第 34 卷 第 4 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol.34 No.4 2018 年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2018 223 日光溫室空氣對流蓄熱中空墻體熱性能試驗(yàn)趙淑梅1,2，莊云飛1,2，鄭可欣1,2，馬承偉1,2，程杰宇1,2， 馬 沖3，陳小文4，張?zhí)熘?,2,4（ 1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083； 2. 農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 3. 北京中農(nóng)天陸微納米氣泡水科技有限公司，北京 100083； 4. 北京中農(nóng)富通園藝有限公司，北京 100083） 摘 要： 空氣對流循環(huán)蓄熱墻體是一種通體中空型日光溫室墻體，其內(nèi)部中空層與溫室空間連通而具有空氣對流換熱效果。為詳細(xì)了解該墻體構(gòu)造的蓄放熱特性及其對日光溫室熱環(huán)境的影響，通過與同樣構(gòu)造但中空層封閉的無對流墻體的對比，在北京市通州區(qū)試驗(yàn)溫室中測試了墻體內(nèi)部溫度分布及變化規(guī)律、墻體蓄放熱量及其對溫室內(nèi)氣溫的影響。其結(jié)果，與對照墻體相比，對流方式下墻體內(nèi)部溫度分布規(guī)律不同，墻體內(nèi)部整體溫度水平較高、且晝夜波動(dòng)幅度較大，墻體白天蓄熱量提高 15.1%，夜晚放熱量提高 14.7%，這一效果使得溫室夜間最低溫度提高 2.2 ，有效提高了墻體的蓄放熱能力，改善了溫室夜間溫度水平。 關(guān)鍵詞： 溫室；溫度；墻體；自然對流；蓄放熱 doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.027 中圖分類號(hào)： S625 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1002-6819(2018)-04-0223-09 趙淑梅，莊云飛，鄭可欣，馬承偉，程杰宇，馬 沖，陳小文，張?zhí)熘? 日光溫室空氣對流蓄熱中空墻體熱性能試驗(yàn)J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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 言日光溫室之所以能維持良好的夜間熱環(huán)境，墻體是關(guān)鍵因素之一1。墻體往往集承重、蓄熱、保溫、放熱等功能于一體，白天與地面一起接受太陽輻射熱，并將之蓄積起來，當(dāng)夜間室內(nèi)空氣溫度下降至一定溫度水平時(shí)再將其釋放出來2-4。由于地面通常有作物覆蓋，接受太陽輻射有限，蓄放熱性能會(huì)受影響，因此在沒有加溫條件下，墻體就成了夜間維持溫室內(nèi)作物生長環(huán)境溫度的重要熱源5-6，研究表明，日光溫室墻體在不同室內(nèi)氣溫條件下的夜間平均放熱量可達(dá) 20 60 W/m27，可見這一蓄放熱能力對日光溫室維持冬季生產(chǎn)起到了至關(guān)重要的作用。但是，研究也表明，受限于構(gòu)造和材料，墻體的蓄放熱潛力并沒有很好的地發(fā)揮，蓄放熱作用僅靠墻體室內(nèi)一側(cè)表面，面積有限，涉及墻體最大厚度僅為 300500 mm，參與蓄放熱的材料也很有限8-10。這種局限一方面會(huì)導(dǎo)致冬季晴天條件下，溫室內(nèi)白天午間溫度較高，往往需要開窗通風(fēng)進(jìn)行降溫；而另一方面，因?yàn)樾罘艧崮芰τ邢?，很多日光溫室冬季夜間存在低溫現(xiàn)象，特別是一些果菜種植溫室，會(huì)影響作物的生長、產(chǎn)量和品質(zhì)，收稿日期： 2018-01-09 修訂日期： 2018-01-31 基金項(xiàng)目： 日光溫室構(gòu)件集熱技術(shù)與智能控制系統(tǒng)研究 （ 2013AA102407-6） ；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金資助（ CARS-23-C02） 作者簡介：趙淑梅，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程相關(guān)研究。Email： zhaoshumcau.edu.cn 甚至?xí)霈F(xiàn)凍害。這種矛盾現(xiàn)象的存在，表明日光溫室并沒有最大限度地利用進(jìn)入溫室的太陽能，因此通過改善墻體構(gòu)造來提高墻體的蓄放熱性能，將更多的太陽輻射熱留在溫室內(nèi)，用于提高溫室的夜間溫度，對改善日光溫室的生產(chǎn)性能具有重要意義。 在近 30 a 的日光溫室快速發(fā)展歷程中，關(guān)于墻體性能的改進(jìn)，受到了很多的關(guān)注，其中采用最多的措施就是改變墻體自身構(gòu)造以及應(yīng)用不同墻體材料。