實(shí)木地暖地板的導(dǎo)熱效能及其選用

孔繁旭，王艷偉，何嘯宇，孫龍祥，張子谷，方向正，葉家豪

(久盛地板有限公司，浙江 湖州 313009)

目前我國(guó)地板輻射采暖已廣泛應(yīng)用于家居生活，該采暖方式較其他傳統(tǒng)供暖方式，具有室內(nèi)占用空間小、溫度分布均勻等優(yōu)點(diǎn)。其中，作為地板輻射采暖系統(tǒng)換熱界面介質(zhì)之一，木質(zhì)地采暖地板相比瓷磚地面，具有自然美觀、腳感舒適的特性，深受消費(fèi)者喜愛(ài)[1]。

木質(zhì)地采暖地板導(dǎo)熱效能是表征地板傳熱效果的物理量。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地采暖用木質(zhì)地板》(LY/T 1700-2018)首次提出導(dǎo)熱效能并規(guī)定其測(cè)量方法，即在密閉腔體中恒定熱能從試件下表面?zhèn)鬟f至上表面溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，溫度變化與所用時(shí)間的比值?！皹?biāo)準(zhǔn)”中要求地采暖用木質(zhì)地板的導(dǎo)熱效能應(yīng)大于或等于8 ℃/h[2]。相比木材導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)側(cè)重于理論層面[3]，導(dǎo)熱效能是為測(cè)量地板產(chǎn)品傳熱效率、規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量而提出的，具有針對(duì)性，測(cè)量方法直觀，易被消費(fèi)者理解接受[4]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者、產(chǎn)品研發(fā)人員對(duì)木質(zhì)地采暖地板導(dǎo)熱效能的研究仍較少，多數(shù)研究?jī)?nèi)容主要集中在多種復(fù)合地板與電熱地板的導(dǎo)熱性能測(cè)試方面[5-6]，近些年對(duì)地板蓄熱性能也有相關(guān)研究，而對(duì)實(shí)木地暖地板的導(dǎo)熱效能卻鮮見(jiàn)提及。得益于鎖扣技術(shù)、熱處理技術(shù)的發(fā)展，使實(shí)木地板可應(yīng)用于地采暖環(huán)境，實(shí)木地暖地板尺寸穩(wěn)定性能夠滿(mǎn)足使用需要[7-9]。相比實(shí)木復(fù)合地板、強(qiáng)化地板，實(shí)木地暖地板雖然價(jià)格略高，但無(wú)甲醛及VOC釋放，綠色環(huán)保[10]，市場(chǎng)需求量較大。顧煉百等測(cè)量了熱處理后實(shí)木地板的導(dǎo)熱效能，認(rèn)為其值超過(guò)實(shí)木復(fù)合地板，說(shuō)明了實(shí)木地板在導(dǎo)熱性能上的優(yōu)越性[11]，然而該值是在房間混凝土地表鋪設(shè)不同種類(lèi)地板環(huán)境下測(cè)出的，沒(méi)有通過(guò)“標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)量，因此不利于實(shí)木地暖地板導(dǎo)熱效能的橫向比較。

鑒于此，本文以久盛地板有限公司生產(chǎn)的17種硬闊葉材樹(shù)種實(shí)木地暖地板產(chǎn)品為研究對(duì)象，根據(jù)LY/T 1700-2018木質(zhì)地采暖地板的導(dǎo)熱效能測(cè)量方法，測(cè)算17種樹(shù)種的導(dǎo)熱效能值，分析不同實(shí)木地暖地板導(dǎo)熱效能的差異性，其結(jié)果可為研究實(shí)木地暖地板的導(dǎo)熱性能提供借鑒，并有利于實(shí)木地暖地板的推廣使用。此外，通過(guò)k-means聚類(lèi)分析方法，以厚度、含水率、密度、導(dǎo)熱效能4個(gè)特征對(duì)17個(gè)樹(shù)種地板產(chǎn)品進(jìn)行類(lèi)別劃分，給出實(shí)木地暖地板產(chǎn)品的選用建議。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

(1)試驗(yàn)材料：紐墩豆、斯文漆、櫟木、印茄木等17種實(shí)木地暖地板產(chǎn)品來(lái)自于久盛地板有限公司，成品種類(lèi)之間的尺寸不完全相同，分別為900 mm×118 mm×17 mm、900 mm×120 mm×20 mm等。試驗(yàn)時(shí)在每種產(chǎn)品中隨機(jī)抽取2片地板，共34片地板，制取地板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定試樣。經(jīng)測(cè)算，地板樣品厚度分布于16～20 mm之間，含水率介于8%～13%之間。

(2)試驗(yàn)設(shè)備：地板導(dǎo)熱規(guī)律分析儀，上海京閣儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，精度±1 ℃，上海錦屏儀器儀表有限公司生產(chǎn)；電子天平，精度0.001 g，常熟市雙杰測(cè)試儀器廠生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)木地暖地板含水率、密度和導(dǎo)熱效能測(cè)定

