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关于实木地暖地板的导热效能研究

2020-09-14 433 上传者：管理员

摘要：依据LY/T1700-2018中木质地采暖地板的导热效能测量方法,测算久盛地板有限公司生产的17种实木地暖地板产品的导热效能,分析不同产品之间导热效能的差异性;使用k-means算法,以地板厚度、含水率、密度和导热效能4个指标作为样本特征对其进行聚类分析。结果显示,试验所测实木地暖地板产品间导热效能无明显差异,都大于10℃/h,实木地板作采暖地面的铺装材料,导热方面具有优势;地板产品经聚类后划分为3类,类别内具有相似特性,类别间具有不同特性,可为其选用提供参考。

关键词：
实木地暖地板
导热
导热效能
木材加工工业
聚类分析
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目前我国地板辐射采暖已广泛应用于家居生活,该采暖方式较其他传统供暖方式,具有室内占用空间小、温度分布均匀等优点。其中,作为地板辐射采暖系统换热界面介质之一,木质地采暖地板相比瓷砖地面,具有自然美观、脚感舒适的特性,深受消费者喜爱[1]1]。

木质地采暖地板导热效能是表征地板传热效果的物理量。行业标准《地采暖用木质地板》(LY/T1700-2018)首次提出导热效能并规定其测量方法,即在密闭腔体中恒定热能从试件下表面传递至上表面温度达到稳定时,温度变化与所用时间的比值。“标准”中要求地采暖用木质地板的导热效能应大于或等于8℃/h[2]2]。相比木材导热系数、导温系数侧重于理论层面[3]3],导热效能是为测量地板产品传热效率、规范产品质量而提出的,具有针对性,测量方法直观,易被消费者理解接受[4]4]。目前,国内学者、产品研发人员对木质地采暖地板导热效能的研究仍较少,多数研究内容主要集中在多种复合地板与电热地板的导热性能测试方面[5,6]5-6],近些年对地板蓄热性能也有相关研究,而对实木地暖地板的导热效能却鲜见提及。得益于锁扣技术、热处理技术的发展,使实木地板可应用于地采暖环境,实木地暖地板尺寸稳定性能够满足使用需要[7,8,9]7-9]。相比实木复合地板、强化地板,实木地暖地板虽然价格略高,但无甲醛及VOC释放,绿色环保[10]10],市场需求量较大。顾炼百等测量了热处理后实木地板的导热效能,认为其值超过实木复合地板,说明了实木地板在导热性能上的优越性[11]11],然而该值是在房间混凝土地表铺设不同种类地板环境下测出的,没有通过“标准”规定的方法进行测量,因此不利于实木地暖地板导热效能的横向比较。

鉴于此,本文以久盛地板有限公司生产的17种硬阔叶材树种实木地暖地板产品为研究对象,根据LY/T1700-2018木质地采暖地板的导热效能测量方法,测算17种树种的导热效能值,分析不同实木地暖地板导热效能的差异性,其结果可为研究实木地暖地板的导热性能提供借鉴,并有利于实木地暖地板的推广使用。此外,通过k-means聚类分析方法,以厚度、含水率、密度、导热效能4个特征对17个树种地板产品进行类别划分,给出实木地暖地板产品的选用建议。

1、试验材料与方法

1.1试验材料与设备

(1)试验材料:

纽墩豆、斯文漆、栎木、印茄木等17种实木地暖地板产品来自于久盛地板有限公司,成品种类之间的尺寸不完全相同,分别为900mm×118mm×17mm、900mm×120mm×20mm等。试验时在每种产品中随机抽取2片地板,共34片地板,制取地板导热系数测定试样。经测算,地板样品厚度分布于16～20mm之间,含水率介于8%～13%之间。

(2)试验设备:

地板导热规律分析仪,上海京阁仪器设备有限公司生产;电热恒温鼓风干燥箱,精度±1℃,上海锦屏仪器仪表有限公司生产;电子天平,精度0.001g,常熟市双杰测试仪器厂生产。

