日光溫室墻體不同保溫材料對(duì)其保溫性影響

于錫宏，王正洪，蔣欣梅，李榮榮，李瑞，張福，吳鳳芝

日光溫室墻體不同保溫材料對(duì)其保溫性影響

于錫宏1,2，王正洪1，蔣欣梅1,2，李榮榮1，李瑞1，張福1，吳鳳芝1

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部東北地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150030; 2.林下經(jīng)濟(jì)資源研發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，哈爾濱150040）

新型保溫材料應(yīng)用是提高日光溫室保溫性能重要措施之一，文章選取常見(jiàn)保溫材料聚苯乙烯泡沫板（EPS），聚苯乙烯擠塑板（XPS），酚醛酯板（酚醛樹(shù)脂），聚氨酯（聚氨基甲酸酯）作試驗(yàn)材料，在溫室其他參數(shù)一致前提下，以日光溫室典型夾芯墻體為對(duì)照，對(duì)比墻體相同熱阻值下日光溫室墻體不同保溫材料應(yīng)用效果。結(jié)果表明，聚氨酯外保溫復(fù)合墻體表現(xiàn)最優(yōu)，XPS外保溫處理效果次之，酚醛酯最差。聚氨酯外掛有效熱積累量分別較對(duì)照提高1.021 MJ·m-2，較其他處理最大提高0.835 MJ·m-2，溫室晴天、陰天氣溫比對(duì)照分別提高2.3、2.0℃，日平均地溫提高1.6℃，晴天、陰天氣溫較其他處理最高分別提高1.2和1.1℃，日平均地溫提高0.8℃。綜上，聚氨酯可作為日光溫室墻體外保溫推薦材料。

日光溫室；熱阻；保溫；熱積累量

我國(guó)節(jié)能日光溫室經(jīng)不斷改良與發(fā)展，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用[1]。墻體材料作為日光溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)重要組成，是影響溫室保溫蓄熱性能和結(jié)構(gòu)安全、建造成本、生態(tài)環(huán)境重要因素。異質(zhì)復(fù)合墻體成為溫室墻體主要構(gòu)型，主要分為夾芯復(fù)合墻和外保溫復(fù)合墻體。但亢樹(shù)華等發(fā)現(xiàn)，夾芯墻體施工要求較高，冷橋過(guò)多，隨使用年限增加，墻體易出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重影響墻體后期保溫性能，投資及施工成本高于外保溫墻體，而外保溫復(fù)合墻體施工簡(jiǎn)單，密封性更好，外界環(huán)境對(duì)墻體破壞較輕，使用壽命延長(zhǎng)[2-4]，佟國(guó)紅等綜合同熱阻下絕熱層位置及層數(shù)對(duì)墻體保溫性能影響，提出外保溫墻體明顯優(yōu)于夾芯異質(zhì)墻體[5]。日光溫室墻體保溫研究早期多以墻體厚度為參考因素，對(duì)比單質(zhì)（土墻、磚墻）墻體不同厚度下保溫效果[6]，相同厚度下不同材料單質(zhì)墻體、相同材料不同組合復(fù)合墻體等保溫效果[4,7]，因材料導(dǎo)熱系數(shù)不同，同厚度下材料熱阻值不同，如10 mm EPS相當(dāng)于200 mm紅磚墻保溫效果，10 mm聚氨酯等同于400 mm紅磚的保溫效果?？梢?jiàn)，不同保溫材料性能差異較大，同厚度墻體無(wú)法說(shuō)明保溫材料保溫性能，以厚度作為參數(shù)研究墻體類型保溫性存在不足。前人分別以聚苯板[3-5]、PPC（聚碳酸亞丙酯）泡沫板[8]、綴鋁箔聚苯板[9]，新型夾心復(fù)合板材、XPS[10]等保溫層材料作日光溫室保溫應(yīng)用分析。近年來(lái)，隨著材料工藝及建筑保溫節(jié)能研究深入，低導(dǎo)熱系數(shù)的酚醛酯、聚氨酯引起關(guān)注[11-12]，新型保溫材料在日光溫室中篩選及應(yīng)用已成為提高日光溫室保溫性重要途徑，目前已有部分地區(qū)將酚醛酯、聚氨酯材料用于日光溫室保溫，但關(guān)于日光溫室墻體實(shí)際保溫效果與常見(jiàn)保溫材料EPS、XPS等性能對(duì)比研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本文在墻體及隔熱層熱阻值一致前提下，以典型溫室墻體作為對(duì)照，研究不同外掛材料保溫效果，旨在為日光溫室保溫性研究及材料選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)于2015年8月至2016年7月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施園藝工程中心和蔬菜設(shè)施工程與環(huán)境實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，溫室長(zhǎng)50 m，跨6.5 m，脊高3.2 m，后墻高2.3 m，選用溫室方位，墻體、基礎(chǔ)構(gòu)造等相關(guān)參數(shù)一致，且未作外掛處理的4棟常規(guī)溫室，改造其中3棟溫室墻體外掛材料（單因素），隔熱層一致前提下，分別設(shè)置XPS、酚醛酯板、聚氨酯外掛，編號(hào)W-X、W-F、W-J，以常見(jiàn)典型墻體作為對(duì)照CK。溫室改造后除對(duì)照外，處理墻體均為360 mm紅磚+外掛材料，墻體結(jié)構(gòu)及參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 墻體構(gòu)造及參數(shù)Table 1Wall structure and parameters

