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)

目前我國地板輻射采暖已廣泛應用于家居生活，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。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，深受消費者喜愛[1]。

木質(zhì)地采暖地板導熱效能是表征地板傳熱效果的物理量。行業(yè)標準《地采暖用木質(zhì)地板》(LY/T 1700-2018)首次提出導熱效能并規(guī)定其測量方法，即在密閉腔體中恒定熱能從試件下表面?zhèn)鬟f至上表面溫度達到穩(wěn)定時，溫度變化與所用時間的比值。“標準”中要求地采暖用木質(zhì)地板的導熱效能應大于或等于8 ℃/h[2]。相比木材導熱系數(shù)、導溫系數(shù)側重于理論層面[3]，導熱效能是為測量地板產(chǎn)品傳熱效率、規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量而提出的，具有針對性，測量方法直觀，易被消費者理解接受[4]。目前，國內(nèi)學者、產(chǎn)品研發(fā)人員對木質(zhì)地采暖地板導熱效能的研究仍較少，多數(shù)研究內(nèi)容主要集中在多種復合地板與電熱地板的導熱性能測試方面[5-6]，近些年對地板蓄熱性能也有相關研究，而對實木地暖地板的導熱效能卻鮮見提及。得益于鎖扣技術、熱處理技術的發(fā)展，使實木地板可應用于地采暖環(huán)境，實木地暖地板尺寸穩(wěn)定性能夠滿足使用需要[7-9]。相比實木復合地板、強化地板，實木地暖地板雖然價格略高，但無甲醛及VOC釋放，綠色環(huán)保[10]，市場需求量較大。顧煉百等測量了熱處理后實木地板的導熱效能，認為其值超過實木復合地板，說明了實木地板在導熱性能上的優(yōu)越性[11]，然而該值是在房間混凝土地表鋪設不同種類地板環(huán)境下測出的，沒有通過“標準”規(guī)定的方法進行測量，因此不利于實木地暖地板導熱效能的橫向比較。

鑒于此，本文以久盛地板有限公司生產(chǎn)的17種硬闊葉材樹種實木地暖地板產(chǎn)品為研究對象，根據(jù)LY/T 1700-2018木質(zhì)地采暖地板的導熱效能測量方法，測算17種樹種的導熱效能值，分析不同實木地暖地板導熱效能的差異性，其結果可為研究實木地暖地板的導熱性能提供借鑒，并有利于實木地暖地板的推廣使用。此外，通過k-means聚類分析方法，以厚度、含水率、密度、導熱效能4個特征對17個樹種地板產(chǎn)品進行類別劃分，給出實木地暖地板產(chǎn)品的選用建議。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與設備

(1)試驗材料：紐墩豆、斯文漆、櫟木、印茄木等17種實木地暖地板產(chǎn)品來自于久盛地板有限公司，成品種類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。試驗時在每種產(chǎn)品中隨機抽取2片地板，共34片地板，制取地板導熱系數(shù)測定試樣。經(jīng)測算，地板樣品厚度分布于16～20 mm之間，含水率介于8%～13%之間。

(2)試驗設備：地板導熱規(guī)律分析儀，上海京閣儀器設備有限公司生產(chǎn)；電熱恒溫鼓風干燥箱，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，常熟市雙杰測試儀器廠生產(chǎn)。

1.2 試驗方法

1.2.1 實木地暖地板含水率、密度和導熱效能測定

木材的含水率、密度都對其導熱系數(shù)、導溫系數(shù)有較大的影響[12]，進而影響地板的導熱效能。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×寬×厚)導熱效能檢測試樣的同時，制取含水率及密度檢測試樣，分別依據(jù)GB/T 1931-2009《木材含水率測定方法》及GB/T 1933-2009《木材密度測定方法》對其進行檢測。地板導熱效能依據(jù)LY/T 1700-2018《地采暖用木質(zhì)地板》中小節(jié)6.2.6“導熱效能檢驗”方法進行。測試完成后，保存地板導熱規(guī)律分析儀中上、下腔升溫過程的溫度數(shù)據(jù)，并計算各地板檢測試樣的導熱效能。

