第35卷 第23期 農 業(yè) 工 程 學 報 Vol 35 No 23 2019年 12月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Dec 2019 209 日光溫室裝配式土質夾心墻體熱濕遷移及蓄放熱性能研究 王少杰1 2 張廣鵬1 劉 鑫1 吳 昆1 3 劉福勝1 魏 珉2 胡玉秋1 1 山東農業(yè)大學水利土木工程學院 泰安 271018 2 山東農業(yè)大學園藝科學與工程學院 泰安 271018 3 山東交通職業(yè)學院 濰坊 261206 摘 要 為研究日光溫室裝配式土質夾心墻體的熱濕遷移及蓄放熱性能 通過可控式墻體熱濕耦合試驗臺控制墻體兩側 溫度 相對濕度的不同 實測墻內溫度 相對濕度的穩(wěn)態(tài)分布及瞬態(tài)變化 并對墻體的蓄放熱性能進行定量計算與分析 結果表明 該層狀異質結構復合墻體 熱濕遷移存在耦合但并不明顯 墻內填土始終保持高濕狀態(tài) 有利于墻體蓄放熱 是該墻體的主要蓄放熱體 外側墻板保溫隔熱效能明顯 室外環(huán)境變化對墻體保溫蓄熱性能影響較小 且能使墻內熱量 主要向室內單向釋放 墻內熱量釋放存在滯后效應 最長可持續(xù)6 d 6 5 h 但以快速放熱期 4 d 8 h內 所釋放熱量為 主 約占總放熱量的85 64 91 21 所建立的數(shù)值分析方法可為不同厚度的同類墻體設計與建造提供參考 具有指導 生產意義 該新型墻體設計理念先進 蓄放熱性能優(yōu)越 且能夠快速裝配 重復利用 就地還田 適于在中國大面積推 廣應用 關鍵詞 日光溫室 墻體 溫度 土質夾心 熱濕遷移 蓄放熱性能 裝配式墻體 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2019 23 026 中圖分類號 S625 1 TU111 2 文獻標志碼 A 文章編號 1002 6819 2019 23 0209 09 王少杰 張廣鵬 劉 鑫 吳 昆 劉福勝 魏 珉 胡玉秋 日光溫室裝配式土質夾心墻體熱濕遷移及蓄放熱性能研 究 J 農業(yè)工程學報 2019 35 23 209 217 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2019 23 026 http www tcsae org Wang Shaojie Zhang Guangpeng Liu Xin Wu Kun Liu Fusheng Wei Min Hu Yuqiu Study on heat and moisture transfer and heat storage and release performance of assembled soil sandwich wall in Chinese solar greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2019 35 23 209 217 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2019 23 026 http www tcsae org 0 引 言 日光溫室是中國獨有的一種溫室類型 其通過后墻 吸收太陽能實現(xiàn)蓄放熱 維持棚內溫度以滿足蔬菜作物 生長 能有效解決中國北方地區(qū)冬季果蔬供應問題 1 4 當前 中國日光溫室墻體仍以就地取材 成本低廉 保 溫蓄熱性能良好的土墻為主 但由于墻體穩(wěn)定和蓄熱保 溫的需要 土墻普遍較厚且易坍塌 土地利用效率低 施工緩慢且受季節(jié)性影響 研究表明 一般日光溫室墻 體應具有保溫和儲放熱2種功能 隨著技術發(fā)展 采用 聚苯乙烯板材或型磚作為墻體室外側保溫層 使用土壤 作為墻體室內側蓄熱層的新型復合墻體在實際生產中已 經(jīng)得到了推廣和應用 5 但其保溫蓄熱層特別是建造方式 仍無法滿足工業(yè)化建造 多次重復利用的現(xiàn)實技術需求 為解決上述不足 研發(fā)了裝配式土質夾心異質復合墻體 6 該墻體以輕質節(jié)能保溫板為墻體室外側保溫層 以土 和普通鋼筋混凝土板為蓄熱層 同時內外兩側墻板通過 筋材或立柱進行連接 提高其結構穩(wěn)定性與抗災能力 土質夾心層厚度可根據(jù)不同作物對溫度的不同需求靈活 收稿日期 2019 07 13 修訂日期 2019 11 06 基金項目 中國博士后科學基金面上項目 2017M622239 國家大宗蔬菜 產業(yè)技術體系項目 CARS 23 C04 國家重點研發(fā)計劃政府間國際科技創(chuàng) 