固化沙蓄熱后墻日光溫室熱工性能試驗(yàn)

鮑恩財(cái)，朱 超，曹晏飛，孫亞琛，何 斌，米 欣，張 勇，鄒志榮

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固化沙蓄熱后墻日光溫室熱工性能試驗(yàn)

鮑恩財(cái)1，朱 超2，曹晏飛1，孫亞琛1，何 斌3，米 欣1，張 勇1，鄒志榮1※

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100； 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，楊凌 712100；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100）

結(jié)合西北非耕地地區(qū)多沙的特點(diǎn)，在因地制宜、就地取材的基礎(chǔ)上，該課題組設(shè)計(jì)了1種以多孔磚和固化沙為后墻結(jié)構(gòu)主要材料的新型復(fù)合墻體日光溫室。該日光溫室有被動(dòng)蓄熱后墻和主動(dòng)蓄熱后墻2種類型，被動(dòng)蓄熱后墻以固化沙為主要蓄熱體，主動(dòng)蓄熱后墻在被動(dòng)蓄熱墻體的基礎(chǔ)上增設(shè)了蓄熱循環(huán)系統(tǒng)。通過(guò)在內(nèi)蒙古烏海地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，分析其熱工性能，并與當(dāng)?shù)仄胀ùu墻日光溫室性能進(jìn)行比較分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，晴天條件下，固化沙被動(dòng)蓄熱后墻溫室、固化沙主動(dòng)蓄熱后墻溫室、普通磚墻溫室的夜間平均氣溫分別為13.7、17.0、12.8 ℃。陰天條件下，3座溫室的夜間平均氣溫分別為10.6、13.8、10.0 ℃。固化沙被動(dòng)蓄熱后墻溫室墻體內(nèi)部恒定溫度區(qū)域處于500～740 mm之間，蓄熱體厚度近500 mm，其中固化沙蓄熱體厚度近380 mm。固化沙主動(dòng)蓄熱后墻溫室的墻體內(nèi)部恒定溫度區(qū)域處于740～1 000 mm之間，蓄熱體厚度超過(guò)740 mm，其中固化沙蓄熱厚度超過(guò)620 mm。綜上，固化沙主動(dòng)蓄熱后墻日光溫室的熱工性能明顯優(yōu)于固化沙被動(dòng)蓄熱后墻日光溫室及當(dāng)?shù)仄胀ùu墻日光溫室，可滿足喜溫作物的越冬生產(chǎn)，在西北多沙地區(qū)具有一定的實(shí)用推廣價(jià)值。

溫室；溫度；墻體；固化沙；日光溫室；蓄熱體；厚度

0 引 言

日光溫室是具有典型中國(guó)特色的設(shè)施類型，總體面積規(guī)模大，一直是中國(guó)溫室園藝裝備升級(jí)的重點(diǎn)[1-2]。墻體作為日光溫室的最重要的圍護(hù)結(jié)構(gòu)之一，對(duì)溫室內(nèi)的熱環(huán)境有直接的影響，具有不可替代的作用[3]。因此，關(guān)于墻體材料和復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)的研究倍受重視[4-9]。

陳端生等[10]觀測(cè)了北京土墻和鞍山復(fù)合墻溫室的氣溫和墻體溫度，研究了日光溫室墻體不同層次的溫度變化，發(fā)現(xiàn)土墻全天為吸熱體，有空心夾層的磚墻，在溫室升溫階段是吸熱體，在溫室降溫階段是放熱體。佟國(guó)紅等[11]針對(duì)目前常見的單一材料墻體及異質(zhì)復(fù)合墻體，在厚度相同的情況下進(jìn)行了傳熱分析，結(jié)果顯示異質(zhì)復(fù)合墻體溫室內(nèi)的夜間溫度比單一材料墻體溫室夜間溫度高3 ℃左右。白義奎等[12-13]研究發(fā)現(xiàn)多層異質(zhì)復(fù)合墻體具有熱阻大、蓄熱、隔熱、保溫性能好的優(yōu)點(diǎn)，并以聚苯板夾芯墻體為對(duì)照，對(duì)綴鋁箔聚苯板空心墻體保溫性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明綴鋁箔聚苯板空心墻體的熱工性能更好，受環(huán)境因素的影響較小。柴立龍等[14]介紹了北京地區(qū)日光溫室墻體的調(diào)查和分析結(jié)果，歸納出8種不同墻體材料構(gòu)造的使用情況，對(duì)幾種墻體的傳熱系數(shù)、總熱阻、熱惰性指標(biāo)等熱性能參數(shù)以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了計(jì)算與評(píng)價(jià)?？簶淙A等[15]對(duì)鞍山、盤錦的4種不同隔熱材料的墻體，2種不同外墻材料和3種厚度的土墻各層溫度和室內(nèi)外溫度進(jìn)行了觀測(cè)，結(jié)果表明500 mm厚磚墻內(nèi)部隔熱材料以珍珠巖最好，其次是煤渣，第3是鋸末，最差的是空氣；外墻材料以加氣混凝土磚較為理想；土墻厚度以1 m較適宜。陳超等[16-18]研究了將相變材料應(yīng)用于日光溫室后墻的室內(nèi)熱環(huán)境，并進(jìn)一步結(jié)合主動(dòng)與被動(dòng)的蓄熱方式提出了一種帶豎向空氣通道的太陽(yáng)能相變蓄熱墻體構(gòu)筑體系。

