日光溫室裝配式土質(zhì)夾心墻體熱濕遷移及蓄放熱性能研究.pdf

第35卷 第23期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 35 No 23 2019年 12月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Dec 2019 209 日光溫室裝配式土質(zhì)夾心墻體熱濕遷移及蓄放熱性能研究 王少杰1 2 張廣鵬1 劉 鑫1 吳 昆1 3 劉福勝1 魏 珉2 胡玉秋1 1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院 泰安 271018 2 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院 泰安 271018 3 山東交通職業(yè)學(xué)院 濰坊 261206 摘 要 為研究日光溫室裝配式土質(zhì)夾心墻體的熱濕遷移及蓄放熱性能 通過(guò)可控式墻體熱濕耦合試驗(yàn)臺(tái)控制墻體兩側(cè) 溫度 相對(duì)濕度的不同 實(shí)測(cè)墻內(nèi)溫度 相對(duì)濕度的穩(wěn)態(tài)分布及瞬態(tài)變化 并對(duì)墻體的蓄放熱性能進(jìn)行定量計(jì)算與分析 結(jié)果表明 該層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體 熱濕遷移存在耦合但并不明顯 墻內(nèi)填土始終保持高濕狀態(tài) 有利于墻體蓄放熱 是該墻體的主要蓄放熱體 外側(cè)墻板保溫隔熱效能明顯 室外環(huán)境變化對(duì)墻體保溫蓄熱性能影響較小 且能使墻內(nèi)熱量 主要向室內(nèi)單向釋放 墻內(nèi)熱量釋放存在滯后效應(yīng) 最長(zhǎng)可持續(xù)6 d 6 5 h 但以快速放熱期 4 d 8 h內(nèi) 所釋放熱量為 主 約占總放熱量的85 64 91 21 所建立的數(shù)值分析方法可為不同厚度的同類墻體設(shè)計(jì)與建造提供參考 具有指導(dǎo) 生產(chǎn)意義 該新型墻體設(shè)計(jì)理念先進(jìn) 蓄放熱性能優(yōu)越 且能夠快速裝配 重復(fù)利用 就地還田 適于在中國(guó)大面積推 廣應(yīng)用 關(guān)鍵詞 日光溫室 墻體 溫度 土質(zhì)夾心 熱濕遷移 蓄放熱性能 裝配式墻體 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2019 23 026 中圖分類號(hào) S625 1 TU111 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2019 23 0209 09 王少杰 張廣鵬 劉 鑫 吳 昆 劉福勝 魏 珉 胡玉秋 日光溫室裝配式土質(zhì)夾心墻體熱濕遷移及蓄放熱性能研 究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2019 35 23 209 217 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2019 23 026 http www tcsae org Wang Shaojie Zhang Guangpeng Liu Xin Wu Kun Liu Fusheng Wei Min Hu Yuqiu Study on heat and moisture transfer and heat storage and release performance of assembled soil sandwich wall in Chinese solar greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2019 35 23 209 217 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2019 23 026 http www tcsae org 0 引 言 日光溫室是中國(guó)獨(dú)有的一種溫室類型 其通過(guò)后墻 吸收太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)蓄放熱 維持棚內(nèi)溫度以滿足蔬菜作物 生長(zhǎng) 能有效解決中國(guó)北方地區(qū)冬季果蔬供應(yīng)問(wèn)題 1 4 當(dāng)前 中國(guó)日光溫室墻體仍以就地取材 成本低廉 保 溫蓄熱性能良好的土墻為主 但由于墻體穩(wěn)定和蓄熱保 溫的需要 土墻普遍較厚且易坍塌 土地利用效率低 施工緩慢且受季節(jié)性影響 研究表明 一般日光溫室墻 體應(yīng)具有保溫和儲(chǔ)放熱2種功能 隨著技術(shù)發(fā)展 采用 聚苯乙烯板材或型磚作為墻體室外側(cè)保溫層 使用土壤 作為墻體室內(nèi)側(cè)蓄熱層的新型復(fù)合墻體在實(shí)際生產(chǎn)中已 經(jīng)得到了推廣和應(yīng)用 5 但其保溫蓄熱層特別是建造方式 仍無(wú)法滿足工業(yè)化建造 多次重復(fù)利用的現(xiàn)實(shí)技術(shù)需求 為解決上述不足 研發(fā)了裝配式土質(zhì)夾心異質(zhì)復(fù)合墻體 6 該墻體以輕質(zhì)節(jié)能保溫板為墻體室外側(cè)保溫層 以土 和普通鋼筋混凝土板為蓄熱層 同時(shí)內(nèi)外兩側(cè)墻板通過(guò) 筋材或立柱進(jìn)行連接 提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與抗災(zāi)能力 土質(zhì)夾心層厚度可根據(jù)不同作物對(duì)溫度的不同需求靈活 收稿日期 2019 07 13 修訂日期 2019 11 06 基金項(xiàng)目 中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目 2017M622239 國(guó)家大宗蔬菜 產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目 CARS 23 C04 