層過厚會影響室內(nèi)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(shí)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(fèi)者來說，就可以通過減少填充層的厚度來達(dá)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(nèi)濕度達(dá)到70%-80%，濕度的影響對于室內(nèi)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(huán)境一樣的兩間房子，一間不做任何處理，一間用除濕機(jī)進(jìn)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(shí)通電升溫，測試地面溫度和空氣溫度變化，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 濕度對發(fā)熱地面溫升的影響

圖5 濕度對室內(nèi)溫度的影響

由圖4和圖5可知，室內(nèi)濕度對地面溫度和室內(nèi)空氣溫度的提升具有非常大的影響。當(dāng)室內(nèi)濕度在75%左右時(shí)，地面溫度和室內(nèi)濕度都提升的非常緩慢，開啟2個(gè)小時(shí)后地面溫度才提高3.9℃，室內(nèi)空氣溫度才提高0.4℃。而當(dāng)濕度降到45%左右時(shí)，2h后地面溫度和室內(nèi)空氣溫度分別達(dá)到了10.6℃和3.2℃。尤其在除濕前，通電8h后室內(nèi)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(yàn)感。之所以濕度對溫度的提升有這么大的影響，是因?yàn)樗谋葻崛荼容^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(dāng)空氣中濕度較大時(shí)，石墨烯電熱膜產(chǎn)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(shí)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(shí)，隨著濕度越來越低，電熱膜系統(tǒng)的升溫時(shí)間會越來越快，同時(shí)能耗也會逐步降低。

4 結(jié)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(dāng)其達(dá)到設(shè)定溫度后，電熱膜連續(xù)工作時(shí)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?yàn)樗谋葻崛荼容^大，其比熱容可達(dá)4200J/Kg·℃，因此濕度越大，升溫效率就會越慢。