近年來(lái)，西北地區(qū)日光溫室規(guī)模迅速擴(kuò)大。該地區(qū)光照資源豐富，擁有浩瀚的戈壁、沙漠等非耕地資源。因地制宜地對(duì)日光溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，有益于當(dāng)?shù)卦O(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[19-20]。因此，在課題組前期研究基礎(chǔ)上[21-24]，本文擬結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y源特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了1種以固化沙為主要蓄熱體的新型復(fù)合墻體日光溫室，通過(guò)測(cè)試其熱工性能，并與當(dāng)?shù)仄胀ùu墻溫室性能進(jìn)行對(duì)比，分析了該新型溫室在西北地區(qū)的適用性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)溫室結(jié)構(gòu)

3座供試溫室均位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市烏達(dá)區(qū)奧峰農(nóng)業(yè)基地（39°39′N，106°47′E），測(cè)試期間3座溫室內(nèi)種植作物為番茄，灌溉方式為滴灌。夜間采用保溫被覆蓋，上午09:00開啟，下午16:00關(guān)閉，若為其他時(shí)間另作說(shuō)明。試驗(yàn)期間晴天的11:00～13:00打開通風(fēng)口。

a. 固化沙被動(dòng)蓄熱后墻日光溫室（W1）

a. Solar greenhouse(W1) of solidified sand back wall with passive heat storage

b. 固化沙主動(dòng)蓄熱后墻日光溫室（W2）

b. Solar greenhouse (W2) of solidified sand back wall with initiative heat storage

試驗(yàn)溫室結(jié)構(gòu)如圖1所示。固化沙被動(dòng)蓄熱后墻日光溫室（W1），南北跨度為9 m，東西長(zhǎng)80 m，方位南偏東5°，脊高4.5 m，后墻高3.3 m。后墻結(jié)構(gòu)為120 mm多孔磚墻+760 mm固化沙+120 mm多孔磚墻（從外向內(nèi)），固化沙由當(dāng)?shù)厣惩镣ㄟ^(guò)添加10%摻量（質(zhì)量比）的PX粉狀固化劑攪拌均勻制成[25]，溫室采用卡槽骨架，間距1 m，后屋面采用120 mm彩鋼夾芯板。

固化沙主動(dòng)蓄熱后墻日光溫室（W2），后墻結(jié)構(gòu)為100 mm聚苯板+120 mm多孔磚墻+760 mm固化沙+120 mm多孔磚墻（從外向內(nèi)），與W1相比，墻體中間設(shè)蓄熱預(yù)制通風(fēng)管道，安裝蓄熱循環(huán)系統(tǒng)[26]，通風(fēng)管道采用市場(chǎng)現(xiàn)有的預(yù)制混凝土空心板，空心板的截面尺寸為480 mm×100 mm，其中通風(fēng)孔有5個(gè)，直徑為80 mm，風(fēng)機(jī)的額定功率為0.18 kW，風(fēng)量為300 m3/h。其他參數(shù)與W1一致。

普通磚墻日光溫室（W3）為當(dāng)?shù)匾延袦厥摇：髩Y(jié)構(gòu)為100 mm聚苯板+490 mm多孔磚（從外向內(nèi)）。其他參數(shù)與W1保持一致。

1.1.2 蓄熱循環(huán)系統(tǒng)

在張勇等[22,26-29]研究的基礎(chǔ)上，為提高了蓄熱體的蓄熱效果和蓄熱量，改進(jìn)了原有的蓄熱循環(huán)系統(tǒng)，將進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口之間的距離縮短至40 m。進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在溫室后墻中部，出風(fēng)口設(shè)置在后墻東西兩端。盡量減少風(fēng)機(jī)直吹對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，風(fēng)機(jī)安裝在位于后墻兩端的出風(fēng)口外表面。2組風(fēng)機(jī)（每組3臺(tái)）啟動(dòng)時(shí)，墻內(nèi)形成負(fù)壓，溫室內(nèi)部的空氣攜帶熱量從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入后墻通風(fēng)管道，經(jīng)過(guò)熱交換，熱量蓄積入固化沙蓄熱體中。

本試驗(yàn)設(shè)定在晴天和多云天氣的10:00～15:00啟動(dòng)后墻蓄熱循環(huán)系統(tǒng)，以使白天日光溫室內(nèi)的熱量盡可能多地進(jìn)入蓄熱體中。陰及雪天關(guān)閉風(fēng)機(jī)，溫室依靠后墻風(fēng)道自然循環(huán)。

1.1.3 測(cè)試儀器

室內(nèi)空氣環(huán)境數(shù)據(jù)由PDE-KI環(huán)境數(shù)據(jù)記錄儀（哈爾濱物格電子技術(shù)有限公司）采集，溫度測(cè)量范圍：?30～70 ℃，準(zhǔn)確度±0.5 ℃，分辨率0.1 ℃；濕度測(cè)量范圍：0～99%，準(zhǔn)確度±3%，分辨率1%；光照度測(cè)量范圍：0～200 000 lux，準(zhǔn)確度±3%。

墻體內(nèi)溫度數(shù)據(jù)由PDE-R4溫度數(shù)據(jù)記錄儀（哈爾濱物格電子技術(shù)有限公司）采集，溫度測(cè)量范圍?30～70 ℃，準(zhǔn)確度±0.5 ℃，分辨率0.1 ℃。

室外環(huán)境數(shù)據(jù)由HOBO便攜式小型自動(dòng)氣象站（Onset Co. 美國(guó)）采集，溫度測(cè)量范圍：?40～75 ℃，準(zhǔn)確度±0.7 ℃，分辨率0.4 ℃；濕度測(cè)量范圍：0～100%，準(zhǔn)確度±3%，分辨率0.5%；太陽(yáng)總輻射傳感器，測(cè)量范圍0～1 280 W/m2，準(zhǔn)確度±10 W/m2，分辨率1.25 W/m2。

