近年来，随着人们生活水平不断提高，木质板材广泛应用于人们生活的各个方面，尤其是实木地采暖地板，越来越多地应用到办公、居家、公共场所等环境中(孙宇，2008)。与传统壁挂金属采暖设施相比，实木地板采暖具有热辐射性能优良、高效节能、节约空间、清洁卫生等特点(董旭娟，2016)。在欧洲很多国家，新建住宅中实木地采暖地板的使用率达到50%以上，日本、韩国等亚洲国家，实木地板采暖已成为最受欢迎的采暖方式(Yeo et al., 2003)；我国北方大部分地区处于北温带，对实木地采暖地板的消费量也是十分巨大。

蓄热性能是实木地采暖地板热物理性能的重要指标之一，体现了地板的热储存和热释放能力。目前，国内外学者对实木地采暖地板的导热性能研究较多(林铭等，2013；赵景尧等，2014；Gu et al., 2005；Vay et al., 2013)，鲜见对其蓄热性能的报道。Siau等(1970)将木材内部管胞排列看成电阻的串并连，在此基础上建立了导热模型，但这种方法只能计算出纵向导热规律，而忽略了侧向热传递。Wang等(2014)对不同参数(管道间距、填充层厚度等)下地板释热规律进行研究，得出了相关参数与地板储热和释热的关系，Lu等(2018)开展相变材料蓄/放热对采暖地板热传递的研究，得出了相变材料下木地板热量存储和释放的规律；但其研究均是在热源与木地板构成的整体地板采暖方式之间进行的，并没有考量采暖地板本身的蓄热性能。此外，现有关于蓄热性能的研究多针对潜热型和化学反应储能等均质材料进行，通常采用水浴法(张奕等，2008)采集相变前后及化学反应前后的能量释放量，即将被测材料置于具有一定温度的水浴室中，当被测材料温度与水的温度达到平衡时，根据前后的温度差计算出被测材料的蓄热性能。实木地采暖地板是非均质材料，内部由管胞、导管、木纤维、轴向薄壁组织和木射线组成，且各向异性，如果采用水浴法测量其蓄热性能，当将测试件放入水中时，试件内部孔洞会吸水膨胀形成阻热层，内部热量不能完全释放到水中，导致测量结果不准确。因此，寻找一种准确、适用的检测方法和检测技术，以准确检测实木地采暖地板的蓄热性能，成为地采暖地板行业急需解决的问题。

鉴于此，本研究提出一种基于密闭绝热腔体的实木地采暖地板蓄热性能检测方法，并开发了采暖地板蓄热性能检测装置，以期为我国地采暖地板行业产品标准化提供借鉴。

1 地板蓄热性能检测方法

材料蓄热的本质在于其可将一定形式的热量在特定条件下贮存起来，并能在特定条件下加以释放和利用，可以实现能量供应与人们需求一致性的目的(冯国会等，2011；丁理峰等，2011)。本研究基于这一属性提出了一种基于密闭绝热双腔体结构的检测方法，并建立了蓄热性能规律模型。

1.1 密闭绝热腔体构建

对于地板蓄热性能的检测，首先需构建密闭绝热腔体检测环境。将密闭绝热腔体空间均匀分成L层，每层分为M×N个小空间区域，每个小空间内安装温度传感器。设定腔体初始温度为T₀，将加热到一定温度T_e(T_e > T₀)的实木板材试件(长×宽×高为a×b×c，cm)置于密闭绝热腔体中作为热源向外释放热量。试件温度逐渐降低，腔体内空气及腔体侧壁等温度逐渐升高，当达到平衡状态时，温度传感器检测出试验前后每个小空间内温度变化情况。根据每个小空间的体积、空气体积比热容及试验前后的温度差计算出每个小空间内空气所吸收的热量，再将L×M×N个小空间区域空气吸收的热量累加，即可得出密闭空间吸收的总热量。

