溫室墻體中覆鋁箔封閉空氣腔熱工性能模擬分析

張瀟丹，頡建明，郁繼華，呂 劍

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溫室墻體中覆鋁箔封閉空氣腔熱工性能模擬分析

張瀟丹，頡建明※，郁繼華，呂 劍

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，蘭州 730070）

通過建立封閉空氣腔二維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)傳熱模型和溫室墻體一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型，模擬計(jì)算封閉腔內(nèi)空氣溫度分布，研究了日光溫室墻體中覆鋁箔封閉空氣腔的熱工性能。結(jié)果表明：壁面覆鋁箔可有效減少封閉空氣腔的輻射換熱量；封閉空氣腔的熱阻隨封閉腔高度的增加而增大，高度達(dá)1.5 m后，熱阻趨于不變；封閉空氣腔的厚度小于0.03 m時(shí)，其熱阻隨厚度增加而增大，厚度超過0.03 m后，熱阻逐漸減??；覆鋁箔封閉空氣腔高度為1.5 m、厚度為0.03 m、內(nèi)外壁面溫差為2～20 K時(shí)，熱阻為0.70～0.55 K·m2/W，保溫隔熱效果相當(dāng)于0.81～0.64 m厚夯實(shí)黏土結(jié)構(gòu)、0.55～0.43 m厚紅磚砌體結(jié)構(gòu)墻體或0.20～0.16 m厚煤渣、0.06～0.05 m厚珍珠巖、0.03～0.02 m厚聚苯板隔熱材料。3組30 mm厚覆鋁箔封閉空氣腔加480 mm紅磚復(fù)合墻體（360 mm紅磚墻+3組30 mm封閉空氣腔+120 mm紅磚墻，240 mm紅磚墻+3組30 mm封閉空氣腔+240 mm紅磚墻），其夜間向室內(nèi)放熱量較單一480 mm紅磚墻體提高99.5%～104.2%，與相同結(jié)構(gòu)聚苯板紅磚復(fù)合墻體無明顯差距。

墻體；溫度；對(duì)流換熱；日光溫室；封閉空氣腔；平均導(dǎo)熱系數(shù)；熱阻

0 引 言

日光溫室由前屋面、后屋面、后墻、山墻構(gòu)成，后墻作為日光溫室的承重結(jié)構(gòu)，在保溫設(shè)計(jì)上也具有重要的意義[1-3]。從20世紀(jì)30年代發(fā)展至今，后墻結(jié)構(gòu)和材料不斷更新?lián)Q代，從單一材料墻體到多層異質(zhì)復(fù)合墻體，其蓄熱、保溫、隔熱性能都有了大幅提升[4-7]。理想的后墻結(jié)構(gòu)由蓄熱層、保溫層、隔熱層3部分構(gòu)成。蓄熱層日間儲(chǔ)存熱量，夜間放出熱量，是后墻內(nèi)部溫度隨時(shí)間波動(dòng)較大的部分；保溫層為熱穩(wěn)定層，溫度幾乎沒有波動(dòng)，除了阻止熱量向外流出，還起了緩沖作用，保證了蓄放熱的均勻性；隔熱層一般采用導(dǎo)熱系數(shù)小于0.05 W/(m·K)的材料，用于截?cái)嘟?jīng)由保溫層流出的熱量[8-15]。由于靜止的空氣導(dǎo)熱系數(shù)很小，是良好的保溫隔熱材料，近年來封閉空氣腔結(jié)構(gòu)在各領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。在日光溫室的改造升級(jí)中，也出現(xiàn)了由內(nèi)外層磚墻和中間空氣腔構(gòu)成的中空墻體[16]?？簶淙A等[17]通過對(duì)不同材料和結(jié)構(gòu)的日光溫室后墻進(jìn)行溫度觀測(cè)，得出隔熱性能最好的是珍珠巖，其次是煤渣，再次是鋸末，最差是中空。白義奎等[18]基于前人對(duì)封閉腔空氣自然對(duì)流傳熱的研究，對(duì)綴鋁箔聚苯板空心墻體保溫性能進(jìn)行了理論分析，結(jié)果表明：空氣層厚度在0.02～0.10 m間的綴鋁箔聚苯板空心墻體具有較好的保溫隔熱效果。李凱等[19]、凌浩恕等[20]研究了帶有豎向空氣層的相變蓄熱墻體的熱工性能。在已有的研究中，一般是通過試驗(yàn)測(cè)量得到數(shù)據(jù)再歸納分析，或憑借經(jīng)驗(yàn)公式直接進(jìn)行計(jì)算分析，但是，通過試驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)有限，已有的經(jīng)驗(yàn)公式也往往不能適用于日光溫室墻體熱環(huán)境，要探索封閉空氣腔在日光溫室墻體保溫設(shè)計(jì)中的合理結(jié)構(gòu)，這些方法具有一定的局限性。

