不同墻體材料的裝配式日光溫室的熱性能對比分析

楊定偉 荊海薇* 景煒婷 何 斌 鄒志榮 鮑恩財 曹晏飛

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院,陜西 楊凌 712100;3.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室,南京 210014)

日光溫室是我國北方地區(qū)冬季作物種植生產(chǎn)最主要的農(nóng)業(yè)設(shè)施,具有良好的保溫和節(jié)能特性[1-3]。日光溫室后墻的熱性能和溫室的環(huán)境溫度有著直接聯(lián)系,由于墻體熱性能差異造成的溫室環(huán)境溫度的變化對于冬季溫室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控具有重要參考價值[4-7]。

為了探索溫室后墻的保溫蓄熱性能,已有研究對日光溫室后墻的墻體結(jié)構(gòu)和材料性能進(jìn)行了試驗和分析。針對不同墻體結(jié)構(gòu),對墻體傳熱特性進(jìn)行了研究,得出模塊化組裝后墻的傳熱能力優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土后墻[8-11];部分研究[12-13]在后墻結(jié)構(gòu)中設(shè)置了主動蓄熱系統(tǒng),使后墻的蓄熱和保溫性能得到進(jìn)一步提升。對墻體材料的諸多研究表明,復(fù)合材料后墻較單一材料后墻的熱性能更好[14],將相變材料應(yīng)用到溫室后墻能夠提升和改善溫室的熱環(huán)境[15]。為優(yōu)化墻體厚度,已有研究[16-19]對后墻蓄熱層厚度方面采用溫波法和溫波理論以確定墻體蓄熱層厚度,將溫室的后墻分為蓄熱層、熱穩(wěn)定層等,為優(yōu)化溫室墻體的結(jié)構(gòu),推進(jìn)日光溫室后墻改進(jìn)提供依據(jù)和參考。

裝配式溫室造價低,施工便捷的特點使得其具有較強的推廣價值[20-21],已有研究[22-23]雖然探索了裝配式日光溫室和傳統(tǒng)日光溫室的性能差異,以及裝配式溫室自身的性能表現(xiàn),但不同后墻材料裝配式溫室之間的性能對比研究較少。

本研究擬對2種不同后墻材料裝配式日光溫室冬季室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行測試,并以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)溫室為對照,分析溫室間熱性能的差異,以期為墻體材料和厚度的優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室

試驗地點位于陜西省楊凌示范區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)園藝場(34°15′ N,108°06′ E)。試驗溫室分別為裝配式礫石模塊溫室(A)和裝配式土模塊溫室(B),當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)磚混材料溫室(C)為照溫室,結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。試驗溫室的齒條上通風(fēng)口位于后坡,卷膜下通風(fēng)口位于前側(cè)屋面的下部。測試期內(nèi)試驗溫室和對照溫室種植作物均為番茄,品種為‘普羅旺斯’,適宜生長溫度環(huán)境為20～25 ℃,最低溫度為10 ℃,采用基質(zhì)袋培養(yǎng),灌溉方式為滴灌,試驗時間為2021-01-20—2021-04-01。

表1 試驗溫室及對照溫室的基本參數(shù)及后墻結(jié)構(gòu)Table 1 Basic parameters and back wall construction of the test and control greenhouses

1.2 主動蓄熱循環(huán)系統(tǒng)

主動蓄熱循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。該系統(tǒng)包括風(fēng)道、風(fēng)機(jī)及其控制系統(tǒng),其中風(fēng)道包括有后墻內(nèi)風(fēng)道和溫室內(nèi)土壤下風(fēng)道。試驗溫室的主動蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的氣流運動方式相同,軸流風(fēng)機(jī)的數(shù)量及功率相等,氣流管道均使用市場常用的PVC管道。風(fēng)機(jī)為負(fù)壓通風(fēng),2座試驗溫室各6臺,共12臺,均位于出風(fēng)口。

1.軸流風(fēng)機(jī);2.地下氣流管道;3.土壤;4.墻體氣流管道;5.礫石;6.夯實粘土1.Axial flow fan; 2.Underground air duct; 3.Soil; 4.Wall air duct; 5.Gravel; 6.Compacted clay圖1 試驗溫室A(a)和試驗溫室B(b)主動蓄熱循環(huán)系統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)Fig.1 Test greenhouse A (a) and test greenhouse B (b) Planar structure of the active thermal storage circulation system

