第 32 卷 第 3 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol.32 No.3 2016 年 2 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2016 175 日光溫室土墻傳熱特性及輕簡化路徑的理論分析李 明1,2，周長吉1,2，周 濤3，尹義蕾1,2，富建魯1,2，王志強(qiáng)4，齊長紅5（1. 農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所，北京 100125； 2. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100125； 3.北京節(jié)能環(huán)保中心，北京 100029； 4.農(nóng)業(yè)部工程建設(shè)服務(wù)中心，北京 100081； 5.北京市昌平區(qū)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，北京 102200） 摘 要： 為減小日光溫室土墻厚度，該研究在分析土墻溫度變化的基礎(chǔ)上提出了土墻輕簡化路徑并進(jìn)行了理論分析。根據(jù)測試分析，土墻可劃分為用于儲蓄熱量的蓄熱層和防止熱量從蓄熱層向室外方向流失的保溫層。土墻 86.9%的部分為保溫層。模擬結(jié)果表明使用由 47 cm 厚夯土和 7 cm 厚聚苯板（熱阻等于 3.13 m 厚夯土保溫層）構(gòu)成的復(fù)合墻在夜間的放熱量與 3.6 m 厚土墻相近。使用保溫材料替代夯土保溫層來減薄土墻在理論上可行。另外，根據(jù)模擬，當(dāng)土壤 20 cm 深處溫度提高至 23后，土壤供熱量可超過測試條件下土壤和土墻放熱量總和。為此，土墻在理論上可通過以下 2 條途徑實(shí)現(xiàn)輕簡化：1）使用保溫材料建造墻體保溫層；2）使用土壤蓄熱替代墻體蓄熱。 關(guān)鍵詞：溫室；土壤；墻；蓄熱；輕簡化 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.025 中圖分類號：S625.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1002-6819(2016) -03-0175-07 李 明，周長吉，周 濤，尹義蕾，富建魯，王志強(qiáng)，齊長紅. 日光溫室土墻傳熱特性及輕簡化路徑的理論分析J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(3)：175181. doi ：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.025 http:/www.tcsae.org Li Ming, Zhou Changji, Zhou Tao, Yin Yilei, Fu Jianlu, Wang Zhiqiang, Qi Changhong. Heat transfer process of soil wall in Chinese solar greenhouse and its theoretical simplification methodsJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 175 181. (in Chinese with English abstract) doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.025 http:/www.tcsae.org 0 引 言日光溫室北墻兼具保溫和蓄熱功能，可在晴天吸收來自太陽輻射和室內(nèi)熱空氣的熱量，在夜間向室內(nèi)釋放熱量1-4。根據(jù)馬承偉等研究，墻體在夜間釋放的熱量可使日光溫室室內(nèi)氣溫升高 4 85。因此，墻體是使日光溫室在冬季夜間維持較高室內(nèi)氣溫的重要構(gòu)件。 土墻是當(dāng)前農(nóng)村應(yīng)用最為廣泛的日光溫室墻體類型之一。