1.2试验方法

1.2.1实木地暖地板含水率、密度和导热效能测定

木材的含水率、密度都对其导热系数、导温系数有较大的影响[12],进而影响地板的导热效能。在锯解地板样品制成尺寸为100mm×60mm×(地板加工厚度16～20mm)(长×宽×厚)导热效能检测试样的同时,制取含水率及密度检测试样,分别依据GB/T1931-2009《木材含水率测定方法》及GB/T1933-2009《木材密度测定方法》对其进行检测。地板导热效能依据LY/T1700-2018《地采暖用木质地板》中小节6.2.6“导热效能检验”方法进行。测试完成后,保存地板导热规律分析仪中上、下腔升温过程的温度数据,并计算各地板检测试样的导热效能。

1.2.2k-means聚类分析方法

聚类是针对给定样本,依据其特征的相似度或距离,将其归并到若干个“类”或“簇”的数据分析方法,目的是使类别内部样本具有高同质性,类别之间样本则具有高异质性。k-means算法作为常用的聚类方法,以式(1)欧式距离平方d(xi,xj)表示样本或样本与类中心的距离或相似度,以中心或样本的均值表示类别,确定类别数k,之后进行迭代求解以使式(2)中W(C)最小化。

d(xi,xj)=∑k=1m(xki-xkj)2=∥xi-xj∥2(1)

式中:m为样本集合中样本的特征个数;xki或xkj为样本集合中第i或j个样本的第k个特征;xi或xj为样本集合中第i或j个样本向量。

W(C)=∑l=1k∑C(i)=l∥xi-x¯l∥2(2)

式中:x¯l=(x¯1l,x¯2l,⋯,x¯ml)Τ,第l类的均值或中心;C(i)=1,第i个样本经函数C划分或聚类到第l类。

上述公式及算法的迭代计算过程可参考相关资料[13]。本文通过SPSS统计分析软件对试验数据进行k-means聚类分析。

2、试验结果与讨论

2.117种实木地暖地板的导热效能

图1所示为17种实木地暖地板试样试验检测中设备上下腔的温度稳定曲线。每种树种的温度值由4个温度值计算均值得出,即分别将上腔两个温度测点、下腔两个温度测点的温度取均值。图1中各试样测定过程中设备内部下腔温度在0.5h内以相同的升温速度升至70℃并稳定在该温度,上腔温度以初始温度20℃左右缓慢升温并稳定,其中,圆盘豆试样以平均导热效能11.52℃/h的速度升温并稳定在平均温度56.56℃,纽墩豆试样以平均导热效能10.59℃/h的速度升温并稳定在平均温度55.51℃,两者导热效能为17种地板样品中的最高值与最低值,其差值仅约1℃/h。当这些地板产品在家庭地采暖环境中使用,房间内的升温效果带来的体感差异可以忽略。

试验测定17种实木地暖地板的厚度、含水率、密度、导热效能值及其标准偏差见表1。由于不同产品的表面油漆工艺、厚度尺寸、热处理工艺等都不尽相同,经干燥、平衡、热处理、涂装后含水率存在差异,地板导热效能也不相同。此外,导热效能也受木材导热系数、导温系数、比热容等内在性质的多方面综合影响,若深入探讨每个因素对地板导热效能影响较复杂,本文将每种产品作为一个因素水平,共17个水平,因此厚度、含水率、密度等其他影响因素已经包含在内,共同决定地板的导热效能。

图117种实木地暖地板样品升温稳定过程

17种实木地暖地板的单因素方差分析结果见表2。由表2可知,产品在厚度16～20mm、含水率8%～13%、密度0.5～0.9g/cm3范围内,不同树种的实木地暖地板产品导热效能并无显著差异(显著性P=0.488>0.05),导热效能都大于10℃/h,明显高于“标准”规定的≥8℃/h,也明显高于文献中记录的竹木复合地板导热效能(8～10℃/h)、导热膜发热地热地板[14]14]及实木复合地板导热效能[15]15]。

