相变材料墙体在郑州地区下沉式日光温室中的保温作用

将以CaCl2为主的水合无机盐复合相变材料平铺一层于郑州地区下沉式日光温室后墙夹层内,以普通温室为对照,观测并探讨典型天气条件下相变温室和普通温室室内温度、后墙内表面温度以及室内外温差变化规律。结果表明,晴天相变温室在揭苫后平均升温速率为3.26℃/h,低于普通温室的3.65℃/h,午后最高温低于普通温室但差异不显著,全天后墙内表面平均温度高于普通温室3.9℃,夜间室内温度高于普通温室1.8℃,室内外温差大于普通温室。阴、雨天相变温室与普通温室的室内温度、后墙内表面温度以及室内外温差均表现出一致的变化趋势;雪天温室内温度以及后墙内表面温度全天呈下降趋势,相变温室温度下降速率高于普通温室0.08℃/h,而相变温室室内外温差变化较小,普通温室室内外温差逐渐变大。相变材料能有效吸收储存热量,提高室内温度。试验结果可为水合无机盐复合相变材料的保温降能耗特性提供理论支持,也可为其在日光温室中的推广应用提供依据。     

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。     

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。     

日光温室土质梯形墙体与地表太阳辐射测定分析

为研究日光温室梯形土质后墙与地表太阳辐射分布规律,采用辐射探头分别与墙体和地表平行的方式测定了后墙内表面上、中、下3点和地表面南北方向2点的太阳辐射照度。在墙体表面测试并比较了同一测点2种测法（探头水平安装与倾斜安装）的区别。结果表明,在墙体同一测点2种测法所测太阳辐射照度有显著性差异,倾斜法所测值大于水平法所测值,倾斜法所测值应为墙体表面实际得到的太阳辐射照度。在不开风口的情况下,墙体：温室后墙上、中、下3点表面日均太阳辐射照度依次升高。晴天,上、中、下3点日辐射总量分别占墙体日辐射总量的21.6%、36.6%和41.8%;阴天,这一比例为22.5%、34.0%和43.5%;地面：南北方向2测点太阳辐总量总是南部大于北部,南北2点太阳辐射总量分别占地面辐射总量的62.0%和38.0%;阴天的比值为63.2%和36.8%;墙体与地面：地面太阳辐射总量高于墙体。晴天,墙体表面太阳辐射总量为8.117 MJ/m2,地面为8.280 MJ/m2,地面值略高于墙体,差异不显著;阴天,墙体与地面太阳辐射总量分别为0.984 和2.068 MJ/m2,地面太阳辐射总量显著高于墙体太阳辐射总量。该研究为探讨该类型温室热环境提供参考。     

日光温室土质墙体内热流测试与分析

对山东省寿光市下沉式日光温室的土质墙体内不同厚度处的温度、室内外气温及墙体表面太阳辐射进行连续观测,以分析土墙内温度和热流的变化,探明日光温室后墙热传导规律。结果表明:日光温室土质后墙内热量传递呈现一定的日变化规律,墙体热流传导主要沿厚度方向,表层蓄、放热过程明显。在试验条件下,晴天时,白天通过墙体累计吸热量为2657kJ·m-2,夜间向温室内累计放热量为1865kJ·m-2;雪天时,通过墙体累计吸热量为18kJ·m-2,累计放热量为859kJ·m-2。在下沉式日光温室土质墙体内存在有效蓄热层和保温层,墙体各层功能不同,因此建议在墙体建造时选用不同功能材料分层处理,以发挥日光温室墙体的最大蓄热保温能力。     

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。     

装配式主动蓄热墙体日光温室热性能分析

主动蓄热墙体日光温室作为节能日光温室的一种发展形势,具有较好的蓄放热效果,但施工速度慢、建造成本高。该文采用不同施工工艺建造装配式主动蓄热墙体,对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)、模块装配式主动蓄热墙体日光温室(G3)进行冬季室内环境测试。试验结果表明,连续晴天条件下,G1、G2、G3的夜间平均气温分别为15.2、16.0、17.3℃,连续阴天条件下,3座温室的夜间平均气温分别为11.3、12.9、13.0℃;连续31 d(2017-12-22至2018-01-21)的测试结果分析表明3座温室的气温总体表现为G3略优于G2,G3、G2均优于G1;G1、G2、G3在典型晴天蓄热体厚度分别为700~800、800~900、700~800 mm,在典型阴天蓄热体厚度分别为300~400、500~600、500~600 mm,G2、G3蓄热体厚度较G1大;G1的每平方米建筑成本为461.1元,G2、G3分别较G1降低了71.2、162.1元;运行成本表现为G1G2G3。综上,G3的空气及墙体的温度与G2差异不大,但均优于G1,可满足番茄的越冬生产。因此,装配式日光温室主动蓄热墙体的技术方案可行,且成本较低,在适宜日光温室发展的地区具有一定的推广价值。     