根據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10286—2001《日光溫室結(jié)構(gòu)》，哈爾濱地區(qū)室外溫度≥-29℃，墻體低限熱阻值參考室外-32℃時(shí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值2.8 m2·K·W-1，以傳熱學(xué)常用保險(xiǎn)系數(shù)1.15，取3.22 m2·K·W-1，本試驗(yàn)墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)際總熱阻為3.37 m2·K·W-1，符合日光溫室墻體設(shè)計(jì)節(jié)能及熱阻要求。

1.2 試驗(yàn)方法

數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2015年10月至2016年6月，采用TRM-WS型溫室環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)，儀器溫度測(cè)量范圍-40~80℃，地溫、氣溫精度分別為±0.2℃、±0.1℃，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔30 min。墻體熱通量測(cè)定：溫室后墻內(nèi)、外側(cè)中部分別布點(diǎn)。地溫測(cè)定：主要取溫室1/2截面，在溫室1/4，2/4，3/4跨度處分別布點(diǎn)，并于溫室左右1/4，3/4長(zhǎng)度處各設(shè)等距重復(fù)測(cè)點(diǎn)，共3次重復(fù)，測(cè)定水平方向10 cm地溫。氣溫測(cè)定：同取1/2截面，1/4、2/4、3/4跨度處分別布點(diǎn)，在溫室左右1/4、3/4長(zhǎng)度處各設(shè)等距重復(fù)測(cè)點(diǎn)，共3次重復(fù)，測(cè)試高度距地面1.5 m。數(shù)據(jù)采用SAS 9.2作數(shù)據(jù)差異性顯著分析（單因素方差分析方法）。

2 結(jié)果分析

2.1 不同保溫材料外掛對(duì)溫室墻體熱流通量影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示，不同外掛材料下，溫室內(nèi)外側(cè)熱通量變化不同。墻體內(nèi)表面熱流變化呈一定周期性，由于溫室內(nèi)墻體蓄熱層均為紅磚，各處理熱通量變化趨勢(shì)基本一致，如圖1所示。

