日光溫室墻體蓄放熱層溫度變化規律研究

佟國紅 ，David M. Christopher

（1. 沈陽農業大學水利學院，沈陽110866； 2. 清華大學能源與動力工程系，北京100084）

0 引 言

對于越冬生產的溫室來說，墻體在溫室節能中起到非常重要的作用[1]。馬承偉等[2]指出日光溫室墻體對溫室內環境的作用除了要阻止熱量的散失，更重要的是夜間向室內釋放白天蓄積的熱量。此外，墻體夜間要能夠持續不斷地向溫室內提供熱量[3]。在選擇、評價墻體時，Bastien和 Athienitis[4]研究表明對于吸熱與放熱在同一表面的熱慣性大的物體不能用時間延遲及衰減系數來評價熱性能，因為太陽能貯熱墻的吸熱、貯熱及放熱性能受到很多因素的影響[5]。重要的熱參數不易獲得，很難準確估計[6]。對于日光溫室墻體，其傳熱是復雜環境條件下的非穩態過程，對其熱性能做出準確定量的判斷非常困難[2]，而以墻體夜間向室內放熱效率評價墻體蓄放熱性能是不全面的[7-8]，正確評價墻體的蓄放熱性能，就需要進行熱流量的計算，但是計算熱流量的前提是計算溫度場，也就是要確定墻體內部溫度分布及變化，因此，研究日光溫室墻體溫度變化對于評價墻體的蓄熱保溫性能具有重要的意義。

在單一材料墻體溫度的研究方面，陳端生等[9]根據墻體內溫度變化情況，提出日光溫室墻體從內側到外側由蓄熱層、穩定層及保溫層構成，其中蓄熱層是指白天貯存太陽能、夜間向室內釋放熱量的溫度波動層（本文后面用“蓄放熱層”表示該波動層），穩定層指墻體溫度變化很小的墻段，張志錄等[10]]等眾多學者在不同地點、對不同厚度土墻的溫度測試研究中均發現在墻體厚度中間存在溫度日變化幅度很小的穩定層區域。近年來專家學者關注日光溫室墻體的蓄放熱層定義、蓄放熱層厚度的界定，目前確定方法是根據墻體內熱量傳遞方向（指向墻體外側或內測）[11]或根據室內側墻體一天內溫度波幅變化，比如波幅超過0.5[12]、0.2 ℃[13]等。白青等[13]詳盡闡述了界定蓄放熱層、穩定層、保溫層之間的邏輯關系，指出墻體各點溫度均高于室內日最低氣溫的這部分墻體厚度就是墻體蓄放熱層厚度。可見，對于單一材料墻體，蓄放熱層的定義及厚度還缺乏一致的結論，了解其內部溫度變化規律是十分必要的。

對于復合材料墻體，Zhang等[14]研究表明墻體用復合墻在嚴寒及寒冷地區冬季節能十分顯著，管勇等[15]指出通過節能量等指標還無法獲得日光溫室復合墻體最佳保溫材料層厚度。確定復合墻體組成、分析其內部的蓄放熱規律，還需要了解墻體的溫度變化。溫祥珍和李亞靈[16]測試磚混結構復合墻體溫度，發現近室內0.2 m的墻體是影響室內溫度的主要界面層；管勇等[17]研究表明日光溫室三重結構墻體的室內側墻體溫度變化區厚度約為0.3 m；李明等[18]指出聚苯乙烯型磚復合墻在晴天的放熱區域為0.3 m；鮑恩財等[19]試驗表明多孔磚與苯復合墻晴天蓄放熱層厚度為 0.26 m。在以上文獻研究結果中，墻體蓄放熱層厚度與測試地點、復合墻體的材料密切相關。Tong等[20]在復合材料墻體方面的研究表明墻體隔熱材料層位置的設置也影響蓄熱層內的溫度分布。由于復合墻體溫度影響因素較多，對其內部溫度變化規律有待進一步研究。

單一材料墻體及復合墻體的蓄放熱區域溫度均表現出隨時間、空間變化的特點，目前揭示這種變化特點的方法主要是通過現場測試，雖然相關的測試研究提供了直觀的、有價值的墻體內部溫度分布趨勢，但是現場測試費工、費時，得出的結論依賴于測試儀器的布點、特定的溫室結構以及現場的特定環境，缺乏普適性，況且通過目前的測試研究結果還無法梳理出統一的、規律性的結論。因此，本研究擬建立針對單一材料墻體的溫度變化估算模型，探索單一材料墻體蓄放熱層溫度變化規律及相應的蓄放熱層厚度；采用數值模擬的研究方法，探索復合墻體蓄熱材料層的溫度變化特點。

