收稿日期：2023-02-02

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（52278118）

通信作者：杜震宇（1964—），男，博士、教授，主要從事可持續(xù)能源應(yīng)用方面的研究。dsdd2004@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0107 文章編號(hào)：0254-0096（2024）05-0431-10

摘 要：針對(duì)日光溫室砌塊承重墻體存在熱穩(wěn)定層，限制利用日間免費(fèi)得到的太陽(yáng)能用于夜間加熱，致使室內(nèi)空氣晝夜溫差大，不利于作物生長(zhǎng)的問(wèn)題，該文構(gòu)建一種帶重力循環(huán)環(huán)形管的新型主動(dòng)蓄放熱復(fù)合墻體，利用傳熱學(xué)理論建立該墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，耦合室內(nèi)空氣熱平衡方程，借助Matlab進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：在寒冷地區(qū)的冬季，新型主動(dòng)蓄放熱墻體夜間可使室內(nèi)空氣溫度提高1.21 ℃，相比無(wú)重力循環(huán)環(huán)形管墻體提高13.12%；日有效積溫提高7.88 ℃·h，相比提高4.84%；日平均熱負(fù)荷可降低4769.24 W/d，相比降低17.35%。該墻體能增強(qiáng)主動(dòng)蓄放熱能力，將更多太陽(yáng)能轉(zhuǎn)移到夜間使用，可有效降低日間過(guò)高室溫、提升夜間過(guò)低室溫，減小室內(nèi)氣溫日較差，有利于作物“四段變溫管理”，促進(jìn)冬季作物快速生長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能建筑；蓄熱；數(shù)值模擬；日光溫室；氣溫日較差；墻體

中圖分類號(hào)：S625""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

日光溫室是一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培作物的重要形式，它使作物在受控環(huán)境下生長(zhǎng)，以獲得更高的產(chǎn)量和更好的品質(zhì)［1］。其中日光溫室后墻的主要功能是承重、蓄熱、保溫，在平衡室溫和提高作物產(chǎn)量中發(fā)揮了重要作用［2］。但目前在中國(guó)多數(shù)地區(qū)的日光溫室后墻仍采用被動(dòng)吸收太陽(yáng)能的方式維持室內(nèi)熱環(huán)境［3］，這使得日光溫室室內(nèi)日間溫度過(guò)高、夜間溫度過(guò)低，不利于植物快速生長(zhǎng)，造成作物低產(chǎn)，無(wú)法滿足中國(guó)跨季節(jié)蔬果需求。所以優(yōu)化日光溫室后墻結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定室內(nèi)熱環(huán)境已成為推進(jìn)設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求。

針對(duì)優(yōu)化日光溫室后墻結(jié)構(gòu)，研究證實(shí)在后墻中利用相變材料可提高室內(nèi)空氣溫度［4-5］。管勇等［6］提出一種三重相變結(jié)構(gòu)墻體以改善室內(nèi)熱環(huán)境；周瑩等［7］利用ANSYS軟件分析復(fù)合相變保溫墻體的傳熱性能，但這些墻體蓄熱能力有限、內(nèi)部存在熱穩(wěn)定層，吸收的熱量無(wú)法傳遞到墻體內(nèi)部；凌浩恕等［8］針對(duì)該問(wèn)題提出一種帶豎向空氣通道的墻體，該墻體雖提高了太陽(yáng)能利用率，但在提高室內(nèi)夜間空氣溫度的同時(shí)也提高了日間室內(nèi)空氣溫度，日間過(guò)高的溫度并不利于作物生長(zhǎng)；徐微微等［9］提出在北墻表面敷設(shè)中空聚碳酸酯板制成的太陽(yáng)能水冷壁，在地下設(shè)置儲(chǔ)水箱，通過(guò)泵進(jìn)行水循環(huán)，以達(dá)到墻體日間蓄熱夜間放熱的目的，但這需消耗電能來(lái)提高墻體蓄熱量，并不節(jié)能；劉興安等［10］提出在日光溫室后墻敷設(shè)一種太陽(yáng)能集熱板以此提高室內(nèi)溫度，該板主要由銅管和磁控濺射光學(xué)薄膜組成，造價(jià)高昂，不利于推廣應(yīng)用。

綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出多種墻體構(gòu)造以優(yōu)化日光溫室墻體的蓄熱性能，然而這些墻體造價(jià)高昂或需消耗電能提高墻體蓄熱量，且這些墻體表面吸收的熱量無(wú)法有效地將熱量?jī)?chǔ)存到墻體內(nèi)部，致使墻體內(nèi)部形成熱穩(wěn)定層，降低了在夜間釋放的熱量。這導(dǎo)致日光溫室日間室內(nèi)空氣溫度過(guò)高、夜間空氣溫度較低，不利于植物生命活動(dòng)。對(duì)于日光溫室而言，提高墻體的蓄熱性能不僅要提高表面汲取的熱量，還要在確保承重的前提下提高墻體中間層的蓄放熱能力。

因此，本文針對(duì)現(xiàn)有墻體構(gòu)造的不足，首先基于相變材料蓄放熱特性以及重力循環(huán)流動(dòng)的熱交換特性，提出一種在墻體中間層內(nèi)部和內(nèi)表面相變材料中埋入重力循環(huán)環(huán)形管的新型日光溫室主動(dòng)蓄放熱墻體，該墻體不僅無(wú)需消耗額外能量且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，還可減少墻體內(nèi)部熱穩(wěn)定層，穩(wěn)定室內(nèi)熱環(huán)境。其次，基于傳熱學(xué)理論構(gòu)建這種新型主動(dòng)蓄熱放墻體的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行驗(yàn)證。最后，通過(guò)室內(nèi)空氣熱平衡關(guān)系式及作物“四段變溫管理”計(jì)算分析該墻體對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響。本文所提帶重力循環(huán)環(huán)形管的新型主動(dòng)蓄放熱復(fù)合墻體，以期為寒冷地區(qū)日光溫室墻體的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型建立