木材的含水率、密度都對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)有較大的影響[12]，進(jìn)而影響地板的導(dǎo)熱效能。在鋸解地板樣品制成尺寸為100 mm×60 mm×(地板加工厚度16～20 mm)(長(zhǎng)×寬×厚)導(dǎo)熱效能檢測(cè)試樣的同時(shí)，制取含水率及密度檢測(cè)試樣，分別依據(jù)GB/T 1931-2009《木材含水率測(cè)定方法》及GB/T 1933-2009《木材密度測(cè)定方法》對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。地板導(dǎo)熱效能依據(jù)LY/T 1700-2018《地采暖用木質(zhì)地板》中小節(jié)6.2.6“導(dǎo)熱效能檢驗(yàn)”方法進(jìn)行。測(cè)試完成后，保存地板導(dǎo)熱規(guī)律分析儀中上、下腔升溫過(guò)程的溫度數(shù)據(jù)，并計(jì)算各地板檢測(cè)試樣的導(dǎo)熱效能。

1.2.2 k-means聚類(lèi)分析方法

聚類(lèi)是針對(duì)給定樣本，依據(jù)其特征的相似度或距離，將其歸并到若干個(gè)“類(lèi)”或“簇”的數(shù)據(jù)分析方法，目的是使類(lèi)別內(nèi)部樣本具有高同質(zhì)性，類(lèi)別之間樣本則具有高異質(zhì)性。k-means算法作為常用的聚類(lèi)方法，以式(1)歐式距離平方d(xi，xj)表示樣本或樣本與類(lèi)中心的距離或相似度，以中心或樣本的均值表示類(lèi)別，確定類(lèi)別數(shù)k，之后進(jìn)行迭代求解以使式(2)中W(C)最小化。

(1)

式中：m為樣本集合中樣本的特征個(gè)數(shù)；xki或xkj為樣本集合中第i或j個(gè)樣本的第k個(gè)特征；xi或xj為樣本集合中第i或j個(gè)樣本向量。

(2)

上述公式及算法的迭代計(jì)算過(guò)程可參考相關(guān)資料[13]。本文通過(guò)SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行k-means聚類(lèi)分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 17種實(shí)木地暖地板的導(dǎo)熱效能

圖1所示為17種實(shí)木地暖地板試樣試驗(yàn)檢測(cè)中設(shè)備上下腔的溫度穩(wěn)定曲線(xiàn)。每種樹(shù)種的溫度值由4個(gè)溫度值計(jì)算均值得出，即分別將上腔兩個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)、下腔兩個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的溫度取均值。圖1中各試樣測(cè)定過(guò)程中設(shè)備內(nèi)部下腔溫度在0.5 h內(nèi)以相同的升溫速度升至70 ℃并穩(wěn)定在該溫度，上腔溫度以初始溫度20 ℃左右緩慢升溫并穩(wěn)定，其中，圓盤(pán)豆試樣以平均導(dǎo)熱效能11.52 ℃/h的速度升溫并穩(wěn)定在平均溫度56.56 ℃，紐墩豆試樣以平均導(dǎo)熱效能10.59 ℃/h的速度升溫并穩(wěn)定在平均溫度55.51 ℃，兩者導(dǎo)熱效能為17種地板樣品中的最高值與最低值，其差值僅約1 ℃/h。當(dāng)這些地板產(chǎn)品在家庭地采暖環(huán)境中使用，房間內(nèi)的升溫效果帶來(lái)的體感差異可以忽略。

試驗(yàn)測(cè)定17種實(shí)木地暖地板的厚度、含水率、密度、導(dǎo)熱效能值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差見(jiàn)表1。由于不同產(chǎn)品的表面油漆工藝、厚度尺寸、熱處理工藝等都不盡相同，經(jīng)干燥、平衡、熱處理、涂裝后含水率存在差異，地板導(dǎo)熱效能也不相同。此外，導(dǎo)熱效能也受木材導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、比熱容等內(nèi)在性質(zhì)的多方面綜合影響，若深入探討每個(gè)因素對(duì)地板導(dǎo)熱效能影響較復(fù)雜，本文將每種產(chǎn)品作為一個(gè)因素水平，共17個(gè)水平，因此厚度、含水率、密度等其他影響因素已經(jīng)包含在內(nèi)，共同決定地板的導(dǎo)熱效能。

圖1 17種實(shí)木地暖地板樣品升溫穩(wěn)定過(guò)程

表1 17種實(shí)木地暖地板的導(dǎo)熱效能

17種實(shí)木地暖地板的單因素方差分析結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，產(chǎn)品在厚度16～20 mm、含水率8%～13%、密度0.5～0.9 g/cm3范圍內(nèi)，不同樹(shù)種的實(shí)木地暖地板產(chǎn)品導(dǎo)熱效能并無(wú)顯著差異(顯著性P=0.488>0.05)，導(dǎo)熱效能都大于10 ℃/h，明顯高于“標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的≥8 ℃/h，也明顯高于文獻(xiàn)中記錄的竹木復(fù)合地板導(dǎo)熱效能(8～10 ℃/h)、導(dǎo)熱膜發(fā)熱地?zé)岬匕錥14]及實(shí)木復(fù)合地板導(dǎo)熱效能[15]。

