鮑恩財(cái)，曹晏飛，鄒志榮，張 勇※

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不同結(jié)構(gòu)主動(dòng)蓄熱墻體日光溫室傳熱特性

鮑恩財(cái)1,2，曹晏飛1，鄒志榮1，張 勇1※

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100； 2. 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210014）

主動(dòng)蓄熱墻體日光溫室具有良好的蓄能效果，對改善日光溫室內(nèi)的熱環(huán)境起到了重要作用。但是對其如何有效地提高了溫室的儲(chǔ)能效率的特性和機(jī)理研究還有待進(jìn)一步探索，以及如何進(jìn)一步優(yōu)化其性能，明確設(shè)計(jì)指標(biāo)需要深入研究。該文在深入研究日光溫室熱量散失規(guī)律的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了傳統(tǒng)主動(dòng)蓄熱墻體日光溫室（G1）、回填裝配式主動(dòng)蓄熱墻體日光溫室（G2），并試驗(yàn)測試了G1和G2主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的進(jìn)出口溫濕度、墻體表面熱流密度、室內(nèi)氣溫等參數(shù)，詳細(xì)分析其傳熱規(guī)律和特性。結(jié)果表明：典型晴天（2017年12月31日）蓄熱時(shí)段G1、G2主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的進(jìn)、出口平均溫差分別為10.2、11.6 ℃，平均蓄熱熱流密度分別為90.21、141.94 W/m2；典型陰天（2018年1月14日）放熱時(shí)段G1、G2的進(jìn)、出口平均溫差分別為1.8、2.3 ℃，平均放熱熱流密度分別為7.48、5.66 W/m2。對墻體內(nèi)主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的傳熱特性進(jìn)行分析，G2的主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的蓄、放熱量均較G1多。對后墻除主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)以外的墻體外壁面被動(dòng)傳熱特性進(jìn)行分析，典型晴天蓄熱階段G1、G2整日的蓄熱量分別比放熱量多142.01、281.55 MJ；典型陰天放熱階段G1、G2的蓄熱量分別比放熱量少51.36、29.05 MJ，G2白天蓄熱量較多、夜間放熱量較少，表明G2墻體的長期儲(chǔ)熱能力較G1更高，更有利于溫室在長時(shí)間低溫寡照天氣條件保持更穩(wěn)定的室內(nèi)溫濕度環(huán)境。該文可為主動(dòng)蓄熱日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化及熱負(fù)荷設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)踐參考，并為主動(dòng)蓄熱日光溫室的進(jìn)一步發(fā)展奠定研究基礎(chǔ)。

墻體；溫室；溫度；主動(dòng)蓄熱；主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)；傳熱

0 引 言

傳統(tǒng)的日光溫室主要依靠被動(dòng)的方式利用太陽能蓄熱，對被動(dòng)蓄熱日光溫室的傳熱特性已有較多的研究，如佟國紅等[1]用頻率響應(yīng)法對不同厚度磚墻和聚苯板組成的共600 mm厚墻體的傳熱特性進(jìn)行了理論分析；李小芳等[2]利用熱反應(yīng)系數(shù)法和日光溫室熱環(huán)境的數(shù)學(xué)模型模擬分析了日光溫室墻體蓄熱量、墻體溫度以及室內(nèi)氣溫；籍秀紅[3]以1 d中夜間溫室北墻內(nèi)表面對內(nèi)的累積放熱量作為墻體整體結(jié)構(gòu)綜合熱性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)和選擇建造依據(jù)；李建設(shè)等[4]測試了晴、陰天氣條件下土質(zhì)后墻和地面的表面溫度及熱通量，結(jié)果表明，地面的熱緩沖能力總是大于墻體；管勇等[5]提出了日光溫室三重結(jié)構(gòu)相變蓄熱墻體構(gòu)筑方法，分析認(rèn)為相變蓄熱墻體比對照溫室北墻體的有效蓄熱量提高了26.6%、夜間放熱量累積供熱量提高了16.2%，另外通過測試發(fā)現(xiàn)透過前坡屋面照射在溫室北墻內(nèi)表面太陽能影響墻體溫度變化的深度有限，約占三重結(jié)構(gòu)相變蓄熱墻體總厚度（900 mm）的1/3；Ayyappan等[6]通過試驗(yàn)分析認(rèn)為溫室內(nèi)使用顯熱材料進(jìn)行蓄熱是最簡單、最廉價(jià)蓄熱方式；史宇亮等[7]分析了日光溫室土墻體溫度變化規(guī)律，計(jì)算了墻體的蓄、放熱量，得出表面土墻白天蓄積熱量的43%用于改善夜間溫室內(nèi)熱環(huán)境；李明等[8]采用一維差分法對日光溫室墻體及土壤表面溫度進(jìn)行模擬，結(jié)果表明土墻在陰天夜間的放熱量較晴天夜間下降了60%；何向麗等[9]設(shè)計(jì)了拆裝式黃麻纖維后墻溫室，通過蓄熱系數(shù)、熱阻、熱惰性指標(biāo)評(píng)價(jià)溫室后墻材料熱工性能。