1 材料和方法

1.1 墻體方案

1.1.1 單一材料墻體方案

為了掌握目前常用厚重墻體的溫度變化特點，本研究采用目前常見的4種厚重墻體作為單一材料墻體方案，分別為黏土磚墻、礫石墻、加草黏土墻及夯土墻。4種厚重墻體的材料熱物性如表1所示。

表1 墻體材料熱物性Table 1 Thermal properties for wall materials

1.1.2 復合墻體方案

日光溫室復合墻體最小厚度為 0.44 m，最大厚度為1.08 m，大部分墻體厚度在0.50～0.70 m之間，以0.60 m厚度最為常見，多為磚苯復合墻[22]。本研究以黏土磚為蓄熱材料層，苯板作為隔熱層。

為探討復合墻體蓄熱層厚度內溫度變化特點，對表 2所示的 2種墻體方案進行研究。對于復合墻體總厚度為0.60 m的方案（W1），4個墻體蓄熱材料層厚度的選擇是依據黏土磚的模數，分別為0.12、0.24、0.36及0.48 m；對于復合墻體總厚度分別為0.60 m和0.72 m的方案（W2），其中0.60 m厚墻體方案（W2-1）是佟國紅等[23]測試的12 m跨度日光溫室的現有復合墻體，在其外側附0.12 m厚磚墻，墻體總厚度則由0.60 m增加到0.72 m（W2-2），本研究觀察墻體總厚度變化時內側蓄熱材料層溫度變化。

表2 復合墻體方案Table 2 Layered wall cases

1.2 墻體溫度變化研究方法

1.2.1 單一材料墻體內溫度變化估算模型

建立模型對單一材料墻體內部溫度變化進行預測，首先需要墻體厚度的半無限大平板假設判斷，然后通過求解平板內溫度響應模型獲得內部溫度振幅變化規律，進而確定平板內溫度衰減幅度及溫度波動層厚度。

1）單一材料墻體半無限大平板假設

日光溫室墻體表面受周期性溫度波的作用，墻體內溫度分布與半無限大平板相似。假設傳熱沿墻體厚度方向，根據Pitts和Sissom[24]，一維傳熱的有限厚平板看作半無限大平板需滿足以下判據

式中x0為平板的半厚度，m；a為導溫系數，m2/s；τ0為表面溫度變化周期，h。

式中τ為時間，h；T(x0,τ)為τ時刻平板中心處的溫度，℃；Ti為初始溫度，℃；Ts為表面溫度，℃。

同時滿足式（1）和式（2），則該墻體（有限厚平板）可視為半無限大平板。

2）半無限大平板內溫度響應求解模型

假設半無限大平板表面溫度按余弦規律變化，周期為 24 h，求解半無限大物體內的溫度響應所采用的求解模型為[25]

式中x為距表面的厚度，m；T指當時間為τ時在點x處與表面平均溫度相比較的振幅，℃；Tω指當時間為τ時表面溫度與表面平均溫度相比較的振幅，℃；Tm表示表面溫度的一級諧量振幅（零級諧量為表面的平均溫度），℃。