本次試驗主要研究不同材料的裝配式日光溫室的基礎(chǔ)熱性能差異,故在選取的試驗日期中該主動蓄熱循環(huán)系統(tǒng)并未運行。

1.3 試驗設(shè)計

試驗溫室A的空間溫度測點位于溫室長度方向的3等分截面上,每個截面的溫度測點9個,共2個截面18個溫度測點,試驗溫室B和對照溫室C的空間溫度測點布置和A溫室相同;試驗溫室A和B墻內(nèi)測點布置在溫室長度方向中間、后墻表面1.8 m高度,A溫室從室內(nèi)墻體表面到墻體內(nèi)側(cè)的測點深度分別為0、200、400、600 mm,B溫室從室內(nèi)墻體表面到墻體內(nèi)側(cè)的測點深度分別為0、200、400、600、800 mm;試驗溫室后墻長度方向的中間,后墻表面1.8 m高度,布置1個墻體熱流密度測點。

試驗及對照溫室室內(nèi)溫度和試驗溫室后墻溫度的測量儀器為T型熱電偶(合柔(上海)電線電纜有限公司),溫度測量范圍-200～350 ℃,測量精度±0.2 ℃;采集溫度數(shù)據(jù)的儀器為安捷倫數(shù)據(jù)采集儀(美國Agilent公司生產(chǎn)),溫度測量范圍-200～350 ℃,測量精度±0.1 ℃;后墻熱流密度使用儀器為JT2020(北京世紀(jì)建通科技股份有限公司),熱流測量范圍0～5 MW/m2,測量精度±4%;室外設(shè)立小型室外氣象站(HOBOU30氣象站)采集室外氣象數(shù)據(jù)。

試驗和對照溫室采用保溫被覆蓋,09:00收卷,17:00鋪放。保溫被覆蓋時段為17:00—次日09:00,保溫被卷起時段為09:00—17:00。晴天,11:00左右打開通風(fēng)口,15:00左右關(guān)閉,陰天和雨天溫度較低時通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉,可根據(jù)實時天氣情況稍作改變。

1.4 理論分析

1.4.1墻體熱性能計算

采用單層材料蓄熱系數(shù)(S)、總熱阻(Rov)、熱惰性指標(biāo)(D)、總熱惰性指標(biāo)(Dov)、材料層內(nèi)表面蓄熱系數(shù)(Yif)、材料層外表面蓄熱系數(shù)(Yof)、衰減倍數(shù)(νov)、延遲時間(ξov)、墻體蓄放熱量(Qpas) 評估溫室后墻的熱性能。

單層材料蓄熱系數(shù)(S)的定義為:

(1)

式中:λ為材料導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);c為比熱容,kJ/(kg·℃);ρ為密度,kg/m3;Z為波動周期,本研究中Z=24 h。

總熱阻(Rov)定義為:

(2)

式中:αin為材料層內(nèi)表面熱轉(zhuǎn)移系數(shù),W/(m2·℃),本研究取αin=8.7 W/(m2·℃);αout為材料層外表面熱轉(zhuǎn)移系數(shù),W/(m2·℃),本研究取αout=23.0 W/(m2·℃);dm為第m層的材料層厚度,m為材料層數(shù)(m=1,2,…,n),mm;λm為第m層的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);Rin為平壁層內(nèi)表面換熱阻,(m2·℃)/W,本研究中Rin=0.11(m2·℃)/W;Rout為平壁層外表面換熱阻,(m2·℃)/W,本研究中Rout=0.04(m2·℃)/W;∑Rm平壁各層材料熱阻之和,(m2·℃)/W。

熱惰性指標(biāo)(D)定義為:

D=R·S

(3)

式中:R為熱阻,(m2·℃)/W。

總熱惰性指標(biāo)(Dov)定義為:

Dov=∑(Rm·Sm)

(4)

式中:Rm為第m層墻體的熱阻,(m2·℃)/W;Sm為第m層墻體的蓄熱系數(shù),W/(m2·℃)。

當(dāng)溫度波由外向內(nèi)傳遞時,材料層外表面蓄熱系數(shù)Ym,o計算從內(nèi)側(cè)第1層開始,逆著溫度波前進(jìn)的方向,依次向外逐層推算。第1層外表面的蓄熱系數(shù)(Y1,o)計算公式[24],當(dāng)D1≥1.0時為