封閉腔的空氣自然對(duì)流換熱是計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算傳熱學(xué)中的一個(gè)經(jīng)典課題[21]。Davis[22]最早給出了正方形封閉腔中，無量綱數(shù)在103～106內(nèi)時(shí)空氣自然對(duì)流換熱的基準(zhǔn)解。Catton[23]給出了封閉腔高厚比在1～10內(nèi)的努賽爾數(shù)關(guān)聯(lián)式。李光正等[24-25]、李世武等[26]、董韶峰等[27]、黃建春等[28]運(yùn)用多種數(shù)值解法模擬計(jì)算了封閉腔內(nèi)的空氣對(duì)流傳熱問題。這些研究均是將封閉空氣腔作為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并沒有結(jié)合具體情況進(jìn)行研究。本文根據(jù)日光溫室墻體的建筑結(jié)構(gòu)、內(nèi)部溫度變化及熱量傳遞規(guī)律，建立封閉腔二維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)傳熱模型和墻體一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型，采用MATLAB軟件編制程序，模擬計(jì)算封閉腔內(nèi)空氣溫度分布，分析溫室墻體中不同模式封閉空氣腔的熱工特性，以期為封閉空氣腔在日光溫室墻體中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 封閉空氣腔熱工計(jì)算

封閉空氣腔內(nèi)存在多種傳熱形式，其中熱傳導(dǎo)占10%，對(duì)流換熱占20%～30%，輻射換熱占60%～70%[29]。根據(jù)傳熱學(xué)理論，封閉空氣腔的表面對(duì)流換熱系數(shù)h由下式計(jì)算

式中λ為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，在273 K（0 ℃）時(shí)，λ= 0.025 W/(m·K)；為封閉腔的厚度，m；努賽爾數(shù)為表征流體中對(duì)流換熱與導(dǎo)熱傳熱之比的無量綱參數(shù)，數(shù)值上等于封閉腔表面處的無量綱溫度梯度，封閉空氣腔內(nèi)外壁面高度方向上各點(diǎn)的的均值為平均努賽爾數(shù)Nu。

封閉空氣腔內(nèi)輻射換熱發(fā)生在兩個(gè)面積相等、存在溫差的壁面之間，輻射換熱系數(shù)h由下式計(jì)算

式中σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，取值5.67×10-8；1和2分別為2個(gè)壁面在一定溫度下的發(fā)射率；1和2為2個(gè)壁面的熱力學(xué)溫度，K。輻射換熱占封閉空氣腔內(nèi)傳熱的很大比例，嚴(yán)重影響其保溫隔熱性能。兩表面間的輻射換熱量和兩表面溫差、角系數(shù)及表面發(fā)射率相關(guān)。室溫條件下，紅磚、混凝土等建筑材料的表面發(fā)射率均在0.9以上，鋁箔的表面發(fā)射率約為0.2，若用其將封閉腔沿溫差方向隔開，封閉腔內(nèi)的輻射換熱量將大幅降低[30]。

熱阻作為封閉空氣腔保溫隔熱性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，由下式計(jì)算

式中(h+h)為封閉空氣腔的總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。封閉空氣腔內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)h與輻射換熱系數(shù)h的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)λ由下式計(jì)算

2 封閉空氣腔內(nèi)部流動(dòng)傳熱數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 物理模型

1）封閉空氣腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1a所示，根據(jù)日光溫室墻體建筑結(jié)構(gòu)，封閉空氣腔的高度分別設(shè)為0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8、2.1、2.4 m，厚度分別設(shè)為0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.08、0.10、0.12、0.24 m。

2）封閉空氣腔溫度設(shè)計(jì)

