北疆麥殼砂漿砌塊填充蓄熱材料復合墻體日光溫室熱性能

馬月虹，李保明，張家發，張耀文

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北疆麥殼砂漿砌塊填充蓄熱材料復合墻體日光溫室熱性能

馬月虹1,2，李保明1※，張家發1，張耀文2

（1. 中國農業大學水利與土木工程學院，農業農村部設施農業工程重點實驗室，北京 100083；2. 新疆農業科學院農業機械化研究所，烏魯木齊 830091）

針對新疆戈壁沙漠區日光溫室在冬季嚴寒條件下，傳統墻體在夜間難以滿足作物生長對熱環境需求的問題，該文研究新型的保溫蓄熱墻體材料和結構。將墻體主體結構采用麥殼砂漿砌塊，砌塊中間空格填充蓄熱材料，對麥殼砂漿砌塊進行配比試驗和性能測試，篩選出抗壓強度、導熱性能較優的砌塊建造溫室墻體，把麥殼砂漿砌塊+紅磚復合墻體日光溫室和37 cm磚混墻體日光溫室進行熱性能對比試驗，并種植番茄驗證。試驗結果表明：在相同外界環境下，室外最低溫-20.8 ℃時，麥殼砂漿砌塊復合墻體日光溫室內溫度為7.5 ℃，而磚混墻體日光溫室內溫度為3.2 ℃，砌塊復合墻體日光溫室內夜間出現最低室溫時間較磚混墻體日光溫室延遲42 min；相同條件下砌塊復合墻體日光溫室栽培的番茄收獲期早16 d，單棚產量高18.4%，驗證了砌塊復合墻體日光溫室的保溫蓄熱性能優于磚混墻體日光溫室，且滿足果蔬生長對熱環境需求。該文提出的適應戈壁沙漠區日光溫室麥殼砂漿砌塊復合墻體及構造條件，為新型復合墻體在日光溫室中的應用研究、設計提供理論參考。

溫室；墻體；溫度；熱性能；麥殼砂漿砌塊；抗壓強度；導熱系數

0 引 言

近些年在新疆農業發展的大背景下，新疆的戈壁沙漠區溫室產業也得到了大力發展[1]。新疆位于高緯度地區，冬季日照時間短，下午16：00時以后，熱量主要從溫室圍護結構向外擴散，使得溫室內溫度急劇下降[2]。透過日光溫室前屋面塑料薄膜投射到溫室北墻太陽輻射深入墻體的厚度只有20～30 cm，溫室墻體對太陽熱能的蓄積量有限，依靠原有墻體被動式顯熱蓄熱方式，很難滿足戈壁沙漠區溫室在嚴寒的夜晚作物生長對熱環境的需求[3]。亢樹華等[4]研究表明，約有50%的太陽直射輻射熱能將投射到日光溫室的后（北）墻體，墻體對溫室的熱貢獻不容忽視。提高墻體的保溫和蓄熱性能是改善日光溫室熱環境的關鍵因素之一[5]。

國內外研究日光溫室墻體材料、結構和熱性能的較多。張林華等[6]研究認為砂石土材料是保溫蓄熱性好、經濟、易得的墻體材料。但砂石土墻體易坍塌、保溫性不可靠、占地面積大。國內外學者對于提高墻體蓄熱性的研究多集中在加氣混凝土砌塊、粉煤灰磚、相變材料磚等新材料的研究[7]。張海云等[8]對泡沫混凝土在日光溫室墻體中的適用性研究試驗結果表明發泡混凝土澆筑溫室墻體后，溫室的保溫性能明顯高于其他同類溫室。張立蕓等[9]研究表明采用加氣混凝土與聚苯板構筑的異質復合墻體具有比黏土紅磚砌體更優越的熱特性。但發泡和加氣混凝土強度較低，干燥收縮值較大，墻體易吸水、開裂等。孫心心[10]對日光溫室新型保溫材料的制備及應用效果的研究證實了相變材料砌塊的結構穩定性和蓄熱性。但相變砌塊出現相變材料滲漏問題，性能不可靠，且造價高。關于秸稈捆用作民用建筑保溫墻體材料也有不少試驗研究[11-16]。將秸稈壓縮制作成型，用于墻體材料，不僅具有一定的力學強度，還具有良好的熱工性能，不同密度秸稈塊的導熱系數為0.03～0.13w/(m·k)。秸稈塊保溫性能理論上遠超過土壤和紅磚等傳統建材[17-18]。黃紅英等[19]通過秸稈塊墻體日光溫室在蘇北地區應用效果試驗，與磚墻和土墻相比，秸稈塊墻熱傳導率、體積熱容和熱擴散系數顯著低于前兩者，這種熱工特性利于隔熱保溫但不利于蓄積熱量。新疆的作物秸稈匱乏，秸稈塊墻體實用性受限。蔣程瑤[20]對西北典型非耕地日光溫室復合墻體砌筑方案的研究得出戈壁石復合墻體的蓄熱、放熱性能優于磚混墻體，爐渣空心砌塊+砂石堆砌建造的溫室熱環境最優。由于戈壁石復合墻體夜間降溫快，爐渣材料有限、造價高，堆砌砂石坍塌等，這類墻體材料也受限。

