南京农业大学学报  2018, Vol. 41 Issue (1): 172-180   PDF    
http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201703041
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何向丽, 王健, 郭世荣, 孙锦, 张剑, 倪梦伟, 蓝盾
HE Xiangli, WANG Jian, GUO Shirong, SUN Jin, ZHANG Jian, NI Mengwei, LAN Dun
拆装型黄麻纤维后墙温室墙体传热特性研究
The study on the thermal characteristics in solar greenhouse with removable jute fiber back wall
南京农业大学学报, 2018, 41(1): 172-180
Journal of Nanjing Agricultural University, 2018, 41(1): 172-180.
http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201703041

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收稿日期: 2017-03-28
拆装型黄麻纤维后墙温室墙体传热特性研究
何向丽1 , 王健1 , 郭世荣1 , 孙锦1,2 , 张剑1 , 倪梦伟1 , 蓝盾1     
1. 南京农业大学园艺学院, 江苏 南京 210095;
2. 南京农业大学(宿迁)设施园艺研究院, 江苏 宿迁 223800
摘要[目的]为实现日光温室的全年型生产,设计了拆装式黄麻纤维后墙温室,以探讨黄麻纤维材料作为温室拆装墙体的可行性。[方法]以拆装式黄麻纤维后墙温室为试验温室,以当地传统黏土砖后墙日光温室为对照,对温室墙体的热工性能、传热特性以及室内热环境进行了试验研究。[结果]冬季温室内部气温保持在4℃以上,黄麻墙结构保温效果良好;夏季黄麻墙拆除后,室内最高气温在40℃以下。温室墙体内、外表面温度受太阳辐射及室内、外气温的共同影响,呈现与气温相同的日变化规律。室内气温、墙面温度影响墙内各深度层次的温度分布,温度的总体变化趋势是由内表面向外表面沿厚度方向递减。与砖墙相比,黄麻墙蓄热性能较低,但保温隔热效果较好,能量利用率较高。[结论]黄麻纤维材料保温隔热性能较好,质量轻便于安装与拆卸且建造与维护成本较低,因此可作为一种新型温室墙体材料。
关键词温室   墙体   黄麻纤维   传热   
The study on the thermal characteristics in solar greenhouse with removable jute fiber back wall
HE Xiangli1, WANG Jian1 , GUO Shirong1, SUN Jin1,2, ZHANG Jian1, NI Mengwei1, LAN Dun1    
1. College of Horticulture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;
2. Nanjing Agricultural University (Suqian) Academy of Protect Horticulture, Suqian 223800, China
Abstract: [Objectives] In order to achieve the annual production of solar greenhouse, a novel solar greenhouse with removable jute fiber back wall (experiment greenhouse) was designed in this study. This paper aims to explore the feasibility of the jute fiber material as the removable back wall. [Methods] The thermal performance, heat transfer characteristics of back walls and indoor thermal environment of greenhouses were studied by using the solar greenhouse with removable jute fiber back wall as the experimental greenhouse and the traditional clay brick back wall greenhouse as control. [Results] In winter, the temperature inside the experimental greenhouse were above 4℃, so the thermal insulation performance of jute fiber wall was good. In summer, after the jute fiber wall were removed, the highest indoor temperature was below 40℃. The temperatures at different layers and the heat flows of back wall surfaces were significantly affected by indoor, outdoor air temperature and solar radiation, and had the same diurnal variation as indoor and outdoor air temperatures. Temperature of each point inside the wall was affected by inner surface temperature. Overall, the temperature declined from inner surface to outer surface at thickness direction. Compared with the clay brick, jute fiber's thermal storage performance was low, but the insulation effect and the energy utilization was better. [Conclusions] The jute fiber material not only has a good thermal insulation performance, but also has the lower density, so the jute fiber wall is easy to install and disassemble. In addition the jute fiber wall construction and maintenance costs are lower, and overall the jute fiber can be used as a new type material for the novel greenhouse.
Key words: greenhouse    wall    jute fiber    heat transfer   