新合作重點專項項目 2017YFE9135300 SQ2017YFNC060047 作者簡介 王少杰 副教授 博士 主要從事農業(yè)建筑與結構 結構安全與 防災診治等研究 Email tumuwsj 調整 外側保溫板可有效阻隔熱量傳遞 該類型墻體施 工建造方便快捷 蓄放熱性能優(yōu)越 內外墻板可重復利 用 內部夾心土可原位還田 綜合性能優(yōu)越 有關技術 已在山東煙臺 濰坊 臨沂等地區(qū)日光溫室建造時推廣 和應用 圍繞層狀異質復合墻體及單一材質墻體的熱濕遷 移及蓄放熱性能 在現(xiàn)場試驗方面 史宇亮等 7 8 研究表 明土墻白天蓄積熱量的43 用于改善夜間溫室內的熱環(huán) 境 武國峰等 9 計算分析了3種不同墻體結構日光溫室 各組成元素的熱工性能 結果表明土質墻體在保溫蓄熱 方面優(yōu)于秸稈塊墻體 陳超等 10 研究了制作方式對日光 溫室蓄熱材料熱性能的影響 國內學者還通過數(shù)值分析 方法對墻體熱工性能進行了研究 5 11 17 其中 李明 5 等計算得到土墻蓄熱層厚度為38 5 cm 佟國紅 17 等對 比分析了復合墻和土墻保溫蓄熱能力的差異 上述研究 表明日光溫室復合墻體具有更好的蓄放熱性能 僅通過 增加墻體厚度提高蓄熱效率非常有限 18 其建造應向輕 量化 現(xiàn)代化 標準化 工業(yè)化方向發(fā)展 19 24 對異質 復合墻體的熱濕性能研究還表明 濕遷移會影響墻體保 溫蓄熱能力 熱遷移影響濕遷移進而改變墻體熱工性能 25 28 與現(xiàn)場試驗 數(shù)值模擬相比 室內模型試驗能通 過精準調控室內熱濕環(huán)境 深入系統(tǒng)研究墻體的熱濕遷 移及蓄放熱性能 尤其是有利于揭示墻內填土對溫度變 化響應存在的滯后效應 29 該領域的研究相對較少且十 分必要 農業(yè)生物環(huán)境與能源工程 農業(yè)工程學報 http www tcsae org 2019年 210 本文以自主研發(fā)的可控式墻體熱濕耦合試驗臺 30 為基礎 通過試驗和理論方法系統(tǒng)研究日光溫室裝配式 土質夾心墻體的熱濕遷移及蓄放熱性能 在試驗研究基 礎上 修正建立該層狀異質復合墻體的熱工性能數(shù)值分 析方法 旨在為不同土質夾心層厚度的同類型墻體提供 蓄放熱性能計算方法 為該新型墻體推廣應用提供技術 依托 1 試驗概況 1 1 試驗墻體 試驗墻體系層狀異質復合墻 室內模型試驗段長 1 2 m 高0 6 m 總厚度600 mm 示意圖如圖1所示 其中 室外側采用山東和悅生態(tài)新材料科技有限責任公 司生產的裝配式CF蒸壓瓷粉加氣混凝土板 厚100 mm 具有優(yōu)良的保溫隔熱特性 能有效阻止室內側熱量向外 側傳輸 墻內填土采用泰安當?shù)馗赜猛梁粚?厚 440 mm 就地取材 蓄熱放熱性能好 室內側采用60 mm 厚普通鋼筋混凝土板 能在有效支擋墻內填土的同時 因導熱系數(shù)大能快速傳熱 為保證試驗過程中熱量在墻 體中一維傳遞 以避免邊際效應 在墻體上下左右四周 均采用聚苯保溫板 對應的熱阻為10 26 W 進行封 裝 試驗墻體對應的實測熱阻為3 53 W 熱阻值前者 遠大于后者能實現(xiàn)熱量在墻體中一維傳遞 試驗墻體所 用材料對應的各項參數(shù)詳見表1 圖1 試驗墻體及測點布置示意圖 Fig 1 Schematic diagram of test wall and measuring point arrangement 表1 試驗墻體所用材料各項參數(shù) Table 1 Various parameters of materials used for testing walls 材料 Material 密度 Density kg m 3 比熱容 Specific heat capacity kJ kg 1 導熱系數(shù) Thermal conductivity W m K 1 CF蒸壓瓷粉加氣混凝土板 CF autoclaved porcelain powder aerated concrete slab 450 1 05 0 085 土Soil 1 241 1 28 0 570 普通鋼筋混凝土板 Ordinary reinforced concrete slab 2 500 0 92 1 740 注 填土質量含水率為13 14 對應最佳含水率 Note The fill water quality moisture content is 13 14 corresponding to the optimum moisture content 1 2 試驗儀器 