異質(zhì)復(fù)合墻體溫室墻體傳熱模型的建立

宮彬彬 尹慶珍 韓建會(huì)

摘要：隨著土墻日光溫室后墻材料使用時(shí)的弊端日益凸顯，尋找保溫蓄熱性能良好的新型墻體材料是目前我國(guó)日光溫室發(fā)展的緊要任務(wù)。本研究針對(duì)以酚醛保溫板為保溫材料的日光溫室墻體，在考慮作物對(duì)后墻遮光的情況下，應(yīng)用有限差分法建立異質(zhì)復(fù)合墻體的非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，研究復(fù)合材料墻體傳熱規(guī)律，分析新型建筑材料在蓄熱放熱方面的規(guī)律。結(jié)果表明，傳熱模型模擬值與實(shí)測(cè)值平均相差 1.0～1.5 ℃，最大誤差 2.6 ℃，平均相對(duì)誤差分別為4.9%～9.3%，可以較為準(zhǔn)確地估計(jì)異質(zhì)復(fù)合墻體溫室墻體在不同氣候條件下的蓄熱放熱量。

關(guān)鍵詞：酚醛保溫板;非穩(wěn)態(tài)傳熱模型;日光溫室;墻體;氣溫;太陽(yáng)輻射

中圖分類號(hào)： S625.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2020）03-0239-05

日光溫室的后墻的蓄熱和保溫是非加溫溫室內(nèi)部白天良好的蓄熱體及夜間熱量的主要來源，對(duì)溫室室內(nèi)熱環(huán)境有重要的影響，是日光溫室冬季蔬菜生產(chǎn)室內(nèi)環(huán)境的重要保障[1]。土墻日光溫室是近些年我國(guó)主要推廣的一種生產(chǎn)型日光溫室，具有保溫性好、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但隨著土地資源的緊張，這種類型的溫室土地利用率低，土地資源浪費(fèi)的問題日益凸顯。尋求更為合理的墻體材料，已經(jīng)成為溫室冬季節(jié)能高效生產(chǎn)的重點(diǎn)問題[2]。

由于日光溫室建造的成本問題，傳統(tǒng)利用已有溫室的環(huán)境參數(shù)測(cè)定的方法來掌握溫室墻體保溫蓄熱性的困難較大，采用墻體傳熱的理論模型，分析計(jì)算和判斷日光溫室墻體的保溫蓄熱性能，以指導(dǎo)墻體材料開發(fā)應(yīng)用和墻體的合理設(shè)計(jì)，是更為有效的方法。模型通常采用頻率響應(yīng)法或反應(yīng)系數(shù)法[3-7]、離散分層計(jì)算傳熱的方法[8]、CFD 軟件Fluent 等方法[9-12]，模擬和分析日光溫室墻體的傳熱，根據(jù)其計(jì)算結(jié)果分析了一些日光溫室墻體的保溫蓄熱性能，這些研究為理論分析日光溫室墻體保溫蓄熱性能的方法作出了有益的探索，但是這些方法由于僅考慮太陽(yáng)輻射對(duì)墻體的簡(jiǎn)單照射，未考慮種植作物對(duì)墻體蓄熱的影響，導(dǎo)致結(jié)果誤差較大。

本研究針對(duì)以酚醛保溫板為保溫材料的日光溫室異質(zhì)復(fù)合性墻體，在充分考慮溫室內(nèi)部作物遮擋和后墻熱輻射反射的前提下，利用非穩(wěn)態(tài)傳熱理論構(gòu)建了溫室后墻的一維傳熱模型，模擬和計(jì)算其傳熱過程的各種熱工參，來研究酚醛保溫板的異質(zhì)復(fù)合性墻體的傳熱特性，并對(duì)其結(jié)果與傳統(tǒng)土墻結(jié)構(gòu)溫室性能進(jìn)行分析，為異質(zhì)復(fù)合性墻體溫室的性能評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。1 材料與方法