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃政府間國(guó)際科技創(chuàng) 新合作重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目 2017YFE9135300 SQ2017YFNC060047 作者簡(jiǎn)介 王少杰 副教授 博士 主要從事農(nóng)業(yè)建筑與結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)安全與 防災(zāi)診治等研究 Email tumuwsj 調(diào)整 外側(cè)保溫板可有效阻隔熱量傳遞 該類型墻體施 工建造方便快捷 蓄放熱性能優(yōu)越 內(nèi)外墻板可重復(fù)利 用 內(nèi)部夾心土可原位還田 綜合性能優(yōu)越 有關(guān)技術(shù) 已在山東煙臺(tái) 濰坊 臨沂等地區(qū)日光溫室建造時(shí)推廣 和應(yīng)用 圍繞層狀異質(zhì)復(fù)合墻體及單一材質(zhì)墻體的熱濕遷 移及蓄放熱性能 在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面 史宇亮等 7 8 研究表 明土墻白天蓄積熱量的43 用于改善夜間溫室內(nèi)的熱環(huán) 境 武國(guó)峰等 9 計(jì)算分析了3種不同墻體結(jié)構(gòu)日光溫室 各組成元素的熱工性能 結(jié)果表明土質(zhì)墻體在保溫蓄熱 方面優(yōu)于秸稈塊墻體 陳超等 10 研究了制作方式對(duì)日光 溫室蓄熱材料熱性能的影響 國(guó)內(nèi)學(xué)者還通過(guò)數(shù)值分析 方法對(duì)墻體熱工性能進(jìn)行了研究 5 11 17 其中 李明 5 等計(jì)算得到土墻蓄熱層厚度為38 5 cm 佟國(guó)紅 17 等對(duì) 比分析了復(fù)合墻和土墻保溫蓄熱能力的差異 上述研究 表明日光溫室復(fù)合墻體具有更好的蓄放熱性能 僅通過(guò) 增加墻體厚度提高蓄熱效率非常有限 18 其建造應(yīng)向輕 量化 現(xiàn)代化 標(biāo)準(zhǔn)化 工業(yè)化方向發(fā)展 19 24 對(duì)異質(zhì) 復(fù)合墻體的熱濕性能研究還表明 濕遷移會(huì)影響墻體保 溫蓄熱能力 熱遷移影響濕遷移進(jìn)而改變墻體熱工性能 25 28 與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 數(shù)值模擬相比 室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)芡?過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控室內(nèi)熱濕環(huán)境 深入系統(tǒng)研究墻體的熱濕遷 移及蓄放熱性能 尤其是有利于揭示墻內(nèi)填土對(duì)溫度變 化響應(yīng)存在的滯后效應(yīng) 29 該領(lǐng)域的研究相對(duì)較少且十 分必要 農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2019年 210 本文以自主研發(fā)的可控式墻體熱濕耦合試驗(yàn)臺(tái) 30 為基礎(chǔ) 通過(guò)試驗(yàn)和理論方法系統(tǒng)研究日光溫室裝配式 土質(zhì)夾心墻體的熱濕遷移及蓄放熱性能 在試驗(yàn)研究基 礎(chǔ)上 修正建立該層狀異質(zhì)復(fù)合墻體的熱工性能數(shù)值分 析方法 旨在為不同土質(zhì)夾心層厚度的同類型墻體提供 蓄放熱性能計(jì)算方法 為該新型墻體推廣應(yīng)用提供技術(shù) 依托 1 試驗(yàn)概況 1 1 試驗(yàn)墻體 試驗(yàn)墻體系層狀異質(zhì)復(fù)合墻 室內(nèi)模型試驗(yàn)段長(zhǎng) 1 2 m 高0 6 m 總厚度600 mm 示意圖如圖1所示 其中 室外側(cè)采用山東和悅生態(tài)新材料科技有限責(zé)任公 司生產(chǎn)的裝配式CF蒸壓瓷粉加氣混凝土板 厚100 mm 具有優(yōu)良的保溫隔熱特性 能有效阻止室內(nèi)側(cè)熱量向外 側(cè)傳輸 墻內(nèi)填土采用泰安當(dāng)?shù)馗赜猛梁粚?shí) 厚 440 mm 就地取材 蓄熱放熱性能好 室內(nèi)側(cè)采用60 mm 厚普通鋼筋混凝土板 能在有效支擋墻內(nèi)填土的同時(shí) 因?qū)嵯禂?shù)大能快速傳熱 為保證試驗(yàn)過(guò)程中熱量在墻 體中一維傳遞 以避免邊際效應(yīng) 在墻體上下左右四周 均采用聚苯保溫板 對(duì)應(yīng)的熱阻為10 26 W 進(jìn)行封 裝 試驗(yàn)墻體對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)熱阻為3 53 W 熱阻值前者 遠(yuǎn)大于后者能實(shí)現(xiàn)熱量在墻體中一維傳遞 試驗(yàn)墻體所 用材料對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)參數(shù)詳見(jiàn)表1 圖1 試驗(yàn)墻體及測(cè)點(diǎn)布置示意圖 Fig 1 Schematic diagram of test wall and measuring point arrangement 表1 試驗(yàn)墻體所用材料各項(xiàng)參數(shù) Table 1 Various parameters of materials used for testing walls 材料 Material 密度 Density kg m 3 比熱容 Specific heat capacity kJ kg 1 導(dǎo)熱系數(shù) Thermal conductivity W m K 1 CF蒸壓瓷粉加氣混凝土板 CF autoclaved porcelain powder aerated concrete slab 450 1 05 0 085 土Soil 1 241 1 28 0 570 普通鋼筋混凝土板 Ordinary reinforced