基于毛細管網(wǎng)的日光溫室主動式集放熱系統(tǒng)研究

李 明 李 涵 宋衛(wèi)堂 王朝元 岳李煒

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 北京 100083； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室， 北京 100083)

0 引言

日光溫室是我國特有的溫室類型，具有良好的保溫蓄熱性能，在北方冬季夜間不加溫或少量加溫的條件下可維持較高的室內(nèi)溫度，滿足蔬菜越冬需求[1]。截至2016年底，我國日光溫室面積已經(jīng)達到69.7萬hm2，為解決北方地區(qū)冬季蔬菜供應(yīng)不足和推動農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整發(fā)揮了巨大作用[2-3]。

日光溫室一般由后墻、后屋面、東西山墻和前屋面等構(gòu)成。我國北方地區(qū)日光溫室一般無加熱設(shè)備，主要依靠白天蓄積太陽能來提高室內(nèi)溫度[4]。傳統(tǒng)后墻兼具保溫和蓄熱雙重功能，可在日間吸收并儲蓄來自太陽輻射的熱量，在夜間向室內(nèi)放熱，提高夜間室內(nèi)氣溫[5-6]。馬承偉等[7]研究表明，后墻在晴天夜間的放熱量可使北京地區(qū)日光溫室的夜間溫度提高3～8℃。因此，后墻是日光溫室在冬季夜間保持較高室溫、滿足作物生長需求的關(guān)鍵因素。

為獲得良好的保溫蓄熱性能，理想的后墻應(yīng)由蓄熱層和保溫層復(fù)合而成[8-9]。其中，蓄熱層用于儲蓄熱量，宜使用夯土或黏土磚等密度和比熱容較高的材料；保溫層主要用于防止蓄熱層熱量向室外散失，宜使用聚苯乙烯板等導(dǎo)熱系數(shù)較小的保溫材料。因此，由黏土磚和聚苯乙烯板復(fù)合建造而成的外保溫復(fù)合墻具有較高的保溫蓄熱性能，是保溫蓄熱后墻的發(fā)展趨勢之一[10]。但此類墻體存在著建造成本高、放熱不可控等問題，尤其在后半夜室內(nèi)氣溫較低的情況下，墻體放熱強度較低，不利于維持室溫[11]。為解決上述問題，張義等[11]提出，應(yīng)用主動式集放熱系統(tǒng)、配合保溫后墻，替代上述傳統(tǒng)后墻。后墻采用輕質(zhì)保溫材料建造，僅具有保溫功能其集放熱功能由主動式集放熱系統(tǒng)承擔。主動式集放熱系統(tǒng)在日間收集后墻獲得的太陽能并儲存起來，在夜間室內(nèi)氣溫較低時集中放熱，可有效避免因室內(nèi)氣溫過低而對作物生長造成的低溫脅迫。

近年來，日光溫室主動式集放熱系統(tǒng)相關(guān)的研究與應(yīng)用取得了較大進展。張義等[11]利用黑色薄膜開發(fā)了一種基于水幕簾的主動式集放熱系統(tǒng)，其夜間放熱量可達4.9～5.6 MJ/m2。梁浩等[12]利用雙黑膜PE板代替原有的黑色薄膜，將系統(tǒng)日間集熱效率提高到57.7%。使用金屬膜替代原有雙黑膜能進一步提高系統(tǒng)的集放熱效率[13-14]。此外，佟雪姣等[15]提出一種以水為媒介，利用PC板進行集熱的主動蓄熱裝置，并比較了不同顏色及厚度的PC板的集熱效果，結(jié)果表明，5種顏色中褐色陽光板的蓄熱量最多，達到191.5 kJ/(m2·d)，3種厚度中8 mm透明陽光板的蓄熱量最多，為198.2 kJ/(m2·d)。在此基礎(chǔ)上，徐微微等[16]將PC板中水流方向改為由下向上，消除了集熱板內(nèi)空氣對水流的影響，可使中空腔體中充滿流動的水，系統(tǒng)總集熱量達350 MJ，最大集熱效率可達93%。馬承偉等[17]使用日光溫室骨架作為集放熱單元，也獲得了較好的結(jié)果。

