第37卷 第3期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 Vol 37 No 3 2021年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb 2021 205 日光溫室平板微熱管陣列蓄熱墻體熱性能試驗 管 勇 王天梅 魏銘佟 柳天明 胡萬玲 段世檢 蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 蘭州 730070 摘 要 為提高日光溫室復(fù)合結(jié)構(gòu)墻體熱穩(wěn)定層的溫度并提升溫室墻體材料的蓄熱性能 該研究提出一種新型日光溫室 平板微熱管陣列蓄熱墻體 Micro Heat Pipe Array MHPA 搭建了小型MHPA墻體溫室試驗臺 采用對比試驗的方法 結(jié)合溫室墻體溫度 墻體蓄放熱量以及溫室環(huán)境溫度等評價參數(shù) 對比分析了典型日MHPA墻體的蓄放熱特性及其改善 溫室熱環(huán)境效果 結(jié)果表明 與普通溫室相比 冬季典型晴天 放熱時段 17 00至次日9 00 MHPA墻體內(nèi)表面平均溫 度提高1 6 2 3 由室內(nèi)向室外沿墻體厚度方向0 370 mm區(qū)域內(nèi)MHPA墻體內(nèi)部的平均溫度提高2 7 4 0 MHPA 溫室的平均溫室環(huán)境溫度提升1 2 1 5 地表面平均溫度提升0 6 1 0 MHPA墻體的日總蓄熱量提高了8 93 14 35 日總放熱量提高了2 24 8 07 且在夜間23 00至次日7 00 MHPA墻體的放熱速率高于普通墻體的 平均提 升11 53 因此 MHPA墻體引入于日光溫室墻體中可提升溫室墻體材料的蓄放熱性能 改善溫室熱環(huán)境 該結(jié)果可為 日光溫室平板微熱管陣列蓄熱墻體的應(yīng)用提供參考 關(guān)鍵詞 溫室 墻體 蓄熱 微熱管陣列 蓄放熱性能 試驗研究 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 03 025 中圖分類號 S625 1 文獻標志碼 A 文章編號 1002 6819 2021 03 0205 08 管勇 王天梅 魏銘佟 等 日光溫室平板微熱管陣列蓄熱墻體熱性能試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2021 37 3 205 212 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 03 025 http www tcsae org Guan Yong Wang Tianmei Wei Mingtong et al Thermal performance experiment of heat storage wall with flat micro heat pipe array in solar greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2021 37 3 205 212 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 03 025 http www tcsae org 0 引 言 日光溫室是中國獨創(chuàng)的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù) 1 它在蔬 菜周年均衡供應(yīng)方面發(fā)揮了巨大作用 2 溫室墻體是日光 溫室主要的蓄放熱載體 在調(diào)控溫室內(nèi)熱環(huán)境中起關(guān)鍵 的作用 3 4 其白天蓄存太陽能的能力越強 夜間供給溫 室內(nèi)的熱量越多 5 7 多年來 國內(nèi)外學(xué)者針對土質(zhì)墻 4 8 砌塊磚墻 6 9 10 磚土 磚煤復(fù)合墻 11 磚苯復(fù)合墻 6 7 12 秸稈砌塊墻 13 以及拆裝式黃麻纖維墻 14 等日光溫室墻體熱性能開展了 一系列的研究 研究表明復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)墻體的熱性能較 好 8 12 不同結(jié)構(gòu)溫室墻體按照溫室墻體的溫度變化特性可 將墻體分成蓄熱層 熱穩(wěn)定層及保溫 隔熱層組成 4 8 15 16 對于800 mm砌塊磚和50 mm聚苯板組成的日光溫室墻 體溫度場進行研究發(fā)現(xiàn)熱穩(wěn)定層和蓄熱層厚度分別占總 厚度的58 8 和35 3 16 隨著日光溫室墻體材料的不斷革新 相變材料依靠其 