日光温室空气对流蓄热中空墙体热性能试验

第 34 卷 第 4 期 农 业 工 程 学 报 Vol.34 No.4 2018 年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2018 223 日光温室空气对流蓄热中空墙体热性能试验赵淑梅1,2，庄云飞1,2，郑可欣1,2，马承伟1,2，程杰宇1,2， 马 冲3，陈小文4，张天柱1,2,4（ 1. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083； 2. 农业部设施农业工程重点实验室，北京 100083； 3. 北京中农天陆微纳米气泡水科技有限公司，北京 100083； 4. 北京中农富通园艺有限公司，北京 100083） 摘 要： 空气对流循环蓄热墙体是一种通体中空型日光温室墙体，其内部中空层与温室空间连通而具有空气对流换热效果。为详细了解该墙体构造的蓄放热特性及其对日光温室热环境的影响，通过与同样构造但中空层封闭的无对流墙体的对比，在北京市通州区试验温室中测试了墙体内部温度分布及变化规律、墙体蓄放热量及其对温室内气温的影响。其结果，与对照墙体相比，对流方式下墙体内部温度分布规律不同，墙体内部整体温度水平较高、且昼夜波动幅度较大，墙体白天蓄热量提高 15.1%，夜晚放热量提高 14.7%，这一效果使得温室夜间最低温度提高 2.2 ，有效提高了墙体的蓄放热能力，改善了温室夜间温度水平。 关键词： 温室；温度；墙体；自然对流；蓄放热 doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.027 中图分类号： S625 文献标志码： A 文章编号： 1002-6819(2018)-04-0223-09 赵淑梅，庄云飞，郑可欣，马承伟，程杰宇，马 冲，陈小文，张天柱. 日光温室空气对流蓄热中空墙体热性能试验J. 农业工程学报，2018，34(4)：223231. doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.027 http:/www.tcsae.org Zhao Shumei, Zhuang Yunfei, Zheng Kexin, Ma Chengwei, Cheng Jieyu, Ma Chong, Chen Xiaowen, Zhang Tianzhu. Thermal performance experiment on air convection heat storage wall with cavity in Chinese solar greenhouseJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 223 231. (in Chinese with English abstract) doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.027 http:/www.tcsae.org 0 引 言日光温室之所以能维持良好的夜间热环境，墙体是关键因素之一1。墙体往往集承重、蓄热、保温、放热等功能于一体，白天与地面一起接受太阳辐射热，并将之蓄积起来，当夜间室内空气温度下降至一定温度水平时再将其释放出来2-4。由于地面通常有作物覆盖，接受太阳辐射有限，蓄放热性能会受影响，因此在没有加温条件下，墙体就成了夜间维持温室内作物生长环境温度的重要热源5-6，研究表明，日光温室墙体在不同室内气温条件下的夜间平均放热量可达 20 60 W/m27，可见这一蓄放热能力对日光温室维持冬季生产起到了至关重要的作用。但是，研究也表明，受限于构造和材料，墙体的蓄放热潜力并没有很好的地发挥，蓄放热作用仅靠墙体室内一侧表面，面积有限，涉及墙体最大厚度仅为 300500 mm，参与蓄放热的材料也很有限8-10。