揭被后，溫室內(nèi)太陽(yáng)輻射能迅速增加，墻體表面熱通量劇增，墻體主要吸熱時(shí)間在10:00~14: 00，于11:30達(dá)全天熱通量最大值，其中CK處理最大瞬時(shí)熱通量378 W·m-2，W-J處理370 W·m-2，W-X 363 W·m-2，W-F處理337 W·m-2，隨入射光量及強(qiáng)度減弱，墻體熱通量不斷降低，蓋被后墻體進(jìn)入放熱狀態(tài)以減緩氣溫降幅，CK熱通量波幅最大，瞬時(shí)熱通量最低值-123 W·m-2（負(fù)值表示放熱，下同），其次分別為W-F處理-112 W·m-2，W-X處理-90 W·m-2，W-J處理-60 W·m-2，墻體全天有效熱積累量高低分別為W-J>W-X>W-F>CK。

圖1 晴天條件下不同保溫材料外掛對(duì)溫室墻體熱流通量的影響Fig.1Effect of different external heat insulating materials on heat flux of wall of greenhouse in sunny day

墻體外側(cè)因材料不同及外表面空氣熱流等差異，熱通量變化周期性不明顯，除CK外，其余處理間變化趨勢(shì)相近。日出后，外界氣溫上升，且由于墻體表面瞬時(shí)溫差，墻體外側(cè)短暫吸熱，但吸熱量極少。揭被后，室內(nèi)氣溫及墻體溫度迅速上升，溫室內(nèi)外溫差不斷增加，外側(cè)進(jìn)入主要放熱階段。CK墻體由于外側(cè)為紅磚，吸放熱程度較其他處理更為劇烈，最高瞬時(shí)吸熱量達(dá)59 W·m-2，總放熱量達(dá)1.319 MJ·m-2，各處理外側(cè)放熱量顯示W(wǎng)-F>W-J>W-X，數(shù)值分別為0.887、0.869、0.826 MJ·m-2。

如圖2所示，陰天時(shí)墻體內(nèi)側(cè)吸熱時(shí)間較晴天明顯滯后，吸熱持續(xù)過(guò)程變短，主要在10:30~ 13:30，瞬時(shí)熱通量峰值平緩，最高值仍為CK 200 W·m-2，其次分別為W-X處理183 W·m-2，W-J處理146 W·m-2，最低為W-F處理137 W·m-2，可見(jiàn)，處理、對(duì)照及處理間瞬時(shí)值差異較晴天顯著減小。值得注意的是，CK，W-X處理，W-F處理均在13:30前開(kāi)始放熱，W-J處理于14:00后開(kāi)始放熱，時(shí)間延后，可見(jiàn)W-J處理溫室內(nèi)氣溫下降速度平緩。

由圖2（b）可知，陰天條件下CK墻體外側(cè)放熱量顯著增加，主要集中在0:00~8:00，14:00~ 0:00，處理間外側(cè)熱通量差異較晴天減小，但整體放熱量均顯著增加，放熱量分布CK>W-F>W-J> W-X。

圖2 陰天條件下不同保溫材料外掛對(duì)溫室墻體熱流通量的影響Fig.2Effect of different external heat insulating materials on heat flux of greenhouse wall in cloudy day

墻體熱積累量是評(píng)價(jià)其抵御低溫能力重要指標(biāo)，由于墻體與空氣間溫差，室內(nèi)外溫差是墻體熱交換主要?jiǎng)恿?。由?可見(jiàn)，晴天條件下，墻體吸熱量大于放熱量，對(duì)照及所有處理吸熱量最大差值僅0.155 MJ·m-2，而放熱量最大差值1.073 MJ·m-2，處理間放熱量最大差值為0.732 MJ·m-2，放熱量分布為W-F>W-X>W-J，說(shuō)明內(nèi)墻材料一致情況下，墻體內(nèi)表面吸收熱量值差異不大，但放熱量差異較大。W-J處理熱積累量為所有處理最大值2.078 MJ·m-2，W-X處理次之為1.361 MJ·m-2，其次是W-F處理1.243 MJ·m-2，CK吸熱量和放熱量均為所有處理最高值，熱積累量為所有處理最低值1.057 MJ·m-2，說(shuō)明保溫層位置顯著影響墻體有效熱積累量[5]。陰天條件下，陽(yáng)光入射不足，溫室內(nèi)溫度主要消耗墻體有效熱積累，處理墻體內(nèi)外傳熱量均較大，且放熱量遠(yuǎn)高于吸熱量，綜合內(nèi)外側(cè)吸、放熱情況，不同材料間以W-J處理有效熱積累量最高，保溫性最好，說(shuō)明聚氨酯外掛處理有效阻隔墻體蓄熱層熱量散失蓄積熱量，墻體抵御低溫力強(qiáng)于其他處理。

