磚墻日光溫室結(jié)構(gòu)傳熱特征的監(jiān)測(cè)研究

張紀(jì)濤　李翠

摘要：為明確磚墻日光溫室結(jié)構(gòu)蓄放熱特點(diǎn)，為日光溫室標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，本研究監(jiān)測(cè)分析磚墻日光溫室熱環(huán)境及結(jié)構(gòu)的蓄放熱特征。通過不同時(shí)段的監(jiān)測(cè)分析得到以下結(jié)果：（1）磚墻日光溫室0～20 cm深度的土壤為蓄熱層，0—25 cm的墻體為蓄熱層。（2）監(jiān)測(cè)期間，單位面積的墻體和栽培面放熱量為蓄熱量的58.5%、42.8%。（3）白天日光溫室的墻體和栽培面蓄熱，夜間室內(nèi)氣溫降低后逐漸向室內(nèi)散熱。監(jiān)測(cè)期夜間，墻體和栽培面向室內(nèi)放熱量分別為3.5、6.9 MJ/m，通過前屋面、后屋面平均散失熱量分別為10.7、2.3 MJ/m;蓄放熱高于散熱量為0.64 MJ/m。（4）日光溫室外表面一直處于散熱狀態(tài)。在不考慮其他散熱損失的條件下，前屋面、后屋面、后墻、側(cè)墻在夜間（18：00-次日8：00）的散熱分別占總散熱量的76.1%、10.7%、11.5%、1.7%。通過以上結(jié)果分析，改善日光溫室熱環(huán)境應(yīng)采用綜合的工程方法，以控制整體建設(shè)成本，實(shí)現(xiàn)合理的蓄熱保溫。

關(guān)鍵詞：日光溫室;結(jié)構(gòu)傳熱;蓄放熱特征;標(biāo)準(zhǔn)化

中圖分類號(hào)：S626.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

論文編號(hào)：cjas18100014

0引言

日光溫室是中國(guó)獨(dú)創(chuàng)的高效節(jié)能型園藝設(shè)施，主要依靠太陽輻射和蓄熱保溫設(shè)施維持室內(nèi)溫度，對(duì)蔬菜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展起到了重要作用。2016年全國(guó)日光溫室總面為66.1萬hm2[1]，日光溫室規(guī)模及設(shè)施裝備水平不斷提高，但整體標(biāo)準(zhǔn)化程度不高。實(shí)現(xiàn)日光溫室的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容。日光溫室區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化的研究報(bào)道已有很多，其中最重要的就是合理的蓄熱保溫設(shè)計(jì)，以保證良好的熱環(huán)境，控制建設(shè)成本[2-10]。

復(fù)合磚墻日光溫室相對(duì)于厚土墻日光溫室占地面積小，但建設(shè)成本高、保溫性較差。目前，北方地區(qū)大多數(shù)磚墻日光溫室越冬生產(chǎn)表現(xiàn)不佳，主要原因在于室內(nèi)蓄熱量少。日光溫室蓄熱量由天氣、溫室的結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料熱特性等決定。前屋面和后坡是日光溫室主要的散熱結(jié)構(gòu)，因此要求前后屋面具有良好的保溫性能;而墻體和栽培土壤是不加溫日光溫室主要蓄熱結(jié)構(gòu)，低溫期夜間蓄熱結(jié)構(gòu)向室內(nèi)釋放熱量，維持日光溫室內(nèi)溫度[11-17]。有研究報(bào)道，晴天夜間北墻體單位面積放熱量為土壤的1.4倍，在陰天條件下單位面積土壤放熱量高于墻體，但在不同天氣條件下日光溫室內(nèi)土壤表面的全天放熱總量總是大于北墻放熱總量[18-20]。維持良好的熱環(huán)境是保證日光溫室越冬生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是日光溫室設(shè)計(jì)的根本要求。協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)蓄熱與保溫，不僅可以提升日光溫室的熱性能，而且可以降低建設(shè)成本。