日光溫室主動(dòng)蓄熱技術(shù)研究方面，張義等[10-14]設(shè)計(jì)了一種以水為介質(zhì)的水幕簾蓄放熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在日光溫室后墻表面，白天利用水幕簾中的水循環(huán)流動(dòng)吸收太陽能并匯入水池中，夜間利用水循環(huán)釋放熱量，與對照溫室相比，安裝有該系統(tǒng)的溫室夜間溫度提高5.4 ℃以上、作物根際溫度提高1.6 ℃以上；凌浩恕等[15-17]將雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器結(jié)合相變材料應(yīng)用于帶豎向風(fēng)道的日光溫室后墻，研究結(jié)果表明，當(dāng)集熱器長度為16 m、管內(nèi)空氣流速為2.0 m/s時(shí)，晴天條件下該系統(tǒng)可為室內(nèi)提供50～65 MJ 的熱量。

本課題組設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)蓄熱墻體日光溫室[18]，展開了一系列測試分析[19-23]，具有較好的蓄熱效果，對改善室內(nèi)夜間熱環(huán)境起到了重要作用，在多地進(jìn)行推廣應(yīng)用。本文在課題組前期研究的基礎(chǔ)上，深入分析主動(dòng)蓄熱墻體日光溫室的傳熱原理，進(jìn)一步在前文研究[23]的基礎(chǔ)上選擇典型晴天和典型陰天的測試參數(shù)對主動(dòng)蓄熱墻體日光溫室的傳熱特性進(jìn)行分析，包括主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)和后墻被動(dòng)蓄熱的傳熱特性，以期為主動(dòng)蓄熱日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化及熱負(fù)荷設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，并為這類溫室的進(jìn)一步發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)溫室

試驗(yàn)采用了2座新建溫室作為試驗(yàn)的對象，該試驗(yàn)溫室位于陜西省楊凌示范區(qū)旭榮農(nóng)業(yè)與陜西省設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心的共建基地內(nèi)（34°16￠N，108°06￠E），試驗(yàn)溫室建于2017年8月，試驗(yàn)進(jìn)行過程中，2座試驗(yàn)溫室內(nèi)均種植了作物番茄（試驗(yàn)作物定植于2017年11月5日），種植的栽培方式采用基質(zhì)袋培，灌溉方式為滴灌。試驗(yàn)溫室采用保溫被覆蓋進(jìn)行夜間的保溫，保溫被開啟時(shí)間為早晨09:00，關(guān)閉時(shí)間為17:00。全文中的保溫被覆蓋時(shí)段為夜間（17:00－次日09:00），保溫被開啟時(shí)段為白天（09:00－17:00）。試驗(yàn)過程中晴天正午時(shí)段打開溫室頂通風(fēng)口，通風(fēng)口開啟的時(shí)間為12:00，關(guān)閉的時(shí)間為當(dāng)日下午14:00。

