日光温室保温被传热的理论解析及验证

为掌握日光温室保温被的传热及其保温特性,该文运用传热学理论,建立了模拟辐射、对流以及导热等形式的传热方程,在此基础上构建了日光温室保温被这类厚型覆盖材料的传热理论模型,编制了计算机程序。该模型通过对保温被内、外表面与环境间的有效辐射、投射辐射的分析,来确定辐射换热量;根据能量平衡的原理,建立了保温被表面通过对流传热、辐射传热的传热量与内部传热量之间的关系。所建立的计算方法与程序可根据覆盖材料的红外辐射特性、导热系数、覆盖层的构造参数及工作环境等条件,定量分析保温被覆盖层的传热,计算其传热量及传热系数值。试验测试结果表明,保温被的传热量及传热系数的理论计算值与试验测定值较为一致,该文的方法为保温被一类厚型覆盖材料提供了保温性定量分析评价的理论手段。     

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。     

日光温室番茄植株与环境传热研究

为了解植物体温度变化的原因，用热电偶测温仪和Li-cor的自动气象站测定日光温室番茄茎内和果实内部瞬态传导传热量的日变化规律，分析了茎内部传导传热量的趋势。测定了茎气温差，并根据生物传热学理论，估算了番茄植株与空气间的对流热交换量。结果表明，果实表面与中心存在温差，且有明显的日变化。果实瞬态传导传热量最大值为1.29 W，相当于晴天中午温室内太阳辐射的0.2%。不同天气条件下植株与环境对流传热有相同的日变化趋势，但白天与夜间不同。夜间失热，揭苫后失热增大，并持续到整个上午，10∶30失热量最大，达到-18.9 W/m²。下午至傍晚对流传热为得到热量，13∶30时最高，达到34.9 W/m²，这时正是一天中最高气温发生的时间。阴天对流传热日变化幅度明显减少。多云天气介于晴天与阴天的变幅之间，波动较明显。植株与环境间对流传热量比植株内部传导传热量大。     

越冬期日光温室土壤和空气的热量传导特征

为探求越冬期日光温室内部土壤温度的变化规律以及土壤表面及内部热量传递的日变化规律,以山西省吕梁市离石区日光温室为研究对象,采用整个越冬期对日光温室大棚内土壤温度、空气温度等的跟踪观测数据,用传热学的理论和方法,研究了土壤温度的变化情况以及土壤表面及内部的热流状况。结果表明:(1)室内土壤温度进行着以日为单位的周期性变化,室内表层土壤温度高于深层,室内分层地温对气温变化的响应存在滞后效应,随着土壤深度的增加,温度波的振幅越来越小,由表层到深层温度波振幅分别为5.24、2.83、1.79、0.93、0.76和0.17℃。0.4 m以下的地温基本处于稳定的状态;(2)揭示了土壤热量传递的零通量面的存在,土壤热量以零通量面为界限,分别向上向下传递,零通量面的位置并不是固定的,随时间、随季节都在进行着变化,零通量面的最低位置出现在距地表0.25 m的土壤处,出现的时间为一月中旬早晨8:00左右;(3)计算了土壤通过对流和辐射两种方式的传热量,白天,土壤吸收热量,对流传热和辐射换热对土壤表面吸收热量均有贡献,土壤具有良好的贮热性能,夜间土壤释放热量,主要依靠辐射换热的方式,起到了维持室内温度的作用。     

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。     

日光温室墙体传热的一维差分模型与数值模拟

为了预测和评价日光温室墙体的热工性能，构建了日光温室墙体非稳态传热过程的一维差分模型。根据气象统计参数及其变化规律，确定了墙体表面太阳辐射热量的算法，以及傅立叶级数形式的室内和室外气温等边界条件，墙体表面接收的太阳辐射热量处理为边界节点的内热源。提出了以周期外界条件反复循环作用的“程序预演法”，解决了墙体传热模拟的初始条件问题。采用高效的追赶法求解差分方程组等方法，建立了完整的日光温室墙体传热的数值模拟方法，编制了计算机程序RGWSQCR，通过运行程序模拟日光温室墙体传热过程，可以获得墙内任意点和任意时刻的温度，以及热流量等数据信息，可为墙体热工性能综合分析提供充分的依据。     

