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陕西日光温室墙体蓄热分析

作者:陕西温室大棚 发布日期: 2019-04-15 二维码分享

引言

随着全球人口不断增长,保障粮食供应成当前的重要课题。日光温室是中国独创且适合国情的一种设施农业建筑。从 20 世纪 80 年代发展至今,已成为中国广大北方地区冬季“反季节”蔬菜作物生产的重要设施,对保证城镇居民“菜篮子”安全、改善民生等起到了积极作用。日光温室是一个体形系数很大的设施农业建筑,以太阳能为主要资源,利用温室效应改善冬季蔬菜种植环境。其建筑空间由墙体(北、东、西墙体)、后屋面、前屋面(薄膜、保温覆盖物等)、土壤地面等围护结构构成。日光温室的建筑空间几何尺寸、墙体构造方式及其建筑材料热物性等,都直接影响温室的光照特性、保温与蓄热特性、环境的调控能力,它们互相影响、互相制约。日光温室建筑墙体,特别是北墙体集太阳能集热、蓄热、保温于一体,其建筑热工性能直接影响温室热环境的营造,是日光温室被动利用太阳能为温室增温、夜间维持温室作物生长必要热环境的重要“加热元件”。大量实测结果表明,通过日光温室前屋面薄膜进入到温室内的太阳辐射,其中的 1/3 投射到日光温室北墙体表面。当温室长度一定,北墙高度则决定了其可被太阳能照射的面积,进而也影响了其集热与蓄热性能。因此,北墙体良好的保温性能和蓄热性能是提高日光温室太阳能利用率的重要保证。白义奎 、陈端生 、周长吉 等学者进行了日光温室墙体构筑方式的研究,发现任何单一材料墙体的蓄放热性能均低于复合异质墙体,且复合异质墙体还具有厚度小、节省材料的优点。


佟国红 、马承伟 等也对不同保温材料的复合异质墙体进行了研究,确定合理的墙体是以内侧为砖、外侧为聚苯板。随着相变蓄热材料的出现,陈超 、王宏丽 等也分别提出不同构筑形式的相变材料墙体,并得到了较好的结果。实际上,日光温室墙体的保温性能和蓄热性能,不但与墙体的构筑方式直接关联,同时还受墙体材料热物性的影响。为此,该研究试图通过对被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体、太阳能主 - 被动式相变蓄热“三重”墙体构筑方式及其热性能的比较研究,研究墙体构筑方式、材料热物性对日光温室墙体热性能的影响规律,以期为日光温室墙体热性能提升及其优化设计提供参考

日光温室墙体热工性能分析


如图 1 所示,白天日光温室保温覆盖物被卷起,太阳辐射直接照射到(北)墙体内表面,太阳热能被墙体内表面吸收,并通过热传导的方式向墙体内部传递,将太阳能储存在墙体内部;随着墙体内表面温度不断升高,当高于温室内环境温度时,墙体内表面以自然对流换热方式加热温室空气,同时以辐射换热方式加热温室土壤及其他墙体;由于温室内表面温度高于室外环境,墙体内表面储存的热量同时会通过墙体外表面,以自然对流换热和辐射换热方式向室外环境散热。显然,日光温室墙体内表面材料蓄热能力越强,吸收和储存投射在其上太阳辐射的能力越强,夜间向温室内反向释放热量的能力也越强;同时,墙体外表面材料的热阻越大、保温能力越好,通过温室墙体流向外部环境的热损失也将越小。

表征日光温室墙体热工性能的指标通常有墙体热阻 R、墙体材料比热容 Cp、墙体材料蓄热系数 S、墙体热惰性指标 D、墙体温度、墙体有效蓄热量、日蓄热量和日放热量等。墙体热阻表征墙体结构本身阻抗传热能力的物理量,也可表述为热量从墙体材料层的一侧传至另一侧所受到的总阻抗大小,反映墙体材料层对热流波的阻抗能力;墙体材料的比热容表示单位质量的材料,在温度升高或降低 1℃时所需吸收或放出的热量,表征了墙体材料容纳或释放热量能力的物理量,若要提高温室墙体的蓄热能力,选用比热容大的墙体材料是关键;墙体材料的蓄热系数表示墙体层一侧受到谐波作用时,墙体表面温度将按照同一周期波动,通过墙体表面热流波幅与表面温度波幅的比值,该值越大表明墙体材料的热稳定性越好。墙体热惰性指标是墙体热阻及材料蓄热系数的乘积,可综合表征墙体保温和蓄热能力。


实际上,日光温室墙体的保温性能与蓄热性能直接受建筑材料热物性的影响。保温问题主要与材料的导热系数有关,也即与墙体的热阻关联;而蓄热问题则与材料的比热容、密度等参数关联,即与墙体的热容关联,两者呈现的物理意义是不一样的。保温性能好的材料,往往是导热系数小、密度小的轻质材料,蓄热能力弱,如聚苯板、加气混凝土等;而显热蓄热能力强的材料,通常是密度大且比热容尚可的重质材料,但保温性能一般,如黏土砖、黏土等。因此,根据建筑热工理论,.好是将蓄热能力强的潜热储能材料(如相变材料)放置在日光温室墙体内表面层,以确保可高效接收和储存投射其上的太阳辐射能;将热阻大、保温性能好(如轻质聚苯板)的材料放置在日光温室墙体外表面层,以.大限度减小通过墙体外表面流失到室外环境的热损失;将蓄热能力强的显热储能材料(如重质砌块砖)放置在日光温室墙体中间层,在进一步提升墙体总体蓄热能力的同时兼顾墙体的结构受力


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