1.2 模型建立 1.2.1 笛卡尔直角坐标系建立

密闭绝热腔体内部安装多个温度传感器，根据上述对于空间区域的划分，这些传感器构成了传感器阵列群。研究中需明确出这些传感器的位置关系，因此对密闭绝热空间建立笛卡尔直角坐标系，如图 1所示。

密闭绝热空间直角坐标系的建立，可精准标注出空间中试件的位置及每个温度传感器的位置，同时将空间中的各个点赋予温度属性。图 1中，中间虚线方块部分为被测样品试件位置。

1.2.2 蓄热性能计算

在密闭绝热腔体内，试件与空气的热交换大部分为导热、自然对流和辐射(杨世铭，1998)，试件释放出的热量通过这3种方式使腔体内空气温度逐渐升高，最终达到平衡状态。根据比热容公式可得：

$ {Q_{i,j,k}} = V \times {\rho _{\rm{a}}} \times {C_{\rm{a}}}({t_{i,j,k}} - {t'_{i,j,k}}) 。$

(1)

式中：V为第i层第j行第k列的小空间体积；ρ_a为空气密度；C_a空为空气比热容；t_{i, j, k}、t′ _{i, j, k}分别为检测前后空间的温度。

将腔体内所有小空间吸收的热量进行累加，即得出试验前后空间中所有空气吸收的总热量Q₁：

$ {Q_1} = V \times {\rho _{\rm{a}}} \times {C_{\rm{a}}} \times \sum\limits_{i = 1}^L {\sum\limits_{j = 1}^N {\sum\limits_{k = 1}^M {\left({{t_{i, j, k}} - {{t'}_{i, j, k}}} \right)} } } 。$

(2)

将各项吸收的热量求和，得出总的热吸收量Q：

$ Q = {Q_1} + {Q_2} + {Q_3} + \delta 。$

(3)

式中：Q₁为腔体内空气吸收的热量；Q₂为侧壁吸收的热量；Q₃为试件托盘所吸收的热量；δ为补偿值，由经验获得。

样品试件的蓄热性能为：

$ {E_Q} = \frac{Q}{{a \times b \times c \times \rho \times \Delta t}}。$

(4)

式中：ρ为样品试件密度；Δt为试验前后的温度变化。

2 双腔体设计及初始检测条件设定 2.1 密闭绝热双腔体结构

采用密闭绝热腔体测量地采暖地板的蓄热性能，需要密闭腔体20 ℃的初始条件，且密闭腔体内不允许放置加热和制冷部件。本研究设计一套密闭绝热双腔体结构装置，上腔体为检测室，由传感器阵列、进气管、气泵和楔形门组成；下腔体为辅助机构，由制冷、加热机构组成，用于调节下腔体温度。

当将检测温度设定到某个初始值时，控制器控制制冷与加热联合动作，使下腔体保持恒定温度，上腔体与下腔体连接的楔形门打开，作为空气回路。气泵开启，将下腔体调制好的恒定温度气体通过循环气泵输送到上腔体。上腔体进气口具有倾斜角度，使送入的空气螺旋式下沉，起到搅拌上腔体温度的作用，使上腔体空气温度均匀，并通过楔形门作为回路，从而使上腔体温度达到预设的初始温度。密闭绝热双腔体结构如图 2所示。

2.2 传感器阵列群

为准确把握试件在密闭绝热腔体内释放热量的情况，将密闭绝热腔体分为6层，每层有5×5个单位空间。每个单位空间中安装温度传感器，记录试件实时释放热量的温度。6×5×5个单位空间共放置150个温度传感器，形成密闭绝热腔体内单位空间划分的传感器阵列群，其中75个传感器在试件上方，75个传感器在试件下方。

试件上方的传感器群通过单总线分别与控制器B的P0(P0.0—P0.7)、P1(P1.0—P1.7)、P2(P2.0—P2.7)数字量端口连接，控制器B通过RS232总线与上位机计算机连接；试件下方的传感器群通过单总线分别与控制器A的P0(P0.0—P0.7)、P1(P1.0—P1.7)、P2(P2.0—P2.7)数字量端口连接，控制器A通过RS232总线与上位机计算机连接。