進(jìn)入 21 世紀(jì)后，履帶機(jī)和挖掘機(jī)等機(jī)械的使用大大加快了土墻的建造效率，進(jìn)一步推動(dòng)了土墻的應(yīng)用范圍6-10。但夯土導(dǎo)熱系數(shù)較大，只有較厚土墻才具有較好的保溫蓄熱性能。陳端生等研究發(fā)現(xiàn) 0.5 m厚土墻全天從室內(nèi)吸收熱量，不能在夜間向室內(nèi)釋放熱量11。但目前關(guān)于土墻合理厚度的研究較少，實(shí)踐中農(nóng)戶盲目增大土墻厚度的現(xiàn)象非常嚴(yán)重，一些土墻底部厚度甚至可達(dá) 4.5 7 m， 不僅占用了大量的土地，導(dǎo)致日光溫室土地利用率低下，還對耕地土壤層有一定的破壞12-13。 為確定土墻的合理厚度，馬承偉等模擬了北京地區(qū)土墻厚度對日光溫室室內(nèi)夜間最低氣溫的影響，提出北京地區(qū)適宜的土墻厚度為 2.0 m，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加收稿日期：2015-09-15 修訂日期：2015-12-16 基金項(xiàng)目：“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計(jì)劃課題（2014BAD08B020101 ）；863 計(jì)劃資助課題（2013AA102407-3 ） 作者簡介：李 明，男，山西長治人，工程師，博士，從事設(shè)施園藝工程研究。北京 農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所， 100125。 Email： lognum126.com 土墻厚度對室內(nèi)夜間最低氣溫的提高程度有限5。 王曉東等根據(jù)墻體低限熱阻及墻體造價(jià)給出新疆塔城地區(qū)適宜的土墻厚度為 2.22.5 m14?？簶淙A等提出土墻厚度應(yīng)達(dá)到當(dāng)?shù)貎鐾翆雍穸?5。此外，彭東玲等發(fā)現(xiàn) 3 m 厚土墻在晴天的有效蓄熱層為 0.260.45 m16-17。李明等依據(jù)墻體通過溫度變化來儲蓄和釋放熱量的原理開發(fā)了土墻蓄熱層厚度的計(jì)算方法18。 上述研究為規(guī)范土墻建造起到了積極的推動(dòng)作用，但土墻占地面積大，對耕地土層破壞嚴(yán)重等根本問題仍未得到解決，亟需展開日光溫室土墻的輕簡化研究，即減薄土墻厚度，減少土墻耗土量，提高施工效率。為此，本研究擬針對土墻的傳熱過程進(jìn)行分析，提出日光溫室土墻的輕簡化方法并對其可行性進(jìn)行理論分析，從而為減少土墻占地面積和耗土量提供參考。 1 測試方法與參數(shù)選擇 1.1 試驗(yàn)溫室 試驗(yàn)溫室位于河北省廊坊市永清縣恒都美業(yè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)（11644 E， 3627N）。該溫室坐北朝南，東西長 50 m，南北寬 10 m，脊高 4.3 m，室內(nèi)地面下沉 1.5 m。溫室前屋面為鋼筋焊接桁架結(jié)構(gòu)，覆蓋材料為厚 0.1 mm 的聚乙烯薄膜。后屋面做法為稻草外覆蓋泥土，仰角為 45，水平投影寬度 0.5 。東西山墻及北墻為機(jī)打梯形土墻，頂部和底部的寬度分別為 2.0 和5.3 m。在前屋面頂部距屋脊 1.0 m 設(shè)有寬 0.5 m 的通風(fēng)口，使用放風(fēng)繩控制通風(fēng)口的開啟和關(guān)閉。試驗(yàn)溫室結(jié)構(gòu)如圖 1a 所示。 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 ） 2016 年 176 a. 試驗(yàn)日光溫室結(jié)構(gòu) a. Structure of test solar greenhouse b. 傳感器布置方案 b. Layout of measurement sensors 注： 為溫濕度記錄儀； 為熱電偶； 為太陽輻射記錄儀 Note: indicates temperature and humidity recorder; indicate thermal couple; indicate solar irradiation recorder. 