Y1,o=S1

D1<1.0時為

式中:S1為第1層蓄熱系數(shù),W/(m2·℃)。從第2層開始,以后任一層的外表面蓄熱系數(shù)(Ym,o),當(dāng)Dm≥1.0時為

Ym,o=Sm

Dm<1.0時為

式中:Ym-1,o表示第(m-1)層的蓄熱特性對第m層的影響,W/(m2·℃)。最外層材料的外表面蓄熱系數(shù),即為平壁表面的材料層外表面蓄熱系數(shù)為:

Yn,of=Yof

當(dāng)溫度波由內(nèi)向外時,材料層內(nèi)表面蓄熱系數(shù)的計算順序還是逆著溫度波前進(jìn)方向,即從外層向內(nèi)逐層計算,各層次編號不變,最外層即第n層的材料層內(nèi)表面蓄熱特性系數(shù)[24],當(dāng)Dn≥1.0時為:

Yn,i=Sn

Dn<1.0時為:

式中:Rn為最外層熱阻,(m2·℃)/W;Sn為最外層蓄熱系數(shù),W/(m2·℃)。其他各層的內(nèi)表面蓄熱系數(shù),當(dāng)Dm≥1.0時為:

Ym,i=Sm

Dm<1.0時為:

最內(nèi)層的內(nèi)表面蓄熱特性系數(shù),即為平壁的內(nèi)表面蓄熱特性系數(shù)為:

Y1,i=Yif

室外溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面的總衰減度的定義[24]為:

(5)

式中:S1,S2,…,Sn為各層材料的蓄熱系數(shù),W/(m2·℃);Y1,Y2,…,Yn為各材料層外表面蓄熱系數(shù),W/(m2·℃)。

室外溫度諧波傳至平壁內(nèi)表面的延長時間的定義[24]為:

(6)

式中:Yof為材料層外表面蓄熱系數(shù),W/(m2·℃);Yif為材料層內(nèi)表面的蓄熱系數(shù),W/(m2·℃)。

1.4.2試驗溫室墻體蓄放熱量

將墻體視為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,則根據(jù)墻面熱流密度、墻體面積以及熱流密度測量間隔時間等參數(shù),可得到墻體放熱量,計算公式[9]為:

Qpas=∑qτ·Sw·tτ/106

(7)

式中:Qpas為后墻的熱量,MJ;qτ為τ時段墻體表面熱流密度,W/m2;Sw為主動蓄熱后墻表面積,即后墻長度與高度之積,本研究中Sw=57.6 m2;tτ為測試期間記錄數(shù)據(jù)的時間間隔,本研究中tτ=1 200 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室內(nèi)外氣溫對比分析

冬季不同典型天氣條件下的溫室空間溫度有著不同的變化,魏瑞江等[5]以連續(xù)3 d以上無日照或逐日日照時數(shù)≤2 h連續(xù)4 d以上為連續(xù)陰天的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn);黎貞發(fā)等[6]以日最低氣溫≤0 ℃且日照時數(shù)≤3 h為低溫連陰天的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn);鮑恩財?shù)萚9]以日照時數(shù)≤2 h連續(xù)3 d及以上為連續(xù)陰天條件統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)。本研究根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)選取交集,規(guī)定日照時數(shù)≤3 h且最低溫度低于0 ℃為典型低溫陰天。選取2月12日為典型晴天,2月13日為典型低溫陰天,并根據(jù)降雨量選取2月28日為典型雨天。3種典型天氣試驗和對照溫室室內(nèi)及室外溫度變化見圖2。

圖2 試驗溫室和對照溫室內(nèi)溫度及室外溫度Fig.2 Indoor temperature of test and control greenhouses and outdoor temperature

晴天A、B、C溫室以及室外的日平均氣溫分別為20.5、20.9、16.9、8.2 ℃,試驗溫室A和B在晴天條件下室內(nèi)氣溫差距較小,C溫室氣溫相對較低,夜間A、B、C溫室以及室外的平均溫度分別為16.3、16.9、14.2、7.8 ℃,試驗溫室A和B的夜間溫度相差不大,B溫室優(yōu)于A溫室,對照溫室C比試驗溫室A和B的夜間氣溫低2 ℃以上。晴天試驗溫室A和B在白天的溫差很小,C溫室氣溫最低,到了夜間,B溫室氣溫最高,A溫室次之,C溫室最低。試驗溫室A和B的室內(nèi)氣溫優(yōu)于對照溫室C,保溫性更好。