潛熱蓄放熱 具有蓄放熱量大 放熱時溫度波動小 17 等特 點受到國內(nèi)外學(xué)者的熱點關(guān)注 Berroug 等 18 19 將 CaCl2 6H2O制成相變板置于溫室墻體內(nèi)表面 運用焓法 收稿日期 2020 08 23 修訂日期 2021 01 02 基金項目 國家自然科學(xué)基金資助項目 51866006 51868035 甘肅省科 技計劃資助項目 18JR3RA121 蘭州交通大學(xué)百名青年優(yōu)秀人才培養(yǎng)計劃 基金資助項目 作者簡介 管勇 博士 教授 研究方向為可再生能源利用及設(shè)施農(nóng)業(yè)熱濕 環(huán)境調(diào)控技術(shù) Email guany2004 傳熱模型計算分析了相變材料墻體對溫室熱環(huán)境的改善 效果 李鵬等 20 21 將復(fù)合定形相變墻體材料應(yīng)用于日光 溫室北墻 采用試驗分析了相變墻體材料對提升日光溫 室室內(nèi)熱環(huán)境的作用 溫室墻體中運用相變材料可提高 日光溫室墻體的蓄放熱性能 但研究表明 由相變材料 組成的復(fù)合溫室墻體內(nèi)部仍存在較厚的熱穩(wěn)定層 22 23 近年來 一些學(xué)者通過主動蓄熱或主被動協(xié)同蓄熱方 式來提升墻體內(nèi)部材料的蓄放熱性能 出現(xiàn)了諸如主動相 變蓄熱墻體 24 基于毛細管網(wǎng)的主動式集放熱系統(tǒng) 25 主 動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng) 26 主動蓄熱固化沙墻體 27 以及 主被動通風蓄熱墻體 28 等新型日光溫室 通過分析發(fā)現(xiàn) 主動蓄熱技術(shù)對溫室墻體的蓄放熱性能及對溫室內(nèi)熱環(huán) 境的調(diào)控能力有顯著的提高 但因主動蓄熱技術(shù)的嵌入 一方面增加了墻體的建造難度 初投資及運行維護成本 另一方面降低了溫室墻體或系統(tǒng)的力學(xué)性能 為提高日光溫室復(fù)合結(jié)構(gòu)墻體熱穩(wěn)定層的溫度和提 升溫室墻體材料的蓄熱性能 本文在課題組前期的研究 基礎(chǔ)上 29 30 引入平板微熱管陣列 31 Micro Heat Pipe Array MHPA 強化傳熱技術(shù) 基于被動式溫室墻體蓄 放熱理論 提出了一種新型日光溫室微熱管陣列蓄熱墻 體 MHPA墻體 通過對比試驗對該溫室蓄熱墻體的 蓄放熱特性進行研究 1 MHPA墻體的構(gòu)筑原理與方法 通過上述分析可知 若要運用被動蓄熱方式挖掘提 升日光溫室墻體內(nèi)部的蓄熱性能 則需要日光溫室墻體 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2021年 206 在蓄熱時段能快速的把溫室墻體室內(nèi)側(cè)表面蓄積的熱 量輸運到墻體內(nèi)部 這要求熱輸運媒介的集熱能力強 輸送能力高 機械性能好 當日光溫室室內(nèi)溫度降低時 能夠把墻體內(nèi)部蓄存的熱量及時的傳導(dǎo)釋放到溫室環(huán) 境中 基于該需求 在前期的研究基礎(chǔ)上 按照砌塊磚的 模數(shù) 將重力型MHPA引入到溫室墻體中 即先將鋁制 平板MHPA 500 mm 60 mm 3 mm 其內(nèi)部有22條平 行獨立的熱管微通道 結(jié)合墻體集熱與蓄熱需求彎曲成 乙字形結(jié)構(gòu) 彎曲角度90 曲率半徑40 mm 然后再 把其彎曲的MHPA除蒸發(fā)段 長度208 mm 的一側(cè)表 面裸露在外部用于集熱蓄熱及傳熱之外 其他部分都澆 筑在水泥砂漿 水泥與沙子質(zhì)量之比3 7 中 養(yǎng)護形 成乙字形MHPA砌塊 其中彎曲的MHPA置于砌塊內(nèi)部 中軸線處 最后把乙字形MHPA砌塊按照日光溫室蓄熱 需求再陣列豎直排布砌筑在溫室墻體室內(nèi)側(cè) 形成 MHPA墻體 為防止MHPA的蒸發(fā)段對太陽光的反射作 用 需將其表面涂黑 以增強MHPA的吸熱與集熱性能 具體MHPA墻體如圖1所示 圖1 MHPA與MHPA墻體剖面示意圖 Fig 1 MHPA Micro Heat Pipe Array and schematic diagram of MHPA wall 2 材料與方法 2 1 試驗溫室 為研究所提出的日光溫室MHPA墻體的蓄放熱性能 以及其對溫室熱環(huán)境的改善效果 在蘭州市蘭州交通大 學(xué)校園內(nèi) 36 05 N 103 88 E 搭建了小型南北朝向的 MHPA墻體溫室和普通砌塊磚溫室 兩溫室北墻體長均 為615 mm 高為630 mm 厚度為370 