比如在傳統(tǒng)溫室中，使用最多的方法就是增加實(shí)體墻的厚度，尤其是在土墻溫室中極為常見，很多地區(qū)日光溫室墻體厚度多達(dá)數(shù)米11-12。但是試驗(yàn)證明，不同地區(qū)的土墻有其最優(yōu)厚度，通過增大土墻的厚度來提高墻體的保溫效果其作用是有限的13-15。其次早期溫室中也有在墻體中間設(shè)置空氣夾層，利用靜止空氣傳熱系數(shù)較小這一特點(diǎn)延滯溫度的下降，但這對墻體空氣夾層的密閉性要求較高，且采用這一墻體構(gòu)造的目的也是在于改善墻體的保溫性能而非蓄放熱性能16。另外，現(xiàn)在比較公認(rèn)的是采用復(fù)合墻體構(gòu)造，將蓄熱層置于內(nèi)側(cè)，保溫層置于外側(cè)，構(gòu)造更加合理，材料的選用也更加有針對性17-18。佟國紅等對比了復(fù)合墻與普通土墻保溫蓄熱性能的差異，發(fā)現(xiàn)復(fù)合墻體的蓄熱性能和熱穩(wěn)定性都要優(yōu)于同熱惰性指標(biāo)的土墻19。為進(jìn)一部提升墻體的蓄放熱能力，目前也有很多人在嘗試將相變材料應(yīng)用于墻體作為蓄熱層的方式，比如管勇等設(shè)計(jì)了日光溫室三重結(jié)構(gòu)相變蓄熱墻體，試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)該墻體相變材料層的單位體積有效蓄熱量·農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程·農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（ http:/www.tcsae.org） 2018 年 224是砌塊磚層的 10 倍20；凌浩恕等提出一種帶豎向空氣通道的太陽能相變蓄熱墻體構(gòu)筑體系，將太陽能集熱器收集的熱量存儲(chǔ)在墻體相變材料層中以提高后墻的蓄熱量21。相變材料可以通過多種方式與建筑材料結(jié)合，但是相變材料的價(jià)格比較昂貴，已知能滿足溫室生產(chǎn)所需的材料種類相對較少，制作工藝千差萬別，封裝困難且放熱過程難以控制，因此在實(shí)際應(yīng)用的過程當(dāng)中還存在著許多問題22-31。 上述研究對日光溫室墻體技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，只是這些研究還未對如何提高墻體深處材料的蓄放熱性能加以關(guān)注，對墻體蓄放熱面積的提升也未加涉及，致使墻體的蓄放熱面積和蓄放熱深度有限。為了改變這一現(xiàn)狀，孫國濤等嘗試設(shè)計(jì)開發(fā)了日光溫室墻體管道集熱系統(tǒng)，通過墻體埋設(shè)用于水循環(huán)的 PVC 管將白天墻體表面接收的太陽輻射熱一部分蓄積到墻體的深處，夜間通過同樣的循環(huán)釋放到溫室內(nèi)用于夜間加溫，該系統(tǒng)將日光溫室最低氣溫提高了 1.5 。雖然該系統(tǒng)存在構(gòu)造復(fù)雜、維護(hù)困難等問題，但是在調(diào)動(dòng)墻體深層材料參與蓄放熱方面做了很好的探索32。此外，張勇等也做了類似的探索，開發(fā)設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)蓄熱后墻日光溫室，其后墻內(nèi)部沿長度方向設(shè)置狹長孔道、孔口安裝風(fēng)機(jī)，通過空氣交換可以將部分溫室空氣中富余的熱量蓄積到墻體深處，用于溫室夜間加溫，取得了較好的效果。但研究也表明，該系統(tǒng)孔道面積有限，且存在墻體東西方向溫度差異大，通風(fēng)阻力大，放熱不均勻等問題，仍有待改進(jìn)33。 綜上所述，為提高日光溫室后墻的蓄放熱能力，需要充足的蓄熱體和盡可能大的換熱表面積，因此調(diào)動(dòng)更多數(shù)量、更大深度的墻體材料參與蓄放熱過程，是一個(gè)非常值得探索的方向。鑒于此，本課題組提出了日光溫室空氣對流循環(huán)蓄熱墻體構(gòu)造方案34。該墻體以混凝土空心砌塊為主材、擠塑板等為保溫材料，最大特點(diǎn)是采用通體中空結(jié)構(gòu)，并在溫室內(nèi)一側(cè)墻體上下沿東西方向各均勻布置大小一致的方形通氣孔。在與傳統(tǒng)實(shí)心墻體的初步對比試驗(yàn)中，該墻體方案表現(xiàn)出了良好的性能2。 為進(jìn)一步研究空氣對流循環(huán)蓄熱墻體的墻體蓄放熱規(guī)律及對溫室的夜間加溫效果，論文將對該墻體構(gòu)造在自然對流、無對流 2 種情況下進(jìn)行較為嚴(yán)格的對比試驗(yàn)，從墻體內(nèi)部溫度分布特征及晝夜變化規(guī)律、室內(nèi)溫度晝夜變化規(guī)律、墻體蓄放熱量等角度進(jìn)行討論分析，評價(jià)該新型墻體構(gòu)造的性能。 