雖然關(guān)于復(fù)合磚墻日光溫室的熱環(huán)境研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的報(bào)道很多[21-25]，但針對(duì)磚墻日光溫室結(jié)構(gòu)蓄放熱特征及室內(nèi)外傳熱特性的研究尚未見報(bào)道。本研究以外保溫填充磚墻日光溫室為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)熱環(huán)境及結(jié)構(gòu)的室內(nèi)外蓄放熱或傳熱特性，通過研究分析明確結(jié)構(gòu)蓄熱層的厚度和結(jié)構(gòu)傳熱特點(diǎn)，進(jìn)一步明確該溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化途徑，以促進(jìn)磚墻日光溫室標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)溫室概況

試驗(yàn)溫室為復(fù)合磚墻結(jié)構(gòu)，具體材料與結(jié)構(gòu)如圖l所示?？缍?m、脊高3.7 m、長(zhǎng)度60 m，保溫被為“防雨毯+羊毛氈”（容重3.3 kg/m2），位于山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽試驗(yàn)示范基地（37.550N，112.680E1。室內(nèi)于2016年9月15日定植番茄，測(cè)試期間株高平均0.6—0.8 m。測(cè)試期間保溫被于8：30卷起、17：00放下。

1.2測(cè)試方法

試驗(yàn)分不同時(shí)段測(cè)定了日光溫室結(jié)構(gòu)溫度、熱流等情況。于2016年10月4-10日，測(cè)定了墻體內(nèi)0、10、20、30、40、50 cm等6個(gè)不同深度的溫度變化;于2016年12月1-8日測(cè)定了土壤內(nèi)0、10、20、30、50、70 cm等6個(gè)不同深度的溫度變化;于2017年1月11-13日測(cè)試了室內(nèi)溫度及結(jié)構(gòu)傳熱特征。室內(nèi)溫度及傳熱特征測(cè)定，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，試驗(yàn)設(shè)置不同位置溫度測(cè)點(diǎn)21個(gè)，編號(hào)為T1—T21。室內(nèi)熱通量設(shè)置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為墻體3個(gè)測(cè)點(diǎn)R1—R3，后屋面2個(gè)測(cè)點(diǎn)R4—R5，前屋面1個(gè)測(cè)點(diǎn)R6，土壤2個(gè)測(cè)點(diǎn)R7～R8。溫室外表面熱通量設(shè)置測(cè)點(diǎn)4個(gè)（R9—Rll）。以上測(cè)試溫度傳感器采用T型熱電偶，熱通量采用平板熱通量傳感器，采用JTDL-80溫度熱流測(cè)試儀采集數(shù)據(jù)（北京世紀(jì)建通科技股份有限公司），室外熱通量采用JTR01手持熱流計(jì)（北京世紀(jì)建通科技股份有限公司）采集數(shù)據(jù)，每隔10或15 mm采集1次。

熱通量傳感器的固定方法：墻體測(cè)點(diǎn)采用墻體膠貼于墻體表面;土壤測(cè)點(diǎn)將傳感器用薄土固定于土壤表面;室內(nèi)前屋面熱通量傳感器采用膠帶貼于棚膜上，室外前屋面?zhèn)鞲衅髻N于保溫被外側(cè)，室外后坡測(cè)點(diǎn)將傳感器貼于后坡上覆蓋保溫被的外側(cè)。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析

溫室內(nèi)結(jié)構(gòu)熱通量測(cè)定取重復(fù)測(cè)點(diǎn)的平均值進(jìn)行繪圖，以避免出現(xiàn)較大誤差。采用Excel 2007處理數(shù)據(jù)和作圖。

2結(jié)果與分析

2.1墻體與栽培面不同深度溫度變化

磚墻日光溫室后墻內(nèi)0、10、20、30、40、50 cm的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)氣溫變化幅度分別為10.3—30.3、14.6—23.7、16.5—20.4、17.4—19.8、16.9—18.8、16.3—18.2℃。磚墻內(nèi)部20、30、40、50 cm的溫度日均變化幅度很小，平均值分別為2.3、1.0、0.6、0.5℃，可見0—20 cm厚的墻體可以有效蓄放熱。

