日光溫室空氣對流蓄熱中空墻體熱性能試驗

趙淑梅，莊云飛，鄭可欣，馬承偉，程杰宇，馬 沖，陳小文，張天柱,

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日光溫室空氣對流蓄熱中空墻體熱性能試驗

趙淑梅1,2，莊云飛1,2，鄭可欣1,2，馬承偉1,2，程杰宇1,2，馬 沖3，陳小文4，張天柱1,2,4

（1. 中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083； 2. 農業部設施農業工程重點實驗室，北京 100083； 3. 北京中農天陸微納米氣泡水科技有限公司，北京 100083； 4. 北京中農富通園藝有限公司，北京 100083）

空氣對流循環蓄熱墻體是一種通體中空型日光溫室墻體，其內部中空層與溫室空間連通而具有空氣對流換熱效果。為詳細了解該墻體構造的蓄放熱特性及其對日光溫室熱環境的影響，通過與同樣構造但中空層封閉的無對流墻體的對比，在北京市通州區試驗溫室中測試了墻體內部溫度分布及變化規律、墻體蓄放熱量及其對溫室內氣溫的影響。其結果，與對照墻體相比，對流方式下墻體內部溫度分布規律不同，墻體內部整體溫度水平較高、且晝夜波動幅度較大，墻體白天蓄熱量提高15.1%，夜晚放熱量提高14.7%，這一效果使得溫室夜間最低溫度提高2.2 ℃，有效提高了墻體的蓄放熱能力，改善了溫室夜間溫度水平。

溫室；溫度；墻體；自然對流；蓄放熱

0 引 言

日光溫室之所以能維持良好的夜間熱環境，墻體是關鍵因素之一[1]。墻體往往集承重、蓄熱、保溫、放熱等功能于一體，白天與地面一起接受太陽輻射熱，并將之蓄積起來，當夜間室內空氣溫度下降至一定溫度水平時再將其釋放出來[2-4]。由于地面通常有作物覆蓋，接受太陽輻射有限，蓄放熱性能會受影響，因此在沒有加溫條件下，墻體就成了夜間維持溫室內作物生長環境溫度的重要熱源[5-6]，研究表明，日光溫室墻體在不同室內氣溫條件下的夜間平均放熱量可達20～60 W/m2[7]，可見這一蓄放熱能力對日光溫室維持冬季生產起到了至關重要的作用。但是，研究也表明，受限于構造和材料，墻體的蓄放熱潛力并沒有很好的地發揮，蓄放熱作用僅靠墻體室內一側表面，面積有限，涉及墻體最大厚度僅為300～500 mm，參與蓄放熱的材料也很有限[8-10]。這種局限一方面會導致冬季晴天條件下，溫室內白天午間溫度較高，往往需要開窗通風進行降溫；而另一方面，因為蓄放熱能力有限，很多日光溫室冬季夜間存在低溫現象，特別是一些果菜種植溫室，會影響作物的生長、產量和品質，甚至會出現凍害。這種矛盾現象的存在，表明日光溫室并沒有最大限度地利用進入溫室的太陽能，因此通過改善墻體構造來提高墻體的蓄放熱性能，將更多的太陽輻射熱留在溫室內，用于提高溫室的夜間溫度，對改善日光溫室的生產性能具有重要意義。

在近30 a的日光溫室快速發展歷程中，關于墻體性能的改進，受到了很多的關注，其中采用最多的措施就是改變墻體自身構造以及應用不同墻體材料。比如在傳統溫室中，使用最多的方法就是增加實體墻的厚度，尤其是在土墻溫室中極為常見，很多地區日光溫室墻體厚度多達數米[11-12]。但是試驗證明，不同地區的土墻有其最優厚度，通過增大土墻的厚度來提高墻體的保溫效果其作用是有限的[13-15]。其次早期溫室中也有在墻體中間設置空氣夾層，利用靜止空氣傳熱系數較小這一特點延滯溫度的下降，但這對墻體空氣夾層的密閉性要求較高，且采用這一墻體構造的目的也是在于改善墻體的保溫性能而非蓄放熱性能[16]。另外，現在比較公認的是采用復合墻體構造，將蓄熱層置于內側，保溫層置于外側，構造更加合理，材料的選用也更加有針對性[17-18]。佟國紅等對比了復合墻與普通土墻保溫蓄熱性能的差異，發現復合墻體的蓄熱性能和熱穩定性都要優于同熱惰性指標的土墻[19]。為進一部提升墻體的蓄放熱能力，目前也有很多人在嘗試將相變材料應用于墻體作為蓄熱層的方式，比如管勇等設計了日光溫室三重結構相變蓄熱墻體，試驗分析發現該墻體相變材料層的單位體積有效蓄熱量是砌塊磚層的10倍[20]；凌浩恕等提出一種帶豎向空氣通道的太陽能相變蓄熱墻體構筑體系，將太陽能集熱器收集的熱量存儲在墻體相變材料層中以提高后墻的蓄熱量[21]。相變材料可以通過多種方式與建筑材料結合，但是相變材料的價格比較昂貴，已知能滿足溫室生產所需的材料種類相對較少，制作工藝千差萬別，封裝困難且放熱過程難以控制，因此在實際應用的過程當中還存在著許多問題[22-31]。