concrete slab 2 500 0 92 1 740 注 填土質(zhì)量含水率為13 14 對(duì)應(yīng)最佳含水率 Note The fill water quality moisture content is 13 14 corresponding to the optimum moisture content 1 2 試驗(yàn)儀器 通過(guò)課題組研發(fā)的可控式墻體熱濕耦合試驗(yàn)臺(tái)調(diào)控墻 體兩側(cè)溫濕度 如圖2所示 該試驗(yàn)臺(tái)主要由2個(gè)可控 式恒溫恒濕箱組成 用于模擬實(shí)際環(huán)境的溫濕度工況 提供試驗(yàn)要求的溫濕度環(huán)境 當(dāng)將箱體開(kāi)敞一側(cè)與墻體 密封時(shí) 溫度值可以設(shè)定在10 100 偏差不超過(guò) 0 5 相對(duì)濕度值可以設(shè)定在30 95 偏差值不 超過(guò) 2 數(shù)據(jù)采集采用上海搜博實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的 SLHT1 溫濕度傳感器 SM1210B 溫濕度采集模塊及 SV3000環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 圖2 墻體試驗(yàn) Fig 2 Experimental of wall 1 3 測(cè)點(diǎn)布置 為得到墻體內(nèi)部溫度 相對(duì)濕度的穩(wěn)態(tài)分布和動(dòng)態(tài) 遷移情況 在墻體內(nèi)部共布設(shè)8個(gè)溫濕度測(cè)點(diǎn) 如圖1 所示 8個(gè)測(cè)點(diǎn)在空間上形成一條沿墻體厚度方向的水平 直線 其中 1 2 3號(hào)測(cè)點(diǎn)沿CF蒸壓瓷粉加氣混凝土 板厚度方向按間距為50 mm等分布設(shè)于板的兩側(cè)和中點(diǎn) 處 4 5 6號(hào)測(cè)點(diǎn)沿墻內(nèi)填土厚度方向按間距為110 mm 等分布設(shè) 7 8號(hào)測(cè)點(diǎn)沿室內(nèi)側(cè)普通鋼筋混凝土板厚度 方向分別布設(shè)于板兩側(cè) 所有測(cè)點(diǎn)沿長(zhǎng)度 高度方向均 布設(shè)于中心位置 數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔為5 min 1 4 工況設(shè)計(jì) 為研究墻體兩側(cè)溫度 相對(duì)濕度變化對(duì)墻體熱濕遷 移及蓄放熱性能的影響 綜合考慮日光溫室室內(nèi)外實(shí)際 對(duì)應(yīng)的熱濕環(huán)境和試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)參數(shù) 設(shè)計(jì)2個(gè)試驗(yàn)組 共7種工況 表2 每種工況以墻體內(nèi)溫度 相對(duì)濕度 達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定并維持12 h以上 由此進(jìn)入下一工況 表2 試驗(yàn)組列表 Table 2 List of test groups 熱箱 模擬室內(nèi) Hot box Simulated indoor 冷箱 模擬室外 Cold box Simulated outdoor 編號(hào) No 溫度 Temperature 相對(duì)濕度 Relative humidity 溫度 Temperature 相對(duì)濕度 Relative humidity 1 1 30 90 10 40 1 2 25 90 10 40 1 3 20 90 10 40 試驗(yàn)組1 Test group 1 1 4 15 90 10 40 2 1 25 90 10 80 2 2 25 90 15 40 試驗(yàn)組2 Test group 2 2 3 25 90 15 80 為研究日光溫室內(nèi)部溫度變化對(duì)墻體熱濕性能的影 響 試驗(yàn)組1設(shè)置為室外側(cè)溫度 相對(duì)濕度不變 室內(nèi) 第23期 王少杰等 日光溫室裝配式土質(zhì)夾心墻體熱濕遷移及蓄放熱性能研究 211 側(cè)相對(duì)濕度不變 溫度以5 為梯度由30 降至15 分別對(duì)應(yīng)工況1 1至工況1 4 為研究室外側(cè)溫度 相對(duì) 濕度變化對(duì)墻體熱濕性能的影響 以工況1 2為基準(zhǔn) 設(shè) 置試驗(yàn)組2開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn) 其中 工況2 1為室外側(cè)溫度 不變 相對(duì)濕度變化 工況2 2為室外側(cè)溫度變化 相對(duì) 濕度不變 工況2 3為室外側(cè)溫度 相對(duì)濕度均變化 2 結(jié)果與分析 2 1 室內(nèi)溫度變化時(shí)墻體的熱濕性能 2 1 1 墻體溫度及相對(duì)濕度穩(wěn)態(tài)分布 試驗(yàn)組1各工況對(duì)應(yīng)的所有測(cè)點(diǎn)溫度 相對(duì)濕度達(dá) 到穩(wěn)定后 取穩(wěn)定后12 h內(nèi)的平均值作為各測(cè)點(diǎn)的溫度 相對(duì)濕度值 以測(cè)點(diǎn)1對(duì)應(yīng)位置為橫軸坐標(biāo)0點(diǎn)作圖 試驗(yàn)組1各工況對(duì)應(yīng)的溫度 相對(duì)濕度沿墻厚度方向的 分布分別如圖3 圖4所示 注 數(shù)字為各測(cè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)代碼 下同 Note Number is the corresponding code of each measurement point the same below 圖3 試驗(yàn)組1溫度 墻厚曲線 Fig 3 Temperature thickness curve of test group 1 由圖3可知 試驗(yàn)組各工況對(duì)應(yīng)溫度均由室內(nèi)高溫 