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第 35卷 第 3期 农 业 工 程 学 报 V ol.35 N o.3 2019年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering F eb. 2019 189 不同结构主动蓄热墙体日光温室传热特性鲍恩财 1,2 ，曹晏飞 1 ，邹志荣 1 ，张 勇 1（1. 西北农林科技大学园艺学院，农业农村部西北设施园艺工程重点实验室，杨凌 712100； 2. 江苏省农业科学院农业设施与装备研究所，农业农村部长江中下游设施农业工程重点实验室，南京 210014） 摘 要：主动蓄热墙体日光温室具有良好的蓄能效果，对改善日光温室内的热环境起到了重要作用。但是对其如何有效 地提高了温室的储能效率的特性和机理研究还有待进一步探索，以及如何进一步优化其性能，明确设计指标需要深入研 究。该文在深入研究日光温室热量散失规律的基础上，构建了传统主动蓄热墙体日光温室（G1） 、回填装配式主动蓄热墙 体日光温室（G2） ，并试验测试了 G1 和 G2 主动蓄热循环系统的进出口温湿度、墙体表面热流密度、室内气温等参数， 详细分析其传热规律和特性。结果表明：典型晴天（2017 年 12 月 31 日）蓄热时段 G1、G2 主动蓄热循环系统的进、出 口平均温差分别为 10.2、11.6 ，平均蓄热热流密度分别为 90.21、141.94 W/m 2 ；典型阴天（2018年 1月 14日）放热时 段 G1、G2的进、出口平均温差分别为 1.8、2.3 ，平均放热热流密度分别为 7.48、5.66 W/m 2 。对墙体内主动蓄热循环 系统的传热特性进行分析，G2 的主动蓄热循环系统的蓄、放热量均较 G1 多。对后墙除主动蓄热系统以外的墙体外壁面 被动传热特性进行分析，典型晴天蓄热阶段 G1、G2整日的蓄热量分别比放热量多 142.01、281.55 MJ；典型阴天放热阶 段 G1、G2的蓄热量分别比放热量少 51.36、29.05 MJ，G2白天蓄热量较多、夜间放热量较少，表明 G2墙体的长期储热 能力较 G1更高，更有利于温室在长时间低温寡照天气条件保持更稳定的室内温湿度环境。该文可为主动蓄热日光温室结 构优化及热负荷设计提供理论和实践参考，并为主动蓄热日光温室的进一步发展奠定研究基础。 关键词：墙体；温室；温度；主动蓄热；主动蓄热循环系统；传热 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.024 中图分类号：S625.1 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2019)-03-0189-09 鲍恩财，曹晏飞，邹志荣，张 勇. 不同结构主动蓄热墙体日光温室传热特性J. 农业工程学报，2019，35(3)：189 197. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.024 http :/www.tcsae.org Bao Encai, Cao Yanfei, Zou Zhirong, Zhang Yong. Characteristic of heat transfer for active heat storage wall with different structures in Chinese solar greenhouseJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 1891 9 7 . ( i n C h i n e s e w i t h E n g l i s h a b s t r a c t ) d o i： 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.024 http:/www.tcsae.org 0 引 言 传统的日光温室主要依靠被动的方式利用太阳能蓄 热，对被动蓄热日光温室的传热特性已有较多的研究， 如佟国红等 1 用频率响应法对不同厚度砖墙和聚苯板组 成的共 600 mm厚墙体的传热特性进行了理论分析； 李小 芳等 2 利用热反应系数法和日光温室热环境的数学模型 模拟分析了日光温室墙体蓄热量、墙体温度以及室内气 温；籍秀红 3 