上述研究對日光溫室墻體技術的發展做出了貢獻，只是這些研究還未對如何提高墻體深處材料的蓄放熱性能加以關注，對墻體蓄放熱面積的提升也未加涉及，致使墻體的蓄放熱面積和蓄放熱深度有限。為了改變這一現狀，孫國濤等嘗試設計開發了日光溫室墻體管道集熱系統，通過墻體埋設用于水循環的PVC管將白天墻體表面接收的太陽輻射熱一部分蓄積到墻體的深處，夜間通過同樣的循環釋放到溫室內用于夜間加溫，該系統將日光溫室最低氣溫提高了1.5 ℃。雖然該系統存在構造復雜、維護困難等問題，但是在調動墻體深層材料參與蓄放熱方面做了很好的探索[32]。此外，張勇等也做了類似的探索，開發設計了一種主動蓄熱后墻日光溫室，其后墻內部沿長度方向設置狹長孔道、孔口安裝風機，通過空氣交換可以將部分溫室空氣中富余的熱量蓄積到墻體深處，用于溫室夜間加溫，取得了較好的效果。但研究也表明，該系統孔道面積有限，且存在墻體東西方向溫度差異大，通風阻力大，放熱不均勻等問題，仍有待改進[33]。

綜上所述，為提高日光溫室后墻的蓄放熱能力，需要充足的蓄熱體和盡可能大的換熱表面積，因此調動更多數量、更大深度的墻體材料參與蓄放熱過程，是一個非常值得探索的方向。鑒于此，本課題組提出了日光溫室空氣對流循環蓄熱墻體構造方案[34]。該墻體以混凝土空心砌塊為主材、擠塑板等為保溫材料，最大特點是采用通體中空結構，并在溫室內一側墻體上下沿東西方向各均勻布置大小一致的方形通氣孔。在與傳統實心墻體的初步對比試驗中，該墻體方案表現出了良好的性能[2]。

為進一步研究空氣對流循環蓄熱墻體的墻體蓄放熱規律及對溫室的夜間加溫效果，論文將對該墻體構造在自然對流、無對流2種情況下進行較為嚴格的對比試驗，從墻體內部溫度分布特征及晝夜變化規律、室內溫度晝夜變化規律、墻體蓄放熱量等角度進行討論分析，評價該新型墻體構造的性能。

1 材料與方法

1.1 試驗日光溫室概況

試驗所在日光溫室（圖1）位于北京市通州區潞城鎮北京國際都市農業科技園區（39°48′N、116°56′E），方位角為南偏西5°，東西長度60 m，南北跨度8 m（凈跨7.7 m），墻體高度2.8 m。前坡面和后坡面為鋼結構半拱形焊接桁架結構，前屋面采用0.08 mm厚的PO薄膜作為覆蓋材料，夜間覆蓋保溫被。溫室結構如圖1所示，后墻為空氣對流循環蓄熱墻體，由內至外的構造依次為400 mm厚混凝土空心砌塊（砂漿填充）、600 mm厚中空層、200 mm厚混凝土空心砌塊（砂漿填充）以及70 mm厚擠塑板保溫層。在這一構造下，墻體包括內層墻、中空層、外層墻3部分，總厚度為1270 mm。其中，內層墻上、下各布置一排東西方向的方形通氣孔（140 mm× 140 mm），每排264個，上下排通氣孔距離為2 m。試驗溫室在測試期間08:20揭保溫被，17:00落保溫被；室內栽培作物為藍莓，栽培行間距1.2 m，株距0.35 m。

