一种新型石墨烯电加热实木复合蓄能地板

1.本发明属于实木复合地板领域，具体涉及一种新型石墨烯电加热实木复合蓄能地板。


背景技术：

2.实木复合地板是以实木拼板或单板为面层，实木为芯层，单板为底层制成的企口地板， 通常以面层树种来确定地板树种的名称。其不同于市场中所谓的“复合地板”，实木复合地 板是由不同树种板材交错层压而成的，克服了实木地板单向同性的缺点，干缩湿胀率小， 具有良好的尺寸稳定性，并保留了实木地板自然木纹和舒适的脚感。实木复合地板兼具强 化地板的稳定性和实木地板的美观，具有相当的环保优势。在保持传统电加热地板的前提 下使用户产生更加优质、安全、舒适的生活体验，同时低温加热和温度调节系统使得能源 消耗进一步降低，为绿色家居生活提供了一种新的思路。
3.实木复合电加热地板是一种新兴的采暖手段，采用更高效率的热传导方式与节能化、 智能化反馈控制系统，可作为室内采暖的主要热源。由于现有的普通电热地板存在热效率 低下、表面温度或高或低、蓄能效果差等问题，同时，传统的电加热地板还会存在无法自 主调节温度或成本太高等困难。


技术实现要素：

4.本发明为解决背景技术中存在的上述问题，提供一种新型石墨烯电加热实木复合蓄能 地板。
5.为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
6.一种新型石墨烯电加热实木复合蓄能地板，所述地板自上而下包括地板面层、基材层 和地板底层；
7.所述基材层下表面加工深度为2mm的凹槽，所述凹槽中设有石棉网阻热层；
8.所述地板面层下表面开有凹槽，基材层上表面开有凹槽，两个凹槽相配合设有石墨烯 散热层。
9.进一步地，所述基材层与地板底层之间、地板面层与基材层之间、地板面层与石墨烯 散热层之间、石墨烯散热层和基材层之间均采用脲醛树脂胶合。
10.进一步地，地板面层底部凹槽深度为2mm，肋片高度为1mm。
11.进一步地，所述石墨烯散热层由上绝缘层、上石墨烯散热层、电热膜、下石墨烯散热 层、下绝缘层组成。
12.进一步地，所述电热膜选用0.250pet+0.050eva+0.100pet材料，厚度约为0.5mm。
13.进一步地，所述电热膜下端面与下石墨烯散热层上端面贴合。
14.进一步地，在地板面层不安装温度传感器，当通电后加热时间达到临界温度(28℃) 所需时间时，控制系统使得电热膜断电，当地板面层冷却到一定温度(22℃)所需时间 时，控制系统使得电热膜重新启动，继续加热一定时间后，使得温度重新回到临界温度， 循
发泡材料传热特性研究及仿真.包装工程，42(11):87－95”研究结果，电热膜所用碳晶石墨 烯是一种轻质材质，其具有优良的散热性能，且耐氧化性较好，不会产生锈蚀，其成本也 较低，一般都用来作为导热和散热的首选材料，故本发明涉及到的复合石墨烯电加热地板 采用碳晶石墨烯膜作为导热材料。同时选用石棉纤维作为复合石墨烯电加热地板的石棉网 阻热层8，因为石棉纤维的导热系数为0.104-0.260w/(m
·
k)，具有良好的隔热性能及高度 耐火性，且其还具有高抗张强度，耐化学和热腐蚀的特性，电绝缘性和绝热性能也较好， 是用来保温和绝缘材料的不二之选，这些特性正好符合本发明涉及到的实木复合石墨烯电 加热地板的性能要求。
30.通过三维设计软件solidworks对石墨烯电加热实木复合地板建立模型如图2所示， 地板面层1和石墨烯层之间榫接，基材层7与地板底层9通过胶接连接在一起，基材层7 下端面开槽嵌入石棉网阻热层8。
31.如图2所示，建立的实木复合石墨烯电加热地板的模型，从上到下的顺序依次为实木 地板面层1、上绝缘层2、上石墨烯散热层3、电热膜4、下石墨烯散热层5、下绝缘层6、 基材层7、石棉网阻热层8、地板底层9，其中石墨烯散热层上方开沟槽，开槽位置可因 加工方式而调整，比如，如果便于加工，可在石墨烯上开槽并使绝缘层紧贴；也可先连接 厚绝缘层后在绝缘层上开小槽，目的是扩展传热面的面积，根据热传导傅里叶定律可知， 传热量q与碳晶石墨烯散热板的传热面积成正比，故提升传热量可使用增大传热面积的 方法来实现，本发明根据肋化传热的理论来设计碳晶石墨烯散热板，其中碳晶石墨烯凸出 的表面成为肋，根据文献“姜林欣,李博.2020.结构特征对螺旋管换热器性能的影响.包装工 程，41(13):197－203.”的研究结果，肋可有效增大传热部分的面积，达到增加传热量的目 的。