供試驗(yàn)用的測試溫室基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中G1代表傳統(tǒng)主動(dòng)蓄熱墻體日光溫室[24-27]，該日光溫室的結(jié)構(gòu)跨度為10 m，溫室長度為32 m，溫室的朝向方位為南偏東5°，屋脊高度5.0 m，溫室后墻高度為3.6 m，該溫室結(jié)構(gòu)采光屋面為直線型屋面。試驗(yàn)溫室后墻的構(gòu)造結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外，溫室最內(nèi)為120 mm黏土磚墻，然后是960 mm相變固化土，再是120 mm黏土磚墻，最外邊為100 mm聚苯板保溫絕熱層，溫室后墻總厚度為1.3 m。溫室內(nèi)部的相變固化土的配方為當(dāng)?shù)攸S土添加8%摻量（質(zhì)量比）的相變固化劑攪拌均勻，并逐層夯實(shí)而成，相變固化劑配方見文獻(xiàn)[28]。試驗(yàn)溫室采用復(fù)合式承重骨架作為采光面支撐骨架，骨架間距為1 m，溫室后坡采用100 mm聚苯板+SBS防水層構(gòu)造，溫室前采光屋面采用PO高透光薄膜；另外一個(gè)試驗(yàn)溫室G2，結(jié)構(gòu)上采用回填裝配式主動(dòng)蓄熱墻體日光溫室[24,29-31]，后墻總厚度為1.3 m，結(jié)構(gòu)由外向內(nèi)為100 mm聚苯板+10 mm鋼筋網(wǎng)+1 170 mm相變固化土+10 mm鋼筋網(wǎng)+10 mm混凝土噴漿涂層，溫室結(jié)構(gòu)的其他構(gòu)造參數(shù)與G1一致，進(jìn)而突出溫室的墻體對比試驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性。

圖1 試驗(yàn)溫室結(jié)構(gòu)圖

1.1.2 主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)

試驗(yàn)溫室G1和G2的蓄熱系統(tǒng)類似，溫室內(nèi)部用于儲(chǔ)能的氣流運(yùn)動(dòng)方式相同，主動(dòng)儲(chǔ)能風(fēng)機(jī)的數(shù)量及功率一致。以G1試驗(yàn)溫室為例進(jìn)行說明，G1的主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)見圖2。在結(jié)構(gòu)上，G1試驗(yàn)溫室的橫向儲(chǔ)能風(fēng)道材料上采用了建筑工程中常用的預(yù)制混凝土空心板為基礎(chǔ)材料，均勻布置在溫室后墻的內(nèi)部，上下共布置4層，每層預(yù)制混凝土空心板的構(gòu)件規(guī)格為555 mm×120 mm，長度5 m，每個(gè)預(yù)制混凝土空心板具有儲(chǔ)能孔5個(gè)，每個(gè)儲(chǔ)能孔的直徑為80 mm；主動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的豎向儲(chǔ)能風(fēng)道為黏土磚砌筑的孔道，該孔道進(jìn)口截面尺寸為960 mm× 200 mm，出口部分截面尺寸為960 mm×400 mm；主動(dòng)儲(chǔ)能風(fēng)機(jī)采用軸流風(fēng)機(jī)（上海展鳴風(fēng)機(jī)電器有限公司生產(chǎn)），并采用負(fù)壓通風(fēng)的方式進(jìn)行儲(chǔ)能；儲(chǔ)能風(fēng)機(jī)共布置2臺(tái)，位置布置在溫室后墻中部的出風(fēng)口上方，每臺(tái)儲(chǔ)能風(fēng)機(jī)的額定功率為0.12 kW，出風(fēng)量為2 100 m3/h，風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速2 800 r/min。試驗(yàn)溫室G2除其他結(jié)構(gòu)與G1相同外，其橫向風(fēng)道的材料采用了直徑為200 mm的PVC-U半管均勻排布的方式，布置采用了單層集束布置，即每層并排布置3根PVC-U半管、間距100 mm，然后再在豎直方向上布置4層，該儲(chǔ)能系統(tǒng)的垂直風(fēng)道為直徑200 mm的PVC圓管（進(jìn)、出風(fēng)口尺寸一致）。

風(fēng)機(jī)的啟閉采用自動(dòng)控制模式，番茄在白天適宜空氣溫度范圍為18～25 ℃、夜間為8～13 ℃，夜間的最低耐受氣溫為5 ℃[32]。因此，設(shè)置白天（09:00－17:00）的室內(nèi)氣溫高于25 ℃開啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行蓄熱，低于20 ℃停止；夜間（17:00－次日09:00）的室內(nèi)氣溫低于13 ℃開啟進(jìn)行放熱，低于8 ℃時(shí)停止并發(fā)出警報(bào)，提醒進(jìn)行人工加溫。