1.彩鋼板 2.屋面防水層 3.土和煤渣 4.M7.5水泥砂漿 5.擠塑板 6.預制混凝土板 7.混凝土空心砌塊（水泥砂漿填實） 8.中空層 9.混凝土空心砌塊（水泥砂漿填實） 10.擠塑板 11.方形通氣孔

1.2 墻體蓄放熱工作原理

空氣對流循環蓄熱墻體通過上下兩排通氣孔將溫室內環境與墻體中空層相連通。白天隨著太陽輻射照度的增強，溫室內氣溫隨之升高，此時中空層內部的空氣溫度較低，中空墻體內外溫度差逐漸增大，熱空氣因密度小而上升，冷空氣因密度大而下沉，因此溫室內熱空氣就會通過內層墻上部通氣孔進入中空墻層，墻體內冷空氣則通過下部通氣孔進入溫室內，從而形成墻體內外空氣的自然對流；同時這種氣流把室內空氣中的熱量帶入到墻體內部，由于墻體內部通體中空，具有很大的表面積，因此在氣流與墻體之間會產生對流換熱作用，將空氣中的熱量傳遞給墻體，并蓄積到墻體中。夜晚由于墻體內溫度降低緩慢，溫室內溫度降低較快，當室內空氣溫度低于墻體內空氣溫度時，就會形成反向循環的氣流；氣流會帶動墻體放熱，并將熱量帶到室內，起到夜間加溫的作用。

1.3 測試方案與試驗儀器

1.3.1 測試方案

試驗的主要目的在于通過較為嚴密的對比試驗，評價空氣對流循環作用對本墻體蓄放熱特性的提升效果及其對溫室的夜間加溫效果，因此采取了對一棟對流循環蓄熱墻體溫室進行分區的試驗方案，即將溫室沿東西方向一分為二，對東側墻體內部中空層兩端和內層墻通氣孔利用泡沫絕熱材料進行了封堵，形成了中空封閉型墻體區域，作為對照區；由于該區域墻體阻斷了中空層與溫室空間的空氣對流，以下稱之為無對流墻體。西側區域則保持中空層與室內空間的空氣連通，作為試驗區，將該區域墻體稱之為自然對流墻體。兩區域之間利用雙層塑料薄膜進行分隔，對東側入口處和西側山墻附近也利用薄膜進行了邊界隔斷處理。試驗時間為2017-01-25－2017-03-07。

主要測試內容包括室內外氣溫、墻體內部溫度、墻體表面熱流密度、通氣孔空氣流速及干濕球溫度。溫度和熱流密度測試采用自動記錄儀器進行全天測試。另外，在2個測試區域東西方向等間隔分別選取了5個通氣孔測試上下通氣孔空氣流速及干濕球溫度；白天測試時刻分別選擇在保溫被揭開后（08:30左右）、中午氣溫最高（13:00左右）和下午保溫被落下前（17:00左右）時刻。夜晚由于對流相對較弱，為提高測試準確性，從18:00開始（保溫被已落下），每2 h測試1次，一直持續到第2天08:00（揭保溫被前）。

1.3.2 測點布置及測試儀器

本次試驗的測點布置如圖2所示。墻體內部溫度測點在墻體施工時已埋設，試驗區和對照區分別有一組測點。每組測點分上下2排，分別位于距室內地面0.9 m和1.9 m高度位置。埋設深度為距離墻體室內表面0、20、60、120、200、280、340、380、400、700、1 000、1 020、1 060、1 120、1 200、1 300 mm，其中距離墻體室內表面700 mm處的測點為墻體中空層空氣溫度測點。試驗區和對照區室內空氣溫度測試，在溫室南北方向跨中位置，距地面0.6、1.2、1.8 m的高度各設置3個測點。由于溫室墻體室內表面會受到作物以及后屋面的遮陽影響，從下到上接受太陽輻射的量在1 d內并不是均一和穩定的，因此在溫室中部墻體的內外3個表面上，分別于1.0和1.8 m高度處布置熱流密度測點；考慮到墻體自身材質分布的不均勻性以及室內表面熱流密度變化較大，在墻體室內表面的其他長度位置，各增加1個同樣高度的測點，即每個試驗區墻體表面共有8個熱流密度測點。