室內(nèi)不同深度地溫監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示，0、10、20、30、50、70 cm深度的平均地溫分別為15.8、16.5、17.2、17.2、17.9、18.6CC，隨深度增加地溫升高;地溫日變幅的平均值分別為6.1、2.1、0.8、0.4、0.2、0.1℃，隨深度的增加日變幅逐漸變小，≥30 cm深的地溫日變幅≤0.8℃。通過溫度變化可以看出0—20 cm的土壤為有效蓄熱層。

2.2溫度變化監(jiān)測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)溫室氣溫如圖5A所示，日平均氣溫為15.4。C;夜間（18：00-次日7：50）平均氣溫為12.14C;室內(nèi)最低氣溫出現(xiàn)在8：00-8：40，為8.8℃。卷起保溫被后室內(nèi)氣溫迅速升高，開風(fēng)口后受室外氣流影響而波動(dòng)，放下保溫被后氣溫逐漸降低。室內(nèi)夜間氣溫北側(cè)高于南側(cè)約0.55℃，下部高于上部約0.30℃。

土壤溫度如圖SB所示。測(cè)試期間土壤溫度呈現(xiàn)出周期變化的趨勢(shì)，其中土壤表層溫度最低溫度出現(xiàn)在11：00-12：00;而10、20 cm深的最低溫度出現(xiàn)在12：00-13：00。0、10、20 cm土深的溫度分別為12.4—16.4、11.7—15.8、11.8—15.2℃，平均溫度分別為14.5、14.5、14.3℃。其中，20 cm深的土壤夜間溫度變化幅度<0.5℃。

墻表溫度如圖5C所示。測(cè)試期間墻體白天接受太陽輻射，溫度逐漸升高，晚上逐漸降低，開風(fēng)口后因空氣擾流影響而呈現(xiàn)波動(dòng)。0、0.7、1.5 m等不同高度處的墻表溫度分別為9.1—25.4、9.5—28.2、9.3—28.3℃，平均為14.5、15.5、15.2℃。墻體基部夜間溫度高于中上部。

2.3溫室土壤、后墻蓄放熱特征及屋面?zhèn)鳠崽卣?/p>

日光溫室內(nèi)各結(jié)構(gòu)傳熱情況測(cè)試結(jié)果如圖6所示。前屋面和后屋面一直處于散熱狀態(tài)，而室內(nèi)栽培面和墻體白天蓄熱、夜間放熱。白天卷起保溫被后，受室外氣象因素的影響前屋面熱通量劇烈波動(dòng)，在保溫被放下后散熱平穩(wěn)，測(cè)試時(shí)段平均為19.35 W/m2，在放被期間熱通量平均為23.6 W/m2。后屋面為彩鋼保溫屋頂，一直處于散熱狀態(tài)，測(cè)試期間熱通量平均為26.5 W/m2，放被期間散熱的熱通量平均為26.9 W/m2。

當(dāng)氣溫高于墻體和栽培面溫度時(shí)，二者為蓄熱狀態(tài)，平均蓄熱的熱通量分別為39.3、36.0 W/m2;氣溫低于墻體和栽培面溫度時(shí)，墻體和栽培面向室內(nèi)放熱，平均放熱的熱通量為23.0、15.4 W/m2。單位面積的墻體和栽培面放熱量為蓄熱量的58.5%、42.8%。測(cè)試期間單位面積的墻體和栽培面蓄熱量分別比放熱量高2.2、7.8 kj/m2。

在放被保溫時(shí)段內(nèi)（17：00-次日8：30），單位長(zhǎng)度的溫室墻體、栽培面向室內(nèi)放熱量分別為3.5、6.9 MJ/m，而通過前屋面、后屋面平均散失熱量分別為10.7、2.3 MJ/m，單位長(zhǎng)度日光溫室散熱量大于墻體和栽培面的放熱量為0.64 MJ/m。