墙体作为温室的围护结构之一, 对温室内部的热环境有直接影响。温室围护结构的保温蓄热性能, 一直是研究者关注的热点问题。温室墙体材料的选择不仅影响墙体的保温蓄热性能, 也影响着墙体结构安全、生态环境以及建造成本。在温室设计建造过程中, 应在综合考虑建造成本、保温蓄热性能和对环境影响程度等因素的基础上对墙体材料进行选择与应用[1]

近些年来, 国内外众多学者围绕温室墙体传热特性与性能改良做了大量研究, 主要包括不同材料、不同结构墙体的保温蓄热性能分析[2-6], 新型墙体材料研究与开发[7-12]及墙体传热特性的模拟、实测分析[13-18]等几个方面。这些研究为墙体材料的创新及墙体结构的优化奠定了基础。对温室而言, 墙体良好的保温蓄热能力是低温季节温室提高温度、抵抗严寒、进行生产的重要保证。然而到了炎热的夏季, 墙体的存在成为温室通风降温的重要障碍。大多数温室到了夏季因通风效果差、室内温度过高不得不进行闲置, 无法进行周年性生产, 土地利用率较低。麻是天然纤维中仅次于棉花的第二大类纤维, 可分为苎麻、亚麻、大麻、黄麻、剑麻等, 全世界年产量约为500万t左右, 其中黄麻约占总产量的60%~70%。黄麻纤维复合材料具有隔热、吸音性能好、能量吸收能力好、耐冲击、燃烧速率低、节能环保、密度低等优点[19]。但在农业工程领域, 尤其是将黄麻纤维应用于温室墙体材料的研究尚未见相关报道。

为改良传统温室结构和提高温室的利用率, 本研究结合温室后墙功能及黏土砖与黄麻材料的使用现状, 以黄麻纤维为原料, 将其加工成板材, 应用于温室后墙, 设计并建造了拆装型黄麻纤维后墙温室(以下简称为新型温室), 并对新型温室黄麻纤维后墙与传统温室黏土砖后墙的热工参数、建造成本、传热特性以及温室室内热环境进行了研究, 旨在为该新型墙体结构的设计与应用提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验温室

试验温室位于江苏省宿迁市南京农业大学(宿迁)设施园艺研究院基地(34.03° N, 118.28° E)。新型温室为试验温室, 传统型日光温室为对照温室, 两温室除墙体以外结构相同:温室坐北朝南, 长度50 m, 跨度9.0 m, 脊高3.8 m, 后墙高2.8 m, 后屋面仰角45°, 前屋面角25.4°, 后屋面水平投影1.0 m。两温室在前屋面均设置两处通风口, 宽度均为1.0 m, 其中前通风口中心位置距地1.0 m, 顶通风口中心位置距屋脊1.5 m。新型温室后墙材料为黄麻纤维加工成的板材, 传统型日光温室后墙材料为黏土砖。

新型温室后墙包括上、下两部分, 上部分为镀锌钢架和黄麻板组成的拆装墙体, 下部分为黏土砖砌筑的固定墙体, 厚度均为0.5 m。黄麻墙体结构组成由内而外分别为8 cm黄麻板+34 cm空气层+8 cm黄麻板+防虫网+0.15 mm塑料薄膜, 冬季及早春季节安装黄麻墙体用于温室保温, 夏季将其拆除以利于加强温室通风。构建黄麻墙体的黄麻板尺寸为1.4 m×1.4 m×0.08 m, 材料平均密度为60 kg·m-3, 黄麻板表面采用塑料薄膜包裹密封作为防水层。拆装式黄麻后墙日光温室的黄麻板拆除后, 作为后墙通风口, 宽1.4 m。两种温室结构剖面图如图 1所示, 使用现状如图 2所示。

