第 33 卷    第 2 期                         農(nóng)  業(yè)  工  程  學(xué)  報(bào)                                Vol.33  No.2 2017 年      1月           Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering         Jan. 2017     227   溫室墻體中覆鋁箔封閉空氣腔熱工性能模擬分析張瀟丹，頡建明，郁繼華，呂   劍  （甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，蘭州  730070）  摘   要： 通過建立封閉空氣腔二維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)傳熱模型和溫室墻體一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型，模擬計(jì)算封閉腔內(nèi)空氣溫度分布，研究了日光溫室墻體中覆鋁箔封閉空氣腔的熱工性能。結(jié)果表明：壁面覆鋁箔可有效減少封閉空氣腔的輻射換熱量；封閉空氣腔的熱阻隨封閉腔高度的增加而增大，高度達(dá) 1.5 m 后，熱阻趨于不變；封閉空氣腔的厚度小于 0.03 m 時(shí)，其熱阻隨厚度增加而增大，厚度超過 0.03 m 后，熱阻逐漸減??；覆鋁箔封閉空氣腔高度為 1.5 m、厚度為 0.03 m、內(nèi)外壁面溫差為 2 20 K 時(shí)，熱阻為 0.70 0.55 Km2/W，保溫隔熱效果相當(dāng)于 0.81 0.64 m 厚夯實(shí)黏土結(jié)構(gòu)、 0.55 0.43 m 厚紅磚砌體結(jié)構(gòu)墻體或 0.20 0.16 m 厚煤渣、 0.06 0.05 m 厚珍珠巖、 0.03 0.02 m 厚聚苯板隔熱材料。 3 組 30 mm 厚覆鋁箔封閉空氣腔加 480 mm 紅磚復(fù)合墻體 （ 360 mm 紅磚墻 +3 組 30 mm 封閉空氣腔 +120 mm 紅磚墻， 240 mm 紅磚墻 +3 組 30 mm封閉空氣腔 +240 mm 紅磚墻） ，其夜間向室內(nèi)放熱量較單一 480 mm 紅磚墻體提高 99.5% 104.2%，與相同結(jié)構(gòu)聚苯板紅磚復(fù)合墻體無明顯差距。  關(guān)鍵詞： 墻體；溫度；對流換熱；日光溫室；封閉空氣腔；平均導(dǎo)熱系數(shù)；熱阻  doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.031 中圖分類號： S625.1           文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A           文章編號： 1002-6819(2017)-02-0227-07 張瀟丹，頡建明，郁繼華，呂  劍. 溫室墻體中覆鋁箔封閉空氣腔熱工性能模擬分析J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(2)：227233.    doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.031    http:/www.tcsae.org Zhang Xiaodan, Xie Jianming, Yu Jihua, L Jian. Simulation analysis of thermal properties of air enclosure covered with aluminum foil in wall of solar greenhouseJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 227 233. (in Chinese with English abstract)    doi ： 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.031    http:/www.tcsae.org 0  引  言日光溫室由前屋面、后屋面、后墻、山墻構(gòu)成，后墻作為日光溫室的承重結(jié)構(gòu)，在保溫設(shè)計(jì)上也具有重要的意義1-3。從 20 世紀(jì) 30 年代發(fā)展至今，后墻結(jié)構(gòu)和材料不斷更新?lián)Q代，從單一材料墻體到多層異質(zhì)復(fù)合墻體，其蓄熱、保溫、隔熱性能都有了大幅提升4-7。理想的后墻結(jié)構(gòu)由蓄熱層、保溫層、隔熱層 3 部分構(gòu)成。