以 1 d 中夜间温室北墙内表面对内的累积放 热量作为墙体整体结构综合热性能的评价指标和选择建 造依据；李建设等 4 测试了晴、阴天气条件下土质后墙和 地面的表面温度及热通量，结果表明，地面的热缓冲能收稿日期：2018-05-14 修订日期：2019-01-01 基金项目：陕西省重点研发计划项目（2018TSCXL-NY-05-05） ；宁夏回族自 治区重点研发计划重大项目（2016BZ0901） ；陕西省科技统筹创新工程项目 （2016KTCL02-02） ；江苏省农业科技自主创新资金（CX(16)1002） 作者简介：鲍恩财，助理研究员，博士，主要从事设施园艺工程方面的研究。 Email：baoencai1990163.com 中国农业工程学会高级会员：鲍恩财（E041200295S） 通信作者：张 勇，副教授，博士，主要从事温室建筑结构及光热环境和 建筑园艺研究。Email：Landscapenwsuaf.edu.cn 中国农业工程学会高级会员：张勇（E041200715S） 力总是大于墙体； 管勇等 5 提出了日光温室三重结构相变 蓄热墙体构筑方法，分析认为相变蓄热墙体比对照温室 北墙体的有效蓄热量提高了 26.6%、 夜间放热量累积供热 量提高了 16.2%， 另外通过测试发现透过前坡屋面照射在 温室北墙内表面太阳能影响墙体温度变化的深度有限， 约占三重结构相变蓄热墙体总厚度（900 mm）的 1/3； Ayyappan 等 6 通过试验分析认为温室内使用显热材料进 行蓄热是最简单、最廉价蓄热方式；史宇亮等 7 分析了日 光温室土墙体温度变化规律，计算了墙体的蓄、放热量， 得出表面土墙白天蓄积热量的 43%用于改善夜间温室内 热环境； 李明等 8 采用一维差分法对日光温室墙体及土壤 表面温度进行模拟，结果表明土墙在阴天夜间的放热量 较晴天夜间下降了 60%； 何向丽等 9 设计了拆装式黄麻纤 维后墙温室，通过蓄热系数、热阻、热惰性指标评价温 室后墙材料热工性能。 日光温室主动蓄热技术研究方面，张义等 10-14 设计 了一种以水为介质的水幕帘蓄放热系统，该系统安装在 日光温室后墙表面，白天利用水幕帘中的水循环流动吸 收太阳能并汇入水池中，夜间利用水循环释放热量，与 对照温室相比， 安装有该系统的温室夜间温度提高 5.4 以上、作物根际温度提高 1.6 以上；凌浩恕等 15-17 将双 农业生物环境与能源工程农业工程学报（http:/www.tcsae.org） 2019年 190 集热管多曲面槽式空气集热器结合相变材料应用于带竖 向风道的日光温室后墙，研究结果表明，当集热器长度 为 16 m、管内空气流速为 2.0 m/s时，晴天条件下该系统 可为室内提供 5065 MJ 的热量。 本课题组设计了一种主动蓄热墙体日光温室 18 ，展 开了一系列测试分析 19-23 ，具有较好的蓄热效果，对改 善室内夜间热环境起到了重要作用，在多地进行推广应 用。本文在课题组前期研究的基础上，深入分析主动蓄 热墙体日光温室的传热原理，进一步在前文研究 23 的基 础上选择典型晴天和典型阴天的测试参数对主动蓄热墙 体日光温室的传热特性进行分析，包括主动蓄热循环系 统和后墙被动蓄热的传热特性，以期为主动蓄热日光温 室结构优化及热负荷设计提供指导，并为这类温室的进 一步发展奠定理论基础。 1 材料与方法 1.1 试验材料 1.1.1 试验温室 试验采用了 2 座新建温室作为试验的对象，该试验 温室位于陕西省杨凌示范区旭荣农业与陕西省设施农业 工程技术研究中心的共建基地内（34 16N，10806E） ， 试验温室建于 2017 年 8 月，试验进行过程中，2 座试验 温室内均种植了作物番茄（试验作物定植于 2017 年 11 月 5 日） ，种植的栽培方式采用基质袋培，灌溉方式为滴 灌。试验温室采用保温被覆盖进行夜间的保温，保温被 开启时间为早晨 09:00，关闭时间为 17:00。全文中的保 温被覆盖时段为夜间（17:00次日 09:00） ，保温被开启 时段为白天（09:0017:00） 。试验过程中晴天正午时段 打开温室顶通风口，通风口开启的时间为 12:00，关闭的 时间为当日下午 14:00。 供试验用的测试温室基本结构图如图 1 所示。其中 G1 代表传统主动蓄热墙体日光温室 24-27 ，该日光温室的 结构跨度为 10 m，温室长度为 32 m，温室的朝向方位为 南偏东 5 ，屋脊高度 5.0 m，温室后墙高度为 3.6 m，该 温室结构采光屋面为直线型屋面。