假設(shè)封閉空氣腔的上下壁面均為絕熱壁面，參考多層異質(zhì)復(fù)合墻體中溫度的變化和冬季室外平均溫度，在溫室墻體保溫層模擬中，墻體溫度偏高且沿厚度方向的變化較小，將封閉腔內(nèi)外壁面的溫差Δ1分別設(shè)為2、4、6、8、10 K，內(nèi)壁面溫度1依次取值275、277、279、281、283 K，外壁面溫度2取值273 K；在墻體隔熱層模擬中，墻體溫度偏低且沿厚度方向的變化較大，將內(nèi)外壁面的溫差Δ2分別設(shè)為10、20 K，1依次取值273、283 K，2取值263 K。

2.2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算模擬方法

建立封閉空氣腔二維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)傳熱模型，模擬計(jì)算腔內(nèi)溫度分布，獲得其內(nèi)外壁面處無量綱溫度梯度（Nu），得到封閉空氣腔內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)h。以下是描述二維不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)流動(dòng)傳熱的控制方程

流函數(shù)方程：

渦量方程：

能量方程：

式中、、為所求變量，分別代表流函數(shù)（m2/s）、渦量（s-1）和溫度（K）；為氣體密度，kg/m3；為動(dòng)力黏度，N·s/m2；為重力加速度，m/s2；為氣體膨脹系數(shù)，K-1；為氣體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；C為氣體定壓比熱容，J/(kg·K)；、分別為氣體流速在、方向上的分量，m/s。

采用有限容積法，把封閉腔沿、方向劃分為均勻網(wǎng)格，生成網(wǎng)格后，將描寫流動(dòng)傳熱的偏微分方程離散為各節(jié)點(diǎn)上的代數(shù)方程。如圖1b，陰影部分為控制容積，方向的空間步長Δ為0.005 m，方向的空間步長Δ最大為0.015 m。以能量方程為例：穩(wěn)態(tài)流動(dòng)中，控制容積內(nèi)熱力學(xué)能的增加率為0，通過空氣對(duì)流進(jìn)入控制容積的凈熱量等于該控制容積內(nèi)空氣向四周擴(kuò)散的凈熱量。對(duì)于內(nèi)節(jié)點(diǎn)所代表的控制容積，與其熱平衡密切相關(guān)的控制容積分別為、、、。對(duì)流作用帶有強(qiáng)烈的方向性，采用一階迎風(fēng)格式離散對(duì)流項(xiàng)；擴(kuò)散作用具有均勻性，采用中心差分格式離散擴(kuò)散項(xiàng)，流函數(shù)、渦量、能量方程將離散為3組代數(shù)方程。

采用迭代法聯(lián)解方程組，設(shè)置兩部分迭代：外迭代和內(nèi)迭代。在一個(gè)外迭代層次上，按溫度—渦量—流函數(shù)的內(nèi)迭代路線運(yùn)算，內(nèi)迭代采用Gauss-Seidel迭代法，以前后兩次待求量值的差值小于允許值作為收斂判據(jù)；內(nèi)迭代收斂完成后，再進(jìn)入下一層外迭代計(jì)算，外迭代以封閉腔內(nèi)外壁面處無量綱溫度梯度（Nu）在前后兩層外迭代中的偏差小于允許值作為收斂判據(jù)。編寫MATLAB計(jì)算程序，渦量迭代收斂的允許值未超過10-3，溫度、流函數(shù)收斂的允許值未超過10-4，外迭代收斂的允許值為10-5，內(nèi)外迭代均在5 000步以內(nèi)完成收斂。

邊界條件為：能量方程中，上下壁面為絕熱壁面，熱流量恒為0，內(nèi)外壁面溫度為確定值；渦量方程中，采用Thom公式[21]持續(xù)調(diào)整壁面渦量值；流函數(shù)方程中，在壁面上對(duì)速度取無滑移邊界條件，流函數(shù)恒為0。

2.3 自然對(duì)流驗(yàn)證

封閉空氣腔內(nèi)外壁面溫度為確定值，腔內(nèi)空氣自然對(duì)流與壁面熱輻射無耦合關(guān)系，可單獨(dú)驗(yàn)證。當(dāng)封閉空氣腔厚度為0.10～0.12 m，高度為0.6～1.2 m，內(nèi)外壁面溫差為10 K（保溫層）時(shí)，封閉空氣腔物理模型與Catton[23]所研究的物理模型基本一致，表1為利用文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的Nu結(jié)果與本文模擬計(jì)算得到的Nu結(jié)果，經(jīng)對(duì)比，本文計(jì)算結(jié)果是正確的，說明通過模擬計(jì)算研究封閉空氣腔熱工性能是可行的。

