木材室內(nèi)熱環(huán)境適應(yīng)性影響因素研究*

王　碩王書文楊亮慶**

（1.黑龍江省木材科學(xué)研究所，哈爾濱　150081；2.哈爾濱松江雙象木業(yè)有限公司，黑龍江　哈爾濱　150036）

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木材室內(nèi)熱環(huán)境適應(yīng)性影響因素研究*

王碩1王書文2楊亮慶1**

（1.黑龍江省木材科學(xué)研究所，哈爾濱150081；2.哈爾濱松江雙象木業(yè)有限公司，黑龍江哈爾濱150036）

摘要：木材室內(nèi)熱環(huán)境適應(yīng)性問題,對(duì)減緩天氣、季節(jié)等氣候變化引起人的不適感、提高生活品質(zhì),具有重要意義。本研究采用重量變化率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，從板材厚度、樹種和熱環(huán)境參數(shù)三個(gè)方面入手,對(duì)木材室內(nèi)熱環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：板材厚度、樹種和熱環(huán)境參數(shù)是影響木材室內(nèi)熱環(huán)境適應(yīng)性的主要因素，木材對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)能力取決于室內(nèi)存有的木材量。

關(guān)鍵詞：木材；室內(nèi)熱環(huán)境；適應(yīng)性

*黑龍江省財(cái)政項(xiàng)目“PEG處理立木地板用木材圓盤干燥特性研究”（HCZ201301）

室內(nèi)熱環(huán)境是指影響人體冷熱感覺的環(huán)境因素，主要包括室內(nèi)空氣溫度、空氣濕度、氣流速度以及人體與周圍環(huán)境之間的輻射換熱等方面，適宜、平穩(wěn)的室內(nèi)熱環(huán)境是人身體健康以及物品完好保存的重要保證。通常情況下室內(nèi)熱環(huán)境時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)生著變化，尋求具有調(diào)試特性的建筑或室內(nèi)裝飾材料，是緩解甚至解決這一問題的關(guān)鍵，木材獨(dú)有的調(diào)濕特性得到越來越多消費(fèi)者的認(rèn)可和關(guān)注。當(dāng)所處室內(nèi)熱環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，木材可通過吸濕解吸特性調(diào)整自身含水率水平來適應(yīng)、改善所處熱環(huán)境狀況，尤其是調(diào)整環(huán)境溫度、濕度為一個(gè)平穩(wěn)的變化過程[1]，即為木材對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的適應(yīng)性。研究表明，一定數(shù)量的木材可以智能地調(diào)節(jié)微環(huán)境內(nèi)的相對(duì)濕度，能夠有效緩解室內(nèi)熱環(huán)境變化對(duì)人舒適度感知的影響，保持室內(nèi)環(huán)境的適宜、穩(wěn)定[2]。當(dāng)室內(nèi)熱環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，了解不同厚度、不同樹種木材會(huì)做出何種反應(yīng)，了解影響木材室內(nèi)熱環(huán)境適應(yīng)性的主要因素，對(duì)室內(nèi)木材用量設(shè)計(jì)計(jì)算、室內(nèi)裝飾設(shè)計(jì)以及木材對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境反應(yīng)效率等技術(shù)問題的解決，提高人們家居生活指數(shù)，具有重要意義。本文選用興安落葉松、樟子松和水曲柳三個(gè)數(shù)種，每一樹種分別采用三種厚度規(guī)格，設(shè)置一定室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)，研究木材對(duì)室內(nèi)環(huán)境變化的反應(yīng)程度以及影響反應(yīng)效率的因素。

1　試驗(yàn)材料與方法

1.1材料及設(shè)備

試材為大興安嶺樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica Litv.）、興安落葉松（Larix gmelini）和水曲柳（Fraxinus mandshurica）刨光材，每樹種試材規(guī)格一致，按厚度不同分為三個(gè)規(guī)格：480 mm×38 mm× 5mm、480mm×38mm×10mm和480mm×38mm× 15 mm；試材平均含水率為10%。

試驗(yàn)主要設(shè)備為高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱，型號(hào)GDJS- 010C，無錫四聯(lián)科技公司生產(chǎn)。