1.2.2 k-means聚類分析方法

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

(1)

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

(2)

上述公式及算法的迭代計算過程可參考相關資料[13]。本文通過SPSS統(tǒng)計分析軟件對試驗數(shù)據(jù)進行k-means聚類分析。

2 試驗結果與討論

2.1 17種實木地暖地板的導熱效能

圖1所示為17種實木地暖地板試樣試驗檢測中設備上下腔的溫度穩(wěn)定曲線。每種樹種的溫度值由4個溫度值計算均值得出，即分別將上腔兩個溫度測點、下腔兩個溫度測點的溫度取均值。圖1中各試樣測定過程中設備內(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，圓盤豆試樣以平均導熱效能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)的升溫效果帶來的體感差異可以忽略。

試驗測定17種實木地暖地板的厚度、含水率、密度、導熱效能值及其標準偏差見表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，地板導熱效能也不相同。此外，導熱效能也受木材導熱系數(shù)、導溫系數(shù)、比熱容等內(nèi)在性質(zhì)的多方面綜合影響，若深入探討每個因素對地板導熱效能影響較復雜，本文將每種產(chǎn)品作為一個因素水平，共17個水平，因此厚度、含水率、密度等其他影響因素已經(jīng)包含在內(nèi)，共同決定地板的導熱效能。

圖1 17種實木地暖地板樣品升溫穩(wěn)定過程

表1 17種實木地暖地板的導熱效能

17種實木地暖地板的單因素方差分析結果見表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)，不同樹種的實木地暖地板產(chǎn)品導熱效能并無顯著差異(顯著性P=0.488>0.05)，導熱效能都大于10 ℃/h，明顯高于“標準”規(guī)定的≥8 ℃/h，也明顯高于文獻中記錄的竹木復合地板導熱效能(8～10 ℃/h)、導熱膜發(fā)熱地熱地板[14]及實木復合地板導熱效能[15]。

表2 17種實木地暖地板導熱效能的單因素方差分析

2.2 17種實木地暖地板的聚類分析

利用SPSS軟件按照k-means方法對測定的17種實木地暖地板樣品的厚度、含水率、密度、導熱效能等特征進行聚類分析，根據(jù)分類原則，即距離遠近來對樣品進行分類。地板樣品聚類后的結果統(tǒng)計見表3，所有參試樣品分別歸入3大類群，第1類有6個材種，占全部參試品種的35%；第2類有4個材種，占全部參試材種的24%；第3類有7個材種，占全部參試材種的41%。

17種實木地暖地板樣品特征的聚類表現(xiàn)如圖2所示，3類實木地暖地板類別內(nèi)特征的平均值見表4。

表3 基于k-means方法的17種實木地暖地板的聚類結果

圖2 17種實木地暖地板樣品特征的聚類分布表現(xiàn)

表4 3類實木地暖地板類別內(nèi)特征的平均值

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

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

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

3 結論

本文測定的17種實木地暖地板產(chǎn)品的導熱效能并無明顯差異，其值均大于10 ℃/h，明顯高于行業(yè)標準LY/T 1700-2018規(guī)定的 大于或等于8 ℃/h，意味著消費者在選用這些產(chǎn)品時，無需考慮實木地暖地板的導熱特性；對比已有研究中記錄的非實木地暖地板產(chǎn)品導熱效能，認為實木地暖地板導熱具有優(yōu)越性。

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

實木地暖地板選用時應考慮個人所需，較高密度和硬度的產(chǎn)品如圓盤豆、山核桃地板等，腳感過硬，不建議老人和孩子使用。對生產(chǎn)企業(yè)而言，應重點關注加工過程中干燥平衡、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)境中長時間使用后產(chǎn)生問題。