日光溫室墻體研究的趨勢是需要進一步研究有關墻體傳熱性能和墻體結構設計等關鍵技術問題[21]。該文對麥殼砂漿砌塊+紅磚，外加10 cm厚聚苯板復合墻體日光溫室的蓄熱保溫性能進行研究，提出麥殼砂漿砌塊+紅磚復合結構墻體的構造條件，對砌塊復合墻體溫室的蓄熱保溫效果與磚混墻體溫室進行對比試驗和驗證。

1 麥殼砂漿砌塊制備和試驗溫室構建

1.1 試驗時間和地點

試驗時間為2016年9月-2018年2月，麥殼砂漿砌塊試樣制備在新疆農科院3號樓內完成，抗壓強度和導熱系數測試在新疆水科院水工試驗大廳進行。2種不同墻體日光溫室熱性能對比試驗和番茄栽培試驗在新疆北疆伊犁地區察布查爾縣良繁場新建設施農業基地進行。

1.2 試驗材料

試驗所用麥殼產自新疆奇臺縣小麥產區；水泥為C32.5普通硅酸鹽水泥；細沙產自和田地區；粘合劑選用型號為CYD-128，外觀透明，呈淡黃；環氧值0.5～0.54 eq/100 g；黏度11～14 Pa×s(25 ℃條件下)。試驗用水來自試驗大廳自來水。

1.3 試驗儀器設備

試驗采用天平(ACS-30，浙江君凱順工貿公司)精確稱量制作麥殼砂漿砌塊的水泥、麥殼和粘合劑等各成分質量；麥殼砂漿砌塊在自制振動臺上充分振動后成型；用0～5 kN的萬能試驗機對麥殼砂漿砌塊進行動力試驗，測量抗壓強度；“導熱系數”用電導率儀（PHS-3E，上海雷磁）測量。

1.4 麥殼砂漿砌塊配比影響因素確定

結合文獻資料和前期試驗基礎，為了分析各因素對砌塊性能的影響，采用正交試驗來確定各種物料的合理配比。經過分析和前期試驗確定了影響砌塊抗壓強度和導熱性能的3個主要因素是：水泥用量、粘合劑摻量和碎麥殼摻量。正交試驗設計為三要素三水平L9(33)，試驗因素及編碼水平如表1所示。

表1 因素編碼水平表

注：表中的摻量為質量比。

Note: The content in the table are percentages by mass.

1.5 麥殼砂漿砌塊制作方法

首先清理模具，模具的外尺寸長×寬×高為370 mm×240 mm×120 mm，內設2個尺寸為110 mm×120 mm×100 mm的空格，為利于脫模，在模具內表面涂適量的機油。然后將各種物料按配比稱質量，混合攪拌均勻后置于振動臺上振動，使各物料充分混合，將振動混合充分的砂漿裝入模具并壓實，接著將裝好砂漿的模具再次置于振動臺振動，使物料更加均勻充分分布，振動后模具內砂漿體積變小，需要再以砂漿填滿，振動均勻后抹平。放置5～10 min，標注試驗砌塊的編號和日期。靜置12 h后拆模，拆模后對試驗砌塊連續養護28 d，正交試驗設計的9種配比砌塊，每種制作30塊。麥殼砂漿砌塊見圖1。