圖 1 試驗(yàn)日光溫室結(jié)構(gòu)及傳感器布置方案 Fig.1 Structure of experiment solar greenhouse and layout of measurement sensors 測試期間為 2013 年 12 月 1 日 2014 年 3 月 1 日，試驗(yàn)溫室內(nèi)種植黃瓜，灌溉方式為膜下漫灌。試驗(yàn)溫室保溫被揭開和閉合的時(shí)間分別為 08:30 和 17:00。當(dāng)白天室內(nèi)溫度較高時(shí)，拉開前屋面后部的風(fēng)口進(jìn)行自然通風(fēng)。 1.2 測點(diǎn)布置 試驗(yàn)溫室中部有一條保溫被常年不揭開。為避免該保溫被陰影的影響，選擇測試溫室中部偏東 5 m 處的截面布置測試儀器。試驗(yàn)測點(diǎn)的布置方式如圖 1b 所示。土墻內(nèi)部溫度使用 T 型熱電偶測量（測量范圍： 180350），測量精度為 0.1。在距室外地平面 1.4 m 的位置使用鋼管從土墻內(nèi)側(cè)和外側(cè)打孔，該處土墻厚度為3.6 m。按一定間隔在孔道內(nèi)布置熱電偶，中間的孔隙使用土重新回填壓實(shí)，洞口處使用發(fā)泡膠填充。土墻內(nèi)熱電偶測點(diǎn)距土墻內(nèi)表面的距離為 0、 10、 20、 30、 40、 50、60、 90、 250、 310、 340、 350、 360 cm。土墻內(nèi)表面所截獲的太陽輻射采用垂直布置的太陽輻射記錄儀測量（QTS-4 全天候光輻數(shù)據(jù)自記儀，河北邯鄲叢臺益盟電子有限公司），測量范圍為 02 000 W ，測量精度為5% 。室內(nèi)外氣溫采用溫濕度記錄儀測量（ HOBO 溫度 /濕度數(shù)據(jù)記錄儀 UX100-00， Onset Co. 美國），精度為 0.2。土壤溫度采用土壤溫度記錄儀測量，傳感器埋深為地下0、 10 和 20 cm。 試驗(yàn) 中所有儀器 記錄的間隔 時(shí)間為 10 min。選擇2013 年 12 月 29 日 08:30 30 日 08:30 為典型晴天， 選擇2014 年 01 月 16 日 08:30 17 日 08:30 為典型陰天， 對典型日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 1.3 墻體內(nèi)表面溫度模擬方法 一維差分法是模擬墻體溫度的有效方法。馬承偉等、管勇等分別采用該方法模擬了黏土磚 +聚苯板+ 黏土磚復(fù)合墻和黏土磚+ 保溫板復(fù)合墻的墻體溫度，取得了較高的模擬精度19-20。為分析由聚苯板和夯土復(fù)合而成的墻體（以下簡稱“復(fù)合墻”）在夜間的供熱性能，按圖 2a對復(fù)合墻進(jìn)行控制節(jié)點(diǎn)劃分，并采用一維差分法對復(fù)合墻內(nèi)表面溫度進(jìn)行模擬。 a. 復(fù)合墻 a. Composite wall b. 土壤 b. Soil 注：i ，k ，j 和 n 為墻體控制節(jié)點(diǎn)；xi為節(jié)點(diǎn) i 與 i+1 之間的距離，m ； xi為節(jié)點(diǎn) i 控制區(qū)寬度，m ；s 0，s 1，s 2，s 3 和 s4 為土壤控制節(jié)點(diǎn)。 Note: i， k， j and n are nodes of wall; xiis distance between nodes i and i+1, m; xi is width of control area i, m; s0, s1, s2, s3 and s4 are nodes of soil. 圖 2 復(fù)合墻與土壤節(jié)點(diǎn)劃分圖 Fig.2 Nodes in composite wall and soil 聚苯板內(nèi)部控制節(jié)點(diǎn) i 和夯土內(nèi)部控制節(jié)點(diǎn) k 的非穩(wěn)態(tài)傳熱差分方程如下 ,11111 1, , 1, ,1()()()in ini inin ininiiTTcxTTTTxx + = + ，（1 ） ,12222 1, , 1, ,1()()()kn knk knkn knknkkTTcxTTTTxx + = + 。