蓄熱層日間儲(chǔ)存熱量，夜間放出熱量，是后墻內(nèi)部溫度隨時(shí)間波動(dòng)較大的部分；保溫層為熱穩(wěn)定層，溫度幾乎沒有波動(dòng)，除了阻止熱量向外流出，還起了緩沖作用，保證了蓄放熱的均勻性； 隔熱層一般采用導(dǎo)熱系數(shù)小于 0.05 W/(mK)的材料，用于截?cái)嘟?jīng)由保溫層流出的熱量8-15。由于靜止的空氣導(dǎo)熱系數(shù)很小，是良好的保溫隔熱材料，近年來封閉空氣腔結(jié)構(gòu)在各領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。在日光溫室的改造升級中，也出現(xiàn)了由內(nèi)外層磚墻和中間空氣腔構(gòu)成的中空墻體16?？簶淙A等17通過對不同材料和結(jié)構(gòu)的日光溫室后墻進(jìn)行溫度觀測，得出隔熱性能最好的是珍珠巖，其次是煤渣，再次是鋸末，最差是中空。白義奎收稿日期： 2016-08-21    修訂日期： 2016-10-14 基金項(xiàng)目：國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）專項(xiàng)資助（ 201203002）  作者簡介：張瀟丹，女，從事設(shè)施園藝研究。蘭州   甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，730070。 Email： zhangxiaodan199308163.com 通信作者：頡建明，男，教授，博導(dǎo)，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)教學(xué)與研究。蘭州   甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院， 730070。 Email： xiejianminggsau.edu.cn 等18基于前人對封閉腔空氣自然對流傳熱的研究，對綴鋁箔聚苯板空心墻體保溫性能進(jìn)行了理論分析，結(jié)果表明：空氣層厚度在 0.02 0.10 m 間的綴鋁箔聚苯板空心墻體具有較好的保溫隔熱效果。李凱等19、凌浩恕等20研究了帶有豎向空氣層的相變蓄熱墻體的熱工性能。 在已有的研究中， 一般是通過試驗(yàn)測量得到數(shù)據(jù)再歸納分析，或憑借經(jīng)驗(yàn)公式直接進(jìn)行計(jì)算分析，但是，通過試驗(yàn)測量得到的數(shù)據(jù)有限， 已有的經(jīng)驗(yàn)公式也往往不能適用于日光溫室墻體熱環(huán)境， 要探索封閉空氣腔在日光溫室墻體保溫設(shè)計(jì)中的合理結(jié)構(gòu)， 這些方法具有一定的局限性。  封閉腔的空氣自然對流換熱是計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算傳熱學(xué)中的一個(gè)經(jīng)典課題21。 Davis22最早給出了正方形封閉腔中，無量綱數(shù) Ra 在 103 106內(nèi)時(shí)空氣自然對流換熱的 Nue 基準(zhǔn)解。 Catton23給出了封閉腔高厚比在 1 10內(nèi)的努賽爾數(shù)關(guān)聯(lián)式。李光正等24-25、李世武等26、董韶峰等27、黃建春等28運(yùn)用多種數(shù)值解法模擬計(jì)算了封閉腔內(nèi)的空氣對流傳熱問題。 這些研究均是將封閉空氣腔作為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并沒有結(jié)合具體情況進(jìn)行研究。本文根據(jù)日光溫室墻體的建筑結(jié)構(gòu)、內(nèi)部溫度變化及熱量傳遞規(guī)律，建立封閉腔二維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)傳熱模型和墻體一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型， 采用 MATLAB 軟件編制程序，模擬計(jì)算封閉腔內(nèi)空氣溫度分布，分析溫室墻體中不同模式封閉空氣腔的熱工特性，以期為封閉空氣腔在日光溫室墻體中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。  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）                                 2017 年    228 1  封閉空氣腔熱工計(jì)算 封閉空氣腔內(nèi)存在多種傳熱形式，其中熱傳導(dǎo)占10%， 對流換熱占 20% 30%， 輻射換熱占 60% 70%29。