1.2試驗(yàn)方法

為降低木材端部含水率變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，將試材端部截面用防水膠帶密封。影響室內(nèi)熱環(huán)境要素較多，本文選擇與木材吸濕解吸特性密切相關(guān)以及皮膚較為敏感的溫度和濕度參數(shù)做為試驗(yàn)的環(huán)境因素。按照表1設(shè)定的溫濕度參數(shù)，從第一階段依次進(jìn)行平衡處理，每一階段溫度保持不變，平衡后調(diào)整濕度；進(jìn)入下一階段時(shí)，濕度保持不變，調(diào)整溫度。因?yàn)楫?dāng)濕度不變、溫度變化時(shí)，對(duì)平衡含水率影響相對(duì)較小，可大幅縮短試驗(yàn)周期。之后按照該順序依次進(jìn)行。

采用“重量變化率（WPC）”作為平衡過程中試材重量變化情況的評(píng)價(jià)指標(biāo)，每一階段平衡后的重量作為下一階段的基準(zhǔn)值，試材每24h測(cè)重一次。木材重量變化率反映了室內(nèi)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)木材重量隨時(shí)間的變化情況，當(dāng)其值與前一次計(jì)算值保持不變時(shí)，表明木材適應(yīng)了環(huán)境調(diào)整，視其含水率達(dá)到了平衡狀態(tài)。

表1　室內(nèi)熱環(huán)境溫濕度參數(shù)調(diào)整平衡過程

式中WPC——重量變化率（%）；

Wt——平衡過程中測(cè)試的質(zhì)量（g）；

Wc——基準(zhǔn)質(zhì)量（g）。

2　結(jié)果與討論

2.1木材厚度對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境適應(yīng)性的影響

木材在室內(nèi)熱環(huán)境發(fā)生變化時(shí)的反應(yīng)效率及其平衡周期是反映其對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的重要指標(biāo)，關(guān)系到木材對(duì)環(huán)境調(diào)整影響或說抑制環(huán)境變化的能力。平衡周期短，表明其適應(yīng)環(huán)境溫濕度變化的速度快，抑制環(huán)境溫濕度參數(shù)變化能力較弱；反之，則表明其適應(yīng)環(huán)境溫濕度變化比較遲緩，抑制環(huán)境溫濕度參數(shù)變化持久性能力較強(qiáng)。

圖1為溫度20℃，RH%60%環(huán)境下處于平衡狀態(tài)的水曲柳木材所處環(huán)境溫度不變，濕度變?yōu)?0%時(shí)，重量變化率隨處理時(shí)間不斷變化的情況。

由于環(huán)境濕度的增大，木材重量變化率隨著處理時(shí)間增大，呈現(xiàn)增速先快后緩，最終趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，且厚度變化對(duì)該趨勢(shì)曲線有著顯著影響。如圖1所示，板材厚度越大，曲線變化趨勢(shì)越平緩，但這并不意味著厚板材的吸濕能力問題，而是說明厚板材對(duì)環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，從平衡時(shí)間接近200 h時(shí)的重量變化來看，盡管薄板該值最高，但實(shí)際吸收水分重量遠(yuǎn)低于厚板，且厚度越大，吸濕能力越強(qiáng)。

圖1　水曲柳板材熱環(huán)境適應(yīng)性變化曲線

在整個(gè)平衡過程中，木材重量變化主要發(fā)生在初期階段，且板材厚度越小，在這一階段的重量變化率越大。以前30 h的平衡情況看, 5 mm厚的板材重量變化率占到整個(gè)平衡過程的80%左右，10 mm和15 mm厚的板材重量變化率則僅占整個(gè)平衡過程的60%和50%左右，說明板材厚度越小，木材對(duì)環(huán)境適應(yīng)周期越短，對(duì)環(huán)境影響的時(shí)效性越差。這是因?yàn)?，吸附能力除取決于木材微結(jié)構(gòu)表面吸附點(diǎn)的數(shù)量和水分子達(dá)到吸附點(diǎn)的路徑兩個(gè)方面之外，還與吸附區(qū)域的多層分布有關(guān)，研究認(rèn)為，木材表面的水分吸著首先發(fā)生第1層吸附，之后發(fā)生第2層、第3層的物理吸附，吸附力的大小隨著吸附層由內(nèi)到外而逐漸降低[3- 5]。木材的吸濕解吸是由外及內(nèi)的一個(gè)過程，因此板材厚度較大時(shí)具有更多的水分吸附點(diǎn)，水分移動(dòng)到木材中心位置吸附點(diǎn)的路徑也較大，體現(xiàn)為厚板材的平衡周期更長，平衡曲線更為平緩，木材達(dá)到平衡或接近平衡狀態(tài)的時(shí)間也越長。以平衡200 h時(shí)的重量變化率看，10 mm和15 mm厚板材的重量變化率僅為5 mm板材的88%和83%；隨著平衡時(shí)間增加，重量變化也會(huì)呈現(xiàn)逐步變小的趨勢(shì)，若需達(dá)到平衡狀態(tài)，需要一個(gè)較長的時(shí)間過程。由此可見，木材對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)能力取決于木材的數(shù)量和板材的厚度，在木材量充足、確定的情況下，木材表面積越大，即板材厚度越小，則對(duì)環(huán)境反應(yīng)越快，調(diào)整能力越強(qiáng)，濕度變化幅度就越小，室內(nèi)的濕度就越趨于穩(wěn)定[6]。