试验温室后墙的构造 结构由内向外，温室最内为 120 mm 黏土砖墙，然后是 960 mm相变固化土，再是 120 mm黏土砖墙，最外边为 100 mm聚苯板保温绝热层，温室后墙总厚度为 1.3 m。 温室内部的相变固化土的配方为当地黄土添加 8%掺量 （质量比）的相变固化剂搅拌均匀，并逐层夯实而成， 相变固化剂配方见文献28。试验温室采用复合式承重骨 架作为采光面支撑骨架，骨架间距为 1 m，温室后坡采用 100 mm 聚苯板+SBS 防水层构造，温室前采光屋面采用 PO 高透光薄膜；另外一个试验温室 G2，结构上采用回 填装配式主动蓄热墙体日光温室 24,29-31 ，后墙总厚度为 1.3 m，结构由外向内为 100 mm 聚苯板+10 mm 钢筋网 +1 170 mm相变固化土+10 mm 钢筋网+10 mm混凝土喷 浆涂层，温室结构的其他构造参数与 G1 一致，进而突出 温室的墙体对比试验的严谨性。 图 1 试验温室结构图 Fig.1 Schematic diagram of experimental solar greenhouses 1.1.2 主动蓄热循环系统 试验温室 G1 和 G2 的蓄热系统类似，温室内部用于 储能的气流运动方式相同，主动储能风机的数量及功率 一致。以 G1 试验温室为例进行说明，G1 的主动蓄热循 环系统见图 2。在结构上，G1 试验温室的横向储能风道 材料上采用了建筑工程中常用的预制混凝土空心板为基 础材料，均匀布置在温室后墙的内部，上下共布置 4 层， 每层预制混凝土空心板的构件规格为 555 mm×120 mm， 长度 5 m，每个预制混凝土空心板具有储能孔 5 个，每个 储能孔的直径为 80 mm；主动储能系统的竖向储能风道 为黏土砖砌筑的孔道，该孔道进口截面尺寸为 960 mm× 200 mm，出口部分截面尺寸为 960 mm×400 mm；主动储 能风机采用轴流风机（上海展鸣风机电器有限公司生 产） ，并采用负压通风的方式进行储能；储能风机共布置 2 台，位置布置在温室后墙中部的出风口上方，每台储能 风机的额定功率为 0.12 kW，出风量为 2 100 m 3 /h，风机 的额定转速 2 800 r/min。试验温室 G2 除其他结构与 G1 相同外，其横向风道的材料采用了直径为 200 mm 的 PVC-U半管均匀排布的方式， 布置采用了单层集束布置， 即每层并排布置 3 根 PVC-U 半管、间距 100 mm，然后 再在竖直方向上布置 4 层，该储能系统的垂直风道为直 径 200 mm的 PVC圆管（进、出风口尺寸一致） 。 风机的启闭采用自动控制模式，番茄在白天适宜空 气温度范围为 1825 、夜间为 813 ，夜间的最 低耐受气温为 5 32 。因此，设置白天（09:0017:00） 的室内气温高于 25 开启风机进行蓄热，低于 20 停 止；夜间（17:00次日 09:00）的室内气温低于 13 开 启进行放热，低于 8 时停止并发出警报，提醒进行人第 3期 鲍恩财等：不同结构主动蓄热墙体日光温室传热特性 191 工加温。 图 2 主动蓄热循环系统示意图 Fig.2 Schematic diagram of active heat storage cycle system 1.2 测点布置 试验中的温湿度测点布置在每座温室的 2 个进风口 和 1 个出风口的位置，数量为各布置 1 个；温湿度测点 每座温室内部各布置 2 个，温室度探头分别布置在温室 长度方向上的 3 个等分截面处，温室跨度方向的中部位 置，高度为距离地面以上 1.5 m高度处；试验温室后墙长 度方向上，居中位置布置 1 个热流传感器，传感器距离 地面 1.5 m 高。温室内的气温和相对湿度采用 HOBO UX100-011 型温湿度记录仪进行记录（该仪器的参数为： 美国 Onset 公司，精度：温度±0.2 、相对湿度±2.5%） ； 热流密度采用 HFP01SC热流传感器进行试验数据的记录 （该仪器的参数为： 荷兰 Hukseflux公司生产， 精度： ±3%） 测量；测量方法为，将热流传感器连接到 34970A 数据自 动采集仪上进行自动数据的记录（美国 Agilent 公司生 产） 。试验过程中，数据采集的时间段为 2017 年 11 月 1 日2018 年 1 月 31 日，所有的数据记录时间间隔均为 30 min。