1.1 日光溫室物理模型建立

具有新型主動(dòng)蓄放熱墻體日光溫室的結(jié)構(gòu)示意如圖1a所示，主要由前屋面、后墻、土壤、后坡及保溫棉被等結(jié)構(gòu)組成。其中主動(dòng)蓄放熱墻體作為日光溫室后墻，結(jié)構(gòu)示意如圖1b所示。該復(fù)合墻體內(nèi)側(cè)采用一種石蠟復(fù)合相變定型材料（phase change material，PCM）［6］，利用石蠟材料吸收內(nèi)表面接受的熱能，通過(guò)相態(tài)變化將熱高效存儲(chǔ)到墻體內(nèi)，中部蓄熱層采用重型黏土砌塊磚，外側(cè)采用聚苯乙烯（expanded polystyrene，EP）保溫板，并在墻體內(nèi)層和中間層埋入循環(huán)環(huán)形管，管內(nèi)導(dǎo)熱介質(zhì)為水，利用兩層墻體之間的溫差，使環(huán)形管內(nèi)的水在重力的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行自然循環(huán)，蓄熱時(shí)將熱量從墻體內(nèi)壁面?zhèn)鬟f到墻體內(nèi)部，放熱時(shí)將內(nèi)部的熱量快速釋放到墻體內(nèi)表面。

1.2 新型主動(dòng)蓄放熱墻體基本傳熱單元模型構(gòu)建

1.2.1 控制方程及邊界條件

由于日光溫室后墻的傳熱過(guò)程較為復(fù)雜，在保證最大限度地真實(shí)反映后墻內(nèi)主動(dòng)蓄放熱循環(huán)系統(tǒng)的傳熱過(guò)程的前提下，在建立模型時(shí)，做出以下假設(shè)：假設(shè)墻體各層材料均為均質(zhì)同性材料；忽略相變材料的過(guò)冷現(xiàn)象，以及熱導(dǎo)率隨溫度變化的影響；忽略各層材料間的接觸熱阻；忽略墻體傳濕對(duì)傳熱的影響。

取圖1b所示的一段墻體結(jié)構(gòu)層作為分析對(duì)象，由于管中的水在北側(cè)墻體內(nèi)部豎向流動(dòng)，因此本文忽略墻體沿豎向方向的傳熱量，建立x-y平面上的二維模型。按圖1b中1-1剖面所示，確定墻體的基本傳熱單元如圖1c所示。其中[0≤x≤xPCM]為相變層；[xPCM≤x≤xBRICK]為蓄熱層；[xBRICK≤x≤xEPS]為保溫層；[x1≤x≤x2]、[x2≤x≤x3]及[yw≤y≤yn]為環(huán)形管所在位置。

相變層控制方程為：

[ρjcj?T?τ=??xλj?T?x+??yλj?T?y+ρjL?fs?τ，j=1] （1）

其中固相率為：

[fs=TL-TTL-TS]"""" （2）

密度為：

[ρ1=ρS，T≤TSρS+ρL/2，TSlt;Tlt;TLρL，T≥TL]"""" （3）

比熱容為：

[c1=cS，T≤TScS+cL/2，TSlt;Tlt;TLcL，T≥TL] （4）

導(dǎo)熱系數(shù)為：

[λ1=λS，T≤TSλS+λL-λS/2ΔT，TSlt;Tlt;TLλL，T≥TL]"""""" （5）

對(duì)于非相變層?fs/?τ=0，故蓄熱層及保溫層控制方程為：

[ρjcj?T?τ=??xλj?T?x+??yλj?T?y，j=2，3]""""" （6）

式中：[ρj]——材料密度，kg/m3；[cj]——材料比熱容，J/（kg·K）；[T]——節(jié)點(diǎn)溫度，K；[τ]——時(shí)間，s；[λj]——材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；[L]——相變材料的潛熱，J/kg；[fs]——相變材料的固相率；[j=1]——相變材料層；[j=2]——蓄熱層；[j=3]——保溫層；[ρS]——相變材料的固態(tài)密度，kg/m3；[ρL]——相變材料的液態(tài)密度，kg/m3；[cS]——相變材料的固態(tài)比熱容，J/（kg·K）；[cL]——相變材料的液態(tài)比熱容，J/（kg·K）；[λS]——相變材料的固態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；[λL]——相變材料的液態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；[TS]——相變材料固相溫度，K；[TL]——相變材料液相溫度，K。

對(duì)于管內(nèi)對(duì)流換熱，定性溫度為環(huán)形管內(nèi)水的平均溫度，特征長(zhǎng)度為管內(nèi)徑［11］：

[Nu=0.046Gr·Pr13]""" （7）

[hw=Nuλwd]"""""" （8）

式中：[Nu]——努謝爾特?cái)?shù)；[Gr]——格拉曉夫數(shù)；[Pr]——普朗特?cái)?shù)；[hw]——管內(nèi)水與管內(nèi)壁的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[λw]——水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；[d]——環(huán)形管管徑，m。