这种局限一方面会导致冬季晴天条件下，温室内白天午间温度较高，往往需要开窗通风进行降温；而另一方面，因为蓄放热能力有限，很多日光温室冬季夜间存在低温现象，特别是一些果菜种植温室，会影响作物的生长、产量和品质，收稿日期： 2018-01-09 修订日期： 2018-01-31 基金项目： 日光温室构件集热技术与智能控制系统研究 （ 2013AA102407-6） ；现代农业产业技术体系建设专项资金资助（ CARS-23-C02） 作者简介：赵淑梅，博士，副教授，主要从事农业生物环境工程相关研究。Email： zhaoshumcau.edu.cn 甚至会出现冻害。这种矛盾现象的存在，表明日光温室并没有最大限度地利用进入温室的太阳能，因此通过改善墙体构造来提高墙体的蓄放热性能，将更多的太阳辐射热留在温室内，用于提高温室的夜间温度，对改善日光温室的生产性能具有重要意义。 在近 30 a 的日光温室快速发展历程中，关于墙体性能的改进，受到了很多的关注，其中采用最多的措施就是改变墙体自身构造以及应用不同墙体材料。比如在传统温室中，使用最多的方法就是增加实体墙的厚度，尤其是在土墙温室中极为常见，很多地区日光温室墙体厚度多达数米11-12。但是试验证明，不同地区的土墙有其最优厚度，通过增大土墙的厚度来提高墙体的保温效果其作用是有限的13-15。其次早期温室中也有在墙体中间设置空气夹层，利用静止空气传热系数较小这一特点延滞温度的下降，但这对墙体空气夹层的密闭性要求较高，且采用这一墙体构造的目的也是在于改善墙体的保温性能而非蓄放热性能16。另外，现在比较公认的是采用复合墙体构造，将蓄热层置于内侧，保温层置于外侧，构造更加合理，材料的选用也更加有针对性17-18。佟国红等对比了复合墙与普通土墙保温蓄热性能的差异，发现复合墙体的蓄热性能和热稳定性都要优于同热惰性指标的土墙19。为进一部提升墙体的蓄放热能力，目前也有很多人在尝试将相变材料应用于墙体作为蓄热层的方式，比如管勇等设计了日光温室三重结构相变蓄热墙体，试验分析发现该墙体相变材料层的单位体积有效蓄热量农业生物环境与能源工程农业工程学报（ http:/www.tcsae.org） 2018 年 224是砌块砖层的 10 倍20；凌浩恕等提出一种带竖向空气通道的太阳能相变蓄热墙体构筑体系，将太阳能集热器收集的热量存储在墙体相变材料层中以提高后墙的蓄热量21。相变材料可以通过多种方式与建筑材料结合，但是相变材料的价格比较昂贵，已知能满足温室生产所需的材料种类相对较少，制作工艺千差万别，封装困难且放热过程难以控制，因此在实际应用的过程当中还存在着许多问题22-31。 上述研究对日光温室墙体技术的发展做出了贡献，只是这些研究还未对如何提高墙体深处材料的蓄放热性能加以关注，对墙体蓄放热面积的提升也未加涉及，致使墙体的蓄放热面积和蓄放热深度有限。为了改变这一现状，孙国涛等尝试设计开发了日光温室墙体管道集热系统，通过墙体埋设用于水循环的 PVC 管将白天墙体表面接收的太阳辐射热一部分蓄积到墙体的深处，夜间通过同样的循环释放到温室内用于夜间加温，该系统将日光温室最低气温提高了 1.5 。虽然该系统存在构造复杂、维护困难等问题，但是在调动墙体深层材料参与蓄放热方面做了很好的探索32。此外，张勇等也做了类似的探索，开发设计了一种主动蓄热后墙日光温室，其后墙内部沿长度方向设置狭长孔道、孔口安装风机，通过空气交换可以将部分温室空气中富余的热量蓄积到墙体深处，用于温室夜间加温，取得了较好的效果。但研究也表明，该系统孔道面积有限，且存在墙体东西方向温度差异大，通风阻力大，放热不均匀等问题，仍有待改进33。 综上所述，为提高日光温室后墙的蓄放热能力，需要充足的蓄热体和尽可能大的换热表面积，因此调动更多数量、更大深度的墙体材料参与蓄放热过程，是一个非常值得探索的方向。鉴于此，本课题组提出了日光温室空气对流循环蓄热墙体构造方案34。该墙体以混凝土空心砌块为主材、挤塑板等为保温材料，最大特点是采用通体中空结构，并在温室内一侧墙体上下沿东西方向各均匀布置大小一致的方形通气孔。在与传统实心墙体的初步对比试验中，该墙体方案表现出了良好的性能2。 为进一步研究空气对流循环蓄热墙体的墙体蓄放热规律及对温室的夜间加温效果，论文将对该墙体构造在自然对流、无对流 2 种情况下进行较为严格的对比试验，从墙体内部温度分布特征及昼夜变化规律、室内温度昼夜变化规律、墙体蓄放热量等角度进行讨论分析，评价该新型墙体构造的性能。 