李　明，周長吉，周　濤，尹義蕾，富建魯，王志強，齊長紅（1.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所，北京 10012；　2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點實驗室，北京 10012；.北京節(jié)能環(huán)保中心，北京100029；　.農(nóng)業(yè)部工程建設(shè)服務(wù)中心，北京 100081；　.北京市昌平區(qū)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，北京 102200）

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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4，齊長紅5
（1.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院設(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)工程重點實驗室，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

李明，周長吉，周濤，尹義蕾，富建魯，王志強，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，2016，32（3）：175－181.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.025http://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 methods[J]. 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4～8℃[5]。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。

土墻是當前農(nóng)村應(yīng)用最為廣泛的日光溫室墻體類型之一。進入21世紀后，履帶機和挖掘機等機械的使用大大加快了土墻的建造效率，進一步推動了土墻的應(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，實踐中農(nóng)戶盲目增大土墻厚度的現(xiàn)象非常嚴重，一些土墻底部厚度甚至可達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)上進一步增加土墻厚度對室內(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給出新疆塔城地區(qū)適宜的土墻厚度為2.2～2.5 m[14]?？簶淙A等提出土墻厚度應(yīng)達到當?shù)貎鐾翆雍穸萚15]。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0.26～0.45 m[16-17]。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算方法[18]。

上述研究為規(guī)范土墻建造起到了積極的推動作用，但土墻占地面積大，對耕地土層破壞嚴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行分析，提出日光溫室土墻的輕簡化方法并對其可行性進行理論分析，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試驗溫室

試驗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)（116°44′E，36°27′N）。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 m。東西山墻及北墻為機打梯形土墻，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的通風口，使用放風繩控制通風口的開啟和關(guān)閉。試驗溫室結(jié)構(gòu)如圖1a所示。

圖1　試驗日光溫室結(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，試驗溫室內(nèi)種植黃瓜，灌溉方式為膜下漫灌。試驗溫室保溫被揭開和閉合的時間分別為08:30和17:00。當白天室內(nèi)溫度較高時，拉開前屋面后部的風口進行自然通風。

1.2測點布置

試驗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。試驗測點的布置方式如圖1b所示。土墻內(nèi)部溫度使用T型熱電偶測量（測量范圍：?180～350℃），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，洞口處使用發(fā)泡膠填充。土墻內(nèi)熱電偶測點距土墻內(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0～2 000 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。

試驗中所有儀器記錄的間隔時間為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)合墻進行控制節(jié)點劃分，并采用一維差分法對復(fù)合墻內(nèi)表面溫度進行模擬。

圖2　復(fù)合墻與土壤節(jié)點劃分圖Fig.2　Nodes in composite wall and soil

聚苯板內(nèi)部控制節(jié)點i和夯土內(nèi)部控制節(jié)點k的非穩(wěn)態(tài)傳熱差分方程如下

式中1和2分別表示聚苯板和夯土；ρ為密度，kg/m3；c為比熱容，J/(kg·℃)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m ℃)；Ti,n和Tk,n分別為控制節(jié)點i和k在第n·Δτ時刻的溫度(n=0，1，2，3……)，℃；Δτ為計算步長，s；δxi和δxk分別為控制節(jié)點i與i+1，以及控制節(jié)點k與k+1之間的距離，m；Δxi=[(δx)i-1/2+(δx)i/2]和Δxk=[(δx)k-1/2+(δx)k/2]分別為控制節(jié)點i和k的控制區(qū)寬度，m。

聚苯板和夯土交界處節(jié)點j的非穩(wěn)態(tài)傳熱差分方程如下

復(fù)合墻體外表面節(jié)點0和內(nèi)表面節(jié)點m的非穩(wěn)態(tài)傳熱差分方程如下

式中Δx0=(δx)0/2；Δxn=(δx)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；α為墻體內(nèi)側(cè)表面的太陽輻射吸收系數(shù)。

在計算時，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)計算墻體內(nèi)表面溫度的時候會出現(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行計算。試驗溫室內(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1.5～2.0 m。在作物冠層影響下，地面上太陽光較少。為簡化計算，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。當土壤深度達到某一深度時，土壤溫度可認為不隨時間變化。在計算時，可取土壤具有一定溫度變化的部分為計算對象，土壤深處界面為恒溫面。本研究取地下0～22.5 cm土壤為計算對象并按圖2b劃分控制節(jié)點。

土壤內(nèi)部控制節(jié)點s1、s2和s3的非穩(wěn)態(tài)傳熱差分方程如下

式中Tsi,n為控制節(jié)點si（s1、s2和s3）在第n·Δτ時刻的溫度(n=0，1，2，3……)，℃；δxsi為控制節(jié)點si與s(i+1)之間的距離，m；Δxsi=[(δx)s(i-1)/2+(δx)si/2]為控制節(jié)點si的控制區(qū)寬度，m。

土壤表面控制節(jié)點s0和靠近恒溫界面的控制節(jié)點s4的非穩(wěn)態(tài)傳熱差分方程如下

式中Tc為土壤恒溫界面溫度，℃。

1.5參數(shù)選擇

由于試驗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)α按《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB50716－1993）取0.5[19]。其他參數(shù)的取值如表1所示。

表1　計算模型的參數(shù)Table 1　Parameters of simulation model

2　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。

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(?8.3±2.6)℃，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(?2.7±1.7) ℃，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(5.8±0.7)℃，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(21.8±0.9)℃。

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11:00～16:20之間，室內(nèi)氣溫較土墻內(nèi)表面溫度高0～6.9 ℃，而在其他時間段，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(2.3±0.5) ℃。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(14.1±0.5) ℃，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，土墻溫度最高點從0向30 cm處移動，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]。