（2 ） 式中 1 和 2 分別表示聚苯板和夯土； 為密度， kg/m3； c為比熱容， J/(kg )； 為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m )； Ti,n和Tk,n分別為控制節(jié)點(diǎn) i 和 k 在第 n 時(shí)刻的溫度 (n=0， 1，2， 3)，； 為計(jì)算步長， s； xi和 xk分別為控制節(jié)點(diǎn) i 與 i+1，以及控制節(jié)點(diǎn) k 與 k+1 之間的距離， m；xi=(x)i-1/2+(x)i/2和 xk=(x)k-1/2+(x)k/2分別為控制節(jié)點(diǎn) i 和 k 的控制區(qū)寬度， m。 聚苯板和夯土交界處節(jié)點(diǎn) j 的非穩(wěn)態(tài)傳熱差分方程如下 1,111 2 2121, , 1, ,1()22()()jjjnjnj n jn j n jnjjxxTTccTT TTxx + + =+ ， （ 3） 第 3 期 李 明等：日光溫室土墻傳熱特性及輕簡化路徑的理論分析 177 復(fù)合墻體外表面節(jié)點(diǎn) 0 和內(nèi)表面節(jié)點(diǎn) m 的非穩(wěn)態(tài)傳熱差分方程如下 0, 0, 111 1 0 1, 0, out out, 0,0()()( )nnnn nnTTcxThTTx = + ，（ 4） ,12221, , in in, ,()()()mn mnmmn mn n mn nmTTcxTThTT Sx =+ +。 （5 ） 式中 x0=(x)0/2； xn=(x)n-1/2；hin和 hout分別為墻體內(nèi)表面和外表面的換熱系數(shù)， W/(m2) ；Tin和 Tout分別為室內(nèi)和室外氣溫，；Sn為墻體內(nèi)表面所截獲的太陽輻射照度， W/m2； 為墻體內(nèi)側(cè)表面的太陽輻射吸收系數(shù)。 在計(jì)算時(shí)，為消除墻體溫度初始值未知造成的影響，本研究使用預(yù)演法來解決該問題，即通過循環(huán)計(jì)算來消除墻體初始狀態(tài)的影響20。另外，由于墻體在陰天日間所儲蓄的熱量低于其夜間放熱量，僅使用陰天的氣象數(shù)據(jù)循環(huán)計(jì)算墻體內(nèi)表面溫度的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)結(jié)果失真的現(xiàn)象。為此，選用在相鄰晴天和陰天所收集的數(shù)據(jù)模擬墻體在陰天的內(nèi)表面溫度。在本研究中，分別使用在 2013 年 12 月 29 日 08:30 30 日 08:30 和 2014 年01 月 14 日 08:30 17 日 08:30 收集的室內(nèi)外氣溫和土墻內(nèi)表面太陽輻射強(qiáng)度模擬復(fù)合墻在晴天和陰天的內(nèi)表面溫度。 1.4 土壤表面溫度模擬方法 土壤表面溫度同樣采用一維差分法進(jìn)行計(jì)算。試驗(yàn)溫室內(nèi) 2 排黃瓜之間的土壤較為干燥。另外，測試期間黃瓜密度為 6.7 棵/m2，高度為 1.52.0 m 。在作物冠層影響下，地面上太陽光較少。為簡化計(jì)算，本研究忽略太陽輻射對土壤溫度的影響。另外，土壤溫度波幅隨著深度增加而減少。當(dāng)土壤深度達(dá)到某一深度時(shí)，土壤溫度可認(rèn)為不隨時(shí)間變化。在計(jì)算時(shí)，可取土壤具有一定溫度變化的部分為計(jì)算對象，土壤深處界面為恒溫面。本研究取地下 022.5 cm 土壤為計(jì)算對象并按圖 2b 劃分控制節(jié)點(diǎn)。 土壤內(nèi)部控制節(jié)點(diǎn) s1、 s2 和 s3 的非穩(wěn)態(tài)傳熱差分方程如下 ,122(1), , (1), ,(1)()() )si n si nsis i n si n s i n si nsi siTTcxTT TTxx+ =+ ， （ 6） 式中 Tsi,n為控制節(jié)點(diǎn) si（s 1、s2 和 s3）在第 n 時(shí)刻的溫度( n=0， 1， 2， 3)，； xsi為控制節(jié)點(diǎn) si 與 s(i+1)之間的距離， m； xsi=(x)s(i-1)/2+(x)si/2為控制節(jié)點(diǎn) si的控制區(qū)寬度，m 。 