目前，缺少關(guān)于主動式集放熱系統(tǒng)和日光溫室保溫蓄熱后墻的對比研究，本文設(shè)計一種基于毛細管網(wǎng)的主動式集放熱系統(tǒng)(Active heat system developed with capillary tube mates，AHSCTM)，分析AHSCTM替代外保溫復(fù)合墻集放熱功能的可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗日光溫室概況

試驗日光溫室(圖1)位于北京市通州區(qū)潞城鎮(zhèn)中農(nóng)富通園藝有限公司通州基地(39.8°N，116.7°E)，溫室東西走向，方位角偏東25°，長25 m，南北跨度8 m，后墻高2.6 m，脊高3.8 m。后屋面仰角45°，在水平地面投影寬度為1.5 m，后坡仰角45°。溫室前屋面覆蓋材料為0.1 mm PVC塑料薄膜。溫室后墻、后坡與東西側(cè)山墻均采用雙層140 mm聚苯乙烯板建造，板材內(nèi)外涂抹3 mm抗裂砂漿，無其他加熱設(shè)備。

圖1 試驗溫室構(gòu)造圖Fig.1 Structure sketch of test solar greenhouse

測試時間為2017年12月31日—2018年2月19日。測試期間，溫室內(nèi)基質(zhì)栽培番茄。保溫被揭開和閉合時間分別為08:20和16:00。選取典型晴天(2018年2月7—8日)、多云天(2018年2月8—9日)和陰天(2018年2月9—10日)采集的數(shù)據(jù)進行分析。

1.2 AHSCTM結(jié)構(gòu)與原理

圖2 基于毛細管網(wǎng)的主動式集放熱系統(tǒng)簡圖Fig.2 Schematic composition of active heat system developed with capillary tube mates1、2.回水管 3、4.毛細管網(wǎng) 5、6.供水管 7.水表 8.浮球閥 9.潛水泵 10.蓄熱水池

AHSCTM由毛細管網(wǎng)、蓄水池、循環(huán)管道、潛水泵和控制系統(tǒng)等構(gòu)成(圖2)。其中，毛細管網(wǎng)由外徑4.3 mm、內(nèi)徑3.5 mm的毛細管構(gòu)成，分為后墻吊掛毛細管網(wǎng)和空中懸吊毛細管網(wǎng)兩部分。后墻吊掛毛細管網(wǎng)安裝在后墻處，含23個由96根毛細管構(gòu)成的毛細管單元，每個單元寬1.0 m、長1.8 m，下端距地面1.0 m，毛細管并聯(lián)在供水管和回水管之間，采取同程回水和下進上出的進水模式，保證水充滿整個細管，供水管與回水管直徑均為32 mm。空中懸掛毛細管網(wǎng)安裝在前屋面上，其水平投影距前屋面底角3.2 m，同樣包含23個毛細管單元，每個毛細管單元由40根毛細管構(gòu)成，寬1.0 m、長0.8 m，采用U形單根毛細管，兩端分別與供水管和回水管相連，采取上進上出的供水模式。

蓄熱水池位于溫室東側(cè)地下，水池長×寬×高為4.2 m×2.2 m×1.4 m，有效容積13.0 m3，蓄水池內(nèi)水的體積為5 m3。循環(huán)管道使用PVC管構(gòu)建。潛水泵功率800 W，揚程10 m?？刂葡到y(tǒng)主要由氣溫傳感器、水溫傳感器和PLC控制柜組成，安裝在溫室的控制間內(nèi)。

AHSCTM的工作模式為：日間保溫被揭開后，潛水泵啟動，蓄水池中的水流經(jīng)毛細管，吸收太陽輻射及溫室內(nèi)空氣中熱量后，再返回蓄水池中，反復(fù)循環(huán)，熱量被儲存在蓄水池中。夜間，當室內(nèi)氣溫低于11℃且小于水溫1℃時，自動控制系統(tǒng)啟動潛水泵，蓄水池中的水流過毛細管，向室內(nèi)放熱。當室內(nèi)溫度高于設(shè)定值或者水氣溫差小于1℃時，自動控制系統(tǒng)關(guān)閉潛水泵，AHSCTM停止運行。