通過課題組研發(fā)的可控式墻體熱濕耦合試驗臺調控墻 體兩側溫濕度 如圖2所示 該試驗臺主要由2個可控 式恒溫恒濕箱組成 用于模擬實際環(huán)境的溫濕度工況 提供試驗要求的溫濕度環(huán)境 當將箱體開敞一側與墻體 密封時 溫度值可以設定在10 100 偏差不超過 0 5 相對濕度值可以設定在30 95 偏差值不 超過 2 數(shù)據(jù)采集采用上海搜博實業(yè)有限公司生產的 SLHT1 溫濕度傳感器 SM1210B 溫濕度采集模塊及 SV3000環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) 圖2 墻體試驗 Fig 2 Experimental of wall 1 3 測點布置 為得到墻體內部溫度 相對濕度的穩(wěn)態(tài)分布和動態(tài) 遷移情況 在墻體內部共布設8個溫濕度測點 如圖1 所示 8個測點在空間上形成一條沿墻體厚度方向的水平 直線 其中 1 2 3號測點沿CF蒸壓瓷粉加氣混凝土 板厚度方向按間距為50 mm等分布設于板的兩側和中點 處 4 5 6號測點沿墻內填土厚度方向按間距為110 mm 等分布設 7 8號測點沿室內側普通鋼筋混凝土板厚度 方向分別布設于板兩側 所有測點沿長度 高度方向均 布設于中心位置 數(shù)據(jù)采樣時間間隔為5 min 1 4 工況設計 為研究墻體兩側溫度 相對濕度變化對墻體熱濕遷 移及蓄放熱性能的影響 綜合考慮日光溫室室內外實際 對應的熱濕環(huán)境和試驗臺的技術參數(shù) 設計2個試驗組 共7種工況 表2 每種工況以墻體內溫度 相對濕度 達到相對穩(wěn)定并維持12 h以上 由此進入下一工況 表2 試驗組列表 Table 2 List of test groups 熱箱 模擬室內 Hot box Simulated indoor 冷箱 模擬室外 Cold box Simulated outdoor 編號 No 溫度 Temperature 相對濕度 Relative humidity 溫度 Temperature 相對濕度 Relative humidity 1 1 30 90 10 40 1 2 25 90 10 40 1 3 20 90 10 40 試驗組1 Test group 1 1 4 15 90 10 40 2 1 25 90 10 80 2 2 25 90 15 40 試驗組2 Test group 2 2 3 25 90 15 80 為研究日光溫室內部溫度變化對墻體熱濕性能的影 響 試驗組1設置為室外側溫度 相對濕度不變 室內 第23期 王少杰等 日光溫室裝配式土質夾心墻體熱濕遷移及蓄放熱性能研究 211 側相對濕度不變 溫度以5 為梯度由30 降至15 分別對應工況1 1至工況1 4 為研究室外側溫度 相對 濕度變化對墻體熱濕性能的影響 以工況1 2為基準 設 置試驗組2開展對比試驗 其中 工況2 1為室外側溫度 不變 相對濕度變化 工況2 2為室外側溫度變化 相對 濕度不變 工況2 3為室外側溫度 相對濕度均變化 2 結果與分析 2 1 室內溫度變化時墻體的熱濕性能 2 1 1 墻體溫度及相對濕度穩(wěn)態(tài)分布 試驗組1各工況對應的所有測點溫度 相對濕度達 到穩(wěn)定后 取穩(wěn)定后12 h內的平均值作為各測點的溫度 相對濕度值 以測點1對應位置為橫軸坐標0點作圖 試驗組1各工況對應的溫度 相對濕度沿墻厚度方向的 分布分別如圖3 圖4所示 注 數(shù)字為各測點的對應代碼 下同 Note Number is the corresponding code of each measurement point the same below 圖3 試驗組1溫度 墻厚曲線 Fig 3 Temperature thickness curve of test group 1 由圖3可知 試驗組各工況對應溫度均由室內高溫 側 600 mm 向室外低溫側 0 mm 傳遞 普通鋼筋混 凝土板對熱量的阻隔作用較小 可實現(xiàn)室內與墻內熱量 的快速交換 墻內填土能在有效阻礙熱量向外傳遞的同 時蓄集熱量 室內溫度越高 對應溫度梯降越大 各工 況中1 3號測點溫差均較大 即CF蒸壓瓷粉加氣混凝 土板可有效阻礙墻內熱量向外部的傳遞 保溫隔熱作用 明顯 圖4 試驗組1相對濕度 墻厚曲線 Fig 4 Relative humidity thickness curve of test group 1 由圖4可知 各工況墻內填土均處于高濕狀態(tài) 測 點3 6的相對濕度維持在99 以上 基本不向兩側傳 遞 室內溫度變化對墻內濕度的影響亦較小 