土壤表面控制節(jié)點(diǎn) s0 和靠近恒溫界面的控制節(jié)點(diǎn) s4的非穩(wěn)態(tài)傳熱差分方程如下 0, 0, 122 021, 0, in in, 0,0()()()sn snss nsn nsnsTTcxTT hTTx =+ ， （7 ） 4, 4, 122 43, 4, 4,34()()()sn snss nsn csnssTTcxTT TTxx =+ 。 （ 8） 式中 Tc為土壤恒溫界面溫度，。 1.5 參數(shù)選擇 由于試驗(yàn)溫室土墻的表面呈淺黃色，土墻內(nèi)表面的太陽輻射吸收系數(shù) 按民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50716 1993）取 0.519。其他參數(shù)的取值如表 1 所示。 表 1 計(jì)算模型的參數(shù) Table 1 Parameters of simulation model 參數(shù) Parameters 數(shù)值Values夯土密度 Density of rammed earth /(kgm-3) 2 00021夯土比熱容 Specific heat capacity of rammed earth/(J(kg )-1) 1 01021夯土導(dǎo)熱系數(shù) Thermal conductivity coefficient of rammed earth/(W(m)-1) 1.5021聚苯板密度 Density of polystyrene board /(kgm-3) 822聚苯板比熱容 Specific heat capacity of polystyrene board /(J(kg)-1) 1 34022聚苯板導(dǎo)熱系數(shù) Thermal conductivity coefficient of polystyrene board/(W(m)-1)0.032722墻體內(nèi)表面換熱系數(shù) Inner surface heat convective transfer coefficient of wall/(W(m2 )-1) 8.721墻體外表面換熱系數(shù) Exterior surface heat convective transfer coefficient of wall/(W(m2 )-1)19.0212 結(jié)果與分析 2.1 土墻內(nèi)表面太陽輻射與室外氣溫 測試期間土墻內(nèi)表面太陽輻射照度和室外氣溫變化如圖 3 所示。 a. 晴天 a. Sunny day b. 陰天 b. Cloudy day 注：晴天為 2013 年 12 月 29 日 08:3030 日 08:30；陰天為 2014 年 1 月 16日 08:30 17 日 08:30。下同。 Note: Sunny day is from 08:30 on Dec. 29, 2013 to 08:30 on next day; Cloudy day is from 08:30 on Jan. 16, 2014 to 08:30 on next day. The same as below. 圖 3 晴天和陰天室外氣溫與土墻內(nèi)表面太陽輻射 Fig.3 Outdoor air temperature and solar irradiation on inner surface of soil wall in sunny and cloudy day 在晴天（ 2013 年 12 月 29 日30 日）保溫被揭開期間，室外氣溫先升高后降低，其最高值和最低值分別為11.7 和 9.6，出現(xiàn)在 12 月 29 日 13:20 和 08:30。在保溫被閉合期間，室外氣溫為( 8.32.6)，最低值為12.1，出現(xiàn)在 12 月 30 日 06:50。晴天土墻內(nèi)表面所截獲的太陽輻射照度最高值出現(xiàn)在 12 月 29 日 13:20，為554 W/m2。