北疆麦壳砂浆砌块填充蓄热材料复合墙体日光温室热性能.pdf
<p>第 34 卷 第 13 期 农 业 工 程 学 报 V ol.34 No.13 2018 年 7 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jul. 2018 233 北疆麦壳砂浆砌块填充蓄热材料复合墙体日光温室热性能马月虹 1,2 ，李保明 1 ，张家发 1 ，张耀文 2（1. 中国农业大学水利与土木工程学院，农业农村部设施农业工程重点实验室，北京 100083；2. 新疆农业科学院农业 机械化研究所，乌鲁木齐 830091） 摘 要：针对新疆戈壁沙漠区日光温室在冬季严寒条件下，传统墙体在夜间难以满足作物生长对热环境需求的问题，该 文研究新型的保温蓄热墙体材料和结构。将墙体主体结构采用麦壳砂浆砌块，砌块中间空格填充蓄热材料，对麦壳砂浆 砌块进行配比试验和性能测试，筛选出抗压强度、导热性能较优的砌块建造温室墙体，把麦壳砂浆砌块+红砖复合墙体日 光温室和 37 cm砖混墙体日光温室进行热性能对比试验，并种植番茄验证。试验结果表明：在相同外界环境下，室外最 低温20.8 时，麦壳砂浆砌块复合墙体日光温室内温度为 7.5 ，而砖混墙体日光温室内温度为 3.2 ，砌块复合墙体 日光温室内夜间出现最低室温时间较砖混墙体日光温室延迟 42 min；相同条件下砌块复合墙体日光温室栽培的番茄收获 期早 16 d，单棚产量高 18.4%，验证了砌块复合墙体日光温室的保温蓄热性能优于砖混墙体日光温室，且满足果蔬生长 对热环境需求。该文提出的适应戈壁沙漠区日光温室麦壳砂浆砌块复合墙体及构造条件，为新型复合墙体在日光温室中 的应用研究、设计提供理论参考。 关键词： 温 室 ；墙体；温 度；热性能 ； 麦 壳 砂 浆 砌块；抗压强度；导热系数 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.028 中图分类号：S625 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2018)-13-0233-06 马月虹，李保明，张家发，张耀文. 北疆麦壳砂浆砌块填充蓄热材料复合墙体日光温室热性能J. 农业工程学报，2018， 34(13)：233238. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.028 http:/www.tcsae.org Ma Yuehong, Li Baoming, Zhang Jiafa, Zhang Yaowen. Thermal performance of solar greenhouse with composite wall using wheat shell-mortar block filling with heat storage material in north XinjiangJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 233238. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.028 http:/www.tcsae.org 0 引 言近些年在新疆农业发展的大背景下，新疆的戈壁沙 漠区温室产业也得到了大力发展 1 。新疆位于高纬度地 区，冬季日照时间短，下午 16：00 时以后，热量主要从 温室围护结构向外扩散，使得温室内温度急剧下降 2 。透 过日光温室前屋面塑料薄膜投射到温室北墙太阳辐射深 入墙体的厚度只有 2030 cm， 温室墙体对太阳热能的蓄 积量有限，依靠原有墙体被动式显热蓄热方式，很难满 足戈壁沙漠区温室在严寒的夜晚作物生长对热环境的需 求 3 。亢树华等 4 研究表明，约有 50%的太阳直射辐射热 能将投射到日光温室的后（北）墙体，墙体对温室的热 贡献不容忽视。提高墙体的保温和蓄热性能是改善日光 温室热环境的关键因素之一 5 。 国内外研究日光温室墙体材料、结构和热性能的较 多。张林华等 6 研究认为砂石土材料是保温蓄热性好、经 济、易得的墙体材料。但砂石土墙体易坍塌、保温性不 可靠、占地面积大。国内外学者对于提高墙体蓄热性的 研究多集中在加气混凝土砌块、粉煤灰砖、相变材料砖 等新材料的研究 7 。