mm 墻體外表面 均采用50 mm的保溫板覆蓋保溫 溫室跨度為790 mm 兩溫室實景圖如圖2所示 MHPA墻體溫室的北墻體由1 塊MHPA砌塊以及普通砌塊磚砌筑而成 而普通溫室墻 體全部由普通砌塊磚砌筑 為了減小地面散熱對試驗的 影響 兩溫室地面均采用50 mm厚的保溫板及10 mm厚 的實木板組成 兩溫室的東西側(cè)面及前坡屋面均采用 0 12 mm厚的EVA薄膜 夜間覆蓋40 mm厚的保溫被 保溫被每天上午9 00開啟 下午17 00關(guān)閉 溫室墻體 物性參數(shù)見表1所示 由于東西砌塊墻側(cè)面采用50 mm 保溫板 而夜間又覆蓋40 mm厚的保溫被 它們的熱阻 之和較大為1 55 m2 K W 故夜間可忽略東西側(cè)砌塊墻 散熱的影響 圖2 試驗溫室實景圖 Fig 2 On site photo of experimental greenhouses 表1 墻體材料物性參數(shù) 32 Table 1 Physical parameters of wall material 材料 Materials 熱導(dǎo)率 Thermal conductivity W m K 1 比熱 Specific heat kJ kg K 1 密度 Density kg m 3 砌塊磚Block brick 0 81 1 05 1800 水泥砂漿Cement mortar 0 93 1 05 1800 保溫板Insulation board 0 042 1 38 30 2 2 測試方法與試驗儀器 本試驗重點關(guān)注兩溫室的北墻體溫度 包括溫室墻 體室內(nèi)表面溫度及墻體內(nèi)部不同位置處的溫度 室內(nèi) 空氣溫度 溫室地表面溫度 MHPA蒸發(fā)段和冷凝段表 面溫度等參數(shù) 其中 兩溫室墻體內(nèi)部布56個熱電偶傳 感器 MHPA墻體內(nèi)29個 普通砌塊墻體內(nèi)27個 墻體內(nèi)表面24個 溫室內(nèi)空氣測點6個 墻體外表面 墻體東西側(cè)面 溫室地表面 前坡屋面以及東西側(cè)面薄 膜中心位置各布置1個測點 MHPA砌塊內(nèi)中軸面布置9 個 MHPA蒸發(fā)段布置2個 冷凝段布置1個 為了比 較墻體的升溫變化 選取墻體內(nèi)部同一截面位置處的溫 度進行對比分析 各測點布置見圖3 所示 溫度測試采 用銅 康銅T型熱電偶溫度傳感器 美國Omega 精度 0 2 測量 并對其進行溫度標定 與空氣接觸的測 點均設(shè)置了防太陽輻射處理 數(shù)據(jù)采用2臺34972A數(shù)據(jù) 采集儀 美國Keysight Technologies 實時監(jiān)測 每隔 10 min采集1次數(shù)據(jù) 同時采用PC 4型自動氣象站 錦 州陽光氣象科技有限公司 精度 溫度 0 1 太陽輻 射照度 5 實時監(jiān)測室外的太陽輻射照度 空氣溫度 及速度等參數(shù) 2 3 評價參數(shù) 根據(jù)墻體構(gòu)筑方法和對墻體傳熱過程的分析 對于 微熱管陣列蓄熱墻體熱性能評價參數(shù)主要有墻體內(nèi)表面 溫度 墻體厚度方向溫度分布 溫室環(huán)境溫度 溫室內(nèi) 地面溫度以及墻體日蓄 放熱量等 2 3 1 溫室墻體內(nèi)表面溫度 墻體作為溫室重要的蓄熱體 白天溫室墻體內(nèi)表面 吸收太陽熱能并向墻體內(nèi)部傳遞 夜間墻體內(nèi)表面與室 內(nèi)空氣發(fā)生對流換熱 并與其他圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面之間進 行輻射換熱 將墻體內(nèi)部的熱量釋放到溫室內(nèi) 因此 墻體內(nèi)表面溫度是墻體熱工性能重要的評價指標之一 其值按各測點溫度對應(yīng)的面積加權(quán)平均計算 第3期 管 勇等 日光溫室平板微熱管陣列蓄熱墻體熱性能試驗 207 圖3 兩試驗溫室結(jié)構(gòu)及其測點布置示意圖 Fig 3 Schematic diagram of structure of two experimental greenhouses and their test points 2 3 2 墻體厚度方向溫度分布 本研究所提出溫室墻體結(jié)構(gòu)的出發(fā)點是運用微熱管 陣列技術(shù)提高墻體內(nèi)部溫度 達到提升墻體蓄熱能力的 目的 因此 墻體厚度方向的溫度分布是表征微熱管陣 列墻體熱性能的基本考核參數(shù) 2 3 3 溫室環(huán)境溫度 日光溫室內(nèi)空氣溫度ta及其溫室圍護結(jié)構(gòu)各內(nèi)表面 溫度相互作用營造出溫室微氣候熱環(huán)境 為了綜合評價 