表1 封閉空氣腔的平均努塞爾數(shù)Nue計(jì)算結(jié)果

為表示流體流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生過渡的條件的無量綱數(shù)。封閉空氣腔高度為0.3 m，厚度為0.02～0.10 m，內(nèi)外壁面溫差為10 K（保溫層）時(shí)，在103～106間，且隨厚度的增大而增大。該條件下封閉腔內(nèi)等溫線的分布見圖2，溫度從高溫壁向低溫壁逐漸遞減，較小時(shí)，等溫線為一簇幾乎平行的豎直線，封閉腔內(nèi)空氣幾乎沒有流動(dòng)；隨著的增大，等溫線逐漸發(fā)生波動(dòng)，高溫壁面等溫線向上凸起，低溫壁面等溫線向下凸起，出現(xiàn)了明顯的溫度邊界層，腔內(nèi)自然對(duì)流開始發(fā)展；當(dāng)達(dá)到106后，封閉腔中部等溫線幾乎為水平線，腔內(nèi)空氣自然對(duì)流加劇，開始由層流向湍流發(fā)展。模擬結(jié)果呈現(xiàn)的封閉腔內(nèi)空氣流動(dòng)規(guī)律與理論描述[31]基本一致，說明了本研究所采用的數(shù)值模擬方法的可靠性。

3 結(jié)果與分析

3.1 影響封閉空氣腔保溫隔熱性能的因素

3.1.1 封閉空氣腔的不同壁面處理及高度對(duì)熱阻的影響

封閉空氣腔厚度為0.03 m，外壁面溫度為273 K，內(nèi)外壁面溫差為5和10 K，壁面覆鋁箔（雙面，下同）和未覆鋁箔時(shí)，不同高度對(duì)封閉空氣腔熱阻的影響見圖3。

由圖3可知，壁面覆鋁箔的封閉空氣腔，厚度為0.03 m、高度為0.3～2.4 m、內(nèi)外壁面溫差為5 K時(shí)，與壁面未覆鋁箔的封閉空氣腔相比，熱阻增加約210.8%；內(nèi)外壁面溫差為10 K時(shí)，熱阻增加約196.9%。封閉空氣腔的內(nèi)外壁面覆鋁箔，減小了壁面發(fā)射率，降低了腔內(nèi)的輻射換熱量，提高了封閉空氣腔的保溫隔熱性能。

高度增加，封閉空氣腔的熱阻增大，且趨勢(shì)逐漸變緩，達(dá)到一定高度后，熱阻趨于不變。圖3a中，封閉空氣腔壁面未覆鋁箔，當(dāng)封閉空氣腔厚度為0.03 m，內(nèi)外壁面溫差為5和10 K時(shí)，高度從0.3 m增加到1.5 m，熱阻分別增加6.8%、7.1%；高度從1.5 m增加到2.4 m，熱阻均增加1.5%。圖3b中，封閉空氣腔壁面覆鋁箔，內(nèi)外壁面溫差為5和10 K時(shí)，高度從0.3 m增加到1.5 m，熱阻分別增加22.0%、20.6%；高度從1.5 m增加到2.4 m，熱阻分別增加4.2%、5.1%?？紤]到日光溫室墻體建筑結(jié)構(gòu)和實(shí)際施工情況[1]，溫室墻體保溫設(shè)計(jì)中封閉空氣腔的適宜高度為1.5 m。

3.1.2 封閉空氣腔的不同壁面處理及厚度對(duì)熱阻的影響

封閉空氣腔高度為1.5 m，外壁面溫度為273 K，內(nèi)外壁面溫差為5和10 K，壁面覆鋁箔和未覆鋁箔時(shí)，不同厚度對(duì)封閉空氣腔熱阻的影響見圖4。

由圖4可知，壁面覆鋁箔的封閉空氣腔，高度為1.5 m、厚度為0.03～0.12 m、內(nèi)外壁面溫差為5 K時(shí)，與壁面未覆鋁箔的封閉空氣腔相比，熱阻增加約209.9%；內(nèi)外壁面溫差為10 K時(shí)，熱阻增加約196.4%，再次表明封閉空氣腔壁面覆鋁箔可大幅提升其保溫隔熱性能。