1 材料與方法 1.1 試驗(yàn)日光溫室概況 試驗(yàn)所在日光溫室（圖 1）位于北京市通州區(qū)潞城鎮(zhèn)北京國際都市農(nóng)業(yè)科技園區(qū)（ 39°48N、 116°56E），方位角為南偏西 5°，東西長度 60 m，南北跨度 8 m（凈跨7.7 m），墻體高度 2.8 m。前坡面和后坡面為鋼結(jié)構(gòu)半拱形焊接桁架結(jié)構(gòu)， 前屋面采用 0.08 mm 厚的 PO 薄膜作為覆蓋材料，夜間覆蓋保溫被。溫室結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，后墻為空氣對流循環(huán)蓄熱墻體，由內(nèi)至外的構(gòu)造依次為400 mm 厚混凝土空心砌塊（砂漿填充）、 600 mm 厚中空層、 200 mm 厚混凝土空心砌塊 （砂漿填充） 以及 70 mm厚擠塑板保溫層。在這一構(gòu)造下，墻體包括內(nèi)層墻、中空層、外層墻 3 部分，總厚度為 1270 mm。其中，內(nèi)層墻上、下各布置一排東西方向的方形通氣孔（ 140 mm× 140 mm），每排 264 個(gè)，上下排通氣孔距離為 2 m。試驗(yàn)溫室在測試期間 08:20 揭保溫被， 17:00 落保溫被；室內(nèi)栽培作物為藍(lán)莓，栽培行間距 1.2 m，株距 0.35 m。 a. 試驗(yàn)溫室剖面圖 a. Cross-section drawn of experiment greenhouse b. 空氣對流蓄熱中空墻體室內(nèi)表面構(gòu)造 b. Sketch of indoor surface of air convection heat storage wall with cavity 1.彩鋼板 2.屋面防水層 3.土和煤渣 4.M7.5 水泥砂漿 5.擠塑板 6.預(yù)制混凝土板 7.混凝土空心砌塊（水泥砂漿填實(shí)） 8.中空層 9.混凝土空心砌塊（水泥砂漿填實(shí)） 10.擠塑板 11.方形通氣孔 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 圖 1 試驗(yàn)溫室構(gòu)造圖 Fig.1 Structure sketch of experiment greenhouse 1.2 墻體蓄放熱工作原理 空氣對流循環(huán)蓄熱墻體通過上下兩排通氣孔將溫室內(nèi)環(huán)境與墻體中空層相連通。白天隨著太陽輻射照度的增強(qiáng)，溫室內(nèi)氣溫隨之升高，此時(shí)中空層內(nèi)部的空氣溫度較低，中空墻體內(nèi)外溫度差逐漸增大，熱空氣因密度小而上升，冷空氣因密度大而下沉，因此溫室內(nèi)熱空氣就會(huì)通過內(nèi)層墻上部通氣孔進(jìn)入中空墻層，墻體內(nèi)冷空氣則通過下部通氣孔進(jìn)入溫室內(nèi)，從而形成墻體內(nèi)外空氣的自然對流；同時(shí)這種氣流把室內(nèi)空氣中的熱量帶入到墻體內(nèi)部，由于墻體內(nèi)部通體中空，具有很大的表面積，因此在氣流與墻體之間會(huì)產(chǎn)生對流換熱作用，將空氣中的熱量傳遞給墻體，并蓄積到墻體中。夜晚由于墻體內(nèi)溫度降低緩慢，溫室內(nèi)溫度降低較快，當(dāng)室內(nèi)空氣溫度低于墻體內(nèi)空氣溫度時(shí)，就會(huì)形成反向循環(huán)的氣流；第 4 期 趙淑梅等：日光溫室空氣對流蓄熱中空墻體熱性能試驗(yàn) 225 氣流會(huì)帶動(dòng)墻體放熱，并將熱量帶到室內(nèi)，起到夜間加溫的作用。 1.3 測試方案與試驗(yàn)儀器 1.3.1 測試方案 試驗(yàn)的主要目的在于通過較為嚴(yán)密的對比試驗(yàn)，評價(jià)空氣對流循環(huán)作用對本墻體蓄放熱特性的提升效果及其對溫室的夜間加溫效果，因此采取了對一棟對流循環(huán)蓄熱墻體溫室進(jìn)行分區(qū)的試驗(yàn)方案，即將溫室沿東西方向一分為二，對東側(cè)墻體內(nèi)部中空層兩端和內(nèi)層墻通氣孔利用泡沫絕熱材料進(jìn)行了封堵，形成了中空封閉型墻體區(qū)域，作為對照區(qū)；由于該區(qū)域墻體阻斷了中空層與溫室空間的空氣對流，以下稱之為無對流墻體。西側(cè)區(qū)域則保持中空層與室內(nèi)空間的空氣連通，作為試驗(yàn)區(qū)，將該區(qū)域墻體稱之為自然對流墻體。兩區(qū)域之間利用雙層塑料薄膜進(jìn)行分隔，對東側(cè)入口處和西側(cè)山墻附近也 利用薄膜進(jìn)行了邊界隔斷處理。試驗(yàn)時(shí)間為 2017-01-25 2017-03-07。 主要測試內(nèi)容包括室內(nèi)外氣溫、墻體內(nèi)部溫度、墻體表面熱流密度、通氣孔空氣流速及干濕球溫度。溫度和熱流密度測試采用自動(dòng)記錄儀器進(jìn)行全天測試。另外，在 2 個(gè)測試區(qū)域東西方向等間隔分別選取了 5 個(gè)通氣孔測試上下通氣孔空氣流速及干濕球溫度；白天測試時(shí)刻分別選擇在保溫被揭開后（ 08:30 左右）、中午氣溫最高（ 13:00 左右）和下午保溫被落下前（ 17:00 左右）時(shí)刻。