1 材料与方法 1.1 试验日光温室概况 试验所在日光温室（图 1）位于北京市通州区潞城镇北京国际都市农业科技园区（ 3948N、 11656E），方位角为南偏西 5，东西长度 60 m，南北跨度 8 m（净跨7.7 m），墙体高度 2.8 m。前坡面和后坡面为钢结构半拱形焊接桁架结构， 前屋面采用 0.08 mm 厚的 PO 薄膜作为覆盖材料，夜间覆盖保温被。温室结构如图 1 所示，后墙为空气对流循环蓄热墙体，由内至外的构造依次为400 mm 厚混凝土空心砌块（砂浆填充）、 600 mm 厚中空层、 200 mm 厚混凝土空心砌块 （砂浆填充） 以及 70 mm厚挤塑板保温层。在这一构造下，墙体包括内层墙、中空层、外层墙 3 部分，总厚度为 1270 mm。其中，内层墙上、下各布置一排东西方向的方形通气孔（ 140 mm 140 mm），每排 264 个，上下排通气孔距离为 2 m。试验温室在测试期间 08:20 揭保温被， 17:00 落保温被；室内栽培作物为蓝莓，栽培行间距 1.2 m，株距 0.35 m。 a. 试验温室剖面图 a. Cross-section drawn of experiment greenhouse b. 空气对流蓄热中空墙体室内表面构造 b. Sketch of indoor surface of air convection heat storage wall with cavity 1.彩钢板 2.屋面防水层 3.土和煤渣 4.M7.5 水泥砂浆 5.挤塑板 6.预制混凝土板 7.混凝土空心砌块（水泥砂浆填实） 8.中空层 9.混凝土空心砌块（水泥砂浆填实） 10.挤塑板 11.方形通气孔 1.Colored plate 2.Roof-waterproofer 3.Soil and coal cinder 4.M7.5 cement mortar 5.Extruded sheet 6.Precast concrete plank 7.Concrete hollow block (filling with cement mortar) 8.Hollow layer 9.Concrete hollow block (filling with cement mortar) 10.Extruded sheet 11.Square vent 图 1 试验温室构造图 Fig.1 Structure sketch of experiment greenhouse 1.2 墙体蓄放热工作原理 空气对流循环蓄热墙体通过上下两排通气孔将温室内环境与墙体中空层相连通。白天随着太阳辐射照度的增强，温室内气温随之升高，此时中空层内部的空气温度较低，中空墙体内外温度差逐渐增大，热空气因密度小而上升，冷空气因密度大而下沉，因此温室内热空气就会通过内层墙上部通气孔进入中空墙层，墙体内冷空气则通过下部通气孔进入温室内，从而形成墙体内外空气的自然对流；同时这种气流把室内空气中的热量带入到墙体内部，由于墙体内部通体中空，具有很大的表面积，因此在气流与墙体之间会产生对流换热作用，将空气中的热量传递给墙体，并蓄积到墙体中。夜晚由于墙体内温度降低缓慢，温室内温度降低较快，当室内空气温度低于墙体内空气温度时，就会形成反向循环的气流；第 4 期 赵淑梅等：日光温室空气对流蓄热中空墙体热性能试验 225 气流会带动墙体放热，并将热量带到室内，起到夜间加温的作用。 1.3 测试方案与试验仪器 1.3.1 测试方案 试验的主要目的在于通过较为严密的对比试验，评价空气对流循环作用对本墙体蓄放热特性的提升效果及其对温室的夜间加温效果，因此采取了对一栋对流循环蓄热墙体温室进行分区的试验方案，即将温室沿东西方向一分为二，对东侧墙体内部中空层两端和内层墙通气孔利用泡沫绝热材料进行了封堵，形成了中空封闭型墙体区域，作为对照区；由于该区域墙体阻断了中空层与温室空间的空气对流，以下称之为无对流墙体。西侧区域则保持中空层与室内空间的空气连通，作为试验区，将该区域墙体称之为自然对流墙体。两区域之间利用双层塑料薄膜进行分隔，对东侧入口处和西侧山墙附近也 利用薄膜进行了边界隔断处理。试验时间为 2017-01-25 2017-03-07。 主要测试内容包括室内外气温、墙体内部温度、墙体表面热流密度、通气孔空气流速及干湿球温度。温度和热流密度测试采用自动记录仪器进行全天测试。