木材室内热环境适应性影响因素研究*

王　硕王书文杨亮庆**

（1.黑龙江省木材科学研究所，哈尔滨　150081；2.哈尔滨松江双象木业有限公司，黑龙江　哈尔滨　150036）



木材室内热环境适应性影响因素研究*

王硕1王书文2杨亮庆1**

（1.黑龙江省木材科学研究所，哈尔滨150081；2.哈尔滨松江双象木业有限公司，黑龙江哈尔滨150036）

摘要：木材室内热环境适应性问题,对减缓天气、季节等气候变化引起人的不适感、提高生活品质,具有重要意义。本研究采用重量变化率为评价指标，从板材厚度、树种和热环境参数三个方面入手,对木材室内热环境适应性进行了研究。结果表明：板材厚度、树种和热环境参数是影响木材室内热环境适应性的主要因素，木材对室内热环境的调节能力取决于室内存有的木材量。

关键词：木材；室内热环境；适应性

*黑龙江省财政项目“PEG处理立木地板用木材圆盘干燥特性研究”（HCZ201301）

室内热环境是指影响人体冷热感觉的环境因素，主要包括室内空气温度、空气湿度、气流速度以及人体与周围环境之间的辐射换热等方面，适宜、平稳的室内热环境是人身体健康以及物品完好保存的重要保证。通常情况下室内热环境时时刻刻都在发生着变化，寻求具有调试特性的建筑或室内装饰材料，是缓解甚至解决这一问题的关键，木材独有的调湿特性得到越来越多消费者的认可和关注。当所处室内热环境发生变化时，木材可通过吸湿解吸特性调整自身含水率水平来适应、改善所处热环境状况，尤其是调整环境温度、湿度为一个平稳的变化过程[1]，即为木材对室内热环境的适应性。研究表明，一定数量的木材可以智能地调节微环境内的相对湿度，能够有效缓解室内热环境变化对人舒适度感知的影响，保持室内环境的适宜、稳定[2]。当室内热环境发生变化时，了解不同厚度、不同树种木材会做出何种反应，了解影响木材室内热环境适应性的主要因素，对室内木材用量设计计算、室内装饰设计以及木材对室内热环境反应效率等技术问题的解决，提高人们家居生活指数，具有重要意义。本文选用兴安落叶松、樟子松和水曲柳三个数种，每一树种分别采用三种厚度规格，设置一定室内热环境参数，研究木材对室内环境变化的反应程度以及影响反应效率的因素。

1　试验材料与方法

1.1材料及设备

试材为大兴安岭樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica Litv.）、兴安落叶松（Larix gmelini）和水曲柳（Fraxinus mandshurica）刨光材，每树种试材规格一致，按厚度不同分为三个规格：480 mm×38 mm× 5mm、480mm×38mm×10mm和480mm×38mm× 15 mm；试材平均含水率为10%。

试验主要设备为高低温交变湿热试验箱，型号GDJS- 010C，无锡四联科技公司生产。

1.2试验方法

为降低木材端部含水率变化对试验结果产生的影响，将试材端部截面用防水胶带密封。影响室内热环境要素较多，本文选择与木材吸湿解吸特性密切相关以及皮肤较为敏感的温度和湿度参数做为试验的环境因素。按照表1设定的温湿度参数，从第一阶段依次进行平衡处理，每一阶段温度保持不变，平衡后调整湿度；进入下一阶段时，湿度保持不变，调整温度。因为当湿度不变、温度变化时，对平衡含水率影响相对较小，可大幅缩短试验周期。之后按照该顺序依次进行。

采用“重量变化率（WPC）”作为平衡过程中试材重量变化情况的评价指标，每一阶段平衡后的重量作为下一阶段的基准值，试材每24h测重一次。木材重量变化率反映了室内环境发生变化时木材重量随时间的变化情况，当其值与前一次计算值保持不变时，表明木材适应了环境调整，视其含水率达到了平衡状态。

表1　室内热环境温湿度参数调整平衡过程

式中WPC——重量变化率（%）；

Wt——平衡过程中测试的质量（g）；

Wc——基准质量（g）。

2　结果与讨论

2.1木材厚度对室内热环境适应性的影响

木材在室内热环境发生变化时的反应效率及其平衡周期是反映其对环境适应性的重要指标，关系到木材对环境调整影响或说抑制环境变化的能力。平衡周期短，表明其适应环境温湿度变化的速度快，抑制环境温湿度参数变化能力较弱；反之，则表明其适应环境温湿度变化比较迟缓，抑制环境温湿度参数变化持久性能力较强。