表2 不同材料外掛墻體熱量累計(jì)值Table 2Heat accumulation of wall with different materials in solar greenhouse

2.2 不同保溫材料外掛對(duì)溫室內(nèi)氣溫影響

溫室內(nèi)外氣溫存在明顯相關(guān)性，室內(nèi)外氣溫變化趨勢(shì)大體一致，但溫室內(nèi)部“單峰曲線”更明顯，如圖3所示。

晴天條件下，溫室內(nèi)外氣溫最低值均出現(xiàn)在8:00，4個(gè)處理最低氣溫CK 2.8℃，W-X處理3.9℃，W-F處理3.8℃，W-J處理5.1℃，最大差值為W-J與CK之間2.3℃。隨著室外氣溫升高及室內(nèi)輻射能增加，氣溫迅速升高，但室內(nèi)出現(xiàn)最高氣溫值比室外氣溫最高值略晚，其中W-J處理為所有處理最高值34.4℃，其次分別W-X處理33.5℃，W-F處理32.8℃，CK處理32.0℃，處理間最大差值為2.4℃，最小差值為W-X與W-F處理間（0.7℃）。蓋被后溫室依靠墻體提供熱量，氣溫緩慢下降，氣溫日平均值以W-J處理最高，為11.9℃，較W-X處理、W-F處理分別提高0.8、 1.2℃，較對(duì)照提高2.3℃。

如圖4所示，陰天條件下，W-J處理顯著優(yōu)于其他處理，陰天平均氣溫較CK提高2.0℃，較W-X平均提高0.9℃，較W-F平均提高1.1℃。說(shuō)明墻體有效蓄積熱量可在陰天條件下顯著提高溫室內(nèi)氣溫，且聚氨酯外掛增溫效果最好。

2.3 不同保溫材料外掛對(duì)溫室內(nèi)地溫的影響

由圖5可知，隨著冬季外界溫度不斷降低，溫室內(nèi)地溫不斷下降，處理間變化趨勢(shì)基本一致。各處理日平均地溫月變化分析結(jié)果表明，所有處理均極顯著高于對(duì)照；W-J處理極顯著高于W-F及CK，增溫幅度分別為0.8℃，1.6℃，高于W-X 0.4℃，W-X顯著高于W-F，極顯著高于CK，增溫幅度分別為0.4℃，0.8℃，W-F顯著高于CK，增溫幅度0.4℃，W-J處理較W-X提升0.4℃。具體時(shí)期及全月地溫差異見(jiàn)表3。

圖3不同保溫材料外掛對(duì)晴天條件下溫室內(nèi)氣溫影響Fig.3Effect of different external heat insulating materials on air temperature in greenhouse in sunny day

圖4 不同保溫材料外掛對(duì)陰天條件下溫室內(nèi)氣溫影響Fig.4Effect of different external heat insulating materials on air temperature in greenhouse in overcast day

圖5 不同保溫材料外掛對(duì)溫室內(nèi)日平均地溫影響Fig.5Effect of different external heat insulating materials in wall on the daily variation of ground temperature in greenhouse

表3 不同材料外掛下溫室內(nèi)不同時(shí)期地溫影響Table 3Effect of different external heat preservation materials on the ground temperature in solar greenhouse in different periods