1.3 測試方案

在測試期間試驗日光溫室內(nèi)有基質(zhì)栽培的番茄，并使用滴灌方式進行灌溉。當室內(nèi)氣溫較高時，使用卷膜器打開頂部通風口進行自然通風。

后墻太陽總輻照度和溫度測點布置位置如圖1所示。后墻太陽輻照度采用太陽總輻射傳感器測量并且自動采集(測量范圍：0～1 280 W/m2，精度：±10 W/m2)。太陽總輻射傳感器垂直懸掛在后墻中間位置，距離過道地面高度為1.35 m處。室內(nèi)溫度測點布置在溫室水平面幾何中心、距地面高度1.5 m處，采用T型熱電偶測量(測量范圍：-100～350℃，精度：±0.5℃)。蓄水池水溫測點布置在蓄熱水池水體幾何中心、距離水池底部0.7 m處，采用Pt100鉑電阻測量(測量范圍：-50～200℃，精度：±0.1℃)。室外氣溫通過HOBO室外氣象站采集。通過安捷倫34970A型數(shù)據(jù)采集儀自動采集T型熱電偶和Pt100鉑電阻的測試數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)的采集間隔均為10 min。

1.4 AHSCTM水溫模擬與集放熱量計算

根據(jù)AHSCTM系統(tǒng)特點，提出以下計算假設(shè)：①忽略毛細管外表面溫度與管內(nèi)水溫的差異。②忽略毛細管網(wǎng)進水溫度與蓄水池水溫的差異。③忽略毛細管背面的散射光。

根據(jù)能量守恒，單位時間流經(jīng)毛細管的水的內(nèi)能變化量等于該時間內(nèi)毛細管吸收的太陽能和空氣熱能，可描述為

(1)

式中ρw——水的密度，取998 kg/m3

cw——水的比熱容，取4 183 J/(kg·K)

v——毛細管網(wǎng)內(nèi)部水流速度，m3/h

n——毛細管數(shù)量，根

Top——毛細管出水口水溫，℃

Tw——水池水溫，℃

ηc——毛細管對太陽輻射照度的吸收率

qs——單根毛細管截獲的太陽輻射能，W

αc——單根毛細管的表面換熱系數(shù)，W/(m·K)

Apo——單根毛細管表面積，m2

Tin——室內(nèi)氣溫，℃

根據(jù)太陽光照射下毛細管在與后墻平行平面所形成的陰影(圖3)，qs計算式為

qs=InLds

(2)

(3)

ε=β-γ

(4)

式中In——后墻表面的太陽輻射強度，W/m2

L——毛細管長度，m

ds——毛細管在后墻平行面的陰影寬度，m

do——毛細管外徑，m

dt——兩根相鄰毛細管間距，m

ε——與后墻平行平面的太陽方位角，(°)

β——太陽方位角，(°)

γ——溫室方位角，(°)

圖3 毛細管在后墻平行面的陰影示意圖Fig.3 Schematic of capillary tube shadow on plane paralleled to north-wall

夜間AHSCTM運行時，流經(jīng)毛細管的水通過毛細管表面向室內(nèi)放熱，水溫降低。該關(guān)系描述為

(5)

AHSCTM運行期間，蓄水池內(nèi)的水溫受毛細管網(wǎng)換熱和蓄水池自身熱量流失影響而變化，蓄水池水溫計算式為

(6)

式中Tw,m——第mΔt時刻的蓄水池水溫(m=0，1，2，…)，℃

V——蓄水池中水總體積，m3

v1——后墻處毛細管網(wǎng)內(nèi)部水流速，m3/h

Top1——后墻處毛細管網(wǎng)出水口水溫，℃

v2——懸掛毛細管網(wǎng)內(nèi)部水流速，m3/h

Top2——懸掛毛細管網(wǎng)出水口水溫，℃

Δt——計算步長，取600 s

Tl——蓄水池水溫降低速率，℃/s

AHSCTM停止運行期間，蓄水池水溫為

Tw,m+1=Tw,m-TlΔt

(7)

日間由于AHSCTM采集后墻處太陽能和空氣熱能并將其儲蓄在蓄水池內(nèi)，AHSCTM集熱量為

Ec=ρwcwV(Tw,ec-Tw,ic)/106

(8)

式中Tw,ic——集熱開始時蓄水池水溫，℃

Tw,ec——集熱結(jié)束時蓄水池水溫，℃

夜間AHSCTM向室內(nèi)放熱，使得蓄水池內(nèi)水溫下降。根據(jù)能量守恒，夜間AHSCTM向溫室釋放的熱量為

Er=ρwcwV(Tw,ir-Tw,er)/106

(9)