试验中主动蓄热循环系统进、出风口风速测量采 用 testo 425 热敏风速仪进行测试和记录（该仪器的参数 为：德国 Testo 公司生产，精度：风速±(0.03 m/s+5%测量 值)，分辨率 0.01 m/s） 。 1.3 指标计算 1.3.1 蓄、放热量 根据主动蓄热循环系统进、出口空气温湿度值结合 空气风速和管径等参数，计算得到系统运行过程中的换 热量及冷凝水量，按下式计算： act out in out in 11 1000 Qv AH t v AH t VV （1）out in out in 11 1000 c mv Adt v Ad t VV （2） 式中 Q act 为主动蓄热循环系统的换热量，MJ； v 为 时 段风道内空气流速，m/s；A 为风道截面面积，G1、G2 的当量截面面积分别为 0.152、 0.235 m 2 ； V in 、 V out 分别为 时段进、出口空气的比容， m 3 /kg； H in 、 H out 分别为 时 段进、出口空气的焓值，kJ/kg； t 为测试期间记录数据 的时间间隔，即 1 800 s；m c 为冷凝水质量，kg；d in 、d out 分别为 时段进、出口空气的含湿量，g/kg。本文 H in 、 H out 、d in 、d out 、V in 、V out 由文献33计算得来。 1.3.2 能效比 参照能效比的一般定义，本文确定主动蓄热循环系 统的能效比 K为 1 d中蓄热阶段或放热阶段的总换热量与 风机耗电量的比值，按下式计算： act · /1000 p Q K Pt （3）式中 P p 为风机的额定功率，kW；t 为主动蓄热循环系统 蓄热阶段或放热阶段的运行时间，s。 1.3.3 被动蓄、放热量 主动蓄热墙体在主动蓄热循环系统运行时为主动和 被动联合蓄/放热，其余时间均为单一被动蓄/放热。按下 式计算： 6 pas /10 Qq S t （4）式中 Q pas 为后墙被动换热量，MJ； q 为 时段墙体表面 热流密度，W/m 2 ；S 为主动蓄热后墙表面积，即后墙长 度与高度之积，取值 115.2 m 2 ；t 为测试期间记录数据的 时间间隔，即 1 800 s。 1.3.4 传热贡献率 墙体传热量是通过主动蓄热循环系统的主动式蓄放 热和后墙被动式蓄放热共同作用的结果，为了评价蓄热 方式对墙体传热特性的影响，本文提出传热贡献率，表 示蓄热或放热阶段主动传热量和被动传热量与总传热量 之比。 act act 100% W Q Q （5）pas pas 100% W Q Q （6）式中 act 为主动蓄热循环系统的传热贡献率， %； pas 为后 墙被动传热贡献率， %； Q W 为总传热量， MJ， Q W =Q act +Q pas 。 1.4 数据处理 本文试验数据采用 Excel 2007 进行数据分析及图表 的制作。 2 主动蓄热循环系统传热原理 主动蓄热墙体日光温室的热量传递过程包括热传 导、热对流和热辐射 3 种基本方式。日光温室后墙被动 传热过程已被诸多学者研究透彻，而关于主动蓄热循环 系统的传热机理研究较少，本节重点分析主动蓄热循环 系统传热的原理。 日光温室主动蓄热墙体与被动蓄热墙体的区别在 于，前者后墙内安装有主动蓄热循环系统，该系统主要 包括传热风道、轴流风机及控制系统。传热风道出口位 置安装有轴流风机，轴流风机以日光温室室内温度（温 度随室外的环境变化而变化）为启动信号，以达到最大 限度地提高日光温室墙体蓄热量的目的。白天，由于太 阳辐射使得温室内空气温度升高，有时气温可能超过作 物生长的适宜温度，而后墙被动蓄热的有效厚度有限、 深层温度依然较低，启动轴流风机，使温室内的热空气 流经传热风道，进入传热风道的热空气在风道内与管道农业工程学报（http:/www.tcsae.org） 2019年 192 壁面进行强迫对流换热，空气中的热能向后墙深层蓄热 体转移，后墙深层的温度升高，从而将空气中的富余的 热能贮存到后墙深层中，在此过程中，也降低了室内空 气中的温度。夜间，当温室内气温低于设定值时，启动 轴流式风机，使空气流经传热风道而被加热，对流换热 后将后墙深层贮存的热量随气流释放到温室内，从而维 持温室内空气相对较高的温度，主动蓄热循环系统的传 热过程见图 3。 