另外，在 2 个测试区域东西方向等间隔分别选取了 5 个通气孔测试上下通气孔空气流速及干湿球温度；白天测试时刻分别选择在保温被揭开后（ 08:30 左右）、中午气温最高（ 13:00 左右）和下午保温被落下前（ 17:00 左右）时刻。夜晚由于对流相对较弱，为提高测试准确性，从 18:00 开始（保温被已落下），每 2 h 测试 1 次，一直持续到第 2天 08:00（揭保温被前）。 1.3.2 测点布置及测试仪器 本次试验的测点布置如图 2 所示。墙体内部温度测点在墙体施工时已埋设，试验区和对照区分别有一组测点。每组测点分上下 2 排，分别位于距室内地面 0.9 m 和1.9 m 高度位置。埋设深度为距离墙体室内表面 0、 20、60、 120、 200、 280、 340、 380、 400、 700、 1 000、 1 020、1 060、 1 120、 1 200、 1 300 mm，其中距离墙体室内表面700 mm 处的测点为墙体中空层空气温度测点。试验区和对照区室内空气温度测试，在温室南北方向跨中位置，距地面 0.6、 1.2、 1.8 m 的高度各设置 3 个测点。由于温室墙体室内表面会受到作物以及后屋面的遮阳影响，从下到上接受太阳辐射的量在 1 d 内并不是均一和稳定的，因此在温室中部墙体的内外 3 个表面上，分别于 1.0 和1.8 m 高度处布置热流密度测点；考虑到墙体自身材质分布的不均匀性以及室内表面热流密度变化较大，在墙体室内表面的其他长度位置，各增加 1 个同样高度的测点，即每个试验区墙体表面共有 8 个热流密度测点。 温度测试仪器为国产 T 型热电偶，精度为 0.5 ；热流密度测试仪器为 HFP01 热通量板（ HUKSEFLUX 公司， 荷兰） ， 精度为 50 mV/(Wm2)； 以上数据均由 34970A和 34972A 数据采集器（ ANGILENT 公司，美国）采集，采集时间间隔为 10 min。通气孔空气流速及温度测试采用 Model KA32/41 智能型热线风速仪 （ KANOMAX 公司，日本），精度为（ 3%测量值 0.1 m/s）；室外温度测试设备为 H21 002 室外气象站（ Onset 公司，美国）；通气孔干湿球温度测试仪器为 H-AMZ-ON 通风干湿表（ ISUZU 公司，日本）。 图 2 试验温室测点布置示意图 Fig.2 Arrangement sketch of measuring points in experiment greenhouse 1.4 评价方法 1.4.1 自然对流墙体通气孔的理论空气流量 自然对流墙体通气孔的空气流量虽然可以直接通过所测通气孔空气流速计算，但是因为流速较低、实测误差的影响较大，相比较而言，温度的测试精度更高。因此根据自然通风的理论35进行估算。 首先根据式（ 1）和式（ 2）计算上下通气孔的总面积 111F nA （ 1） 222F nA （ 2） 式中 F1， F2为上下通气孔总面积， m2； n1， n2为上下通气孔数目，个； A1， A2为上下单个通气孔面积， m2。 然后根据式（ 3）计算理论空气流量 2( )udught tLkT （ 3） 其中 22 2211 22111kF F（ 4） 式中 k 为空气流量计算系数； 1， 2为上下通气孔空气流量系数，取 0.6336； L为理论空气流量， m/s； tu， td为墙体通气孔上、下空气温度，； h 为上下通气孔高差，m； Tu为墙体上通气孔热力学温度。 1.4.2 空气对流循环墙体的换热量 单位时间内空气循环换热量可以根据上下通气孔的空气焓值变化计算得出。 根据式（ 5）计算单位时间换热量 airhudQmhh （ 5） 式中 hu， hd为上、下通气孔空气的比焓， kJ/kg(a)； Qh为因空气循环流动产生的单位时间换热量， kW。 2 结果与分析 根据测试数据， 利用 Excel 软件， 从空气对流换热量、墙体内部温度分布特征及昼夜变化规律、墙体蓄放热量、以及温室内温度昼夜变化规律等角度进行分析，全面评农业工程学报（ http:/www.tcsae.org） 2018 年 226价空气对流循环墙体构造的蓄放热性能及其对温室夜间的加温效果。 