式中Tw,ir——放熱開始時蓄水池水溫，℃

Tw,er——放熱結(jié)束時蓄水池水溫，℃

AHSCTM的特性系數(shù)(Coefficient of performance，COP)定義為系統(tǒng)1 d向溫室釋放的熱量與系統(tǒng)1 d耗電能的比值，計算式為[18]

(10)

式中qp——水泵額定功率，取800 W

tr——AHSCTM夜間運行時間，s

tc——AHSCTM日間運行時間，s

根據(jù)前期測試，將毛細管網(wǎng)系統(tǒng)停止后，蓄水池溫度在24 h內(nèi)未出現(xiàn)變化，Tl可取0℃/s。根據(jù)《民用建筑設(shè)計規(guī)范》(GB 06—2016)，αc取8.7 W/(m·K)[19]。另外，毛細管為黑色，ηc取0.8[19]。β和γ參照文獻[20]所采用的方法進行計算。

1.5 外保溫復(fù)合墻溫度模擬

根據(jù)《日光溫室設(shè)計規(guī)范》(NY/T 3223—2018)，北京地區(qū)適宜的外保溫復(fù)合墻可選擇370 mm黏土磚和100 mm聚苯乙烯板[21]復(fù)合而成。同時，為消除日光溫室施工質(zhì)量、栽培管理模式等問題對外保溫復(fù)合墻蓄放熱性能的影響，本文采用一維差分法[22-23]計算給定條件下外保溫復(fù)合墻的墻體溫度，并據(jù)此計算其日間蓄熱量和夜間放熱量。外保溫復(fù)合墻的節(jié)點劃分如圖4所示。

圖4 外保溫復(fù)合墻體節(jié)點劃分圖Fig.4 Nodes in external insulation composite wall

黏土磚內(nèi)部控制節(jié)點i(i=1，2，3，4)的非穩(wěn)態(tài)傳熱差分方程為

(11)

其中

Δxi=δxi-1/2+δxi/2

(12)

式中ρ1——黏土磚密度，kg/m3

c1——黏土磚比熱容，J/(kg·K)

λ1——黏土磚導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

Ti,m——控制節(jié)點i在第mΔt時刻的溫度，℃

Δxi——控制節(jié)點i的控制區(qū)寬度，取0.074 m

聚苯乙烯板節(jié)點6的非穩(wěn)態(tài)傳熱差分方程為

(13)

式中ρ2——聚苯乙烯板密度，kg/m3

c2——聚苯乙烯板比熱容，J/(kg·K)

λ2——聚苯乙烯板導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

T6,m——控制節(jié)點6在第mΔt時刻的溫度，℃

δx5——控制節(jié)點5、6之間的距離，取0.05 m

δx6——控制節(jié)點6、7之間的距離，取0.05 m

Δx6——控制節(jié)點6的控制區(qū)寬度，取0.05 m

黏土磚和聚苯乙烯板交界處控制節(jié)點5的一維非穩(wěn)態(tài)傳熱差分方程為

(14)

外保溫復(fù)合墻內(nèi)表面節(jié)點0和外表面節(jié)點7的一維非穩(wěn)態(tài)傳熱差分方程為

(15)

(16)

其中

Δx0=δx0/2

(17)

Δx7=δx6/2

(18)

式中 Δx0——控制節(jié)點0的控制區(qū)寬度

ηe——墻體內(nèi)表面對太陽輻射照度的吸收率

Δx7——控制節(jié)點7的控制區(qū)寬度

αi——墻體內(nèi)表面換熱系數(shù)，W/(m·K)

αo——墻體外表面換熱系數(shù)，W/(m·K)

Tout——室外氣溫，℃

δx0——控制節(jié)點0、1之間的距離，取0.74 m

由于外保溫復(fù)合墻是通過提高蓄熱層溫度來儲蓄熱量，可根據(jù)深度x處墻體在日間初始時刻的溫度(Tx,start)和結(jié)束時刻的蓄熱層溫度(Tx,end)來計算其日間蓄熱量。蓄熱層厚度利用溫差法[23]計算?？紤]到聚苯乙烯板蓄熱能力較小，可認為主要由黏土磚部分承擔蓄熱功能，外保溫復(fù)合墻日間儲熱量(Qc，MJ)可根據(jù)深度x處蓄熱層在日間初始時刻的溫度(Tx,start)和結(jié)束時刻的蓄熱層溫度(Tx,end)來計算。即