3 討論

日光溫室太陽(yáng)能截獲量可平衡熱損失量，但由于溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)（尤其墻體）保溫性不足，熱量散失，室內(nèi)整體溫度水平較低，內(nèi)部溫度分布不均[13-14]。通過(guò)增加墻體厚度提升溫室保溫性成本高，占用空間，基礎(chǔ)承載力及設(shè)計(jì)要求高；人工加溫提升室內(nèi)溫度，生產(chǎn)成本劇增，存在氣體中毒、火災(zāi)等隱患。使用新型前屋面保溫覆蓋材料、增加地中隔熱、基礎(chǔ)外護(hù)[15-17]、調(diào)整采光面增加陽(yáng)光截獲量[18-19]、增大墻體比表面積[20-21]、增設(shè)外保溫層[3-4,7]及有效新材料應(yīng)用均可提高溫室保溫性能，減少溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量。本文不同材料外掛效果顯示，對(duì)照墻體瞬時(shí)熱通量值波幅最大，說(shuō)明對(duì)照墻體主要蓄熱層熱交換更劇烈。此外，對(duì)照墻體蓄熱量、放熱量均高于各外掛處理，但墻體有效熱積累量顯著低于各外掛處理，說(shuō)明墻體熱阻值一致前提下，外保溫復(fù)合墻體可有效蓄積熱量，與佟國(guó)紅等研究結(jié)果一致[5]。原因可能是對(duì)照墻體主要蓄熱層體積相對(duì)較小，墻體有效熱積累量較低。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，晴天條件下，聚氨酯外掛處理墻體放熱量顯著低于其他處理及對(duì)照，但墻體有效熱積累量顯著高于其他處理，而陰天條件下，聚氨酯外掛處理墻體放熱量較晴天顯著增加，且與其他處理間差異減小，但總體放熱量及熱積累量仍較低。根據(jù)傳熱學(xué)原理，介質(zhì)間溫度差是熱量在不同物體間傳遞的主要驅(qū)動(dòng)力，可能由于聚氨酯外掛處理氣溫、地溫均優(yōu)于對(duì)照及其他處理，溫室空間內(nèi)與墻體間溫度差降低，放熱量較低，放熱速率較緩。陰天時(shí)，所有處理吸熱量與晴天相比顯著降低，溫室內(nèi)墻體熱積累不足導(dǎo)致放熱量大于吸熱量，如酚醛酯墻體及對(duì)照組（陰天墻體熱累積量出現(xiàn)負(fù)值），在連續(xù)不利低溫天氣下，極易造成溫室內(nèi)冷、凍害，嚴(yán)重時(shí)甚至絕產(chǎn)。

此外，酚醛酯導(dǎo)熱系數(shù)低于XPS，但保溫性分析XPS優(yōu)于酚醛酯。酚醛酯具有阻燃性，主要用于建筑防火保溫，吸水性可達(dá)3.4%，而XPS、聚氨酯憎水性良好，分子結(jié)構(gòu)緊致，材料強(qiáng)度優(yōu)于酚醛酯。溫室后坡有保溫板、油氈，防水卷材等防護(hù)措施，可防止雨水等進(jìn)入保溫層縫隙，由于溫室墻體環(huán)境較常見(jiàn)民用建筑墻體保溫層交界處熱變化更劇烈，受室內(nèi)高濕環(huán)境影響，墻體相對(duì)濕度大于民用建筑，酚醛酯實(shí)際保溫效果低于XPS，說(shuō)明材料導(dǎo)熱系數(shù)無(wú)法直接反映材料實(shí)際保溫性能，應(yīng)結(jié)合實(shí)際環(huán)境應(yīng)用。聚氨酯常見(jiàn)噴涂式、板材施工。板材施工方式易因板材間隙形成冷縫，噴涂式施工無(wú)縫隙，理論上保溫性更好，但小面積施工成本過(guò)高，本試驗(yàn)為降低處理間施工方式差異，均采用板材施工。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相同熱阻下，聚氨酯外掛處理提升保溫性同時(shí)，顯著減少墻體厚度，對(duì)溫室墻體結(jié)構(gòu)優(yōu)化及基礎(chǔ)荷載研究具有實(shí)際意義。但本試驗(yàn)僅以溫室保溫常見(jiàn)EPS施工尺寸作為隔熱層熱阻基準(zhǔn)值，研究不同材料此熱阻值下增溫效應(yīng)，未來(lái)將結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，探討優(yōu)選材料聚氨酯不同厚度下增溫效應(yīng)。