兩者之間的影響 采用溫室環(huán)境溫度te衡量溫室熱環(huán)境 參數(shù) 其值按式 1 計算 33 e MRT a 2 3t t t 1 式中ta為溫室內(nèi)空氣溫度 tMRT表示溫室圍護結(jié)構(gòu)各 壁面的平均輻射溫度 按式 2 計算 7 1 1 2 2MRT 1 11 2 n nn n i i i i in Ft Ft Ftt Ft F F F F 2 式中Fi為溫室內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)第i個壁面面積 m2 ti為對應(yīng) 第i個壁面的測試溫度 2 3 4 溫室地表面溫度 土壤溫度對溫室作物的生長發(fā)育起決定作用 它直 接影響作物根系生長及營養(yǎng)物質(zhì)的輸運 因此 土壤表 面溫度也是溫室熱環(huán)境因子中重要的指標之一 本文采 用溫室地表面中心處的溫度表示 2 3 5 溫室墻體日蓄 放熱量 白天 隨著太陽輻照強度增大 墻體溫度呈現(xiàn)明顯 的上升 溫室墻體會儲存大量的熱量 儲存的熱量會對 墻體夜間的放熱能力和室內(nèi)空氣溫度產(chǎn)生積極影響 因 此 將保溫被開啟時段墻體白天儲存的熱量稱為墻體日 蓄熱量 按式 3 計算 在夜間 墻體的放熱是溫室內(nèi) 環(huán)境的唯一熱源 有助于保持溫室內(nèi)空氣溫度在溫室作 物生長的適宜范圍內(nèi) 因此 將保溫被關(guān)閉時段墻體向 室內(nèi)釋放的熱量稱為墻體日放熱量 按式 4 計算 24 hsc 17 00 9 00Q Q Q 3 hrc 17 00 9 00day 1Q Q Q 4 式中Qhsc與Qhrc分別為溫室墻體的日蓄熱量與放熱量 J Q9 00為保溫被開啟時墻體熱量 J Q17 00為保溫被關(guān)閉時 墻體熱量 J Q9 00day 1為次日保溫被開啟時墻體熱量 J 2 3 6 墻體蓄放熱速率 墻體蓄放熱速率是表征墻體蓄放熱快慢的物理量 根據(jù)墻體內(nèi)部溫度場的溫度 可定量的計算出墻體的蓄 放熱速率 按式 5 計算 34 計算結(jié)果為正時為蓄熱速 率 計算結(jié)果為負時為放熱速率 2v Q Qq 5 式中qv為墻體蓄放熱速率 W Q 為 時刻墻體蓄 放熱量 J Q 為 時刻墻體蓄放熱量 J 為時間 s 為時間步長 s 2 4 試驗不確定性分析 為考核試驗結(jié)果的可靠性 需進行試驗不確定性分 析 直接測量數(shù)據(jù)的精度可由試驗中所使用的測量設(shè)備 直接獲得 而對于由直接測量數(shù)據(jù)計算所得的間接數(shù)據(jù) 其精度需通過誤差傳遞公式 6 計算 35 22 2 1 2 1 2 n n y y yy x x x x x x 6 式中y為自變量組成的函數(shù) xn為各自相互獨立的自變 量 xn為各自變量不確定度 y為因變量不確定度 本文所用間接數(shù)據(jù)為溫室環(huán)境溫度和墻體日蓄放 熱 量 熱電偶測量精度為 0 2 經(jīng)公式 5 計算 溫室 環(huán)境溫度和墻體蓄放熱量及蓄放熱速率的最大平均相對 不確定度分別為3 35 4 24 2 65 計算結(jié)果顯示 間接數(shù)據(jù)相對不確定小于5 計算結(jié)果可靠 3 結(jié)果與分析 本文選取典型晴天 2019年12月26日至28日 的 數(shù)據(jù)進行對比分析 如圖4所示 由圖4可知 典型日 隨著太陽輻射照度的增大 室外空氣溫度也隨之升高 太陽輻射照度在正午12 00時達到最大值 但空氣溫度比 其延遲約2 5h達到最高值 之后隨著太陽輻照度的減弱 溫度也隨之降低 12月26日至28日的室外空氣溫度分 別為 8 4 1 9 7 9 3 9 4 3 9 3 其中 白天蓄 熱時段 9 00至17 00 其室外平均空氣溫度分別為 1 2 0 3和4 2 夜間放熱時段 17 00至次日9 00 室外 平均空氣溫度分別為 5 1 4 3 和 0 8 典型日太陽 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2021年 208 輻射照度最大值分別為622 651和697 W m2 日累計太 陽輻射照度分別為11 32 11 86和12 61 MJ m2 圖4 典型日室外氣象參數(shù) Fig 4 Outdoor meteorological parameters for typical days 3 1 墻體內(nèi)表面溫度 圖5 為典型日溫室墻體室內(nèi)側(cè)表面溫度隨時間變化 圖 由圖5 可知 在不同的室外環(huán)境下 溫室墻體其內(nèi) 表面溫度變化趨勢基本相似 即白天隨太陽輻射照度升 