装配式日光温室砌筑不同蓄热墙体的增温和草莓栽培效果

针对西北沙漠地区日光温室冬季夜间室内低温的问题,以新疆和田使用的装配式日光温室为研究对象,通过在温室内北侧砌筑砖墙体、砌块墙体和砌块填充沙土墙体3种材质的蓄热墙体,采用PT100铂电阻温度传感器对试验温室墙体、室内温度进行测试,并进行草莓栽培试验,用ACS-30型天平、LH-B55型数显折光仪进行草莓质量、可溶性固形物含量测量。由试验数据得,3种蓄热墙体体积、尺寸相同条件下,蓄热性能依次是:砌块填充沙土墙体砌块墙体砖墙体。装配式日光温室内砌筑砖墙体、砌块墙体和砌块填充沙土墙体,使得室温较装配式日光温室早晨07:00分别增加2.2、2.9和3.8℃。采用同样的种植管理技术,栽培的草莓开花期分别比原装配式日光温室早7、11和14 d,成熟期早14、17和20 d,单棚产量依次高24.2%、30.1%和33.4%,比装配式温室的草莓可溶性固形物质量分数平均值高1.4、2.1和2.6个百分点。进一步验证了墙体对日光温室热贡献的重要性,且砂浆砌块墙体比砖墙体增温效果明显,该墙体温室更适宜草莓生长。新砌筑墙体蓄热量与装配式温室热负荷计算数值一致,表明在没有其他加温设施的情况下,温室内新砌的墙体是室内夜间热源,可使温室内温度增加。该文为西北沙漠区日光温室墙体蓄热材料和结构设计提供参考,为日光温室内砂浆砌块的应用研究提供了依据。     

相变蓄热墙体对日光温室热环境的改善

该文以北京市郊区某蔬菜种植基地日光温室为研究对象,将所研制的新型相变蓄热墙体材料应用于日光温室北墙内表面,通过提高温室墙体太阳能集热与蓄热能力,达到提高太阳能热利用效率和改善日光温室热环境的目的。采用40mm厚相变蓄热墙体材料板的试验温室与同尺寸的普通砖墙的对照温室比较,2010年12月21日至2011年1月18日的比较试验结果表明:草帘开启时段(白天),前者后墙表面温度平均提高1～2.7℃,耕作层(0～20cm)土壤平均温度提升0.5℃,室内环境平均温度提升0.2～2.1℃;草帘关闭时段(夜间),试验温室后墙表面温度平均提高2.1～4.3℃,耕作层土壤平均温度提升0.5～1.4℃,室内环境平均温度提升1.6～2.1℃。所研制的相变蓄热墙体材料较好地改善了温室作物生长热环境,提高了日光温室的太阳能热利用率。     

制作方式对日光温室相变蓄热材料热性能的影响

日光温室墙体能否在有限的日照时间内高效蓄集太阳能,与日光温室墙体层的构筑方式以及所采用的建筑材料的热工性能（热阻、比热容、体积质量）直接关联。该研究将所研制的相变材料与普通建筑基材分别以直接混合方式和插层方式制成复合相变蓄热墙体材料板,通过比较试验的方法,从蓄热温度、时间、以及蓄热量等方面,比较了2种不同构筑方式对复合相变蓄热墙体材料蓄/放热特性和传热性能的影响规律。结果表明：同样蓄（放）热温度条件下,直混试件比插层试件提前70?min结束蓄（放）热;直混试件的蓄热量比插层试件大10%,放热量大15%,直接混合方式制成的复合相变蓄热墙体材料板的传热性能和蓄放热效率更好。该研究结果可为相变蓄热技术在日光温室建筑墙体的科学应用提供方法与建筑热工理论参考。     

