日光温室墙体蓄放热层温度变化规律研究

墙体的蓄热保温性能决定了日光温室在室外环境作用下的温度变化。该文建立了单一材料墙体的温度变化估算模型,对黏土砖墙、砾石墙、加草黏土墙及夯土墙的温度变化进行了预测;采用CFD方法分析了墙体总厚度相同(0.60 m)和总厚度不同(0.60和0.72m)情况下,复合墙体各方案中蓄热材料层的温度变化特点。单一材料墙体温度变化预测结果显示,导温系数较大的砾石墙内部温度变化较其他墙体传播快;温度波动厚度还与墙内表面温度振幅有关,黏土砖墙内表面振幅从5℃增加到15℃,墙体内部振幅达到0.1℃时的波动厚度从0.42 m增加到0.54 m。此外,由预测的墙体温度变化可以确定单一材料墙体蓄放热层厚度。模型估算的夯土墙温度变化及蓄放热层厚度与已有文献测试值比较,吻合较好。复合墙体温度CFD模拟分析表明,墙总厚度0.60 m不变,蓄热材料层越厚内部温度衰减越快;蓄热材料层厚保持0.36 m,墙总厚度从0.60 m增加到0.72 m时,蓄热材料层温度均值最大升高1.7℃。研究还发现,复合墙体较厚的蓄热材料层比同材料单一材料墙体同厚度处温度衰减快,复合墙体蓄放热层厚度的确定取决于隔热层的位置。单一材料墙体及复合墙体蓄热材料层温度模拟模型可以为日光温室墙体的厚度及组成设计提供理论参考。     

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。     

日光温室空气对流蓄热中空墙体热性能试验

空气对流循环蓄热墙体是一种通体中空型日光温室墙体,其内部中空层与温室空间连通而具有空气对流换热效果。为详细了解该墙体构造的蓄放热特性及其对日光温室热环境的影响,通过与同样构造但中空层封闭的无对流墙体的对比,在北京市通州区试验温室中测试了墙体内部温度分布及变化规律、墙体蓄放热量及其对温室内气温的影响。其结果,与对照墙体相比,对流方式下墙体内部温度分布规律不同,墙体内部整体温度水平较高、且昼夜波动幅度较大,墙体白天蓄热量提高15.1%,夜晚放热量提高14.7%,这一效果使得温室夜间最低温度提高2.2℃,有效提高了墙体的蓄放热能力,改善了温室夜间温度水平。     

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。     

墙体材料对日光温室温度环境影响的CFD模拟

日光温室墙体材料影响温室的蓄热保温性能。该研究以室外气象因子为模拟输入条件,分别对复合墙、全砖墙及全苯板墙的12 m跨度日光温室的温度环境进行了模拟,复合墙、全砖墙内的温度分布变化与以往的测试结果一致。以2004年2月18日实测的气候条件为输入条件,模拟得到复合墙温室温度超过全砖墙温室温度最大值为0.8℃,复合墙温室夜间室温超过全苯板墙温室温度最大值为1℃。早晨揭帘前,复合墙中隔热层以内的砖墙及部分隔热层成为放热体,砖墙中靠近室内近1/3的墙体温度高于室内空气温度,而全苯板墙只有内表面附近略高于室内空气温度。白天复合墙、全砖墙及全苯板墙温度均低于室内空气温度,均为吸热体。采用日光温室温度环境动态模拟模型,可以预测不同温室墙体可能形成的室内温度状况,并且根据不同墙体内温度分布,可优选温室墙体结构。     

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。     

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。     

装配加温除湿系统的轻简装配式日光温室设计及性能试验

针对中国传统日光温室土地利用率低、建设成本高、墙体构造各异及温度和湿度环境难以调控等突出问题,该研究设计出一种轻简装配式日光温室,并配套了基于温室主动蓄放热原理的冬季夜晚加温和除湿系统,其温室骨架可与主动蓄放热系统结合为一体。研究结果表明:相比于传统砖墙日光温室,轻简装配式温室冬季夜晚温度提高4.5℃以上;采用基于主动蓄放热系统热能的除湿系统,可将温室夜间相对湿度降低14%,相对湿度控制在80%以下;该温室可实现整体式装配安装,大大减少了施工时间和安装成本,温室后墙厚度为166 mm,与后墙为600 mm厚的砖墙温室相比,墙体占地面积减少72%,显著提高了土地利用率。     

