異質復合墻體溫室墻體傳熱模型的建立

宮彬彬 尹慶珍 韓建會

摘要：隨著土墻日光溫室后墻材料使用時的弊端日益凸顯，尋找保溫蓄熱性能良好的新型墻體材料是目前我國日光溫室發展的緊要任務。本研究針對以酚醛保溫板為保溫材料的日光溫室墻體，在考慮作物對后墻遮光的情況下，應用有限差分法建立異質復合墻體的非穩態傳熱模型，并對模型進行驗證，研究復合材料墻體傳熱規律，分析新型建筑材料在蓄熱放熱方面的規律。結果表明，傳熱模型模擬值與實測值平均相差 1.0～1.5 ℃，最大誤差 2.6 ℃，平均相對誤差分別為4.9%～9.3%，可以較為準確地估計異質復合墻體溫室墻體在不同氣候條件下的蓄熱放熱量。

關鍵詞：酚醛保溫板;非穩態傳熱模型;日光溫室;墻體;氣溫;太陽輻射

中圖分類號： S625.1 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）03-0239-05

日光溫室的后墻的蓄熱和保溫是非加溫溫室內部白天良好的蓄熱體及夜間熱量的主要來源，對溫室室內熱環境有重要的影響，是日光溫室冬季蔬菜生產室內環境的重要保障[1]。土墻日光溫室是近些年我國主要推廣的一種生產型日光溫室，具有保溫性好、造價低等優點，但隨著土地資源的緊張，這種類型的溫室土地利用率低，土地資源浪費的問題日益凸顯。尋求更為合理的墻體材料，已經成為溫室冬季節能高效生產的重點問題[2]。

由于日光溫室建造的成本問題，傳統利用已有溫室的環境參數測定的方法來掌握溫室墻體保溫蓄熱性的困難較大，采用墻體傳熱的理論模型，分析計算和判斷日光溫室墻體的保溫蓄熱性能，以指導墻體材料開發應用和墻體的合理設計，是更為有效的方法。模型通常采用頻率響應法或反應系數法[3-7]、離散分層計算傳熱的方法[8]、CFD 軟件Fluent 等方法[9-12]，模擬和分析日光溫室墻體的傳熱，根據其計算結果分析了一些日光溫室墻體的保溫蓄熱性能，這些研究為理論分析日光溫室墻體保溫蓄熱性能的方法作出了有益的探索，但是這些方法由于僅考慮太陽輻射對墻體的簡單照射，未考慮種植作物對墻體蓄熱的影響，導致結果誤差較大。

本研究針對以酚醛保溫板為保溫材料的日光溫室異質復合性墻體，在充分考慮溫室內部作物遮擋和后墻熱輻射反射的前提下，利用非穩態傳熱理論構建了溫室后墻的一維傳熱模型，模擬和計算其傳熱過程的各種熱工參，來研究酚醛保溫板的異質復合性墻體的傳熱特性，并對其結果與傳統土墻結構溫室性能進行分析，為異質復合性墻體溫室的性能評價提供理論依據。1 材料與方法

1.1 異質復合墻體日光溫室結構

試驗溫室位于河北省農林科學院試驗基地（114.47°E、38.03°N），該日光溫室坐北朝南，東西長50 m;后墻結構（由內至外）：370 mm紅磚墻、黏結砂漿、酚醛保溫板、抹面砂漿;后屋面結構（由內至外）：預制板、蛭石、混凝土板、黏結砂漿、擠塑保溫板、抹面砂漿;脊高（室外地坪標高為基準，脊高=室內凈高）4 m，后墻高（基準地面至后坡與后墻內側交點）3 m，外墻高3.74 m，跨度10.00 m;外保溫覆蓋材料使用的是自動張卷保溫被，卷放時間為09：00—19：00，溫室內種植甜椒，試驗時間為2016年1—3月。

1.2 環境測試布點

試驗點均設置在溫室中部橫斷面上，共測試19個點，分為5層（圖1），光照度與濕度的布點同氣溫布點一致。

測定的主要環境參數為室內外太陽輻射量、室內外空氣溫度與濕度、墻體內表面溫度，每隔1 h采集1次數據，24 h連續采集。溫度的精度為0.1 ℃，相對濕度的精度為1%，光照度的精度為100 lx。

1.3 日光溫室墻體一維傳熱模型的建立

2.2.2 初始條件 日光溫室溫度分布取決于邊界條件的影響，經過多個周期后，溫度分布特點與初始條件無關。因此本研究取初始溫度分布為15 ℃均布，經過36 h的周期模擬運行后設定為本模型模擬的初始條件。模擬時間步長為10 min。

2.2.3 模型模擬 日光溫室墻體內部傳熱控制方程與邊界條件方程聯立，采用高斯迭代法對該方程組進行數值求解。采用MATLAB編制模型求解程序，模擬結果如圖7所示。圖7中列出了日光溫室內墻表面2016年1月10日試驗測定值與模型模擬值，時間段中模擬結果與實測結果較為一致，墻體內部測點的溫度，模擬值與實測值平均相差 1.0～1.5 ℃，最大誤差 2.6 ℃，平均相對誤差分別為4.9%～9.3%。

產生模擬誤差的原因，據分析主要有：（1）本研究所涉及的材料熱工參數是按照資料選取的，并未實測。（2）對流換熱系數在模擬中選取定值，與實際情況有一定差異。（3）試驗中保溫被開啟時間按照平均值取時間選取，在實際管理中每天開放時間并不一致。（4）溫室內作物（甜椒）的生長高度按照平均取值80 cm，與局部高度存在差異。

3 結論

本研究以酚醛保溫板異質復合墻體日光溫室為對象構建了日光溫室墻體非穩態傳熱模型，首次將作物高度對后墻蓄熱的遮擋率與后墻對于熱輻射的反射率引入到墻體熱傳遞控制方程中，并建立了完整的數值模擬方法。模型模擬值與試驗實測值最大誤差控制在3 ℃以內，并且兩者規律一致，可以作為溫室性能評價和結構改良的參考依據。

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