圖5　晴天和陰天典型時刻土墻內(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)域為0～10 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，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，實現(xiàn)土墻的輕簡化。在本試驗中，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。定義土墻蓄熱層為一天內(nèi)溫度波動幅度大于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)表面溫度進行了模擬，并與相同時間實測的土墻內(nèi)表面溫度進行了對比。根據(jù)計算結(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測的土墻內(nèi)表面溫度高(0.56±0.13) ℃和低(0.68±0.16) ℃，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?？紤]到目前還未出現(xiàn)類似構(gòu)造的墻體，還需進一步研究來檢驗上述輕簡化方法在實踐中的可行性。

圖6　晴天和陰天實測土墻內(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(3.2±0.8)和(2.7±0.3)℃。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(27.8±5.4) 和(22.7±2.0) 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(17.2±0.1)和(16.8±0.1) ℃，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行了模擬，并與實測溫度進行了比較（圖7）。在晴天和陰天日間，土壤模擬溫度與實測溫度之間的最大相對誤差均達到了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。當室內(nèi)地溫達到設(shè)計要求時，可考慮使用保溫材料建造單一保溫墻體，進一步減小土墻厚度，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行了研究，通過分析土墻不同部分所承擔的功能及供熱情況，得出以下結(jié)論：

1）日光溫室土墻可根據(jù)承擔功能的不同劃分為蓄熱層和保溫層，分別承擔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。

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Heat transfer process of soil wall in Chinese solar greenhouse and its theoretical simplification methods

Li Ming1,2, Zhou Changji1,2, Zhou Tao3, Yin Yilei1,2, Fu Jianlu1,2, Wang Zhiqiang4, Qi Changhong5
(1. Institute of Facility Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Engineering, Beijing 100125, China; 2. Key Laboratory of Farm Building in Structure and Construction, Ministry of Agriculture, Beijing 100125, China; 3. Beijing Energy Conservation and Environmental Protection Center, Beijing 100029, China; 4. China Agricultural Engineering Consulting Center, Beijing 100081, China; 5. Beijing Changping District Agricultural Service Center, Beijing 102200, China)

Abstract:Soil wall of the Chinese solar greenhouse (hereafter referred to as “solar greenhouse”) has problems of occupying large area and damaging the cultivation land. The simplification of soil wall, which means decreasing the thickness and soil use of the soil wall, becomes very important. The purpose of this study is to develop simplification methods of soil wall.A simplification wall with less soil use was proposed based on the measured temperature of soil wall and analysis of feasibility of those methods. The tested solar greenhouse was located in Yongqing county, Lanfang city, Hebei province (116°44′ E, 36°27′N). It is 50 m long and 10 m wide. The top and bottom thicknesses of the soil wall were 2.0 and 5.3 m, respectively. Its average thickness was 3.6 m. The test period was from Dec. 01, 2013 to Mar. 30, 2014. During that time, the tested solar greenhouse was used to growing cucumber with surface irrigation. The heat insulation sheet of the solar greenhouse was rolled up and down at 8:30 am and 5:00 pm daily, respectively. The wind vent was open if the indoor air temperature was high during daytime. The indoor and outdoor air temperatures, solar irradiating on the inner surface of the wall, the temperatures in the soil wall and indoor soil were measured continuously at a time interval of 10 min. The data collected in a typical cloudy day ( 08:30 am of Dec. 29, 2013 to 08:30 am of Dec. 30, 2013) and a typical sunny day (08:30 am of Jan. 16, 2014 to 08:30 am of Jan. 17, 2014) were used to study the heat transfer pattern of the soil wall. Based on the measured temperature in the soil wall, the soil wall can be divided into heat storage layer and heat insulation layer. The heat storage layer had large temperature fluctuation and can be used for storing heat during daytime and release heat into the solar greenhouse during nighttime. The temperature of the heat insulation layer was lower than that of the heat storage layer and mainly used to prevent the heat in the heat storage layer from losing. Under the test conditions, the thicknesses of heat storage and insulation layers were 47 cm and 313 cm, respectively. Considering that the heat resistance of the heat insulation layer equals that of 7 cm polystyrene board, a composite wall with 7 cm polystyrene board and 47 cm rammed soil in the direction from exterior to interior was proposed. The results showed that under same conditions, the differences between the measured inner surface temperature of the soil wall and the simulated inner surface temperature of the composite wall was less than 5% in both sunny and cloudy days. The application of the polystyrene board can reduce the thickness and occupied area of soil wall by 85.0% and 89.8%, respectively in comparison with the conventional soil wall. On the other hand, the heats released by the indoor soil during the nights of sunny and cloudy day were 1.3 and 2.9 times more compared to those released by the soil wall. According to the simulation results, by increasing the 20 cm surface soil temperature from 17.0℃ to 23℃, the heat released by the indoor soil during nighttime were more than the measured heat released by both soil wall and indoor soil. In this case, the soil wall can be replaced by the wall build with thermal insulation material only. The thickness of soil wall can be further decreased. We concluded that the soil wall can be simplified by the following methods: 1) building its heat insulation layer with thermal insulation material, or 2) building the wall with thermal insulation material and increasing the indoor soil temperature.

Keywords:greenhouses; soils; walls; heat storage; simplification

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)計研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所，100125。Email：lognum@126.com

基金項目：“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃課題（2014BAD08B020101）；863計劃資助課題（2013AA102407-3）

收稿日期：2015-09-15

修訂日期：2015-12-16

中圖分類號：S625.1

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819(2016)-03-0175-07

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.025