日光温室聚苯乙烯型砖复合墙保温蓄热性能

为研究聚苯乙烯型砖复合墙的保温蓄热特性,对聚苯乙烯型砖复合墙日光温室的室内外气温,后墙表面太阳辐射照度及其内部温度进行了测试分析。聚苯乙烯型砖复合墙由24 cm填充混凝土聚苯乙烯型砖、45 cm填土和5 cm混凝土板复合而成。测试结果表明,聚苯乙烯型砖复合墙内表面温度在阴天和晴天保温被闭合期间分别较室内气温高(2.5±0.2)℃和(5.4±1.4)℃。该墙体在阴天和晴天的放热区域分别为17 cm和30 cm,低于填土与混凝土板的厚度。填充混凝土聚苯乙烯型砖的热阻达到了2.93 m2 K/W,是当地日光温室后墙低限热阻的2倍。该结果表明聚苯乙烯型砖复合墙填土厚度及聚苯乙烯型砖热阻可满足墙体放热及保温的需求。另外,模拟结果表明,在同等室内外气温和墙体内表面太阳辐射的条件下,聚苯乙烯型砖复合墙在晴天和阴天保温被闭合期间的内表面温度与黏土砖夹心墙(24 cm黏土砖+10 cm聚苯板+24 cm黏土砖)相近。因此,聚苯乙烯型砖复合墙体保温蓄热性能良好,可用于取代黏土砖夹心墙。     

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。     

基于温波传递理论的日光温室土墙体蓄热层及墙体厚度分析

为研究日光温室土质墙体蓄热层变化规律和墙体最适厚度,测试分析了北墙(厚330 cm)水平方向不同深度温度,结果表明:随墙内深度的增加墙体两侧温波昼夜变化幅度趋于缓和,由内向外温度逐渐降低;从温波振幅看,墙体内50~230 cm温波振幅接近0,基本处于稳定状态,0~50和280~330 cm变化幅度都较大,证实日光温室北墙体存在波动层、稳定层和保温层;提出了利用室内最低气温和墙体内温度确定每日蓄热层厚度的方法,得到试验期间温室墙体蓄热层厚度在55~200 cm之间;同时提出了一种利用墙内温波传播速度计算墙体厚度的方法,对探讨日光温室墙体厚度具有重要意义。     

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。     

严寒地区保温型塑料大棚土壤蓄放热特性

土壤温度及蓄放热特性是保温型塑料大棚土壤传热特性的重要体现。因此,为定性、定量地阐明棚内土壤温度变化规律和蓄放热特性,在严寒地区生产性大棚内进行了试验测试,并通过构建大棚土壤热量平衡简化方程、温差拟合等方法对土壤蓄放热特性进行了理论分析。研究结果表明：1）土壤温度波幅随深度的增加呈乘幂函数递减,通过计算得出测试地区大棚土壤的蓄热层平均厚度约为0.55～0.80 m;2）棚内土壤横向地中传热损失占土壤总热损失的9.8%～24.7%,若将此部分热量用于提高土壤温度,则棚内土壤平均温度可提高0.3～0.5 ℃;3）天气条件对土壤蓄放热性能的影响较大：晴天日累积蓄热量比多云天多37.2%～50.6%左右,日累积放热量比多云天多44.7%～64.3%;晴天的最大蓄热流量和日累积蓄热量均是阴天的4倍以上,与蓄热性能相比,晴天与阴天的土壤放热性能差异较小。土壤蓄放热量主要受表层土壤与气温温差的影响,棚内外气温差对其影响较小。     

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。     

下沉式日光温室土质墙体热特性的试验与分析

为探明下沉式日光温室土质后墙温度分布及变化规律,进而正确评价其保温性能,2009年12月-2011年6月在河南省荥阳市对下沉式日光温室的土质墙体的热特性进行了2a的连续监测,并对结果进行系统分析。结果表明:墙面温度受室内、外气温和太阳辐射的共同影响,具有与气温相同的日变化和季节变化规律;墙面温度影响墙内各深度层次的温度分布,沿墙的厚度方向由室内表面向室外表面温度递减;墙内存在热稳定层,其位置及厚度随季节而变化,厚度与墙体厚度正相关;1～3月份,热稳定层位于墙体厚度的中心位置,2m厚的墙体处没有热稳定层,3m厚的墙体处热稳定层厚30cm,4m厚的墙体处热稳定层厚70cm;4、5月份,其位置外移至距外表面100cm处,厚度也比1～3月份增加10～20cm;综合温室造价、墙体保温性及土地利用率等各方面因素,建议在河南地区下沉式日光温室土质后墙建造参数为顶宽2.5m,底厚(后墙与室外地面连接处)4.0m,后墙高度(距室外地面)不宜大于2.5m。该研究为该型温室的建造和发展提供一定的参考。     

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。     

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。