图 3 主动蓄热循环系统传热原理图 Fig.3 Mechanism diagram of active heat storage circulation system 3 主动蓄热循环系统传热特性分析 3.1 进出口风速 主动蓄热循环系统进出口风速如表 1 所示，差异主 要受墙体气密性、管道形式影响，G1 的出风口风速为 2.82 m/s，显著高于 G2，进风口风速却较 G2 小，这是因 为混凝土预制板的对接处凹凸不平、粗糙度大导致管道 密闭性较差，且管道孔数多、直径小造成气流运动分散。 表 1 主动蓄热循环系统进出风口风速 Table 1 Wind speed of active heat storage circulation system air inlet and outlet 风速 Wind speed/(m·s 1 ) 温室 Greenhouse 东进口 East inlet 西进口 West inlet 出口 Outlet G1 0.86±0.02d 0.89±0.03d 2.82±0.22a G2 1.86±0.15c 1.80±0.14c 2.31±0.19b 注：不同字母表示处理间差异显著（PG1。 2）对主动蓄热循环系统的传热特性进行分析，典型 晴天蓄热阶段 G2 的蓄热量为 215.27 MJ、能效比 49.83， 分别是 G1 的 1.8 倍和 3.2 倍，典型晴天与典型阴天放热 阶段，2 座温室的主动蓄热循环系统的放热量均表现为 G2 较多，故 G2 的主动蓄热循环系统的蓄、放热量较大， 节能效果较好。 3）对后墙被动传热特性进行分析，典型晴天蓄热阶 段 G1、G2 整日的蓄热量分别比放热量多 142.01、 281.55 MJ；典型阴天放热阶段 G1、G2 的蓄热量分别比 放热量少 51.36、29.05 MJ，故 G2 白天蓄热量较多、夜 间放热量较少，说明墙体的整体保温能力较好。 综上，无论晴、阴天，主动蓄热循环系统运行的时 段内，G2 的的蓄热量、放热量均较大；后墙被动传热过 程中， G2 的蓄热量较多、放热量较少。因此， G2 墙体的 长期储热能力较 G1 更高， 更有利于温室在长时间低温寡 照天气条件保持更稳定的室内温湿度环境。 参 考 文 献 1 佟国红，王铁良，白义奎，等.日光温室墙体传热特性的研 究J.农业工程学报，2003，19(3)：186189. Tong Guohong, Wang Tieliang, Bai Yikui, et al. Heat transfer property of wall in solar greenhouseJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(3): 186189. (in Chinese with English abstract) 2 李小芳，陈青云. 墙体材料及其组合对日光温室墙体保温 性能的影响J. 中国生态农业学报， 2006， 14(4)： 185189. Li Xiaofang, Chen Qingyun. Effects of different wall materials on the performance of heat preservation of wall of sunlight greenhouseJ. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2006, 14(4): 185189. (in Chinese with English abstract) 3 籍秀红.日光温室墙体材料保温蓄热性能的测试与研究D. 北京：中国农业大学，2007. Ji Xiuhong. Test and Research on Insulation and Thermal Storage Performance of Solar Greenhouse Wall MaterialsD. Beijing: China Agricultural University, 2007. (in Chinese with English abstract) 4 李建设，白青，张亚红. 日光温室墙体与地面吸放热量测 定分析J. 农业工程学报，2010，26(4)：231236. Li Jianshe, Bai Qing, Zhang Yahong. Analysis on measurement of heat absorption and release of wall and ground in solar greenhouseJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(4): 231236. (in Chinese with English abstract) 5 管勇，陈超，凌浩恕，等. 