在陰天（ 2014 年 1 月 16 日 17 日）保溫被揭開期間，室外氣溫先升高后降低，其最高值和最低值農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org ） 2016 年 178 分別為 10.6 和3.5，出現(xiàn)在 1 月 16 日 13:50 和 08:30。在保溫被閉合期間，室外氣溫為( 2.71.7) ，最低值為6.8，出現(xiàn)在 01 月 16 日 20:40。由于室外太陽輻射較弱，且日光溫室保溫被未完全揭開，該期間土墻內(nèi)表面所截獲的太陽輻射照度最高值僅 42.3 W/m2，出現(xiàn)在 1 月16 日 13:20。 2.2 土墻供熱情況 在上述氣象條件影響下，測試期間室內(nèi)氣溫與土墻內(nèi)表面溫度變化如圖 4 所示。晴天保溫被揭開后，室內(nèi)氣溫和土墻內(nèi)表面溫度迅速升高，但室內(nèi)氣溫僅在 12 月29 日 10:30 13:50 期間較土墻內(nèi)表面高 0.3 4.3。在12 月 29 日 13:50 17:00 期間，室內(nèi)氣溫和土墻內(nèi)表面溫度迅速下降，室內(nèi)氣溫較土墻內(nèi)表面溫度低 1.3 8.3。該結(jié)果表明土墻在午后即開始向室內(nèi)釋放熱量，導(dǎo)致午前儲蓄的部分熱量提前釋放。在保溫被閉合期間，土墻內(nèi)表面溫度較室內(nèi)氣溫高(5.80.7) ，表明土墻在夜間持續(xù)向室內(nèi)放熱。在此期間，室內(nèi)最低氣溫為 10.8，室內(nèi)外溫差為(21.80.9) 。 a. 晴天 a. Sunny day b. 陰天 b. Cloudy day 圖 4 晴天和陰天室內(nèi)氣溫與土墻內(nèi)表面溫度 Fig.4 Temperatures of indoor air and inner surface of soil wall in sunny and cloudy day 在陰天保溫被揭開之后，由于進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射較少，室內(nèi)氣溫先下降了約 2.0，然后逐漸升高至21.1 。從 14:20 開始，室內(nèi)氣溫不斷下降。在 11:0016:20 之間，室內(nèi)氣溫較土墻內(nèi)表面溫度高 06.9 ，而在其他時(shí)間段，室內(nèi)氣溫始終低于土墻內(nèi)表面溫度。在保溫被閉合期間，土墻內(nèi)表面溫度較室內(nèi)氣溫高(2.30.5) 。該結(jié)果表明土墻可在陰天夜間向室內(nèi)放熱。根據(jù)傳熱學(xué)原理，該期間的土墻內(nèi)表面熱流密度較晴天夜間低了 60% （假設(shè)墻體內(nèi)表面換熱系數(shù)為8.7 W/(m2 )。在此期間，室內(nèi)最低氣溫為 11.3 ，室內(nèi)外溫差為(14.10.5) ，較晴天低了 7.7 。 2.3 土墻內(nèi)部傳熱分析 晴天和陰天典型時(shí)刻的土墻溫度如圖 5 所示。在晴天，土墻內(nèi)表面的溫度波動(dòng)幅度最大，為 20.6。外表面溫度波幅為 8.8。但越往土墻深處，土墻溫度波幅逐漸減小。若定義土墻的可蓄熱厚度為室內(nèi)側(cè)土墻溫度波幅超過 0.5的部分，則測試條件下土墻的蓄熱層厚度低于 50 cm。在保溫被閉合期間，土墻溫度最高點(diǎn)從 0 向30 cm 處移動(dòng)，表明土墻在夜間向室內(nèi)放熱的墻體范圍不超過 30 cm，而且 0 50 cm 墻體同時(shí)向室內(nèi)和室外釋放熱量。該結(jié)果與彭東玲等研究結(jié)果一致17。 a. 晴天 a. Sunny day b. 陰天 b. Cloudy day 圖 5 晴天和陰天典型時(shí)刻土墻內(nèi)部溫度 Fig.5 Soil wall temperature at typical times in sunny and cloudy day 在陰天，土墻內(nèi)表面和外表面的溫度波幅分別為 3.3和 4.4 。在 10 60 cm 范圍內(nèi) ，土墻溫度在 15.6 17.0 之間變化。在 60 340 cm 范圍內(nèi)，土墻溫度隨土墻深度逐漸下降。