日光温室墙体保温蓄热性能模拟分析.pdf

第2 6 卷第5 期2 0 0 8 年1 0 月上海交通大学学报(农业科学版)J O U R N A I O FS H A N G H A IJ l A O T O N GU N I V E R S I T Y(A G R I C U I J l U R A LS C I E N C E)V 0 1 2 6N o 50 c t 2()0 8文章编号：1 6 7 1 9 9 6 4(2 0 0 8)0 5-0 4 4 9-0 5日光温室墙体保温蓄热性能模拟分析杨仁全1，马承伟2，刘水丽3，周增产3，刘文玺3，吴松s(1 北京市农业机械研究所，北京1 0 0 0 9 6；2 中国农业大学农业部设施农业生物环境工程重点开放实验室，北京1 0 0 0 8 3；3 北京京鹏环球科技股份有限公司，北京1 0 0 0 9 4)摘要：日光温室及墙体的保温蓄热性能采用传统的试验测试方法存在试验周期长、不适用新型材料等缺点，具有一定的局限性。本文采用理论分析与计算机软件相结合的方法，建立理论模型，分析归纳相关数据，对墙体的保温性能予以评价。通过3 种墙体(红砖墙体、钢渣混凝土墙体、加气混凝土墙体)的模拟分析得知，红砖的保温蓄热性能最好，其次是钢渣混凝土墙体，加气混凝土墙体最差。关键词：钢渣混凝土；计算机模拟；保温蓄热性能；新型日光温室墙体中图分类号：$6 2 5 1文献标识码：AT h eI m i t a t i o nA n a l y s i so fH e a tP r e s e r v a t i o na n dC a p a b i l i t yo ft h eW a l lo fS o l a rG r e e n h o u s eY A N GR e n-q u a n l,M AC h e n g-w e i 2,L I US h u i-l P,Z H O UZ e n g-c h a n 3,L I UW e n-x P,W US o n 矿(1 B e i j i n gA g r i c u l t u r eM a c h i n e r yI n s t i t u t e，B e i j i n g1 0 0 0 9 6，C h i n a；2 K e yL a bo fA g r i c u l t u r a lB i o-e n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g,C h i n aA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y，B e i j i n g1 0 0 0 8 3，C h i n a；3 B e i j i n gK i n g p e n gI n t e r n a t i o n a lH i-T e c hC o r p o r a t i o n，B e i j i n g1 0 0 0 9 4，C h i n a)A b s t r a c t：T h ec o n v e n t i o n a lt e s tm e t h o d sf o rh e a tp r e s e r v a t i o na n ds t o r a g ec a p a b i l i t yo fw a l lo fs o l a rg r 舱u h o u s oh a v et h ed i s a d v a n t a g e so fl o n gt e s tp e r i o da n dd o n ta d a p tt on e wm a t e r i a l s T h i sp a p e rc o m b i n e dt h e o r ya n a l y s i sw i t hc o m p u t e rs o f t w a r e，m a d et h e o r ym o d e l s，g e n-e m l i z e dr e l a t e dd a t a,e v a l u a t e dt h eh e a tp r e s e r v a t i o no ft h ew a l