圖1 麥殼砂漿砌塊

1.6 麥殼砂漿砌塊性能測試

密度測試：在正交試驗的9種砌塊試件中隨機各抽取10個，分別稱取質量，根據體積計算出每種砌塊各自密度，每種砌塊密度取10個砌塊的平均值。

抗壓強度測試：把已經測量過質量，密度已知的10個砌塊試件用微機控制自動壓力試驗機進行抗壓強試驗，每種砌塊抗壓強度均取10個砌塊的平均值。

導熱系數測試：采用導熱測定儀，對砌塊的導熱系數進行測定，取10個砌塊的平均值。

1.7 試驗溫室和對照溫室的選取

選取新疆北疆察布查爾縣良繁場設施農業園區內2座日光溫室測試。A試驗日光溫室設計為墻體為37 cm麥殼砂漿砌塊+紅磚，外加10 cm厚聚苯板，0.5～1.5 m高度處是麥殼砂漿砌塊，其他高度位置是紅磚，見圖2a。

圖2 麥殼砂漿砌塊+紅磚復合墻體（A溫室）

由圖2b可知，麥殼砂漿砌塊為砂漿砌塊內填充生石灰包（墻體內側）和爐渣包（墻體外側）而構成。對照溫室B溫室，選取了北疆地區普遍使用的日光溫室，其墻體為37 cm磚墻，外加10 cm厚聚苯板。

2 日光溫室熱性能和生產性能測試

A試驗溫室和B對照溫室均使用相同保溫被覆蓋保溫，2個型號相同熱風爐供暖。

2.1 兩種日光溫室結構參數

A溫室墻體結構為37 cm厚砂漿砌塊+紅磚的復合墻體，外加10 cm聚苯板，B溫室墻體結構為37 cm紅磚＋10 cm聚苯板的磚混墻體，2座日光溫室的主要結構參數見表2。

表2 日光溫室的結構參數

2.2 日光溫室熱性能測試

試驗以日光溫室內的氣溫、地溫作為測試對象。日光溫室內測點平面布置按下圖3布設，1、2、3測點距離前屋面1.5 m，4、5、6測點距離北墻1.5 m，1、6測點距離西墻4 m，3、4測點距離東墻4 m。在每個平面點垂直方向上設2個點，分別位于地表上方0.20 和0.60 m（植株莖葉密集區域），一共布設12個測點。室外設1個溫度測點，布設在光照測點附近，距地面高度1.50 m處。地溫測點也按圖3布設，測點深度為地表以下0.10 m（植物根系發達區域），一共布設6個測點。溫室內溫度數據采用6個測點的地溫和12個測點的氣溫的平均值。

圖3 測點布置示意圖

2.3 日光溫室生產性能（番茄栽培）測試

A溫室和B溫室栽培的番茄苗木品種都是金鵬3號、穴盤育苗33 d苗齡、5片真葉、桿粗葉綠的苗木。定植前土地整理好，施用腐熟有機肥、硫酸鉀、磷酸二銨和油渣。起壟栽培，70 cm +50 cm寬窄行，株距40 cm，定植株數2 274株、定植時間2017-09-10，各種植內容均相同。生長期采用相同的滴灌系統和水肥施用量，相同植株調整和花果調整管理，進行番茄栽培試驗，從2017年9月定植到2018年2月成熟收獲，記錄定植時間、開花時間和采摘時間及總產量。

3 結果與分析

3.1 麥殼砂漿砌塊配比

表3為砌塊內不同水泥摻量、碎麥殼摻量和粘合劑摻量砌塊抗壓強度和導熱系數的結果，根據表3因素水平，三要素三水平L9(33)正交試驗結果可知，各因素對抗壓強度和導熱系數均有作用和影響。

表3 試驗設計方案及結果

抗壓強度和導熱系數是砌塊性能的主要考核指標，在滿足墻體抗壓強度的承重前提下，導熱系數越小，其保溫性能越好，散熱速率越穩定。同行學者研究表明：墻體厚度為37 cm時，參考文獻[22]、[23]中砌塊的抗壓強度3.5 MPa和4.6 MPa，溫室墻體強度均滿足承重要求，導熱系數0.811 W/(m×k)和0.792 W/(m×k)，墻體導熱性都滿足溫室栽培要求[22-23,9]。

從表3可以看出，試驗編號4、6、7、8、9砌塊的抗壓強度都≥4.8 MP，試驗編號2、3、5、7砌塊的導熱系數均≤0.774 w/(m×k)，只有試驗編號7砌塊的抗壓強度和導熱系數2個條件均滿足，即抗壓強度好，保溫性能也好。根據正交試驗結果和以上分析，綜合考慮麥殼砌塊的抗壓強度和導熱系數，最終確定選用試驗編號7的砌塊建設墻體，該砌塊的抗壓強度優于同行研究的砌塊，導熱系數好于同行研究的砌塊，用于日光溫室墻體可行。砌塊合理配比為水泥35%，粘合劑4%，麥殼2.5%，細砂、水適量。性能試驗采用該麥殼砂漿砌塊填充爐渣、生石灰+紅磚用作A日光溫室墻體建造材料。