基本規(guī)律 是伴隨室內溫度的降低墻內濕度略有增加 分析可知 墻內填土處于高濕狀態(tài)下 相比于干燥狀態(tài)的傳統(tǒng)土墻 含濕量大的土傳熱介質以土和水為主導 從而具有較大 的比熱容與導熱系數(shù) 使得熱收益增加 蓄熱循環(huán)周期 縮短 31 即該特性更有利于墻體在白天吸收太陽輻射蓄 集更多的熱量 從而可在夜間或連陰天向溫室內釋放更 多的熱量 對日光溫室內熱環(huán)境的營造是有利的 2 1 2 墻體溫度瞬態(tài)遷移規(guī)律 1 溫度變化率 為獲得各測點的溫度有效下降時間 以1 h為間隔求 出溫度下降過程中各測點的溫度變化率 具體方法為 以墻內夾心土層對應的中點即測點5為例 對其溫度變 化曲線求導得到測點5的溫度變化率曲線 對應溫度及 溫度變化率曲線如圖5所示 溫度變化率大于0為升溫 小于0為降溫 當溫度趨于相對穩(wěn)定時溫度變化率會在0 值處上下波動 找出溫度變化率此時對應的時間點 即 為溫度保持相對穩(wěn)定的時間點 并將該點標示在對應的 溫度 時間曲線上 該段時間即為測點的溫度有效下降 時間 依據(jù)該方法可以在試驗組1各工況對應的溫度 時間曲線上厘清各測點在各工況的溫度變化開始及結束 點 如圖6所示 定量結果匯總見表3 實測結果表明 由于墻體內部測點存在溫度滯后效應 故定義以溫度率 先達到穩(wěn)定態(tài)的測點8所需要的時間為快速放熱期 圖5 測點5各階段溫度變化及其溫度變化率 Fig 5 Temperature change and temperature change rate at various stages of measuring point 5 圖6 試驗組1各測點溫度 時間曲線 Fig 6 Temperature time curve of test group 1 農業(yè)工程學報 http www tcsae org 2019年 212 表3 各階段各測點溫度有效下降時間及下降幅度 Table 3 Effective time and extent of temperature reduction in each stage 階段 Stage 用時及變化幅度 Time and amplitude of variation 測點2 Point 2 測點3 Point 3 測點4 Point 4 測點5 Point 5 測點6 Point 6 測點7 Point 7 測點8 Point 8 用時 5 d 3 5 h 6 d 5 d 8 h 3 d 18 h 3 d 16 h 3 d 11 h 3 d 11 h 第1階段 First stage 變化幅度 1 57 2 13 2 70 2 49 3 56 4 53 5 39 用時 3 d 5 h 4 d 6 h 5 d 18 h 4 d 21 h 4 d 4 h 3 d 19 h 3 d 16 h 第2階段 Second stage 變化幅度 1 19 1 36 1 83 2 57 3 27 4 39 4 96 用時 6 d 6 5 h 6 d 5 5 h 4 d 13 h 4 d 14 5 h 4 d 15 5 h 4 d 11 h 4 d 8 h 第3階段 Third stage 變化幅度 2 69 2 97 3 33 3 84 4 58 5 04 6 00 注 測點1受室外側溫度 維持在10 上下 影響較大 且溫度變化不大 故未列入表中 Note Measurement point 1 is greatly affected by the outdoor side temperature maintained at 10 and the temperature does not change much so it is not listed in the table 2 空間遷移規(guī)律 分析圖6可知 空間上沿墻體厚度方向 各階段各 測點溫度有效下降時間由墻體內側至外側依次變長 溫 度下降開始時間率先從墻內側開始 越靠近外側溫度開 始下降的時間越晚 導致這種現(xiàn)象的原因是墻內填土對 溫度變化的響應存在滯后效應 內側普通鋼筋混凝土板 較外側CF蒸壓瓷粉加氣混凝土板具有更高的熱擴散率 熱擴散率是指在一定的熱量得失情況下 物體溫度變化 快慢的一個物理量 相當于物體的蓄熱能力 是一個在 非穩(wěn)態(tài)導熱過程中非常重要的參數(shù) 物體的熱擴散率越 大 表明熱量由物體表面向深層或者由深層向物體表面 擴散的能力越強 普通鋼筋混凝土板 CF蒸壓瓷粉加氣 混凝土板對應的熱擴散率分別為 2 101 10 7 0 499 10 