图1为温度20℃，RH%60%环境下处于平衡状态的水曲柳木材所处环境温度不变，湿度变为90%时，重量变化率随处理时间不断变化的情况。

由于环境湿度的增大，木材重量变化率随着处理时间增大，呈现增速先快后缓，最终趋于稳定的变化趋势，且厚度变化对该趋势曲线有着显著影响。如图1所示，板材厚度越大，曲线变化趋势越平缓，但这并不意味着厚板材的吸湿能力问题，而是说明厚板材对环境适应性较强，从平衡时间接近200 h时的重量变化来看，尽管薄板该值最高，但实际吸收水分重量远低于厚板，且厚度越大，吸湿能力越强。

图1　水曲柳板材热环境适应性变化曲线

在整个平衡过程中，木材重量变化主要发生在初期阶段，且板材厚度越小，在这一阶段的重量变化率越大。以前30 h的平衡情况看, 5 mm厚的板材重量变化率占到整个平衡过程的80%左右，10 mm和15 mm厚的板材重量变化率则仅占整个平衡过程的60%和50%左右，说明板材厚度越小，木材对环境适应周期越短，对环境影响的时效性越差。这是因为，吸附能力除取决于木材微结构表面吸附点的数量和水分子达到吸附点的路径两个方面之外，还与吸附区域的多层分布有关，研究认为，木材表面的水分吸着首先发生第1层吸附，之后发生第2层、第3层的物理吸附，吸附力的大小随着吸附层由内到外而逐渐降低[3- 5]。木材的吸湿解吸是由外及内的一个过程，因此板材厚度较大时具有更多的水分吸附点，水分移动到木材中心位置吸附点的路径也较大，体现为厚板材的平衡周期更长，平衡曲线更为平缓，木材达到平衡或接近平衡状态的时间也越长。以平衡200 h时的重量变化率看，10 mm和15 mm厚板材的重量变化率仅为5 mm板材的88%和83%；随着平衡时间增加，重量变化也会呈现逐步变小的趋势，若需达到平衡状态，需要一个较长的时间过程。由此可见，木材对室内热环境的调节能力取决于木材的数量和板材的厚度，在木材量充足、确定的情况下，木材表面积越大，即板材厚度越小，则对环境反应越快，调整能力越强，湿度变化幅度就越小，室内的湿度就越趋于稳定[6]。

图2为温度30℃，RH%90%环境下处于平衡状态的水曲柳木材所处环境温度不变，湿度变为60%时，重量变化率随处理时间变化的情况。由图2可知，随着环境湿度降低，木材内的吸附水由外及内地从木材移出，表现为木材重量下降。重量变化率曲线以及三种厚度规格板材对热环境的反应效率等呈现出与图1一致的结论，反映了板材厚度在影响板材环境适应性中的决定性作用。

图2　水曲柳板材环境适应性曲线

2. 2树种对木材室内热环境适应性的影响

图3为温度20℃，RH%60%环境下处于平衡状态的兴安落叶松（L）、水曲柳（S）和樟子松（Z）木材所处环境温度不变，湿度变为90%时，三个厚度规格试件重量变化率情况。由图3可知，在相同的平衡时间（200 h）里，不同树种木材间的重量变化率有着明显差异，樟子松重量变化率最大，落叶松次之，水曲柳最小。说明樟子松材对环境变化反应相对较快，对环境调节效率较高，因此在确定的室内场所，木材量足够条件下樟子松材对环境调节效果最优，即对环境的适应性能最优。

图3　树种对热环境反映效应

不同树种在室内热环境适应性上体现出的这种差异，与不同树种的木材具有不同的构造，它的纹孔大小与数量，以及纹孔膜上微孔的大小都有很大差异相关，造成水分沿上述路径移动的难易程度有别[7]。另外，落叶松含有的丰富的树脂，易阻塞水分移动路径，是影响其对热环境反应效率低的一个重要原因。同时，树种在结构和材性上的差异也影响到了同树种不同厚度板材间重量变化率的差值，兴安落叶松（L）、水曲柳（S）和樟子松（Z）三树种5 mm和15 mm板材间重量变化率差值分别为1.22%、0.59%和0.37%，也说明樟子松材的结构利于水分在木材内的扩散移动。因此在室内设计中，计算室内木材用量时还需要考虑树种的影响，即当室内木材量和厚度一定时，樟子松材对室内热环境的调整能力要优于水曲柳和落叶松。