溫度測試儀器為國產T型熱電偶，精度為±0.5 ℃；熱流密度測試儀器為HFP01熱通量板（HUKSEFLUX公司，荷蘭），精度為±50 mV/(W·m2)；以上數據均由34970A和34972A數據采集器（ANGILENT公司，美國）采集，采集時間間隔為10 min。通氣孔空氣流速及溫度測試采用Model KA32/41智能型熱線風速儀（KANOMAX公司，日本），精度為（±3%測量值±0.1 m/s）；室外溫度測試設備為H21－002室外氣象站（Onset公司，美國）；通氣孔干濕球溫度測試儀器為H-AMZ-ON通風干濕表（ISUZU公司，日本）。

圖2 試驗溫室測點布置示意圖

1.4 評價方法

1.4.1 自然對流墻體通氣孔的理論空氣流量

自然對流墻體通氣孔的空氣流量雖然可以直接通過所測通氣孔空氣流速計算，但是因為流速較低、實測誤差的影響較大，相比較而言，溫度的測試精度更高。因此根據自然通風的理論[35]進行估算。

首先根據式（1）和式（2）計算上下通氣孔的總面積

式中1，2為上下通氣孔總面積，m2；1，2為上下通氣孔數目，個；1，2為上下單個通氣孔面積，m2。

然后根據式（3）計算理論空氣流量

其中

式中為空氣流量計算系數；1，2為上下通氣孔空氣流量系數，取0.63[36]；L為理論空氣流量，m3/s；t，t為墻體通氣孔上、下空氣溫度，℃；為上下通氣孔高差，m；T為墻體上通氣孔熱力學溫度。

1.4.2 空氣對流循環墻體的換熱量

單位時間內空氣循環換熱量可以根據上下通氣孔的空氣焓值變化計算得出。

根據式（5）計算單位時間換熱量

式中h，h為上、下通氣孔空氣的比焓，kJ/kg(a)；Q為因空氣循環流動產生的單位時間換熱量，kW。

2 結果與分析

根據測試數據，利用Excel軟件，從空氣對流換熱量、墻體內部溫度分布特征及晝夜變化規律、墻體蓄放熱量、以及溫室內溫度晝夜變化規律等角度進行分析，全面評價空氣對流循環墻體構造的蓄放熱性能及其對溫室夜間的加溫效果。

2.1 通氣孔空氣狀態及流量

2.1.1 通氣孔空氣流速和溫度變化

通氣孔白天空氣流速及溫度測試結果如表1所示。

表1 白天通氣孔空氣流速和溫度（2017-02-26）

從表1中可以看出，自然對流白天通氣孔的流速在早晚較小，中午流速最大，可達0.6 m/s，表明對流循環最強烈的時間是在中午；另外相同時刻上下通氣孔的流速差異不大，基本接近。比較通氣孔的空氣溫度，08:30和17:00 2個時刻上下通氣孔溫度相近，溫差較小，而13:00時上下通氣孔的溫差為6.5 ℃，與通氣孔的空氣流速表現出相同的規律，表明墻體上下通氣孔的溫差確保了中空層與溫室內環境之間空氣自然對流作用，溫差越大越有利于形成良好的氣流。

通氣孔夜間空氣流速及溫度測試結果如圖3所示。

圖3 夜晚通氣孔空氣流速及溫度（2017-03-05）

從圖3中可以看出，上下通氣孔夜間的流速整體偏小，維持在0.1～0.3 m/s；但整個夜間上通氣孔流速都略高于下通氣孔流速，且在00:00～06:00仍能保持在0.3 m/s，表明在夜間、特別是后半夜都形成了循環氣流，意味著夜間有明顯的對流換熱過程。從溫度來看，夜間上下通氣孔溫度逐漸降低，但二者之間一直存在溫差，特別是在00:00～06:00上下通氣孔溫差最大，維持在0.6～0.7 ℃之間，此時間段內空氣流速也處于最大值，表明在后半夜，隨著溫室內空氣溫度的下降，墻體的對流放熱作用反倒增強，對維持溫室后半夜的溫度環境具有重要意義。