2.1 通气孔空气状态及流量 2.1.1 通气孔空气流速和温度变化 通气孔白天空气流速及温度测试结果如表 1 所示。 表 1 白天通气孔空气流速和温度（ 2017-02-26） Table 1 Ventilation wind velocity and temperature in daytime (2017-02-26) 时刻 Time 通气孔位置 Vents position 流速 Wind velocity/(ms-1) 空气温度 Temperature/ 08:30 上 Up 0.2 19.7下 Down 0.2 18.3 13:00 上 Up 0.5 33.0下 Down 0.6 26.5 17:00 上 Up 0.1 28.7下 Down 0.2 26.8 从表 1 中可以看出，自然对流白天通气孔的流速在早晚较小，中午流速最大，可达 0.6 m/s，表明对流循环最强烈的时间是在中午；另外相同时刻上下通气孔的流速差异不大，基本接近。比较通气孔的空气温度， 08:30和 17:00 2 个时刻上下通气孔温度相近，温差较小，而13:00 时上下通气孔的温差为 6.5 ，与通气孔的空气流速表现出相同的规律，表明墙体上下通气孔的温差确保了中空层与温室内环境之间空气自然对流作用，温差越大越有利于形成良好的气流。 通气孔夜间空气流速及温度测试结果如图 3 所示。 图 3 夜晚通气孔空气流速及温度（ 2017-03-05） Fig.3 Ventilation wind speed and temperature at night (2017-03-05) 从图 3 中可以看出，上下通气孔夜间的流速整体偏小，维持在 0.1 0.3 m/s；但整个夜间上通气孔流速都略高于下通气孔流速，且在 00:00 06:00 仍能保持在0.3 m/s，表明在夜间、特别是后半夜都形成了循环气流，意味着夜间有明显的对流换热过程。从温度来看，夜间上下通气孔温度逐渐降低，但二者之间一直存在温差，特别是在 00:00 06:00 上下通气孔温差最大，维持在0.6 0.7 之间，此时间段内空气流速也处于最大值，表明在后半夜，随着温室内空气温度的下降，墙体的对流放热作用反倒增强，对维持温室后半夜的温度环境具有重要意义。 2.1.2 通气孔空气流量 空气对流循环蓄热中空墙体的自然对流方式是典型的热压通风，因此可以通过式（ 1）（ 4）对其昼夜空气流量进行理论计算，其中空气流量按整栋温室进行计算。 白天自然对流空气流量选择 08:30、 13:00 和 17:00 这3 个时刻进行计算。 13:00 空气流量最大，理论计算值为2.49 m/s，此时内层墙体内外温差最大，自然对流最为强烈，换热效果最佳。 08:30（早上揭帘后）和 17:00（下午放帘前）的空气流量分别为 1.07 和 0.89 m/s，对流换热的效果较为微弱。 夜晚自然对流空气流量计算结果如图 4a 所示。 18:00（保温被放下）以后，空气流量逐渐减小， 22:00 到达最小值 0.5 m/s，此后基本上呈上升的趋势，且在 06:00 时达到最大值 0.87 m/s，表明在后半夜温室温度逐渐降低时，墙体中空层与室内空气的温差逐渐加大，对流放热作用逐渐增强。 图 4 夜晚自然对流空气流量及换热量（ 2017-03-05） Fig.4 Air flow and heat transfer of natural convection at night (2017-03-05) 2.2 中空墙体昼夜换热量 循环气流在墙体内进行热量交换的过程中会出现水汽凝结，这部分潜热量是不可忽略的，因此可以通过上下通气孔的空气状态来计算换热量。结合实测的上下通气孔干湿球温度，自然对流墙体不同时刻通气孔焓值及换热量可由式（ 5）计算得到。 白天自然对流条件下上下通气孔焓差最大的时刻是13:00，此时外界光照充足，墙体内外温差最大，自然对流的效果最为明显。白天最大换热量为 32.22 kW，若换算为整个温室内墙面 (高 2.8 m， 长 60 m， 墙面面积 168 m2)上的热流密度是 191.8 W/m2，即相当于单位墙表面积上增加了 191.8W 的热流量。 夜晚自然对流不同时刻换热量计算结果如图 4b 所示。