3.2 日光溫室熱性能測試結果

選取試驗數據2016年冬季到2017年春季最冷的8 d（2017-01-14～2017-01-21）作為比較分析對象，日光溫室熱性能測試結果如表4。表4中時間均為新疆時間。

表4 日光溫室熱性能測試結果

由表4可知，相同結構參數的日光溫室，使用同樣保溫被和熱風爐，夜間新疆時間03:15室外溫度–12.8 ℃時，A溫室室溫為9.5 ℃，而B溫室室溫為4.4 ℃, A溫室比B溫室室溫高5.1 ℃。在出現冬季夜間極限最低溫–20.8 ℃時，A溫室能保證室溫達到7.5 ℃，而B溫室室溫為3.2 ℃，A溫室比B溫室室溫高4.3 ℃。并且A溫室出現最低室溫時間較B溫室延遲42 min，這進一步說明A溫室熱性能明顯優于B溫室，其蓄熱、保溫性能更佳。麥殼砂漿砌塊替代土壤、紅磚等常規建材構建日光溫室保溫墻體具有可行性。

3.3 日光溫室生產性能（番茄栽培）測試結果

番茄生育適宜溫度范圍為10～33 ℃。開花結果的適宜溫度白天為20～30 ℃，夜間為15～20 ℃。在15 ℃以下不能開花，10 ℃時生長停止，–1 ℃時植株受凍而死亡。番茄是喜光作物，光飽和點為7×104lx，光補償點2000 lx。溫度高低能影響番茄果實顏色的深淺,尤其是番茄紅素含量的高低，低溫不利于番茄紅素的合成，番茄紅素以20 ～24 ℃之間宜生成；光可誘導番茄幼苗累積類胡蘿卜素，紅光能極大的促進番茄紅素的合成[24]。A、B溫室番茄的栽培品種和種植管理一樣，A溫室和B溫室內栽培的番茄開花時間分別為2017-10-08和2017-10-15，A溫室內番茄開花時間早7 d。A、B溫室內番茄成熟收獲時間分別為2017-12-07和2018-01-02，A溫室內番茄收獲早16 d。取首月溫室番茄產量，A、B溫室單棚產量分別為1 768和1 493 kg，A溫室較B溫室單棚產量高18.4%。說明A溫室能夠蓄積更多的熱能，適合果蔬生長的干物質積累，使作物收獲期提早、產量增加。A溫室散熱速率穩定，從而番茄果實形狀較均勻。溫室內溫度和光照對番茄的產量和果實外形有著至關重要的影響。

該墻體溫室在北疆察縣已建成生產2 a，經歷了風雪和生產考驗，墻體未出現坍塌和垮裂等問題，也驗證了該砌塊滿足用做日光溫室墻體材料的抗壓和承重要求。

4 結 論

該文采用麥殼砂漿砌塊代替普通紅磚建設砂漿砌塊+紅磚復合墻體試驗溫室（A溫室），與磚混墻體溫室（B溫室）對比，結合溫室內溫度和番茄栽培產量測試結果，研究了麥殼砂漿砌塊復合墻體日光溫室的熱性能和生產性能，得出結論如下：

1）麥殼砂漿砌塊采取合理配比：水泥35%，粘合劑4%，麥殼2.5%，砌塊抗壓強度為5.3 MPa，導熱系數為0.774 W/(m×k)，滿足用作日光溫室墻體的承重和熱性能要求，能夠代替傳統的紅磚建設日光溫室墻體。有利于節約土地資源、實現沙土和麥殼秸稈的綜合利用，是戈壁沙漠區日光溫室墻體材料的新探索。

2）冬季極限最低溫–20.8 ℃時，A溫室較B溫室夜間室溫提高4.3 ℃，出現最低室溫時間延遲42 min，A溫室熱性能優于B溫室，能夠蓄積更多的熱能且散熱速率穩定。

3）A溫室較B溫室栽培的番茄收獲期早16 d，單棚產量高18.4%。該砌塊復合墻體可以有效改善日光溫室內作物生長環境，能滿足喜溫、喜光果菜生長，且適合果蔬生長的干物質積累，從而使果蔬收獲提前、產量增加、果實外形均勻。且該砌塊墻體溫室經歷住了風雪載荷和生產考驗。

