半导体制热实木复合地板的传热性能评价.pdf

DOI:10.12171/j.10001522.20220503半导体制热实木复合地板的传热性能评价刘霄于志明张扬郭晋曾广琛(国家林草木质材料循环利用工程技术研究中心，北京100083)摘要:【目的】以物理力学性能达标为前提，研究不同材料与结构组成的半导体制热多层实木复合地板的电热性能，为电热地板的优化设计提供理论依据。【方法】从电热地板的构效关系角度出发，以地板断面密度为核心，采用材种优选、正交组坯和结构对称等方式设计出 4 种不同的电热地板结构方案。通过分析不同结构地板断面密度对传热效果的影响，比较评价其电热性能和使用能耗。【结果】为保证传热效率，半导体电热层应置于基材和面板之间，功率密度应设置在 200300W/m2的范围内，更为科学合理。经综合评价电热地板的传热效率、保温性能和能耗等指标，基材为混合树种的 C 结构，即表层为 2 层桦木，芯层为 3 层桉木的对称结构为设计方案中的最优结构。C 结构电热地板在功率密度为 300W/m2时表面平衡温度达到 47.3，电热辐射转换效率为 76.7%，平均自然降温幅度为 29.3%。达到目标温度 45.4 所消耗的电量为 1877.4103kWh。【结论】不同材种与结构的地板断面密度差异较大，对导热系数、传热过程与电热性能有显著影响。在制备电热地板基材时，采用密度高、导热系数高、强度大的材种作外层，密度低、导热系数低、强度小的材种作芯层，形成“夹芯”结构可在保证电热地板尺寸稳定性等物理力学性能的基础上有效改善电热性能与能耗。关键词：半导体制热；实木复合地板；结构设计；电热性能；能耗；电热辐射转换效率中图分类号：S784；TS653；TM241.2文献标志码：A文章编号：10001522(2023)05015508引文格式：刘霄，于志明，张扬，等.半导体制热实木复合地板的传热性能评价 J.北京林业大学学报，2023，45(5)：155162.LiuXiao,YuZhiming,ZhangYang,etal.Evaluationofheattransferperformanceofengineeredwoodflooringwithbuilt-inelectricheatingsemi-conductivelayerJ.JournalofBeijingForestryUniversity,2023,45(5):155162.Evaluation of heat transfer performance of engineered wood flooring withbuilt-in electric heating semi-conductive layerLiuXiaoYuZhimingZhangYangGuoJinZengGuangchen(NationalForestryandGrasslandEngineeringTechnologyCenterforWoodResourcesRecycling,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)Abstract:Objective This study aimed to provide a theoretical basis for the optimal design of theelectrothermal flooring.On the basis of ensuring physical and mechanical properties,the influence ofmaterialcompositionandfloorstructureontheelectricheatingperformanceofthesemiconductorheatingmulti-layer engineered wood flooring was explored.Method Four distinct structural schemes of theelectrothermal floor were constructed using wood species optimization,orthogonal compounding,andstructuralsymmetrywiththecross-sectionaldensityofthefloorasthecentralfocusofthestructure-functionconnection.The electrothermal performance and energy consumption were compared and assessed byexaminingtheimpactoffloorsectiondensityontheeffectofheattransmission.ResultInordertoensuretheheattransferefficiency,thesemiconductorelectricheatinglayershouldbeplacedbetweenthesubstrate收稿日期:20221214修回日期:20230403基金项目:辽宁省科学技术计划揭榜挂帅项目（2021JH1/1040028），中央引导地方资金（2022JH6/100300027）。第一作者:刘霄。主要研究方向：木质复合材料与胶黏剂。Email：地址：100083北京市海淀区清华东路35 号材料科学与技术学院。责任作者:于志明，教授，博士生导师。主要研究方向：木质复合材料与胶黏剂。Email：地址：同上。