邊界條件應(yīng)滿足：

1）兩側(cè)壁面與室內(nèi)外空氣進(jìn)行的對(duì)流和輻射換熱

室內(nèi)側(cè)為：

["""""""""x=0，0≤y≤yn，λ1?T?x=hB1T-Ti+αβPCMIz+qB1c+qB1S1+qB1R1+qB1B2]" （9）

室外側(cè)為：

["""""""x=xEPS，0≤y≤yn，λ3?T?x=hB3To-T+βEPSIs+qB3sky-qB3B2]"""""" （10）

2） 管內(nèi)的水與管壁進(jìn)行的對(duì)流換熱

內(nèi)層為：

[x1≤x≤x2，y=yw，λ1?T?y=hwTw-T]""" （11）

中間層為：

[x3≤x≤x4，y=yw，λ2?T?y=hwTw-T]""" （12）

3） 絕熱邊界

傳熱單元下側(cè)為：

[0≤x≤xEPS，y=0，?T?y=0]"" （13）

傳熱單元上側(cè)為：

[0≤x≤x1，y=yn，?T?y=0]"""" （14）

[x2≤x≤x3，y=yn，?T?y=0]""" （15）

[x4≤x≤xEPS，y=yn，?T?y=0]""""" （16）

式中：[hB1]——墻體內(nèi)側(cè)與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[Ti]——室內(nèi)空氣溫度，K；[α]——前屋面塑料膜透過(guò)率；[βPCM]——相變材料吸收率；[Iz]——太陽(yáng)總輻照度，W/m2；[qB1c]——墻體內(nèi)表面與塑料膜內(nèi)表面單位面積輻射換熱量，W/m2；[qB1S1]——墻體內(nèi)表面與土壤表面單位面積輻射換熱量，W/m2；[qB1R1]——墻體內(nèi)表面與后坡內(nèi)表面單位面積輻射換熱量，W/m2；[qB1B2]——墻體內(nèi)表面與中間層單位面積熱傳導(dǎo)量，W/m2；[hB3]——墻體外側(cè)與室外空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[To]——室外空氣溫度，K；[βEPS]——保溫材料吸收率；[Is]——太陽(yáng)散射輻照度，包括地面反射輻射以及大氣長(zhǎng)波輻射，W/m2；[qB3sky]——墻體外表面與天空單位面積輻射換熱量，W/m2；[qB3B2]——墻體外表面向中間層單位面積熱傳導(dǎo)量，W/m2；[Tw]——定性溫度，K。

1.2.2 控制方程的離散與求解

墻體傳熱單元的控制方程以及邊界條件采用精度較高的隱式差分格式離散并采用均勻網(wǎng)格。取其中一組節(jié)點(diǎn)，如圖2所示［12］。P為中間節(jié)點(diǎn)，N、S、W、E為P相鄰節(jié)點(diǎn)。

控制方程離散過(guò)程如式（17）～式（21）所示。

[ρjcjΔxΔy（T1P-T0P）-ρjLΔxΔy（T0P-T1P2ω）=λjT1E-T1PσxE-T1P-T1WσxWΔyΔτ+λjT1N-T1PσyN-T1P-T1SσySΔxΔτ] （17）

[ρjcjΔxΔyΔτ（T1P-T0P）-ρjLΔxΔy2ωΔτT0P-T1P=λjΔyσxET1E+λjΔyσxWT1W+λjΔxσyNT1N+λjΔxσyST1S-λjΔyσxE+λjΔyσxW+λjΔxσyN+λjΔxσyST1P]""" （18）

[ρjcjΔxΔyΔτ+ρjLΔxΔy2ωΔτ+λjΔyσxE+λjΔyσxW+λjΔxσyN+λjΔxσyST1P=""""""""" λjΔyσxET1E+λjΔyσxWT1W+λjΔxσyNT1N+λjΔxσyST1S+"""""""" ρjcjΔxΔyΔτ+ρjLΔxΔy2ωΔτT0P]

（19）

其中，令：

[a1P=ρjcjΔxΔyΔτ+ρjLΔxΔy2ωΔτ+""""""""""""" λjΔyσxE+λjΔyσxW+λjΔxσyN+λjΔxσySa1E=λjΔyσxE，a1W=λjΔyσxW，a1N=λjΔxσyN，a1S=λjΔxσySa0P=ρjcjΔxΔyΔτ+ρjLΔxΔy2ωΔτ]"" （20）

則：

[a1PT1P=a1ET1E+a1WT1W+a1NT1N+a1ST1S+a0PT0PT1P=a1ET1E+a1WT1W+a1NT1N+a1ST1S+a0PT0Pa1P]""""" （21）

式中：[ω]——相變材料的相變半徑，即凝固溫度[TS]與融化溫度[TL]之差的1/2。

根據(jù)式（20）及式（21）利用Matlab編寫計(jì)算機(jī)程序求解墻體溫度場(chǎng)，其中離散方程采用收斂速度較快的Gauss-Seidel迭代法進(jìn)行計(jì)算；在進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，為加快收斂時(shí)間和求解值更穩(wěn)定，傅里葉數(shù)Fo需小于0.5［12］，故將時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為3 s；最大殘差設(shè)置為10-7。

1.3 日光溫室熱環(huán)境數(shù)學(xué)模型

利用日光溫室內(nèi)空氣的熱平衡原理和圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面的熱平衡原理對(duì)整個(gè)日光溫室進(jìn)行熱環(huán)境模型構(gòu)建。

1.3.1 室內(nèi)空氣

室內(nèi)空氣溫度熱傳遞過(guò)程主要是與塑料膜內(nèi)表面、土壤表面、后墻內(nèi)表面、后坡內(nèi)表面的熱交換以及通風(fēng)引起的與室外空氣進(jìn)行的熱交換。故其熱平衡方程可用式（22）表示［13］。

[CidTidτ=hcAcTc-Ti+hS1AS1TS1-Ti+"""""""""""""""""""""""nbsp;"""""" hB1AB1TB1-Ti+hR1AR1TR1-Ti+"""""""""""""""""""""""""""" Lρicp，i3600To-Ti]""""" （22）