圖2 主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)示意圖

1.2 測點(diǎn)布置

試驗(yàn)中的溫濕度測點(diǎn)布置在每座溫室的2個(gè)進(jìn)風(fēng)口和1個(gè)出風(fēng)口的位置，數(shù)量為各布置1個(gè)；溫濕度測點(diǎn)每座溫室內(nèi)部各布置2個(gè)，溫室度探頭分別布置在溫室長度方向上的3個(gè)等分截面處，溫室跨度方向的中部位置，高度為距離地面以上1.5 m高度處；試驗(yàn)溫室后墻長度方向上，居中位置布置1個(gè)熱流傳感器，傳感器距離地面1.5 m高。溫室內(nèi)的氣溫和相對濕度采用HOBO UX100-011型溫濕度記錄儀進(jìn)行記錄（該儀器的參數(shù)為：美國Onset公司，精度：溫度±0.2 ℃、相對濕度±2.5%）；熱流密度采用HFP01SC熱流傳感器進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄（該儀器的參數(shù)為：荷蘭Hukseflux公司生產(chǎn)，精度：±3%）測量；測量方法為，將熱流傳感器連接到34970A數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀上進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)的記錄（美國Agilent公司生產(chǎn)）。試驗(yàn)過程中，數(shù)據(jù)采集的時(shí)間段為2017年11月1日—2018年1月31日，所有的數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔均為30 min。試驗(yàn)中主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)、出風(fēng)口風(fēng)速測量采用testo 425熱敏風(fēng)速儀（德國Testo公司）進(jìn)行測試和記錄，精度：風(fēng)速±(0.03+5%) m/s測量實(shí)際風(fēng)速，分辨率0.01 m/s）。

1.3 指標(biāo)計(jì)算

1.3.1 蓄、放熱量

根據(jù)主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)、出口空氣溫濕度值結(jié)合空氣風(fēng)速和管徑等參數(shù)，計(jì)算得到系統(tǒng)運(yùn)行過程中的換熱量及冷凝水量，按下式計(jì)算：

（1）

（2）

1.3.2 能效比

參照能效比的一般定義，本文確定主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的能效比為1 d中蓄熱階段或放熱階段的總換熱量與風(fēng)機(jī)耗電量的比值，按下式計(jì)算：

式中P為風(fēng)機(jī)的額定功率，kW；為主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)蓄熱階段或放熱階段的運(yùn)行時(shí)間，s。

1.3.3 被動(dòng)蓄、放熱量

主動(dòng)蓄熱墻體在主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)為主動(dòng)和被動(dòng)聯(lián)合蓄/放熱，其余時(shí)間均為單一被動(dòng)蓄/放熱。按下式計(jì)算：

1.3.4 傳熱貢獻(xiàn)率

墻體傳熱量是通過主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的主動(dòng)式蓄放熱和后墻被動(dòng)式蓄放熱共同作用的結(jié)果，為了評(píng)價(jià)蓄熱方式對墻體傳熱特性的影響，本文提出傳熱貢獻(xiàn)率，表示蓄熱或放熱階段主動(dòng)傳熱量和被動(dòng)傳熱量與總傳熱量之比。

（6）

式中act為主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的傳熱貢獻(xiàn)率，%；pas為后墻被動(dòng)傳熱貢獻(xiàn)率，%；Q為總傳熱量，MJ，Q=act+pas。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及圖表的制作。

2 主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)傳熱原理

主動(dòng)蓄熱墻體日光溫室的熱量傳遞過程包括熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種基本方式。日光溫室后墻被動(dòng)傳熱過程已被諸多學(xué)者研究透徹，而關(guān)于主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的傳熱機(jī)理研究較少，本節(jié)重點(diǎn)分析主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)傳熱的原理。

日光溫室主動(dòng)蓄熱墻體與被動(dòng)蓄熱墻體的區(qū)別在于，前者后墻內(nèi)安裝有主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括傳熱風(fēng)道、軸流風(fēng)機(jī)及控制系統(tǒng)。傳熱風(fēng)道出口位置安裝有軸流風(fēng)機(jī)，軸流風(fēng)機(jī)以日光溫室室內(nèi)溫度（溫度隨室外的環(huán)境變化而變化）為啟動(dòng)信號(hào)，以達(dá)到最大限度地提高日光溫室墻體蓄熱量的目的。白天，由于太陽輻射使得溫室內(nèi)空氣溫度升高，有時(shí)氣溫可能超過作物生長的適宜溫度，而后墻被動(dòng)蓄熱的有效厚度有限、深層溫度依然較低，啟動(dòng)軸流風(fēng)機(jī)，使溫室內(nèi)的熱空氣流經(jīng)傳熱風(fēng)道，進(jìn)入傳熱風(fēng)道的熱空氣在風(fēng)道內(nèi)與管道壁面進(jìn)行強(qiáng)迫對流換熱，空氣中的熱能向后墻深層蓄熱體轉(zhuǎn)移，后墻深層的溫度升高，從而將空氣中的富余的熱能貯存到后墻深層中，在此過程中，也降低了室內(nèi)空氣中的溫度。夜間，當(dāng)溫室內(nèi)氣溫低于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)軸流式風(fēng)機(jī)，使空氣流經(jīng)傳熱風(fēng)道而被加熱，對流換熱后將后墻深層貯存的熱量隨氣流釋放到溫室內(nèi)，從而維持溫室內(nèi)空氣相對較高的溫度，主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的傳熱過程見圖3。