综上所述，本研究提出的密闭绝热腔体对实木地采暖地板蓄热性能检测方法，需对腔体内每个小空间区域的温度进行精准测量。

2.3 检测方法

地采暖地板蓄热性能检测共分3步实现：第1步，检测室初始温度的实现；第2步，试件初始测试温度的实现；第3步，试件推送与检测。

2.3.1 检测室初始温度实现

检测系统启动后，开启制冷系统并一直保持，控制系统根据设定的初始温度通过PID算法控制下腔体温度。同时空气循环泵开启，连接上下两腔体的楔形门开启，将下腔体调节好的空气通过空气循环系统送入上腔体，并通过楔形门作为循环回路。当上腔体温度达到预设的初始温度时，控制系统送出检测室初始温度到达信号Flag_Tc。温度控制系统图如图 3所示。

2.3.2 试件加热控制

试件加热控制系统由加热器、温度传感器以及上下和横向能左右推送的气动缸构成。方形平板加热器安装在试件加热块气缸23的末端，当对试件加热时，气缸23推送加热块向上运动，同时上方的试件压板气缸15向下运动，使安装在上气缸15的传感器与加热试件紧密接触，控制系统开启加热器对试件加热，温度传感器检测试件温度。当试件温度达到设定温度时，试件加热过程结束，试件加热温度达到标志位Flag_Specimen_Temp置位。

2.3.3 试件推送与检测

当试件温度到达标志位Flag_Specimen_Temp=1，即试件加热到设定温度时，气缸15将试件压板抬起，同时将锥形门的密封垫14打开；气缸23下降，将试件加热块降下；气缸21推送试件进入锥形门到检测腔中间部位，同时密封垫20将锥形门密封。推送过程完成后控制系统开启实时检测系统，控制系统通过总线实时检测A基板(上)、B基板(下)的密闭腔体内每个单位空间T_i，j，k的实时温度。当检测室内温度达到平衡状态时，检测过程结束，系统通过计算给出被测样本的蓄热能量。

2.4 人机交互系统的实现

本研究提出的检测方法已实现全自动化，通过人机交互界面的各项参数设定系统自动执行所有检测过程；检测时，在人机交互界面可以实时显示出密闭腔体中温度梯度变化状态。当测试过程结束后，检测仪还能以动画形式显示出检测室内温度梯度变化情况，为热物性能的理论研究提供分析方法和手段。图 4所示为本研究开发的人机交互界面。

人机交互界面分为系统设定菜单栏、参数设定区、操作区、状态监测区和实时监测区。系统上电后，在菜单栏中选择通信口、波特率等参数，实现与下位机的通信。在试验样品信息对话框，可以设定试验人、试验样品品种、日期等参数；在参数设定区可以设定试验中检测室初始温度、试件温度参数。上述参数设定完成后，通过操作区可以启动系统进行试验；通过状态监测区可以实时观测检测室的温度、试件的实时温度、制冷机开关状态、试件加热器开关状态、下腔加热器开关状态、推送器状态、试件压板状态和锥形封堵状态等；人机交互界面还具有试件在检测室内温度传递热流走向动态画面，可以实时显示试件释放的热流、在检测室内传递的过程。试验完成后系统会自动弹出试验完成界面，给出该次试验样本的蓄热性能和函数表达式。

3 试验与数据分析

在密闭绝热腔体检测装置设计完成后，需要对该设备的性能进行试验验证，以确保该设备能够准确运行。试验中选择某一样品试件进行多次试验，以验证设备检测试验的可重复性；选择某均质的标准样品试件进行对比试验，以验证设备在均质材料中的适用性；在不同工况条件下进行标准试件测试试验，以验证设备的稳定性；对采集到的数据进行分析，以验证检测机制的正确性。