图 1 供试日光温室结构剖面图 Figure 1 Sectional view of the experimental solar greenhouses 新型温室后墙材料为黄麻纤维, 对照温室后墙材料为黏土砖。 The materials of back wall in new greenhouse are jute fiber. The materials of back wall in control greenhouse are clay brick.
图 2 温室内、外景图 Figure 2 The inside and outside photographs of the greenhouses a.新型温室和对照温室外景图; b.对照温室内景; c.新型温室冬季内景; d.新型温室夏季内景; e.黄麻纤维板。 a.Outdoor view of new and control greenhouse; b.Indoor view of control greenhouse; c.Indoor view of new greenhouse in winter; d.Indoor view of new greenhouse in summer; e.Jute fiber boards.
1.2 试验设计 1.2.1 黄麻板与黏土砖热工性能计算

为了评估温室后墙材料热性能, 引入3个参数:蓄热系数(S)、热阻(R)、热惰性指标(D)。蓄热系数表示材料对热作用反应的敏感程度, 蓄热系数越大, 表面温度波动越小, 抵抗温度谐波的能力越大, 蓄热能力越强。热阻是反应阻止热量传递能力的综合参量。热惰性指标为表面温度谐波振幅与材料的温度谐波振幅的比值, 热惰性指标越大, 表明材料温度波动越小, 温度波衰减越快, 材料的热稳定越好[20]。蓄热系数(S)计算公式如下[21-22]:

(1)

式中:S为蓄热系数(W·m-2·℃-1); λ为导热系数(W· m-1 ·℃-1); ρ为密度(kg·m-3); C为比热容(J·kg-1·℃-1); Z为温度波动周期(s)。

热阻(R)计算公式如下:

(2)

式中:R为热阻(m2·℃·W-1); d为材料厚度(m)。

热惰性指标(D)计算公式如下:

(3)

式中:D为热惰性指标; R为热阻(m2·℃·W-1); S为蓄热系数(W· m-2·℃-1)。

1.2.2 温室室内热环境对比试验

环境因子测量项目包括室内外空气温度、墙体温度以及墙体表面热流量。其中, 室内外空气温度监测采用温湿度记录仪(HOBO温度/湿度数据记录仪HOBO U10-003;测量范围:-20~70 ℃; 精度:±0.2 ℃), 记录间隔10 min; 墙体温度监测采用T型热电偶(OMEGA, USA); 墙体表面热流量监测采用热流量传感器(HFP01, Netherlands)。热电偶和传感器连接于数字采集仪(Campbell, CR3000, USA), 记录间隔10 min。室内布置5个空气温湿度测定点, 高度分别为0.8、1.5、2.3 m; 两温室后墙内外表面各布置1个测定点, 监测墙体内外表面的热流量变化。两温室后墙墙体温度测定点测量深度分别为0、4、8、25、42、46和50 cm。墙体温度测定点和墙体内外表面热流量测定点高度均为2.1 m。室外布置1个空气温度测定点, 高度1.5 m, 位于温室正南方5.0 m。具体测定点布置如图 3所示。

图 3 供试温室室内测定点分布 Figure 3 Distribution of measuring points inside greenhouse 1~7为不同墙体厚度温度测定点; +:室内温度测定点, •:热流量测定点。 1-7 indicate the wall temperature measuring points at different thickness; +:Indoor temperature measuring point; •:Heat flux intensity measuring point.
1.3 测试时间

测试时间为2016年7月23日—8月14日(夏季)、2016年12月23日—2017年1月3日(冬季)。在夏季试验期间温室通风口始终处于打开状态(雨天除外)。取整个试验期间的数据, 对日最高温度、日平均温度进行分析。在冬季试验期间温室保温被早上9:00开启, 下午16:00关闭。取2016年12月24日00:00—24:00(阴天)以及2016年12月28日00:00—24:00(晴天)为典型日, 对典型日所获取的数据进行分析。

1.4 数据分析处理

单位面积墙体放热量(Q)计算公式:

(4)

式中:Q为单位面积放热量(kJ·m-2); H为热通量测量值(W·m-2); t为记录间隔时间(10 min)(η)计算公式。

单位面积墙体能量利用率(η)计算公式:

(5)