在保溫被閉合期間，土墻溫度最高點(diǎn)穩(wěn)定在40 cm 處，但 10 40 cm 范圍內(nèi)土墻溫度之差不超過0.6 。因此，陰天土墻的主要放熱區(qū)域?yàn)?010 cm 。 根據(jù)上述分析，可發(fā)現(xiàn)土墻靠近室內(nèi)側(cè)部分具有一定的溫度波動(dòng)幅度，可儲存來自太陽輻射和室內(nèi)熱空氣的熱量，是土墻在夜間向室內(nèi)放熱的主要區(qū)域。另外，土墻中部溫度波幅可忽略，且溫度隨墻體厚度逐漸下降，說明該部分土墻不能儲蓄熱量，僅能用于防止蓄熱層熱量向室外流失。室外側(cè)部分土墻的溫度雖然也有一定波動(dòng)，但其溫度較低，其主要作用仍然是防止土墻內(nèi)部熱量流失。 根據(jù)上述分析，可將土墻劃分為蓄熱層和保溫層。蓄熱層位于室內(nèi)側(cè)，具有一定的溫度波幅，可承擔(dān)儲蓄熱量的功能；保溫層為土墻除去蓄熱層的部分，主要用于防止蓄熱層熱量向室外方向流失。根據(jù)上述蓄熱層定義及李明等19提出方法，測試條件下土墻在晴天的蓄熱層厚度最大，為 47 cm。 2.4 土墻輕簡化路徑的理論分析 2.4.1 采用保溫材料建造土墻保溫層的理論分析 由于夯土導(dǎo)熱系數(shù)較大，需要較厚的保溫層才能使土墻具有較好的保溫性能。針對試驗(yàn)溫室，大部分土墻均為保溫層。若保留土墻蓄熱層，采用導(dǎo)熱系數(shù)較小的聚苯板取代夯土建造保溫層，構(gòu)建夯土 -聚苯板復(fù)合墻體（以下簡稱復(fù)合墻），則可大大減小保溫層厚度，實(shí)現(xiàn)土墻的輕簡化。在本試驗(yàn)中，由于土墻陰天的蓄熱層厚度較小，可使用晴天的土墻蓄熱層作為復(fù)合墻蓄熱層。定第 3 期 李 明等：日光溫室土墻傳熱特性及輕簡化路徑的理論分析 179 義土墻蓄熱層為一天內(nèi)溫度波動(dòng)幅度大于 0.5 的部分，則晴天土墻蓄熱層厚度為 47 cm。土墻保溫層厚度為313 cm，熱阻為 2.1 m2 /W，相當(dāng)于 7 cm 厚的聚苯板。由此確定復(fù)合墻結(jié)構(gòu)為 47 cm 夯土+7 cm 聚苯板。 為探討使用保溫材料建造土墻保溫層對墻體夜間放熱量的影響，將測試期間測得的室內(nèi)外氣溫和土墻內(nèi)表面太陽輻射照度代入一維差分模型，對復(fù)合墻的內(nèi)表面溫度進(jìn)行了模擬，并與相同時(shí)間實(shí)測的土墻內(nèi)表面溫度進(jìn)行了對比。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，模擬的復(fù)合墻內(nèi)表面溫度在晴天和陰天夜間分別比實(shí)測的土墻內(nèi)表面溫度高(0.560.13) 和低 (0.680.16) ，但二者之間的差異均不超過 5%（圖 6）。該結(jié)果表明土墻保溫層可采用導(dǎo)熱系數(shù)更低的聚苯板的替代。由此，土墻挖土量可減少 85%，占地面積可減少 89.8%。因此，該輕簡化方法在理論上可行。考慮到目前還未出現(xiàn)類似構(gòu)造的墻體，還需進(jìn)一步研究來檢驗(yàn)上述輕簡化方法在實(shí)踐中的可行性。 注：復(fù)合墻由 47 cm 夯土與 7 cm 聚苯板復(fù)合而成。 Note: Composite wall was composed with 45 cm thick soil and 7 cm thick polystyrene board. 圖 6 晴天和陰天實(shí)測土墻內(nèi)表面溫度與模擬復(fù)合墻內(nèi)表面溫度 Fig.6 Measured inner surface temperature of soil wall and simulated inner surface temperature of composite wall in sunny and cloudy day 2.4.2 采用土壤蓄熱替代墻體蓄熱的理論分析 土壤表面在晴天夜間（2013 年 12 月 29 日 17:00 30日 08:30）和陰天夜間（ 2014 年 01 月 16 日 17:00 17 日08:30）的溫度分別較室內(nèi)空氣高 (3.20.8)和 (2.70.3)。表明土壤可在夜間向室內(nèi)供熱。