陶瓷磚與木地板熱性能研究

周啟東　李亞亞

摘 要：在市場中隨機選用陶瓷磚和木地板作為研究對象，建立實驗模型，采用實驗對比的方法研究地面裝修材料的熱學性能。結果表明，陶瓷磚比木地板的溫度響應更靈敏。

關鍵詞：地暖；地板；熱學性能

中圖分類號： G642 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）26-182-2

0 引言

地面輻射供暖工程技術簡稱為地暖。由于地暖發熱均勻、室內形成梯度溫差，完全符合人體生理需要，讓人感覺非常舒適，還有一定的保健作用，并且地暖的熱慣性小，發熱迅速，環保清潔，經濟節能，安全性高，不會造成傳統供暖中存在危及人身安全的漏電、漏水、漏氣、熱燙爆管等現象，使得地暖越來越受到人們的歡迎。特別是近些年來，隨著地暖施工技術的發展，地暖已成為一種主流的采暖方式[1]。但因其本身的復雜工序、各施工隊伍的施工工藝和技術水平的限制，以及住戶在后期裝修地面材料選擇上的盲目性等，導致地暖地面在供暖期使用時存在系列問題[2]。本文就住戶在裝修過程中選用的陶瓷磚和木地板作為研究對象，通過建立實驗模型，采用對比試驗的辦法研究其熱性能，為住戶選擇材料提供經驗依據。

1 實驗部分

1.1 儀器和材料

儀器：FD-TC-B型導熱系數測定儀。加熱盤由單片機自適應控制測溫傳感器組成，讀數顯示為攝氏度，精度是0.1℃；散熱盤測溫傳感器由另一單片機控制，讀數精度也為0.1℃。溫控儀和測溫儀的顯示工作溫度在0℃ -100℃之間。恒溫控制溫度最高可設定為80℃。

材料：瓷磚和木地板（在銀川裝飾材料市場隨機購買），導熱硅脂。將瓷磚和木地板加工成直徑大約14厘米左右的圓盤。

1.2 實驗原理和方法

1.2.1 實驗原理

采用熱穩態法，為了簡化計算，利用導熱硅脂來控制樣品與加熱盤和散熱盤之間的熱阻。建立地暖供熱模型，對模型做假設：

①樣品上表面與一個穩定的均勻發熱盤（相當于供熱熱源）充分接觸，下表面與一均勻散熱盤（相當于室內地表面）相接觸。

②因樣品的側面積比上下表面積小很多，可以認為熱量只沿著上下方向垂直傳遞，橫向由側面散去的熱量可以忽略不計。同理忽略加熱盤側面的散熱。

③忽略樣品上（下）表面與加（散）熱盤之間的熱阻，將加（散）熱盤的溫度看作樣品上（下）表面的溫度。

④無內熱源。

1.2.2 實驗方法

①設定加熱盤控制溫度為80℃。②加熱盤的溫度上升到設定溫度值時，記錄加熱盤的溫度T1散熱盤的溫度T2。③停止加熱，取走樣品，使加熱盤和散熱盤完全接觸，使加熱盤的溫度在原來溫度T2的基礎上迅速上升。④移去加熱盤，讓散熱盤在風扇作用下冷卻，每隔30秒記錄該盤的溫度。作散熱曲線，計算散熱盤的冷卻速率。⑤計算比較瓷磚和木地板的導熱系數。

2 實驗結果與討論

結合實際地暖供熱系統，簡化認為樣品上表面的溫度為熱源溫度，即T1；樣品下表面的溫度為室內地表面的溫度，即T2。

2.1 熱源溫度對室內瓷磚地表面溫度的影響

所選樣品陶瓷磚的厚度h陶=14.50mm，直徑d陶=161.00mm，在供暖系統工作過程中，熱源的溫度平穩上升，最后，慢慢趨近預設定上限溫度值。加熱前期，陶瓷磚表面的溫度變化率較高；加熱后期，陶瓷磚表面的溫度變化率較低。熱源直接給陶瓷磚加熱，剛開始階段，陶瓷磚地表面的溫度隨熱源溫度呈低斜率上升；在中間階段，陶瓷磚地表面溫度陡然劇增；在后期階段，陶瓷磚地表面的溫度隨熱源溫度呈高斜率變化。借助Mathmatica軟件，剔除掉無效的數據點后，利用插值函數，便可預測熱源與陶瓷磚表面之間的溫度趨勢，為供熱系統保障溫暖舒適的同時，又能節約資源提供經驗預測。

2.2 熱源溫度對室內木地板地表面溫度的影響

對于木地板而言，在熱源對木地板供熱的過程中，熱源溫度與時間的關系如圖1，木地板表面與時間的關系如圖2，木地板表面溫度隨熱源溫度的變化關系如圖3，木地板表面溫度隨熱源溫度的擬合關系如圖4所示。

所選樣品木地板的厚度h木=12.00mm，直徑d木=140.00mm，在供暖系統工作過程中，從圖1看出，熱媒質的溫度在很短的時間內接近預設定溫度上限值，此后，便趨于穩定。從圖2看出，木地板表面的溫度持續穩定上升。從圖3看出，熱源直接給木地板加熱，剛開始階段，盡管熱源溫度變化范圍很大，但木地板表面的溫度變化不明顯，直到熱源溫度接近上限設定值時，木地板表面溫度呈迅速上升趨勢。借助Mathmatica軟件，剔除掉無效的數據點后，在圖4中給出了擬合關系，利用插值函數，便可預測熱源與木地板表面之間的溫度趨勢，為供熱系統保障溫暖舒適的同時，又能節約資源提供經驗預測。

2.3 不同地板材料導熱能力對供熱效果的影響

導熱系數是指材料直接傳導熱量能力的反映。不同物質導熱系數各不相同；相同物質的導熱系數與其的結構、密度、濕度、溫度、壓力等因素有關。同一物質的含水率低、溫度較低時，導熱系數較小。一般來說，固體的熱導率比液體的大，而液體的又要比氣體的大。這種差異很大程度上是由于這兩種狀態分子間距不同所導致的。在工程上，材料的導熱系數值都是由試驗測定出來的。

3 結論

第一，選用陶瓷磚作為地面裝修材料，在加熱的過程中，對熱源溫度感應靈敏，且陶瓷磚表面溫度隨熱源溫度呈線性變化的趨勢比較明顯。第二，選用木地板作為地面裝修材料，在前期加熱過程中，雖然其表面的溫度隨熱源的溫度呈線性變化，但變化率低。因此，在供熱過程中，熱起來的速度就慢一點。第三，從熱性能角度來看，陶瓷磚比木地板的導熱能力強，在冬季供暖期，當熱源溫度相同的條件下，陶瓷磚裝修的室內溫度較容易達到人體感覺的舒服溫度，而木地板就相對緩慢一點，但木地板的室內降溫就相對慢。

參考文獻

[1] 王超.淺談地暖施工及材料性能的比較[J].中國新技術新產品，2014（9）：124.

[2] 戴桂梅.地暖地面質通病原因分析與預防措施[J].建筑工人，2016（1）：14-15.