式中：[Ci]——室內(nèi)空氣的熱容量，J/K；[hc]——塑料膜與室內(nèi)空氣對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[Ac]——塑料膜面積，m2；[Tc]——塑料膜內(nèi)表面溫度，K；[hS1]——土壤表面與室內(nèi)空氣對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[AS1]——表層土壤面積，m2；[TS1]——表層土壤溫度，K；[AB1]——墻體內(nèi)表面面積，m2；[TB1]——內(nèi)側(cè)墻體表面溫度，K；[hR1]——后坡內(nèi)表面與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[AR1]——后坡內(nèi)表面面積，m2；[TR1]——后坡內(nèi)側(cè)表面溫度，K；[ρi]——室內(nèi)空氣密度，kg/m3；[cp，i]——室內(nèi)空氣定壓比熱容，J/（kg·K）；[L]——通風(fēng)換氣量，[L=NVi]（其中[N]為換氣次數(shù)，次/h；[Vi]為室內(nèi)空氣體積，m3），m3/h。

1.3.2 土 壤

土壤熱傳遞過(guò)程主要由土壤表面與塑料膜內(nèi)表面、后墻內(nèi)表面、后坡內(nèi)表面之間的輻射換熱；土壤表面與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱；土壤表面與深層土壤之間的熱傳導(dǎo)；土壤內(nèi)部蒸發(fā)產(chǎn)生的潛熱交換。故土壤的熱平衡方程可用式（23），其余部分傳熱控制方程用式（24）表示。

表面熱平衡為：

[CS1dTS1dτ=βS1cAcTc-TS1+βS1B1AB1TB1-TS1+""""""""""""""""""""""""""""""""" βS1R1AR1TR1-TS1+hS1AS1Ti-TS1+""""""""""""""""""""""""""""""""" aS1AS1Iz+QS2S1-EsAsΔH]"""" （23）

其余部分傳熱控制方程為：

[CSmdTSmdτ=QSmS（m-1）-QS（m-1）S（m-2）]"" （24）

式中：[CS1]——表層土壤的熱容量，J/K；[βS1c]——土壤表面與塑料膜內(nèi)表面輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[βS1B1]——土壤表面與墻體內(nèi)表面輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[βS1R1]——土壤表面與后坡內(nèi)表面輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[aS1]——表層土壤對(duì)太陽(yáng)輻射吸收率；[QS2S1]——第二層土壤向表層土壤熱傳遞量，W；[Es]——表層土壤蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣，kg/（m2·s）；[ΔH]——水的蒸發(fā)潛熱，取2.26×106 J/kg；[CSm]——深層土壤的熱容量，J/K；[TSm]——m層土壤溫度，K；[QSmS（m-1）]——第m層土壤向第m-1層土壤熱傳遞量，W；[QS（m-1）S（m-2）]——第m-1層土壤向第m-2層土壤熱傳遞量，W。

1.3.3 墻 體

后墻熱傳遞包括后墻內(nèi)表面與塑料膜內(nèi)表面、土壤表面、后坡內(nèi)表面之間的輻射換熱；后墻內(nèi)表面與室內(nèi)空氣之間的對(duì)流換熱；后墻內(nèi)表面與外表面間的熱傳導(dǎo)；后墻外表面與室外空氣的對(duì)流換熱；后墻外表面與天空之間的輻射交換。故其熱平衡關(guān)系式和傳熱控制方程可用式（25）～式（27）表示。

內(nèi)表面熱平衡為：

[CB1dTB1dτ=βB1cAcTc-TB1+βS1B1AS1TS1-TB1+"""""""""""""""""""""""""""""""""" βR1B1AR1TR1-TB1+αβPCMIzAB1+"""""""""""""""""""""""""""""""""" hB1AB1Ti-TB1+QB1B2]" （25）

中間層傳熱控制方程為：

[CB2dTB2dτ=QB3B2-QB1B2]"" （26）

外表面熱平衡為：

[CB3dTB3dτ=βB3skyAB3Tsky-TB3+βEPSAB3Is+"""""""""""""""""""nbsp;"""""""""""" hB3AB3To-TB3-QB3B2"] （27）

式中：[CB1]——表層墻體的熱容量，J/K；[βB1c]——墻體表面與塑料膜內(nèi)表面輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[βB1S1]——墻體表面與土壤內(nèi)表面輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[βB1R1]——墻體內(nèi)表面與后坡內(nèi)表面輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[QB1B2]——中間層墻體向內(nèi)層墻體熱傳遞量，W；[CB2]——中間層墻體的熱容量，J/K；[TB2]——中間層墻體的溫度，K；[QB3B2]——外層墻體向中間層墻體熱傳遞量，W；[CB3]——外層墻體的熱容量，J/K；[TB3]——墻體外側(cè)溫度，K；[βB3sky]——墻體外表面與天空輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[Tsky]——有效天空溫度，K；[AB3]——墻體室外側(cè)面積，m2。

1.3.4 后 坡

后坡熱傳遞過(guò)程主要由后坡內(nèi)表面與塑料膜內(nèi)表面、土壤表面、后墻內(nèi)表面之間的輻射換熱；后坡內(nèi)表面與室內(nèi)空氣之間的對(duì)流換熱；后坡內(nèi)表面與外表面間的熱傳導(dǎo)；后坡外表面與室外空氣的對(duì)流換熱；后坡外表面與天空之間的輻射交換。故其熱平衡關(guān)系式可用式（28）和式（29）表示。