側(cè) 600 mm 向室外低溫側(cè) 0 mm 傳遞 普通鋼筋混 凝土板對(duì)熱量的阻隔作用較小 可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)與墻內(nèi)熱量 的快速交換 墻內(nèi)填土能在有效阻礙熱量向外傳遞的同 時(shí)蓄集熱量 室內(nèi)溫度越高 對(duì)應(yīng)溫度梯降越大 各工 況中1 3號(hào)測(cè)點(diǎn)溫差均較大 即CF蒸壓瓷粉加氣混凝 土板可有效阻礙墻內(nèi)熱量向外部的傳遞 保溫隔熱作用 明顯 圖4 試驗(yàn)組1相對(duì)濕度 墻厚曲線 Fig 4 Relative humidity thickness curve of test group 1 由圖4可知 各工況墻內(nèi)填土均處于高濕狀態(tài) 測(cè) 點(diǎn)3 6的相對(duì)濕度維持在99 以上 基本不向兩側(cè)傳 遞 室內(nèi)溫度變化對(duì)墻內(nèi)濕度的影響亦較小 基本規(guī)律 是伴隨室內(nèi)溫度的降低墻內(nèi)濕度略有增加 分析可知 墻內(nèi)填土處于高濕狀態(tài)下 相比于干燥狀態(tài)的傳統(tǒng)土墻 含濕量大的土傳熱介質(zhì)以土和水為主導(dǎo) 從而具有較大 的比熱容與導(dǎo)熱系數(shù) 使得熱收益增加 蓄熱循環(huán)周期 縮短 31 即該特性更有利于墻體在白天吸收太陽(yáng)輻射蓄 集更多的熱量 從而可在夜間或連陰天向溫室內(nèi)釋放更 多的熱量 對(duì)日光溫室內(nèi)熱環(huán)境的營(yíng)造是有利的 2 1 2 墻體溫度瞬態(tài)遷移規(guī)律 1 溫度變化率 為獲得各測(cè)點(diǎn)的溫度有效下降時(shí)間 以1 h為間隔求 出溫度下降過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)的溫度變化率 具體方法為 以墻內(nèi)夾心土層對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)即測(cè)點(diǎn)5為例 對(duì)其溫度變 化曲線求導(dǎo)得到測(cè)點(diǎn)5的溫度變化率曲線 對(duì)應(yīng)溫度及 溫度變化率曲線如圖5所示 溫度變化率大于0為升溫 小于0為降溫 當(dāng)溫度趨于相對(duì)穩(wěn)定時(shí)溫度變化率會(huì)在0 值處上下波動(dòng) 找出溫度變化率此時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn) 即 為溫度保持相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間點(diǎn) 并將該點(diǎn)標(biāo)示在對(duì)應(yīng)的 溫度 時(shí)間曲線上 該段時(shí)間即為測(cè)點(diǎn)的溫度有效下降 時(shí)間 依據(jù)該方法可以在試驗(yàn)組1各工況對(duì)應(yīng)的溫度 時(shí)間曲線上厘清各測(cè)點(diǎn)在各工況的溫度變化開(kāi)始及結(jié)束 點(diǎn) 如圖6所示 定量結(jié)果匯總見(jiàn)表3 實(shí)測(cè)結(jié)果表明 由于墻體內(nèi)部測(cè)點(diǎn)存在溫度滯后效應(yīng) 故定義以溫度率 先達(dá)到穩(wěn)定態(tài)的測(cè)點(diǎn)8所需要的時(shí)間為快速放熱期 圖5 測(cè)點(diǎn)5各階段溫度變化及其溫度變化率 Fig 5 Temperature change and temperature change rate at various stages of measuring point 5 圖6 試驗(yàn)組1各測(cè)點(diǎn)溫度 時(shí)間曲線 Fig 6 Temperature time curve of test group 1 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2019年 212 表3 各階段各測(cè)點(diǎn)溫度有效下降時(shí)間及下降幅度 Table 3 Effective time and extent of temperature reduction in each stage 階段 Stage 用時(shí)及變化幅度 Time and amplitude of variation 測(cè)點(diǎn)2 Point 2 測(cè)點(diǎn)3 Point 3 測(cè)點(diǎn)4 Point 4 測(cè)點(diǎn)5 Point 5 測(cè)點(diǎn)6 Point 6 測(cè)點(diǎn)7 Point 7 測(cè)點(diǎn)8 Point 8 用時(shí) 5 d 3 5 h 6 d 5 d 8 h 3 d 18 h 3 d 16 h 3 d 11 h 3 d 11 h 第1階段 First stage 變化幅度 1 57 2 13 2 70 2 49 3 56 4 53 5 39 用時(shí) 3 d 5 h 4 d 6 h 5 d 18 h 4 d 21 h 4 d 4 h 3 d 19 h 3 d 16 h 第2階段 Second stage 變化幅度 1 19 1 36 1 83 2 57 3 27 4 39 4 96 用時(shí) 6 d 6 5 h 6 d 5 5 h 4 d 13 h 4 d 14 5 h 4 d 15 5 h 4 d 11 h 4 d 8 h 第3階段 Third stage 變化幅度 2 69 2 97 3 33 3 84 4 58 5 04 6 00 注 測(cè)點(diǎn)1受室外側(cè)溫度 維持在10 上下 影響較大 且溫度變化不大 故未列入表中 Note Measurement point 1 is greatly affected by the outdoor side temperature maintained at 10 and the temperature does not change much so it is not listed in