7 m2 s 3 時間遷移規(guī)律 為便于分析 以試驗組1對應4個工況為界 將溫 度 時間曲線分為3個階段 如圖6所示標注 從時間 角度可明顯看出 各測點溫度達到相對穩(wěn)定所用的時間 在第1階段 室內外溫差為20 最短 第2階段 室 內外溫差為15 次之 第3階段 室內外溫差為10 最長 其原因是墻體兩側溫差越大 墻體材料的熱傳導 就越快 溫度達到相對平衡的速度就越快 單位時間熱 量損失的越大 從而達到溫度相對穩(wěn)定的時間也就越快 這一特性有利于極端天氣下室內氣溫驟降時墻體向室內 快速釋放熱量 減小室內溫度下降幅度 更進一步的由圖6和表3綜合量化分析可知 由測 點5至測點8 即室內側280 mm厚的墻體在3 d 11 h至 4 d 15 5 h內溫度達到相對穩(wěn)定 且下降幅度較大 靠近 墻外側厚320 mm的墻體最晚可在6 d 6 5 h后達到相對 穩(wěn)定 即在連續(xù)陰天 當日光溫室內部氣溫下降時 墻 內側厚280 mm的墻體可持續(xù)在4 d 15 5 h內快速向室內 釋放熱量 墻外側厚320 mm的墻體最大可持續(xù)6 d 6 5 h 向室內釋放熱量 但溫度變化幅度縮小即放熱能力較快 速放熱期減弱 2 2 室外溫濕度變化時墻體的熱濕性能 對比試驗組2各工況與工況1 2 可知室外溫濕度變 化時墻體熱濕性能遷移規(guī)律 如圖7所示 對比工況1 2 與2 1 即當室外相對濕度增大時 試驗組2 1中靠近室 外側的測點1 3的溫度明顯低于工況1 2 而測點4 8 的溫度基本相同 室外側相對濕度的提高導致測點1相 對濕度增加 進而使導熱系數(shù)變大 降低該處保溫性能 使測點1 3處溫度下降明顯 而對墻內填土及室內側影 響不大 對比工況1 2與2 2 可明顯看出室外側溫度提 高對墻體相對濕度影響不大 對墻體的溫度影響較大 測點1 8溫度均有所提升 但越靠近室內側溫度變化越 小 以測點1的溫度所受影響最大 對比工況1 2與2 3 即當室外側溫度 相對濕度同時提高時 首先室外側溫 度的升高使墻內溫度整體提高 但由于室外相對濕度提 高使靠近室外的測點1 3溫度提升幅度較工況2 2低 該段曲線形狀更接近于工況2 1 上述現(xiàn)象說明無論室外 高溫或低溫 室外高濕環(huán)境都會降低室外側210 mm厚墻 體的溫度 但影響深度有限 圖7 室外溫濕度變化時墻體的熱濕性能 Fig 7 Hygrothermal performance of wall under change of outdoor temperature and humidity 2 3 墻體蓄熱 放熱性能分析 2 3 1 墻體蓄 放熱量計算 墻體蓄集 釋放熱量的過程是墻體內能增加 減少 的過程 可以通過墻體內溫度的變化計算得到蓄 放熱 量 物體熱量與溫度的換算公式為 Q Cm t 1 式中 t為物體的溫度變化值 Q為物體所吸收或釋放的 第23期 王少杰等 日光溫室裝配式土質夾心墻體熱濕遷移及蓄放熱性能研究 213 熱量 t為正值時表示吸收熱量 為負值時表示釋放熱量 kJ C為物體比熱容 kJ kg m為物體質量 kg 裝配式土質夾心墻體為層狀異質復合墻體 水平方 向由3種不同材料組成 其比熱容各不相同 根據(jù)試驗 測點沿墻厚方向的分布 以測點1 8對應的在墻厚方向 上的距離將墻體離散為7層 每一層墻體可以看作是穩(wěn) 態(tài)導熱 其傳熱過程可認為是沿墻體厚度方向的一維穩(wěn) 態(tài)導熱 11 第k層墻體的蓄 放熱量計算公式為 k k k j iQ C m t t 2 1k k k w kC C W C W 3 k k km V 4 墻體整體蓄 放熱量計算公式為 7 1 1 2 7k k Q Q k 5 式中k為墻體離散后編號 由室外側測點1 2之間墻體 為第1層 k 1 2 7 Ck為該層墻體材料的實際比熱容 kC 為該層墻體材料干燥狀態(tài)時的比熱容 Cw為水的比熱 容 kJ kg Wk為該層墻體材料的質量含水率 mk為 該層墻體材料的質量 kg k為該層墻體材料的密度 kg m3 Vk為該層墻體材料的體積 m3 厚度取相鄰測點 之間的距離 高度與長度各取1m ti為該層墻體材料的 起始溫度 tj為該層墻體材料的終止溫度 例如計算該層 墻體第1階段的熱量變化 則ti為其工況1 1時的溫度值 tj為其工況1 2時的溫度值 取該層相鄰2測點的平均 值 2 3 2 室內溫度變化時墻體的蓄放熱性能 由公式 2 4 計算可知試驗組1各工況墻體 各層的蓄 放熱量 如圖8所示 分析可知 墻體主要 蓄 放熱體為墻內填土 且越靠近室內一側蓄集的熱量 越多 各工況及工況間各階段墻內填土平均蓄 