圖4a、4b中，隨著厚度增大，封閉空氣腔熱阻的變化趨勢(shì)基本一致。封閉空氣腔高度為1.5 m時(shí)，其熱阻在封閉腔厚度小于0.03 m時(shí)隨厚度的增加而增大，在厚度為0.03 m時(shí)存在最大值；厚度在0.03～0.12 m間，內(nèi)外壁面溫差為5 K時(shí)，熱阻隨厚度增加而減小，內(nèi)外壁面溫差為10 K時(shí)，厚度對(duì)熱阻無明顯影響；當(dāng)厚度超過0.12 m后，熱阻逐漸減小。封閉空氣腔在0.03～0.12 m厚度范圍內(nèi)時(shí)，其熱阻較大、保溫隔熱性能較優(yōu)。

3.2 覆鋁箔封閉空氣腔在溫室墻體保溫設(shè)計(jì)中的熱工性能分析

日光溫室墻體保溫設(shè)計(jì)中，不同厚度、不同內(nèi)外壁面溫差下，高度為1.5 m的覆鋁箔封閉空氣腔在保溫層、隔熱層模擬中的熱阻見圖5，平均導(dǎo)熱系數(shù)（同一厚度封閉空氣腔在不同內(nèi)外壁面溫差下的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的均值）見表2。

表2 不同厚度覆鋁箔封閉空氣腔的平均導(dǎo)熱系數(shù)

注：平均導(dǎo)熱系數(shù)指同一厚度封閉空氣腔在不同內(nèi)外壁面溫差下的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的均值，保溫層模擬中的內(nèi)外壁面溫差為2～10 K，隔熱層模擬中的內(nèi)外壁面溫差為10～20 K。

Note: Average thermal conductivity is the mean of equivalent thermal conductivity of the same thickness air enclosure in different temperature difference between inner and outer surface; In heat preservation layer and thermal insulation layer, temperature difference is 2-10 K, 10-20 K, respectively.

3.2.1 覆鋁箔封閉空氣腔在溫室墻體保溫層中的熱工參數(shù)

在日光溫室墻體保溫層模擬中，封閉空氣腔高度外壁面溫度為273 K，內(nèi)外壁面溫差為2~10 K。由圖5可知，高度為1.5 m的覆鋁箔封閉空氣腔，內(nèi)外壁面溫差為2 K時(shí)，熱阻在封閉空氣腔厚度為0.04 m時(shí)存在最大值；內(nèi)外壁面溫差為4～10 K時(shí)，熱阻在封閉空氣腔厚度為0.03 m時(shí)存在最大值，此時(shí)封閉空氣腔的保溫隔熱性能最優(yōu)。表2中，封閉空氣腔厚度為0.02~0.12 m時(shí)，其平均導(dǎo)熱系數(shù)隨厚度增加而增大、為0.036~0.198 W/(m×K)。厚度為0.03 m的封閉空氣腔，內(nèi)外壁面溫差為2～10 K時(shí)，其平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.047 W/(m·K)，熱阻為0.70～0.58 K·m2/W（圖5），保溫隔熱效果相當(dāng)于0.81～0.67 m厚夯實(shí)黏土結(jié)構(gòu)、0.55～0.45 m厚紅磚砌體結(jié)構(gòu)墻體或0.20～0.17 m厚煤渣、0.06～0.05 m厚珍珠巖、0.03～0.025 m厚聚苯板隔熱材料[31]。

3.2.2 覆鋁箔封閉空氣腔在溫室墻體隔熱層中的熱工參數(shù)

在日光溫室墻體隔熱層模擬中，封閉空氣腔的外壁面溫度為263 K，內(nèi)外壁面溫差為10～20 K。由圖5可知，日光溫室墻體中封閉空氣腔高度為1.5 m，內(nèi)外壁面溫差為10、20 K時(shí)，熱阻在封閉空氣腔厚度為0.03 m時(shí)存在最大值，保溫隔熱效果最佳。表2中，封閉空氣腔厚度為0.02～0.12 m時(shí)，其平均導(dǎo)熱系數(shù)隨厚度增加而增大、為0.037～0.217 W/(m·K)。厚度為0.03m的覆鋁箔封閉空氣腔，內(nèi)外壁面溫差為10～20 K時(shí)，其平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.052 W/(m·K)，熱阻為0.60～0.55 K·m2/W，保溫隔熱效果相當(dāng)于0.70～0.64 m厚夯實(shí)黏土結(jié)構(gòu)、0.47～0.43 m厚紅磚砌體結(jié)構(gòu)墻體或0.17～0.16 m厚煤渣、0.06～0.05 m厚珍珠巖、0.025～0.02m厚聚苯板隔熱材料[31]。