不同结构主动蓄热墙体日光温室传热特性

主动蓄热墙体日光温室具有良好的蓄能效果,对改善日光温室内的热环境起到了重要作用。但是对其如何有效地提高了温室的储能效率的特性和机理研究还有待进一步探索,以及如何进一步优化其性能,明确设计指标需要深入研究。该文在深入研究日光温室热量散失规律的基础上,构建了传统主动蓄热墙体日光温室(G1)、回填装配式主动蓄热墙体日光温室(G2),并试验测试了G1和G2主动蓄热循环系统的进出口温湿度、墙体表面热流密度、室内气温等参数,详细分析其传热规律和特性。结果表明:典型晴天(2017年12月31日)蓄热时段G1、G2主动蓄热循环系统的进、出口平均温差分别为10.2、11.6℃,平均蓄热热流密度分别为90.21、141.94 W/m2;典型阴天(2018年1月14日)放热时段G1、G2的进、出口平均温差分别为1.8、2.3℃,平均放热热流密度分别为7.48、5.66 W/m2。对墙体内主动蓄热循环系统的传热特性进行分析,G2的主动蓄热循环系统的蓄、放热量均较G1多。对后墙除主动蓄热系统以外的墙体外壁面被动传热特性进行分析,典型晴天蓄热阶段G1、G2整日的蓄热量分别比放热量多142.01、281.55 MJ;典型阴天放热阶段G1、G2的蓄热量分别比放热量少51.36、29.05 MJ,G2白天蓄热量较多、夜间放热量较少,表明G2墙体的长期储热能力较G1更高,更有利于温室在长时间低温寡照天气条件保持更稳定的室内温湿度环境。该文可为主动蓄热日光温室结构优化及热负荷设计提供理论和实践参考,并为主动蓄热日光温室的进一步发展奠定研究基础。     

基于日光温室相变材料的梯形墙体热特性分析

将以石蜡为主的固-液复合相变材料喷涂到日光温室梯形北墙体内表面,对相变涂层温室梯形墙体和普通温室梯形墙体的热流量、北墙内的温度,以及室内外气温进行典型天气和月度变化的测试分析,以探究相变材料应用于日光温室梯形墙体后对室内热环境的影响。结果表明：晴天和阴天,相变涂层温室墙体的日间蓄热量和夜间放热量均显著高于普通温室墙体（P＜0.05）。相变涂层温室墙体与普通温室墙体在同一典型时刻相同部位温度存在一定差异,这种差异随着墙体深度的增加而逐渐减弱,0-300mm墙体内差异最显著（P＜0.05）。相变涂层温室墙体的累积蓄热量日平均值比普通温室墙体高8.1%,累积放热量日平均值比普通温室墙体高14.8%,相变涂层墙体表面和墙体内各层的月平均温度与普通温室墙体温度差异显著（P＜0.05）,相变涂层温室、普通温室和室外的月平均气温分别为9.93、8.63和-8.91℃。说明相变涂层墙体可有效增加墙体蓄放热量,提升温室气温尤其是夜间气温。     

北疆麦壳砂浆砌块填充蓄热材料复合墙体日光温室热性能

针对新疆戈壁沙漠区日光温室在冬季严寒条件下,传统墙体在夜间难以满足作物生长对热环境需求的问题,该文研究新型的保温蓄热墙体材料和结构。将墙体主体结构采用麦壳砂浆砌块,砌块中间空格填充蓄热材料,对麦壳砂浆砌块进行配比试验和性能测试,筛选出抗压强度、导热性能较优的砌块建造温室墙体,把麦壳砂浆砌块+红砖复合墙体日光温室和37 cm砖混墙体日光温室进行热性能对比试验,并种植番茄验证。试验结果表明:在相同外界环境下,室外最低温-20.8℃时,麦壳砂浆砌块复合墙体日光温室内温度为7.5℃,而砖混墙体日光温室内温度为3.2℃,砌块复合墙体日光温室内夜间出现最低室温时间较砖混墙体日光温室延迟42 min;相同条件下砌块复合墙体日光温室栽培的番茄收获期早16 d,单棚产量高18.4%,验证了砌块复合墙体日光温室的保温蓄热性能优于砖混墙体日光温室,且满足果蔬生长对热环境需求。该文提出的适应戈壁沙漠区日光温室麦壳砂浆砌块复合墙体及构造条件,为新型复合墙体在日光温室中的应用研究、设计提供理论参考。     

日光温室墙体传热特性的研究

为提高日光温室的节能效果、探索能有效提高温室热环境的墙体材料及组成，对结构相同、墙体材料不同的温室温度环境进行了测试，用频率响应法对不同材料组成的600 mm厚墙体的传热特性分别进行了理论分析。测试结果表明：在同一温室内，复合异质墙体夜间内表面温度比纯砖墙内表面温度平均提高3.7℃；在相同室外温度环境条件下，复合异质墙体温室内夜间空气温度比夯实土墙温室的室内温度平均提高3.0℃。理论分析结果显示：复合异质墙体对室外温度扰量的衰减倍数是聚苯乙烯泡沫塑料板(以下简称聚苯板)墙体的12.3倍、是纯砖墙的9.5倍；单位面积复合异质墙体全天向室外传热量是纯砖墙的1/17。理论分析及试验都证明聚苯板作为墙体的隔热材料、砖作为墙体的蓄热材料是合理的。该文给出了最佳墙体的组成。     