放熱占 比分別為75 81 75 38 室內側普通鋼筋混凝土板次 之 各工況及工況間各階段平均蓄 放熱占比分別為 21 92 21 90 室外側CF蒸壓瓷粉加氣混凝土板蓄放 熱量最小 主要起隔熱作用 這對墻體向室內側單向釋 放熱量是有利的 由公式 2 5 計算比較了試驗組1各工況所 有測點溫度相對穩(wěn)定時墻體的蓄熱量和對應各階段快速 放熱期結束時以及各階段結束時墻體的放熱量 如圖9 所示 由圖9可明顯看出 各階段放熱率隨著墻體兩側 溫差的減小不斷提高 第1階段結束時放熱量占工況1 1 穩(wěn)定時蓄熱量的26 57 第2階段結束時放熱量占工況 1 2穩(wěn)定時蓄熱量的29 97 第3階段結束時放熱量占工 況1 3穩(wěn)定時蓄熱量的60 62 快速放熱期所釋放熱量 占各階段放熱量的絕大比例 其中第1 第2 第3階段 快速放熱期所釋放的熱量分別占總放熱量的88 64 85 64 和91 21 用時分別是3 d 11 h 3 d 16 h和4 d 8 h 見表3 即伴隨墻體兩側溫差減小 快速放熱期 的時長 放熱率均提高 a 蓄熱量 a Heat storage b 放熱量 b Heat release 圖8 試驗組1各層蓄放熱量 Fig 8 Heat storage and release in each layer of test group 1 圖9 試驗組1各時期墻體蓄放熱量 Fig 9 Heat storage and release of wall in different periods of test group 1 2 3 3 室外溫濕度變化時墻體的蓄放熱性能 計算試驗組2各工況墻體各層蓄熱量并求得與對比 工況1 2的熱量變化值 如圖10所示 分析圖10可知 當室外相對濕度提高時 工況2 1 墻體第1 3層蓄 熱量下降 由工況2 2 工況2 3的熱量變化均為正值可 知 由于室外側溫度提高 使墻體溫度升高 墻體內能 增加而蓄集更多熱量 對比工況1 2與工況2 1 工況2 2 與工況2 3可明顯看出 墻體外側相對濕度提高使墻體第 農業(yè)工程學報 http www tcsae org 2019年 214 1 3層熱量流失 而第4 7層熱量并無明顯變化 結合 2 2節(jié)的分析可知 室外相對濕度提高不僅降低了室外側 210 mm厚墻體的蓄熱性能 而且使熱量由墻內向室外側 單向流失 即可以通過進一步提高外側墻板的熱阻和防 水性能改善墻體熱環(huán)境 圖10 試驗組2與工況1 2各層蓄熱量變化值 Fig 10 Variation of heat storage in each layer of test group 2 and case 1 2 3 數(shù)值分析方法 3 1 數(shù)值建模 通過有限元軟件ANSYS和APDL參數(shù)化語言 采用 2維4節(jié)點熱分析單元PIANE55建立裝配式土質夾心墻 體的數(shù)值模型 對普通鋼筋混凝土板 墻內填土 CF蒸 壓瓷粉加氣混凝土板分別賦予不同的建模參數(shù) 表1 網(wǎng)格尺寸為10 mm 采用熱分析第一類邊界條件 即物 體邊界上溫度已知且為定值 對室內外兩側施加溫度荷 載并提取試驗測點對應路徑上的溫度 通過數(shù)值分析方 法研究墻體熱工性能 試驗實測結果表明土的相對濕度 始終處于高濕狀態(tài) 99 以上 且相對十分穩(wěn)定 對導 熱系數(shù)的變化無明顯影響 故為了建立簡單實用高效的 數(shù)值分析方法 本文在進行數(shù)值模擬時考慮了相對濕度 的影響但沒有考慮相對濕度變化的影響 所采用的導熱 系數(shù)為土在高濕狀態(tài)下對應的導熱系數(shù) 3 2 試驗驗證 選取具有代表性的工況1 2 2 1 開展數(shù)值計算與實 測結果的對比分析 如圖11所示 圖11 模擬與實測溫度對比圖 Fig 11 Comparison of simulated and measured temperatures 可明顯看出 各測點溫度實測值均較為均勻的分布 在模擬曲線兩側 且數(shù)值計算結果與實測結果變化趨勢 一致 均由高溫側傳向低溫側 模擬曲線的斜率變化體 現(xiàn)為墻體各材料的不同 定量分析表明 各測點除工況 2 1中測點2誤差為1 34 以外 其他各測點的誤差均在 1 00 以內 數(shù)值計算與實測結果的良好吻合為后續(xù)定 量研究土質夾心層厚度不同的同類型墻體的熱工性能提 供了高效方法 4 討 論 日光溫室是農業(yè)生產中應用最廣泛的果蔬園藝設施 之一 其墻體是日光溫室的主要蓄放熱體 本研究結合 實際生產需求 