式中:η为能量利用率; Qr为单位面积释放的能量(kJ·m-2); Qc为单位面积吸收的能量(kJ·m-2)。

2 结果与分析 2.1 温室后墙热工参数计算对比

依据计算公式(1)、(2)和(3)对墙体材料的蓄热系数、热阻、热惰性指标进行计算分析, 结果(表 1)显示, 与砖墙相比, 黄麻墙由于其密度低, 墙体相对较薄, 蓄热系数较低, 使得黄麻墙体蓄热能力较弱, 不利于白天墙体蓄积热量, 但是黄麻板的热阻较高, 具有较好的保温隔热性能。砖墙和黄麻墙的热惰性指标分别为4.14和1.15, 因而黄麻墙表面温度变化幅度较大。总体来说, 砖墙的热稳定性略优于黄麻墙, 而黄麻墙的保温隔热性能略优于砖墙。

表 1 不同墙体材料的热工性能 Table 1 Thermal properties of different walls
墙体
Wall
厚度/m
Thickness
导热系数/
(W· m-1 ·℃-1)Thermalconductivity
比热容/
(J ·kg-1 ·℃-1)Specific heatcapacity
密度(ρ)/
(kg·m-3)Density
热阻/
(m2·℃·W-1)Thermalresistance
蓄热系数/
(W·m-2·℃-1)Heat storagecoefficient
热惰性指标
Thermalinertia index
砖墙
Brick wall
0.51.028001 2000.498.444.14
黄麻墙
Jute fiber wall
0.160.111300601.450.791.15
2.2 两种日光温室室内热环境对比 2.2.1 温室内外空气温度变化

图 4可见:夏季黄麻墙体拆除之后, 在自然通风条件下, 与传统型日光温室(对照温室)相比, 新型温室室内气温较低, 白天最高气温均保持在40 ℃以下, 比室外温度高2 ℃左右, 而对照温室最高气温可达47.3 ℃, 新型温室日平均温度比对照温室低1.7 ℃。试验基地位于苏北地区属于亚热带向暖温带的过渡区, 传统日光温室在夏季温室内部热量蓄积严重, 最高气温可达40 ℃以上, 无法进行正常生产[23]。而新型温室随着黄麻墙体的拆除, 温室通风口面积加大, 室内空气流速大, 使温室的通风方式由原来的前通风口、顶通风口的联合通风改变为前通风口、顶通风口以及后墙通风口的联合通风方式, 减少了日光温室后墙热量的聚集, 通过自然通风排除的热量较多, 温室内部高温得到了有效缓解, 降温效果明显, 可以将室内温度控制在40 ℃以下, 能够满足夏季栽培需求。

图 4 夏季两温室内部日平均温度和日最高温度变化 Figure 4 Average air temperature and highest air temperature inside two greenhouses recorded on alternate days in summer

图 5可知:在冬季测试期间, 试验温室内部空气温度与外界变化趋势总体相同, 两温室室内温度显著高于室外温度。白天, 随着室外太阳辐射的增强和保温被的开启, 温室内部空气温度逐渐升高; 随着太阳辐射的减弱, 室内空气温度开始下降。由于阴天太阳辐射较低, 两温室室内温度基本无差异。在晴天中午和夜间, 对照温室室内温度较新型温室高, 两者室内的最大温差为0.4 ℃。试验期间, 温室种植作物为番茄, 其不耐低温, 长时间5 ℃下即可出现冷害现象, 遇-2~-1 ℃霜冻即被冻死[24]。新型温室室内温度受外界冷空气的影响, 最低气温出现在12月28日, 为4 ℃, 由于低温持续时间较短并没有对作物造成损害, 此时室内温度比室外温度高8 ℃左右, 这显示出该温室虽然具有一定的保温性能, 但是在夜间保温方面两种温室都需要进一步改进优化。

图 5 冬季温室内外空气温度变化曲线 Figure 5 Variation of indoor and outdoor air temperature in winter
2.2.2 典型天气温室后墙内外表面温度变化