the table 2 空間遷移規(guī)律 分析圖6可知 空間上沿墻體厚度方向 各階段各 測(cè)點(diǎn)溫度有效下降時(shí)間由墻體內(nèi)側(cè)至外側(cè)依次變長(zhǎng) 溫 度下降開(kāi)始時(shí)間率先從墻內(nèi)側(cè)開(kāi)始 越靠近外側(cè)溫度開(kāi) 始下降的時(shí)間越晚 導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是墻內(nèi)填土對(duì) 溫度變化的響應(yīng)存在滯后效應(yīng) 內(nèi)側(cè)普通鋼筋混凝土板 較外側(cè)CF蒸壓瓷粉加氣混凝土板具有更高的熱擴(kuò)散率 熱擴(kuò)散率是指在一定的熱量得失情況下 物體溫度變化 快慢的一個(gè)物理量 相當(dāng)于物體的蓄熱能力 是一個(gè)在 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程中非常重要的參數(shù) 物體的熱擴(kuò)散率越 大 表明熱量由物體表面向深層或者由深層向物體表面 擴(kuò)散的能力越強(qiáng) 普通鋼筋混凝土板 CF蒸壓瓷粉加氣 混凝土板對(duì)應(yīng)的熱擴(kuò)散率分別為 2 101 10 7 0 499 10 7 m2 s 3 時(shí)間遷移規(guī)律 為便于分析 以試驗(yàn)組1對(duì)應(yīng)4個(gè)工況為界 將溫 度 時(shí)間曲線分為3個(gè)階段 如圖6所示標(biāo)注 從時(shí)間 角度可明顯看出 各測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定所用的時(shí)間 在第1階段 室內(nèi)外溫差為20 最短 第2階段 室 內(nèi)外溫差為15 次之 第3階段 室內(nèi)外溫差為10 最長(zhǎng) 其原因是墻體兩側(cè)溫差越大 墻體材料的熱傳導(dǎo) 就越快 溫度達(dá)到相對(duì)平衡的速度就越快 單位時(shí)間熱 量損失的越大 從而達(dá)到溫度相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間也就越快 這一特性有利于極端天氣下室內(nèi)氣溫驟降時(shí)墻體向室內(nèi) 快速釋放熱量 減小室內(nèi)溫度下降幅度 更進(jìn)一步的由圖6和表3綜合量化分析可知 由測(cè) 點(diǎn)5至測(cè)點(diǎn)8 即室內(nèi)側(cè)280 mm厚的墻體在3 d 11 h至 4 d 15 5 h內(nèi)溫度達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定 且下降幅度較大 靠近 墻外側(cè)厚320 mm的墻體最晚可在6 d 6 5 h后達(dá)到相對(duì) 穩(wěn)定 即在連續(xù)陰天 當(dāng)日光溫室內(nèi)部氣溫下降時(shí) 墻 內(nèi)側(cè)厚280 mm的墻體可持續(xù)在4 d 15 5 h內(nèi)快速向室內(nèi) 釋放熱量 墻外側(cè)厚320 mm的墻體最大可持續(xù)6 d 6 5 h 向室內(nèi)釋放熱量 但溫度變化幅度縮小即放熱能力較快 速放熱期減弱 2 2 室外溫濕度變化時(shí)墻體的熱濕性能 對(duì)比試驗(yàn)組2各工況與工況1 2 可知室外溫濕度變 化時(shí)墻體熱濕性能遷移規(guī)律 如圖7所示 對(duì)比工況1 2 與2 1 即當(dāng)室外相對(duì)濕度增大時(shí) 試驗(yàn)組2 1中靠近室 外側(cè)的測(cè)點(diǎn)1 3的溫度明顯低于工況1 2 而測(cè)點(diǎn)4 8 的溫度基本相同 室外側(cè)相對(duì)濕度的提高導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)1相 對(duì)濕度增加 進(jìn)而使導(dǎo)熱系數(shù)變大 降低該處保溫性能 使測(cè)點(diǎn)1 3處溫度下降明顯 而對(duì)墻內(nèi)填土及室內(nèi)側(cè)影 響不大 對(duì)比工況1 2與2 2 可明顯看出室外側(cè)溫度提 高對(duì)墻體相對(duì)濕度影響不大 對(duì)墻體的溫度影響較大 測(cè)點(diǎn)1 8溫度均有所提升 但越靠近室內(nèi)側(cè)溫度變化越 小 以測(cè)點(diǎn)1的溫度所受影響最大 對(duì)比工況1 2與2 3 即當(dāng)室外側(cè)溫度 相對(duì)濕度同時(shí)提高時(shí) 首先室外側(cè)溫 度的升高使墻內(nèi)溫度整體提高 但由于室外相對(duì)濕度提 高使靠近室外的測(cè)點(diǎn)1 3溫度提升幅度較工況2 2低 該段曲線形狀更接近于工況2 1 上述現(xiàn)象說(shuō)明無(wú)論室外 高溫或低溫 室外高濕環(huán)境都會(huì)降低室外側(cè)210 mm厚墻 體的溫度 但影響深度有限 圖7 室外溫濕度變化時(shí)墻體的熱濕性能 Fig 7 Hygrothermal performance of wall under change of outdoor temperature and humidity 2 3 墻體蓄熱 放熱性能分析 2 3 1 墻體蓄 放熱量計(jì)算 墻體蓄集 釋放熱量的過(guò)程是墻體內(nèi)能增加 減少 的過(guò)程 可以通過(guò)墻體內(nèi)溫度的變化計(jì)算得到蓄 放熱 量 物體熱量與溫度的換算公式為 Q Cm t 1 式中 t為物體的溫度變化值 Q為物體所吸收或釋放的 第23期 王少杰等 日光溫室裝配式土質(zhì)夾心墻體熱濕遷移及蓄放熱性能研究 213 熱量 t為正值時(shí)表示吸收熱量 為負(fù)值時(shí)表示釋放熱量 kJ C為物體比熱容 kJ kg m為物體質(zhì)量 kg 裝配式土質(zhì)夾心墻體為層狀異質(zhì)復(fù)合墻體 水平方 向由3種不同材料組成 其比熱容各不相同 根據(jù)試驗(yàn) 測(cè)點(diǎn)沿墻厚方向的分布 以測(cè)點(diǎn)1 8對(duì)應(yīng)的在墻厚方向 上的距離將墻體離散為7層 每一層墻體可以看作是穩(wěn) 