张海云等 8 对泡沫混凝土在日光温室收稿日期：2017-11-20 修订日期：2018-04-20 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51768072） 作者简介：马月虹，研究员，博士生，硕士生导师，主要从事设施农业工程 研究。Email：923999218qq.com。 通信作者：李保明，教授，博士，博士生导师，主要从事设施农业工程工 艺与环境研究。Email：libm cau.edu.cn。 墙体中的适用性研究试验结果表明发泡混凝土浇筑温室 墙体后，温室的保温性能明显高于其他同类温室。张立 芸等 9 研究表明采用加气混凝土与聚苯板构筑的异质复 合墙体具有比黏土红砖砌体更优越的热特性。但发泡和 加气混凝土强度较低，干燥收缩值较大，墙体易吸水、 开裂等。孙心心 10 对日光温室新型保温材料的制备及应 用效果的研究证实了相变材料砌块的结构稳定性和蓄热 性。但相变砌块出现相变材料渗漏问题，性能不可靠， 且造价高。关于秸秆捆用作民用建筑保温墙体材料也有 不少试验研究 11-16 。 将秸秆压缩制作成型， 用于墙体材料， 不仅具有一定的力学强度，还具有良好的热工性能，不 同密度秸秆块的导热系数为 0.030.13w/(m·k)。 秸秆块保 温性能理论上远超过土壤和红砖等传统建材 17-18 。黄红 英等 19 通过秸秆块墙体日光温室在苏北地区应用效果试 验，与砖墙和土墙相比，秸秆块墙热传导率、体积热容和 热扩散系数显著低于前两者，这种热工特性利于隔热保温 但不利于蓄积热量。新疆的作物秸秆匮乏，秸秆块墙体 实用性受限。蒋程瑶 20 对西北典型非耕地日光温室复合 墙体砌筑方案的研究得出戈壁石复合墙体的蓄热、放热 性能优于砖混墙体，炉渣空心砌块+砂石堆砌建造的温室 热环境最优。由于戈壁石复合墙体夜间降温快，炉渣材 料有限、造价高，堆砌砂石坍塌等，这类墙体材料也受 限。 日光温室墙体研究的趋势是需要进一步研究有关墙 体传热性能和墙体结构设计等关键技术问题 21 。该文对 麦壳砂浆砌块+红砖，外加 10 cm厚聚苯板复合墙体日光 农业工程学报（http:/www.tcsae.org） 2018 年 234 温室的蓄热保温性能进行研究，提出麦壳砂浆砌块+红砖 复合结构墙体的构造条件，对砌块复合墙体温室的蓄热 保温效果与砖混墙体温室进行对比试验和验证。 1 麦壳砂浆砌块制备和试验温室构建 1.1 试验时间和地点 试验时间为 2016 年 9 月-2018 年 2 月，麦壳砂浆砌 块试样制备在新疆农科院 3 号楼内完成，抗压强度和导 热系数测试在新疆水科院水工试验大厅进行。 2 种不同墙 体日光温室热性能对比试验和番茄栽培试验在新疆北疆 伊犁地区察布查尔县良繁场新建设施农业基地进行。 1.2 试验材料 试验所用麦壳产自新疆奇台县小麦产区；水泥为 C32.5 普通硅酸盐水泥；细沙产自和田地区；粘合剂选用 型号为 CYD-128，外观透明，呈淡黄；环氧值 0.5 0.54 eq/100 g；黏度 1114 Pa.s(25 条件下)。试验用水 来自试验大厅自来水。 1.3 试验仪器设备 试验采用天平(ACS-30， 浙江君凯顺工贸公司)精确称 量制作麦壳砂浆砌块的水泥、麦壳和粘合剂等各成分质 量；麦壳砂浆砌块在自制振动台上充分振动后成型；用 05 kN 的万能试验机对麦壳砂浆砌块进行动力试验， 测 量抗压强度；“导热系数”用电导率仪（PHS-3E，上海雷 磁）测量。 1.4 麦壳砂浆砌块配比影响因素确定 结合文献资料和前期试验基础，为了分析各因素对 砌块性能的影响，采用正交试验来确定各种物料的合理 配比。经过分析和前期试验确定了影响砌块抗压强度和 导热性能的 3 个主要因素是：水泥用量、粘合剂掺量和 碎麦壳掺量。正交试验设计为三要素三水平 L 9 (3 3 )，试验 因素及编码水平如表 1 所示。 表 1 因素编码水平表 Table 1 Coding table of experimental factors level 编码 Codes 水泥掺量 Cement content A/% 碎麦壳掺量 Broken husk content B/% 粘合剂掺量 Binder content C/% 1 25 1.5 4 2 30 2.0 6 3 35 2.5 8 注：表中的掺量为质量比。 Note: The content in the table are percentages by mass. 1.5 麦壳砂浆砌块制作方法 首先清理模具，模具的外尺寸长×宽×高为 370 mm ×240 mm×120 mm，内设 2 个尺寸为 110 mm×120 mm ×100 mm的空格，为利于脱模，在模具内表面涂适量的 机油。