根據(jù)傳熱學(xué)理論，封閉空氣腔的表面對流換熱系數(shù) hc由下式計(jì)算  /ceAhNu L=             （ 1）  式中 A為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，在 273 K（ 0 ）時(shí)， A= 0.025 W/(mK)； L 為封閉腔的厚度， m；努賽爾數(shù) Nu為表征流體中對流換熱與導(dǎo)熱傳熱之比的無量綱參數(shù)，數(shù)值上等于封閉腔表面處的無量綱溫度梯度， 封閉空氣腔內(nèi)外壁面高度方向上各點(diǎn)的 Nu 的均值為平均努賽爾數(shù) Nue。  封閉空氣腔內(nèi)輻射換熱發(fā)生在兩個(gè)面積相等、存在溫差的壁面之間，輻射換熱系數(shù) hr由下式計(jì)算  14 412 1212(1 / 1 / 1) ( ) /( )rbhTTT= +   （ 2）  式中 b為 Stefan-Boltzmann 常數(shù)，取值 5.6710-8； 1和 2分別為 2 個(gè)壁面在一定溫度下的發(fā)射率 ； T1和 T2為 2 個(gè)壁面的熱力學(xué)溫度， K。輻射換熱占封閉空氣腔內(nèi)傳熱的很大比例，嚴(yán)重影響其保溫隔熱性能。兩表面間的輻射換熱量和兩表面溫差、 角系數(shù)及表面發(fā)射率相關(guān)。室溫條件下，紅磚、混凝土等建筑材料的表面發(fā)射率均在 0.9 以上，鋁箔的表面發(fā)射率約為 0.2，若用其將封閉腔沿溫差方向隔開， 封閉腔內(nèi)的輻射換熱量將大幅降低30。  熱阻 R 作為封閉空氣腔保溫隔熱性能的評價(jià)指標(biāo)，由下式計(jì)算  1/( )crRhh=+         （ 3）  式中 (hc+hr)為封閉空氣腔的總傳熱系數(shù)， W/(m2K)。封閉空氣腔內(nèi)對流換熱系數(shù) hc與輻射換熱系數(shù) hr的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù) e由下式計(jì)算  ()ecrhhL =+          （ 4） 2  封閉空氣腔內(nèi)部流動(dòng)傳熱數(shù)值模擬計(jì)算  2.1  物理模型 1）封閉空氣腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 如圖 1a 所示，根據(jù)日光溫室墻體建筑結(jié)構(gòu)，封閉空氣腔的高度 H 分別設(shè)為 0.3、 0.6、 0.9、 1.2、 1.5、 1.8、2.1、 2.4 m， 厚度 L 分別設(shè)為 0.01、 0.02、 0.03、 0.04、 0.05、0.08、 0.10、 0.12、 0.24 m。 2）封閉空氣腔溫度設(shè)計(jì)    假設(shè)封閉空氣腔的上下壁面均為絕熱壁面，參考多層異質(zhì)復(fù)合墻體中溫度的變化和冬季室外平均溫度，在溫室墻體保溫層模擬中，墻體溫度偏高且沿厚度方向的變化較小，將封閉腔內(nèi)外壁面的溫差 T1分別設(shè)為 2、 4、6、 8、 10 K，內(nèi)壁面溫度 T1依次取值 275、 277、 279、281、 283 K，外壁面溫度 T2取值 273 K；在墻體隔熱層模擬中，墻體溫度偏低且沿厚度方向的變化較大，將內(nèi)外壁面的溫差 T2分別設(shè)為 10、 20 K， T1依次取值 273、283 K， T2取值 263 K。  注： T1、 T2為封閉空氣腔內(nèi)外壁面溫度， L、 H 為封閉空氣腔厚度和高度；x、 y 為水平方向和垂直方向的空間步長， W、 E、 N、 S、 P 為 5 個(gè)相鄰的控制容積節(jié)點(diǎn)。  Note: T1, T2are temperatures of inside and outside surface of the air enclosure; L, H are thickness and height of the air enclosure; x, y are space steps in horizontal direction and vertical direction; W, E, N, S, P are five adjacent control volume nodes. 圖 1  封閉空氣腔的物理模型及網(wǎng)格劃分圖  Fig.1  Physical model and meshing figure of air enclosure 2.2  數(shù)學(xué)模型及計(jì)算模擬方法 建立封閉空氣腔二維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)傳熱模型，模擬計(jì)算腔內(nèi)溫度分布，獲得其內(nèi)外壁面處無量綱溫度梯度（ Nue），得到封閉空氣腔內(nèi)對流換熱系數(shù) hc。