內(nèi)側(cè)熱平衡為：

[CR1dTR1dτ=βR1cAcTc-TR1+βR1S1AS1TS1-TR1+"""""""""""""""""""""""""""""""""" βR1B1AB1TB1-TR1+aR1AR1Iz+"""""""""""""""""""""""""""""""""" αR1AR1Ti-TR1+QR2R1]"""""" （28）

外側(cè)熱平衡為：

[CR2dTR2dτ=βR2skyAR2Tsky-TR2+aR2AR2Is+""""""""""""""""""""""""""""""""""" hR2AR2To-TR2-QR2R1]" （29）

式中：[CR1]——后坡內(nèi)側(cè)的熱容量，J/K；[βR1c]——后坡表面與塑料膜內(nèi)表面輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[βR1S1]——后坡內(nèi)表面與土壤內(nèi)表面輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）； [βR1B1]——后坡內(nèi)表面與墻體表面輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[aR1]——表層后坡對(duì)太陽(yáng)輻射吸收率；[QR2R1]——外側(cè)后坡向內(nèi)側(cè)后坡熱傳遞量，W；[CR2]——后坡外側(cè)的熱容量，J/K；[TR2]——后坡外表面溫度，K；[βR2sky]——后坡外表面與天空輻射換熱系數(shù)，W/（m2/K）；[hR2]——后坡外側(cè)與室外空氣對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[aR2]——后坡外側(cè)對(duì)太陽(yáng)輻射吸收率；[AR2]——后坡外側(cè)面積，m2。

1.3.5 前屋面

前屋面日間是僅PVC透光覆蓋膜，夜間需加保溫棉被。其熱傳遞過(guò)程主要由前屋面外表面與室外空氣的對(duì)流換熱，與天空的輻射交換，與前屋面內(nèi)表面的熱傳導(dǎo)；前屋面內(nèi)表面與土壤表面、北墻內(nèi)表面、后坡內(nèi)表面之間的輻射換熱；前屋面內(nèi)表面與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱；塑料膜內(nèi)表面水蒸氣凝結(jié)產(chǎn)生的潛熱交換。故熱平衡方程可用式（30）和式（31）表示。

日間為：

[CcdTcdτ=hcAcTi-Tc+hcoAcTo-Tc+"""""""""""""""""""""""""""" βcskyAcTsky-Tc+βcS1AS1TS1-Tc+"""""""""""""""""""""""""""" βcB1AB1TB1-Tc+βcR1AR1TR1-Tc+"""""""""""""""""""""""""nbsp;"" acAcIz+EcAcΔH]"""""" （30）

夜間為：

[CcdTcdτ=hcAcTi-Tc+hcoAcTo-Tc+"""""""""""""""""""""""""""" βcskyAcTsky-Tc+βcS1AS1TS1-Tc+"""""""""""""""""""""""""""" βcB1AB1TB1-Tc+βcR1AR1TR1-Tc+EcAcΔH]"""" （31）

式中：[Cc]——前屋面的熱容量，J/K；[hco]——前屋面外表面與室外空氣對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[βcsky]——前屋面外表面與天空輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[βcS1]——塑料膜內(nèi)表面與土壤內(nèi)表面輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[βcR1]——塑料膜內(nèi)表面與后坡內(nèi)表面輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[βcB1]——塑料膜內(nèi)表面與墻體內(nèi)表面輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[ac]——塑料膜的太陽(yáng)輻射吸收率；[Ec]——壁面凝結(jié)產(chǎn)生的水蒸氣，kg/（m2·s）。

2 參數(shù)設(shè)定

2.1 模型參數(shù)

模擬所構(gòu)建新型日光溫室和對(duì)照溫室均位于山西省太原市，屬寒冷地區(qū)。該溫室坐北朝南，長(zhǎng)60 m，跨度8 m；脊高3.3 m；前屋面塑料膜使用3層共擠聚乙烯PVC膜，厚0.002 m；在寒冷季節(jié)夜間，需使用保溫棉被對(duì)日光溫室進(jìn)行保溫，早晨08：00揭開保溫棉被，下午17：30放下保溫棉被。其中后側(cè)墻體高2.3 m，為新型主動(dòng)蓄放熱墻體，該墻體內(nèi)表面敷設(shè)石蠟相變材料，厚0.06 m，蓄熱層為黏土砌塊，厚0.34 m，保溫層為聚苯乙烯材料0.05 m，墻體內(nèi)部埋入重力循環(huán)環(huán)形管，管徑DN32，內(nèi)部每隔0.5 m設(shè)置一組環(huán)形管，共設(shè)120組。日光溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱物性參數(shù)見表1。

圖3為石蠟復(fù)合相變材料比熱容變化曲線。

2.2 氣象參數(shù)

為全面評(píng)價(jià)新型主動(dòng)蓄放熱墻體對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，本文選取文獻(xiàn)［14］在太原地區(qū)1月24日00：00—1月28日23：00連續(xù)5個(gè)寒冷冬日室外氣象參數(shù)實(shí)測(cè)值進(jìn)行模擬計(jì)算。圖4為太陽(yáng)輻照度值，圖5為室外空氣溫濕度值。由圖4可知，1月24日—28日太陽(yáng)輻照度最高為614.8 W/m2，放下保溫棉被后無(wú)太陽(yáng)輻射。由圖5可知，5日室外空氣溫度最高9.4 ℃，最低-13.5 ℃，變化范圍22.9 ℃；室外空氣濕度最高73.5%，最低10%，變化幅度63.5%。5日室外氣象參數(shù)變化趨勢(shì)相同，呈現(xiàn)周期性變化。