1.2 試驗(yàn)方法

3座供試溫室內(nèi)部各布置2個(gè)溫濕度測(cè)點(diǎn)，2個(gè)光照測(cè)點(diǎn)，2個(gè)地溫測(cè)點(diǎn)。分別布置在溫室長(zhǎng)度方向3等分截面處，跨度方向中部。其中溫濕度測(cè)點(diǎn)和光照測(cè)點(diǎn)位于地面以上1.5 m高度處，地溫測(cè)點(diǎn)位于地下15 cm處。

3座供試溫室墻體溫度測(cè)點(diǎn)均為2組，2組測(cè)點(diǎn)均位于距離室內(nèi)地面以上1.5 m高度處，分別布置在溫室長(zhǎng)度方向3等分截面處。其中W1墻體溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖2a，共12個(gè)測(cè)點(diǎn)。沿墻體厚度方向分別距墻體內(nèi)表面0，120，260，500，740和1 000 mm處。W2墻體溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖2b，共26個(gè)測(cè)點(diǎn)。高度方向位于中層蓄熱風(fēng)道中部（即距離室內(nèi)地面以上1.5 m高度處），沿墻體厚度方向分別距墻體內(nèi)表面0，120，260，500，740，1 000和1 100 mm處。墻內(nèi)高度方向測(cè)點(diǎn)分別距通風(fēng)管道中部50，250和450 mm，上下對(duì)稱。W3墻體溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖2c，共10個(gè)測(cè)點(diǎn)。沿墻體厚度方向分別距墻體內(nèi)表面0，120，260，500和600 mm處。

室外環(huán)境數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)布置在距W1正東方10 m處的開闊場(chǎng)地，溫濕度測(cè)點(diǎn)和光照測(cè)點(diǎn)的水平高度均與溫室內(nèi)測(cè)點(diǎn)一致。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2015-12-31至2016-02-28，記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔均為10 min。

a. W1

b. W2

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室室內(nèi)太陽(yáng)輻射照度對(duì)比分析

日光溫室室內(nèi)太陽(yáng)輻射照度直接影響到溫室白天（09:00～16:00，下同）的得熱，尤其是后墻和土壤的蓄熱，并進(jìn)一步影響后墻和土壤的夜間（16:00～次日09:00，下同）放熱情況。因此，對(duì)供試溫室太陽(yáng)輻射照度進(jìn)行分析，是后續(xù)分析的前提和基礎(chǔ)。

圖3顯示了典型晴天（2016-01-07 09:00～次日09:00）溫室室內(nèi)外太陽(yáng)輻射照度的日變化。由圖可知，3座供試溫室室內(nèi)的太陽(yáng)輻射照度曲線變化趨勢(shì)與室外基本一致。W1、W2、W3白天平均太陽(yáng)輻射照度分別為150.4、156.5、152.8 W/m2，室外為340.5 W/m2。3座供試溫室的平均太陽(yáng)輻射照度差距不大。由此可知，在同一天氣條件下，3座溫室室內(nèi)溫度環(huán)境的差異不是由太陽(yáng)輻射照度造成的。

2.2 典型天氣溫室內(nèi)外氣溫比較

空氣溫度是反映溫室保溫性能的一個(gè)重要指標(biāo)，特別是夜間的室內(nèi)氣溫，直接反映了溫室夜間的保溫能力，對(duì)作物的生長(zhǎng)狀況有重要的影響。選取典型晴陰天，分析烏海地區(qū)3座日光溫室的全天氣溫變化狀況。

圖4a顯示了典型晴天（2016-01-07 09:00～次日09:00）的室內(nèi)氣溫?cái)?shù)據(jù)變化。由圖4a可知，3座溫室在晴天的室內(nèi)氣溫變化趨勢(shì)基本一致。夜間3座溫室的室內(nèi)氣溫緩慢降低，保溫被揭開前達(dá)到最低。保溫被揭開后3座溫室的的室內(nèi)氣溫迅速升高，上午10:00 W2的蓄熱循環(huán)系統(tǒng)打開，其室內(nèi)氣溫的上升速率變緩。下午14:00左右W1和W3的室內(nèi)氣溫達(dá)到最高，之后開始降低，W2則在蓄熱循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉（15:00）后的15:30達(dá)到最高。夜間W2的氣溫明顯高于另外2座溫室。計(jì)算分析可知，典型晴天（2016-01-07 09:00～次日09:00）條件下，室外的平均氣溫為-11.3 ℃，W1、W2、W3整日的平均氣溫分別為17.2、20.5、16.9 ℃，W2的平均氣溫比W1、W3分別高3.3、3.6 ℃。3座溫室的夜間平均氣溫分別為13.7、17.0、12.8 ℃。由上述分析可知W2的夜間保溫性能最好，平均氣溫比W1、W3分別高3.3、4.2 ℃。

