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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

轻简柔性墙体装配式日光温室能耗分析

轻简装配式日光温室的柔性墙体一般不具备蓄热能力,为评估其地区适应性,该研究以太阳辐射为主要指标,结合气候条件和日光温室发展选择中国17个城市,利用热平衡方程和日光温室热环境模拟软件RGWS-RHJPJ V1.2,计算最冷月室外最低温度下温室的采暖热负荷和冬至日的采暖需求量,并以主动蓄放热系统供热为例,分析轻简装配式日光温室太阳能热利用效果。研究结果表明：在所选城市中,轻简装配式日光温室采暖热负荷的范围为50～150 W/m2,随着城市地理纬度的升高,采暖热负荷增大,以冬至日为例,约20%城市轻简装配式日光温室的采暖需求量在0～2 MJ/(m2·d),约50%在2～4 MJ/(m2·d),仅10%大于6 MJ/(m2·d);对轻简装配式日光温室采暖热负荷影响最大的参数是南屋面保温被传热系数,其次是温室的换气次数;在拉萨和昌都,主动蓄放热系统对轻简装配式日光温室采暖需求量的满足率为100%。轻简装配式日光温室的采暖热负荷和采暖需求量在中国不同气候区差异较大,且主动蓄放热系统的加温效果在地区间差异也很大。研究结果对中国轻简装配式日光温室的建造、供暖设计具有一定的参考价值。     

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。     

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。     

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。     

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。     

日光温室金属膜集放热装置增温效果的性能测试

日光温室冬季夜间温度较低,为满足作物能正常生长往往需要加温装置,为此,该课题组设计了一种双黑膜主动集放热装置,该装置白天以热辐射和热对流的模式吸收太阳辐射热和温室内空气中的热量,夜间通过热对流的模式将热量释放到温室中,以增加温室夜间温度。通过冬季加温试验发现该装置对太阳辐射的吸收率偏低,为进一步提升该装置的集放热性能,该文对原有双黑膜集放热装置进行了改进,用金属膜替换原有双黑膜吸热面,试验结果表明:运行金属膜集放热装置能将温室夜间最低温度提高2.4℃,装置的集热效率为83%,热量的有效利用率为68%;与电加热加温方式相比节能量为110 MJ,节能72.6%,节能效果显著;金属膜集放热装置对太阳辐射的吸收系数为0.81,比双黑膜集放热装置提高了0.22;白天温室自然通风条件下,装置与空气间的对流换热系数为14.6W/(m2·℃),比双黑膜蓄放热装置高6.3 W/(m2·℃)。     

主动蓄热日光温室不同气流方向后墙传热CFD模拟

日光温室是一种能源高效利用型的温室结构,在中国北方的设施园艺产业中起到了非常重要的作用,其中主动储热日光温室结构是最近该领域研究的热点问题之一。针对高效主动储热风道的研究问题,该文构建了3种不同气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙模型,分别是顶进顶出气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙(W1)、侧进侧出气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙(W2)、侧进顶出气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙(W3)。在W1工况下对比试验数据及数值模拟数据发现,平均相对误差为6.7%,最大相对误差为13.4%,说明该文所建模型的数值模拟与试验数据有很好的一致性;进一步模拟结果表明,进口条件一致的情况下,W1、W2、W3在主动蓄热循环系统运行阶段的有效蓄热范围分别为700～800、500～600、600～700 mm;W1、W2、W3的出口平均温度分别为17.3、18.9、18.2℃,进一步计算得到,3种工况下,内部空气流的努塞尔特数分别为40.95、35.25、35.30;3种不同气流循环运动方式下,温室后墙的对流换热强烈程度表现为W1最大,W3其次,W2最小。该研究为设计主动蓄热日光温室墙体气流循环运动方式提供了理论依据和试验参考。