2.1.2 通氣孔空氣流量

空氣對流循環蓄熱中空墻體的自然對流方式是典型的熱壓通風，因此可以通過式（1）－（4）對其晝夜空氣流量進行理論計算，其中空氣流量按整棟溫室進行計算。

白天自然對流空氣流量選擇08:30、13:00和17:00 這3個時刻進行計算。13:00空氣流量最大，理論計算值為2.49 m3/s，此時內層墻體內外溫差最大，自然對流最為強烈，換熱效果最佳。08:30（早上揭簾后）和17:00（下午放簾前）的空氣流量分別為1.07和0.89 m3/s，對流換熱的效果較為微弱。

夜晚自然對流空氣流量計算結果如圖4a所示。18:00（保溫被放下）以后，空氣流量逐漸減小，22:00到達最小值0.5 m3/s，此后基本上呈上升的趨勢，且在06:00時達到最大值0.87 m3/s，表明在后半夜溫室溫度逐漸降低時，墻體中空層與室內空氣的溫差逐漸加大，對流放熱作用逐漸增強。

圖4 夜晚自然對流空氣流量及換熱量（2017-03-05）

2.2 中空墻體晝夜換熱量

循環氣流在墻體內進行熱量交換的過程中會出現水汽凝結，這部分潛熱量是不可忽略的，因此可以通過上下通氣孔的空氣狀態來計算換熱量。結合實測的上下通氣孔干濕球溫度，自然對流墻體不同時刻通氣孔焓值及換熱量可由式（5）計算得到。

白天自然對流條件下上下通氣孔焓差最大的時刻是13:00，此時外界光照充足，墻體內外溫差最大，自然對流的效果最為明顯。白天最大換熱量為32.22 kW，若換算為整個溫室內墻面(高2.8 m，長60 m，墻面面積168 m2)上的熱流密度是191.8 W/m2，即相當于單位墻表面積上增加了191.8W的熱流量。

夜晚自然對流不同時刻換熱量計算結果如圖4b所示。18:00～22:00自然對流換熱量較小，表明此時室內空氣溫度與墻體內部溫度差值較小，墻體的放熱作用還未完全發揮；后半夜，隨著室內溫度不斷下降，墻體內外溫差變大，換熱量隨之增加，04:00換熱量最大，達到0.62 kW。04:00后換熱量開始下降，到08:00時放熱基本完畢。

2.3 墻體內部溫度特征

針對開展的自然對流墻體與無對流墻體對比試驗，選擇典型晴天的2017年2月1日作為代表日進行分析。室外日最高、最低氣溫分別為2.9和?10.9 ℃。一般而言，正午前后是太陽輻射強烈、室內空氣溫度較高的時間，也必然是墻體進行大量蓄熱的時間；而夜晚隨著室外溫度的下降，室內空氣溫度逐漸下降，至深夜往往降至墻面溫度以下，即墻體必然處于放熱階段，因此進一步選擇每天的14:00作為典型蓄熱時刻，04:00作為典型放熱時刻，來分析墻體內部溫度分布特征。另外，墻體的溫度分布均取同深度、同時刻上下測點的平均值表示。

以上典型時刻自然對流墻體與無對流墻體對比試驗中墻體厚度方向溫度分布如圖5所示。

注：墻體厚度沿室內到室外方向計算。

從圖5a中可以看出，典型蓄熱時刻（14:00），在0～400 mm的內層墻范圍內，2種墻體均是墻表面處溫度最高，然后隨著厚度的增加2種墻體內的溫度不斷下降，并均是在280 mm厚度處降至最低，但是下降的速度卻不相同，其中自然對流墻體內溫度下降緩慢，因此在280 mm深度溫度降至最低時，自然對流墻體最低溫度仍比無對流墻體高3.0 ℃；280 mm厚度之后無對流墻體的溫度雖有波動，但趨于平緩，而自然對流墻體溫度則出現了緩慢上升趨勢，至400 mm處（即中空層南側壁面）兩墻體溫差反升至4.0 ℃，自然對流墻體溫度明顯高于無對流墻體。這種溫度分布規律和溫度水平上的差異，表明空氣對流循環作用有效地將熱空氣引入了中空層，并通過對流作用蓄積到了內層墻體中。自然對流墻體在400～1 000 mm的中空層范圍內空氣溫度顯著增高，同時帶動兩側壁面溫度升高，與兩壁面溫差分別為4.0和5.5 ℃，而無對流墻體這3點溫度基本持平；與無對流墻體對比，自然對流墻體中空層空氣溫度高出9.4 ℃，這進一步闡明了自然對流作用有效調動了墻體中空層兩側墻體參與了蓄熱過程，因此對整個墻體而言，增加了換熱面積、自然也增加了蓄熱量。在1 000～1 200 mm外層墻范圍內，自然對流墻體的溫度水平明顯高于無對流墻體，1 000 mm厚度處二者溫差為3.7 ℃，甚至在1 200 mm厚度處二者溫差仍有2.8 ℃，表明自然對流作用使得墻體的蓄熱深度得以加大。整體來看兩墻體的平均溫度，自然對流墻體溫度高于無對流墻體2.9 ℃。