以下是描述二維不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)流動(dòng)傳熱的 控制方程  流函數(shù)方程：  2222xy+=（ 5）  渦量方程：  ()()()()uv Tgx yxxyy x += + （ 6）  能量方程：  ()()()()ppuT vT T Tx yxCxyCy += + （ 7）  式中 、 、 T 為所求變量，分別代表流函數(shù)（ m2/s）、渦量（ s-1）和溫度（ K）； 為氣體密度， kg/m3； 為動(dòng)力黏度， Ns/m2； g 為重力加速度， m/s2； 為氣體膨脹系數(shù)， K-1； 為氣體導(dǎo)熱系數(shù)， W/(mK)； Cp為氣體定壓比熱容， J/(kgK)； u、 v 分別為氣體流速在 x、 y 方向上的分量， m/s。  采用有限容積法，把封閉腔沿 x、 y 方向劃分為均勻網(wǎng)格，生成網(wǎng)格后，將描寫流動(dòng)傳熱的偏微分方程離散為各節(jié)點(diǎn)上的代數(shù)方程。如圖 1b，陰影部分為控制容積，x 方向的空間步長 x 為 0.005 m， y 方向的空間步長 y最大為 0.015 m。以能量方程為例：穩(wěn)態(tài)流動(dòng)中，控制容積內(nèi)熱力學(xué)能的增加率為 0， 通過空氣對流進(jìn)入控制容積的凈熱量等于該控制容積內(nèi)空氣向四周擴(kuò)散的凈熱量。對于內(nèi)節(jié)點(diǎn) P 所代表的控制容積，與其熱平衡密切相關(guān)的控制容積分別為 W、 E、 N、 S。對流作用帶有強(qiáng)烈的方向性，采用一階迎風(fēng)格式離散對流項(xiàng)；擴(kuò)散作用具有均勻性，采用中心差分格式離散擴(kuò)散項(xiàng)，流函數(shù)、渦量、能量方程將離散為 3 組代數(shù)方程。  第 2 期  張瀟丹等：溫室墻體中覆鋁箔封閉空氣腔熱工性能模擬分析  229 采用迭代法聯(lián)解方程組，設(shè)置兩部分迭代：外迭代和內(nèi)迭代。在一個(gè)外迭代層次上，按溫度渦量流函數(shù)的內(nèi)迭代路線運(yùn)算，內(nèi)迭代采用 Gauss-Seidel 迭代法，以前后兩次待求量值的差值小于允許值作為收斂判據(jù)；內(nèi)迭代收斂完成后，再進(jìn)入下一層外迭代計(jì)算，外迭代以封閉腔內(nèi)外壁面處無量綱溫度梯度（ Nue）在前后兩層外迭代中的偏差小于允許值作為收斂判據(jù)。編寫MATLAB 計(jì)算程序， 渦量迭代收斂的允許值未超過 10-3，溫度、流函數(shù)收斂的允許值未超過 10-4，外迭代收斂的允許值為 10-5，內(nèi)外迭代均在 5 000 步以內(nèi)完成收斂。  邊界條件為：能量方程中，上下壁面為絕熱壁面，熱流量恒為 0，內(nèi)外壁面溫度為確定值；渦量方程中，采用 Thom 公式21持續(xù)調(diào)整壁面渦量值；流函數(shù)方程中，在壁面上對速度取無滑移邊界條件，流函數(shù)恒為 0。  2.3  自然對流驗(yàn)證 封閉空氣腔內(nèi)外壁面溫度為確定值，腔內(nèi)空氣自然對流與壁面熱輻射無耦合關(guān)系，可單獨(dú)驗(yàn)證。當(dāng)封閉空氣腔厚度為 0.10 0.12 m，高度為 0.6 1.2 m，內(nèi)外壁面溫差為 10 K（保溫層）時(shí)，封閉空氣腔物理模型與 Catton23所研究的物理模型基本一致，表 1 為利用文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的 Nue結(jié)果與本文模擬計(jì)算得到的 Nue結(jié)果， 經(jīng)對比，本文計(jì)算結(jié)果是正確的，說明通過模擬計(jì)算研究封閉空氣腔熱工性能是可行的。  表 1  封閉空氣腔的平均努塞爾數(shù) Nue計(jì)算結(jié)果  Table 1  Average Nusselt number of air enclosure 封閉空氣腔高度 H Height of air enclosure /m 封閉空氣腔厚度 L Thickness of air enclosure /m 方法  Method 0.6 0.9 1.2 經(jīng)驗(yàn)公式法236.192 5.959 5.207 0.10 數(shù)值模擬法（本文）  6.115 5.766 5.497 經(jīng)驗(yàn)公式法238.046 7.271 6.766 0.12 數(shù)值模擬法（本文）  7.572 7.144 6.850 注： L 為封閉空氣腔厚度， Ra 為瑞利數(shù)，封閉腔高度為 0.3 m。 