3.3 帶有覆鋁箔封閉空氣腔的溫室墻體的傳熱分析

以甘肅酒泉典型晴天（2014年12月7日）下日光溫室內(nèi)外氣溫及太陽輻射量作為邊界條件（表3），選擇480 mm紅磚墻作為計(jì)算模型，將組30 mm厚覆鋁箔封閉空氣腔組合起來作為保溫隔熱材料，放置在紅磚墻厚度方向上的不同位置，形成5個(gè)墻體結(jié)構(gòu)方案（表4）。建立一維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，編寫MATLAB程序，計(jì)算溫室墻體的內(nèi)表面日間（09:00－17:00）總蓄熱量和夜間（17:00?次日09:00）總放熱量。根據(jù)李明等[13]的方法確定了在表3溫室內(nèi)外環(huán)境因素?cái)_動(dòng)下480 mm紅磚墻的蓄熱層約為160 mm，溫度隨厚度波動(dòng)較小的保溫層約為200 mm，墻體靠近室外一側(cè)、溫度波動(dòng)較大的厚度約為120 mm。依據(jù)表2結(jié)果，當(dāng)封閉空氣腔在紅磚墻內(nèi)部偏外側(cè)（方案2）及正中間（方案4）時(shí)，其平均導(dǎo)熱系數(shù)均按照保溫層模擬取值，為0.047 W/(m·K)。

表3 酒泉地區(qū)2014年12月7日日光溫室內(nèi)、外氣溫和墻體內(nèi)表面太陽輻射量的逐時(shí)數(shù)據(jù)

表4 日光溫室墻體內(nèi)表面全天蓄放熱量

注：聚苯板的密度為18 g·m-3。

Note: Destiny of EPS is 18 g·m-3.

晴天條件下，方案2、4較方案1的墻體內(nèi)表面日間總蓄熱量分別降低13.5%、14.6%，夜間總放熱量分別提高99.5%、104.2%，覆鋁箔封閉空氣腔覆鋁箔封閉空氣腔大幅提高了溫室墻體保溫性能；方案2與方案3、方案4與方案5的墻體日間總蓄熱量及夜間向溫室內(nèi)的總放熱量無明顯差距，說明覆鋁箔封閉空氣腔可以替代聚苯板在日光溫室墻體建造中應(yīng)用。

4 結(jié) 論

本文基于傳熱學(xué)理論，根據(jù)日光溫室墻體的建筑結(jié)構(gòu)、內(nèi)部溫度變化及熱量傳遞規(guī)律建立了二維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)傳熱模型，模擬分析了日光溫室墻體中不同模式封閉空氣腔的熱工性能，得出以下結(jié)論：

1）中空墻體壁面覆鋁箔可有效減少輻射換熱量，大幅提高其保溫隔熱性能；封閉空氣腔的熱阻隨其高度的增加而減小，高度達(dá)1.5 m后，熱阻趨于不變；封閉空氣腔的厚度小于0.03 m時(shí)，其熱阻隨厚度增加而增大，厚度超過0.03 m后，熱阻逐漸減小。

2）覆鋁箔封閉空氣腔的適宜高度為1.5 m，厚度為0.03 m。當(dāng)封閉空氣腔內(nèi)外壁面溫差為2～20 K時(shí)，該結(jié)構(gòu)的熱阻為0.70～0.55 K·m2/W，保溫隔熱效果相當(dāng)于0.81～0.64 m厚夯實(shí)黏土結(jié)構(gòu)、0.55～0.43 m厚紅磚砌體結(jié)構(gòu)墻體或0.20～0.16 m厚煤渣、0.06～0.05 m厚珍珠巖、0.03～0.02 m厚聚苯板隔熱材料。