圖4b顯示了典型陰天（2016-01-16 09:00～次日09:00）的室內(nèi)氣溫?cái)?shù)據(jù)變化。W2在夜間氣溫明顯高于其他2座溫室，保溫被揭開時(shí)（2016-01-17 09:00）3座溫室的室內(nèi)氣溫分別為8.3、11.4、7.4 ℃。說(shuō)明W1的固化沙蓄熱后墻蓄熱量大于磚墻，但W3的最高氣溫高于W1，說(shuō)明聚苯板可有效隔絕白天熱量的散失，下午16:00保溫被關(guān)閉后，減少了熱量散失，3座溫室的氣溫都有所上升，后墻蓄積的熱量也散發(fā)到溫室中。3座溫室的夜間平均氣溫分別為10.6、13.8、10.0 ℃，W2保溫蓄熱性能最好，比W1、W3分別高3.2、3.8 ℃。

a. 晴天

a. Sunny day

2.3 測(cè)試期間溫室室內(nèi)氣溫對(duì)比

為了更好地了解3座溫室長(zhǎng)期的室內(nèi)氣溫變化，選取了2016-01-01至2016-01-27連續(xù)27 d的室內(nèi)氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了總結(jié)分析（因?yàn)?016-01-28試驗(yàn)園區(qū)因停電導(dǎo)致主動(dòng)蓄熱風(fēng)機(jī)未啟動(dòng)，故未采集到完整數(shù)據(jù)，所以選擇共27 d數(shù)據(jù)進(jìn)行分析）。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 測(cè)試期3座溫室的室內(nèi)氣溫分析

27 d的測(cè)試期內(nèi)，W2的夜間的平均氣溫和最低氣溫均最高，且W2最低氣溫≤10 ℃的天數(shù)為0，可滿足作物的生長(zhǎng)需求。雖然W1的墻體厚度大于W3，但W3夜間平均氣溫（13.26 ℃）與W1（12.83 ℃）相差不大，說(shuō)明聚苯板在夜間具有較好的阻止熱量散失的作用，W1較厚的蓄熱體也起到了相應(yīng)的保溫作用。

2.4 溫室后墻溫度對(duì)比分析

2.4.1 溫室墻體不同深度的平均溫度變化

圖5分別選取了晴天（2016-02-10）和陰天（2016-02-20）的墻體溫度數(shù)據(jù)。

1）晴天墻體溫度對(duì)比分析

由圖5a可知，W1在晴天條件下120 mm墻體溫度最高為18.3 ℃，最低為15.1 ℃，最大溫差為3.2 ℃，而260、500 mm深度處最大溫差分別為2.2、0.6 ℃。隨著深度的增加，墻體溫度的波動(dòng)幅度變小。但740 mm深度處的溫差達(dá)到了6.0 ℃，說(shuō)明W1墻體內(nèi)部恒定溫度區(qū)域處于500～740 mm之間，接近500 mm。根據(jù)李明等[30]提出的溫波法蓄熱體確定方法，W1的蓄熱體厚度近500 mm，其中固化沙蓄熱體厚度近380 mm。

W2墻體120、260、500、740、1 000 mm深度處的最大溫差分別為6.1、5.5、2.9、1.5、8.6 ℃。500 mm處測(cè)點(diǎn)位于主動(dòng)通風(fēng)蓄熱系統(tǒng)的通風(fēng)管道內(nèi)，故與W1相比有較大的溫度波動(dòng)。W2墻體內(nèi)部的溫度恒定區(qū)域處于740～1 000 mm之間，蓄熱體厚度超過(guò)740 mm，其中固化沙蓄熱體厚度超過(guò)了620 mm。與W1相比，W2的蓄熱體厚度明顯增大，墻體相同深度處的溫度波動(dòng)幅度也明顯增大。這說(shuō)明蓄熱循環(huán)系統(tǒng)能使熱量更加有效地蓄積到通風(fēng)管道周邊的蓄熱體中。

W3墻體120、260、500 mm深度處的最大溫差分別為2.6、2.4、5.6 ℃。W3墻體內(nèi)部的溫度恒定區(qū)域處于260～500 mm之間。蓄熱體厚度和蓄熱體溫度波動(dòng)幅度均較小。

2）陰天墻體溫度對(duì)比分析

圖5b反映了陰天3座溫室的墻體溫度情況，總體變化趨勢(shì)與晴天相近。在120與260 mm深度處，W1白天的溫度明顯高于W2。而在500與740 mm深度處，由于蓄熱循環(huán)系統(tǒng)未啟動(dòng)導(dǎo)致W2墻體內(nèi)蓄積的熱量未釋放出，W2全天墻體的溫度高于W1。W1墻體500 mm處的溫度基本維持恒定，與晴天相比恒定的區(qū)域向墻體內(nèi)側(cè)偏移，說(shuō)明陰天室內(nèi)熱量的減少使得蓄熱體厚度隨之減小。W1墻體740 mm處的全天溫度處于0℃以下，沒(méi)有聚苯板的有效隔熱，墻體外側(cè)的溫度受到室外低溫的影響較大，也導(dǎo)致了室內(nèi)側(cè)墻體與溫室內(nèi)部熱量的嚴(yán)重流失。

2.4.2 W2墻體內(nèi)部500 mm處不同高度溫度變化

圖6分別選取了晴天（2016-02-10）和陰天（2016-02-20）的W2墻體內(nèi)部500 mm處不同高度溫度的變化數(shù)據(jù)。

a. 晴天（2016-02-10）

a. Sunny day（2016-02-10）

b. 陰天（2016-02-20）

b. Cloudy day（2016-02-20）

注:“0”代表測(cè)點(diǎn)位于后墻500 mm深度處通風(fēng)管道中部；“50 +”代表測(cè)點(diǎn)距0測(cè)點(diǎn)向上50 mm；“50 -”代表測(cè)點(diǎn)距0測(cè)點(diǎn)向下50 mm，余同。數(shù)據(jù)為每小時(shí)的平均值。

Note: “0” represents the measurement point in the middle of wind pipe at the 500 mm depth of the back wall, “50+” represents the measure point is up by 50 mm from “0”, “50-” represents the point is down by 50mm from “0”, others are the same. The data in the plot is the mean value of each hour .