夜晚由于對流相對較弱，為提高測試準(zhǔn)確性，從 18:00 開始（保溫被已落下），每 2 h 測試 1 次，一直持續(xù)到第 2天 08:00（揭保溫被前）。 1.3.2 測點(diǎn)布置及測試儀器 本次試驗(yàn)的測點(diǎn)布置如圖 2 所示。墻體內(nèi)部溫度測點(diǎn)在墻體施工時(shí)已埋設(shè)，試驗(yàn)區(qū)和對照區(qū)分別有一組測點(diǎn)。每組測點(diǎn)分上下 2 排，分別位于距室內(nèi)地面 0.9 m 和1.9 m 高度位置。埋設(shè)深度為距離墻體室內(nèi)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，其中距離墻體室內(nèi)表面700 mm 處的測點(diǎn)為墻體中空層空氣溫度測點(diǎn)。試驗(yàn)區(qū)和對照區(qū)室內(nèi)空氣溫度測試，在溫室南北方向跨中位置，距地面 0.6、 1.2、 1.8 m 的高度各設(shè)置 3 個(gè)測點(diǎn)。由于溫室墻體室內(nèi)表面會(huì)受到作物以及后屋面的遮陽影響，從下到上接受太陽輻射的量在 1 d 內(nèi)并不是均一和穩(wěn)定的，因此在溫室中部墻體的內(nèi)外 3 個(gè)表面上，分別于 1.0 和1.8 m 高度處布置熱流密度測點(diǎn)；考慮到墻體自身材質(zhì)分布的不均勻性以及室內(nèi)表面熱流密度變化較大，在墻體室內(nèi)表面的其他長度位置，各增加 1 個(gè)同樣高度的測點(diǎn)，即每個(gè)試驗(yàn)區(qū)墻體表面共有 8 個(gè)熱流密度測點(diǎn)。 溫度測試儀器為國產(chǎn) T 型熱電偶，精度為 ±0.5 ；熱流密度測試儀器為 HFP01 熱通量板（ HUKSEFLUX 公司， 荷蘭） ， 精度為 ±50 mV/(W·m2)； 以上數(shù)據(jù)均由 34970A和 34972A 數(shù)據(jù)采集器（ ANGILENT 公司，美國）采集，采集時(shí)間間隔為 10 min。通氣孔空氣流速及溫度測試采用 Model KA32/41 智能型熱線風(fēng)速儀 （ KANOMAX 公司，日本），精度為（ ±3%測量值 ±0.1 m/s）；室外溫度測試設(shè)備為 H21 002 室外氣象站（ Onset 公司，美國）；通氣孔干濕球溫度測試儀器為 H-AMZ-ON 通風(fēng)干濕表（ ISUZU 公司，日本）。 圖 2 試驗(yàn)溫室測點(diǎn)布置示意圖 Fig.2 Arrangement sketch of measuring points in experiment greenhouse 1.4 評價(jià)方法 1.4.1 自然對流墻體通氣孔的理論空氣流量 自然對流墻體通氣孔的空氣流量雖然可以直接通過所測通氣孔空氣流速計(jì)算，但是因?yàn)榱魉佥^低、實(shí)測誤差的影響較大，相比較而言，溫度的測試精度更高。因此根據(jù)自然通風(fēng)的理論35進(jìn)行估算。 首先根據(jù)式（ 1）和式（ 2）計(jì)算上下通氣孔的總面積 111F nA （ 1） 222F nA （ 2） 式中 F1， F2為上下通氣孔總面積， m2； n1， n2為上下通氣孔數(shù)目，個(gè)； A1， A2為上下單個(gè)通氣孔面積， m2。 然后根據(jù)式（ 3）計(jì)算理論空氣流量 2( )udught tLkT （ 3） 其中 22 2211 22111kF F（ 4） 式中 k 為空氣流量計(jì)算系數(shù)； 1， 2為上下通氣孔空氣流量系數(shù)，取 0.6336； L為理論空氣流量， m³/s； tu， td為墻體通氣孔上、下空氣溫度，； h 為上下通氣孔高差，m； Tu為墻體上通氣孔熱力學(xué)溫度。 1.4.2 空氣對流循環(huán)墻體的換熱量 單位時(shí)間內(nèi)空氣循環(huán)換熱量可以根據(jù)上下通氣孔的空氣焓值變化計(jì)算得出。 根據(jù)式（ 5）計(jì)算單位時(shí)間換熱量 airhudQmhh （ 5） 式中 hu， hd為上、下通氣孔空氣的比焓， kJ/kg(a)； Qh為因空氣循環(huán)流動(dòng)產(chǎn)生的單位時(shí)間換熱量， kW。 2 結(jié)果與分析 根據(jù)測試數(shù)據(jù)， 利用 Excel 軟件， 從空氣對流換熱量、墻體內(nèi)部溫度分布特征及晝夜變化規(guī)律、墻體蓄放熱量、以及溫室內(nèi)溫度晝夜變化規(guī)律等角度進(jìn)行分析，全面評農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（ http:/www.tcsae.org） 2018 年 226價(jià)空氣對流循環(huán)墻體構(gòu)造的蓄放熱性能及其對溫室夜間的加溫效果。 