Note: L is thickness of air enclosure. Ra is Raleigh number, height of air enclosure is 0.3 m. 圖 2  不同 Ra 下封閉空氣腔內(nèi)等溫線分布  Fig.2  Isotherm distributions in air enclosure under different Raleigh number Ra 為表示流體流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生過渡的條件的無量綱數(shù)。封閉空氣腔高度為 0.3 m，厚度為 0.02 0.10 m，內(nèi)外壁面溫差為 10 K（保溫層）時(shí)， Ra 在 103 106間，且隨厚度的增大而增大。該條件下封閉腔內(nèi)等溫線的分布見圖 2，溫度從高溫壁向低溫壁逐漸遞減， Ra 較小時(shí)，等溫線為一簇幾乎平行的豎直線，封閉腔內(nèi)空氣幾乎沒有流動(dòng)；隨著 Ra 的增大，等溫線逐漸發(fā)生波動(dòng)，高溫壁面等溫線向上凸起，低溫壁面等溫線向下凸起，出現(xiàn)了明顯的溫度邊界層，腔內(nèi)自然對流開始發(fā)展；當(dāng) Ra 達(dá)到106后，封閉腔中部等溫線幾乎為水平線，腔內(nèi)空氣自然對流加劇，開始由層流向湍流發(fā)展。模擬結(jié)果呈現(xiàn)的封閉腔內(nèi)空氣流動(dòng)規(guī)律與理論描述31基本一致，說明了本研究所采用的數(shù)值模擬方法的可靠性。  3  結(jié)果與分析 3.1  影響封閉空氣腔保溫隔熱性能的因素 3.1.1  封閉空氣腔的不同壁面處理及高度對熱阻的影響 封閉空氣腔厚度為 0.03 m，外壁面溫度為 273 K，內(nèi)外壁面溫差為 5 和 10 K，壁面覆鋁箔（雙面，下同）和未覆鋁箔時(shí)，不同高度對封閉空氣腔熱阻的影響見圖 3。  注：封閉空氣腔厚度為 0.03 m，外壁面溫度為 273 K，下同。   Note: Thickness of air enclosure is 0.03 m, temperature of outside surface is 273 K, the same as below. 圖 3  不同壁面處理下封閉空氣腔隨其高度、溫差的變化  Fig.3  Thermal resistance under different surfaces, temperature difference, height of air enclosure 由圖 3 可知，壁面覆鋁箔的封閉空氣腔，厚度為0.03 m、高度為 0.3 2.4 m、內(nèi)外壁面溫差為 5 K 時(shí)，與壁面未覆鋁箔的封閉空氣腔相比，熱阻增加約 210.8%；內(nèi)外壁面溫差為 10 K 時(shí)，熱阻增加約 196.9%。封閉空氣腔的內(nèi)外壁面覆鋁箔，減小了壁面發(fā)射率，降低了腔內(nèi)的輻射換熱量，提高了封閉空氣腔的保溫隔熱性能。  高度增加，封閉空氣腔的熱阻增大，且趨勢逐漸變緩，達(dá)到一定高度后，熱阻趨于不變。圖 3a 中，封閉空氣腔壁面未覆鋁箔，當(dāng)封閉空氣腔厚度為 0.03 m，內(nèi)外壁面溫差為 5 和 10 K 時(shí)，高度從 0.3 m 增加到 1.5 m，熱阻分別增加 6.8%、 7.1%；高度從 1.5 m 增加到 2.4 m，熱阻均增加 1.5%。圖 3b 中，封閉空氣腔壁面覆鋁箔，內(nèi)外壁面溫差為 5 和 10 K 時(shí)，高度從 0.3 m 增加到 1.5 m，熱阻分別增加 22.0%、 20.6%；高度從 1.5 m 增加到 2.4 m，熱阻分別增加 4.2%、 5.1%。考慮到日光溫室墻體建筑結(jié)構(gòu)和實(shí)際施工情況1， 溫室墻體保溫設(shè)計(jì)中封閉空氣腔的適宜高度為 1.5 m。  3.1.2  封閉空氣腔的不同壁面處理及厚度對熱阻的影響 封閉空氣腔高度為 1.5 m，外壁面溫度為 273 K，內(nèi)外壁面溫差為 5 和 10 K，壁面覆鋁箔和未覆鋁箔時(shí)，不農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（ http:/www.tcsae.org）                                 2017 年    230 同厚度對封閉空氣腔熱阻的影響見圖 4。  由圖 4 可知，壁面覆鋁箔的封閉空氣腔，高度為1.5 m、厚度為 0.03 0.12 m、內(nèi)外壁面溫差為 5 K 時(shí)，與壁面未覆鋁箔的封閉空氣腔相比， 熱阻增加約 209.9%；內(nèi)外壁面溫差為 10 K 時(shí)，熱阻增加約 196.4%，再次表明封閉空氣腔壁面覆鋁箔可大幅提升其保溫隔熱性能。  