態(tài)導(dǎo)熱 其傳熱過(guò)程可認(rèn)為是沿墻體厚度方向的一維穩(wěn) 態(tài)導(dǎo)熱 11 第k層墻體的蓄 放熱量計(jì)算公式為 k k k j iQ C m t t 2 1k k k w kC C W C W 3 k k km V 4 墻體整體蓄 放熱量計(jì)算公式為 7 1 1 2 7k k Q Q k 5 式中k為墻體離散后編號(hào) 由室外側(cè)測(cè)點(diǎn)1 2之間墻體 為第1層 k 1 2 7 Ck為該層墻體材料的實(shí)際比熱容 kC 為該層墻體材料干燥狀態(tài)時(shí)的比熱容 Cw為水的比熱 容 kJ kg Wk為該層墻體材料的質(zhì)量含水率 mk為 該層墻體材料的質(zhì)量 kg k為該層墻體材料的密度 kg m3 Vk為該層墻體材料的體積 m3 厚度取相鄰測(cè)點(diǎn) 之間的距離 高度與長(zhǎng)度各取1m ti為該層墻體材料的 起始溫度 tj為該層墻體材料的終止溫度 例如計(jì)算該層 墻體第1階段的熱量變化 則ti為其工況1 1時(shí)的溫度值 tj為其工況1 2時(shí)的溫度值 取該層相鄰2測(cè)點(diǎn)的平均 值 2 3 2 室內(nèi)溫度變化時(shí)墻體的蓄放熱性能 由公式 2 4 計(jì)算可知試驗(yàn)組1各工況墻體 各層的蓄 放熱量 如圖8所示 分析可知 墻體主要 蓄 放熱體為墻內(nèi)填土 且越靠近室內(nèi)一側(cè)蓄集的熱量 越多 各工況及工況間各階段墻內(nèi)填土平均蓄 放熱占 比分別為75 81 75 38 室內(nèi)側(cè)普通鋼筋混凝土板次 之 各工況及工況間各階段平均蓄 放熱占比分別為 21 92 21 90 室外側(cè)CF蒸壓瓷粉加氣混凝土板蓄放 熱量最小 主要起隔熱作用 這對(duì)墻體向室內(nèi)側(cè)單向釋 放熱量是有利的 由公式 2 5 計(jì)算比較了試驗(yàn)組1各工況所 有測(cè)點(diǎn)溫度相對(duì)穩(wěn)定時(shí)墻體的蓄熱量和對(duì)應(yīng)各階段快速 放熱期結(jié)束時(shí)以及各階段結(jié)束時(shí)墻體的放熱量 如圖9 所示 由圖9可明顯看出 各階段放熱率隨著墻體兩側(cè) 溫差的減小不斷提高 第1階段結(jié)束時(shí)放熱量占工況1 1 穩(wěn)定時(shí)蓄熱量的26 57 第2階段結(jié)束時(shí)放熱量占工況 1 2穩(wěn)定時(shí)蓄熱量的29 97 第3階段結(jié)束時(shí)放熱量占工 況1 3穩(wěn)定時(shí)蓄熱量的60 62 快速放熱期所釋放熱量 占各階段放熱量的絕大比例 其中第1 第2 第3階段 快速放熱期所釋放的熱量分別占總放熱量的88 64 85 64 和91 21 用時(shí)分別是3 d 11 h 3 d 16 h和4 d 8 h 見(jiàn)表3 即伴隨墻體兩側(cè)溫差減小 快速放熱期 的時(shí)長(zhǎng) 放熱率均提高 a 蓄熱量 a Heat storage b 放熱量 b Heat release 圖8 試驗(yàn)組1各層蓄放熱量 Fig 8 Heat storage and release in each layer of test group 1 圖9 試驗(yàn)組1各時(shí)期墻體蓄放熱量 Fig 9 Heat storage and release of wall in different periods of test group 1 2 3 3 室外溫濕度變化時(shí)墻體的蓄放熱性能 計(jì)算試驗(yàn)組2各工況墻體各層蓄熱量并求得與對(duì)比 工況1 2的熱量變化值 如圖10所示 分析圖10可知 當(dāng)室外相對(duì)濕度提高時(shí) 工況2 1 墻體第1 3層蓄 熱量下降 由工況2 2 工況2 3的熱量變化均為正值可 知 由于室外側(cè)溫度提高 使墻體溫度升高 墻體內(nèi)能 增加而蓄集更多熱量 對(duì)比工況1 2與工況2 1 工況2 2 與工況2 3可明顯看出 墻體外側(cè)相對(duì)濕度提高使墻體第 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2019年 214 1 3層熱量流失 而第4 7層熱量并無(wú)明顯變化 結(jié)合 2 2節(jié)的分析可知 室外相對(duì)濕度提高不僅降低了室外側(cè) 210 mm厚墻體的蓄熱性能 而且使熱量由墻內(nèi)向室外側(cè) 單向流失 即可以通過(guò)進(jìn)一步提高外側(cè)墻板的熱阻和防 水性能改善墻體熱環(huán)境 圖10 試驗(yàn)組2與工況1 2各層蓄熱量變化值 Fig 10 Variation of heat storage in each layer of test group 2 and case 1 2 3 數(shù)值分析方法 3 1 數(shù)值建模 通過(guò)有限元軟件ANSYS和APDL參數(shù)化語(yǔ)言 采用 2維4節(jié)點(diǎn)熱分析單元PIANE55建立裝配式土質(zhì)夾心墻 體的數(shù)值模型 對(duì)普通鋼筋混凝土板 墻內(nèi)填土 CF蒸 壓瓷粉加氣混凝土板分別賦予不同的建模參數(shù) 表1 網(wǎng)格尺寸為10 mm 采用熱分析第一類邊界條件 即物 體邊界上溫度已知且為定值 對(duì)室內(nèi)外兩側(cè)施加溫度荷 載并提取試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)路徑上的溫度 通過(guò)數(shù)值分析方 法研究墻體熱工性能 試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果表明土的相對(duì)濕度 始終處于高濕狀態(tài) 99 以上 且相對(duì)十分穩(wěn)定 對(duì)導(dǎo) 熱系數(shù)的變化無(wú)明顯影響 故為了建立簡(jiǎn)單實(shí)用高效的 數(shù)值分析方法 本文在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)考慮了相對(duì)濕度 的影響但沒(méi)有考慮相對(duì)濕度變化的影響 