1.1 異質(zhì)復(fù)合墻體日光溫室結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)溫室位于河北省農(nóng)林科學(xué)院試驗(yàn)基地（114.47°E、38.03°N），該日光溫室坐北朝南，東西長(zhǎng)50 m;后墻結(jié)構(gòu)（由內(nèi)至外）：370 mm紅磚墻、黏結(jié)砂漿、酚醛保溫板、抹面砂漿;后屋面結(jié)構(gòu)（由內(nèi)至外）：預(yù)制板、蛭石、混凝土板、黏結(jié)砂漿、擠塑保溫板、抹面砂漿;脊高（室外地坪標(biāo)高為基準(zhǔn)，脊高=室內(nèi)凈高）4 m，后墻高（基準(zhǔn)地面至后坡與后墻內(nèi)側(cè)交點(diǎn)）3 m，外墻高3.74 m，跨度10.00 m;外保溫覆蓋材料使用的是自動(dòng)張卷保溫被，卷放時(shí)間為09：00—19：00，溫室內(nèi)種植甜椒，試驗(yàn)時(shí)間為2016年1—3月。

1.2 環(huán)境測(cè)試布點(diǎn)

試驗(yàn)點(diǎn)均設(shè)置在溫室中部橫斷面上，共測(cè)試19個(gè)點(diǎn)，分為5層（圖1），光照度與濕度的布點(diǎn)同氣溫布點(diǎn)一致。

測(cè)定的主要環(huán)境參數(shù)為室內(nèi)外太陽(yáng)輻射量、室內(nèi)外空氣溫度與濕度、墻體內(nèi)表面溫度，每隔1 h采集1次數(shù)據(jù)，24 h連續(xù)采集。溫度的精度為0.1 ℃，相對(duì)濕度的精度為1%，光照度的精度為100 lx。

1.3 日光溫室墻體一維傳熱模型的建立

2.2.2 初始條件 日光溫室溫度分布取決于邊界條件的影響，經(jīng)過多個(gè)周期后，溫度分布特點(diǎn)與初始條件無關(guān)。因此本研究取初始溫度分布為15 ℃均布，經(jīng)過36 h的周期模擬運(yùn)行后設(shè)定為本模型模擬的初始條件。模擬時(shí)間步長(zhǎng)為10 min。

2.2.3 模型模擬 日光溫室墻體內(nèi)部傳熱控制方程與邊界條件方程聯(lián)立，采用高斯迭代法對(duì)該方程組進(jìn)行數(shù)值求解。采用MATLAB編制模型求解程序，模擬結(jié)果如圖7所示。圖7中列出了日光溫室內(nèi)墻表面2016年1月10日試驗(yàn)測(cè)定值與模型模擬值，時(shí)間段中模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為一致，墻體內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的溫度，模擬值與實(shí)測(cè)值平均相差 1.0～1.5 ℃，最大誤差 2.6 ℃，平均相對(duì)誤差分別為4.9%～9.3%。

產(chǎn)生模擬誤差的原因，據(jù)分析主要有：（1）本研究所涉及的材料熱工參數(shù)是按照資料選取的，并未實(shí)測(cè)。（2）對(duì)流換熱系數(shù)在模擬中選取定值，與實(shí)際情況有一定差異。（3）試驗(yàn)中保溫被開啟時(shí)間按照平均值取時(shí)間選取，在實(shí)際管理中每天開放時(shí)間并不一致。（4）溫室內(nèi)作物（甜椒）的生長(zhǎng)高度按照平均取值80 cm，與局部高度存在差異。

3 結(jié)論

本研究以酚醛保溫板異質(zhì)復(fù)合墻體日光溫室為對(duì)象構(gòu)建了日光溫室墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，首次將作物高度對(duì)后墻蓄熱的遮擋率與后墻對(duì)于熱輻射的反射率引入到墻體熱傳遞控制方程中，并建立了完整的數(shù)值模擬方法。模型模擬值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值最大誤差控制在3 ℃以內(nèi)，并且兩者規(guī)律一致，可以作為溫室性能評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)改良的參考依據(jù)。

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