(19)

式中S——蓄熱墻體表面積，m2

dw——蓄熱層的厚度，m

Tx,start和Tx,end隨x變化的方程可在上述模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上通過回歸分析獲得。

夜間外保溫復(fù)合墻通過對流換熱和輻射換熱的方式向室內(nèi)散熱，其放熱量為

(20)

其中

qr,k=αiS(T0,k-Tin,k)

(21)

式中Qr,m——外保溫復(fù)合墻在mΔt時間內(nèi)的放熱量，MJ

qr,k——外保溫復(fù)合墻在第kΔt時刻的放熱功率，J

T0,k——外保溫復(fù)合墻內(nèi)表面在k時刻溫度，℃

Tin,k——溫室內(nèi)k時刻空氣溫度，℃

上述模型中所涉及的材料熱工參數(shù)如表1所示[19]。由于黏土磚表面為紅褐色，根據(jù)《民用建筑設(shè)計規(guī)范》(GB 06—2016)，ηe取0.8，αi取8.7 W/(m·K)，αo取23.0 W/(m·K)[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 后墻內(nèi)表面太陽輻射及室內(nèi)外氣溫

后墻內(nèi)表面太陽輻照度和室內(nèi)外氣溫變化如圖5所示。日間和夜間分別定義為保溫被揭開(08:20—16:00)和閉合期間(16:00—08:20)。

表1 外保溫復(fù)合墻材料熱工參數(shù)Tab.1 Thermal parameters of material involved in external insulation composite wall

圖5 室內(nèi)外空氣溫度與后墻內(nèi)表面太陽輻照度變化曲線(2018-02-07—2018-02-09)Fig.5 Variations of indoor and outdoor air temperatures and solar radiation on inner surface of north wall

在晴天和多云日間，后墻內(nèi)表面太陽輻照度總體呈先增后減的變化趨勢，最高太陽輻照度分別為503.1、286.9 W/m2。室外氣溫(Tout)分別在-2.8～3.9℃和-9.6～4.2℃的范圍內(nèi)變化，也呈先升高后降低的趨勢。室內(nèi)氣溫(Tin)在保溫被揭開之后隨時間快速提升，中午時由于通風而出現(xiàn)波動。在晴天和多云日間，Tin分別在11.3～32.6℃和9.6～29.6℃范圍內(nèi)變化，室內(nèi)外最大溫差分別為30.9、27.4℃。

在陰天太陽輻射較弱，最高太陽輻照度為73.4 W/m2，僅為晴天的14.6%。Tout在-11～5.4℃范圍內(nèi)變化，室內(nèi)外溫差最高為17.5℃。雖然陰天Tin不高，但溫室管理人員依然在中午實施通風，導(dǎo)致陰天中午Tin出現(xiàn)了小幅下降。

在晴天、多云及陰天夜間，Tout分別在-12.1～2.1℃、-15.8～2.5℃和-11.1～3.9℃范圍內(nèi)變化。保溫被閉合后，室內(nèi)氣溫以約2.4℃/h的速度下降。當室內(nèi)氣溫低于11℃時，AHSCTM開始向室內(nèi)放熱，室內(nèi)氣溫下降的速度減至0.2℃/h。

2.2 AHSCTM集熱與放熱性能

試驗期間蓄水池水溫(Tw)變化曲線如圖6所示，根據(jù)式(8)和式(9)計算集放熱量，計算結(jié)果見表2。日間AHSCTM運行期間，Tw隨時間持續(xù)上升，分別在晴天、多云和陰天日間上升了8.2、6.0、1.7℃，日間集熱量(Ec)分別為171.2、125.2、35.5 MJ；夜間放熱量(Er)分別為123.2、116.9、60.5 MJ，根據(jù)式(10)計算COP分別為2.4、1.9、1.1。

圖6 AHSCTM蓄水池實測水溫、模擬水溫和改進AHSCTM的模擬蓄水池水溫(2018-02-07—2018-02-09)Fig.6 Measured and simulated water temperature of AHSCTM and simulated water temperature of improved AHSCTM