2.1 通氣孔空氣狀態(tài)及流量 2.1.1 通氣孔空氣流速和溫度變化 通氣孔白天空氣流速及溫度測試結(jié)果如表 1 所示。 表 1 白天通氣孔空氣流速和溫度（ 2017-02-26） Table 1 Ventilation wind velocity and temperature in daytime (2017-02-26) 時(shí)刻 Time 通氣孔位置 Vents position 流速 Wind velocity/(m·s-1) 空氣溫度 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 從表 1 中可以看出，自然對流白天通氣孔的流速在早晚較小，中午流速最大，可達(dá) 0.6 m/s，表明對流循環(huán)最強(qiáng)烈的時(shí)間是在中午；另外相同時(shí)刻上下通氣孔的流速差異不大，基本接近。比較通氣孔的空氣溫度， 08:30和 17:00 2 個(gè)時(shí)刻上下通氣孔溫度相近，溫差較小，而13:00 時(shí)上下通氣孔的溫差為 6.5 ，與通氣孔的空氣流速表現(xiàn)出相同的規(guī)律，表明墻體上下通氣孔的溫差確保了中空層與溫室內(nèi)環(huán)境之間空氣自然對流作用，溫差越大越有利于形成良好的氣流。 通氣孔夜間空氣流速及溫度測試結(jié)果如圖 3 所示。 圖 3 夜晚通氣孔空氣流速及溫度（ 2017-03-05） Fig.3 Ventilation wind speed and temperature at night (2017-03-05) 從圖 3 中可以看出，上下通氣孔夜間的流速整體偏小，維持在 0.1 0.3 m/s；但整個(gè)夜間上通氣孔流速都略高于下通氣孔流速，且在 00:00 06:00 仍能保持在0.3 m/s，表明在夜間、特別是后半夜都形成了循環(huán)氣流，意味著夜間有明顯的對流換熱過程。從溫度來看，夜間上下通氣孔溫度逐漸降低，但二者之間一直存在溫差，特別是在 00:00 06:00 上下通氣孔溫差最大，維持在0.6 0.7 之間，此時(shí)間段內(nèi)空氣流速也處于最大值，表明在后半夜，隨著溫室內(nèi)空氣溫度的下降，墻體的對流放熱作用反倒增強(qiáng)，對維持溫室后半夜的溫度環(huán)境具有重要意義。 2.1.2 通氣孔空氣流量 空氣對流循環(huán)蓄熱中空墻體的自然對流方式是典型的熱壓通風(fēng)，因此可以通過式（ 1）（ 4）對其晝夜空氣流量進(jìn)行理論計(jì)算，其中空氣流量按整棟溫室進(jìn)行計(jì)算。 白天自然對流空氣流量選擇 08:30、 13:00 和 17:00 這3 個(gè)時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算。 13:00 空氣流量最大，理論計(jì)算值為2.49 m³/s，此時(shí)內(nèi)層墻體內(nèi)外溫差最大，自然對流最為強(qiáng)烈，換熱效果最佳。 08:30（早上揭簾后）和 17:00（下午放簾前）的空氣流量分別為 1.07 和 0.89 m³/s，對流換熱的效果較為微弱。 夜晚自然對流空氣流量計(jì)算結(jié)果如圖 4a 所示。 18:00（保溫被放下）以后，空氣流量逐漸減小， 22:00 到達(dá)最小值 0.5 m³/s，此后基本上呈上升的趨勢，且在 06:00 時(shí)達(dá)到最大值 0.87 m³/s，表明在后半夜溫室溫度逐漸降低時(shí)，墻體中空層與室內(nèi)空氣的溫差逐漸加大，對流放熱作用逐漸增強(qiáng)。 圖 4 夜晚自然對流空氣流量及換熱量（ 2017-03-05） Fig.4 Air flow and heat transfer of natural convection at night (2017-03-05) 2.2 中空墻體晝夜換熱量 循環(huán)氣流在墻體內(nèi)進(jìn)行熱量交換的過程中會(huì)出現(xiàn)水汽凝結(jié)，這部分潛熱量是不可忽略的，因此可以通過上下通氣孔的空氣狀態(tài)來計(jì)算換熱量。結(jié)合實(shí)測的上下通氣孔干濕球溫度，自然對流墻體不同時(shí)刻通氣孔焓值及換熱量可由式（ 5）計(jì)算得到。 白天自然對流條件下上下通氣孔焓差最大的時(shí)刻是13:00，此時(shí)外界光照充足，墻體內(nèi)外溫差最大，自然對流的效果最為明顯。白天最大換熱量為 32.22 kW，若換算為整個(gè)溫室內(nèi)墻面 (高 2.8 m， 長 60 m， 墻面面積 168 m2)上的熱流密度是 191.8 W/m2，即相當(dāng)于單位墻表面積上增加了 191.8W 的熱流量。 夜晚自然對流不同時(shí)刻換熱量計(jì)算結(jié)果如圖 4b 所示。18:00 22:00 自然對流換熱量較小，表明此時(shí)室內(nèi)空氣溫度與墻體內(nèi)部溫度差值較小，墻體的放熱作用還未完全發(fā)揮；后半夜，隨著室內(nèi)溫度不斷下降，墻體內(nèi)外溫差變大，換熱量隨之增加， 04:00 換熱量最大，達(dá)到 0.62 kW。 