18:00 22:00 自然对流换热量较小，表明此时室内空气温度与墙体内部温度差值较小，墙体的放热作用还未完全发挥；后半夜，随着室内温度不断下降，墙体内外温差变大，换热量随之增加， 04:00 换热量最大，达到 0.62 kW。 04:00后换热量开始下降，到 08:00 时放热基本完毕。 2.3 墙体内部温度特征 针对开展的自然对流墙体与无对流墙体对比试验，选择典型晴天的 2017 年 2 月 1 日作为代表日进行分析。室外日最高、最低气温分别为 2.9 和 10.9 。一般而言，正午前后是太阳辐射强烈、室内空气温度较高的时间，第 4 期 赵淑梅等：日光温室空气对流蓄热中空墙体热性能试验 227 也必然是墙体进行大量蓄热的时间；而夜晚随着室外温度的下降，室内空气温度逐渐下降，至深夜往往降至墙面温度以下，即墙体必然处于放热阶段，因此进一步选择每天的 14:00 作为典型蓄热时刻， 04:00 作为典型放热时刻，来分析墙体内部温度分布特征。另外，墙体的温度分布均取同深度、同时刻上下测点的平均值表示。 以上典型时刻自然对流墙体与无对流墙体对比试验中墙体厚度方向温度分布如图 5 所示。 a. 典型蓄热时刻（ 2017-02-01 14:00） a. Typical thermal storage time (2017-02-01 14:00) b. 典型放热时刻（ 2017-02-02 04:00） b. Typical thermal release time (2017-02-02 04:00) 注：墙体厚度沿室内到室外方向计算。 Note: Wall thickness is calculated along the indoor to outdoor direction. 图 5 晴天典型蓄热和放热时刻墙体内部温度分布 Fig.5 Temperature distribution in wall at typical thermal storage time and release time in sunny day 从图 5a 中可以看出， 典型蓄热时刻 （ 14:00） ， 在 0400 mm 的内层墙范围内， 2 种墙体均是墙表面处温度最高，然后随着厚度的增加 2 种墙体内的温度不断下降，并均是在 280 mm 厚度处降至最低， 但是下降的速度却不相同， 其中自然对流墙体内温度下降缓慢， 因此在 280 mm深度温度降至最低时，自然对流墙体最低温度仍比无对流墙体高 3.0 ； 280 mm 厚度之后无对流墙体的温度虽有波动，但趋于平缓，而自然对流墙体温度则出现了缓慢上升趋势，至 400 mm 处（即中空层南侧壁面）两墙体温差反升至 4.0 ， 自然对流墙体温度明显高于无对流墙体。这种温度分布规律和温度水平上的差异，表明空气对流循环作用有效地将热空气引入了中空层，并通过对流作用蓄积到了内层墙体中。自然对流墙体在 4001 000 mm 的中空层范围内空气温度显著增高，同时带动两侧壁面温度升高，与两壁面温差分别为 4.0 和 5.5 ，而无对流墙体这 3 点温度基本持平；与无对流墙体对比，自然对流墙体中空层空气温度高出 9.4 ， 这进一步阐明了自然对流作用有效调动了墙体中空层两侧墙体参与了蓄热过程，因此对整个墙体而言，增加了换热面积、自然也增加了蓄热量。在 1 000 1 200 mm 外层墙范围内，自然对流墙体的温度水平明显高于无对流墙体，1 000 mm 厚度处二者温差为 3.7 ，甚至在 1 200 mm 厚度处二者温差仍有 2.8 ， 表明自然对流作用使得墙体的蓄热深度得以加大。整体来看两墙体的平均温度，自然对流墙体温度高于无对流墙体 2.9 。 同样，从图 5b 可以看出，在典型放热时刻，自然对流墙体温度水平均明显高于无对流墙体，且分布规律不同。其中，在 0 400 mm 内层墙范围内， 2 种墙体内最高温度点均出现在 200 mm 厚度处， 最高温度相差 2.3 ，然后逐渐下降；在 400 1 000 mm 范围内，两墙体中空层空气温度均低于两侧墙面，说明墙体内部夜间均存在壁面对空气的放热作用，但二者中空层温差为 2.2 ，也表明相比于无对流墙体，自然对流墙体内部具有更好的放热能力。