根據(jù)測試結(jié)果，土壤在晴天和陰天夜間向室內(nèi)放熱的熱流密度分別為(27.85.4)和 (22.72.0) W/m2（假設(shè)土壤表面對流換熱系數(shù)為8.7 W/(m2) ），分別為土墻的 57%和 121%。但由于土壤面積為土墻內(nèi)表面面積的 2.3 倍，土壤在晴天和陰天夜間的總放熱量分別為 769 和 669 MJ，是土墻的 1.3 和 2.9 倍。 在測試期間，地下 20 cm 處的土壤溫度在晴天和陰天分別為 (17.20.1)和 (16.80.1) ，其差別可以忽略。因此，土壤在晴天和陰天夜間的放熱較為穩(wěn)定。而土墻則受陰天太陽輻射強(qiáng)度減小的影響，陰天夜間土墻內(nèi)表面的熱流密度較晴天夜間下降了 60%。因此，日光溫室土壤放熱較為穩(wěn)定，受室內(nèi)太陽輻射的影響較小。 為研究土壤深層溫度對土壤放熱的影響，使用一維差分法對晴天和陰天的土壤表面溫度進(jìn)行了模擬，并與實(shí)測溫度進(jìn)行了比較（圖 7）。在晴天和陰天日間，土壤模擬溫度與實(shí)測溫度之間的最大相對誤差均達(dá)到了 13%。這可能是由于模擬中忽略了地面太陽輻射，導(dǎo)致模擬的日間土壤表面溫度較低。在未來的研究中，應(yīng)盡可能考慮作物冠層透光率對土壤溫度模擬的影響，提高模擬精度。但是在晴天與陰天夜間，土壤表面的實(shí)測溫度與模擬溫度之差分別為 0.5 和 0.1，相對誤差均低于 5%。因此，該模型可用于模擬試驗(yàn)條件下土壤深層溫度對土壤夜間供熱的影響。 圖 7 晴天和陰天日光溫室地下 20 cm 處溫度土溫度測試值與模擬值 Fig.7 Measured and simulated soil temperature at 20 cm underground in sunny and cloudy day 測試期間，土壤和土墻在晴天和陰天夜間的放熱量之和分別為 1 378 和 897 MJ。若將地下 20 cm 溫度提高至 23而室內(nèi)氣溫不變，土壤在晴天和陰天夜間所釋放的熱量分別為 1 433 和 1412 MJ，可超過測試條件下土壤和土墻在夜間所釋放熱量的總和。因此，使用土壤蓄熱替代墻體蓄熱在理論上可行。在實(shí)際中可采用地中熱水管23或燃池地中熱交換系統(tǒng)24來提高地溫。當(dāng)室內(nèi)地溫達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，可考慮使用保溫材料建造單一保溫墻體，進(jìn)一步減小土墻厚度，提高日光溫室土地利用效率25。 3 結(jié) 論 本文針對土墻的傳熱特性進(jìn)行了研究，通過分析土墻不同部分所承擔(dān)的功能及供熱情況，得出以下結(jié)論： 1）日光溫室土墻可根據(jù)承擔(dān)功能的不同劃分為蓄熱層和保溫層，分別承擔(dān)儲蓄熱量和防止蓄熱層熱量向室外流失的功能。根據(jù)測試結(jié)果，土墻在晴天和陰天的蓄熱層厚度分別不超過 0.5 和 0.1 m。 2）土墻夜間供熱情況受日間室內(nèi)太陽輻射影響較大。土墻在陰天夜間的放熱量較晴天夜間下降了 60%。但是室內(nèi)土壤放熱較為穩(wěn)定，受日間太陽輻射影響小。 3）根據(jù)模擬結(jié)果，使用聚苯板替代現(xiàn)有土墻保溫層后，墻體在夜間供熱量變化不大。另一方面，將土壤地下 20 cm 溫度提高到 23 后，土壤在夜間的放熱量相當(dāng)于原先土墻和土壤放熱量總合。因此，土墻在理論上可通過以下 2 條路徑實(shí)現(xiàn)輕簡化： 1）使用保溫材料建造保溫層； 2）使用土壤蓄熱替代墻體蓄熱。 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org ） 2016 年 180 參 考 文 獻(xiàn) 1 馬承偉，卜云龍，籍秀紅，等. 日光溫室墻體夜間放熱量計(jì)算與保溫蓄熱性評價(jià)方法的研究J. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)科學(xué)版，2008，26(5)：411415. 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