本刊网址:http:/；http:/第45卷第5期北京林业大学学报Vol.45，No.52023年5月JOURNALOFBEIJINGFORESTRYUNIVERSITYMay，2023andthesurfacelayer,andthepowerdensitywassuggestedtobesetwithintherangeof200300W/m2.Aftercomprehensiveevaluationoftheheattransferefficiency,thermalinsulationperformanceandenergyconsumptionoftheelectrothermalfloor,C-structurewithmixedtreespecieswastheoptimalstructure,inwhichthesymmetricalstructureoftwolayersofbirchwaschosenasthesurfacelayerandthreelayersofeucalyptus in the core layer.When the power density of C-structure electrothermal floor was set to300W/m2,themaximumsurfacetemperaturereached47.3,theelectric-thermalradiationconversionefficiencywas76.7%,andtheaveragetemperatureamplitudeofnaturalcooling-downwas29.3%.Theelectricityconsumedtoreachthetargettemperatureof45.4was1877.4103kWh.ConclusionThedensityoffloorcrosssectionvarieswithdifferentwoodtypesandstructures,whichhasasignificanteffecton thermal conductivity,heat transfer process and electrothermal performance.In the preparation ofelectrothermalfloorsubstrate,thewoodwithhighdensity,highthermalconductivityandhighstrengthissuggestedtouseastheouterlayer,andthewoodwithlowdensity,lowthermalconductivity,andlowstrength to use as the core layer.On the basis of assuring physical and mechanical features includingdimensionalstability,the“sandwich”structureformedbytheelectrothermalfoolmaysignificantlyincreaseelectrothermalperformanceandenergyconsumption.Key words:semi-conductiveelectricheating;engineeredwoodflooring;structuraldesign;electrothermalperformance;energyconsumption;electric-thermalradiationconversionefficiency内置电热层实木复合地板（电热地板）是将发热电缆、碳系材料、半导体材料等电热材料以导电膏、纤维、箔片等形式层状复合于地板内部12。具有清洁高效、温控便捷等优点，因此倍受业界关注35。电热地板以电作为能源，以电能转换为热能的方式提供热量6。在工作状况下，发热层产生的热量通过热传导、热辐射、热对流的方式向面板和空气传导热量，实现电热地板辐射采暖，而部分热量通过热传导向下在基材各层逐级传递。电热地板既是热源，又是换热器，是由木材以及树脂等不同类型材料组成的复合体，结构复杂，且不同材料对温度和湿度等环境因子的响应不同，会因为环境温度和湿度改变，发生尺寸和形状的变化，翘曲或开裂，从而影响使用。因此尺寸稳定性和电热性能是衡量电热地板的重要指标7。与传统的低温热水辐射加热方式不同，电热地板是将热元件集成于地板内部，其传热与材料的选择和结构密切相关810。袁全平等11以碳纤维纸为发热元件，采用桉木、橡木单板、铜箔电极、三聚氰胺改性脲醛树脂胶黏剂制备电热地板，研究了碳纤维电热层对电热地板的发热影响及温度变化规律。王俊等12研究了 3 种不同结构的实木复合地板在模拟环境实验室中，装饰面板的种类和地板结构对地板翘曲度和表面开裂的影响。袁全平13通过改变发热层位置、复合铝箔等方式，分析不同结构木质电热复合材料的结构稳定性和理化性能，重点研究了不同结构电热地板的电热效应、板面温度差异、热辐射性能及电热辐射转换效率对其响应规律。本研究的电热层采用创新研发的金属氧化物半导体制热技术制成的可调控电热膜，该技术应用新一代电热转化技术，与电热膜传统的涂料类工艺和电热转换原理有较大差异，具有清洁、高效、低成本的优势。基于半导体电热层的特点，本研究的结构设计采用材种优选、正交组坯和设置对称结构等方式，在确保地板尺寸稳定性的基础上，研究了不同结构电热地板的断面密度分布与导热系数之间的规律，揭示了影响电热地板热性能的主要因素，计算了不同结构电热地板的能耗，确定了最优的结构方案，为研究电热地板的供热效率与能耗提供理论依据。1材料与方法 1.1 研究材料本研究所用木材分别为桉木（Eucalyptusspp.）单板、桦 木（Betula spp.）单 板 和 黑 胡 桃 木（Juglansregia）装饰面板，均购于嘉善某木材加工企业，且单板质量均符合LY/T17382020实木复合地板用胶合板中外观质量的规定。其中，桉木单板规格尺寸为 400mm400mm1.8mm，含水率（质量分数）为 6%8%，密度为 466.0kg/m3；桦木单板规格尺寸