3）3組30 mm厚覆鋁箔封閉空氣腔加480 mm紅磚復(fù)合墻體（360 mm紅磚墻+3組30 mm封閉空氣腔+120 mm紅磚墻，240 mm紅磚墻+3組30 mm封閉空氣腔+240 mm紅磚墻），其夜間向室內(nèi)放熱量較單一480 mm紅磚墻體提高99.5%～104.2%，與相同結(jié)構(gòu)聚苯板紅磚復(fù)合墻體無明顯差距。覆鋁箔封閉空氣腔可以替代聚苯板在日光溫室墻體建造中應(yīng)用。

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Simulation analysis of thermal properties of air enclosure covered with aluminum foil in wall of solar greenhouse

Zhang Xiaodan, Xie Jianming※, Yu Jihua, Lü Jian

(730070,)

According to building structure and temperature variation of solar greenhouse wall, a two-dimensional steady flow and heat transfer model and a one-dimensional unsteady heat conduction model were established for simulation and study on the thermal performance of an air enclosure covered with aluminum foil, to explore suitable structure of the air enclosure in solar greenhouse wall insulation design. The results revealed that the wall surface covered with aluminum foil could effectively reduce radiation heat in the air enclosure; thermal resistance in the air enclosure increased with the rise of the enclosure height, and when the height reached 1.5 m, thermal resistance tended to be the same; when the enclosure thickness was less than 0.03 m, the air inside enclosure was in the stationary state, with heat conduction and thermal radiation as main heat transfer way, thermal resistance increased with the increasing thickness; when the thickness was more than 0.03 m, air natural connection in the enclosure was enhanced continuously, so convective heat transfer gradually replaced heat conduction, thermal resistance decreased with the increasing thickness. In wall insulation design of solar greenhouse, the suitable height and thickness of air enclosure covered with aluminum foil were 1.5 m and 0.03 m respectively. When temperature difference between inside and outside surface of the enclosure was 2-10 K in the simulation of heat preservation layer, average thermal conductivity was 0.047 W/(m· K), and thermal resistance was 0.70-0.58 K·m2/W in the air enclosure, heat preservation and heat insulation effect was equivalent to 0.81-0.67 m thickness of solid clay wall, or 0.55-0.45 m thickness of red brick wall, or 0.20-0.17 m thickness of coal cinder, or 0.06-0.05 m thickness of pearlite, or 0.03-0.025 m thickness of polystyrene board; When temperature difference was 10-20 K in the simulation of thermal conductivity layer, average thermal conductivity was 0.052 W/(m·K), and thermal resistance was 0.60-0.55 K·m2/W in the air enclosure, heat preservation and heat insulation effect was equivalent to 0.70-0.64 m thickness of solid clay wall, or 0.47-0.43 m thickness of red brick wall, or 0.17-0.16 m thickness of coal cinder, or 0.06-0.05 m thickness of pearlite, or 0.025-0.02 m thickness of polystyrene board. There are two types of solar greenhouse wall structures: 360 mm thickness of red brick wall + three 30 mm air enclosures covered with aluminum foil +120 mm thickness of red brick wall, 240 mm thickness of red brick wall + three 30 mm air enclosures covered with aluminum foil +240 mm thickness of red brick wall. The heat released to inside greenhouse form the two walls greatly increased than 480 mm thickness of red brick wall, but was not significantly different from the wall of the same structure composed by red brick wall and polystyrene board. Polystyrene board can be replaced with enclosure of this suitable structure in solar greenhouse wall design.

walls; temperature; heat convection; solar greenhouse; air enclosure; average thermal conductivity; thermal resistance

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.031

S625.1

A

1002-6819(2017)-02-0227-07

2016-08-21

2016-10-14

國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）專項(xiàng)資助（201203002）

張瀟丹，女，從事設(shè)施園藝研究。蘭州 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，730070。Email：zhangxiaodan199308@163.com

頡建明，男，教授，博導(dǎo)，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)教學(xué)與研究。蘭州 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，730070。Email：xiejianming@gsau.edu.cn

張瀟丹，頡建明，郁繼華，呂 劍. 溫室墻體中覆鋁箔封閉空氣腔熱工性能模擬分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(2)：227－233. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.031 http://www.tcsae.org

Zhang Xiaodan, Xie Jianming, Yu Jihua, Lü Jian. Simulation analysis of thermal properties of air enclosure covered with aluminum foil in wall of solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 227－233. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.031 http://www.tcsae.org