同樣，從圖5b可以看出，在典型放熱時刻，自然對流墻體溫度水平均明顯高于無對流墻體，且分布規律不同。其中，在0～400 mm內層墻范圍內，2種墻體內最高溫度點均出現在200 mm厚度處，最高溫度相差2.3 ℃，然后逐漸下降；在400～1 000 mm范圍內，兩墻體中空層空氣溫度均低于兩側墻面，說明墻體內部夜間均存在壁面對空氣的放熱作用，但二者中空層溫差為2.2 ℃，也表明相比于無對流墻體，自然對流墻體內部具有更好的放熱能力。對于自然對流墻體而言，通氣孔連通了溫室與墻體中空層2部分空間，二者之間氣溫差較大時，會有顯著的空氣流動與熱量交換作用，可以有效地實現中空層兩側墻體蓄積的熱量向室內釋放的效果；對于無對流墻體而言，在2.8 m高，600 mm寬的密閉中空層內墻體表面溫度并不均勻，實際上內部空間會存在一定的封閉大空間內的平壁對流換熱作用，以及壁面之間的輻射換熱作用，但因溫差較小，這些換熱作用相對較弱，而且發生在中空墻體內部，因此中空層兩側墻體與室內空氣間沒有直接的熱量傳遞作用，不會直接影響室內環境。在1 000～1 200 mm外層墻范圍內，自然對流墻體溫度要明顯高于無對流墻體，其中1 000 mm處的溫差仍為2.7 ℃、1 200 mm處的溫差甚至達到3.2 ℃，且在厚度方向的下降趨勢相對緩慢，說明外側墻體也具有良好的放熱潛力。整體來看兩墻體的平均溫度，自然對流墻體溫度高于無對流墻體2.3 ℃，表明自然對流作用下的空氣循環提升了整個墻體放熱性能。

2.4 墻體表面熱流密度

在試驗測試期間，墻體室內表面和中空層兩壁面均布置了熱通量板，用以記錄壁面熱流密度變化。所測數據正負代表熱流方向，蓄熱數值為正，放熱數值為負。

自然對流墻體3個表面熱流密度變化情況如圖6所示。從曲線走勢來看，內表面的熱流密度波動范圍更大，白天處于蓄熱過程中，熱流密度最大為143.4 W/m2，夜晚處于放熱過程中，熱流密度最大為49.5 W/m2，蓄放熱效果明顯。中空層南北兩側壁面全天變化趨勢與室內壁面一致，由于通過空氣對流換熱進行蓄放熱，波動范圍較小，但是也有一定的蓄熱量和放熱量。對比中空層兩側壁面，南側最大蓄熱熱流密度為15.2 W/m2，最大放熱熱流密度為16.5 W/m2；而北側最大蓄熱熱流密度為35.1 W/m2，最大放熱熱流密度為3.5 W/m2，表明白天蓄熱效果北側優于南側，而夜間放熱效果則是南側優于北側。導致這一現象的原因在于北側墻體位于接近室外的位置，熱量損失較大，溫度較低，南側壁面白天溫度水平較高，空氣與墻面之間溫差低于北側，所以蓄熱相對較少，而夜間正好相反。

圖6 自然對流墻體表面熱流密度變化（2017-02-27）

進一步統計自然對流墻體于2017年2月27日3個壁面累積蓄熱量、累積放熱量以及各自所占比例，結果如表2所示。從表中數據可以發現，自然對流墻體60%以上的蓄熱量和放熱量來自室內墻體表面。中空層兩壁面的合計蓄熱量及合計放熱量分別占整個墻體的35%和31%，因此可以說明，在自然對流蓄熱墻體中，中空層中產生的對流換熱作用貢獻了整個墻體1/3的蓄放熱量。