下沉式日光温室南侧边际区域土壤温度变化特征

为进一步优化日光温室结构,对下沉深度为80cm的日光温室内距南立面0～5 m(深度0.1 m)、温室外距南立面0～1 m(深度0～60 cm)范围内的土壤温度进行实测,以确定日光温室南侧边际区域土壤温度的变化特征,并与非下沉式日光温室的南侧边际效应区域对比,分析两者的优劣之处。结果表明:在最冷的1月份下沉式日光温室内南侧土壤边际效应界点位于距南立面160 cm处,在3月下旬仅位于距南立面20 cm处;1月中旬,1d内温室内的土壤边际效应界点与南立面的最远距离为180 cm,最近距离为60 cm,界点出现的时段分别为≥03:00～09:00、≥15:00～18:00。与非下沉式日光温室相比,下沉式日光温室南侧的边际区域明显缩小。温室外距南立面0～1 m(深度0～60 cm)范围内,在垂直南立面和垂直地表方向上均存在温度相对稳定的界面。作为日光温室优化设计的指标之一,边际区域的缩小显现出河南地区下沉式日光温室的优越性。     

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。     

日光温室三重结构相变蓄热墙体传热特性分析

针对目前国内日光温室墙体在热工性能设计方法方面存在的不足,该文提出了日光温室三重结构相变蓄热墙体构筑方法;结合试验结果,提出了关于该结构墙体传热性能分析方法及其评价指标。分析结果表明：1）三重结构墙体有着较好的蓄放热性能,利用墙体内侧（温室侧）的相变蓄热材料,可以显著提高墙体太阳能利用率,在太阳日累计辐照量为9.32 MJ/m2下,比参照温室北墙体的有效蓄热量提高了26.6%;夜间,相变温室三重结构墙体的累积供热量比参照温室砌块砖墙体的提高了16.2%,并且该墙体相变材料层的单位体积有效蓄热量为80.0 MJ/m3,是三重结构墙体中砌块砖层有效蓄热量的10倍;2）透过前坡屋面照射在温室北墙内表面太阳能影响墙体温度变化的深度有限,约占0.90 m厚三重结构墙体的33.3%,并且在温室墙体内部存在着温度稳定区,其厚度占0.90 m厚三重结构墙体的61.1%。试验结果表明仅通过增加温室墙体厚度以提高墙体的太阳能显热蓄热效率是非常有限的。该研究结果可为日光温室墙体的合理构筑、相变蓄热技术在日光温室的应用以及温室墙体的相变传热问题分析提供参考。     

日光温室墙体蓄热层厚度确定方法

为合理确定墙体蓄热层厚度,该研究提出了蓄热层确定方法,并利用土墙(顶宽2.0 m、底宽5.3 m)在晴天的温度变化对该方法进行了检验。根据墙体保温蓄热特性,其蓄热层可认为是:1)室内侧墙体在白天结束(保温被闭合)时刻与白天起始(保温被揭开)或夜间结束(次日保温被揭开)时刻温度之差大于1℃的区域(该方法简称为"温差法");或2)室内侧墙体一天内温度波幅大于1℃的区域(该方法简称为"温波法")。根据温差法和温波法所确定的土墙蓄热层厚度分别为30和40 cm。考虑到墙体对温度波的相位滞后作用,根据温差法所获得的结果偏小。最后,该研究基于一维差分法提出了蓄热层厚度计算模型,计算得到土墙蓄热层厚度为38.5 cm,与试验结果一致。     

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·m2/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。     