表217种实木地暖地板导热效能的单因素方差分析

2.217种实木地暖地板的聚类分析

利用SPSS软件按照k-means方法对测定的17种实木地暖地板样品的厚度、含水率、密度、导热效能等特征进行聚类分析,根据分类原则,即距离远近来对样品进行分类。地板样品聚类后的结果统计见表3,所有参试样品分别归入3大类群,第1类有6个材种,占全部参试品种的35%;第2类有4个材种,占全部参试材种的24%;第3类有7个材种,占全部参试材种的41%。

17种实木地暖地板样品特征的聚类表现如图2所示,3类实木地暖地板类别内特征的平均值见表4。

表3基于k-means方法的17种实木地暖地板的聚类结果

第1类地板平均厚度16.81mm、平均含水率11.63%、平均密度0.66g/cm3、平均导热效能11.00℃/h,其特点是地板厚度较薄,含水率偏高,密度适中。对于该类地板而言,地板厚度薄,不仅有利于节省木材,对室内升温速率也有一定促进作用。地板含水率与其使用过程中的稳定性关系密切,含水率偏高不利于其在北方使用,如类别内西非苏木材种地板含水率达到13.86%。

第2类地板平均厚度19.76mm、平均含水率10.27%、平均密度0.65g/cm3、平均导热效能11.15℃/h,其特点是地板厚度较厚,含水率适中,除山核桃外密度偏低。对于该类地板而言,地板较厚,人心理上往往对其耐压、耐刮擦等性能放心,因此消费者倾向于购买厚度18mm以上的地板。聚类算法将山核桃归入密度相对偏低的黑核桃、朴木、樱桃木类,一方面由于试验中树种较少,树种产品特征之间的距离可能较远;另一方面试验样本数量不够多,得出的结果存在一定误差。

第3类地板平均厚度17.25mm、平均含水率9.27%、平均密度0.67g/cm3、平均导热效能11.10℃/h,其特点是地板厚度适中,含水率较低,密度适中。

3、结论

本文测定的17种实木地暖地板产品的导热效能并无明显差异,其值均大于10℃/h,明显高于行业标准LY/T1700-2018规定的大于或等于8℃/h,意味着消费者在选用这些产品时,无需考虑实木地暖地板的导热特性;对比已有研究中记录的非实木地暖地板产品导热效能,认为实木地暖地板导热具有优越性。

此外,通过k-means方法,使用17种实木地暖地板产品的厚度、含水率、密度、导热效能等4个特征将这些地板产品归入3类。不同类别地板产品具有不同的特性,可为消费者选用产品时提供参考。

实木地暖地板选用时应考虑个人所需,较高密度和硬度的产品如圆盘豆、山核桃地板等,脚感过硬,不建议老人和孩子使用。对生产企业而言,应重点关注加工过程中干燥平衡、养生及其尺寸稳定性改善方法等,避免地板在地暖环境中长时间使用后产生问题。

参考文献:

[1]周世玉,杜光月,褚鑫,等.地采暖木地板释热温度场的BP神经网络预测[J].林业科学,2018,54(11):161-166.

[2]全国人造板标准化技术委员会.LY/T1700-2018,地采暖用木质地板[S].北京:中国标准出版社,2007.

[3]赵景尧,付宗营,宦思琪,等.有限差分法逆求木材导热系数[J].林业科学,2015(4):137-143.

[4]张连滨,徐晨,董林正,等.地采暖地板检测仪器设计与研究[J].制造业自动化,2017(10):60-62+118.

[5]江涛.地采暖用竹木复合地板相关性能研究[D].北京:北京林业大学,2009.

[6]周玉成,侯晓鹏,韩宁,等.实木复合地板导热性能的检测及建模方法[J].木材工业,2007,21(4):9-11.