圖6 W2墻體500 mm處不同高度溫度的變化

Fig.6 Variations of temperatures at different heights in W2 wall within 500 mm depth

圖6a可知，晴天條件下，通風(fēng)管道內(nèi)部，即0處的溫度波動(dòng)幅度為2.9 ℃，向上50、250、450 mm處的溫度波動(dòng)幅度分別為1.6、1.0、0.5 ℃，而向下50、250、450 mm處的溫度波動(dòng)幅度分別為1.6、1.1、0.6 ℃，基本呈對(duì)稱分布。而由圖5a可知，W1 500 mm深度處的溫度波動(dòng)幅度為0.6 ℃，不屬于蓄熱體[30]。但對(duì)于W2來(lái)說(shuō)，500 mm深度處，通風(fēng)管道內(nèi)部（直徑100 mm）及管道外部上下各200 mm的高度范圍內(nèi)的墻體均屬于蓄熱體，說(shuō)明主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)增大了墻體的蓄熱體積。由于溫度的向上傳遞現(xiàn)象，W2墻體不同高度處的得熱和散熱存在差異，也導(dǎo)致了相同深度不同墻體高度在同一時(shí)刻墻體溫度的差異。

圖6b可知，陰天條件下，通風(fēng)管道內(nèi)部，即0處的溫度波動(dòng)幅度為2.8 ℃，向上50、250、450 mm處的溫度波動(dòng)幅度分別為1.0、0.8、0.5 ℃，而向下50、250、450 mm處的溫度波動(dòng)幅度分別為1.0、0.8、0.6 ℃，仍基本呈對(duì)稱分布。與晴天相比，由于墻體得熱量減少，陰天條件下的墻體整體溫度較低，同時(shí)通風(fēng)管道上下形成的蓄熱體積明顯減小。

3 討 論

圖5a反映出晴天W1墻體中的溫度顯著低于W3墻體中的溫度，但圖4的結(jié)果表明W1比W3的氣溫略高，這是因?yàn)楣袒硥w的熱工性能較磚墻穩(wěn)定，其熱容大、墻體溫度波動(dòng)幅度低，而磚墻受溫度的影響較大，升、降溫較快。W1比W3的氣溫略高也說(shuō)明固化沙墻體的保溫蓄熱能力較強(qiáng)，室內(nèi)氣溫表現(xiàn)較穩(wěn)定。W3后墻聚苯板的存在有效減少了溫室熱量的散失，故W3的氣溫與W1接近。但本文未具體研究固化沙的熱工參數(shù)，包括密度、比熱與傳熱系數(shù)等，下一步將進(jìn)一步研究并闡述固化沙蓄熱后墻日光溫室的蓄放熱機(jī)理。

W1與W2對(duì)比時(shí)，由于W1后墻外未安裝聚苯板，不能充分說(shuō)明W2蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)越性，后期在W1后墻外安裝同等規(guī)格的聚苯板后繼續(xù)試驗(yàn)，進(jìn)一步分析蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的蓄熱效果。

W2與W1在120、260、500和740 mm深度處的溫度差異較大，由圖1b可知W2蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的通風(fēng)管道位于墻內(nèi)260～740 mm之間，晴天蓄熱循環(huán)系統(tǒng)將白天室內(nèi)的熱空氣通入蓄熱體中，通風(fēng)管道的存在增加了導(dǎo)熱面積，從而提高墻體的蓄熱能力。但蓄熱循環(huán)系統(tǒng)有較大的改進(jìn)空間，系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)溫室內(nèi)氣溫的情況進(jìn)行主動(dòng)的開啟與關(guān)閉，而非定時(shí)控制。同時(shí)，蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的啟動(dòng)需要電力控制，供試溫室的電力依靠市電，也受限于市電的供應(yīng)，可考慮結(jié)合西北地區(qū)豐富的光照和風(fēng)能資源發(fā)展光伏或風(fēng)力發(fā)電來(lái)完善主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)。通風(fēng)管道的布置方案、管道直徑與材質(zhì)、風(fēng)機(jī)通風(fēng)量和蓄熱體材料都會(huì)對(duì)蓄熱量產(chǎn)生影響，需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

利用西北非耕地地區(qū)多沙這一地貌特征，本文提出了2種新型固化沙蓄熱后墻日光溫室。對(duì)2種溫室的熱工性能進(jìn)行了測(cè)試，并與當(dāng)?shù)匾延械钠胀ùu墻溫室進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

1）典型晴天（2016-01-07 09:00～次日09:00）條件下，固化沙主動(dòng)蓄熱后墻日光溫室（W2）室內(nèi)日平均氣溫較固化沙被動(dòng)蓄熱后墻日光溫室（W1）和普通磚墻日光溫室（W3）分別高3.3、3.6 ℃，典型陰天（2016-01-16 09:00～次日09:00）的夜間氣溫W2比W1、W3分別高3.2、3.8 ℃。

2）連續(xù)27 d的測(cè)試結(jié)果表明W2的室內(nèi)氣溫狀況最好，W2的平均氣溫比W1、W3分別高2.33、2.41 ℃，其中白天（09:00～16:00）平均氣溫比W1、W3分別高4.12、3.28 ℃，夜間（16:00～次日09:00）平均氣溫比W1、W3分別高3.26、3.69 ℃。