l T h r o u g hi m i t a t i o na n a l y s i so ft h r e ek i n d so fw a l l s rc l a yb r i c kw a l ls t e e ls h sc o n c r e t ew a l l，a b a t e dc o n c r e t ew a n)a n dw ec a nd r a wac o n c l u s i o nt h a tt h eh e a tp r e s e r v a t i o na n ds t o r a g ec a p a b i l i t yo fc l a yb r i c k si st h eb e s Ls t e e ls h sc o n c r e t ew a ni sb e t t e rt h a nt h el a s to n e K e yw o r d s：s t e e ls l a gc o n c r e t e；c o m p u t e rs i m u l a t i o n；h e a tp r e s e r v a t i o na n ds t o r a g ec a p a b i l i t y；n e ww a nm a t e r i a l so fs o l a rg r e e n h o u s e日光温室的围护结构是一个大的蓄热体。白天吸收大量太阳能夜间释放出大量的热量，在温室中起着积极的作用。墙体作为温室的围护结构之一，对温室内的热环境有直接的影响l I 川。如何正确地设计，开发适用的墙体材料以及设计合理的构造嘲，一直是设施园艺工程界研究的重点问题。解决该问题的一个难点是如何评价其设计和建设阶段的保温节能性。通过周密的实验测试可以获得一定的墙体材料和墙体构造方式下日光温室保温蓄热性能的经验，作为以后设计与建设的依据1。但是目前该方面经验还未形成系统和准确的墙体保温蓄热性能评价方法。同时，通过实验测试的方法掌握日光温室及墙体的保温蓄热性能的系统经验需要进行大量的实验，其获得的数据、经验要归纳为对其性能的系统和通用的判断方法也存在较大困难，尤其是对于一些新材料、新构造的墙体尤其如此【1 2 1。因此通过科学严密的理论采用分析计算的方法得出日光温室及其墙体的保温节能性能。以指导墙体材料开发应用和设计合理的构造，是一条更为有效的途径f n 峋。本文采用理论模拟的方法对几种材料和构造的日光温室墙体(表1)，在统一的室外条件下和运行管收稿日期：2 0 0 8-0 7 1 6基金项目：国家自然科学基金项目(2 0 0 6 B A D 2 8 8 0 7 3)作者简介：杨仁全(1 9 7 6-)。男，硕士研究生，研究方向：设施农业，E-m a i l：k e n g p e n 9 2 0 0 8 s i n m e o m 万方数据4 5 0上海交通大学学报(农业科学版)第2 6 卷理情况下。进行传热过程的计算机模拟，并通过模拟计算获得的数据，采用一定的评价指标，对该几种日光温室墙体保温节能性进行评价。该方法通过软件模拟对开发新犁墙体材料提供快速有效的验证新方式进行了有益的探索。表1 日光温室墙体一览表T a b l e1T h es c h e d u l eo fw a l lo fs o l a rg r e e n h o u s e1 模拟评价方法采用理论分析和计算机软件相结合的方法。首先建立墙体和日光温室传热与传质的理论模型依据模型。编制计算分析的计算机程序软件。通过运行程序软件获得日光温室及墙体中传热过程和热环境变化的大量数据，从中归纳提取一定的评价指标。理论模型的核心之一是墙体传热过程的模型。由于墙体自身材料均为蓄热性、热惰性很强的材料，且其工作环境为动态变化的环境。其传热为非稳态传热过程传热过程模型主要依据非稳态传热的理论建立。1 1 理论模型及模拟方法1 1 1日光温室总能量平衡日光温室内的总能量平衡微分方程式如下：府p c p V 杀=绋+Q 一皱一Q v Q c式中Q 广墙体放热量，W；Q 厂一地面传入的热量，W；Q r 前屋面传出的热量，W；Q。一空气交换传出的显热量，W；仇一室内蒸腾蒸发潜热量，W；y 温室内容积，m 3；r 空气密度，k g m _ 3；c 广空气比热容，J 蚝一。