3 結(jié)果與討論

3.1 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)與模型有效性驗(yàn)證

3.1.1 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

采用差分法對(duì)墻體溫度場(chǎng)進(jìn)行求解時(shí)，需對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證。本文基于傳熱模型，分別改變空間步長(zhǎng)和時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)墻體的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，并將墻體內(nèi)壁面溫度作為主要對(duì)比參數(shù)，以驗(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)立性，如圖6所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目為12000、37500、75000、150000以及300000時(shí)，墻體內(nèi)壁面溫度分別為23.34、22.93、22.71、22.58、22.57 ℃。通過(guò)對(duì)比，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目在150000后溫度變化逐漸變緩，因此，綜合考慮計(jì)算的時(shí)長(zhǎng)和結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇網(wǎng)格數(shù)量為150000進(jìn)行模擬計(jì)算。

3.1.2 模型有效性驗(yàn)證

為進(jìn)行模型的有效性驗(yàn)證，將其結(jié)構(gòu)和邊界條件均設(shè)置與文獻(xiàn)［6］相同，其中文獻(xiàn)［6］所構(gòu)建墻體位于北京市，同屬寒冷地區(qū)。本文針對(duì)墻體的一個(gè)完整的蓄放熱周期進(jìn)行分析，并將墻體內(nèi)壁面溫度作為主要對(duì)比參數(shù)。由圖7可知模擬值與實(shí)驗(yàn)值之間的平均誤差為1.15 ℃，平均誤差率為6.7%，誤差相對(duì)較小且在一定允許范圍內(nèi)，因此該模型可準(zhǔn)確模擬主動(dòng)蓄放熱墻體溫度場(chǎng)。

3.2 新型主動(dòng)蓄放熱墻體對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境影響分析

主動(dòng)蓄放熱墻體對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，可從室內(nèi)空氣溫度、墻體表面溫度、室內(nèi)日有效積溫和熱負(fù)荷等幾個(gè)方面進(jìn)行考量。并與對(duì)照墻體進(jìn)行比較分析，其中對(duì)照墻體是指除未設(shè)置重力循環(huán)環(huán)形管外，其余構(gòu)造均與新型主動(dòng)蓄放熱墻體設(shè)置相同的墻體。

3.2.1 日光溫室室內(nèi)空氣溫度

植物的生化反應(yīng)和生理活動(dòng)都離不開適宜的空氣溫度。如果溫室內(nèi)氣溫升高至一定溫度時(shí)，植物的生理反應(yīng)會(huì)加速其生長(zhǎng)；如果溫室內(nèi)空氣溫度低，植物的生理反應(yīng)會(huì)抑制植物生長(zhǎng)，所以日光溫室內(nèi)適宜的空氣溫度對(duì)于植物生長(zhǎng)而言格外重要。圖8為連續(xù)5日的對(duì)照墻體日光溫室和主動(dòng)蓄放熱墻體日光溫室的室內(nèi)空氣溫度對(duì)比圖，其中取1月24日作為典型晴天進(jìn)行分析。由圖8可知，在1月24日早晨08：00打開保溫被時(shí)，室內(nèi)空氣溫度分別為8.6和9.0 ℃，隨后太陽(yáng)輻照度不斷增強(qiáng)，進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻照度不斷增多，圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面互輻射增強(qiáng)并與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，故室內(nèi)空氣溫度隨之快速上升。對(duì)照墻體日光溫室和主動(dòng)蓄放熱墻體日光溫室均在13：00左右達(dá)到最高，分別為26.4和24.1 ℃。在揭開保溫被時(shí)段10：00—16：00，主動(dòng)蓄放熱墻體日光溫室的室內(nèi)空氣溫度較對(duì)照墻體溫室低，平均相差1.9 ℃，最大相差2.8 ℃。主要原因是此時(shí)段主動(dòng)蓄放熱墻體的相變材料層吸收太陽(yáng)輻照度并儲(chǔ)存，經(jīng)環(huán)形管將熱量傳遞到墻體內(nèi)部，主動(dòng)蓄放熱墻體表面溫度相對(duì)較低，與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱量降低，故室內(nèi)空氣溫度低于對(duì)照日光溫室。當(dāng)放下保溫被后，保溫被的熱導(dǎo)率低，阻止了室內(nèi)熱量向外部散失，所以室內(nèi)空氣溫度變化速率變小。在放下保溫被時(shí)段，主動(dòng)蓄放熱墻體日光溫室的室內(nèi)空氣溫度高于對(duì)照墻體溫室，平均相差1.4 ℃，最大相差2.3 ℃，最小相差0.3 ℃。主要原因是墻體內(nèi)部的環(huán)形管可將內(nèi)部的熱量傳輸?shù)綁w表面并進(jìn)行快速釋放，使室內(nèi)空氣溫度提高。經(jīng)計(jì)算，主動(dòng)蓄放熱墻體可使日光溫室室內(nèi)夜間日平均空氣溫度提高1.21 ℃，提升13.12%。

從圖8可知，主動(dòng)蓄放熱墻體日光溫室在1月24—28日室內(nèi)空氣晝夜溫差分別為17.5、15.9、18.7、15.6、17.7 ℃；對(duì)照墻體溫室晝夜溫差分別為20.7、18.4、21.4、18.0、20.7 ℃。主動(dòng)蓄放熱墻體日光溫室室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)較小，其利用環(huán)形管調(diào)節(jié)并穩(wěn)定了室內(nèi)空氣溫度。相關(guān)研究證明，植物在光合作用的8～9 h后需進(jìn)行碳物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)化，需較小波動(dòng)的室溫來(lái)滿足植物的生長(zhǎng)，故帶有主動(dòng)蓄放熱墻體的日光溫室可為植物生命生長(zhǎng)提供適宜的溫度，進(jìn)而提高產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收。