2.4磚墻日光溫室外表面?zhèn)鳠崽卣?/p>

日光溫室外表面散熱情況監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。側(cè)墻、后墻、后屋面、前屋面一直處于散熱狀態(tài)，平均熱通量分別為9.6、6.3、17.2、24.3 W/m2。在夜間（18：00-次日08：00）的平均熱通量分別為9.4、8.4、14.1、18.6 W/m2。對(duì)于整座溫室，前屋面、后屋面、后墻、側(cè)墻的夜間（18：00-次日8：00）散熱量分別為455.6、64.0、68.6、10.2 MJ，在不考慮其他散熱損失的條件下，其分別占總散熱量的76.1%、10.7%、11.5%、1.7%，詳見圖8?？梢娙展鉁厥仪拔菝姹匦詫?duì)日光溫室保溫的重要性，同時(shí)應(yīng)增加后坡的結(jié)構(gòu)保溫性。

3結(jié)論

（1）磚墻日光溫室0—20 cm深度的土壤為蓄熱層，0—25 cm的墻體為蓄熱層。（2）監(jiān)測(cè)期間，單位面積的墻體和栽培面放熱量為蓄熱量的58.5%、42.8%。（3）白天日光溫室的和墻體和栽培面蓄熱，夜間室內(nèi)氣溫降低后逐漸向室內(nèi)散熱。墻體和栽培面向室內(nèi)放熱量分別為3.5、6.9 MJ/m，通過前屋面、后屋面平均散失熱量分別為10.7、2.3 MJ/m;蓄放熱高于散熱量為0.64 MJ/m。（4）日光溫室外表面一直處于散熱狀態(tài)。在不考慮其他散熱損失的條件下，前屋面、后屋面、后墻、側(cè)墻在夜間（18：00-次日8：00）的散熱分別占總散熱量的76.1%、10.7%、11.5%、1.7%。

4討論

在低溫期夜間，日光溫室整體一直處于散熱狀態(tài)，溫室內(nèi)氣溫主要依靠墻體和栽培面的散熱維持，但前屋面、后屋面散失的熱量高于獲得熱量，溫度持續(xù)降低，直到次日接受到太陽輻射。本研究在不同時(shí)段內(nèi)研究了磚墻日光溫室的土壤與墻體的溫度變化，依據(jù)溫度變化幅度（即溫波法[26]），確定了蓄熱層的厚度。然后分析了日光溫室內(nèi)的結(jié)構(gòu)與空氣溫度變化以及結(jié)構(gòu)室內(nèi)外傳熱特征。本研究基于室內(nèi)外的監(jiān)測(cè)與分析更加明確了該日光溫室的結(jié)構(gòu)傳熱特征，對(duì)于指導(dǎo)磚墻日光溫室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要指導(dǎo)意義。

在測(cè)試期間，該溫室的后墻未被植物和后坡等遮光，而栽培面受到種植作物的遮光的影響。單位后墻蓄放熱熱通量高于栽培面，但后墻面積小于栽培面，單位長(zhǎng)度的溫室栽培面的蓄放熱量高于后墻。因此，增加后墻高度可以增加蓄放熱量、提高空氣溫度。對(duì)于前后屋面來說，增加保溫被保溫性能和增加后坡熱阻，有利于減少室內(nèi)熱量散失。從工程上來說，改善日光溫室低溫期的熱環(huán)境可以通過優(yōu)化日光溫室結(jié)構(gòu)尺寸改善采光、合理設(shè)計(jì)蓄熱結(jié)構(gòu)增加蓄熱量、增加前后屋面熱阻等措施獲得更好的熱環(huán)境[27-31]。日光溫室內(nèi)夜間除前后屋面散熱外，還有土壤傳熱以及冷風(fēng)滲透散熱;另外，溫室的蓄放熱受到栽培作物、管理措施（如通風(fēng)、地面覆蓋、卷放被等）的影響。因此，還需進(jìn)一步完善測(cè)試研究，以明確磚墻日光溫室結(jié)構(gòu)傳熱特征、建立精準(zhǔn)的溫室熱量模型。

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