对于自然对流墙体而言，通气孔连通了温室与墙体中空层 2 部分空间，二者之间气温差较大时，会有显著的空气流动与热量交换作用，可以有效地实现中空层两侧墙体蓄积的热量向室内释放的效果；对于无对流墙体而言，在 2.8 m 高， 600 mm 宽的密闭中空层内墙体表面温度并不均匀，实际上内部空间会存在一定的封闭大空间内的平壁对流换热作用，以及壁面之间的辐射换热作用，但因温差较小，这些换热作用相对较弱，而且发生在中空墙体内部，因此中空层两侧墙体与室内空气间没有直接的热量传递作用，不会直接影响室内环境。在 1 000 1 200 mm 外层墙范围内， 自然对流墙体温度要明显高于无对流墙体，其中 1 000 mm 处的温差仍为2.7 、 1 200 mm 处的温差甚至达到 3.2 ，且在厚度方向的下降趋势相对缓慢，说明外侧墙体也具有良好的放热潜力。整体来看两墙体的平均温度，自然对流墙体温度高于无对流墙体 2.3 ， 表明自然对流作用下的空气循环提升了整个墙体放热性能。 2.4 墙体表面热流密度 在试验测试期间，墙体室内表面和中空层两壁面均布置了热通量板，用以记录壁面热流密度变化。所测数据正负代表热流方向，蓄热数值为正，放热数值为负。 自然对流墙体 3 个表面热流密度变化情况如图 6 所示。从曲线走势来看，内表面的热流密度波动范围更大，白天处于蓄热过程中，热流密度最大为 143.4 W/m2，夜晚处于放热过程中，热流密度最大为 49.5 W/m2，蓄放热效果明显。中空层南北两侧壁面全天变化趋势与室内壁面一致，由于通过空气对流换热进行蓄放热，波动范围较小，但是也有一定的蓄热量和放热量。对比中空层两侧壁面，南侧最大蓄热热流密度为 15.2 W/m2，最大放热热流密度为 16.5 W/m2；而北侧最大蓄热热流密度为35.1 W/m2，最大放热热流密度为 3.5 W/m2，表明白天蓄热效果北侧优于南侧，而夜间放热效果则是南侧优于北农业工程学报（ http:/www.tcsae.org） 2018 年 228侧。导致这一现象的原因在于北侧墙体位于接近室外的位置，热量损失较大，温度较低，南侧壁面白天温度水平较高，空气与墙面之间温差低于北侧，所以蓄热相对较少，而夜间正好相反。 图 6 自然对流墙体表面热流密度变化 （ 2017-02-27） Fig.6 Heat flux change of natural convection on wall surfaces (2017-02-27) 进一步统计自然对流墙体于 2017 年 2 月 27 日 3 个壁面累积蓄热量、累积放热量以及各自所占比例，结果如表 2 所示。从表中数据可以发现，自然对流墙体 60%以上的蓄热量和放热量来自室内墙体表面。中空层两壁面的合计蓄热量及合计放热量分别占整个墙体的 35%和31%，因此可以说明，在自然对流蓄热墙体中，中空层中产生的对流换热作用贡献了整个墙体 1/3 的蓄放热量。 表 2 不同表面蓄放热日累积量及所占比例统计 Table 2 Statistics of daily accumulation and proportion of different surface thermal storage and release 部位 Location 蓄热 Thermal storage 放热 Thermal release 数 Value/ (MJm-2) 比例 Ratio/% 数值 Value/ (MJm-2) 比例 Ratio/% 室内表面 Indoor surface 2.07 65 1.77 69 中空层南壁面South surface of hollow wall 0.21 7 0.78 31 中空层北壁面North surface of hollow wall 0.90 28 0.00 0 合计Total/(MJm-2) 3.19 100 2.55 100 选择连续 5 d（ 2017 年 2 月 2 日至 6 日）典型天气条件下 2 种墙体蓄放热情况进行对比分析，结果如图 7 所示。其中， 2017 年 2 月 2 日至 4 日为阴天， 2017 年 2 月 5日至 6 日为阴天。从图 7 中可以看出， 2 种墙体阴天的蓄热量明显要低于晴天的蓄热量。自然对流和无对流墙体5 d 的平均蓄热量分别为 2.14 和 1.85 MJ/m2，自然对流墙体相较于无对流墙体蓄热量提高了 15.1%。