圖2為溫度30℃，RH%90%環(huán)境下處于平衡狀態(tài)的水曲柳木材所處環(huán)境溫度不變，濕度變?yōu)?0%時(shí)，重量變化率隨處理時(shí)間變化的情況。由圖2可知，隨著環(huán)境濕度降低，木材內(nèi)的吸附水由外及內(nèi)地從木材移出，表現(xiàn)為木材重量下降。重量變化率曲線以及三種厚度規(guī)格板材對(duì)熱環(huán)境的反應(yīng)效率等呈現(xiàn)出與圖1一致的結(jié)論，反映了板材厚度在影響板材環(huán)境適應(yīng)性中的決定性作用。

圖2　水曲柳板材環(huán)境適應(yīng)性曲線

2. 2樹種對(duì)木材室內(nèi)熱環(huán)境適應(yīng)性的影響

圖3為溫度20℃，RH%60%環(huán)境下處于平衡狀態(tài)的興安落葉松（L）、水曲柳（S）和樟子松（Z）木材所處環(huán)境溫度不變，濕度變?yōu)?0%時(shí)，三個(gè)厚度規(guī)格試件重量變化率情況。由圖3可知，在相同的平衡時(shí)間（200 h）里，不同樹種木材間的重量變化率有著明顯差異，樟子松重量變化率最大，落葉松次之，水曲柳最小。說明樟子松材對(duì)環(huán)境變化反應(yīng)相對(duì)較快，對(duì)環(huán)境調(diào)節(jié)效率較高，因此在確定的室內(nèi)場所，木材量足夠條件下樟子松材對(duì)環(huán)境調(diào)節(jié)效果最優(yōu)，即對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性能最優(yōu)。

圖3　樹種對(duì)熱環(huán)境反映效應(yīng)

不同樹種在室內(nèi)熱環(huán)境適應(yīng)性上體現(xiàn)出的這種差異，與不同樹種的木材具有不同的構(gòu)造，它的紋孔大小與數(shù)量，以及紋孔膜上微孔的大小都有很大差異相關(guān)，造成水分沿上述路徑移動(dòng)的難易程度有別[7]。另外，落葉松含有的豐富的樹脂，易阻塞水分移動(dòng)路徑，是影響其對(duì)熱環(huán)境反應(yīng)效率低的一個(gè)重要原因。同時(shí)，樹種在結(jié)構(gòu)和材性上的差異也影響到了同樹種不同厚度板材間重量變化率的差值，興安落葉松（L）、水曲柳（S）和樟子松（Z）三樹種5 mm和15 mm板材間重量變化率差值分別為1.22%、0.59%和0.37%，也說明樟子松材的結(jié)構(gòu)利于水分在木材內(nèi)的擴(kuò)散移動(dòng)。因此在室內(nèi)設(shè)計(jì)中，計(jì)算室內(nèi)木材用量時(shí)還需要考慮樹種的影響，即當(dāng)室內(nèi)木材量和厚度一定時(shí)，樟子松材對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)整能力要優(yōu)于水曲柳和落葉松。