降而增減 夜間呈下降趨勢 兩溫室墻體內(nèi)表面最大值 比太陽輻照度最大值滯后約2 7 h 典型日MHPA墻體內(nèi) 表面日平均溫度較普通砌塊墻體的高2 6 3 5 其中 夜間放熱時段 17 00至次日9 00 MHPA墻體內(nèi)表面 平均溫度較普通砌塊墻體提高了1 6 2 3 且在不同 室外條件下 整個放熱過程中 MHPA墻體內(nèi)表面溫度 始終高于普通砌塊墻體內(nèi)表面溫度 圖5 兩溫室墻體內(nèi)表面溫度隨時間變化 Fig 5 Inner surface temperatures of two greenhouse walls with time 3 2 墻體厚度方向溫度分布 圖6 為典型日不同時刻兩溫室墻體截面溫度隨厚度 分布圖 由圖6 可知 溫室墻體內(nèi)部溫度的高低與室外 太陽輻照度及室外空氣溫度的強弱呈正相關(guān)關(guān)系 當太 陽輻照度越大 室外空氣溫度越高時 不同時刻溫室墻 體內(nèi)部溫度越高 其溫度波動幅度越劇烈 注 墻體厚度0 mm處為室內(nèi)側(cè) 420 mm處為室外側(cè) 圖中兩墻體對應(yīng)時刻為同一時刻 Note The wall thickness of 0 and 420 mm are the indoor side and outdoor side respectively the corresponding time of the two walls is the same time in the figures 圖6 典型日不同時刻兩溫室墻體截面溫度隨厚度分布 Fig 6 Temperature distribution of two greenhouse wall cross sections with wall thickness at different times of the typical days 典型日保溫被開啟時 09 00 墻體壁面的溫度都低 于墻體內(nèi)部的溫度 此時MHPA墻體的溫度始終高于普 通墻體的 隨太陽輻照度升高 普通墻體溫度波逐步向 墻體內(nèi)部推進 影響墻體厚度約為300 mm 與普通墻體 相比 MHPA墻體呈現(xiàn)出完全不同的溫度分布特點 其 墻體內(nèi)部溫度呈現(xiàn)一個小的溫升波峰 并且后者溫度顯 著高于前者的 在保溫被關(guān)閉 17 00 時 溫室墻體完 成蓄熱過程 兩溫室墻體內(nèi)部溫度都隨墻體厚度的增加 而逐漸降低 除保溫板外 典型日從室內(nèi)向室外沿墻體 厚度方向0 370 mm區(qū)域內(nèi)MHPA墻體內(nèi)部的平均溫度 提高2 7 4 0 MHPA墻體內(nèi)部溫度分布也均高于普 通砌塊墻體的 在60 300 mm區(qū)域內(nèi)MHPA墻體的溫 度與普通墻體的相比 兩者的溫差較為顯著 值得注意的是在185 mm附近 MHPA墻體與普通砌 塊墻體的溫差最大 前者比后者高5 5 7 0 這是因 為乙字形MHPA的冷凝段埋設(shè)在此附近處 白天太陽光 波經(jīng)前坡屋面透射到溫室北墻內(nèi)表面 砌筑在北墻內(nèi)表 面并被涂黑的MHPA蒸發(fā)段依靠其內(nèi)部微熱管陣列高效 熱傳輸特性將太陽能熱量從蒸發(fā)段輸運至冷凝段 再從 冷凝段向砌塊四周傳遞 從而提高了MHPA墻體內(nèi)部溫 第3期 管 勇等 日光溫室平板微熱管陣列蓄熱墻體熱性能試驗 209 度 普通墻體只能依靠墻體材料的導(dǎo)熱性能將北墻體內(nèi) 表面蓄積的熱量在溫差驅(qū)動的作用下緩慢的傳遞到墻體 內(nèi)部 因此 MHPA的引入可提高溫室墻體內(nèi)部的溫度 提升墻體的蓄熱性能 3 3 溫室環(huán)境溫度 圖7 為兩溫室室內(nèi)環(huán)境溫度隨時間變化圖 由圖7 可知 在白天蓄熱時段 09 00至17 00 溫室環(huán)境溫 度隨太陽輻照度的變化而變化 在17 00之后溫室環(huán)境溫 度出現(xiàn)了小幅升溫然后再逐漸降溫 這是由于保溫被關(guān) 閉后溫室通過前坡屋面的熱損失減少 且溫室墻體向室 內(nèi)持續(xù)釋放熱量 使得溫室環(huán)境溫度出現(xiàn)上升現(xiàn)象 但 由于室外空氣溫度下降速率較大 見圖4 導(dǎo)致溫室通 過各圍護結(jié)構(gòu)的熱量損失變大 溫室環(huán)境溫度也出現(xiàn)逐 步下降 圖7 兩溫室室內(nèi)環(huán)境溫度隨時間變化 Fig 7 Changes of indoor ambient temperature with time in two greenhouses 典型日在14 00時前后兩溫室環(huán)境溫度達到最大值 