以最新研發(fā)的日光溫室裝配式土質夾心 墻體為研究對象 在材料選擇與結構布置上以普通鋼筋 混凝土板和具有一定水分的土為蓄熱材料 以CF蒸壓瓷 粉加氣混凝土板為室外側隔熱保溫材料 試驗結果表明 該設計理念可行且有利于營造 維持溫室內的溫度 本 文所研究墻體適于中國北方地區(qū)種植草莓 葡萄等 尤 以種植草莓可趕上春節(jié)茬口上市 經(jīng)濟效益十分明顯 為兼顧墻體的保溫蓄放熱能力與快速建造 節(jié)約土地資 源 本文墻厚為600 mm 墻內填土為440 mm 若要進 一步滿足對室內熱量要求較高的果蔬生長 廣泛使用的 方法為增加墻體厚度 但目前研究表明僅通過增加溫室 墻體厚度來提高墻體保溫蓄熱效果非常有限 且墻體的 熱量釋放路徑并非一維單向傳遞 后續(xù)可在提高單位土 體蓄熱量 采取墻體外保溫措施 優(yōu)化墻體熱量傳遞路 徑等方面開展研究 不同于現(xiàn)場測試 本文通過控制變量的方法 研究 了墻體兩側溫度 相對濕度對墻體熱濕遷移的影響 墻 體不受雨 雪 風 光照及棚內作物 土壤等因素影響 得到了墻體在工況所設環(huán)境下最終穩(wěn)定時的溫濕度分布 情況及遷移過程 同時工況設置未模擬晝夜循環(huán)情況下 的溫度 后續(xù)研究在考慮墻體保溫蓄熱性能影響因素的 同時 宜加強晝夜溫度變化對墻內溫度波動影響的研究 本文試驗數(shù)據(jù)主要采集了溫度與相對濕度 較準確 地獲得了墻內的熱濕分布與遷移變化情況 對于墻體蓄 放熱量的計算與評價主要以理論推導為主 試驗結果與 數(shù)值模擬結果表明墻內有關墻體保溫蓄熱性能的參數(shù) 如導熱系數(shù)等 并非固定不變 會因墻體兩側溫濕度環(huán) 境的變化而受到不同程度影響 鑒于墻體保溫蓄熱性能 影響因素的復雜性 如何實時監(jiān)測 獲得墻體各項熱工 性能參數(shù) 更加準確計算墻體蓄 放熱量 后續(xù)研究應 予以加強 5 結 論 1 日光溫室裝配式土質夾心墻體熱濕遷移存在耦 合 但并不明顯 墻內填土始終保持高濕狀態(tài) 有利于 墻體蓄熱和放熱 室外環(huán)境變化對墻體保溫蓄熱性能影 響有限 其中室外相對濕度變化僅會使室外側210 mm厚 墻體的溫度產生變化 2 日光溫室裝配式土質夾心墻體主要蓄放熱體為墻 第23期 王少杰等 日光溫室裝配式土質夾心墻體熱濕遷移及蓄放熱性能研究 215 內填土 室內側普通鋼筋混凝土板次之 CF蒸壓瓷粉加 氣混凝土板則主要起保溫隔熱作用 能使墻內熱量主要 向室內單向釋放 室內側280 mm厚墻體對室內溫度變化 響應迅速且可在4 d 15 5 h內持續(xù)向室內釋放熱量 墻體 在快速放熱期4 d 8 h 內所釋放熱量占總放熱量的 85 64 91 21 3 日光溫室裝配式土質夾心墻體具有優(yōu)良的保溫蓄 熱性能 墻內熱濕遷移對墻體蓄放熱為有利影響 對室 外環(huán)境變化有一定抵御能力 該新型層狀異質結構復合 墻體符合室外側為保溫隔熱層 內側為蓄放熱層的設計 理念 且實現(xiàn)了快速裝配 節(jié)能環(huán)保 具有一定推廣價 值 數(shù)值分析方法與實測結果吻合良好 可為不同地區(qū) 不同作物所需不同蓄放熱量日光溫室墻體的設計與建造 提供參考 具有指導生產意義 參 考 文 獻 1 李天來 我國日光溫室產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前景 J 沈陽農業(yè) 大學學報 2005 36 2 131 138 Li Tianlai Current situation and prospects of greenhouse industry development in China J Journal of Shenyang Agricultural University 2005 36 2 131 138 in Chinese with English abstract 2 Zhang Jian Wang Jian Guo Shirong et al Study on heat transfer characteristics of straw block wall in solar greenhouse J Energy 2 College of Horticulture Science and Engineering Shandong Agricultural University Tai an 271018 China 3 Shandong Transport Vocational College Weifang 261206 China