3）半無限大平板內溫度振幅及波長

由溫度響應模型，可以求得平板內部溫度變化及溫度波波長。

距平板表面x（m）厚度處的溫度振幅

平板內部溫度波波長XL

4）半無限大平板內溫度衰減幅度及溫度波動層厚度平板內部溫度振幅隨厚度呈指數遞減。令

則T1x和T2x是公式（5）T的波動范圍曲線，且滿足

距平板表面x（m）厚度處的內部溫度振幅衰減成平板表面振幅1/δ（δ為大于1的整數）所需的厚度xδ[25]見式 （10）。

該模型假設墻體為一維傳熱、導溫系數不變，因此可應用于符合半無限大平板假設的任何單一材料墻體。

1.2.2 復合墻體蓄放熱層溫度變化模擬分析

由于復合墻體的組成及傳熱特點不同于單一材料墻體，因此單一材料墻體內溫度變化估算模型不能應用到復合墻體內的溫度分析。日光溫室墻體的傳熱是復雜的過程，很難確定非常理想和準確的模型[26]，因為要考慮墻體所在的整個溫室系統的顯熱和潛熱以及導熱、對流和輻射傳熱過程。佟國紅等[27-28]建立了包括溫室本身及溫室下面1 m深土壤的幾何模型，以室外氣象條件作為輸入，考慮了導熱、對流、輻射的傳熱機制，同時考慮了顯熱和潛熱子模型，構建了求解日光溫室溫度的 CFD模擬模型并進行了試驗驗證。本研究采用上述模型，所采用的邊界條件同文獻[29-30]的晴天邊界條件,采用2004年2月17日（晴天）23:00的溫室溫度測試值作為模擬初始條件，以2004年2月18日（晴天）00:00至次日08:00室外的空氣溫度、空氣濕度、風速及太陽輻射作為模擬輸入，用CFD技術求解，分析同一邊界條件下日光溫室各復合墻體內側蓄熱材料層溫度變化。

2 結果與分析

2.1 單一材料墻體內溫度變化分析

2.1.1 墻體半無限大平板判斷

根據判斷有限厚平板視為半無限大平板的條件，若同時滿足公式（1）的最小厚度要求及公式（2）的溫度分布要求，則單一材料墻體可視為半無限大平板。

1）墻體最小厚度判斷

常見的單一材料墻體方案材料的導溫系數及波長如表3所示。

由表3可知，礫石導溫系數及波長均大于其他3種墻體材料，這是由于其導熱系數及熱容與其他 3種墻體材料相比數值較大，導溫快且貯熱多。根據表 3墻體材料的導溫系數，并假設墻體表面溫度變化周期為 24 h，則根據公式（1）可得到4種常見的單一材料墻體看作半無限大平板時所需的最小墻體厚度，黏土磚墻 1.38 m、礫石墻2.02 m、加草黏土墻1.44 m及夯土墻1.60 m。目前測試的厚重土墻厚度都大于1.60 m。

表3 墻體材料導溫系數及波長Table 3 Thermal diffusivity and wavelength for various wall materials

2）墻體溫度分布判斷

若各時刻墻體中間的溫度與初始溫度相等，則有

根據公式（2），可得

文獻[10-13]在測試研究中所發現的墻體厚度中間存在溫度日變化幅度很小的穩定層，符合式（11）假設，進而得到式（12）的結果，符合有限厚平板視為半無限大平板判斷中式（2）的要求。

可見，目前溫室中所采用的厚重土墻滿足式（1）的最小厚度要求及式（2）的溫度分布要求，可視為半無限大平板。

2.1.2 單一材料墻體內溫度變化及溫度波動衰減

1）沿土墻厚度溫度變化的估算與驗證

依據本研究建立的單一材料墻體溫度估算模型，輸入墻體材料導溫系數及表面溫度振幅，就可以預測墻體內的溫度變化。白青等[13]測試的土墻厚度為3.3 m且內部存在溫度穩定層，符合式（1）的最小厚度要求及式（2）的溫度分布要求，可視為半無限大平板。由模型估算的土墻不同厚度溫度振幅與白青等[13]的土墻測試結果對比如表4所示。

表4 土墻體不同厚度溫度振幅Table 4 Temperature variation amplitudes at various earthen wall thickness

由表 4可知，在墻體同一厚度處模型估算值與實際測試值對比，除20、30 cm厚度處二者振幅對比值相差較大外，其他位置二者吻合很好，說明模型能夠很好地預測墻體內的溫度變化。對現有墻體內部溫度進行測試時，需要將現有墻體沿厚度打孔布點，再回填土，回填土與原狀土要盡可能一致，而且保證溫度傳感器測點位置精確。如果土墻內的溫度按模型假設的規律衰減，那么20、30 cm厚度處的測試值可能受到現場測試不確定因素影響。采用模型估算就可以避免現場測試中存在的不確定性因素，此外，由于模型假設墻體材料導溫系數不變，因此該模型可用于估算任何符合半無限大平板假設的單一材料墻體內的溫度變化。

2）單一材料墻體內溫度變化特點

墻體內部的溫度分布受到墻體材料的導溫系數影響，黏土和礫石導溫系數不同，為探尋 2種材料墻體內的溫度變化特點，假定二者表面溫度振幅按15、10、5 ℃變化，由公式（7）和（8）計算得到的墻體溫度變化輪廓線（溫度振幅波動漸近線）如圖1所示。

圖1 墻體不同表面溫度振幅下黏土磚墻和礫石墻沿墻厚溫度波動Fig.1 Wall temperature variation along thickness for brick wall and gravel wall under different wall surface temperature amplitudes