在整個蓄熱期間MHPA溫室的環(huán)境溫度略低于普通溫室 的 平均值低0 2 0 5 在夜間放熱時段 17 00至次 日09 00 MHPA溫室平均溫室環(huán)境溫度較普通溫室的 提高1 2 1 5 且在整個夜間放熱時段 17 00至次日 09 00 MHPA溫室的溫室環(huán)境溫度始終高于普通溫室 的 因此 MHPA墻體能夠有效的改善溫室內(nèi)的熱環(huán)境 且對溫室內(nèi)熱環(huán)境起 削峰填谷 的作用 3 4 溫室地表面溫度 圖8為兩溫室地表面溫度隨時間變化 由圖8可知 不同室外條件下 兩溫室地表面溫度的最大值較太陽輻 照度最大值滯后約2 5 h 兩溫室地表面溫度變化趨勢基 本相同 典型日蓄熱時段 09 00至17 00 MHPA溫室 的地表面最高溫度較普通溫室地表面的低3 2 4 4 平均值低1 8 1 9 在放熱時段 17 00至次日09 00 MHPA溫室地表面平均溫度較普通溫室的高0 6 1 0 由此也可看出 MHPA墻體在白天蓄熱階段把太陽能有 效的蓄存到墻體的內(nèi)部 見圖6 使得室內(nèi)環(huán)境溫度保 持在適宜的溫度范圍 而在放熱階段又能將熱量逐步的 從墻體內(nèi)部釋放到溫室內(nèi) 從而提高溫室地表面溫度 有助于溫室作物的生長 圖8 兩溫室地表面溫度隨時間變化 Fig 8 Changes of ground surface temperature with time in two greenhouses 3 5 墻體日蓄熱量與日放熱量 圖9為典型日兩溫室墻體日蓄 放熱量對比圖 由圖 9可知 典型日MHPA墻體的日蓄熱量分別為2 928 1 2 589 9和2 850 6 kJ 而普通砌塊墻體的分別為2 560 7 2 334 1和2 617 0 kJ 前者日蓄熱量都高于后者的 比后 者分別提高了14 35 10 96 和8 93 對應(yīng)時段MHPA 墻體的日放熱量分別達到1 815 8 2 062 8和2 043 7 kJ 比普通砌塊墻體的分別提高2 24 5 74 和8 07 這 表明MHPA墻體的蓄放熱能力高于普通砌塊墻體的 從 而也反映出MHPA引入溫室墻體中能有效提升溫室墻體 的蓄放熱能力 圖9 兩溫室墻體日蓄放熱量對比 Fig 9 Comparison of daily heat storage release capacity of two greenhouse walls 3 6 墻體蓄放熱速率 圖10為12月27日不同時刻兩溫室墻體蓄放熱速率 由圖10可知 MHPA墻體可以有效提高墻體的蓄放熱性 能 在保溫被開啟的前1 h內(nèi) 09 00 10 00 由于太陽 輻射照度小 室外空氣溫度較低 保溫被剛開啟 室內(nèi) 溫度相對較高 溫室向室外環(huán)境的散熱量相對較大 因 此墻體仍處于放熱狀態(tài) 在保溫被開啟時段 09 00 17 00 MHPA墻體的最大和平均蓄熱速率分別為145 7 和89 9 W 較普通墻體分別提高9 63 和10 99 保溫 被關(guān)閉時段 MHPA墻體最大和平均放熱速率分別為41 4 和35 8 W 較普通墻體分別提高9 23 和5 60 尤其是 在夜間23 00 次日7 00 MHPA墻體的放熱速率均大于 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2021年 210 普通墻體的 平均提升11 53 這說明MHPA墻體能夠 有效地改善溫室夜間的室內(nèi)熱環(huán)境 圖10 兩溫室墻體蓄放熱速率 Fig 10 Heat storage release rates of two greenhouse walls 4 結(jié) 論 為提高日光溫室復(fù)合結(jié)構(gòu)墻體熱穩(wěn)定層的溫度并提 升溫室墻體材料的蓄熱性能 提出了一種日光溫室平板 微熱管陣列蓄熱墻體 結(jié)合墻體熱性能評價參數(shù) 通過 現(xiàn)場小型對比試驗分析了冬天典型日該溫室蓄熱墻體的 蓄放熱特性及改善溫室熱環(huán)境效果 得出以下結(jié)論 1 典型日MHPA墻體內(nèi)表面日平均溫度較普通砌塊 墻體的高2 6 3 5 夜間 17 00至次日09 00 MHPA 墻體內(nèi)表面平均溫度較普通砌塊墻體提高了1 6 2 3 2 典型日MHPA墻體內(nèi)部的最高溫度較普通砌塊墻 體內(nèi)的高5 5 7 0 在0 370 mm區(qū)域內(nèi)前者的平均 溫度比后者提高了2 7 4 0 MHPA的引入可提高溫 室墻體內(nèi)部的溫度 3 在蓄熱時段 09 00至17 00 MHPA溫室環(huán)境溫 度略低于普通溫室0 2 0 5 但在夜間放熱時段 