日期改進前改進后Ec/MJEr/MJCOPEc/MJEr/MJCOP02-07171.2123.22.4340.2365.37.002-08125.2116.91.9204.6196.23.502-0935.560.51.166.8156.52.8

以單位墻體面積計算，AHSCTM夜間放熱量為0.9～1.9 MJ/m2，而基于水幕簾的主動式集放熱系統(tǒng)的夜間放熱量可高達4.9～5.6 MJ/m2 [9]。因此AHSCTM的夜間放熱量較少。另外，AHSCTM的COP同樣低于基于水幕簾的主動式集放熱系統(tǒng)，需進一步優(yōu)化[11，24]。

2.3 改進AHSCTM的儲放熱性能

2.3.1模型驗證

為提升AHSCTM的儲放熱性能，利用試驗測得的參數(shù)對本文構(gòu)建的AHSCTM蓄水池水溫模型進行了驗證(圖6)。結(jié)果表明模擬水溫與實測水溫一致性較高，兩者之間平均偏差0.4℃，最大偏差1.3℃。因此，數(shù)學(xué)模型準確度較高，可以用來分析不同參數(shù)條件下的主動式集放熱系統(tǒng)的集放熱性能。

2.3.2AHSCTM改進

由于后墻吊掛的毛細管僅占后墻面積的26.3%，通過加大毛細管的數(shù)量和延長毛細管長度進行改進。改進后毛細管數(shù)量和長度分別為4 416根和2.6 m。又因為空中懸吊毛細管網(wǎng)會對地面植物產(chǎn)生陰影，去除不要，最終，改進后AHSCTM的毛細管外表面積較現(xiàn)有系統(tǒng)增加了62.4%。

根據(jù)構(gòu)建的水溫模型，在2018年2月7—9日期間測定的室內(nèi)氣溫和太陽輻射條件下，改進AHSCTM可在晴天、多云和陰天日間使Tw分別升高16.3、9.8、3.2℃(圖6)，Ec達到340.2、204.6、66.8 MJ，分別較現(xiàn)有系統(tǒng)增加98.7%、63.4%、88.2%(表2)。另外，改進AHSCTM在晴天、多云和陰天的Er可達365.3、196.2、156.5 MJ，分別較現(xiàn)有系統(tǒng)增加196.5%、67.8%、158.7%。

以單位墻體面積計算，改進AHSCTM夜間放熱量達到2.4～5.6 MJ/m2，COP可達2.8～7.0，與基于水幕簾的主動式集放熱系統(tǒng)在放熱性能和COP的差距大幅縮減[11,24]。

2.4 外保溫復(fù)合墻儲放熱性能

外保溫復(fù)合墻溫度隨時間變化如圖7所示。圖中0、0.074、0.148、0.222、0.296 m表示到復(fù)合墻體內(nèi)表面的距離。在日間保溫被揭開后，后墻內(nèi)表面溫度先升高后降低，其他深度的墻體溫度變化趨勢與內(nèi)表面溫度變化相同，但具有一定的滯后性，且變化幅度不斷隨深度增加而減小。這與李明等[25]的研究結(jié)果一致。

圖7 外保溫復(fù)合墻體各節(jié)點溫度變化曲線(2018-02-07—2018-02-09)Fig.7 Variation curves of temperatures at each node of insulation composite wall

一般外保溫復(fù)合墻通過提高自身溫度來儲蓄熱量。根據(jù)模擬結(jié)果，后墻不同位置溫度的日變化幅度隨深度增加不斷減小。在深度為0.296 m處，其日變化幅度不到10%。認為外保溫復(fù)合墻在試驗條件下的蓄熱層厚度為0.296 m。通過回歸分析可獲得保溫被揭開和閉合時刻后墻蓄熱層溫度隨深度變化的回歸方程(表3)。表中回歸方程x的取值范圍為0～0.296 m。根據(jù)式(19)，外保溫復(fù)合墻在晴天、多云和陰天的日間儲熱量(Qc)分別為203.0、118.4、31.5 MJ(表4)。但由于墻體的熱交換過程不可控，墻體內(nèi)表面溫度從15:00左右高于室內(nèi)氣溫，導(dǎo)致墻體提前放熱，該部分熱量達到了88.6、52.5、19.3 MJ，是Qc的43.6%、44.3%、61.3%。在夜間，外保溫復(fù)合墻持續(xù)向室內(nèi)放熱，其夜間放熱量(Qr,m)分別為160.0、116.1、80.9 MJ。陰天雖然Qc較低，但因夜間室內(nèi)溫度較低，外保溫復(fù)合墻依然向室內(nèi)放熱，以致陰天Qr,m大于Qc。