3）晴天條件下，W1的蓄熱體厚度近500 mm，其中固化沙蓄熱體厚度近380 mm。W2的蓄熱體厚度超過(guò)740 mm，其中固化沙蓄熱體厚度超過(guò)620 mm。W2墻體相同深度處的溫度波動(dòng)幅度較W1大。這是由于蓄熱循環(huán)系統(tǒng)將白天攜帶熱量的熱空氣蓄積入蓄熱體中，提高了蓄熱效率。

4）晴天條件下，W2墻體500 mm深度處，通風(fēng)管道內(nèi)部及其上下各200 mm的高度范圍內(nèi)的墻體均屬于蓄熱體，蓄熱系統(tǒng)進(jìn)一步增大了墻體的蓄熱體積。與晴天相比，由于墻體得熱量減少，陰天條件下的整體墻體溫度較低，同時(shí)通風(fēng)管道上下形成的蓄熱體厚度明顯減小。主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)對(duì)墻體蓄熱能力的改善有明顯的提高。

因此，固化沙被動(dòng)蓄熱后墻日光溫室（W1）與普通磚墻日光溫室（W3）的熱工性能相比優(yōu)勢(shì)并不明顯，而固化沙主動(dòng)蓄熱后墻日光溫室（W2）的熱工性能優(yōu)勢(shì)明顯，在西北多沙地區(qū)具有一定的推廣實(shí)用價(jià)值。

[1] 魏曉明，周長(zhǎng)吉，曹楠，等. 中國(guó)日光溫室結(jié)構(gòu)及性能的演變[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2012，28(4)：855－860.

Wei Xiaoming, Zhou Changji, Cao Nan, et al. Evolution of structure and performance of Chinese solar greenhouse [J]. Jiangsu J. of Agr. Sci., 2012, 28(4): 855－860. (in Chinese with English abstract)

[2] 張武鎖，李連旺，溫祥珍，等. 墻體填充材料對(duì)日光溫室保溫性的影響[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28(3)：1－4.

Zhang Wusuo, Li Lianwang, Wen Xiangzhen, et al. Influence of felling materials in wall to heat perservation property of solar greenhouse[J]. Journal of Inner Mongolia Agricultural University, 2007, 28(3): 1－4. (in Chinese with English abstract)

[3] 羅旋，蔡忠杰，孫英玲，等. 高效節(jié)能日光溫室墻體結(jié)構(gòu)及保溫性能的研究現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備，2015(3)：25－26.

Luo Xuan, Cai Zhongjie, Sun Yingling, et al. Research status of wall structure and insulation performance of high efficiency and energy saving sunlight greenhouse[J]. Agricultural Science & Technology and Equiment, 2015(3): 25－26. (in Chinese with English abstract)

[4] Tong Guohong, Christopher David M, Li Baoming. Numerical modelling of temperature variations in a Chinese solar greenhouse[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2009, 68(1): 129－139.

[5] 佟國(guó)紅，王鐵良，白義奎，等. 日光溫室墻體傳熱及節(jié)能分析[J]. 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究，2003，19(2)：101－105.

Tong Guohong, Wang Tieliang, Bai Yikui, et al. Heat conduction through wall and energy saving in solar greenhouse[J]. System Sciences and Comprehensive Studies in Agriculture, 2003, 19(2): 101－105. (in Chinese with English abstract)

[6] 王軍偉，洪忠舉，郭世榮，等. 冬夏兼用型日光溫室內(nèi)熱濕性能分析與應(yīng)用效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(23)：190－198.

Wang Junwei, Hong Zhongju, Guo Shirong, et al. Temperature humidity performance and application of solar greenhouse suiting for winter and summer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(23): 190－198. (in Chinese with English abstract)

[7] 管勇，陳超，凌浩恕，等. 日光溫室三重結(jié)構(gòu)相變蓄熱墻體傳熱特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(21)：166－173.

Guan Yong, Chen Chao, Ling Haoshu, et al. Analysis of heat transfer properties of three-layer wall with phase-change heat storage in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(21): 166－173. (in Chinese with English abstract)

[8] 張立蕓，徐剛毅，馬承偉，等. 日光溫室新型墻體結(jié)構(gòu)性能分析[J]. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，37(3)：459－462.

Zhang Liyun, Xu Gangyi，Ma Chengwei, et al. Application of aerated concrete in salor greenhouse[J]. Journal of Shenyang Agricultural University,2006, 37(3): 459－462. (in Chinese with English abstract)

[9] 郭慧卿，李鎮(zhèn)海，張振武，等. 日光溫室北墻構(gòu)造與室內(nèi)溫度環(huán)境的關(guān)系[J]. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，26(2)：193－199.

Guo Huiqing, Li Zhenhai, Zhang Zhenwu, et al. Simulation of the temperature environment for a solar greenhouse: mathematical model and program verification[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 1995, 26(2): 193－199. (in Chinese with English abstract)

[10] 陳端生，鄭海山，劉步洲. 日光溫室氣象環(huán)境綜合研究：I.墻體、覆蓋物熱效應(yīng)研究初報(bào)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1990，6(2)：77－81.

Chen Duansheng, Zheng Haishan, Liu Buzhou. Comprehensive study on the meteorological environment of the sunlight greenhouse: Preliminary study on the thermal effect of the wall body and covering materials[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1990, 6(2): 77－81. (in Chinese with English abstract)

[11] 佟國(guó)紅，王鐵良，白義奎，等. 日光溫室墻體傳熱特性的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19(3)：186－189.

Tong Guohong , Wang Tieliang , Bai Yikui, et al. Heat transfer property of wall in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003，19(3): 186－189. (in Chinese with English abstract)

[12] 白義奎，王鐵良，姜傳軍，等. 外墻聚苯板復(fù)合墻體在日光溫室中的應(yīng)用[J]. 房材與應(yīng)用，2002，30(1)：27－29.