所采用的導(dǎo)熱 系數(shù)為土在高濕狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù) 3 2 試驗(yàn)驗(yàn)證 選取具有代表性的工況1 2 2 1 開(kāi)展數(shù)值計(jì)算與實(shí) 測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析 如圖11所示 圖11 模擬與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比圖 Fig 11 Comparison of simulated and measured temperatures 可明顯看出 各測(cè)點(diǎn)溫度實(shí)測(cè)值均較為均勻的分布 在模擬曲線兩側(cè) 且數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果變化趨勢(shì) 一致 均由高溫側(cè)傳向低溫側(cè) 模擬曲線的斜率變化體 現(xiàn)為墻體各材料的不同 定量分析表明 各測(cè)點(diǎn)除工況 2 1中測(cè)點(diǎn)2誤差為1 34 以外 其他各測(cè)點(diǎn)的誤差均在 1 00 以內(nèi) 數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果的良好吻合為后續(xù)定 量研究土質(zhì)夾心層厚度不同的同類型墻體的熱工性能提 供了高效方法 4 討 論 日光溫室是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的果蔬園藝設(shè)施 之一 其墻體是日光溫室的主要蓄放熱體 本研究結(jié)合 實(shí)際生產(chǎn)需求 以最新研發(fā)的日光溫室裝配式土質(zhì)夾心 墻體為研究對(duì)象 在材料選擇與結(jié)構(gòu)布置上以普通鋼筋 混凝土板和具有一定水分的土為蓄熱材料 以CF蒸壓瓷 粉加氣混凝土板為室外側(cè)隔熱保溫材料 試驗(yàn)結(jié)果表明 該設(shè)計(jì)理念可行且有利于營(yíng)造 維持溫室內(nèi)的溫度 本 文所研究墻體適于中國(guó)北方地區(qū)種植草莓 葡萄等 尤 以種植草莓可趕上春節(jié)茬口上市 經(jīng)濟(jì)效益十分明顯 為兼顧墻體的保溫蓄放熱能力與快速建造 節(jié)約土地資 源 本文墻厚為600 mm 墻內(nèi)填土為440 mm 若要進(jìn) 一步滿足對(duì)室內(nèi)熱量要求較高的果蔬生長(zhǎng) 廣泛使用的 方法為增加墻體厚度 但目前研究表明僅通過(guò)增加溫室 墻體厚度來(lái)提高墻體保溫蓄熱效果非常有限 且墻體的 熱量釋放路徑并非一維單向傳遞 后續(xù)可在提高單位土 體蓄熱量 采取墻體外保溫措施 優(yōu)化墻體熱量傳遞路 徑等方面開(kāi)展研究 不同于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 本文通過(guò)控制變量的方法 研究 了墻體兩側(cè)溫度 相對(duì)濕度對(duì)墻體熱濕遷移的影響 墻 體不受雨 雪 風(fēng) 光照及棚內(nèi)作物 土壤等因素影響 得到了墻體在工況所設(shè)環(huán)境下最終穩(wěn)定時(shí)的溫濕度分布 情況及遷移過(guò)程 同時(shí)工況設(shè)置未模擬晝夜循環(huán)情況下 的溫度 后續(xù)研究在考慮墻體保溫蓄熱性能影響因素的 同時(shí) 宜加強(qiáng)晝夜溫度變化對(duì)墻內(nèi)溫度波動(dòng)影響的研究 本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要采集了溫度與相對(duì)濕度 較準(zhǔn)確 地獲得了墻內(nèi)的熱濕分布與遷移變化情況 對(duì)于墻體蓄 放熱量的計(jì)算與評(píng)價(jià)主要以理論推導(dǎo)為主 試驗(yàn)結(jié)果與 數(shù)值模擬結(jié)果表明墻內(nèi)有關(guān)墻體保溫蓄熱性能的參數(shù) 如導(dǎo)熱系數(shù)等 并非固定不變 會(huì)因墻體兩側(cè)溫濕度環(huán) 境的變化而受到不同程度影響 鑒于墻體保溫蓄熱性能 影響因素的復(fù)雜性 如何實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 獲得墻體各項(xiàng)熱工 性能參數(shù) 更加準(zhǔn)確計(jì)算墻體蓄 放熱量 后續(xù)研究應(yīng) 予以加強(qiáng) 5 結(jié) 論 1 日光溫室裝配式土質(zhì)夾心墻體熱濕遷移存在耦 合 但并不明顯 墻內(nèi)填土始終保持高濕狀態(tài) 有利于 墻體蓄熱和放熱 室外環(huán)境變化對(duì)墻體保溫蓄熱性能影 響有限 其中室外相對(duì)濕度變化僅會(huì)使室外側(cè)210 mm厚 墻體的溫度產(chǎn)生變化 2 日光溫室裝配式土質(zhì)夾心墻體主要蓄放熱體為墻 第23期 王少杰等 日光溫室裝配式土質(zhì)夾心墻體熱濕遷移及蓄放熱性能研究 215 內(nèi)填土 室內(nèi)側(cè)普通鋼筋混凝土板次之 CF蒸壓瓷粉加 氣混凝土板則主要起保溫隔熱作用 能使墻內(nèi)熱量主要 向室內(nèi)單向釋放 室內(nèi)側(cè)280 mm厚墻體對(duì)室內(nèi)溫度變化 響應(yīng)迅速且可在4 d 15 5 h內(nèi)持續(xù)向室內(nèi)釋放熱量 墻體 在快速放熱期4 d 8 h 內(nèi)所釋放熱量占總放熱量的 85 64 91 21 3 日光溫室裝配式土質(zhì)夾心墻體具有優(yōu)良的保溫蓄 熱性能 墻內(nèi)熱濕遷移對(duì)墻體蓄放熱為有利影響 對(duì)室 外環(huán)境變化有一定抵御能力 該新型層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合 墻體符合室外側(cè)為保溫隔熱層 內(nèi)側(cè)為蓄放熱層的設(shè)計(jì) 理念 且實(shí)現(xiàn)了快速裝配 節(jié)能環(huán)保 具有一定推廣價(jià) 值 