04:00后換熱量開始下降，到 08:00 時(shí)放熱基本完畢。 2.3 墻體內(nèi)部溫度特征 針對開展的自然對流墻體與無對流墻體對比試驗(yàn)，選擇典型晴天的 2017 年 2 月 1 日作為代表日進(jìn)行分析。室外日最高、最低氣溫分別為 2.9 和 10.9 。一般而言，正午前后是太陽輻射強(qiáng)烈、室內(nèi)空氣溫度較高的時(shí)間，第 4 期 趙淑梅等：日光溫室空氣對流蓄熱中空墻體熱性能試驗(yàn) 227 也必然是墻體進(jìn)行大量蓄熱的時(shí)間；而夜晚隨著室外溫度的下降，室內(nèi)空氣溫度逐漸下降，至深夜往往降至墻面溫度以下，即墻體必然處于放熱階段，因此進(jìn)一步選擇每天的 14:00 作為典型蓄熱時(shí)刻， 04:00 作為典型放熱時(shí)刻，來分析墻體內(nèi)部溫度分布特征。另外，墻體的溫度分布均取同深度、同時(shí)刻上下測點(diǎn)的平均值表示。 以上典型時(shí)刻自然對流墻體與無對流墻體對比試驗(yàn)中墻體厚度方向溫度分布如圖 5 所示。 a. 典型蓄熱時(shí)刻（ 2017-02-01 14:00） a. Typical thermal storage time (2017-02-01 14:00) b. 典型放熱時(shí)刻（ 2017-02-02 04:00） b. Typical thermal release time (2017-02-02 04:00) 注：墻體厚度沿室內(nèi)到室外方向計(jì)算。 Note: Wall thickness is calculated along the indoor to outdoor direction. 圖 5 晴天典型蓄熱和放熱時(shí)刻墻體內(nèi)部溫度分布 Fig.5 Temperature distribution in wall at typical thermal storage time and release time in sunny day 從圖 5a 中可以看出， 典型蓄熱時(shí)刻 （ 14:00） ， 在 0400 mm 的內(nèi)層墻范圍內(nèi)， 2 種墻體均是墻表面處溫度最高，然后隨著厚度的增加 2 種墻體內(nèi)的溫度不斷下降，并均是在 280 mm 厚度處降至最低， 但是下降的速度卻不相同， 其中自然對流墻體內(nèi)溫度下降緩慢， 因此在 280 mm深度溫度降至最低時(shí)，自然對流墻體最低溫度仍比無對流墻體高 3.0 ； 280 mm 厚度之后無對流墻體的溫度雖有波動(dòng)，但趨于平緩，而自然對流墻體溫度則出現(xiàn)了緩慢上升趨勢，至 400 mm 處（即中空層南側(cè)壁面）兩墻體溫差反升至 4.0 ， 自然對流墻體溫度明顯高于無對流墻體。這種溫度分布規(guī)律和溫度水平上的差異，表明空氣對流循環(huán)作用有效地將熱空氣引入了中空層，并通過對流作用蓄積到了內(nèi)層墻體中。自然對流墻體在 4001 000 mm 的中空層范圍內(nèi)空氣溫度顯著增高，同時(shí)帶動(dòng)兩側(cè)壁面溫度升高，與兩壁面溫差分別為 4.0 和 5.5 ，而無對流墻體這 3 點(diǎn)溫度基本持平；與無對流墻體對比，自然對流墻體中空層空氣溫度高出 9.4 ， 這進(jìn)一步闡明了自然對流作用有效調(diào)動(dòng)了墻體中空層兩側(cè)墻體參與了蓄熱過程，因此對整個(gè)墻體而言，增加了換熱面積、自然也增加了蓄熱量。在 1 000 1 200 mm 外層墻范圍內(nèi)，自然對流墻體的溫度水平明顯高于無對流墻體，1 000 mm 厚度處二者溫差為 3.7 ，甚至在 1 200 mm 厚度處二者溫差仍有 2.8 ， 表明自然對流作用使得墻體的蓄熱深度得以加大。整體來看兩墻體的平均溫度，自然對流墻體溫度高于無對流墻體 2.9 。 同樣，從圖 5b 可以看出，在典型放熱時(shí)刻，自然對流墻體溫度水平均明顯高于無對流墻體，且分布規(guī)律不同。其中，在 0 400 mm 內(nèi)層墻范圍內(nèi)， 2 種墻體內(nèi)最高溫度點(diǎn)均出現(xiàn)在 200 mm 厚度處， 最高溫度相差 2.3 ，然后逐漸下降；在 400 1 000 mm 范圍內(nèi)，兩墻體中空層空氣溫度均低于兩側(cè)墻面，說明墻體內(nèi)部夜間均存在壁面對空氣的放熱作用，但二者中空層溫差為 2.2 ，也表明相比于無對流墻體，自然對流墻體內(nèi)部具有更好的放熱能力。對于自然對流墻體而言，通氣孔連通了溫室與墻體中空層 2 部分空間，二者之間氣溫差較大時(shí)，會(huì)有顯著的空氣流動(dòng)與熱量交換作用，可以有效地實(shí)現(xiàn)中空層兩側(cè)墻體蓄積的熱量向室內(nèi)釋放的效果；對于無對流墻體而言，在 2.8 m 高， 600 mm 寬的密閉中空層內(nèi)墻體表面溫度并不均勻，實(shí)際上內(nèi)部空間會(huì)存在一定的封閉大空間內(nèi)的平壁對流換熱作用，以及壁面之間的輻射換熱作用，但因溫差較小，這些換熱作用相對較弱，而且發(fā)生在中空墻體內(nèi)部，因此中空層兩側(cè)墻體與室內(nèi)空氣間沒有直接的熱量傳遞作用，不會(huì)直接影響室內(nèi)環(huán)境。