4 結(jié)論

墻體熱阻值相同條件下，不同外保溫材料處理，以聚氨酯外掛最優(yōu)，XPS外保溫效果次之，酚醛酯最差，但所有處理均顯著優(yōu)于對(duì)照。聚氨酯外掛墻體有效熱積累量較其他處理最大提高0.835 MJ·m-2，較對(duì)照提高1.021 MJ·m-2，室內(nèi)晴天及陰天氣溫、月平均地溫顯著優(yōu)于對(duì)照及其他處理；XPS外保溫處理，墻體有效熱積累量較酚醛酯處理提高0.118 MJ·m-2，溫室內(nèi)氣溫、地溫均優(yōu)于酚醛酯處理及對(duì)照；而酚醛酯處理僅優(yōu)于對(duì)照。總之，將聚氨酯作為溫室外保溫材料有效可行，在提高溫室墻體保溫性同時(shí)，減少墻體厚度，對(duì)墻體結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面研究具有一定意義。

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Effect of different heat preservation materials of wall on thermal preservation performance of solar greenhouse/

YU Xihong1,2,WANG Zhenghong1, JIANG Xinmei1,2,LI Rongrong1,LI Rui1,ZHANG Fu1,WU Fengzhi1(1.Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Horticultural Crops,Northeast Region,Ministry of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Collaborative Innovation Center for Development and Utilization of Forest Resources,Harbin 150040,China)

Application of new heat preservation material of wall was one of the effective measures to improve the thermal insulation performance of solar greenhouse,this experiment selected polystyrene foam board(EPS),and extruded polystyrene board(XPS),phenolic ester,polyurethane as heat preservation materials,on the premise of other parameters same,with the typical core wall in greenhouse as contrast, explored the practical effects of different insulation materials with same thermal resistance in the wall in solar greenhouse.The results showed that the polyurethane performed best,second was XPS outside,and the worst performance was phenolic ester.Effective heat accumulation of polyurethane insulation composite wall respectively highest increased 1.021,0.835 MJ·m-2related to the contrast and other treatments,comparedwith contrast,air temperature in sunny and overcast increased repectively 2.3,2.0℃,the ground temperature increased 1.6℃.meanwhile,air temperature in greenhouse in sunny and overcast repectively increased 1.2,1.1℃,the ground temperature increased 0.8℃compared with other treatments.In summary,polyurethane could be used as an effective heat preservation material in the wall of solar greenhouse.

solar greenhouse;thermal resistance;heat preservation;heat accumulation

S626.5

A

1005-9369（2017）06-0043-08

時(shí)間2017-6-26 17:42:20[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170626.1742.024.html

于錫宏,王正洪,蔣欣梅,等.日光溫室墻體不同保溫材料對(duì)其保溫性影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,48(6):43-50.

Yu Xihong,Wang Zhenghong,Jiang Xinmei,et al.Effect of different heat preservation materials of wall on thermal preservation performance of solar greenhouse[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(6):43-50.(in Chinese with English abstract)

2017-03-26

國(guó)家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)（CARS-25-C-08）；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃重大項(xiàng)目（GA15B104-2）。

于錫宏（1965-），教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閳@藝設(shè)施設(shè)計(jì)及建造，蔬菜栽培與生理。E-mail:yxhong001@163.com