圖3 主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)傳熱原理圖

3 主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)傳熱特性分析

3.1 進(jìn)出口風(fēng)速

主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)出口風(fēng)速如表1所示，差異主要受墻體氣密性、管道形式影響，G1的出風(fēng)口風(fēng)速為2.82 m/s，顯著高于G2，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速卻較G2小，這是因?yàn)榛炷令A(yù)制板的對接處凹凸不平、粗糙度大導(dǎo)致管道密閉性較差，且管道孔數(shù)多、直徑小造成氣流運(yùn)動(dòng)分散。

表1 主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)出風(fēng)口風(fēng)速

注：不同字母表示處理間差異顯著（<0.05），±標(biāo)準(zhǔn)差，下同。

Note: Different characters indicate significant differences among treatments (<0.05),±standard deviation, the same below.

3.2 進(jìn)出口溫度

對不同天氣條件下主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的進(jìn)、出口溫度進(jìn)行分析。典型晴天（2017年12月31日09:00—次日09:00，下同）條件下主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)、出口溫度及相對濕度變化如圖4所示。由圖可知，主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)口溫度變化與室內(nèi)氣溫一致，因進(jìn)、出口位于溫室后墻頂部，故溫度略高于室內(nèi)氣溫（距離地面1.5 m高處），這是由于熱壓的自然向上運(yùn)動(dòng)引起的溫差；風(fēng)機(jī)按照設(shè)定程序在白天（09:00—17:00，下同）時(shí)段室內(nèi)氣溫達(dá)到25 ℃時(shí)開始啟動(dòng)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后均有出口氣溫降低隨后相對平穩(wěn)的過程，直至室內(nèi)氣溫低于20 ℃停止，說明該時(shí)段內(nèi)墻體在持續(xù)蓄熱，蓄熱時(shí)段G1、G2的進(jìn)、出口平均溫差分別為10.2、11.6 ℃；G1、G2的進(jìn)、出口平均相對濕度差分別為17.5%、29.3%；G1、G2的蓄熱時(shí)間分別為6、5 h，說明在白天室內(nèi)氣溫升高階段，G1略快于G2；隨著夜間（17:00—次日09:00，下同）室內(nèi)氣溫逐漸降低，當(dāng)室內(nèi)氣溫開始低于13 ℃時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)開始放熱，直至室內(nèi)氣溫低于8 ℃時(shí)停止，從圖中可以看出在典型晴天夜間室內(nèi)氣溫均高于8 ℃，故主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)可持續(xù)放熱，放熱時(shí)段G1、G2的進(jìn)、出口平均溫差分別為3.2、3.0 ℃；G1、G2的進(jìn)、出口平均相對濕度差分別為7.1%、13.5%；G1、G2的放熱時(shí)間分別為10.5、8.5 h，說明在保溫被覆蓋后室內(nèi)氣溫降低階段，G1明顯快于G2，這也說明2座溫室的夜間保溫能力為G2＞G1。

典型陰天（2018年1月14日 09:00—次日09:00，下同）條件下主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)、出口溫度變化如圖5所示。由圖可知，2座溫室在陰天室內(nèi)白天的氣溫未達(dá)到25 ℃，故主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)未啟動(dòng)，進(jìn)、出口溫度變化與室內(nèi)氣溫一致；白天的氣溫表現(xiàn)為G1低于G2，這是因?yàn)镚1前期蓄積的熱量不足或（且）散熱較多，故G1在夜間（17:00—次日09:00，下同）的氣溫迅速降低，G1、G2在夜間的放熱時(shí)間分別為16、9 h，進(jìn)、出口平均溫差分別為1.8、2.3 ℃，再次說明2座溫室的夜間保溫能力為G2＞G1；主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)期間G1、G2進(jìn)、出口平均相對濕度差分別為2.2%、13.2%。