表2 不同表面蓄放熱日累積量及所占比例統計

選擇連續5 d（2017年2月2日至6日）典型天氣條件下2種墻體蓄放熱情況進行對比分析，結果如圖7所示。其中，2017年2月2日至4日為陰天，2017年2月5日至6日為陰天。從圖7中可以看出，2種墻體陰天的蓄熱量明顯要低于晴天的蓄熱量。自然對流和無對流墻體5 d的平均蓄熱量分別為2.14和1.85 MJ/m2，自然對流墻體相較于無對流墻體蓄熱量提高了15.1%。自然對流和無對流墻體的平均放熱量為3.06和2.67 MJ/m2，自然對流墻體相較于無對流墻體放熱量增加了14.7%。試驗結果表明自然對流有效增加了墻體蓄放熱量。

由于試驗條件所限，每個墻體表面僅在高度方向布置了2個測點，測試結果用于代表整個墻體的特性略顯不足；但因2溫室空間測點布置位置及數量相同，具有可比性，且從相對關系的角度，測試結果仍能很好體現出2種墻體之間蓄放熱能力上的差異。

圖7 墻體累積熱量

2.5 不同條件下室內溫度變化規律

空氣循環蓄熱墻體在白天通過對流將室內多余的熱量傳遞并蓄積到墻體內，在一定程度上降低室內氣溫或阻止氣溫升高，夜間同樣以對流方式將墻內蓄積的熱量釋放出來，提高或維持室內氣溫，因此通過室內氣溫的變化情況可以直觀的評價蓄放熱效果。

2017年2月1日至2月6日室內外氣溫變化如圖8所示。以每天08:00（保溫被揭開）到17:00（保溫被落下）為白天時段，其余時間為夜晚時段。從5 d的統計數據來看，白天無對流墻體溫室室溫高于自然對流墻體溫室，特別是在正午前后最為顯著，最高溫差可達6.2 ℃，表明自然對流一定程度上起到了抑制午間高溫的作用，減少了溫室內的高溫脅迫。

圖8 自然對流與無對流室內氣溫（2017-02-02－2017-02-06）

從夜間的溫度數據來看，自然對流溫室夜間溫度水平不低于10.0 ℃，而無對流溫室溫度水平最低為7.5 ℃，二者差異顯著。5 d夜晚溫度最大差值為2.9 ℃。從5 d夜晚平均溫度來看，自然對流室內氣溫高于無對流室內氣溫2.4 ℃；從5 d夜晚最低氣溫的平均值進行比較，自然對流室內氣溫高于無對流室內氣溫2.2 ℃，表明自然對流提高溫室夜間溫度的效果顯著。由此可見，自然對流墻體構造對溫室熱環境起到了“削峰填谷”的作用，有效提高夜間溫度的同時抑制了午間溫度，將白天多余熱量儲存并在夜晚向室內釋放。

3 結 論

空氣對流循環蓄熱墻體設計開發的目的在于通過提高墻體蓄放熱能力，提高進入溫室的太陽能的利用效率，從而改善日光溫室冬季夜間普遍低溫的現狀。論文通過中空墻體構造在自然對流和無對流工況下的對比試驗，分析了墻體內部溫度分布特征、變化規律和對室內溫度環境的影響，得到以下結論：

空氣對流循環蓄熱墻體，上下通氣孔之間存在的溫差，確保了墻體自然對流作用的形成。白天午間上下通氣孔溫差為6.5 ℃，最大空氣流速可達0.6 m/s；夜間通氣孔空氣流速維持在0.1～0.3 m/s之間。

自然對流條件下，空氣對流循環蓄熱墻體白天室內表面和中空層兩壁面的溫度較高，同時中空層空氣溫度高于兩壁面，表明參與換熱的墻體面積不只有室內表面，也包括中空層兩側的壁面，即增加了墻體換熱面積。夜晚對流空氣溫度低于中空層南、北壁面，表明夜晚對流空氣在循環過程中被加熱。以上結果表明空氣對流循環蓄熱墻體參與蓄放熱的面積更大，位置更深。

在自然對流作用下空氣對流循環蓄熱墻體中空層的蓄熱量和放熱量分別占溫室總蓄放熱量的31%和35%；相較于對照墻體，白天蓄熱量提高15.1%，夜晚放熱量提高14.7%，表明該墻體構造可有效提升墻體的蓄放熱能力。

