日光温室气象环境综合研究——Ⅰ.墙体、覆盖物热效应研究初报

为科学地确定日光温室的合理结构,对鞍山、北京、天津等地建造使用的两类日光温室进行了墙体、前屋面覆盖物温度观测,结果表明:塑料膜日光温室夜间的主要放热面仍是前屋面,尽管前屋面薄膜上覆盖有纸被、草苫等,室内气温与覆盖物内侧温差仍十分显著地大于室内气温与墙体内侧温差。墙体系土墙者,全天为“吸热体”;系有空心夹层砖墙者,则在温室升温阶段为“吸热体”,在降温阶段为“放热体”。测量还发现,这两种墙体内均存在一个温度变化比较恒定的中间层,其机理有待进一步研究。经测定分析认为,日光温室较理想的墙体结构是:内侧由吸热、蓄热较好材料组成蓄热层,外侧由导热,放热较差材料组成保温层,中间设隔热层。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

用云遮系数法计算日光温室内太阳辐射

由于测量日光温室墙体、后屋面的太阳辐射不方便，从而使不同天气条件下墙体的传热机制分析以及室内温度的预测较为困难。该文应用云遮系数法，计算了不同云量天气条件下到达日光温室内外地面太阳辐射通量密度，并进行了计算值与实测值相关性分析检验，结果表明：在已知云量的条件下，可以运用云遮系数法计算日光温室内地面、墙体和后屋面太阳辐照度。     

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。     

日光温室墙体用相变固化土性能测试及固化机理

中国西北非耕地地区面积辽阔,日光温室的应用可以增加耕地面积,对于保障国家粮食安全、缓解经济作物与粮食作物争地矛盾具有重大的战略意义.该文提出一种在西北非耕地地区建造日光温室用的相变固化剂,研究其添加进土壤后相变固化土的力学及热性能,并结合微观结构揭示其固化机理.研究设计2种相变固化剂掺量(5％和10％),分析不同掺量处理风沙土和戈壁土后的力学性能、热性能以及固化机理.抗压强度试验结果表明,5％和10％相变固化剂掺量的风沙土和戈壁土的抗压强度均有较大幅度的提高,10％相变固化剂掺量的风沙土试块平均抗压强度为3.208 MPa,约为5％掺量试块强度的2倍(P＜0.01).10％相变固化剂掺量的戈壁土试块平均抗压强度为3.671 MPa,约为5％掺量试块强度的1.5倍(P＜0.01).差示扫描量热法测试结果表明,考虑墙体温度＞0℃的实际状况,5％相变固化剂掺量风沙土吸热量和放热量分别为28.16和29.89 J/g,5％相变固化剂掺量戈壁土吸热量和放热量分别为13.55和12.69 J/g.10％相变固化剂掺量的风沙土与戈壁土吸、放热量均与5％掺量同一类型土壤的吸、放热量相差甚微.扫描电子显微镜观察结果从微观方面解释了相变固化土强度提高和高效蓄放热的机理.该文从试验角度证明5％掺量相变固化剂的风沙土或戈壁土具有作为日光温室墙体的建筑结构和储能主体材料的潜力,在西北非耕地地区将会有较好的应用前景.     

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。     

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。     

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。