3.3 傳熱效率

由文獻(xiàn)[33]計(jì)算得到主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)出風(fēng)口平均含濕量，計(jì)算結(jié)果如表2所示。將所有參數(shù)代入式（1）～（3）計(jì)算主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的蓄、放熱量與能效比的結(jié)果如表2所示。

由表2可知，典型晴天蓄熱階段G2的蓄熱量為215.27 MJ，是G1的1.8倍，其達(dá)到49.83，是G1的3.2倍，故G2的節(jié)能效果較佳，這是因?yàn)?座溫室的蓄熱時(shí)長相差較小，而G2的進(jìn)口風(fēng)速與截面面積均較大。典型晴天與典型陰天放熱階段，2座溫室的主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的放熱量均表現(xiàn)為G2較多，其中典型陰天條件下G1的放熱與G2相差較小，這是因?yàn)镚1的放熱時(shí)長較長，達(dá)到了16 h。無論是蓄熱還是放熱階段，2座溫室主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的能耗比均大于1，具有明顯的節(jié)能效果，尤其是G2的節(jié)能效果較為明顯。

圖4 典型晴天主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)、出口溫度及相對濕度變化（2017-12-31 09:00—次日09:00）

圖5 典型陰天主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)、出口溫度及相對濕度變化（2018-01-14 09:00—次日09:00）

表2 主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)平均含濕量和傳熱性能參數(shù) Table 2 Average moisture content and heat transfer performance parameters of active heat storage circulation system

3.4 墻體被動(dòng)傳熱特性分析

3.4.1 熱流密度

典型天氣條件下，后墻表面熱流密度變化如圖6所示。圖6a顯示了典型晴天后墻表面熱流密度變化，典型晴天G1、G2的最大蓄熱熱流密度分別為170.22、243.17 W/m2，平均蓄熱熱流密度分別為90.21、141.94 W/m2，蓄熱時(shí)長分別為7、6.5 h；G1、G2的平均放熱熱流密度分別為20.25、18.51 W/m2。

圖6 典型天氣后墻熱流密度變化

圖6b顯示了典型陰天后墻表面熱流密度變化，典型陰天G1、G2的最大蓄熱熱流密度分別為17.42、16.56 W/m2，平均蓄熱熱流密度分別為8.41、10.77 W/m2，蓄熱時(shí)長分別為3、3.5 h；G1、G2的最大放熱熱流密度分別為11.04、9.10 W/m2，平均放熱熱流密度分別為7.48、5.66 W/m2。因此，墻體表面熱流密度在蓄熱階段隨著光照強(qiáng)度的變化而變化，故變化幅度較大，放熱階段的變化較為平穩(wěn)。晴天條件下，G1與G2的后墻表面熱流密度差異較大，特別是蓄熱階段，這是因?yàn)閴w表面材料不一致（G1為黏土磚、G2為混凝土噴漿）。

3.4.2 蓄、放熱量

后墻的被動(dòng)蓄放熱量計(jì)算的結(jié)果如表3所示。

表3 墻體被動(dòng)傳熱特性

由表3可知，典型晴天蓄熱階段G2后墻被動(dòng)蓄熱量較G1高46.9%；放熱階段G2后墻被動(dòng)蓄熱量與G1差異較??；整日的蓄熱量均大于放熱量，G1、G2的蓄熱量分別比放熱量大142.01、281.55 MJ，這部分熱量在墻體內(nèi)部蓄積，用于提高墻體內(nèi)部蓄熱體溫度，G2剩余的熱量較多，表示G2墻體內(nèi)部蓄熱體溫度較高，這也與前期分析[23]結(jié)果一致。

典型陰天蓄熱階段G2后墻被動(dòng)蓄熱量較G1高46.4%；放熱階段G2后墻被動(dòng)放熱量較G1少26.2%；整日的蓄熱量均小于放熱量，G1、G2的蓄熱量分別比放熱量少51.36、29.05 MJ，這部分熱量來源于晴天墻體內(nèi)部蓄積的熱量，宏觀表現(xiàn)為陰天條件下墻體內(nèi)部的溫度低于晴天，G2白天蓄熱量較多、夜間放熱量較少，說明墻體的整體保溫能力較好，這也與前期分析[23]結(jié)果一致。