日光温室后墙蓄放热帘增温效果的性能测试

为了增加日光温室有效蓄热量,改善日光温室夜间温度环境,保障作物安全越冬,该文设计了一种以日光温室后墙为结构支撑的温室蓄放热帘增温系统,白天利用该系统的集放热板吸收太阳辐射热,并通过水介质将热量储存于蓄热水池中;夜晚通过水介质的循环将蓄积的热量释放到温室中,以提高夜晚温室内空气温度。试验结果表明：晴天时应用温室蓄放热帘增温系统能将温室夜间平均气温提高4.6℃,阴天时能提高温室夜间平均气温4.5℃;试验期间当室外最低气温为-12.5℃时,对照温室最低气温仅为5.4℃,而试验温室最低气温为10.1℃;该系统在阴天平均集热效率为42.3%,在晴天时平均集热效率为57.7%;与电加热方式相比该系统的节能率达到51.1%以上。     

固化沙蓄热后墙日光温室热工性能试验

结合西北非耕地地区多沙的特点,在因地制宜、就地取材的基础上,该课题组设计了1种以多孔砖和固化沙为后墙结构主要材料的新型复合墙体日光温室。该日光温室有被动蓄热后墙和主动蓄热后墙2种类型,被动蓄热后墙以固化沙为主要蓄热体,主动蓄热后墙在被动蓄热墙体的基础上增设了蓄热循环系统。通过在内蒙古乌海地区进行试验,分析其热工性能,并与当地普通砖墙日光温室性能进行比较分析。试验结果表明,晴天条件下,固化沙被动蓄热后墙温室、固化沙主动蓄热后墙温室、普通砖墙温室的夜间平均气温分别为13.7、17.0、12.8℃。阴天条件下,3座温室的夜间平均气温分别为10.6、13.8、10.0℃。固化沙被动蓄热后墙温室墙体内部恒定温度区域处于500~740 mm之间,蓄热体厚度近500 mm,其中固化沙蓄热体厚度近380 mm。固化沙主动蓄热后墙温室的墙体内部恒定温度区域处于740~1 000 mm之间,蓄热体厚度超过740 mm,其中固化沙蓄热厚度超过620 mm。综上,固化沙主动蓄热后墙日光温室的热工性能明显优于固化沙被动蓄热后墙日光温室及当地普通砖墙日光温室,可满足喜温作物的越冬生产,在西北多沙地区具有一定的实用推广价值。     

基于CFD的下沉式日光温室保温性能分析

为了深入了解下沉式日光温室的保温性能,该文基于非稳态传热模型,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件模拟盖帘状态下下沉式日光温室的温度场,并采用试验对CFD模拟温室内的温度场进行验证,验证结果表明,CFD对下沉式日光温室盖帘状态下温度场的模拟具有较高的可信度.为了提高下沉式日光温室的保温效率,使用CFD软件对不同盖帘时间的下沉式日光温室的温度场进行模拟,并分析其对热能分布的影响.结果表明,不同盖帘时刻对下沉式日光温室夜间温度的影响差异显著;在午后弱光、室内外温差较大条件下,提前盖帘可以显著提高日光温室内夜间温度.该研究为CFD在下沉式日光温室研究中的应用及下沉式日光温室盖帘管理提供参考.     

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。     

后墙立体栽培草莓提高冬季日光温室内温度

在日光温室的后墙上,采用管道无土栽培方式进行蔬菜或草莓生产,可以提高温室空间利用率和作物种植量,但可能会出现因为管道和植物的挡光而减少后墙蓄热、降低冬季温室温度的问题。为此,通过冬季连续31 d的温度监测,在3种典型气象（晴天、阴天、雪天）条件下,对比分析了有后墙立体基质栽培的日光温室（solar greenhouse with equipment,ESG）和无后墙立体栽培的日光温室（solar greenhouse with no equipment,NSG）温度环境的变化。监测结果表明,ESG的月平均气温较NSG高0.84℃,其中最大日温差为2.22℃,最小日温差为0.14℃。晴天条件下,ESG的日平均冠层温度和1.5 m高度处的空气温度分别是12.72和13.04℃,NSG分别是10.68和11.04℃;ESG的冠层温度最低值是4.68℃,而NSG最低值是4.10℃。可见,ESG较NSG的气温要略高一些;阴天和雪天条件下,2种温室内的温度环境无显著差别。因此,利用日光温室后墙进行立体基质栽培草莓,不但没有降低反而提高了冬季温室内的温度,是一种可行、值得推广应用的温室高效栽培技术。