然后将各种物料按配比称质量，混合搅拌均匀后置 于振动台上振动，使各物料充分混合，将振动混合充分的 砂浆装入模具并压实，接着将装好砂浆的模具再次置于振 动台振动，使物料更加均匀充分分布，振动后模具内砂浆 体积变小， 需要再以砂浆填满， 振动均匀后抹平。 放置 5 10 min，标注试验砌块的编号和日期。静置 12 h后拆模， 拆模后对试验砌块连续养护 28 d， 正交试验设计的 9 种配 比砌块，每种制作 30 块。麦壳砂浆砌块见图 1。 a. 砌块实物图 b. 砌块示意图 a. Picture of block b. Schematic of blocks 图 1 麦壳砂浆砌块 Fig.1 Blocks made of mortar and wheat husk 1.6 麦壳砂浆砌块性能测试 密度测试：在正交试验的 9 种砌块试件中随机各抽 取 10 个，分别称取质量，根据体积计算出每种砌块各自 密度，每种砌块密度取 10 个砌块的平均值。 抗压强度测试：把已经测量过质量，密度已知的 10 个砌块试件用微机控制自动压力试验机进行抗压强试 验，每种砌块抗压强度均取 10 个砌块的平均值。 导热系数测试：采用导热测定仪，对砌块的导热系 数进行测定，取 10 个砌块的平均值。 1.7 试验温室和对照温室的选取 选取新疆北疆察布查尔县良繁场设施农业园区内 2 座日光温室测试。A 试验日光温室设计为墙体为 37 cm 麦壳砂浆砌块+红砖，外加 10 cm 厚聚苯板，0.51.5 m 高度处是麦壳砂浆砌块，其他高度位置是红砖，见图 2a。 a. 墙体 图 片 a. Picture of wall b. 麦壳 砂 浆砌块 结 构 b. Structure of wheat shell-mortar block 图 2 麦壳砂浆砌块+ 红砖复合墙体（A 温室） Fig.2 Composite wall with wheat shell-mortar block and common brick （A greenhouse） 第 13 期 马月虹等：北疆麦壳砂浆砌块填充蓄热材料复合墙体日光温室热性能 235 由图 2b 可知，麦壳砂浆砌块为砂浆砌块内填充生石 灰包（墙体内侧）和炉渣包（墙体外侧）而构成。对照 温室 B 温室，选取了北疆地区普遍使用的日光温室，其 墙体为 37 cm砖墙，外加 10 cm厚聚苯板。 2 日光温室热性能和生产性能测试 A 试验温室和 B 对照温室均使用相同保温被覆盖保 温，2 个型号相同热风炉供暖。 2.1 两种日光温室结构参数 A温室墙体结构为 37 cm厚砂浆砌块+红砖的复合墙 体，外加 10 cm聚苯板， B 温室墙体结构为 37 cm红砖 10 cm聚苯板的砖混墙体，2 座日光温室的主要结构参数 见表 2。 表 2 日光温室的结构参数 Table 2 Structure parameter of sunlight greenhouse 温室结构参数 Greenhouse structural parameter A温室 A greenhouse B 温室 B greenhouse 方位角 Azimuth/(°) 南偏西 8° 南偏西 8° 跨度 Span/m 8 m 8 m 长度 Length/m 80 m 80 m 脊高 Ridge hei/mght 3.89 m 3.89 m 后墙高度 Back-wall height/m 2.0 m 2.0 m 墙体厚度 Wall thickness/cm 50 cm 50 cm 后坡水平投影 Rear slope horizontal projection/(°) 1.89 m 1.89 m 前屋面倾角 Front roof inclination/(°) 32.3° 32.3° 后屋面仰角 Rear roof elevation/(°) 40° 40° 2.2 日光温室热性能测试 试验以日光温室内的气温、地温作为测试对象。日 光温室内测点平面布置按下图 3 布设，1、2、3 测点距离 前屋面 1.5 m，4、5、6 测点距离北墙 1.5 m，1、6 测点 距离西墙 4 m，3、4 测点距离东墙 4 m。在每个平面点垂 直方向上设 2 个点， 分别位于地表上方 0.20 和 0.60 m （植 株茎叶密集区域） ，一共布设 12 个测点。室外设 1 个温 度测点，布设在光照测点附近，距地面高度 1.50 m 处。 地温测点也按图 3 布设， 测点深度为地表以下 0.10 m （植 物根系发达区域） ，一共布设 6 个测点。