17 00 至次日09 00 MHPA溫室平均溫室環(huán)境溫度比普通溫室 的高1 2 1 5 典型日蓄熱期間MHPA溫室的地表面 平均溫度較普通溫室地表面的低1 8 1 9 在放熱期 間前者較后者高0 6 1 0 微熱管陣列蓄熱墻體對溫 室內(nèi)熱環(huán)境能起 削峰填谷 的作用 4 在冬季典型日 MHPA墻體的日蓄熱量比普通砌 塊墻體的提高了8 93 14 35 日放熱量比普通砌塊墻 體的提高了2 24 8 07 夜間23 00 次日07 00 MHPA 墻體的放熱速率均大于普通墻體的 平均提升 11 53 MHPA蓄熱砌塊應(yīng)用于溫室墻體可提升溫室墻 體的蓄熱和放熱能力 需要說明的是本文僅對單根MHPA蓄熱砌塊應(yīng)用于 小型溫室墻體中進行了試驗研究 對于多組MHPA蓄熱 砌塊陣列布置日光溫室墻體的研究工作將在后續(xù)開展 參 考 文 獻 1 鮑恩財 曹晏飛 鄒志榮 等 節(jié)能日光溫室蓄熱技術(shù)研 究進展 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2018 34 6 1 14 Bao Encai Cao Yanfei Zou Zhirong et al Research progress of thermal storage technology in energy saving solar greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2018 34 6 1 14 in Chinese with English abstract 2 李天來 日光溫室蔬菜栽培理論與實踐 M 北京 中國農(nóng) 業(yè)出版社 2014 3 馬承偉 陸海 李睿 等 日光溫室墻體傳熱的一維差分 模型與數(shù)值模擬 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2010 26 6 231 237 Ma Chengwei Lu Hai Li Rui et al One dimensional finite difference model and numerical simulation for heat transfer of wall in Chinese solar greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2010 26 6 231 237 in Chinese with English abstract 4 王曉冬 馬彩雯 吳樂天 等 日光溫室墻體特性及性能 優(yōu)化研究 J 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué) 2009 46 5 1016 1021 Wang Xiaodong Ma Caiwen Wu Letian et al Characteristic research and performance optimization of the solar greenhouse wall J Xinjiang Agricultural Sciences 2009 46 5 1016 1021 in Chinese with English abstract 5 Bai Yikui Liu Wenhe Wang Tieliang et al Experimental research on environment and heat preservation effect of solar greenhouse Type liaoshen I J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2003 19 5 191 196 白義奎 劉文合 王鐵良 等 遼沈 型日光溫室環(huán)境及 保溫性能試驗研究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2003 19 5 191 196 in English with Chinese abstract 6 佟國紅 Christopher D M 墻體材料對日光溫室溫度環(huán)境 影響的CFD模擬 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2009 25 3 153 157 Tong Guohong Christopher D M Simulation of temperature variations for various wall materials in Chinese solar greenhouses