3.2.2 日光溫室后墻表面溫度

后墻是日光溫室重要圍護(hù)結(jié)構(gòu)之一，通過(guò)比較墻體表面溫度，可知其蓄放熱能力以及穩(wěn)定室內(nèi)熱環(huán)境的能力。圖9為主動(dòng)蓄放熱墻體與對(duì)照墻體的表面溫度對(duì)比。從圖9可看出，在1月24—28日二者內(nèi)表面變化規(guī)律相同，但對(duì)照墻體升溫速度較快。在08：00揭開保溫棉被后，太陽(yáng)輻射經(jīng)塑料膜透射進(jìn)入日光溫室內(nèi)部，墻體表面接收到太陽(yáng)輻射，溫度開始上升，隨著太陽(yáng)輻射增大，墻體表面溫度快速上升達(dá)到最高點(diǎn)；隨后太陽(yáng)輻射開始減弱，進(jìn)入到室內(nèi)的太陽(yáng)輻照度開始減少，墻體內(nèi)表面溫度逐漸降低，由于相變材料和環(huán)形管的蓄放熱性能，主動(dòng)蓄放熱墻體的表面溫度的上升速率及下降速率明顯低于對(duì)照墻體。由圖9可知，在10：00—17：00，主動(dòng)蓄放熱墻體表面溫度低于對(duì)照墻體表面溫度，這是因?yàn)橹鲃?dòng)蓄放熱墻體的環(huán)形管在此時(shí)段將熱量運(yùn)移并存儲(chǔ)到墻體內(nèi)部，故使墻體表面溫度略低于對(duì)照墻體；而在其余時(shí)刻均高于對(duì)照墻體表面溫度。

以1月27日為例，主動(dòng)蓄放熱墻體和對(duì)照墻體均在16：00達(dá)到最高，分別為23.5和25.0 ℃；在09：00達(dá)到最低，分別為9.6和8.9 ℃。由圖9可知，對(duì)照墻體內(nèi)表面溫降幅度分別為13.4、15.3、12.6、15.5 ℃，主動(dòng)蓄放熱墻體內(nèi)表面的溫降幅度分別為11.7、13.8、9.4、14.9 ℃，主動(dòng)蓄放熱墻體內(nèi)表面溫降幅度低于對(duì)照墻體，二者差值分別為1.7、1.5、3.2、0.6 ℃。

3.2.3 日光溫室有效積溫

有效積溫表示一段時(shí)間內(nèi)日光溫室室內(nèi)空氣溫度與植物的生物學(xué)零度溫度之差積分，還表示植物可在該段時(shí)間內(nèi)從周圍環(huán)境中獲取到的最大能量。一天內(nèi)各小時(shí)氣溫與植物生物學(xué)之差零度的總和稱為日有效積溫。圖10所示為1月24日—28日的日有效積溫。從圖10可知，主動(dòng)蓄放熱墻體日光溫室的日有效積溫在1月28日最高，為201.4 ℃·h，在1月24日最低，為160.1 ℃·h，平均日有效積溫達(dá)174.3 ℃·h；對(duì)照墻體日光溫室在1月28日最高，為194.7 ℃·h，在1月24日最低，為153.2 ℃·h，平均日有效積溫166.3 ℃·h。5日內(nèi)主動(dòng)蓄放熱墻體日光溫室的日有效積溫均高于對(duì)照墻體日光溫室，二者最大相差11.4 ℃·h，最小相差5.6 ℃·h，平均相差7.88 ℃·h。較對(duì)照墻體而言，主動(dòng)蓄放熱墻體可提高室內(nèi)日有效積溫4.84%，為日光溫室植物提供了適宜的生長(zhǎng)條件。

3.3 主動(dòng)蓄放熱墻體對(duì)日光溫室室內(nèi)熱負(fù)荷影響分析

分析日光溫室動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷可為室內(nèi)的環(huán)境運(yùn)行調(diào)節(jié)提供一定的依據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)按需供熱，避免能源浪費(fèi)。對(duì)于植物而言，其生命活動(dòng)所需溫度并未恒定，故需對(duì)室內(nèi)空氣溫度進(jìn)行變溫調(diào)節(jié)。以種植黃瓜為例，根據(jù)黃瓜在一天中生理活動(dòng)中心轉(zhuǎn)移規(guī)律，可分成4個(gè)階段，進(jìn)行不同的溫度管理，簡(jiǎn)稱四段變溫管理。表2為黃瓜四段變溫管理在不同時(shí)段生理活動(dòng)的最佳溫度。

設(shè)定日光溫室09：00—12：00的室內(nèi)溫度為25 ℃，13：00—17：00的室內(nèi)溫度為20 ℃，18：00—23：00的室內(nèi)溫度為15 ℃，00：00—08：00的室內(nèi)溫度為10 ℃。圖11為日光溫室的逐時(shí)熱負(fù)荷對(duì)比。根據(jù)圖11可知，主動(dòng)蓄放熱墻體日光溫室的逐時(shí)熱負(fù)荷在09：00達(dá)到最大值，1月24日—28日最大值分別為5945.03、5912.22、5680.81、5614.75、5284.73 W；對(duì)照墻體日光溫室的逐時(shí)熱負(fù)荷也在09：00左右達(dá)到最大，最大值分別為6077.14、6044.12、6407.42、5878.98、5548.70 W。這是因?yàn)?9：00室內(nèi)剛剛接收到太陽(yáng)輻射，空氣溫度在緩慢上升，但此時(shí)植物光合作用所需溫度較高，而此時(shí)室內(nèi)氣溫較低，故熱負(fù)荷較大。主動(dòng)蓄放熱墻體日光溫室逐時(shí)熱負(fù)荷最值較對(duì)照墻體日光溫室低，這是因?yàn)橄鄬?duì)對(duì)照墻體而言，主動(dòng)蓄放熱墻體為室內(nèi)創(chuàng)造了更穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境，空氣溫度波動(dòng)較小，熱負(fù)荷波動(dòng)較小。