2.3環(huán)境溫度和濕度參數(shù)對(duì)木材室內(nèi)熱環(huán)境適應(yīng)性的影響

表2為不同熱環(huán)境參數(shù)時(shí)水曲柳平衡前24 h重量變化率與整個(gè)平衡過程重量變化率的比值，該值反映了環(huán)境溫度、濕度參數(shù)對(duì)平衡初始階段（重量變化最顯著階段）乃至整個(gè)平衡過程的影響。該值越高，表明達(dá)到平衡所需的時(shí)間越短，室內(nèi)環(huán)境條件對(duì)人體感覺越明顯，環(huán)境條件越差，木材的環(huán)境適應(yīng)能力下降，為保持環(huán)境的平穩(wěn)、適宜，則需要木材量增大。表2中：①為t=20,RH%: 60→90%環(huán)境參數(shù)；②為t=30,RH%:90→60%環(huán)境參數(shù)；③為t=30,RH%:60→30%環(huán)境參數(shù)；④為t=40,RH%:30→60%環(huán)境參數(shù)。

表2　前24 h WPC占整個(gè)平衡過程的比值

由表2可知，當(dāng)溫度升高時(shí)（由20℃到30℃再到40℃），木材初始階段重量變化率占整個(gè)平衡過程的比值增大，適應(yīng)環(huán)境的速度加快，這主要是溫度升高，水分子移動(dòng)動(dòng)能增大，脫離吸附點(diǎn)（解吸狀態(tài)）或達(dá)到吸附點(diǎn)（吸濕狀態(tài)）的時(shí)間縮短，由此推測(cè)，溫度升高則會(huì)引起平衡時(shí)間的縮短。當(dāng)濕度降低時(shí)（由90%降至60%再降至30%），木材初始階段重量變化率占整個(gè)平衡過程的比值下降，究其原因，一方面是因?yàn)殚_始解吸出的吸著水與木材結(jié)合作用力較弱，之后結(jié)合作用力逐漸增強(qiáng)，需要更多的能量才能從吸附點(diǎn)脫離；另一方面，相對(duì)濕度由90%降至60%時(shí)，含水率梯度變化（約10%）明顯高于相對(duì)濕度由60%降至30%時(shí)的含水率梯度變化（約5%）?？傊还茉鯓?，隨著環(huán)境溫度升高、相對(duì)濕度下降，木材的環(huán)境適應(yīng)性下降，若想要保持環(huán)境的平穩(wěn)、適宜，則需要設(shè)計(jì)過程中通過增加室內(nèi)木材的存有量來解決。

3　結(jié)論

3.1以重量變化率（WPC）作為木材對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境變化的反映和評(píng)價(jià)指標(biāo)，從板材厚度、樹種和熱環(huán)境參數(shù)三個(gè)方面對(duì)木材室內(nèi)熱環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行的研究結(jié)果看,板材厚度是影響木材室內(nèi)熱環(huán)境適應(yīng)性的重要因素，也是反映木材調(diào)整環(huán)境變化能力的重要指標(biāo)，厚度越小，對(duì)環(huán)境變化反應(yīng)越快，但持續(xù)調(diào)整能力也就越弱，達(dá)到平衡的周期就越短。

3.2樹種也是影響木材室內(nèi)熱環(huán)境適應(yīng)性的重要因素，主要取決于木材自身的材性特征；由于單位木材對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)整能力有限，在木材室內(nèi)存有量一定時(shí)，室內(nèi)熱環(huán)境變化較大,木材對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)整能力會(huì)逐步下降。因此室內(nèi)木材存有量設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮這一問題。

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（責(zé)任編輯：潘啟英）

Influencing Factors of Wood Adaptability in Indoor Thermal Environment

WANGShuo
（Heilongjiang Academy of Forestry Institute of Wood Science, Harbin 150081）

Abstract Understanding of wood indoor thermal environment adaptability to slow the weather and seasonal climate change people's discomfort, is of great significance to improve the quality of life. The weight rate as evaluation index, from the plate thickness, tree species and thermal environment parameters of the three aspects of indoor thermal environment adaptability for wood was studied. The results showed that the plate thickness, tree species and thermal environment parameters was the main factor that influence the indoor thermal environment adaptability of wood, wood had ability to regulate the indoor thermal environment depends on the amount of indoor wood.

Key words Wood; Indoor thermalenvironment; Adaptive

收稿日期：2015 - 11 - 19

通訊作者：楊亮慶（1981-），男，副研究員，研究方向：木材干燥。

作者簡介：第1王碩（1988-），男，研究實(shí)習(xí)員，研究方向：木材干燥。

文章編號(hào)：1001 - 9499（2016）01 - 0047 - 04

中圖分類號(hào)：S781. 3, TU767. 7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A