陰天A、B、C溫室的白天和夜間的溫度變化趨勢基本相同,均于16:00左右達(dá)到當(dāng)天溫度最大值。陰天A、B、C溫室以及室外的日平均溫度分別為14.9、15.5、12.5、5.4 ℃,夜間A、B、C溫室以及室外的平均溫度分別為12.8、13.7、10.4、2.8 ℃,B溫室溫度最高,比A和C溫室分別高了0.9、3.3 ℃。陰天B溫室的夜間保溫性能最優(yōu),A溫室次之,C溫室相對較差,試驗和對照溫室的室內(nèi)氣溫受外界天氣變化影響不大。

雨天由于室外溫度較低且光照強度較弱,試驗和對照溫室的室內(nèi)氣溫變化趨勢和晴天和陰天都不同,日平均溫度均較低,溫度波動較為平緩。A、B、C溫室以及室外的日平均氣溫分別為9.3、11.2、7.0、4.1 ℃,夜間平均氣溫分別為9.0、10.9、6.6、4.5 ℃。B溫室日平均溫度以及夜間平均溫度均高于A和C溫室,C溫室最低。B溫室的保溫性較A和C溫室更優(yōu)。

2.2 溫室后墻熱性能及其不同深度的溫度變化

2.2.1墻體熱工性能分析

根據(jù)GB 50176—2016《民用建筑設(shè)計規(guī)范》[25]采用試驗溫室墻體的材料導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容數(shù)值見表2。試驗溫室A和B后墻蓄熱層的材料分別選用礫石和夯實土塊,夯實粘土的比熱容大于礫石,說明B溫室的夯實粘土塊墻體吸熱能力較A溫室的礫石墻體更強,使得在太陽熱輻射穿過墻體時B溫室墻體能夠吸收更多熱量,提升墻體溫度。夜間B溫室墻體由傳導(dǎo)、對流和輻射的方式向室內(nèi)空間傳遞儲存熱量相較于A溫室更多,更能提升夜間溫室的室內(nèi)溫度。

表2 試驗溫室不同后墻材料的熱物理性能參數(shù)Table 2 Thermophysical performance parameters of different back wall materials in test greenhouses

為進(jìn)一步對比評估試驗溫室A和B的墻體的熱工性能,表3示出總熱阻、蓄熱系數(shù)、總熱惰性指標(biāo)等指標(biāo)的計算結(jié)果。2座試驗溫室蓄熱層的材料礫石和夯實土塊的蓄熱系數(shù)差別較小,蓄熱能力相差不大。試驗溫室A和B的總熱阻分別為2.81和3.35 (m2·℃)/W,B溫室墻體的總熱阻高于A溫室,說明B溫室墻體的保溫性能較A溫室墻體更優(yōu),B溫室墻體具有較A溫室更加出色的隔熱能力,受到外界環(huán)境變化的影響更小。試驗溫室A和B蓄熱層的熱惰性指標(biāo)分別為4.16和13.45,墻體的總熱惰性指標(biāo)分別為:5.79和14.71,B溫室的蓄熱層的熱惰性指標(biāo)和墻體的總熱惰性指標(biāo)均大于A溫室,溫度波在B溫室墻體的衰減更大,并減緩了室內(nèi)溫度的變化,使得墻體的熱穩(wěn)定性較A溫室更優(yōu),對于營造穩(wěn)定的溫室熱環(huán)境更加有利。

表3 試驗溫室不同墻體的熱特性指標(biāo)Table 3 Indicators of the thermal properties of different walls of the test greenhouse