日光温室内传热筒与空气间的换热量及对气温的影响

为探讨热风炉加热期间日光温室内的热量分布规律,根据传热学原理,分析了日光温室加温期间热风炉传热筒与空气间的热量交换量。结果表明,距离炉体越远,日光温室传热筒外壁温度越低,并对筒外壁的递减趋势进行模拟。筒外壁与温室空气间的自然对流换热量和塑料筒放热孔与室内空气的换热量相当。塑料筒上放热孔的数量越多,其与温室空气的换热量也越大。热风炉的位置对室内气温的影响较大,热风炉所在一侧的气温要明显高于远离热风炉一侧的气温,在同一剖面内,夜间加温时气温的分布规律呈现出上部气温高于下部气温,1 m以下南侧气温高于北侧气温的趋势,1 m以上有相反的趋势。通过研究,为日光温室热风炉科学合理地安装与配置提供一定参考。     

槽式太阳能聚光集热器传热特性分析

为了研究槽式太阳能集热器的传热特性及为槽式太阳能集热器的设计提供理论依据,该文分析了槽式太阳能集热器的传热特点,建立了槽式太阳能集热器传热过程一维数学模型:利用该数学模型,计算分析了槽式太阳能集热器的传热特性。选取了2014年9月21日、10月25日的太阳直接辐照数据进行计算分析,10月25日太阳直接辐照数据均值比9月21日高37.5894 W/m~2,9月21日集热器吸收的太阳辐射热能计算均值比10月25日高196.644.W/m:接受管内外壁导热量随内外壁面温差升高而增加,接受管外径与内径的比值大于1.05时导热热阻增加到0.0004679 K/(W·m);接受管和玻璃管之问传热主要是辐射换热,辐射换热量随玻璃管内壁面温度升高而增加:对流换热量数值上可以忽略不计,且与接受管和玻璃管之间的环形空间残存气体类型有关,环形空间为氢气的对流换热量大于空气,空气大于氩气:玻璃管对外界的传热主要是辐射换热和对流换热,环境温度每下降lO℃,玻璃管对环境的辐射放热量增加约105 W/m:玻璃外管壁温度为50℃时,风速为6 m/s比0.5 m/s时的对流换热量增加约116W/m,玻璃外管壁温为80℃时,该值增加约为340 W/m;集热器的瞬时热效率随传热工质温度的升高而下降,随太阳直接辐照增加而升高;利用该文建立的数学模型计算的瞬时效率与美国可再生能源实验室的试验数据最大偏差约为3%。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

考虑动态吸收率的玻璃温室覆盖层温度预测模型

覆盖层温度是影响温室热环境的重要因素之一。为了实现温室覆盖层温度预测,该研究以玻璃温室覆盖层为研究对象,综合考虑太阳辐射吸收、对流换热等能量传递形式,建立温室覆盖层温度预测模型。为提高模型精度,该研究进一步提出温室覆盖层动态吸收率计算方法,并使用该方法将覆盖层太阳辐射吸收率分为直射辐射吸收率、散射辐射吸收率与地表反射辐射吸收率分别计算,进而精确计算覆盖层吸收太阳辐射。为验证模型正确性及其精度,在山东省泰安市选择3个时段开展相关验证试验并得出如下结论,温室覆盖层温度预测值与测量值变化趋势较为一致,模型计算值与覆盖层温度测量值的决定系数R^2最小为0.92,均方根误差RMSE最大为2.05℃,通过与相关模型对比得出该研究提出的模型能够精确预测覆盖层温度。     

日光温室热环境模拟模型的构建

该文建立了日光温室热环境模拟模型，定量描述了日光温室内的太阳辐射、对流换热、辐射换热、热传导、自然通风和水分相变带来的潜热对日光温室热环境的影响，根据质能平衡和传热学理论，得到一组关于覆盖物、室内空气、温室分层后墙、分层地面土壤、分层后坡和作物热平衡的微分方程组。利用MATLAB的强大计算能力与VB的良好用户界面建立模拟计算软件，可求得温室各组成部分的温度。通过试验验证，该模型能够比较准确预测日光温室环境温度。