注：封閉空氣腔高度為 1.5 m。  Note: Height of air enclosure is 1.5 m. 圖 4 不同壁面處理下封閉空氣腔熱阻隨厚度、溫差的變化  Fig.4  Thermal resistance under different surfaces, temperature difference, thickness of air enclosure;  圖 4a、 4b 中，隨著厚度增大，封閉空氣腔熱阻的變化趨勢基本一致。封閉空氣腔高度為 1.5 m 時(shí)，其熱阻在封閉腔厚度小于 0.03 m 時(shí)隨厚度的增加而增大，在厚度為 0.03 m 時(shí)存在最大值；厚度在 0.03 0.12 m 間，內(nèi)外壁面溫差為 5 K 時(shí)，熱阻隨厚度增加而減小，內(nèi)外壁面溫差為 10 K 時(shí)，厚度對熱阻無明顯影響；當(dāng)厚度超過0.12 m 后，熱阻逐漸減小。封閉空氣腔在 0.03 0.12 m厚度范圍內(nèi)時(shí)，其熱阻較大、保溫隔熱性能較優(yōu)。 3.2  覆鋁箔封閉空氣腔在溫室墻體保溫設(shè)計(jì)中的熱工性能分析 日光溫室墻體保溫設(shè)計(jì)中，不同厚度、不同內(nèi)外壁面溫差下，高度為 1.5 m 的覆鋁箔封閉空氣腔在保溫層、隔熱層模擬中的熱阻見圖 5，平均導(dǎo)熱系數(shù)（同一厚度封閉空氣腔在不同內(nèi)外壁面溫差下的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的均值）見表 2。  注： T1、 T2分別為外壁面溫度 T2為 273、 263 K 時(shí)封閉空氣腔內(nèi)外壁面的溫差。封閉空氣腔高度為 1.5 m。  Note: T1, T2 are temperature differences between inside and outside surface of the air enclosure when T2 is 273K, 263 K, respectively. Height of air enclosure is 1.5 m. 圖 5  不同厚度、溫差下覆鋁箔封閉空氣腔的熱阻  Fig.5  Thermal resistance under different temperature difference and thickness of air enclosure covered with aluminum foil 表 2  不同厚度覆鋁箔封閉空氣腔的平均導(dǎo)熱系數(shù) Table 2  Average thermal conductivity under different thickness of air enclosure covered with aluminum foil 平均導(dǎo)熱系數(shù)  Average thermal conductivity/(W(mK)-1) 封閉空氣腔的厚度  Thickness of air enclosure/m 封閉腔在保溫層  Air enclosure in heat preservation layer 封閉腔在隔熱層  Air enclosure in thermal insulation layer 0.02 0.036 0.037 0.03 0.047 0.052 0.04 0.063 0.071 0.05 0.080 0.090 0.08 0.130 0.145 0.10 0.165 0.181 0.12 0.198 0.217 注： 平均導(dǎo)熱系數(shù)指同一厚度封閉空氣腔在不同內(nèi)外壁面溫差下的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的均值，保溫層模擬中的內(nèi)外壁面溫差為 2 10 K，隔熱層模擬中的內(nèi)外壁面溫差為 10 20 K。  Note: Average thermal conductivity is the mean of equivalent thermal conductivity of the same thickness air enclosure in different temperature difference between inner and outer surface; In heat preservation layer and thermal insulation layer, temperature difference is 2-10 K, 10-20 K, respectively. 3.2.1  覆鋁箔封閉空氣腔在溫室墻體保溫層中的熱工參數(shù) 在日光溫室墻體保溫層模擬中， 封閉空氣腔高度外壁面溫度為 273 K，內(nèi)外壁面溫差為 210 K。