若外界溫度發(fā)生劇烈變化,如果溫室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對于溫度變化的抵抗能力較弱,溫室后墻內(nèi)表面的溫度也將隨之發(fā)生變化,將會直接導(dǎo)致室內(nèi)的空氣溫度劇烈變化,一方面不利于溫室內(nèi)植物的生長,另一方面會導(dǎo)致設(shè)備調(diào)節(jié)室內(nèi)溫、濕度的效果大打折扣。因此,為研究2座試驗溫室后墻在冬季的熱穩(wěn)定性差異,對冬季室外溫度諧波傳至試驗溫室平壁內(nèi)表面的衰減倍數(shù)和延遲時間進(jìn)行計算,結(jié)果見表4。在冬季,室外溫度諧波傳至試驗溫室A和B內(nèi)表面的延遲時間分別為14.84和38.60 h,B溫室的延遲時間遠(yuǎn)高于A溫室,B溫室墻體較長的延遲時間使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)擁有較A溫室墻體更強的抵抗外界溫度變化的性能,更長的延遲時間將室外最高溫度出現(xiàn)時間延后,使夜間出現(xiàn)較高的輻射溫度,對于減少溫室的采暖能耗更加有益。試驗溫室A和B的衰減倍數(shù)分別為519.89和386 599.94,B溫室墻體的衰減倍數(shù)遠(yuǎn)大于A溫室墻體,這是B溫室的熱惰性指標(biāo)更大導(dǎo)致。B溫室較大的衰減倍數(shù)使墻體具有更加穩(wěn)定的內(nèi)表面溫度,提高室內(nèi)的綜合溫度。

表4 試驗溫室不同墻體的熱穩(wěn)定性指標(biāo)Table 4 Thermal stability indicators for different walls of the test greenhouse

上述結(jié)果表明,B溫室后墻相較于A溫室具有更大的熱阻和熱惰性指標(biāo),B溫室后墻蓄熱性能更優(yōu)。B溫室的后墻在冬季室外溫度諧波傳至墻內(nèi)表面時的衰減倍數(shù)更大,延遲時間更長。B溫室后墻具有更強的抵抗外界溫度變化的能力,具有更好的熱穩(wěn)定性,更加適合西北地區(qū)的環(huán)境。

2.2.2溫室后墻不同深度的溫度變化

試驗溫室后墻熱工性能分析表明,B溫室的熱工性能優(yōu)于A溫室。為了進(jìn)一步研究新型裝配式日光溫室的墻體熱性能差異,對試驗溫室A和B的后墻不同墻體深度的溫度變化進(jìn)行分析,典型天氣下的后墻不同墻體深度溫度的變化見圖3。

晴天試驗溫室A和B的墻體溫度從墻體內(nèi)表面向墻體內(nèi)部逐漸降低。0～400 mm墻體厚度區(qū)間的溫度變化幅度較大,各深度的溫度峰值均在16:00左右,B溫室墻體溫度均優(yōu)于A溫室。墻體厚度>500 mm區(qū)域B溫室的溫度在1 d內(nèi)的變化幅度較小,基本趨于穩(wěn)定,受外界環(huán)境影響很小,相反A溫室的溫度變化幅度依然明顯,夜間溫度有較為明顯下降。陰天試驗溫室A和B的墻體溫度較晴天更低,溫度變化幅度相對較小,0～300 mm墻體厚度的溫度變化幅度較大,和晴天相同,墻體的溫度峰值出現(xiàn)在16:00左右,B溫室墻體溫度依然優(yōu)于A溫室。墻體厚度>500 mm區(qū)域B溫室的溫度基本保持穩(wěn)定,A溫室存在較大溫度幅度變化,在進(jìn)入夜間后相較于晴天,墻體溫度下降速率相對更快。

上述結(jié)果表明,典型天氣條件下B溫室的墻體溫度優(yōu)于A溫室,這和試驗溫室A和B的熱工性能分析結(jié)果一致。墻體厚度>500 mm的區(qū)域B溫室墻體溫度在1 d內(nèi)相對穩(wěn)定,溫度波幅變化基本保持不變,在此墻體厚度區(qū)間內(nèi)A溫室后墻溫度變化依舊較為明顯。

為進(jìn)一步研究和明確試驗溫室A和B的墻體蓄熱層厚度,采用由李明等[16]提出的溫波法,定義溫室墻體 1 d內(nèi)溫度波幅>1 ℃的區(qū)域為其蓄熱層,并以此確定溫室后墻蓄熱層的厚度,對2座試驗溫室墻體的蓄熱層厚度進(jìn)行分析。在典型天氣條件下試驗溫室不同墻體深度的溫度波幅變化見圖4。

圖4 典型天氣條件下試驗溫室不同墻體深度的極值溫度Fig.4 The maximum and minimum value of temperature at different wall depths in the test greenhouse under typical weather conditions