圖 1曲線代表單一材料墻體內溫度傳播時溫度振幅的輪廓。由于礫石導溫系數大于黏土磚導溫系數，相同的表面溫度振幅條件下，礫石墻內溫度變化傳播的速度快于黏土磚墻，表面振幅 15℃時，墻體內部溫度振幅達到0.1 ℃時二者厚度差0.25 m；表面振幅5 ℃時，二者厚度差達到 0.20 m；同種材料墻體，表面振幅越大，達到同樣內部振幅波動時的厚度越大，黏土磚墻表面振幅從5 ℃增加到15 ℃時，內部振幅達到0.1 ℃時所處的墻厚從0.42 m增加到0.54 m。

3）單一材料墻體內溫度波動衰減

墻體內部溫度振幅隨厚度呈指數遞減，由公式（10）計算各方案墻體內部溫度振幅衰減到墻體內表面溫度振幅不同倍數時，所需要的墻體厚度如表5所示。

“我也要親一下那個白大褂衣襟上總愛插一朵花的護士！”恭建兵一蹦三尺高，將隨身攜帶的軍用水壺敲得當當作響，“我都想了好長時間！”

由表5可知，對于4種墻體方案，當內部溫度振幅衰減到墻體內表面溫度振幅相同倍數時，礫石墻所需的墻體厚度最大，夯土墻次之，黏土磚墻所需厚度最小。若夯土墻內表面振幅為14 ℃，墻體內溫度振幅縮減到表面溫度振幅的100倍（0.14 ℃），由表5可知所需厚度為0.58 m，與表4中白青等[13]測試結果接近。因此，模型中的公式（10）是根據墻體溫度變化確定墻體蓄放熱層厚度的重要參考，對于選擇墻體新的蓄熱材料及厚度尤為重要。

表5 單一材料墻體內溫度衰減對應的墻體厚度Table 5 Wall thickness for temperature variation amplitude reduction inside walls for single material wall cases

2.2 復合墻體蓄放熱層溫度變化

2.2.1 墻體總厚度相同蓄熱材料層厚度不同（W1）

為了比較墻體總厚度（0.6 m厚）相同而蓄熱材料層厚度不同時的墻體溫度變化特點，選取典型時間點從08:00至次日04:00每隔5 h的時間點，觀察W1-1至W1-4墻體方案晴天內部溫度分布，如圖2所示。

圖 2顯示墻體總厚度相同但蓄熱材料層厚度不同時，相同的邊界條件下各方案墻體蓄熱材料層內的溫度變化不同，W1-1方案（圖2a）的墻體內表面溫度在18:00、23:00及第2天04:00高于其他墻體，這與Ohanessian和Charters[31]的不同厚度蓄熱墻體內的溫度分布特點結論一致，原因是隔熱層內側墻體薄，白天內表面受熱使其升溫快，而其他厚度大的蓄熱材料層內的熱量向墻體深處傳遞。早晨08:00揭簾前，W1-1方案（圖2a）的墻體近室內0.1 m一段墻體均溫與其他3個墻體相比較低，說明蓄熱材料層0.12 m厚蓄積的熱量在早晨揭簾前作為熱貯備略顯不足。

圖2 還顯示由于蓄熱材料層厚度不同，距墻體內表面相同厚度處溫度波動不同。由圖2b至圖2d可知，在0.24 m厚度處，W1-2、W1-3、W1-4各方案的墻體溫度波動值分別為 2.7、1.4、1.1 ℃；在 0.36 m厚度處，W1-3、W1-4的墻體溫度波動值分別為0.8、0.3 ℃。可見同一厚度處，因墻體隔熱層前蓄熱材料層的厚度不同，導致距表面同一厚度處溫度波動不同，這也是復合墻體不能用單一材料墻體溫度變化估算模型的原因，由此可見，與單一材料墻體相比，隔熱層的設置改變了復合墻體內的溫度分布，蓄熱材料層的厚度越大、溫度衰減越快。

W1-4方案從距墻內表面0.4到0.48 m墻段不同時刻溫度波動最大差值約為0.2 ℃，各點溫度變化很小，通過與圖 1比較可知，復合墻體較厚的蓄熱層比同材料單一材料墻體略早進入溫度穩定層區域。

2.2.2 墻體總厚度不同蓄熱材料層厚度相同（W2）

為了觀察蓄熱材料層厚度相同而墻體總厚度不同（0.60和0.72 m）時墻體內部的溫度變化，W2-1和W2-2方案在晴天08:00至次日04:00每隔5 h墻體內部溫度分布，如圖3所示。