1；l 广温室内气温，：卜时间，s。上式为日光温室室内热量和温度环境变化分析的基础。其中前屋面传出的热量仉，空气交换传出的显热量G，室内蒸腾蒸发潜热量仉，可根据稳态传热传质的有关理论进行分析计算。而地面传入的热量Q、墙体放热量Q 甲需采用非稳态传热的理论进行分析计算，二者方法相仿，以下重点说明墙体传热的模拟分析。1 1 2 墙体一维非稳态传热模型及模拟墙体的非稳态传热的物理过程由以下微分方程描述：p c 鲁=孙尝卜丽2 瓦卜瓦r式中P 墙体内温度，；产墙体厚度方向的坐标，m；卜墙体内热源，J m-3 s，；入材料导热系数。W m-一t；其余符号的物理意义同前。采用有限差分的数值计算方法求解上述微分方程，对时间和墙体厚度进行离散化处理。墙体采用外节点法进行离散，采用变节点间距，在靠近温度梯度较大的墙表面附近，节点较密，取为1l l l m 左右，离表面越远，节点间距越大。墙内外表面为第3 类(对流换热)边界条件，但内墙表面吸收的太阳(直接与散射)辐射热量和外墙表面吸收的太阳(散射)辐射热量化为相应边界单元的内热源。1 2 模拟分析的基本参数选取对于墙体的热工性能，材料密度P、材料的导热系数A 材料比热容c 是最密切相关的几个参数，根据资料和一些实测数据1 1 习(主要来源于传热学，有些是实验室实测数据，但未经发表，不便列出)，在模拟计算中的取值见表2。表2 墙体材料基本热工参数T a b l e 2B a s i ct h e r m a lp a r a m e t e r so fw a l lm a t e r i a l1 3 模拟分析的条件设定为了评价方法和条件统一使评价结果具有可比性，模拟统一采用北京地区的地理、气候条件以及采用统一的温室建筑参数、生产管理和室内状况等条件，具体如下：(1)评价地区：北京地区，北纬4 0。，东经1 1 6 5 0。(2)评价时期：1 月中下旬，具体为1 月2 1 1 月2 2 日。在模拟程序上，对评价的日期可以任意选择，但是为了统一，会确定一个时期。1 月2 1 一1 月2 2 日两天通常属于冬季最冷时期该时期的数据所模拟出的结果最具代表性。(3)气候条件：晴天(太阳辐射照度达到全晴天气 万方数据第l 期杨仁全，等：日光温室墙体保温蓄热性能模拟分析4 5 l的9 0)和阴天(太阳辐射照度达到全晴天气的3 0)各一天，晴、阴二天相继循环出现。(4)室外气温：一9 2o C。(5)室外相对湿度：2 0 7 0。(6)室外风速：2 0m S-1。(7)日光温室方位：统一采用屋脊正东西方向。(8)日光温室建筑参数：统一为跨度8m。长度6 0m，屋脊高度3 3m，后墙高度2 5m 后坡水平投影长度1 5m。(9)日光温室覆盖材料：P E 薄膜。考虑骨架遮荫等因素后，屋面透光率取为0 6 1 5。(1 0)前屋面保温性(传热系数)：白昼(保温被或草帘卷起)5 9W m z o C 夜间(保温被或草帘放下)1 9W m-2 一。(“)后屋面保温性：传热系数取为0 4W l 一d(1 2)保温被(草帘)卷放的时间：卷起的时间为早上7：3 0，但如室外光照条件较弱(室外水平面太阳总辐射照度小于4 0W m 五)，将推迟卷起的时间；放下的时间为下午1 7：0 0，但如室外光照条件较弱(室外水平面太阳总辐射照度小于4 0W m-2)将提前放下。(1 3)通风：日光温室全天密闭不通风，但考虑冷风渗透产生的室内外空气交换，冷风渗透的换气次数，白昼0 8 次h 夜间0 4 次h 一。(1 4)室内地面和植物状况：按地面潮湿程度一般，植物中等茂密程度考虑。(1 5)温室内土壤热工参数：密度为l0 0 0 18 0 0k g m。3，从地面至深层逐渐增加；导热系数0 6 1 4W m。2，从地面至深层逐渐增加；比热容14 0 0J k g 一1 一。1 4 墙体保温蓄热性能评价指标从模拟结果数据计算得出如下指标，作为对日光温室及墙体保温蓄热性能评价的基本数据。(1)后墙夜间(1 8：0 0 一次日6：0 0 共计1 2h)的单位面积平均放热量(W m-2)和累计放热量(M J m 4)；(2)白天(8：0 0 1 6：0 0)室内平均气温()；(3)夜间(1 8：0 0 一次日6：0 0)室内平均气温()；(4)室内夜间最低气温()。