3.4.3 傳熱貢獻(xiàn)率

計(jì)算結(jié)果表明，主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)在典型晴天蓄熱階段G1、G2的蓄熱貢獻(xiàn)率分別為30.02%、34.32%；放熱階段，G1、G2的放熱貢獻(xiàn)率分別為27.38%、39.35%。典型陰天放熱貢獻(xiàn)率分別為36.41%、44.01%。因此，無論晴、陰天，主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)段內(nèi)，G2的蓄熱量、放熱量均為較大；后墻被動(dòng)傳熱過程中，G2的蓄熱量較大、放熱量較少。

4 討 論

因2座溫室的結(jié)構(gòu)尺寸一致，本文在計(jì)算主動(dòng)蓄熱墻體的主、被動(dòng)傳熱量時(shí)忽略了山墻和土壤傳熱對主動(dòng)蓄熱墻體傳熱量的影響，也未考慮主動(dòng)蓄熱墻體在軸流風(fēng)機(jī)未啟動(dòng)時(shí)段自然對流傳熱量的主動(dòng)蓄熱墻體傳熱量的影響。陳超[34]采用置于后墻外側(cè)頂部的太陽能空氣集熱器為日光溫室相變蓄熱后墻主動(dòng)供熱，使得主動(dòng)蓄熱量占整個(gè)墻體蓄熱量的21.9%，這對本文的借鑒作用在于，可額外通過增加室外熱量的利用為室內(nèi)供熱，提高蓄熱量。趙淑梅等[35]研究發(fā)現(xiàn)，在中空后墻日光溫室中，自然對流的后墻較非自然對流后墻白天蓄熱量提高了15.1%、夜晚放熱量提高了14.7%，中空后墻蓄熱部分為1 200 mm厚，而中空層厚度為600 mm厚，占據(jù)了一半的體積，故在無風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫對流情況下空氣自然對流量較大，對蓄、放熱量具有較好的提升效果。

目前的栽培管理方式需要在正午前后對日光溫室進(jìn)行了通風(fēng)降溫、換氣，在此過程中散失了大量的熱量，而本文創(chuàng)建的主動(dòng)蓄熱墻體日光溫室結(jié)構(gòu)，正是在充分明確日光溫室散熱機(jī)理的基礎(chǔ)上，根據(jù)溫室內(nèi)的熱量循環(huán)構(gòu)建的。另外，近期也有研究表明[33]日光溫室通風(fēng)換氣時(shí)的換熱損失約占整個(gè)日光溫室吸熱量的95.61%，如果能將這部分換熱損失轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存到溫室內(nèi)，這對日光溫室的熱環(huán)境的提升將具有顯著效果。

日光溫室墻體材料常見的熱物理參數(shù)指標(biāo)包括：導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、蓄熱系數(shù)、熱阻、熱惰性指標(biāo)等，文中未對該類參數(shù)進(jìn)行測定。文中G1和G2主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的管道材質(zhì)不一致，導(dǎo)致兩者的風(fēng)道阻力也不一致，本文試驗(yàn)過程中未關(guān)注風(fēng)道阻力、換熱系數(shù)。

5 結(jié) 論

1）典型晴天（2017年12月31日）和典型陰天（2018年1月14日）蓄、放熱時(shí)段的進(jìn)、出口平均溫差和時(shí)長均反映出2座溫室的夜間（17:00—次日9:00）保溫能力表現(xiàn)為G2>G1。

2）對主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的傳熱特性進(jìn)行分析，典型晴天蓄熱階段G2的蓄熱量為215.27 MJ、能效比49.83，分別是G1的1.8倍和3.2倍，典型晴天與典型陰天放熱階段，2座溫室的主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的放熱量均表現(xiàn)為G2較多，故G2的主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的蓄、放熱量較大，節(jié)能效果較好。

3）對后墻被動(dòng)傳熱特性進(jìn)行分析，典型晴天蓄熱階段G1、G2整日的蓄熱量分別比放熱量多142.01、281.55 MJ；典型陰天放熱階段G1、G2的蓄熱量分別比放熱量少51.36、29.05 MJ，故G2白天蓄熱量較多、夜間放熱量較少，說明墻體的整體保溫能力較好。

綜上，無論晴、陰天，主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)段內(nèi)，G2的的蓄熱量、放熱量均較大；后墻被動(dòng)傳熱過程中，G2的蓄熱量較多、放熱量較少。因此，G2墻體的長期儲(chǔ)熱能力較G1更高，更有利于溫室在長時(shí)間低溫寡照天氣條件保持更穩(wěn)定的室內(nèi)溫濕度環(huán)境。