温室内温度数据 采用 6 个测点的地温和 12 个测点的气温的平均值。 图 3 测点布 置示意 图 Fig.3 Schematic diagram of measuring point arrangement 2.3 日光温室生产性能（番茄栽培）测试 A温室和 B温室栽培的番茄苗木品种都是金鹏 3号、 穴盘育苗 33 d 苗龄、5 片真叶、杆粗叶绿的苗木。定植 前土地整理好，施用腐熟有机肥、硫酸钾、磷酸二铵和 油渣。起垄栽培，70 cm +50 cm宽窄行，株距 40 cm，定 植株数 2 274 株、定植时间 2017-09-10，各种植内容均相 同。生长期采用相同的滴灌系统和水肥施用量，相同植 株调整和花果调整管理，进行番茄栽培试验，从 2017年 9 月定植到 2018 年 2 月成熟收获，记录定植时间、开花 时间和采摘时间及总产量。 3 结果与分析 3.1 麦壳砂浆砌块配比 表 3 为砌块内不同水泥掺量、碎麦壳掺量和粘合剂 掺量砌块抗压强度和导热系数的结果，根据表 3 因素水 平，三要素三水平 L 9 (3 3 )正交试验结果可知，各因素对抗 压强度和导热系数均有作用和影响。 表 3 试验设计方案及结果 Table 3 Results and design of tests 因素水平 Level of factor 试验指标 Test index 试验 编号 Test No. 水泥掺量 Cement content A/% 碎麦壳掺量 Broken husk content B/% 粘合剂掺量 Binder content C/% 抗压强度 Compressive strength/MPa 导热系数 Thermal conductivity /w.(m.k) -11 1(25) 1(1.5) 1(4) 4.5 0.975 2 1(25) 2(2.0) 2(6) 4.0 0.734 3 1(25) 3(2.5) 3(8) 2.8 0.496 4 2(30) 2(2.0) 1(4) 4.8 0.873 5 2(30) 3(2.5) 2(6) 4.4 0.632 6 2(30) 1(1.5) 3(8) 6.0 0.935 7 3(35) 3(2.5) 1(4) 5.3 0.774 8 3(35) 1(1.5) 2(6) 7.7 1.067 9 3(35) 2(2.0) 3(8) 6.5 0.830 抗压强度和导热系数是砌块性能的主要考核指标， 在满足墙体抗压强度的承重前提下，导热系数越小，其 保温性能越好，散热速率越稳定。同行学者研究表明： 墙体厚度为 37 cm 时，参考文献22、23中砌块的抗压 强度 3.5 MPa和 4.6 MPa， 温室墙体强度均满足承重要求， 导热系数 0.811 W/(m.k)和 0.792 W/(m.k)，墙体导热性都 满足温室栽培要求 22-23,9 。 从表 3 可以看出，试验编号 4、6、7、8、9 砌块的 抗压强度都4.8 MP，试验编号 2、3、5、7 砌块的导热 系数均0.774 w/(m.k)，只有试验编号 7 砌块的抗压强度 和导热系数 2 个条件均满足，即抗压强度好，保温性能 也好。根据正交试验结果和以上分析，综合考虑麦壳砌 块的抗压强度和导热系数，最终确定选用试验编号 7 的 砌块建设墙体，该砌块的抗压强度优于同行研究的砌块， 导热系数好于同行研究的砌块，用于日光温室墙体可行。 砌块合理配比为水泥 35%，粘合剂 4%，麦壳 2.5%，细 砂、水适量。性能试验采用该麦壳砂浆砌块填充炉渣、 生石灰+红砖用作 A 日光温室墙体建造材料。 3.2 日光温室热性能测试结果 选取试验数据 2016年冬季到 2017年春季最冷的 8 d （2017-01-142017-01-21）作为比较分析对象，日光温 室热性能测试结果如表 4。表 4 中时间均为新疆时间。 