需说明的是，早上刚揭帘后，在室外气温较低和太阳辐射还较弱的情况下，室内气温有可能突然降低。而出现比夜间还低的情况。但其持续时问比较短，且与揭帘时机关系很大，其数值很不稳定，变化很大，并不能准确反映温室保温蓄热性。为此不将该短暂时间内出现的较低温度作为室内日最低气温的评价指标。因此室内最低气温不考虑由于揭帘产生的突然温度短暂降低的情况，只从揭帘前的时间段确定室内日最低气温。2 几种材料目光温室墙体的传热模拟结果采用上述模型和模拟方法，编制成为c+程序对几种墙体进行了模拟计算，结果如下。2 1 模拟结果数据在一定的室外设定气温和太阳辐射条件下模拟获得不同材料墙体温室内，气温以及墙体放热随时间的变化情况如图1 和图2 所示。图l 不同材料墙体的日光温室室内气温变化(前一日为晴天，后一日为阴天)F i g 1I n d o o rt e m p e r a t u r ev a r i a t i o no fd i f f e r e n tw a l lm a t e r i a lo fs o l a rg r e e n h o u s e叩4 5 0 暑O481 2 1 62 00481 21 62 0 时间，l I图2 不同材料墙体的放热强度变化(前一日为晴天，后一日为阴天)F i g 2H e a te m i t t i n gi n t e n s i t yv a r i a t i o no fd i f f e r e n tw a i lm a t e r i a l s每￥魁匪藤骧匿杉铽棚最楼蛙磐图l 中在早上8：0 0 以及下午1 7：0 0 时前后j 室内气温变化曲线出现的波折，是由于卷、放保温被(或草帘)引起的室内气温波动。2 2 几种墙体保温蓄热性能指标、评价及分析几种墙体保温蓄热性能指标计算归纳如表3 所示。2 2 1 墙体放热量夜间放热量以红砖墙体最大(平均5 6 4 9W m-Z，累计2 4 4 0M J m 之)，钢渣混凝土墙体其次(平均3 8 6 7W m 之，累计1 6 7 0M J m-2)，加掷的吣伽|莠|嘉瑚瑚啪m巧加：2m5O 弓p、赠旷 万方数据4 5 2上海交通大学学报(农业科学版)第2 6 卷表3 各种墙体保温蓄热性能分析数据T a b l e 3T h ea n a l y s i sd a t a o fh e a tp r e s e r v a t i o na n ds t o r a g ec a p a b i l i t yo fd i f f e r e n tw a l lm a t e r i a l s气混凝土墙体最差(平均2 8 7 9w m 五，累计1 2 4 4M J m-S)。(一般墙体放热量每相差2 0W t n 2，室内夜间最低气温约可相差l。)白昼放热量，与夜间放热量相反(图2)，红砖墙体最低(2 日内的最大值约为1 5 5、2 0 0W m 之)，钢渣混凝土墙体其次(2 日内的最大值约为2 1 7、2 5 2W I n-2)加气混凝土墙体最高(2 日内的最大值约为2 5 7和2 8 3W m。2)。由于日光温室夜间墙体是其主要的热量来源之一，所以，夜间放热性能是更为重要的方面。上述情况说明，在蓄热性能方面，红砖墙体最好，钢渣混凝土墙体其次。加气混凝土墙体最差。红砖墙体良好的吸热和蓄热性能。使其白昼蓄热较多，放热较少，而夜间放热较多。而加气混凝土墙体白昼吸热和蓄热较少。放热较多(表面吸收的太阳辐射热量较多直接散发到温室内，传入墙体的部分相应较少)，夜间放热相应较少。上述性能表现也可从材料的基本热工参数大体看出(表2)。几种材料的单位体积热容量(密度与比热容之乘积)，红砖砌体最大，为1 6 8 0k J m-3 o C-1 钢渣混凝土其次，为1 3 2 5k J m 4 一，加气混凝土最低，为7 8 0l【J m。3 _ l。红砖砌体虽比热容不大(9 6 0J k g-t o C d)。但其密度最大(1 7 5 0k g m-3)，单位体积的热容量最大，且其导热系数最大(0 7 8W m 一o C 一)，吸热和蓄热均为有利。而加气混凝土单位体积热容量小导热系数也小(0 2 2W I n 1 1)，白昼吸热较少，蓄热量也小。