相变蓄热砌块墙体在日光温室中的应用效果

日光温室墙体的保温蓄热性能直接影响温室内气温和作物的生长。该文选用石蜡与硬脂酸正丁酯按质量比为5∶5制成复合相变材料,以稻壳为载体采用自然吸附法进行吸附得到相变骨料。相变骨料与建筑材料混合制成相变蓄热砌块,并以其为墙体建造相变蓄热温室。采用差示扫描量热法测试复合相变材料和稻壳骨料DSC（热流-温度）曲线,相变温区为15～45℃;复合相变材料的熔解潜热为116.2 kJ/kg,凝固潜热为118.5 kJ/kg,相变稻壳的凝固潜热值为70.63 kJ/kg,熔解潜热值为58.14 kJ/kg。用多点温度计测量相变温室和普通温室室内外气温和墙体内外表面温度,相变温室室内气温波动幅度比对照温室小4.1℃,最低气温比对照高1.7℃,而最高气温则比对照低2.4℃。通过在温室内栽培金鹏一号番茄试验,表明相变温室中番茄的生长状况明显优于普通温室。因此,该文采用的相变蓄热砌块墙体建成的日光温室比普通温室具有更好的蓄热保温性能,更有利于冬季作物生长。     

日光温室平板微热管阵列蓄热墙体热性能试验

为提高日光温室复合结构墙体热稳定层的温度并提升温室墙体材料的蓄热性能,该研究提出一种新型日光温室平板微热管阵列蓄热墙体(Micro Heat Pipe Array,MHPA),搭建了小型MHPA墙体温室试验台,采用对比试验的方法,结合温室墙体温度、墙体蓄放热量以及温室环境温度等评价参数,对比分析了典型日MHPA墙体的蓄放热特性及其改善温室热环境效果。结果表明,与普通温室相比,冬季典型晴天,放热时段(17:00至次日9:00)MHPA墙体内表面平均温度提高1.6～2.3℃,由室内向室外沿墙体厚度方向0～370 mm区域内MHPA墙体内部的平均温度提高2.7～4.0℃;MHPA温室的平均温室环境温度提升1.2～1.5℃,地表面平均温度提升0.6～1.0℃;MHPA墙体的日总蓄热量提高了8.93%～14.35%,日总放热量提高了2.24%～8.07%,且在夜间23:00至次日7:00 MHPA墙体的放热速率高于普通墙体的,平均提升11.53%。因此,MHPA墙体引入于日光温室墙体中可提升温室墙体材料的蓄放热性能,改善温室热环境。该结果可为日光温室平板微热管阵列蓄热墙体的应用提供参考。     

日光温室用双集热管多曲面槽式空气集热器性能试验

为了提高日光温室太阳能利用率,该研究提出了一种新型双集热管多曲面槽式空气集热器,并与该研究团队提出的日光温室太阳能主-被动"三重"结构相变蓄热通风墙体相结合构成太阳能主动集热蓄热系统,应用于乌鲁木齐日光温室。基于光学与传热学理论,重点考察了集热器结构(双集热管相对位置、长度)、集热器内空气流速、集热器进口温度、太阳辐射强度等参数,对该集热器光学性能和集热性能的影响规律。大量实验室试验及现场应用研究结果表明:1)新型双管集热器与同类型的单管集热器相比,空气流量增加了一倍、单位面积集热量增加了16%、集热效率提高了9%,冬季无跟踪条件下的集热效率为44%~52%;2)2015年11月-2016年2月乌鲁木齐日光温室应用实测结果表明,在集热器长度为16 m、管内空气流速为2.0 m/s的条件下,晴天集热系统可为日光温室提供约50~65 MJ的太阳热能,冬季累计可提供约5 325 MJ的太阳热能。研究结果为日光温室高效利用太阳能主动供热提供了新的技术方法参考。     

节能日光温室蓄热技术研究进展

节能日光温室起源于中国辽南地区,具有完全的自主知识产权,在中国设施园艺的发展过程中起到了重要的作用。节能日光温室的高效蓄热性能是其与普通日光温室的最主要的区别,节能日光温室的蓄热是通过结构、材料、设备的单一或协同应用来最大化利用太阳能为室内提供热能,有被动蓄热和主动蓄热2种形式。目前的形式主要包括主动采光蓄热、空气循环蓄热、水循环蓄热、相变材料蓄热、卵石蓄热、热泵蓄热、联合方式蓄热。该文综述了节能日光温室蓄热技术的相关研究成果,分析了主要技术问题及研究重点,从传统日光温室节能化改造、节能日光温室新结构发展、蓄热技术研究方法集成及市场化推广应用4个方面进行未来发展方向和研究内容的展望,为国内开展节能日光温室蓄热技术研究提供参考。     