自然对流和无对流墙体的平均放热量为 3.06 和 2.67 MJ/m2，自然对流墙体相较于无对流墙体放热量增加了 14.7%。 试验结果表明自然对流有效增加了墙体蓄放热量。 由于试验条件所限，每个墙体表面仅在高度方向布置了 2 个测点，测试结果用于代表整个墙体的特性略显不足；但因 2 温室空间测点布置位置及数量相同，具有可比性，且从相对关系的角度，测试结果仍能很好体现出 2 种墙体之间蓄放热能力上的差异。 图 7 墙体累积热量 Fig.7 Accumulated heat of wall 2.5 不同条件下室内温度变化规律 空气循环蓄热墙体在白天通过对流将室内多余的热量传递并蓄积到墙体内，在一定程度上降低室内气温或阻止气温升高，夜间同样以对流方式将墙内蓄积的热量释放出来，提高或维持室内气温，因此通过室内气温的变化情况可以直观的评价蓄放热效果。 2017 年 2 月 1 日至 2 月 6 日室内外气温变化如图 8所示。以每天 08:00（保温被揭开）到 17:00（保温被落下）为白天时段，其余时间为夜晚时段。从 5 d 的统计数据来看，白天无对流墙体温室室温高于自然对流墙体温室，特别是在正午前后最为显著，最高温差可达 6.2 ，表明自然对流一定程度上起到了抑制午间高温的作用，减少了温室内的高温胁迫。 图 8 自然对流与无对流室内气温（ 2017-02-02 2017-02-06） Fig.8 Room temperature of natural convection and non-convection (2017-02-02 2017-02-06) 从夜间的温度数据来看，自然对流温室夜间温度水平不低于 10.0 ，而无对流温室温度水平最低为 7.5 ，二者差异显著。 5 d 夜晚温度最大差值为 2.9 。从 5 d第 4 期 赵淑梅等：日光温室空气对流蓄热中空墙体热性能试验 229 夜晚平均温度来看，自然对流室内气温高于无对流室内气温 2.4 ；从 5 d 夜晚最低气温的平均值进行比较，自然对流室内气温高于无对流室内气温 2.2 ， 表明自然对流提高温室夜间温度的效果显著。由此可见，自然对流墙体构造对温室热环境起到了“削峰填谷”的作用，有效提高夜间温度的同时抑制了午间温度，将白天多余热量储存并在夜晚向室内释放。 3 结 论 空气对流循环蓄热墙体设计开发的目的在于通过提高墙体蓄放热能力，提高进入温室的太阳能的利用效率，从而改善日光温室冬季夜间普遍低温的现状。论文通过中空墙体构造在自然对流和无对流工况下的对比试验，分析了墙体内部温度分布特征、变化规律和对室内温度环境的影响，得到以下结论： 空气对流循环蓄热墙体，上下通气孔之间存在的温差，确保了墙体自然对流作用的形成。白天午间上下通气孔温差为 6.5 ， 最大空气流速可达 0.6 m/s； 夜间通气孔空气流速维持在 0.1 0.3 m/s 之间。 自然对流条件下，空气对流循环蓄热墙体白天室内表面和中空层两壁面的温度较高，同时中空层空气温度高于两壁面，表明参与换热的墙体面积不只有室内表面，也包括中空层两侧的壁面，即增加了墙体换热面积。夜晚对流空气温度低于中空层南、北壁面，表明夜晚对流空气在循环过程中被加热。以上结果表明空气对流循环蓄热墙体参与蓄放热的面积更大，位置更深。 在自然对流作用下空气对流循环蓄热墙体中空层的蓄热量和放热量分别占温室总蓄放热量的 31%和 35%； 相较于对照墙体，白天蓄热量提高 15.1%，夜晚放热量提高14.7%，表明该墙体构造可有效提升墙体的蓄放热能力。 空气对流循环蓄热墙体在自然对流条件下对温室热环境有着积极影响。相较于对照墙体，白天正午前后最大温差可达 6.2 ；夜间最低温度水平可维持在 10.0 以上，最低气温比对照区域高出 2.2 ，有效提升了温室夜间的温度水平。 参 考 文 献 1 马承伟，徐凡，赵淑梅，等 . 日光温室热环境分析及设计方法研究 C/ 2011 第二届中国 寿光国际设施园艺高层学术论坛，中国山东寿光， 2011， 4： 70 79. 2 任晓萌，程杰宇，夏楠，等 . 日光温室自然对流蓄热中空墙体蓄放热效果研究 J. 中国农业大学学报， 2017， 22(2)：115 122. Ren Xi