电热膜辐射采暖的节能机理

发布时间：2021-09-27      发布人：总管理员

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电热膜是一种通电后能发热的半透明聚脂薄膜, 是由可导电的特制油墨和金属载流条或红外辐射涂料经印刷、热压于两层绝缘聚脂薄膜（PET）之间制成。


它以电力为能源, 以电热膜为发热体。当接通电源后, 电热膜主要以远红外辐射的形式散发热量。


和传统的散热器采暖方式相比，电热膜供暖系统不仅增加了用户的使用面积，减少维修量，解决了传统供暖方式所带来的污染严重、计量难、收费难等问题, 另外采暖效果好, 节能。现从以下几个方面介绍其节能机理。


2、电热膜的散热方式


理论上讲, 热量传递有三种基本方式: 热传导、热对流和热辐射。从技术上讲,  这三种方式一般情况下是不能截然分开的，热量传递是一种综合过程。某种供热方式为主就称其为该传热方式供暖。


根据国家标准 GB8623- 88 的规定, 红外辐射转换效率＞50% , 即红外辐射传递的能量过半, 而传导和对流方式传递能量之和＜ 50% 的产品才能称为远红外辐射产品。 


目前国内出现的电热膜其辐射率高, 在要求的使用温度下均能达到红外辐射产品的规定, 属于远红外辐射电热膜。普通电热膜的电-热辐射转化效率一般＜70%。


以热辐射为主的电热膜供暖中, 电热膜所散发的热量表达式为: 


式中：Q为电热膜的热量、E为电热膜的发射率、Rb为黑体辐射常数、T1为电热膜工作温度、T2为周边环境温度。


辐射采暖中热量与发射体温度的四次方呈比例, 而在对流采暖中这个比例较低, 即发热体的温度对辐射采暖的影响较大, 再者红外辐射电热膜的发射率E很高, 一般在 0.9左右, 说明辐射采暖中能量的转化率较高。


3、远红外电热膜辐射能量的传播过程


电热膜工作时所产生的红外辐射是电磁波的一部分, 它以光的速度传播到人体, 大部分被人体表面吸收, 只有少部分辐射透射入人体内部再被吸收。

辐射能的传播可以不依赖于空气介质, 而和人体直接发生作用。而且空气的主要成分O2 、N2 几乎不吸收红外波段能量, 空气只有在与热源和被加热体( 人体) 直接接触时, 才能接收一些能量。


这在现实中，多有生活体验，比如冬季我们站在室外，一旦太阳晒在身上，尽管室外温度并未发生大幅度改变，身体仍然会感觉到暖洋洋的。


辐射采暖消耗于空气的能量少, 能量利用率高, 采暖效果好。这与对流能的传播存在本质区别: 对流采暖依赖于中间介质（空气）, 靠近热的散热器表面的空气分子吸收热量, 温度升高, 运动增强, 在浮升力的作用下向空间的上部流动, 从而驱使冷空气流向散热器。


冷热空气如此往复流动, 使房间活动区内空气温度最终达到要求。冷热空气流动的特点决定房间上部的空气温度始终比人所在的活动区温度高, 增加了能量的浪费, 导致对流采暖中能量利用率相对较低, 采暖效果差。



4、人体的得热机理


不同的采暖方式, 人体及周围物体获得能量的方式也不同。对流采暖中, 他们主要以对流方式从被加热的空气中获得能量, 因此室内的空气温度总是比周围物体温度高。


而辐射采暖中, 主要以辐射方式从辐射源直接获得能量, 室内的空气温度总是比周围物体温度低。这也是辐射采暖节能的原因所在。


实验已经证明: 辐射热条件下的室温 16℃ , 相当于 18~ 20 ℃的对流环境。


辐射能量投射到人体时, 遵循可见光的规律: 部分被吸收, 部分被反射, 透射的为零。人体吸收比例越大, 即吸收率越大, 能量的利用率就越高。


人体对投射的能量进行选择性吸收（不同的光谱、波长其吸收率不同, 遵从匹配吸收原则）。


所谓匹配吸收原则可见下图，投射光谱Gλ1的辐射力峰值在短波长区, Gλ2的在长波长区, 物体的吸收率曲线为α, 它在长波长区中有较多的能量吸收。


所以, 在实际中, 希望投射辐射的能量尽量集中在物体较高的吸收光谱区中, 满足这一要求就称投射辐射光谱与物体吸收光谱匹配。


电热膜采暖中, 若电热膜辐射光谱和人体的吸收光谱匹配, 能很大程度地节约能源。达到光谱匹配, 一般采取两种方法。


一种是改变电热膜的工作温度,从而改变辐射源的发射光谱适应人体的吸收光谱。根据普朗克定律: 温度升高, 峰值波长向短波方向移动。


由于采暖的特殊性, 电热膜的工作温度一般在 40~ 60℃ , 最高不能超过 85℃ , 因此通过调节 工作温度达到光谱匹配受到一定的限制。


第二种是通过掺杂的方法改变电热膜发热涂料的辐射光谱而达到和人体的吸收光谱匹配。掺杂物质的分子振动频率影响吸收光谱, 而吸收光谱和其辐射光谱相关。


掺杂物质是双原子分子, 其原子质量越小、化学键的强度越大, 分子振动频率越高 。


如增加HF94-1 高红外发射涂料中填加剂的阳离子质量, 吸收峰位置向低波数方向移动。


掺杂的方法可取, 但要达到满意的光谱匹配有很大难度, 需要选择合适的掺杂元素, 而且掺杂比例很小的变化对辐射光谱有很大的影响。


某种程度上，电热膜的电热辐射转化效率（红外转化效率）的高低，反映电热膜导电浆料的配比的合理性以及材料的稳定性，节能性的优劣对比，具有参考意义。