由圖 5 可知，高度為 1.5 m 的覆鋁箔封閉空氣腔，內(nèi)外壁面溫差為 2 K時(shí)，熱阻在封閉空氣腔厚度為 0.04 m 時(shí)存在最大值；內(nèi)外壁面溫差為 4 10 K 時(shí)，熱阻在封閉空氣腔厚度為0.03 m 時(shí)存在最大值，此時(shí)封閉空氣腔的保溫隔熱性能最優(yōu)。表 2 中，封閉空氣腔厚度為 0.020.12 m 時(shí)，其平均導(dǎo)熱系數(shù)隨厚度增加而增大、為 0.0360.198 W/(mK)。厚度為 0.03 m 的封閉空氣腔， 內(nèi)外壁面溫差為 2 10 K 時(shí)，其平均導(dǎo)熱系數(shù)為 0.047 W/(mK) ，熱阻為 0.70 0.58 Km2/W（圖 5），保溫隔熱效果相當(dāng)于 0.81 0.67 m厚夯實(shí)黏土結(jié)構(gòu)、 0.55 0.45  m 厚紅磚砌體結(jié)構(gòu)墻體或0.20 0.17 m 厚煤渣、 0.06 0.05 m 厚珍珠巖、 0.030.025 m 厚聚苯板隔熱材料31。 3.2.2  覆鋁箔封閉空氣腔在溫室墻體隔熱層中的熱工參數(shù) 在日光溫室墻體隔熱層模擬中，封閉空氣腔的外壁面溫度為 263 K，內(nèi)外壁面溫差為 10 20 K。由圖 5 可知，日光溫室墻體中封閉空氣腔高度為 1.5 m，內(nèi)外壁面溫差為 10、 20 K 時(shí)，熱阻在封閉空氣腔厚度為 0.03 m 時(shí)存在最大值，保溫隔熱效果最佳。表 2 中，封閉空氣腔厚度為 0.02 0.12 m 時(shí)，其平均導(dǎo)熱系數(shù)隨厚度增加而增大、為 0.037 0.217 W/(mK)。 厚度為 0.03m 的覆鋁箔封閉空氣腔，內(nèi)外壁面溫差為 10 20 K 時(shí)，其平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.052 W/(mK)，熱阻為 0.60 0.55 Km2/W，保溫隔熱效果相當(dāng)于 0.70 0.64 m 厚夯實(shí)黏土結(jié)構(gòu)、 0.47 0.43 m 厚紅磚砌體結(jié)構(gòu)墻體或 0.17 0.16 m 厚煤渣、 0.06 0.05 m厚珍珠巖、 0.025 0.02 m 厚聚苯板隔熱材料31。 3.3  帶有覆鋁箔封閉空氣腔的溫室墻體的傳熱分析 以甘肅酒泉典型晴天（ 2014 年 12 月 7 日）下日光溫室內(nèi)外氣溫及太陽輻射量作為邊界條件（表 3），選擇480 mm 紅磚墻作為計(jì)算模型， 將組 30 mm 厚覆鋁箔封閉第 2 期  張瀟丹等：溫室墻體中覆鋁箔封閉空氣腔熱工性能模擬分析  231 空氣腔組合起來作為保溫隔熱材料，放置在紅磚墻厚度方向上的不同位置，形成 5 個(gè)墻體結(jié)構(gòu)方案（表 4）。建立一維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，編寫 MATLAB 程序，計(jì)算溫室墻體的內(nèi)表面日間（ 09:00 17:00）總蓄熱量和夜間（ 17:00次日 09:00）總放熱量。根據(jù)李明等13的方法確定了在表 3 溫室內(nèi)外環(huán)境因素?cái)_動(dòng)下 480 mm紅磚墻的蓄熱層約為 160 mm，溫度隨厚度波動(dòng)較小的保溫層約為200 mm，墻體靠近室外一側(cè)、溫度波動(dòng)較大的厚度約為120 mm。依據(jù)表 2 結(jié)果，當(dāng)封閉空氣腔在紅磚墻內(nèi)部偏外側(cè)（方案 2）及正中間（方案 4）時(shí)，其平均導(dǎo)熱系數(shù)均按照保溫層模擬取值，為 0.047 W/(mK)。  表 3  酒泉地區(qū) 2014 年 12 月 7 日日光溫室內(nèi)、外氣溫和墻體內(nèi)表面太陽輻射量的逐時(shí)數(shù)據(jù) Table 3  Hourly temperature inside and outside greenhouse and solar radiation in JiuQuan (Dec 7, 2014) 時(shí)刻  Time 室外氣溫  Outdoor temperature/  室內(nèi)氣溫  Indoor temperature/  墻體內(nèi)表面太陽輻射量Solar radiation on inner surface of wall/(Wm-2)00:00 -9.3 9.6 0 01:00 -9.3 9 0 02:00 -9.8 8.7 0 03:00 -12.1 8.2 0 04:00 -11 7.7 0 05:00 -11 7.3 0 06:00 -13.3 7.1 0 07:00 -14 6.7 0 08:00 -13.3 6.5 0 09:00 -12.1 