數(shù)值分析方法與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好 可為不同地區(qū) 不同作物所需不同蓄放熱量日光溫室墻體的設(shè)計(jì)與建造 提供參考 具有指導(dǎo)生產(chǎn)意義 參 考 文 獻(xiàn) 1 李天來(lái) 我國(guó)日光溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前景 J 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè) 大學(xué)學(xué)報(bào) 2005 36 2 131 138 Li Tianlai Current situation and prospects of greenhouse industry development in China J Journal of Shenyang Agricultural University 2005 36 2 131 138 in Chinese with English abstract 2 Zhang Jian Wang Jian Guo Shirong et al Study on heat transfer characteristics of straw block wall in solar greenhouse J Energy 2 College of Horticulture Science and Engineering Shandong Agricultural University Tai an 271018 China 3 Shandong Transport Vocational College Weifang 261206 China Abstract Solar greenhouse is a unique type of greenhouse in China It can absorb solar energy through the back wall to achieve heat storage and release maintain the temperature in the greenhouse to meet the growth of vegetable crops and effectively solve the problem of winter fruit and vegetable supply in northern cold region of China In order to solve the problems of excessive thickness easy collapse and low land use efficiency of traditional soil wall an assembled heterogeneous composite soil sandwich wall was developed Prefabricated ordinary reinforced concrete slabs and light energy saving thermal insulation slabs were used on both sides of the wall respectively The thickness of the soil sandwich layer could be flexibly adjusted according to the different needs of different crops for temperature The interior and exterior wall panels are backfilled with soil and tied with reinforcements The exterior insulation panels can effectively prevent heat transfer In order to deeply and systematically study the heat and moisture transfer and heat storage and release performance of assembled soil sandwich wall in solar greenhouse and reveal the hysteretic effect of filling on the response of temperature change indoor model tests were carried out The test wall is 1 2 m long and 0 6 m high with a total thickness of 600 mm CF autoclaved ceramic powder aerated concrete slab with excellent heat preservation and insulation characteristics is used outdoors with a thickness of 100 mm The filling material in the wall is taken locally and the cultivated land with good heat storage and heat release performance is tamped with a thickness of 440 mm The indoor side is made of ordinary reinforced concrete slab with a thickness of 60 mm which is effectively supported and retained While supporting the wall it has high thermal conductivity and fast heat transfer Considering the actual indoor and outdoor hygrothermal environment of solar greenhouse and the technical parameters of the s