Bai Yikui, Wang Tieliang, Jiang Chuanjun, et al. Application of polystyrene panel insulated composite exterior walls in sun greenhouses[J]. Housing Materials & Applications, 2002, 30(1): 27－29. (in Chinese with English abstract)

[13] 白義奎，王鐵良，李天來(lái)，等. 綴鋁箔聚苯板空心墻保溫性能理論研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19(3)：190－195.

Bai Yikui, Wang Tieliang, Li Tianlai, et al. The oretical research on heat preservation effect of hollowwall with polyphony board covered with alum inum foil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(3): 190－195. (in Chinese with English abstract)

[14] 柴立龍，馬承偉，籍秀紅，等. 北京地區(qū)日光溫室節(jié)能材料使用現(xiàn)狀及性能分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2007(8)：17－21.

Chai Lilong, Ma Chengwei, Ji Xiuhong, et al. Present situation and the performance analysis of the energy-saving material in solar greenhouse of beijing region[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2007(8): 17－21. (in Chinese with English abstract)

[15] 亢樹華，房思強(qiáng)，戴雅東，等. 節(jié)能型日光溫室墻體材料及結(jié)構(gòu)的研究[J]. 中國(guó)蔬菜，1992(6)：1－5.

Kang Shuhua, Fang Siqiang, Dai Yadong, et al. Wall material and the structure of an energy-saving solar greenhouse[J]. China Vegetables, 1992(6): 1－5. (in Chinese with English abstract)

[16] 陳超，果海鳳，周瑋. 相變墻體材料在溫室大棚中的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2009，30(3)：287－293.

Chen Chao, Guo Haifeng, Zhou Wei. Experimental research of the composite phase change wall materials in greenhouse[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2009, 30(3): 287－293. (in Chinese with English abstract)

[17] 管勇，陳超，李琢，等. 相變蓄熱墻體對(duì)日光溫室熱環(huán)境的改善[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(10)：194－201.

Guan Yong, Chen Chao, Li Zhuo, et al. Improving thermal environment in solar greenhouse with phase-change thermal storage wall[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(10): 194－201. (in Chinese with English abstract)

[18] 凌浩恕，陳超，陳紫光，等. 日光溫室?guī)жQ向空氣通道的太陽(yáng)能相變蓄熱墻體體系[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(3)：336－343.

Ling Haoshu, Chen Chao, Chen Ziguang, et al. Performance of phase change material wall with vertical air channels integrating solar concentrators[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(3): 336－343. (in Chinese with English abstract)

[19] 黃利，李建設(shè)，高艷明. 寧夏非耕地溫室建設(shè)現(xiàn)狀及對(duì)策研究[J]. 北方園藝，2013(13)：45－50.

Huang Li, Li Jianshe, Gao Yanming, et al. Study on the Status and countermeasures of the greenhouse construction in ningxia non-cultivated land[J]. Northern Horticulture, 2013(13): 45－50. (in Chinese with English abstract)

[20] 蔣衛(wèi)杰. 第二屆綠洲論壇報(bào)告文集：西北非耕地高效開發(fā)利用現(xiàn)狀與展望[C]. 蘭州：甘肅人民出版社，2011.

[21] 王宏麗，鄒志榮，周長(zhǎng)吉. 西北地區(qū)設(shè)施園藝發(fā)展現(xiàn)狀與對(duì)策探析[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)科學(xué)版，2008(5)：377－381.

Wang Hongli, Zou Zhirong, Zhou Changji. The Present status and measures discussion on protected horticuture in northwest China[J]. Journal of Shanghai jiaotong university (agricultural science ), 2008(5): 377－381. (in Chinese with English abstract)

[22] 張勇，鄒志榮.一種主動(dòng)采光及固化土自主蓄熱后墻日光溫室：103416261 [P]. 2013-12-04.

[23] 王昭，何斌，王宏麗. 阿拉善非耕地日光溫室后墻土承載能力試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2015(11)：148－152.

Wang Zhao, He Bin, Wang Hongli. Research on carrying capacity of sandy backwall of solar greenhouses in non-cultivated land in alax[J].Agricultural Mechanization Research, 2015(11): 148－152. (in Chinese with English abstract)

[24] 張潔，鄒志榮，張勇，等. 新型卵石蓄熱墻體日光溫室性能初探[J]. 北方園藝，2016(2)：46－50.

Zhang Jie, Zou Zhirong, Zhang Yong, et al. Rerformance of heating storage gravel wall solar greenhouse[J]. Northern Horticulture, 2016(2): 46－50. (in Chinese with English abstract)

[25] 李馳，于浩. 固化風(fēng)沙土強(qiáng)度特性及固化機(jī)制試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)，2009，30(增刊2)：48－53.

Li Chi, Yu Hao. Experimental studies of strength characteristics and solidified mechanism for solidified aeolian sandy soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(Supp.2): 48－53. (in Chinese with English abstract)

[26] 張勇，高文波，鄒志榮. 日光溫室主動(dòng)蓄熱后墻傳熱CFD模擬及性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(5)：203－211.

Zhang Yong, Gao Wenbo, Zou Zhirong. Performance experiment and CFD simulation of heat exchange in solar greenhouse with active thermal storage back-wall[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(5): 203－211. (in Chinese with English abstract)

[27] 高文波，張勇，鄒志榮，等. 主動(dòng)采光蓄熱型日光溫室性能初探[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2015(7)：181－186.