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Characteristic of heat transfer for active heat storage wall with different structures in Chinese solar greenhouse

Bao Encai1,2, Cao Yanfei1, Zou Zhirong1, Zhang Yong1※

(1.712100,; 2.210014,)

Chinese solar greenhouse(hereafter CSG) is an efficient energy-saving greenhouse, and plays an important role in Chinese protected horticulture development. Active thermal storage back wall of CSG has excellent effect of energy storage. However, the hygrothermal performance of active thermal storage wall should be studied further. In this paper, heat transfer characteristics of active heat storage wall with different structures were studied. The CSG with traditional active heat storage wall (hereafter G1) and CSG with backfill-assembled active heat storage wall (hereafter G2) was introduced for experiment based on the operation experiments of heat loss of CSG. The humiture of inlet and outlet, the surface heat flux, temperature and humidity of experiment CSG had been tested. And the heat transfer characteristics were also studied. The results showed that the wind speed at outlet of G1 was 2.82 m/s, significantly higher than that of G2. However, the wind speed of inlet of G1 was smaller than that of G2. Under continuous sunny conditions, the average temperature difference between inlet and outlet of G1 and G2 were 10.2, 11.6 ℃, respectively, in the case of active thermal storage conditions; and the average temperature difference between inlet and outlet of G1 and G2 were 3.2 and 3.0 ℃ respectively, in the case of heat release conditions. Under continuous cloudy conditions, the average temperature difference between inlet and outlet of G1 and G2 were 1.8 and 2.3 ℃ respectively, in the case of heat release conditions; and the exothermic heat flux of G1 and G2 were 7.48 and 5.66 W/m2, respectively. The heat transfer characteristic of heat storage circulation system of active thermal storage wall were be analyzed. Research shows that the average heat exchange amount of G1 and G2 were 120.36 and 215.27 MJ, respectively, under continuous sunny conditions. And the energy efficiency ratio of G1 and G2 were 15.48 and 49.83, respectively. Therefore, the heat storage amount of G2 had a dramatic improvement compared to G1. The G2 had a better energy saving effect. Under continuous cloudy conditions, the G2 released more heat compared to G1. In the typical sunny day, the passive heat storage amount of back wall of G2 was 46.9% higher than G1 during the heat storage process and it was similar for both G1 and G2 during the heat release process. In the typical cloudy day, the passive heat storage amount of back wall of G2 was 46.4% higher than G1 during the heat storage process while the passive heat release amount of back wall of G2 was 26.2% lower than that of G1. In typical sunny day, the heat storage contributions of G1 and G2 were 30.02% and 34.32%, respectively and the heat release contributions of G1 and G2 were 27.38% and 39.35%, respectively. In typical cloudy day, the heat release contributions of G1 and G2 were 36.41% and 44.01%, respectively. Our study showed that the G2 had higher long-term heat storage capacity, and G2 would facilitate to maintain inner humiture stability of CSG under the long-term low temperature and cloudy conditions. This paper can provide a theoretical and practical guidance to thermal load design of CSG with active thermal storage system.

walls; greenhouse; temperature; active heat storage; active heat storage circulation system; heat transfer

鮑恩財(cái)，曹晏飛，鄒志榮，張 勇. 不同結(jié)構(gòu)主動(dòng)蓄熱墻體日光溫室傳熱特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(3)：189－197. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.024 http://www.tcsae.org

Bao Encai, Cao Yanfei, Zou Zhirong, Zhang Yong. Characteristic of heat transfer for active heat storage wall with different structures in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 189－197. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.024 http://www.tcsae.org

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.024

S625.1

A

1002-6819(2019)-03-0189-09

2018-05-14

2019-01-01

陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018TSCXL-NY-05-05）；寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大項(xiàng)目（2016BZ0901）；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項(xiàng)目（2016KTCL02-02）；江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金（CX(16)1002）

鮑恩財(cái)，助理研究員，博士，主要從事設(shè)施園藝工程方面的研究。Email：baoencai1990@163.com

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員：鮑恩財(cái)（E041200295S）

張 勇，副教授，博士，主要從事溫室建筑結(jié)構(gòu)及光熱環(huán)境和建筑園藝研究。Email：Landscape@nwsuaf.edu.cn

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員：張勇（E041200715S）