32.设计石墨烯电加热地板的自动温度调节控制系统，从而实现地板在工作时对加热温度 的自我调节。设计的温度控制系统主要包括热能发生系统、热能的转换系统、热能传递系 统、散热系统以及其它保证室内温度的自动化控制系统。控制系统的实现过程为，接通电 源后，电热膜进行发热并通过计时器调节所需温度，再经过石墨烯膜将热量传递到实木地 板面层。其控制系统如图3所示。
33.石墨烯电加热实木复合地板的电热媒介采用的是石墨烯散热层中的金属碳晶石墨烯 和电热膜中的碳纤维及镀银铜丝，是其主要的发热体，接通电源后，碳纤维油墨的原子分 子在电场的作用下激烈的震荡撞击，从而产生热能，电热膜则以热传导的方式将热量传递 至金属碳晶石墨烯中。碳晶石墨烯散热板把热量以热传导的方式传递到地板面层，电热膜 产生的热能均匀地通过金属碳晶石墨烯传输到实木复合地板面层，当石墨烯散热层与地板 的表面温度达到平衡后，地板面层就会以恒定的温度进行辐射放热，将热量以辐射的方式 传递给室内的空气，传递的热量：
[0034][0035]
式中，cn为辐射系数；f1为辐射体的辐射表面积。t1、t2分别为地板表面温度与室 内空气温度。
[0036]
空气分子获得热量后伴随分子热运动与室内墙壁之间进行对流换热，对流换热的热量 为：
[0037]
q＝α(t
w-tf)f
[0038]
式中，q为对流换热量，单位为w；α为对流换热系数；tw，tftw分别为壁面和流体的 平均温度，单位℃；f为对流换热面积，单位m2。
[0039]
根据热空气轻，冷空气重的这一热工学原理，石墨烯电加热地板辐射的热量使得室内 的热空气不断的上升，冷空气不断下降补充并逐渐被加热，重复此循环过程，室内温度不 断提升，最终达到取暖的目的。因此，上述地板的传热过程如图9所示。
[0040][0041]
本发明通过对地板模型的传热分析，得到地板达到临界温度的加热时间，故而可以利 用简单的计时器进行自主的温度调节，低成本的调节方式降低了电热地板生产成本，能够 给予用户更为舒适的智能家居体验。
[0042]
实施例1：
[0043]
步骤一：建立石墨烯电加热地板的各层厚度与结构
[0044]
石墨烯电加热实木复合蓄能地板为三层结构，地板面层双面砂光定厚为4mm，采用 刨花工艺樱桃木，顺纹铺设；基材层采用普通松木，经过定厚砂光厚度为8mm，横纹铺 设；地板底层为低档单板，利用旋切松木双面砂光定厚为2mm。选定厚度为2mm的隔热 石棉网作为石棉网阻热网，在基材层的下表面加工出深度为2mm的凹槽，在凹槽中加入 2mm石棉网，基材层下表面与地板底层上表面通过脲醛树脂胶粘剂紧密贴合。在地板面 层和基材层中加入石墨烯散热层进行热传导，面板层底部开2mm深肋片型凹槽，其中凹 槽深度为1mm，石墨烯散热板根据肋化传热的依据，在上表面加工出突出肋片部分，以 增加传热面积，将石墨烯散热层肋片镶嵌在地板面层的底部凹槽中，石墨烯散热层上端面 均匀涂0.5mm厚脲醛树脂胶粘剂，胶粘剂此处既起到了粘接的作用，又起到了绝缘的作 用，石墨烯散热层下表面与基材层上表面通过脲醛树脂胶粘剂粘接。石墨烯散热层由上绝 缘层、上石墨烯散热层、电热膜、下石墨烯散热层、下绝缘层组成，电热膜选用 0.250pet+0.050eva+0.100pet，实际厚度约为0.5mm；电热膜下端面与下石墨烯散热层 上端面贴合，下方石墨烯散热层不加工槽口；下石墨烯散热层6下端面同样涂有定厚 0.5mm的脲醛树脂胶粘剂，起到粘接和绝缘层的作用。整体石墨烯散热层加装在地板面 层和基材层的凹槽中，与表层下端面凹槽粘接，地板表层和基材层通过脲醛树脂胶合。整 体规格是910mm
×
127mm
×
18mm。
[0045]
综上所述，将石墨烯电加热实木复合地板各层结构如图10所示。
[0046][0047]
石墨烯电加热实木复合地板分层结构如图1所示。图1中由1～9分别为地板面层、 上绝缘层、上石墨烯散热层、电热膜、下石墨烯散热层、下绝缘层、基材层、石棉网阻热 层、地板底层。
[0048]
步骤二：建立石墨烯电加热实木复合地板的温度控制系统
[0049]
利用温度检测元件测出实际室温，并转换成电压信号，与预先设定好的室内温度的电 压信号一起加在放大器输入端，并进行大小比较，其差值信号经放大器放大后驱动电热膜 供暖系统作出相应的动作，当检测到的室内温度低于预设定的室内温度时，电热膜供暖系 统开始启动，持续供热，将热量以热传导的形式传递到低温物体碳晶石墨烯散热板上，进 而使室内温度分布均匀；当平均室温达到预设定温度要求时，差值信号为零，电热膜供暖 系统停止运行，通过间断的开启和关闭来控制房间的温度。