空氣對流循環蓄熱墻體在自然對流條件下對溫室熱環境有著積極影響。相較于對照墻體，白天正午前后最大溫差可達6.2 ℃；夜間最低溫度水平可維持在10.0 ℃以上，最低氣溫比對照區域高出2.2 ℃，有效提升了溫室夜間的溫度水平。

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Thermal performance experiment on air convection heat storage wall with cavity in Chinese solar greenhouse

Zhao Shumei1,2, Zhuang Yunfei1,2, Zheng Kexin1,2, Ma Chengwei1,2, Cheng Jieyu1,2, Ma Chong3, Chen Xiaowen4, Zhang Tianzhu1,2,4

(1.,100083,;2.,,100083,; 3.100083; 4.100083)

Air convection wall, which was developed in recent years, is a new mode of Chinese solar greenhouse (CSG) wall. Two rows of vent holes, located in the upper and the lower part of the wall, make air exchange available between the environment in CSG and the hollow layer of the wall. During the daytime, the indoor temperature in CSG rises and keeps a higher level than the air temperature inside the hollow wall. The hot air enters the hollow layer through the upper vent holes and the cold air inside the wall enters the CSG through the lower vent holes with the increasing of temperature difference between inside and outside of the hollow wall. Hence, it forms a natural air convection. Then the heat can be transfered and stored into the wall from the flowing air during the daytime. Similarly, there is a different air convection with a reverse air flow at night, which transfers heat from the hollow wall into the flowing air and releases the stored heat into the CSG environment through the vent holes. So the heat storage and release properties of the wall are strengthened by the air convection between the CSG environment and the wall cavity. This study aims to investigate the characteristics of heat storage and release of the air convection hollow wall as well as its effects on the thermal environment in CSG. A comparison experiment was carried out in Tongzhou District, Beijing City. The tested CSG was seperated to control (without air convection holes) and test (with air convection holes) areas. The measurements included the temperature distribution inside the wall and its daily variation, the heat storage and release properties of the wall as well as the temperature variation during the day and night in the CSG. The environmental parameters were also investigated, like the temperature of wall and environment, and the surface heat flux of the wall. Additionally, the wind velocity and wet and dry bulb temperature of the vent holes were recorded to analyze the changes of air convection and heat exchange amount. The results showed that the temperature distribution of air convection wall was different from non-convection wall. Higher average temperature and magnified daily temperature variation inside the air convection wall indicated that the area of the wall (depth or volume) involved in heat storage and release was expanded under air convection conditions. The wind velocity showed that there was a good air convection and the speed of wind was corresponding to the temperature difference between the CSG and the hollow layer of the wall. The best convection performance appeared at noon with 0.6 m/s maximum wind velocity and 32.22 kW largest heat exchange amount. Compared with non-convection hollow wall, air convection wall increased the capacity of heat storage by 15.1% during the day and the capacity of heat release by 14.7% at night. The hollow layer of the wall contributed 1/3 of the total heat storage and release and improved the lowest temperature by 2.2 ℃ at night, so the heating performance during the night was clearly improved. Moreover, a cooling effect during the day appeared with the 6.2 ℃ maximum temperature difference at noon. In conclusion, the study shows that the new structure of air convection hollow wall enhances the heat storage and release properties of the wall effectively and improves the lowest temperature environment at night in CSG.

greenhouse; temperature; walls; natural convection; heat storage and release

2018-01-09

2018-01-31

日光溫室構件集熱技術與智能控制系統研究（2013AA102407-6）；現代農業產業技術體系建設專項資金資助（CARS-23-C02）

趙淑梅，博士，副教授，主要從事農業生物環境工程相關研究。Email：zhaoshum@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.027

S625

A

1002-6819(2018)-04-0223-09

趙淑梅，莊云飛，鄭可欣，馬承偉，程杰宇，馬 沖，陳小文，張天柱. 日光溫室空氣對流蓄熱中空墻體熱性能試驗[J]. 農業工程學報，2018，34(4)：223－231.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.027 http://www.tcsae.org

Zhao Shumei, Zhuang Yunfei, Zheng Kexin, Ma Chengwei, Cheng Jieyu, Ma Chong, Chen Xiaowen, Zhang Tianzhu. Thermal performance experiment on air convection heat storage wall with cavity in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 223－231. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.027 http://www.tcsae.org