圖12為日光溫室日熱負(fù)荷對(duì)比。根據(jù)圖12可知，1月24—28日主動(dòng)蓄放熱墻體日光溫室的熱負(fù)荷均小于對(duì)照墻體日光溫室室內(nèi)熱負(fù)荷。主動(dòng)蓄放熱墻體日光溫室熱負(fù)荷在1月25日達(dá)到最大值，為28404.05 W；在1月28日最小，為14433.22 W。對(duì)照墻體日光熱負(fù)荷最大值為33853.66 W，最小值為19024.10 W。經(jīng)計(jì)算，主動(dòng)蓄放熱墻體日光溫室較對(duì)照墻體日光溫室而言，日平均熱負(fù)荷降低4769.24 W/d，降低17.35%。由此可知，主動(dòng)蓄放熱墻體日光溫室較對(duì)照墻體日光溫室而言，室內(nèi)熱環(huán)境較穩(wěn)定，更為節(jié)能。

3.4 主動(dòng)蓄放熱墻體內(nèi)部溫度分布特性

圖13為1月25日15：00（蓄熱）與23：00（放熱）主動(dòng)蓄放熱墻體與對(duì)照墻體內(nèi)部溫度分布比較。由圖13可知，墻體內(nèi)部存在不同時(shí)刻溫度相同或接近的空間區(qū)域，即熱穩(wěn)定層。對(duì)照墻體的熱穩(wěn)定層在100～400 mm，約占總墻體厚度的66.7%；而新型主動(dòng)蓄放熱墻體熱穩(wěn)定層在300～400 mm，約占總墻體厚度的22.2%，穩(wěn)定層厚度相較對(duì)照墻體減少約2/3。這是因?yàn)樾滦椭鲃?dòng)蓄放熱的循環(huán)環(huán)形管在蓄放熱過(guò)程中需與墻體內(nèi)部進(jìn)行熱量傳輸，使墻體內(nèi)部溫度產(chǎn)生一定波動(dòng)，打破了墻體內(nèi)部溫度穩(wěn)定，縮短了熱穩(wěn)定層。其中通過(guò)定量分析墻體內(nèi)部的溫度場(chǎng)可知，在墻體厚度為0.45 m時(shí)，1月25日蓄熱狀態(tài)下環(huán)形管兩側(cè)溫差最高為8.3 ℃，驅(qū)動(dòng)壓力最大為26.57 Pa；放熱狀態(tài)下環(huán)形管兩側(cè)溫差最高為4.2 ℃，驅(qū)動(dòng)壓力最大為10.58 Pa。說(shuō)明管內(nèi)具有一定的自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓力可進(jìn)行熱量傳輸，以此增強(qiáng)墻體的蓄放熱性能。后續(xù)可進(jìn)一步優(yōu)化重力循環(huán)環(huán)形管高度及間距，以此提高其循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓力。

4 結(jié) 論

本文提出一種在日光溫室北側(cè)墻體內(nèi)部埋入重力循環(huán)環(huán)形管的新型主動(dòng)蓄放熱墻體，利用Matlab軟件編程進(jìn)行數(shù)值模擬，討論了在寒冷地區(qū)一月下旬該復(fù)合墻體對(duì)于室內(nèi)熱環(huán)境的影響。主要相關(guān)結(jié)論如下：

1）新型主動(dòng)蓄放熱墻體與對(duì)照墻體相比，可使日光溫室室內(nèi)夜間空氣溫度提高13.12%，日有效積溫增加4.84%，日平均熱負(fù)荷降低17.35%。

2）本文所提主動(dòng)蓄放熱墻體可減小室內(nèi)氣溫日較差，穩(wěn)定室內(nèi)熱環(huán)境，充分儲(chǔ)存和利用太陽(yáng)能，實(shí)現(xiàn)削峰填谷的目的。

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NUMERICAL INVESTIGATION ON ENHANCING INDOOR THERMAL ENVIRONMENT OF SOLAR GREENHOUSES THROUGH

NOVEL ACTIVE HEAT STORAGE AND RELEASE WALL

Chen Jinxuan，Du Zhenyu

（College of Civil Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China）

Abstract：To mitigate the issue of a thermally stable layer in block-bearing walls of solar greenhouses， which restricts the utilization of free solar energy at night， leading to a significant temperature disparity between daytime and nighttime indoor air， this paper introduces a novel active heat storage and discharge composite wall featuring a gravity circulation annular tube. The model is established based on heat transfer theory， incorporating the unsteady heat transfer of the wall， coupling it with the heat balance equation of indoor air， and executing numerical simulations utilizing Matlab. The results indicate that in cold regions during winter， the new active thermal storage wall elevates the indoor air temperature by 1.21 °C at night， marking a 13.12% increase compared to a wall lacking a gravity circulation annulus. Moreover， the daily effective temperature accumulation is 7.88 °C·h higher， representing a 4.84% improvement over a wall without a gravity circulation annulus. The average daily heat load experiences a reduction of 4769.24 W/d， accounting for a 17.35% decrease compared to a wall without a gravity circulation annulus. This innovative wall enhances the active heat storage and release capabilities， facilitating the transfer of more solar energy for nighttime use. It effectively curtails excessive daytime room temperatures， augments nighttime room temperatures， and minimizes the daily variation in indoor air temperature. Such improvements are conducive to the four-stage variable temperature management of crops， promoting the rapid growth of winter crops.

Keywords： solar buildings； heat storage； numerical simulation； solar greenhouse； daily temperature range； wall