日光温室三重结构相变蓄热墙 体传热特性分析J. 农业工程学报， 2013， 29(21)： 166173. Guan Yong, Chen Chao, Ling Haoshu, et al. Analysis of heat transfer properties of three-layer wall with phase-change heat storage in solar greenhouseJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(21): 166173. (in Chinese with English abstract) 6 Ayyappan S, Mayilsamy K, Sreenarayanan V V. Performance improvement studies in a solar greenhouse drier using sensible heat storage materialsJ. Heat and Mass Transfer, 2016, 52(3): 459467. 7 史宇亮，王秀峰，魏珉，等. 日光温室土墙体温度变化及 蓄热放热特点J. 农业工程学报， 2016， 32(22)： 214221. Shi Yuliang, Wang Xiufeng, Wei Min, et al. Temperature variation, heat storage and heat release characteristics of soil wall in solar greenhouseJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(22): 214221. (in Chinese with English abstract) 8 李明，周长吉，周涛，等. 日光温室土墙传热特性及轻简化 路径的理论分析J. 农业工程学报， 2016， 32(3)： 175181. Li Ming, Zhou Changji, Zhou Tao, et al. Heat transfer process of soil wall in Chinese solar greenhouse and its theoretical simplification methodsJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 175181. (in Chinese with English abstract) 9 何向丽，王健，郭世荣，等. 拆装型黄麻纤维后墙温室墙体 传热特性研究J. 南京农业大学学报， 2018， 41(1)： 172180. He Xiangli, Wang Jian, Guo Shirong, et al. The study on the thermal characteristics in solar greenhouse with removable jute fiber back wallJ.Journal of Nanjing Agricultural University, 2018, 41(1): 172180. (in Chinese with English abstract) 10 张义，杨其长，方慧. 日光温室水幕帘蓄放热系统增温效 应试验研究J. 农业工程学报，2012，28(4)：188193. Zhang Yi, Yang Qichang, Fang Hui. Research on warming effect of water curtain system in Chinese solar greenhouseJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(4): 188193. (in Chinese with English abstract) 11 Fang H, Yang Q, Zhang Y, et al. Performance of a solar heat