晴天,A溫室在0～600 mm墻體厚度的溫度波幅分別為10.3、5.4、3.0、2.5 ℃,B溫室在0～800 mm的溫度波幅分別為11.8、3.1、2.2、1.0、0.5 ℃。陰天,A溫室的溫度波幅分別為6.6、2.6、2.5、1.7 ℃,B溫室的溫度波幅分別為7.8、2.9、1.0、0.7、0.6 ℃。這與李明等[16]和鮑恩財?shù)萚9]的結(jié)果一致。試驗溫室A和B的墻體均為表面溫度變化最為劇烈,隨著深度的增加,溫度波幅逐漸減小。根據(jù)墻體不同深度波幅的變化大小可將墻體分為蓄熱層和穩(wěn)定層[18],在本試驗條件下晴天B溫室的蓄熱層厚度為600～700 mm,墻體厚度>700 mm的區(qū)域溫度波幅變化很小,所以墻體厚度>700 mm均為熱穩(wěn)定層。陰天的蓄熱層厚度為300～400 mm,墻體厚度>400 mm為熱穩(wěn)定層,這和張志錄等[18]的研究結(jié)果的規(guī)律一致。A溫室在典型天氣下的日溫度變化均大于1 ℃(最小波幅為1.7 ℃),由溫波法計算可得其蓄熱層厚度>600 mm,造成這種結(jié)果的主要原因是墻體的材料差異和墻體厚度較小。

2.3 墻體傳熱特性分析

為進(jìn)一步分析試驗溫室A和B后墻的傳熱特性,對比試驗溫室熱流密度的變化,本研究對2座試驗溫室典型天氣下的蓄、放熱性能進(jìn)行計算和分析,熱流密度變化見圖5。

圖5 典型晴天(a)和陰天(b)試驗溫室墻體熱流密度變化Fig.5 Changes in heat flow density of test greenhouse walls on a typical sunny day (a) versus a cloudy day (b)

晴天試驗溫室A和B墻體的最大蓄熱熱流密度分別為181.08和367.89 W/m2,平均蓄熱的熱流密度分別為95.93和188.52 W/m2,平均放熱的熱流密度分別為7.46和26.93 W/m2,蓄熱時長分別為6.5和8.5 h。陰天試驗溫室A和B墻體的最大蓄熱熱流密度分別為51.38和89.04 W/m2,平均蓄熱的熱流密度分別為22.73和47.99 W/m2,平均放熱的熱流密度分別為2.90和11.05 W/m2,蓄熱時長分別為6.0和7.5 h。試驗溫室A和B后墻的熱流密度隨外界光照強度的變化而變化,在白天光照強度大時,熱流密度變化幅度大,進(jìn)入夜間放熱階段時,變化較為平緩。在典型天氣條件下,B溫室的蓄熱熱流密度和放熱熱流密度均高于A溫室,B溫室在1 d內(nèi)的蓄熱時間比A溫室更久,在夜間放出的熱量更多,能夠更好地提升夜間溫室內(nèi)的氣溫。

晴天試驗溫室A和B在1 d內(nèi)的被動蓄熱量均高于被動放熱量,B溫室的被動蓄、放熱量分別比A溫室高出205.98和37.34 MJ(表5)。試驗溫室A和B的墻體蓄熱量比放熱量分別高111.28和279.52 MJ,B溫室比A溫室高168.24 MJ,這部分熱量被儲存在墻體內(nèi)部,提升了墻體蓄熱層部分的溫度,B溫室的儲存熱量比A溫室高,使得B溫室墻體內(nèi)部的溫度高于A溫室,這與圖5所示的測試分析結(jié)果一致。陰天,B溫室的被動蓄、放熱量分別比A溫室高57.98和43.89 MJ,試驗溫室A和B的墻體蓄熱量比放熱量分別高15.55和29.64 MJ,B溫室的墻體蓄熱量比A溫室高,說明B溫室墻體溫度高于A溫室。陰天墻體蓄、放熱量低于晴天的蓄、放熱量,這與圖5所示的分析結(jié)果一致。