3.1 可重复性试验

本研究选择含水率12%的水曲柳(Fraxinus mandshurica)实木地采暖地板进行设备的可重复性试验，结果如表 1所示。

由表 1可知，检测结果的最大差值为3.34 J·℃^-1，方差为0.98，最大误差小于1.27%。试验中，虽然试验数据有所波动，但总体比较误差较小，因此得出本研究提出的密闭绝热腔体检测方法重复率较高，可以精确检测地采暖地板的蓄热性能。

3.2 均质材料适用性验证

为了证明本研究提出的方法同样适用于均质材料，选用与生物质材料样本相同规格的铝块进行对比试验。铝块密度为2 700 kg·m^-3，比热容为0.88 kJ·kg^-1K^-1，理论结果为213.84 J·℃^-1。试验准确性数据统计如表 2所示。

由表 2可知，6次试验中，检测结果平均值为214.41 J·℃^-1，方差为3.16，试验结果与理论值运算最大误差小于2.02%，证明本研究提出的方法同样适用于均质材料蓄热性能检测。

3.3 不同工况条件试验

可重复性和准确性试验验证均在室温18 ℃、室内无风条件下进行。不同工况条件试验试件选用含水率12%的红松(Pinus koraiensis)树种地板，将室温调节到不同温度，检测腔体初始温度为20 ℃，试件初始温度为70 ℃，结果如表 3所示。

由表 3可知，12个不同温度试验中，检测结果的最大差值为5.70，方差为1.55，最大误差小于3.3%，误差较小，数据波动较小，可以认为该试验在不同工况条件下的结果具有一致性。

3.4 试验测试

在检测腔体初始温度20 ℃、试件温度70 ℃、室温25 ℃的工况条件(标准测试条件)下对含水率12%的水曲柳、红松、白栎(Quercus fabri)树种的弦切面实木地采暖地板进行测试，结果如表 4所示。

由表 4可知，水曲柳、红松和白桦实木地采暖地板的蓄热性能分别为105.70、106.27和101.99 J·℃^-1，方差分别为0.98、0.85和0.91，数据较为稳定，证明该检测方法可以准确表征地采暖地板的蓄热性能。

4 讨论

采用密闭绝热双腔检测装置可以准确检测出不同树种实木地采暖地板的蓄热性能。本研究分别对可重复性、均质材料适用性、不同工况条件进行试验测试，从不同方面证明了该方法和设备的可行性。在不同工况条件下进行试验时，所得数据有所波动，最大误差达到3.3%，方差为1.55，数据波动稍大。对于试验装置设计，密闭绝热腔体的制作较为完善，而绝对的热绝缘材料是不存在的。在密闭绝热腔体设计中，侧壁选用导热系数相对较低的材料，外面覆盖2层保温阻燃橡塑海绵保温板，同时对热量损失在计算时加以补偿。补偿值是在某种工况条件下测得的，在该工况条件检测时得到的数据最为准确，但在其他工况条件时测得的数据会有点偏差。

在标准测试条件下，对含水率12%的水曲柳、红松和白栎树种的弦切面实木地采暖地板蓄热性能进行测试，结果为分别为105.70、106.27和101.99 J·℃^-1，其方差均小于1，数据较为稳定；同时可以得出红松实木采暖地板的蓄热效果要稍优于其他2个树种。

本研究设计的温度传感器阵列采集小空间内温度数值的方法，可以很大程度上描述出该空间区域内温度的平均值。研究中所建立的笛卡尔直角坐标系内，每个点均具有温度属性，由于传感器数量有限，这就造成空间内所有点的温度检测是不充分的。根据现有检测点的坐标和温度数据，可以建立神经网络等算法模型，推导计算出空间内任意一点的温度，进一步提高检测精度，同时为密闭绝热腔体内的热流走向提供依据。

5 结论

本研究提出的实木地采暖地板蓄热性能检测方法及开发的检测装置，能够准确检测出某类树种实木地采暖地板的蓄热性能参数，准确评价该类地板的蓄热性能，可为行业或国家标准的建立提供分析方法与仪器，对我国地采暖地板行业产品标准化具有重要意义。