在 1 000 1 200 mm 外層墻范圍內(nèi)， 自然對流墻體溫度要明顯高于無對流墻體，其中 1 000 mm 處的溫差仍為2.7 、 1 200 mm 處的溫差甚至達(dá)到 3.2 ，且在厚度方向的下降趨勢相對緩慢，說明外側(cè)墻體也具有良好的放熱潛力。整體來看兩墻體的平均溫度，自然對流墻體溫度高于無對流墻體 2.3 ， 表明自然對流作用下的空氣循環(huán)提升了整個(gè)墻體放熱性能。 2.4 墻體表面熱流密度 在試驗(yàn)測試期間，墻體室內(nèi)表面和中空層兩壁面均布置了熱通量板，用以記錄壁面熱流密度變化。所測數(shù)據(jù)正負(fù)代表熱流方向，蓄熱數(shù)值為正，放熱數(shù)值為負(fù)。 自然對流墻體 3 個(gè)表面熱流密度變化情況如圖 6 所示。從曲線走勢來看，內(nèi)表面的熱流密度波動(dòng)范圍更大，白天處于蓄熱過程中，熱流密度最大為 143.4 W/m2，夜晚處于放熱過程中，熱流密度最大為 49.5 W/m2，蓄放熱效果明顯。中空層南北兩側(cè)壁面全天變化趨勢與室內(nèi)壁面一致，由于通過空氣對流換熱進(jìn)行蓄放熱，波動(dòng)范圍較小，但是也有一定的蓄熱量和放熱量。對比中空層兩側(cè)壁面，南側(cè)最大蓄熱熱流密度為 15.2 W/m2，最大放熱熱流密度為 16.5 W/m2；而北側(cè)最大蓄熱熱流密度為35.1 W/m2，最大放熱熱流密度為 3.5 W/m2，表明白天蓄熱效果北側(cè)優(yōu)于南側(cè)，而夜間放熱效果則是南側(cè)優(yōu)于北農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（ http:/www.tcsae.org） 2018 年 228側(cè)。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因在于北側(cè)墻體位于接近室外的位置，熱量損失較大，溫度較低，南側(cè)壁面白天溫度水平較高，空氣與墻面之間溫差低于北側(cè)，所以蓄熱相對較少，而夜間正好相反。 圖 6 自然對流墻體表面熱流密度變化 （ 2017-02-27） Fig.6 Heat flux change of natural convection on wall surfaces (2017-02-27) 進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)自然對流墻體于 2017 年 2 月 27 日 3 個(gè)壁面累積蓄熱量、累積放熱量以及各自所占比例，結(jié)果如表 2 所示。從表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，自然對流墻體 60%以上的蓄熱量和放熱量來自室內(nèi)墻體表面。中空層兩壁面的合計(jì)蓄熱量及合計(jì)放熱量分別占整個(gè)墻體的 35%和31%，因此可以說明，在自然對流蓄熱墻體中，中空層中產(chǎn)生的對流換熱作用貢獻(xiàn)了整個(gè)墻體 1/3 的蓄放熱量。 表 2 不同表面蓄放熱日累積量及所占比例統(tǒng)計(jì) Table 2 Statistics of daily accumulation and proportion of different surface thermal storage and release 部位 Location 蓄熱 Thermal storage 放熱 Thermal release 數(shù) Value/ (MJ·m-2) 比例 Ratio/% 數(shù)值 Value/ (MJ·m-2) 比例 Ratio/% 室內(nèi)表面 Indoor surface 2.07 65 1.77 69 中空層南壁面South surface of hollow wall 0.21 7 0.78 31 中空層北壁面North surface of hollow wall 0.90 28 0.00 0 合計(jì)Total/(MJ·m-2) 3.19 100 2.55 100 選擇連續(xù) 5 d（ 2017 年 2 月 2 日至 6 日）典型天氣條件下 2 種墻體蓄放熱情況進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖 7 所示。其中， 2017 年 2 月 2 日至 4 日為陰天， 2017 年 2 月 5日至 6 日為陰天。從圖 7 中可以看出， 2 種墻體陰天的蓄熱量明顯要低于晴天的蓄熱量。自然對流和無對流墻體5 d 的平均蓄熱量分別為 2.14 和 1.85 MJ/m2，自然對流墻體相較于無對流墻體蓄熱量提高了 15.1%。自然對流和無對流墻體的平均放熱量為 3.06 和 2.67 MJ/m2，自然對流墻體相較于無對流墻體放熱量增加了 14.7%。 