using computational fluid dynamics J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2009 25 3 153 157 in Chinese with English abstract 7 管勇 陳超 李琢 等 相變蓄熱墻體對日光溫室環(huán)境的 改善 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2012 28 10 194 201 Guan Yong Chen Chao Li Zhuo et al Improving thermal environment in solar greenhouse with phase change thermal storage wall J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2012 28 10 194 201 in Chinese with English abstract 8 Wang Junwei Li Shuhai Guo Shirong et al Simulation and optimization of solar greenhouses in Northern Jiangsu province of China J Energy and Buildings 2014 78 143 152 9 馬月虹 李保明 王國強 等 裝配式日光溫室砌筑不同 蓄熱墻體的增溫和草莓栽培效果 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2019 35 15 175 181 Ma Yuehong Li Baoming Wang Guoqiang et al Warming and strawberry cultivation effect of building heat storage walls in assembled solar greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2019 35 15 175 181 in Chinese with English abstract 10 Zhang Xiaodan Lv Jian Mohammed M D et al Innovative 第3期 管 勇等 日光溫室平板微熱管陣列蓄熱墻體熱性能試驗 211 passive heat storage walls improve thermal performance and energy efficiency in Chinese solar greenhouses for non arable lands J Solar Energy 2019 190 561 575 11 石玉 潘媛媛 張毅 等 不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)對日光溫室 土壤熱特性的影響 J 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 自然科學(xué)版 2017 37 9 679 684 Shi Yu Pan Yuanyuan Zhang Yi et al Effects of different compound wall structure on soil thermal properties of solar greenhouse J Journal of Shanxi Agricultural University Natural Science Edition 2017 37 9 679 684 in Chinese with English abstract 12 魏瑞江 樂章燕 王鑫 等 不同材質(zhì)墻體日光溫室內(nèi)氣 溫演變 J 干旱氣象 2019 37 3 483 489 Wei Ruijiang Le Zhangyan Wang Xin et 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日光溫室三重結(jié)構(gòu)相變蓄熱墻 體傳熱特性分析 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2013 29 21 166 173 Guan Yong Chen Chao Ling Haoshu et al Analysis of heat transfer properties of three layer wall with phase change heat storage