[0050]
上述石墨烯电加热地板的温度控制系统是现有典型的闭环控制系统，如图4所示，
通 过计时器对室内温度进行调节，打开电源，对整体输入一个电信号i(t)，通过控制方程对 系统传热进行控制，当温度升高至设定温度时，系统断电，实现反馈调节k1；断电后温 度降低，当达到规定时间后，系统通电，重新开始加热，实现反馈调节k2；当达到规定 时间，地板表面温度过高时，切断供电电路，确保安全，从而杜绝隐患。当温度较低时又 能保证温度的循环供给，保证了产品的舒适性和节能性。
[0051]
电热膜的供暖系统启动与否和电热膜的温控器设定的预定温度有关，当室内温度低于 所设温度时，电热膜的供暖系统则会启动，根据空气循环对流的原理，冷空气会在下方， 电热膜加热后热量经石墨烯散热层和地板面层传递到室内，对冷空气循环加热，使室内温 度均匀，当达到预定时间时，电热膜温控器会自动关闭供暖系统，房间温度的恒定通过此 控制系统来实现调节。
[0052]
根据北方冬季的采暖要求与中医“温足而凉顶”的养生理念，人员经常停留的地面，宜 采用24℃～26℃，温度上限值28℃。人员短期停留的地面，宜采用28℃～30℃，温度上限 值32℃。无人员停留的地面，宜采用35℃～40℃，温度上限值42℃。石墨烯复合加热底 板通常应用于北方家居，为人员经常停留的地板面层，我们以人员经常停留地面为标准， 32℃为电热膜的加热温度，28℃为地板表面适宜人体的上限加热温度，保持温度为26℃。 此时人体感受到的温度大致在18℃～22℃，在寒冷的冬天带给人酣畅淋漓的温暖和舒适， 从能耗上来讲，也能节约能源，实现相对经济的采暖温度。
[0053]
本发明利用简单的计时器进行温度调控，根据热分析仿真结果，得到温度变化曲线如 图7、8所示。在地板总厚度为18mm的情况下，地板表面经过加热达到22℃的时间为 1637秒，达到26℃的时间为3342秒，达到28℃的时间为6533秒，为了便于设置计时器， 加热时间分别向分钟取整，可得达到22℃的时间为27分钟(1620s)，达到26摄氏度的 时间为56分钟(3360s)，达到28℃的时间为109分钟(6540s)。因此地板启动后，加 热109分钟即可断电，当地板断电后，经过1486秒(图8仿真得到)温度降到22℃，向 分钟取整为25分钟(1500s)。当地板断电25分钟后，控制系统使地板再次加热81分钟， 如此循环就能使得地板面层始终处在22℃～28℃之间，给用户最舒适的体验。
[0054]
步骤三：计时器设置控制加热时间
[0055]
根据上述内容，地板刚开启通电时，设置加热时间为109分钟，到达109分钟后即自 动断电，25分钟后地板表面温度低于22℃时，控制系统使地板再次加热81分钟，如此 循环就能使得地板面层始终处在22℃～28℃之间。
[0056]
对比例1：
[0057]
对比对象选择pcm电加热地板，厚度为18mm，表层14为桉木双面砂光，厚度为 4mm，相变材料层15选择复合pcm，厚度为3mm，基材层16由8mm厚松木锯材构成， 电热膜17低温加热，底板18采用松木定厚2mm，电热膜是1mm。基本结构如图5所示。
[0058]
实验室规格尺寸为8m
×
6m
×
3m，采用热电偶温度测量仪测量单位时间内地板面层和 底层温度的变化情况。选定室内温度为供暖后常温16℃
±
2℃，湿度为20
±
5％，并在室内 放置加湿器以维持升温后湿度波动不大。将普通电热地板和实木复合石墨烯电加热散热板 地板分别以三块拼装成为一组，两组均正面朝上平铺在实验室两侧。在地板上均匀布置6 个温度采集点，室内垂直方向布置3个温度采集点，间隔0.5m。通电加热1000s，随着石 墨烯电加热地板的通电加热，地板表面温度逐渐升高，室内外温差随之增大。停止工作 0.5
小时，地板表面温度自然冷却。
[0059]
普通电热地板和复合石墨烯电热地板通电1000s面层温度变化如图6。由图可以看出， 停止加热后地板都会持续升温一段时间，石墨烯电加热地板19的蓄能效果更佳，并且在 经历峰值后1小时之内，普通地板20很快降温至20℃以下，而复合石墨烯电加热地板降 温速度相对较慢，在1小时之内地板面层仍保持在20℃以上，因此可以看出，复合石墨 烯电加热地板具有更好的蓄能效果，能够在提供舒适生活的前提下，节约更多的能源。
[0060]
通过对比实验，验证石墨烯电加热实木复合地板具有更好的传热效率和蓄能效果，同 时能够为寒冷的北方冬季提供一种更为安全、清洁、舒适、健康的采暖方式。