日光温室装配式土质夹心墙体热湿迁移及蓄放热性能研究

为研究日光温室装配式土质夹心墙体的热湿迁移及蓄放热性能,通过可控式墙体热湿耦合试验台控制墙体两侧温度、相对湿度的不同,实测墙内温度、相对湿度的稳态分布及瞬态变化,并对墙体的蓄放热性能进行定量计算与分析。结果表明：该层状异质结构复合墙体,热湿迁移存在耦合但并不明显;墙内填土始终保持高湿状态,有利于墙体蓄放热,是该墙体的主要蓄放热体;外侧墙板保温隔热效能明显,室外环境变化对墙体保温蓄热性能影响较小,且能使墙内热量主要向室内单向释放;墙内热量释放存在滞后效应,最长可持续6 d+6.5 h,但以快速放热期（4 d+8 h内）所释放热量为主,约占总放热量的85.64%～91.21%;所建立的数值分析方法可为不同厚度的同类墙体设计与建造提供参考,具有指导生产意义。该新型墙体设计理念先进,蓄放热性能优越,且能够快速装配、重复利用、就地还田,适于在中国大面积推广应用。     

日光温室土墙体温度变化及蓄热放热特点

为研究日光温室土墙体温度变化规律及蓄放热特性,以泰安市下挖式土墙日光温室为研究对象,在温室北墙布置5个测试层,通过各测试层最冷季节(30 d)温室内气温、墙体温度、室外气温及室外太阳辐照度测试数据,分析了土墙日光温室内部温度及墙体内温度的分布规律。结果表明:各测试层墙体表面及0.1~0.6 m处测点的温度均呈现出随温室气温周期性变化的规律,且随着墙体厚度的增加温度的波动幅值逐渐减小,相位明显后移;0.7 m以后测点的温度幅值趋于稳定,处于稳态向室外的导热过程。基于墙体温度分布规律,对墙体白天的蓄热量、夜间的放热量及墙体夜间放热效率进行了计算,得出墙体夜间放热效率为43%,表明土墙白天蓄积热量的43%用于改善夜间温室内热环境。对墙体蓄热和放热量计算,综合评价墙体的平均放热效率,可以为土墙日光温室结构优化及热负荷计算提供指导,为各地土墙温室轻简化技术研究提供理论基础。     

日光温室钢管屋架管网水循环集放热系统的性能分析与试验

为探讨日光温室蓄放热新途径,研究了钢管屋架管网水循环集放热系统,测试了该系统的集热与蓄放热状况。理论计算表明,在屋架间距为1 m,上、下弦杆件均为外径33.5 mm的圆管时,系统的太阳能截获率可达7%~8%。在室内地面面积为620 m2的日光温室中的冬季测试结果表明,容积为8.6 m3的蓄热水体白昼日平均蓄热温升4.7℃,平均蓄热量为149 MJ,蓄热流量为8 721 W;夜间水体日平均放热温降2.5℃,平均放热量为78.9 MJ,平均放热流量为5 974 W;与对照日光温室相比,平均提高夜间室内最低气温2.4℃。屋架集放热系统利用温室原有屋架作为集热与放热构件,不会妨碍室内的生产作业,同时成本低,运行管理简单,容易维护。     

基于CFD的日光温室墙体蓄热层厚度的确定

日光温室墙体蓄放热能力的优劣取决于墙体蓄放热特性与蓄热层厚度,确定日光温室蓄热层厚度,对于推进日光温室墙体改进意义重大。该研究以温室内太阳辐射与室外气温作为输入条件,按照试验温室实际尺寸和相关关系进行参数化建模并模拟计算不同月份墙体蓄热层厚度。选择乌鲁木齐地区2018年1月-4月典型晴天进行测试,以温室地面、墙体表面的太阳辐射为输入条件,室外空气温度为边界条件,利用AutodeskCFD软件对晴天9:00至次日9:00的温室砖墙内部温度场进行了模拟,并通过对比墙体内部0、10、20、30、40、50 cm处温度测点的实测值与模拟值验证模拟结果的准确性。结果表明,温室墙体模拟结果与测试结果吻合度较高,1月9日、2月9日、3月6日各层平均误差均在1.5℃以下,4月6日实际值与模拟值误差较大,模拟值较实际值滞后,趋势随着深度与墙体温度的升高而更加明显。在温室墙体材料、结构、室内外的光温环境的共同影响下,温室墙体传热是一个复杂的非稳态过程。砖墙温室与土墙温室类似,墙体可划分为"保温层、稳定层、蓄热层",各层的厚度与墙体蓄热材料、保温材料的热物性有关。对墙体温度场、各层的温度衰减因子以及延迟时间分析可知,墙体厚度在0～30 cm范围内,墙体温度波动较为明显,墙体厚度大于30 cm时,温室墙体一天内温度波动较为平缓,波幅较小。随着气温回升,温室墙体内部温度整体提高,各层温度波动相差不大。在温室结构、保温性能不变的情况下,温室蓄热层厚度及波动情况受外界光温环境的综合影响较小。综上所述,采用CFD模拟温室墙体温度场的变化,并根据温室墙体温度场变化确定温室墙体蓄热层厚度是可行的,可靠性较高。该研究可为其他区域优选温室墙体结构,推进日光温室墙体改进提供依据和参考。     