Abstract Solar greenhouse is a unique type of greenhouse in China It can absorb solar energy through the back wall to achieve heat storage and release maintain the temperature in the greenhouse to meet the growth of vegetable crops and effectively solve the problem of winter fruit and vegetable supply in northern cold region of China In order to solve the problems of excessive thickness easy collapse and low land use efficiency of traditional soil wall an assembled heterogeneous composite soil sandwich wall was developed Prefabricated ordinary reinforced concrete slabs and light energy saving thermal insulation slabs were used on both sides of the wall respectively The thickness of the soil sandwich layer could be flexibly adjusted according to the different needs of different crops for temperature The interior and exterior wall panels are backfilled with soil and tied with reinforcements The exterior insulation panels can effectively prevent heat transfer In order to deeply and systematically study the heat and moisture transfer and heat storage and release performance of assembled soil sandwich wall in solar greenhouse and reveal the hysteretic effect of filling on the response of temperature change indoor model tests were carried out The test wall is 1 2 m long and 0 6 m high with a total thickness of 600 mm CF autoclaved ceramic powder aerated concrete slab with excellent heat preservation and insulation characteristics is used outdoors with a thickness of 100 mm The filling material in the wall is taken locally and the cultivated land with good heat storage and heat release performance is tamped with a thickness of 440 mm The indoor side is made of ordinary reinforced concrete slab with a thickness of 60 mm which is effectively supported and retained While supporting the wall it has high thermal conductivity and fast heat transfer Considering the actual indoor and outdoor hygrothermal environment of solar greenhouse and the technical parameters of the s