表5 試驗溫室后墻蓄放熱量Table 5 Heat storage in the back wall of the test greenhouse MJ

上述結(jié)果表明,典型天氣下B溫室墻體的蓄熱量高于A溫室,在夜間放出的熱量更高,使得B溫室在夜間的溫度得到更大提升。

3 討 論

溫室后墻結(jié)構(gòu)和建筑的材料不同是造成日光溫室內(nèi)環(huán)境差異的主要影響因素,因此改進(jìn)溫室后墻墻體結(jié)構(gòu)和選擇合適的建筑材料是提高溫室后墻蓄熱量,提升溫室在冬季的保溫性能的重要措施。本研究選取的2座試驗溫室的位置能夠保證日光溫室所受到的太陽輻射強度大致相同。后墻不同深度的溫度變化方面,利用李明等[16]的溫波法對墻體的蓄熱層厚度進(jìn)行確定,B溫室在典型天氣下的蓄熱層厚度和鮑恩財?shù)萚9]的研究一致,但在>500 mm的墻體厚度區(qū)間 A溫室的溫度波幅變化依然明顯,B溫室變化很小。A溫室的溫度波幅均大于1.0 ℃,由溫波法計算可得A溫室的蓄熱層厚度>600 mm。造成這種結(jié)果的主要原因是:1)墻體的材料差異,礫石間的空隙較大,密閉性差,與室內(nèi)空氣接觸較多,易受空氣溫度變化影響;2)墻體厚度較小,尚待進(jìn)一步研究。

由試驗溫室后墻蓄、放熱量計算結(jié)果可知,典型天氣下B溫室的蓄熱能力均強于A溫室,這與室內(nèi)溫度測量結(jié)果和熱工性能計算結(jié)果一致。本試驗2座試驗溫室后墻的建造工藝存在差異,在墻體厚度上未能保證完全一致,只能從墻體整體進(jìn)行分析,這與鮑恩財?shù)萚9]的研究結(jié)果相似,根據(jù)楊建軍等[19]研究得出楊凌地區(qū)日光溫室墻體的最佳厚度為1 000 mm,所以在后期試驗中可將A溫室墻體改造加厚后再進(jìn)行試驗對比分析。

本研究僅分析了試驗溫室后墻的蓄、放熱量變化和墻體性能對溫室內(nèi)環(huán)境的影響,李建設(shè)等[26]研究發(fā)現(xiàn),無論晴天和陰天地面全天放熱總量總是大于墻體放熱總量。本研究在之后的試驗可將溫室地面和墻面的蓄、放熱量結(jié)合分析。

4 結(jié) 論

本研究對比分析了裝配式礫石模塊日光溫室(試驗溫室A)、裝配式土模塊日光溫室(試驗溫室B)和當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)溫室(對照溫室C)室內(nèi)的溫度差異以及2座試驗溫室的墻體傳熱特性,得出以下結(jié)論:

1)晴天B溫室的夜間平均氣溫分別比A和C溫室高0.6和2.7 ℃,陰天夜間平均氣溫分別高0.9和3.3 ℃,雨天夜間平均氣溫分別高1.9和4.3 ℃。試驗溫室A和B熱性能優(yōu)于對照溫室C,B溫室的保溫、蓄熱性能最好。

2)試驗溫室B后墻的總熱阻和總熱惰性指標(biāo)均大于A溫室,室外溫度諧波傳至B溫室后墻內(nèi)表面的衰減倍數(shù)和延遲時間更大。說明B溫室后墻相比于A溫室具有更好的熱穩(wěn)定性,更加適應(yīng)西北地區(qū)晝夜溫差較大的外部環(huán)境。

3)晴天試驗溫室B的墻體蓄熱層厚度為600～700 mm,墻體厚度>700 mm為穩(wěn)定層;陰天蓄熱層厚度為300～400 mm,墻體厚度>400 mm為穩(wěn)定層。試驗溫室A的后墻在典型天氣條件的蓄熱層厚度>600 mm。

4)晴天試驗溫室A和B的蓄熱量分別為145.84和351.82 MJ,放熱量分別為34.56和72.30 MJ,B溫室的蓄放熱量均高于A溫室,1 d內(nèi)B溫室的蓄熱量比A溫室高168.24 MJ;陰天試驗溫室A和B的蓄熱量分別為25.78和83.76 MJ,放熱量分別為10.23和54.12 MJ,1 d內(nèi)B溫室的蓄熱量高出A溫室14.09 MJ。B溫室的蓄熱能力優(yōu)于A溫室,墻體的保溫能力較好。