Gao Wenbo, Zhang Yong, Zou Zhirong, et al. Preliminary Study on Performance in an Active Lighting and Heating Storage Type Solar Greenhouse[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015(7): 181－186. (in Chinese with English abstract)

[28] 張勇，鄒志榮.一種蓄熱后墻的日光溫室：102630526 [P]. 2012-08-15.

[29] 楊建軍，鄒志榮，張智，等. 西北地區(qū)日光溫室土墻厚度及其保溫性的優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(8)：180－185.

Yang Jianjun, Zou Zhirong, Zhang Zhi, et al. Optimization of earth wall thickness and thermal insulation property of solar greenhouse in Northwest China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(8): 180－185. (in Chinese with English abstract)

[30] 李明，周長(zhǎng)吉，魏曉明. 日光溫室墻體蓄熱層厚度確定方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(2)：177－183.

Li Ming, Zhou Changji, Wei Xiaoming. Thickness determination of heat storage layer of wall in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(2): 177－183. (in Chinese with English abstract)

Thermal performance test of solidified sand heat storage wall in Chinese solar greenhouse

Bao Encai1, Zhu Chao2, Cao Yanfei1, Sun Yachen1, He Bin3, Mi Xin1, Zhang Yong1, Zou Zhirong1※

(1.,712100; 2.712100,; 3.712100,)

Solar greenhouse has been widely used in the north of China. Chinese solar greenhouse is made of north wall, east wall, west wall, front roof, back roof and heat preservation quilt. The main materials of north wall in traditional Chinese solar greenhouses are soil and brick. However, in the northwest of China, there are many non-cultivated lands with many sands instead of soil resources. In this research, we designed a new kind of north wall (W1) which was made of 2 layers of porous bricks and contained the solidified sands. The solidified sand was in the middle of W1 and the porous bricks were at the outside layers of the solidified sands. The wall thickness was 1000 mm, with 760 mm thick solidified sands and 240 mm thick porous bricks. In order to store more heat into the wall, a new active storage wall (W2) was also developed based on the W1. Compared with the W1, a sand-air heat transfer system was added with 2 axial flow fans and 3-layer air passages, and the air conduits were 80 m long, which was developed to store more heat. The thermal environmental properties of the 2 newly designed greenhouse walls were evaluated in Wuhai (39°39′N, 106°47′E), Inner Mongolia Autonomous Region, China, which were also compared with the local solar greenhouses with porous bricks and EPS (W3). During clear days (for instance, from 9:00 on January 7th, 2016 to the next 9:00), the average daily air temperature in W1, W2, and W3 was 17.2, 20.5 and 16.9 ℃, respectively with an average outside temperature of -11.3 ℃. The average night air temperature in W1, W2, and W3 was 13.7, 17.0 and 12.8 ℃, respectively, indicating that W2 had the best heat storage ability. During cloudy days (for instance, from 9:00 on January 16th, 2016 to the next 9:00), the average night air temperature in W1, W2, and W3 was 10.6, 13.8 and 10.0 ℃, respectively, indicating that W2 also had the best heat storage ability. In order to have a better understanding of the thermal properties of the 3 greenhouse walls, we selected the indoor temperature data of consecutive 27 days from January 1stto January 27th, 2016. During this period, the minimum average air temperature in W1, W2 and W3 was 10.48, 10.51 and 9.57 ℃, respectively. The daily average air temperature was 14.97, 17.30 and 14.89 ℃. Solar greenhouse wall was an important factor for maintaining greenhouse heat balance. Wall heat storage ability was important for the greenhouse performances. The distributions and changes of temperature inside the wall reflected the heat exchange process between the wall and indoor air and had great impacts on the indoor temperature in greenhouses. The internal constant temperature region of the wall W1 was between 500 and 740 mm, and the thickness of the thermal storage body was about 500 mm. For the solidified sand body, the effective thermal storage thickness was up to 380 mm. For the W2, the internal constant temperature region ranged from 740 to 1 000 mm, and the effective thermal storage body thickness exceeded 740 mm, among which, the effective thermal storage body thickness of the solidified soil exceeded 620 mm. For the W3, the effective thermal storage body thickness and temperature fluctuations were relatively smaller and the thermal storage capacity was also the smallest. Under sunny days, for the W2, the effective thermal storage body included the 500 mm thick wall body and the inside of the air tubes and their outside up to 200 mm, indicating that active heat storage fan system could significantly improve the wall heat storage capacities in greenhouses. Our results indicate that the new designed greenhouse wall W2 has some important application values.

greenhouse; temperature; walls; solidified sand; Chinese solar greenhouse; thermal storage body; thickness

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.024

S625.1

A

1002-6819(2017)-09-0187-08

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.024 http://www.tcsae.org

2016-10-22

2017-04-20

適合西北非耕地園藝作物栽培的溫室結(jié)構(gòu)與建造技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化示范（201203002）；國(guó)家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CAR-25-D-02）

鮑恩財(cái)，男，安徽合肥人，博士生，主要從事設(shè)施園藝工程方面的研究。楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，712100。Email:baoencai1990@163.com

鄒志榮，男，陜西延安人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事設(shè)施園藝方面的研究。楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，712100。 Email：zouzhirong2005@163.com

鮑恩財(cái)，朱 超，曹晏飛，孫亞琛，何 斌，米 欣，張 勇，鄒志榮. 固化沙蓄熱后墻日光溫室熱工性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(9)：187－194.

Bao Encai, Zhu Chao, Cao Yanfei, Sun Yachen, He Bin, Mi Xin, Zhang Yong, Zou Zhirong. Thermal performance test of solidified sand heat storage wall in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 187－194. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.024 http://www.tcsae.org