农业工程学报（http:/www.tcsae.org） 2018 年 236 表 4 日光温室热性能测试结果 Table 4 Results of greenhouse thermal performance test 室内温度 Indoor temperature/ 室外温度 Outdoor temperature/ 日光温室 Greenhous 日期 Date Night 03:15 Night 03:57 Night 03:15 Night 03:57 1月 14 日 7.8 7.5 14.8 14.7 1月 15 日 7.9 7.7 14.7 14.6 1月 16 日 7.5 7.2 20.7 20.5 1月 17 日 7.6 7.3 20.3 20.2 1月 18 日 7.5 7.1 20.8 20.7 1月 19 日 8.0 7.8 14.6 14.5 1月 20 日 9.5 9.2 12.8 12.6 A温室 1月 21 日 8.8 8.5 14.1 14.0 1月 14 日 3.6 3.7 14.8 14.7 1月 15 日 3.8 3.9 14.7 14.6 1月 16 日 3.3 3.5 20.7 20.5 1月 17 日 3.5 3.7 20.3 20.2 1月 18 日 3.2 3.4 20.8 20.7 1月 19 日 4.1 4.2 14.6 14.5 1月 20 日 4.4 4.5 12.8 12.6 B 温室 1月 21 日 4.2 4.3 14.1 14.0 由表 4 可知，相同结构参数的日光温室，使用同样 保温被和热风炉，夜间新疆时间 03:15 室外温度12.8 时，A 温室室温为 9.5 ，而 B 温室室温为 4.4 , A 温 室比 B 温室室温高 5.1 。在出现冬季夜间极限最低温 20.8 时，A 温室能保证室温达到 7.5 ，而 B 温室室 温为 3.2 ， A温室比 B 温室室温高 4.3 。并且 A温室 出现最低室温时间较 B 温室延迟 42 min，这进一步说明 A温室热性能明显优于 B 温室，其蓄热、保温性能更佳。 麦壳砂浆砌块替代土壤、红砖等常规建材构建日光温室 保温墙体具有可行性。 3.3 日光温室生产性能（番茄栽培）测试结果 番茄生育适宜温度范围为 1033 。开花结果的适 宜温度白天为 2030 ，夜间为 1520 。在 15 以 下不能开花， 10 时生长停止， 1 时植株受冻而死亡。 番茄是喜光作物，光饱和点为 7×10 4lx，光补偿点 2000 lx。 温度高低能影响番茄果实颜色的深浅,尤其是番 茄红素含量的高低，低温不利于番茄红素的合成，番茄 红素以 20 24 之间宜生成；光可诱导番茄幼苗累积 类胡萝卜素， 红光能极大的促进番茄红素的合成 24 。 A、 B 温室番茄的栽培品种和种植管理一样，A 温室和 B 温 室内 栽培的 番 茄开 花时间 分别为 2017-10-08 和 2017-10-15，A 温室内番茄开花时间早 7 d。A、B 温室 内番茄成熟收获时间分别为 2017-12-07 和 2018-01-02， A 温室内番茄收获早 16 d。取首月温室番茄产量，A、B 温室单棚产量分别为 1 768 和 1 493 kg，A 温室较 B 温 室单棚产量高 18.4%。 说明 A温室能够蓄积更多的热能， 适合果蔬生长的干物质积累，使作物收获期提早、产量 增加。 A 温室散热速率稳定，从而番茄果实形状较均匀。 温室内温度和光照对番茄的产量和果实外形有着至关重 要的影响。 该墙体温室在北疆察县已建成生产 2 a，经历了风雪 和生产考验，墙体未出现坍塌和垮裂等问题，也验证了 该砌块满足用做日光温室墙体材料的抗压和承重要求。 4 结 论 该文采用麦壳砂浆砌块代替普通红砖建设砂浆砌块+ 红砖复合墙体试验温室（A温室） ，与砖混墙体温室（B温 室）对比，结合温室内温度和番茄栽培产量测试结果，研 究了麦壳砂浆砌块复合墙体日光温室的热性能和生产性 能，得出结论如下： 1）麦壳砂浆砌块采取合理配比：水泥 35%，粘合剂 4%，麦壳 2.5%，砌块抗压强度为 5.3 MPa，导热系数为 0.774 W/(m.k)，满足用作日光温室墙体的承重和热性能要 求，能够代替传统的红砖建设日光温室墙体。有利于节约 土地资源、实现沙土和麦壳秸秆的综合利用，是戈壁沙漠 区日光温室墙体材料的新探索。 2）冬季极限最低温20.8 时，A 温室较 B 温室夜 间室温提高 4.3 ，出现最低室温时间延迟 42 min， A温 室热性能优于 B 温室，能够蓄积更多的热能且散热速率 稳定。 3）A温室较 B 温室栽培的番茄收获期早 16 d，单棚 产量高 18.4%。该砌块复合墙体可以有效改善日光温室 内作物生长环境，能满足喜温、喜光果菜生长，且适合 果蔬生长的干物质积累，从而使果蔬收获提前、产量增 加、果实外形均匀。且该砌块墙体温室经历住了风雪载 荷和生产考验。 该试验没有进一步分析该砂浆砌块复合墙体蓄积的 热量，今后在研究中将着重研究复合结构墙体蓄热，从 而进一步揭示墙体蓄热与作物产量间的关系。 参 考 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