6.3 0 10:00 -7.1 8 125 11:00 -4.6 14.2 302 12:00 -2.2 24 382 13:00 -0.8 20.1 473 14:00 1 20.7 434 15:00 1.9 19.8 409 16:00 1.9 19.4 285 17:00 1 14.5 53 18:00 -1.7 15.6 0 19:00 -3.1 13.9 0 20:00 -4.6 12.5 0 21:00 -7.1 11.5 0 22:00 -8.3 10.8 0 23:00 -8.8 10.3 0 表 4  日光溫室墻體內(nèi)表面全天蓄放熱量 Table 4  Heat accumulate and release of inner surface of greenhouse wall  方案  編號  Scheme number 墻體結(jié)構(gòu)  Wall structure 日間總蓄熱量Heat accumulate at daytime/ (MJm-2)夜間總放熱量Heat release at nighttime/ (MJm-2)1 480 mm 紅磚墻  5.49 2.14 2 360 mm 紅磚墻 +(30 mm+ 30 mm+30 mm)封閉空氣腔 + 120 mm 紅磚墻  4.75 4.27 3 360 mm 紅磚墻 +90 mm 聚苯板+120 mm 紅磚墻  4.71 4.30 4 240 mm 紅磚墻 +(30 mm+ 30 mm+30 mm)封閉空氣腔 + 240 mm 紅磚墻  4.69 4.37 5 240 mm 紅磚墻 +90 mm 聚苯板+240 mm 紅磚墻  4.67 4.38 注：聚苯板的密度為 18 gm-3。  Note: Destiny of EPS is 18 gm-3. 晴天條件下，方案 2、 4 較方案 1 的墻體內(nèi)表面日間總蓄熱量分別降低 13.5%、 14.6%，夜間總放熱量分別提高 99.5%、 104.2%，覆鋁箔封閉空氣腔覆鋁箔封閉空氣腔大幅提高了溫室墻體保溫性能；方案 2 與方案 3、方案 4與方案 5 的墻體日間總蓄熱量及夜間向溫室內(nèi)的總放熱量無明顯差距，說明覆鋁箔封閉空氣腔可以替代聚苯板在日光溫室墻體建造中應(yīng)用。  4  結(jié)  論 本文基于傳熱學(xué)理論，根據(jù)日光溫室墻體的建筑結(jié)構(gòu)、內(nèi)部溫度變化及熱量傳遞規(guī)律建立了二維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)傳熱模型，模擬分析了日光溫室墻體中不同模式封閉空氣腔的熱工性能，得出以下結(jié)論：  1）中空墻體壁面覆鋁箔可有效減少輻射換熱量，大幅提高其保溫隔熱性能；封閉空氣腔的熱阻隨其高度的增加而減小，高度達(dá) 1.5 m 后，熱阻趨于不變；封閉空氣腔的厚度小于 0.03 m 時(shí)，其熱阻隨厚度增加而增大，厚度超過 0.03 m 后，熱阻逐漸減小。  2）覆鋁箔封閉空氣腔的適宜高度為 1.5 m，厚度為0.03 m。當(dāng)封閉空氣腔內(nèi)外壁面溫差為 2 20 K 時(shí)，該結(jié)構(gòu)的熱阻為 0.70 0.55 Km2/W，保溫隔熱效果相當(dāng)于0.81 0.64 m 厚夯實(shí)黏土結(jié)構(gòu)、 0.55 0.43 m 厚紅磚砌體結(jié)構(gòu)墻體或 0.20 0.16 m厚煤渣、 0.06 0.05 m厚珍珠巖、0.03 0.02 m 厚聚苯板隔熱材料。  3） 3 組 30 mm 厚覆鋁箔封閉空氣腔加 480 mm 紅磚復(fù)合墻體 （ 360 mm 紅磚墻 +3 組 30 mm 封閉空氣腔+120 mm 紅磚墻， 240 mm 紅磚墻 +3 組 30 mm 封閉空氣腔 +240 mm紅磚墻） ， 其夜間向室內(nèi)放熱量較單一 480 mm紅磚墻體提高 99.5% 104.2%， 與相同結(jié)構(gòu)聚苯板紅磚復(fù)合墻體無明顯差距。覆鋁箔封閉空氣腔可以替代聚苯板在日光溫室墻體建造中應(yīng)用。  參  考  文  獻(xiàn) 1 鄒志榮，周長吉 . 溫室建筑與結(jié)構(gòu) M：中國農(nóng)業(yè)出版社，2012.  2 劉志杰，鄭文剛，胡清華，等 . 中國日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 J. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)， 2007， 23(2)： 449 453.  Liu Zhijie, Zheng Wengang, Hu Qinghua, et al. 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