圖3 0.6 m厚及0.72 m厚復合墻體方案中蓄熱材料層內溫度隨時間變化Fig.3 Temperature changes with time in energy storage layer for layered wall cases with total thicknesses of 0.6 m and 0.72 m

圖3 中W2-2（圖3b）復合墻體內表面及內部溫度始終高于W2-1（圖3a）復合墻體，前者的蓄熱材料層平均溫度與后者相比最大差值為 1.7 ℃（13:00），最小差值為1.3 ℃（23:00和第2天04:00）。由此可見，增加墻體厚度則提高了內側墻體的溫度，在關于墻體厚度影響的數值模擬中，李小芳和陳青云[32]將純磚墻厚度從0.12 m增加到0.84 m（每次增加0.12 m），提高了空氣溫度及墻體均溫；將0.24 m磚墻+0.10 m聚苯板+0.12 m磚墻的復合墻外部0.12 m磚墻厚度分別增加到0.24、0.36 m，室內平均空氣溫度由13.8 ℃增加到13.9、14 ℃，可見，增加墻體厚度可以提高墻溫和室內氣溫。李明等[33]將原有對照溫室的復合墻（0.12 m磚墻+0.10 m聚苯板+0.24 m磚墻）的外部0.24 m磚墻后面加了一層0.2 m厚的發泡水泥，使墻體總厚度由對照溫室的0.46 m增加到0.66 m，顯著提高了晴天溫室內側墻體的溫度。圖 3的模擬結果與上述文獻模擬和測試的結果一致。此外，從圖 3的墻體內側蓄熱材料層溫度分布可知，在墻體外側增加墻厚，內側墻體溫度升高而各厚度處溫度振幅沒有明顯變化。與圖 2對比，可以看出通過墻體內部溫度衰減確定復合墻體的蓄熱材料層厚度時，絕熱層的位置起到關鍵作用而墻體的總厚度對其影響較小。

3 結 論

本文建立了單一材料墻體的溫度變化估算模型，采用前期驗證的CFD模型分析了復合墻體蓄熱材料層的溫度變化特點，具體結論如下：

1）建立了單一材料墻體的溫度變化估算模型。對于滿足半無限大平板假設的墻體，可以求出墻體內部任一厚度處的溫度值、確定出內部溫度與表面溫度相比溫度波動縮減的幅度及所處的墻體厚度，從而確定蓄放熱層厚度。估算的夯土墻內部溫度變化及蓄放熱層厚度與現有文獻測試值對比，吻合較好。

2）對于單一材料墻體，內部溫度變化受到墻體材料物性及表面溫度變化的影響。礫石導溫系數較大，則礫石墻內溫度變化傳播的速度快于導溫系數較低的其他墻體；墻體表面溫度振幅越大，內部溫度波動厚度越大，黏土磚墻表面振幅由 5 ℃增加到 15 ℃，內部振幅達到0.1 ℃時所處的厚度從0.42 m增加到0.54 m。

3）復合墻體總厚度相同但蓄熱材料層厚度不同時，蓄熱材料層越厚，內部溫度衰減越快。距墻體表面 0.24 m時，蓄熱材料層厚度分別為0.24、0.36及0.48 m的墻體溫度波動值分別為 2.7、1.4、1.1 ℃。此外，與同材料單一材料墻體相比，復合墻較厚的蓄熱材料層略早進入準穩態。

4）0.72 m 和0.60 m厚復合墻體室內側具有相同的0.36 m厚蓄熱材料層，前者蓄熱材料層內部溫度始終高于后者，但各厚度處溫度振幅沒有明顯變化。根據墻體內部溫度衰減確定復合墻體的蓄熱材料層厚度，絕熱層的位置起到關鍵作用。

墻體內溫度變化受多因素的影響，除了與墻體厚度、墻體材料及構筑方法等墻體自身因素有關外，還受到室外溫度、太陽輻射等氣候條件的影響，以上因素導致了單一材料墻體的蓄放熱層厚度不同、復合墻體內的蓄熱材料層溫度變化及分布不同。本研究在理論上探索了單一材料墻體、復合墻體的蓄熱材料層溫度變化規律及影響因素，在此研究基礎上期待下一步綜合氣候條件、溫室建筑尺寸及構造方法、圍護結構材料等因素，研究墻體蓄熱層厚度的變化規律及影響因素，進而為溫室墻體厚度的設計提供直接技術支持。