2.5 AHSCTM與外保溫復(fù)合墻儲放熱性能對比

AHSCTM在晴天、多云和陰天日間的儲熱量分別是相同條件下的外保溫復(fù)合墻的84.4%、105.7%、111.3%。這可能是由于晴天日間太陽輻射較強，系統(tǒng)水溫升高過快，AHSCTM下午的集熱能力下降所造成的。另一方面，AHSCTM在晴天、多云和陰天夜間的放熱量分別是外保溫后墻的77.0%、100.7%、74.8%，但在AHSCTM夜間運行期間，AHSCTM放熱量是相同時間段內(nèi)外保溫復(fù)合墻的放熱量的172.5%、183.8%、98.2%。因此，與外保溫復(fù)合墻相比，AHSCTM在儲放熱性能方面的優(yōu)勢并不明顯，但由于放熱過程可控，能在室內(nèi)氣溫較低的時集中放熱，對晴天和多云夜間最低氣溫的調(diào)節(jié)能力優(yōu)于外保溫復(fù)合墻。

表3 墻體蓄熱層溫度隨深度變化的回歸方程Tab.3 Fitting equations of wall temperature in heat storage layer varied with depth

表4 外保溫復(fù)合墻日間儲熱量和夜間放熱量Tab.4 Stored heat in daytime and released heat in night of external insulation composite wall MJ

改進AHSCTM的儲放熱較現(xiàn)有系統(tǒng)有了較大提升。改進AHSCTM在晴天、多云和陰天日間的儲熱量可較外保溫復(fù)合墻分別高67.6%、72.8%、112.1%，夜間放熱量則較外保溫復(fù)合墻高128.3%、69.0%、93.5%；而在夜間AHSCTM運行期間，改進AHSCTM的放熱量更是外保溫復(fù)合墻的5.1、3.1、2.5倍。該結(jié)果表明，改進AHSCTM在日間儲熱量和夜間放熱量上超過外保溫墻體，能更有效地避免室內(nèi)最低氣溫的發(fā)生。

當然，AHSCTM的運行過程離不開水泵運行，即使經(jīng)過改善，依然需要一定的電力投入。而外保溫后墻的運行不需要消耗電力，運行成本較低。另外二者在嚴格相同條件下對室內(nèi)氣溫的影響也缺乏研究。因此，還需從建造成本、室內(nèi)氣溫變化、作物產(chǎn)量和品質(zhì)等角度對二者進一步對比，明確AHSCTM的替代傳統(tǒng)保溫蓄熱后墻的可行性。

3 結(jié)論

(1)測試條件下，AHSCTM日間儲熱量和夜間放熱量分別為35.5～171.2 MJ和60.5～123.2 MJ，COP為1.1～2.4。

(2)改進AHSCTM的日間儲熱量和夜間放熱量分別較現(xiàn)有系統(tǒng)增加63.4%～98.7%和67.8%～158.7%，COP可達2.8～7.0。

(3)在相同條件下，AHSCTM的日間儲熱量為外保溫復(fù)合墻84.4%～111.3%，夜間放熱量為外保溫復(fù)合墻74.8%～100.7%；在夜間運行期間，AHSCTM夜間放熱量是相同時間段內(nèi)外保溫復(fù)合墻的放熱量的98.2%～172.5%。因此，AHSCTM的儲放熱性能未明顯優(yōu)于外保溫復(fù)合墻，但由于AHSCTM放熱過程可控，在提高室內(nèi)最低氣溫方面優(yōu)于外保溫復(fù)合墻。

(4)改進AHSCTM的日間儲熱量和夜間放熱量分別較外保溫復(fù)合墻高67.6%～112.1%和69.0%～128.3%。尤其在AHSCTM運行期間，改進AHSCTM的夜間放熱量是外保溫復(fù)合墻的2.5～5.1倍。因此，改進AHSCTM的儲放熱性能優(yōu)于外保溫復(fù)合墻，利用改進AHSCTM配合保溫墻體替代傳統(tǒng)保溫蓄熱后墻具有一定的可行性。