2.3环境温度和湿度参数对木材室内热环境适应性的影响

表2为不同热环境参数时水曲柳平衡前24 h重量变化率与整个平衡过程重量变化率的比值，该值反映了环境温度、湿度参数对平衡初始阶段（重量变化最显著阶段）乃至整个平衡过程的影响。该值越高，表明达到平衡所需的时间越短，室内环境条件对人体感觉越明显，环境条件越差，木材的环境适应能力下降，为保持环境的平稳、适宜，则需要木材量增大。表2中：①为t=20,RH%: 60→90%环境参数；②为t=30,RH%:90→60%环境参数；③为t=30,RH%:60→30%环境参数；④为t=40,RH%:30→60%环境参数。

表2　前24 h WPC占整个平衡过程的比值

由表2可知，当温度升高时（由20℃到30℃再到40℃），木材初始阶段重量变化率占整个平衡过程的比值增大，适应环境的速度加快，这主要是温度升高，水分子移动动能增大，脱离吸附点（解吸状态）或达到吸附点（吸湿状态）的时间缩短，由此推测，温度升高则会引起平衡时间的缩短。当湿度降低时（由90%降至60%再降至30%），木材初始阶段重量变化率占整个平衡过程的比值下降，究其原因，一方面是因为开始解吸出的吸着水与木材结合作用力较弱，之后结合作用力逐渐增强，需要更多的能量才能从吸附点脱离；另一方面，相对湿度由90%降至60%时，含水率梯度变化（约10%）明显高于相对湿度由60%降至30%时的含水率梯度变化（约5%）。总之，不管怎样，随着环境温度升高、相对湿度下降，木材的环境适应性下降，若想要保持环境的平稳、适宜，则需要设计过程中通过增加室内木材的存有量来解决。

3　结论

3.1以重量变化率（WPC）作为木材对室内热环境变化的反映和评价指标，从板材厚度、树种和热环境参数三个方面对木材室内热环境适应性进行的研究结果看,板材厚度是影响木材室内热环境适应性的重要因素，也是反映木材调整环境变化能力的重要指标，厚度越小，对环境变化反应越快，但持续调整能力也就越弱，达到平衡的周期就越短。

3.2树种也是影响木材室内热环境适应性的重要因素，主要取决于木材自身的材性特征；由于单位木材对室内热环境的调整能力有限，在木材室内存有量一定时，室内热环境变化较大,木材对室内热环境的调整能力会逐步下降。因此室内木材存有量设计时需充分考虑这一问题。

参考文献

［1］郑志锋.木材的环境调节特性［J］.云南林业, 2004(5): 23.

［2］李坚.木材科学［M］.哈尔滨：东北林业大学出版社，1994.

［3］Chauhan S S，Aggarwal P，Karmarkar A，et al. Moisture adsorption behaviour of esterified rubber wood ( Hevea brasiliensis)［J］. Holz als Roh- und Werkstoff，2011，59(4): 250 - 253.

［4］Polanyi M. Cber die adsorption vom standpunkt des dritten warmesatzes［J］. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft，1914，16 (23): 1 012- 1 016.

［5］Kadlec O. The history and present state of dubinin's theory of adsorption of vapours and gases on microporous solids［J］. Adsorption Science and Technology，2001，19( 1) : 1- 24.

［6］姚永明.木材对人居微环境湿度的智能调解［J］.家具与环境, 2006(1): 24 - 28.

［7］刘银鑫，肖生苓，岳金权，等.木质基包装材料在果蔬保鲜中的应用［J］.森林工程，2014, 30(3): 140 - 142.

（责任编辑：潘启英）

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

通讯作者：杨亮庆（1981-），男，副研究员，研究方向：木材干燥。

作者简介：第1王硕（1988-），男，研究实习员，研究方向：木材干燥。

文章编号：1001 - 9499（2016）01 - 0047 - 04

中图分类号：S781. 3, TU767. 7

文献标识码：A