該試驗沒有進一步分析該砂漿砌塊復合墻體蓄積的熱量，今后在研究中將著重研究復合結構墻體蓄熱，從而進一步揭示墻體蓄熱與作物產量間的關系。

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Thermal performance of solar greenhouse with composite wall using wheat shell-mortar block filling with heat storage material in north Xinjiang

Ma Yuehong1,2, Li Baoming1※, Zhang Jiafa1, Zhang Yaowen2

(1.100083; 2.830091)

The greenhouse in the Gobi Desert region of Xinjiang is under severe conditions in winter. The problem is that the traditional wall can not meet the demand of thermal environment for crop growth at night. The main structure of the wall is made of wheat shell and mortar block. The main factors affecting the compressive strength and thermal conductivity of the block are cement content, binder content and wheat shell content. Three-element and three-level orthogonal test is designed to determine the ratio of wheat shell to mortar block. Finally, it is determined that the reasonable level is 35% cement, 4% adhesive, 2.5% wheat shell, fine sand and moderate amount of water. The wheat shell-mortar block sample was prepared and the tests of compressive strength and thermal conductivity were carried out. Solar greenhouse was built with composite wall of wheat shell-mortar block and filling material. A solar greenhouse was 37 cm ordinary brick wall together with 10 cm benzene panel. Each greenhouse has 24 measuring points, and the mean temperature and ground temperature were measured. The thermal insulation and heat storage performance of 2 kinds of solar greenhouses with different walls at winter night were compared, and the middle space of the block was filled with slag and quicklime which both have small thermal conductivity and are stable. The data in the coldest 8 days from January 14 to January 21, 2017 were selected as the comparative study object. The results show that: In the same external environment, when the minimum temperature at winter night is-12.8 ℃, the indoor temperature of wheat shell-mortar block composite wall is 9.5 ℃, while the temperature of brick wall in solar greenhouse is 4.4 ℃. The temperature of the greenhouse of compound wall is 5.1 ℃ higher than that of brick wall. When the temperature at winter night is –20.8 ℃, the indoor temperature of wheat shell-mortar block composite wall is 7.5 ℃, while the temperature of brick wall in solar greenhouse is 3.2 ℃. The temperature of the greenhouse of compound wall is 4.3 ℃ higher than that of brick wall. The minimum room temperature at night in the solar greenhouse of masonry compound wall occurs 42 min later than normal brick masonry wall. For the tomato planted under the same conditions in 2 kinds of wall greenhouses, the flowering time of tomato in compound wall greenhouse is 7 d earlier, and the harvest time of tomato was 16 d earlier. The tomato yield during the first month in composite wall solar greenhouse is 1 768 kg, and the yield in brick wall solar greenhouse is 1 493 kg. The yield of single shed in composite wall solar greenhouse is increased by 18.4%. It is verified that the thermal insulation and heat storage performance of the composite wall solar greenhouse with wheat shell-mortar block and filling material are obviously superior to brick wall solar greenhouse. It can accumulate more heat energy and the rate of heat dissipation is stable. The compound wall solar greenhouse can effectively improve the growing environment of crops in the greenhouse, which meets the growth requirement of the fruits and vegetables for good temperature and good light. And it is suitable for the accumulation of dry matter in fruits and vegetables, so crops can be harvested in advance and production increases. The research provides a theoretical reference for the design and application of mortar block composite wall in solar greenhouse

greenhouse; walls; temperature; thermal performance; wheat shell-mortar block;compressive strength; thermal conductivity

馬月虹，李保明，張家發，張耀文. 北疆麥殼砂漿砌塊填充蓄熱材料復合墻體日光溫室熱性能[J]. 農業工程學報，2018，34(13)：233－238. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.028 http://www.tcsae.org

Ma Yuehong, Li Baoming, Zhang Jiafa, Zhang Yaowen. Thermal performance of solar greenhouse with composite wall using wheat shell-mortar block filling with heat storage material in north Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 233－238. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.028 http://www.tcsae.org

2017-11-20

2018-04-20

國家自然科學基金資助項目（51768072）

馬月虹，研究員，博士生，碩士生導師，主要從事設施農業工程研究。Email：923999218@qq.com。

李保明，教授，博士，博士生導師，主要從事設施農業工程工藝與環境研究。Email：libm @cau.edu.cn。

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.028

S625

A

1002-6819(2018)-13-0233-06