需要说明的是，在模拟结果中可以看到，白昼墙体的放热量，在模拟的2d 中，阴天放热量多于晴天，且其数值甚至高于室外水平面太阳辐射照度。这似乎较为难于理解。这里加以分析说明如下。首先。室外水平面上的太阳辐射照度，不等于垂直墙面上的太阳辐射照度。在太阳高度角较小时。垂直面上的太阳辐射照度有可能高于水平面上。阴天墙内表面放热量多于晴天，这是由于，晴天蓄积在墙体里的较多热量，在夜间还未释放完在阴天白昼将继续释放。同时，墙体表面向温室内释放热量的多少，还与室内气温高低有关。室内气温较低时。墙体表面与之温差较大，将增大放热的强度。从实验数据可以看出，阴天室内气温远低于晴天。晴天和阴天1 4：0 0 时气温，在红砖墙体温室中分别为2 6 9 l、1 7 1 2。在加气混凝土墙体温室中分别为2 9 1 3、1 8 9 1，在钢渣混凝土墙体温室中分别为2 8 3 5、1 8 2 6。阴天气温比晴天低l O 左右。所以，墙体与室内空气的温差，阴天远大于晴天。因此产生了阴天白昼墙体放热量大于晴天的现象。(该分析仅限于本模拟的阴天紧接在前一晴天蓄热较充足的情况。)2 2 2 温室内气温室内气温的变化情况。从图1 可看出加气混凝土温室白昼升温最快而夜间降温也最快。红砖墙体温室自昼升温较慢，而夜间降温也慢。钢渣混凝土墙体温室介于二者之间。这与其墙体的上述吸热和蓄热性能密切相关。墙体吸热和蓄热能力强白昼吸收和蓄积了较多热量，用于温室升温的热量必然较少但夜间可以释放的热量较多，可以有效阻止室内气温的降低。室内白昼气温以加气混凝土墙体温室最高，平均气温1 8 0 4 最高气温2 9 5 0。钢渣混凝土墙体温室其次，白昼平均气温1 7 5 8，最高气温2 8 6 6。红砖墙体温室最低白昼平均气温1 6 9 0。最高气温2 7 1 8 差异较为明显。室内夜间的气温以加气混凝土墙体温室最低，其夜间平均气温9 5 3o C，最低气温5 6 5。钢渣混凝土墙体温室其次，夜间平均气温1 0 0 8，最低气温6 2 2。红砖墙体温室最高，夜间平均气温1 0 9 9，最低气温7 4 3，也有较为明显差异。3总结结合墙体蓄热和放热方面情况的评价，可知蓄热和放热性能好的墙体，白昼气温相对较低一些，而夜间可以维持较高的室内气温。几种温室白昼气温均能满足一般植物生长要求。而由于日光温室夜间温度保证困难，是其环境要求中最关键的方面。所以较高的夜间温度是很重要的。因 万方数据第1 期杨仁全。等：日光温室墙体保温蓄热性能模拟分析4 5 3此，可以认为，红砖墙体温室在室内气温方面，有更好的表现，钢渣混凝土墙体温室其次加气混凝土墙体温室最差。上述模拟结果及分析是在一定的模拟条件下得出的但还不能简单地得出红砖墙体优于钢渣混凝土墙体，加气混凝土墙体最差的结论。这是由于：上述分析是在一种室外气象条件下得出的；本模拟采用的墙体构造(各层厚度)不完全相同，而且，未进行其他构造情况下的模拟分析：对于同一种名称的材料。因不同的生产原料和工艺生产出的材料，实际上其热工性能还有很大的变化范围。因此，上述模拟和分析结果是在前述有限条件下得出的。本次模拟还未将湿度环境、水汽变化以及对植物的影响等因素考虑在内，要得出更普遍的结论，还有待更多的研究。参考文献：【l】1 徐刚视日光温室墙鲥襁栉件的选择叽蔬采1 9 9 7 卿1 6-1 7【2】李小芳，陈青云墙体材料及其组合对目光温室墙体保温性能的影响田中国农业生态学报，2 0 0 6，1 4(4)：1 8 5 1 8 9【3】白义奎，节能日光温室环境及保温性能研究【D】沈阳：沈阳农业大学2 0 0 3【4】白义奎，王铁良，姜传军，等外墙聚苯板复合墙体在日光温室中的应用阴，房材与应用，2 0 0 2(1)：2 4-2 7【5 1 白义奎，王铁良，李天来，等缀铝箔聚苯板空心墙保温性能理论研究阴农业工程学报，2 0 0 3，1 9(3)：1 9 0-1 9 5【6】6 白义奎，王铁良，刘文合，等东北型节能目光温室一辽沈I型日光温室节能设计试验研究【J】节能技术，2 0 0 2(1)：2 3-2 6【7】酃伟，董仁杰日光温室的热环境理论模型阴农业工程学报。1 9 9 7，1 3(2)：1 6 0 一1 6 3【8 l 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