試驗(yàn)結(jié)果表明自然對流有效增加了墻體蓄放熱量。 由于試驗(yàn)條件所限，每個(gè)墻體表面僅在高度方向布置了 2 個(gè)測點(diǎn)，測試結(jié)果用于代表整個(gè)墻體的特性略顯不足；但因 2 溫室空間測點(diǎn)布置位置及數(shù)量相同，具有可比性，且從相對關(guān)系的角度，測試結(jié)果仍能很好體現(xiàn)出 2 種墻體之間蓄放熱能力上的差異。 圖 7 墻體累積熱量 Fig.7 Accumulated heat of wall 2.5 不同條件下室內(nèi)溫度變化規(guī)律 空氣循環(huán)蓄熱墻體在白天通過對流將室內(nèi)多余的熱量傳遞并蓄積到墻體內(nèi)，在一定程度上降低室內(nèi)氣溫或阻止氣溫升高，夜間同樣以對流方式將墻內(nèi)蓄積的熱量釋放出來，提高或維持室內(nèi)氣溫，因此通過室內(nèi)氣溫的變化情況可以直觀的評價(jià)蓄放熱效果。 2017 年 2 月 1 日至 2 月 6 日室內(nèi)外氣溫變化如圖 8所示。以每天 08:00（保溫被揭開）到 17:00（保溫被落下）為白天時(shí)段，其余時(shí)間為夜晚時(shí)段。從 5 d 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，白天無對流墻體溫室室溫高于自然對流墻體溫室，特別是在正午前后最為顯著，最高溫差可達(dá) 6.2 ，表明自然對流一定程度上起到了抑制午間高溫的作用，減少了溫室內(nèi)的高溫脅迫。 圖 8 自然對流與無對流室內(nèi)氣溫（ 2017-02-02 2017-02-06） Fig.8 Room temperature of natural convection and non-convection (2017-02-02 2017-02-06) 從夜間的溫度數(shù)據(jù)來看，自然對流溫室夜間溫度水平不低于 10.0 ，而無對流溫室溫度水平最低為 7.5 ，二者差異顯著。 5 d 夜晚溫度最大差值為 2.9 。從 5 d第 4 期 趙淑梅等：日光溫室空氣對流蓄熱中空墻體熱性能試驗(yàn) 229 夜晚平均溫度來看，自然對流室內(nèi)氣溫高于無對流室內(nèi)氣溫 2.4 ；從 5 d 夜晚最低氣溫的平均值進(jìn)行比較，自然對流室內(nèi)氣溫高于無對流室內(nèi)氣溫 2.2 ， 表明自然對流提高溫室夜間溫度的效果顯著。由此可見，自然對流墻體構(gòu)造對溫室熱環(huán)境起到了“削峰填谷”的作用，有效提高夜間溫度的同時(shí)抑制了午間溫度，將白天多余熱量儲(chǔ)存并在夜晚向室內(nèi)釋放。 3 結(jié) 論 空氣對流循環(huán)蓄熱墻體設(shè)計(jì)開發(fā)的目的在于通過提高墻體蓄放熱能力，提高進(jìn)入溫室的太陽能的利用效率，從而改善日光溫室冬季夜間普遍低溫的現(xiàn)狀。論文通過中空墻體構(gòu)造在自然對流和無對流工況下的對比試驗(yàn)，分析了墻體內(nèi)部溫度分布特征、變化規(guī)律和對室內(nèi)溫度環(huán)境的影響，得到以下結(jié)論： 空氣對流循環(huán)蓄熱墻體，上下通氣孔之間存在的溫差，確保了墻體自然對流作用的形成。白天午間上下通氣孔溫差為 6.5 ， 最大空氣流速可達(dá) 0.6 m/s； 夜間通氣孔空氣流速維持在 0.1 0.3 m/s 之間。 自然對流條件下，空氣對流循環(huán)蓄熱墻體白天室內(nèi)表面和中空層兩壁面的溫度較高，同時(shí)中空層空氣溫度高于兩壁面，表明參與換熱的墻體面積不只有室內(nèi)表面，也包括中空層兩側(cè)的壁面，即增加了墻體換熱面積。夜晚對流空氣溫度低于中空層南、北壁面，表明夜晚對流空氣在循環(huán)過程中被加熱。以上結(jié)果表明空氣對流循環(huán)蓄熱墻體參與蓄放熱的面積更大，位置更深。 在自然對流作用下空氣對流循環(huán)蓄熱墻體中空層的蓄熱量和放熱量分別占溫室總蓄放熱量的 31%和 35%； 相較于對照墻體，白天蓄熱量提高 15.1%，夜晚放熱量提高14.7%，表明該墻體構(gòu)造可有效提升墻體的蓄放熱能力。 空氣對流循環(huán)蓄熱墻體在自然對流條件下對溫室熱環(huán)境有著積極影響。相較于對照墻體，白天正午前后最大溫差可達(dá) 6.2 ；夜間最低溫度水平可維持在 10.0 以上，最低氣溫比對照區(qū)域高出 2.2 ，有效提升了溫室夜間的溫度水平。 參 考 文 獻(xiàn) 1 馬承偉，徐凡，趙淑梅，等 . 日光溫室熱環(huán)境分析及設(shè)計(jì)方法研究 C/ 2011 第二屆中國 ·壽光國際設(shè)施園藝高層學(xué)術(shù)論壇，中國山東壽光， 2011， 4： 70 79. 2 任曉萌，程杰宇，夏楠，等 . 日光溫室自然對流蓄熱中空墻體蓄放熱效果研究 J. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017， 22(2)：115 122. Ren Xi