表2 17種實(shí)木地暖地板導(dǎo)熱效能的單因素方差分析

2.2 17種實(shí)木地暖地板的聚類(lèi)分析

利用SPSS軟件按照k-means方法對(duì)測(cè)定的17種實(shí)木地暖地板樣品的厚度、含水率、密度、導(dǎo)熱效能等特征進(jìn)行聚類(lèi)分析，根據(jù)分類(lèi)原則，即距離遠(yuǎn)近來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行分類(lèi)。地板樣品聚類(lèi)后的結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3，所有參試樣品分別歸入3大類(lèi)群，第1類(lèi)有6個(gè)材種，占全部參試品種的35%；第2類(lèi)有4個(gè)材種，占全部參試材種的24%；第3類(lèi)有7個(gè)材種，占全部參試材種的41%。

17種實(shí)木地暖地板樣品特征的聚類(lèi)表現(xiàn)如圖2所示，3類(lèi)實(shí)木地暖地板類(lèi)別內(nèi)特征的平均值見(jiàn)表4。

表3 基于k-means方法的17種實(shí)木地暖地板的聚類(lèi)結(jié)果

圖2 17種實(shí)木地暖地板樣品特征的聚類(lèi)分布表現(xiàn)

表4 3類(lèi)實(shí)木地暖地板類(lèi)別內(nèi)特征的平均值

第1類(lèi)地板平均厚度16.81 mm、平均含水率11.63%、平均密度0.66 g/cm3、平均導(dǎo)熱效能11.00 ℃/h，其特點(diǎn)是地板厚度較薄，含水率偏高，密度適中。對(duì)于該類(lèi)地板而言，地板厚度薄，不僅有利于節(jié)省木材，對(duì)室內(nèi)升溫速率也有一定促進(jìn)作用。地板含水率與其使用過(guò)程中的穩(wěn)定性關(guān)系密切，含水率偏高不利于其在北方使用，如類(lèi)別內(nèi)西非蘇木材種地板含水率達(dá)到13.86%。

第2類(lèi)地板平均厚度19.76 mm、平均含水率10.27%、平均密度0.65 g/cm3、平均導(dǎo)熱效能11.15 ℃/h，其特點(diǎn)是地板厚度較厚，含水率適中，除山核桃外密度偏低。對(duì)于該類(lèi)地板而言，地板較厚，人心理上往往對(duì)其耐壓、耐刮擦等性能放心，因此消費(fèi)者傾向于購(gòu)買(mǎi)厚度18 mm以上的地板。聚類(lèi)算法將山核桃歸入密度相對(duì)偏低的黑核桃、樸木、櫻桃木類(lèi)，一方面由于試驗(yàn)中樹(shù)種較少，樹(shù)種產(chǎn)品特征之間的距離可能較遠(yuǎn)；另一方面試驗(yàn)樣本數(shù)量不夠多，得出的結(jié)果存在一定誤差。

第3類(lèi)地板平均厚度17.25 mm、平均含水率9.27 %、平均密度0.67 g/cm3、平均導(dǎo)熱效能11.10 ℃/h，其特點(diǎn)是地板厚度適中，含水率較低，密度適中。

3 結(jié)論

本文測(cè)定的17種實(shí)木地暖地板產(chǎn)品的導(dǎo)熱效能并無(wú)明顯差異，其值均大于10 ℃/h，明顯高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1700-2018規(guī)定的 大于或等于8 ℃/h，意味著消費(fèi)者在選用這些產(chǎn)品時(shí)，無(wú)需考慮實(shí)木地暖地板的導(dǎo)熱特性；對(duì)比已有研究中記錄的非實(shí)木地暖地板產(chǎn)品導(dǎo)熱效能，認(rèn)為實(shí)木地暖地板導(dǎo)熱具有優(yōu)越性。

此外，通過(guò)k-means方法，使用17種實(shí)木地暖地板產(chǎn)品的厚度、含水率、密度、導(dǎo)熱效能等4個(gè)特征將這些地板產(chǎn)品歸入3類(lèi)。不同類(lèi)別地板產(chǎn)品具有不同的特性，可為消費(fèi)者選用產(chǎn)品時(shí)提供參考。

實(shí)木地暖地板選用時(shí)應(yīng)考慮個(gè)人所需，較高密度和硬度的產(chǎn)品如圓盤(pán)豆、山核桃地板等，腳感過(guò)硬，不建議老人和孩子使用。對(duì)生產(chǎn)企業(yè)而言，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注加工過(guò)程中干燥平衡、養(yǎng)生及其尺寸穩(wěn)定性改善方法等，避免地板在地暖環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間使用后產(chǎn)生問(wèn)題。