复合相变储能保温砂浆在日光温室中的应用效果

为改善日光温室内作物生长的热环境,该文研制了一种适用于日光温室的石膏基石蜡/膨胀珍珠岩复合相变储能保温砂浆,其相变温度为25.6℃,相变潜热为89.8 k J/kg。并将50 mm的复合相变保温砂浆用于砖墙日光温室的后墙作为试验温室,与无相变材料的原砖墙温室(即对照温室)进行对比试验。在试验周期内,试验温室的室内日最低温度比对照温室平均高出1.5℃,最高可达2.4℃;其中,阴天试验温室的室内温度比对照温室平均高1.6℃;晴天试验温室的室内最高温度比对照温室低1.7℃,室内最大温差比对照温室低3.1℃,夜间(17:00-次日8:00)试验温室室温比对照温室平均高2.7℃;多云期间,试验温室的室内最高温比对照温室低1.4℃,最大温差比对照温室低3.5℃,夜间试验温室室温比对照温室平均高2.3℃;在相同栽培管理条件下,生长旺盛期和坐果期,试验温室的黄瓜植株高度比对照温室分别平均高出17.1和24.6 cm,试验温室内黄瓜的单果质量和单株结果数分别为对照温室的1.4倍和1.3倍,单株产量为对照温室的1.8倍。试验结果表明,复合相变储能保温砂浆具有良好的保温和蓄、放热效果,对日光温室内的热环境具有明显的改善效果,使其更适于黄瓜的生长。     

日光温室土墙传热特性及轻简化路径的理论分析

为减小日光温室土墙厚度,该研究在分析土墙温度变化的基础上提出了土墙轻简化路径并进行了理论分析。根据测试分析,土墙可划分为用于储蓄热量的蓄热层和防止热量从蓄热层向室外方向流失的保温层。土墙86.9%的部分为保温层。模拟结果表明使用由47 cm厚夯土和7 cm厚聚苯板(热阻等于3.13 m厚夯土保温层)构成的复合墙在夜间的放热量与3.6 m厚土墙相近。使用保温材料替代夯土保温层来减薄土墙在理论上可行。另外,根据模拟,当土壤20 cm深处温度提高至23℃后,土壤供热量可超过测试条件下土壤和土墙放热量总和。为此,土墙在理论上可通过以下2条途径实现轻简化:1)使用保温材料建造墙体保温层;2)使用土壤蓄热替代墙体蓄热。     

温室墙体中覆铝箔封闭空气腔热工性能模拟分析

通过建立封闭空气腔二维稳态流动传热模型和温室墙体一维非稳态导热模型,模拟计算封闭腔内空气温度分布,研究了日光温室墙体中覆铝箔封闭空气腔的热工性能。结果表明:壁面覆铝箔可有效减少封闭空气腔的辐射换热量;封闭空气腔的热阻随封闭腔高度的增加而增大,高度达1.5 m后,热阻趋于不变;封闭空气腔的厚度小于0.03 m时,其热阻随厚度增加而增大,厚度超过0.03 m后,热阻逐渐减小;覆铝箔封闭空气腔高度为1.5 m、厚度为0.03 m、内外壁面温差为2~20 K时,热阻为0.70~0.55 K·m~2/W,保温隔热效果相当于0.81~0.64 m厚夯实黏土结构、0.55~0.43 m厚红砖砌体结构墙体或0.20~0.16 m厚煤渣、0.06~0.05 m厚珍珠岩、0.03~0.02 m厚聚苯板隔热材料。3组30 mm厚覆铝箔封闭空气腔加480 mm红砖复合墙体(360 mm红砖墙+3组30 mm封闭空气腔+120 mm红砖墙,240 mm红砖墙+3组30 mm封闭空气腔+240 mm红砖墙),其夜间向室内放热量较单一480 mm红砖墙体提高99.5%~104.2%,与相同结构聚苯板红砖复合墙体无明显差距。