图 6可以看出:在阴天(12月24日)时, 由于全天太阳辐射量较低, 温室中各测定点温度变化幅度较小, 在夜间黄麻墙内表面温度略低于室内气温, 表明黄麻墙一直处于吸热状态, 但是砖墙内表面温度始终高于室内温度, 说明在夜间墙体一直处于放热状态。在晴天(12月28日), 保温被揭开后, 随着接受太阳辐射的增加, 室内外气温及墙体表面温度均开始上升。黄麻墙内表面温度增长迅速, 而砖墙内表面温度缓慢增加, 两者始终低于室内气温, 说明墙体不断在吸热。在保温被覆盖之前(16:00)的时间里, 黄麻墙内外表面温度均高于砖墙内外表面3 ℃左右, 保温被覆盖以后, 室内以及墙体内表面温度开始下降, 黄麻墙表面温度降温较快, 砖墙表面温度降温缓慢, 砖墙内外表面温度均高于黄麻墙内外表面2 ℃左右, 且两墙体内表面温度略高于室内气温, 这表明两墙体白天蓄积的热量在此期间开始缓慢放出。晴天各墙体表面温度均在13:00左右达到最大值, 其中黄麻墙内表面温度比砖墙内表面温度高5.9 ℃。两墙体内表面温度在07:00左右降到最小值, 砖墙温度比黄麻墙温度高1 ℃左右, 此时两温室室内温度均比室外温度高7.8 ℃左右。以上结果表明:后墙内外表面温度主要受太阳辐射以及室内外气温的共同影响, 在晴天夜间及阴雨天, 室内气温、墙体内外表面的温差促进墙体热量的转移, 进而导致温室内部及墙体热量的损失。

图 6 典型天气温室后墙内外表面温度与室内外气温的变化 Figure 6 Variation of inside, outside air temperature and inner, outer surface temperature of back wall on typical days
2.2.3 墙体温度沿墙体厚度方向的变化分析

图 7可知:不同墙体各分层温度在一天中与室内空气温度变化趋势相同。晴天白天, 受太阳辐射的影响, 墙体内表层温度波动较大。同一时刻, 沿墙的厚度方向, 随着厚度的增加, 温度变化的总体趋势是逐渐降低, 说明热传导的方向始终指向墙体外侧。黄麻墙中, 在同一时刻9~41 cm处测定点温度相同, 这是墙体内部空气层存在的结果, 在墙体建造过程中, 适当厚度的空气层可以在一定程度上起到保温隔热的作用, 但从结果来看, 黄麻墙中空气层未发挥保温作用, 这是由于空气层厚度过大, 内部空气对流较快。在夜间, 砖墙小于0.10~0.24 m厚度的温度略高于内表面, 说明夜间固定砖墙内表层有热量向室内释放, 而其余墙体部分热传导方向保持不变。

图 7 晴天两温室墙体内部温度分布日变化规律 Figure 7 Hourly temperature distribution of brick wall and jute fiber wall inside greenhouse on a sunny day
2.2.4 墙体表面热流量分析

图 8可知:晴天白天砖墙内表面处于吸热状态, 夜间处于放热状态。墙体放热主要集中在保温被覆盖后且在2 h后达到最大值。黄麻墙内表面在09:00—13:00处于吸热状态, 但是保温被覆盖后仅放热8 h, 之后均处于吸热状态。晴天墙体内外表面热流量波动幅度较大, 而在阴天, 黄麻墙内外表面在全天时间内热流量变化范围较小且相互间差异不明显, 基本处于吸热状态。砖墙内外表面在白天吸热量较少, 保温被覆盖后向外界释放的能量较低。

图 8 典型天气墙体表面热流量变化 Figure 8 Variation of heat flux intensity of wall surface on typical days 图中墙体表面热流从内表面沿墙体传向室外方向为负值, 反之为正值。 The heat transfer from inner surface to outdoor is defined as negative value, and on the contrary is positive.

图 9可见:黄麻墙和砖墙的能量利用率趋势相同, 在阴天由于太阳辐射量较小, 墙体基本处于吸热状态, 所以墙体的能量利用率较低, 黄麻墙和砖墙的能量利用率大约分别为30%和21%;在晴天由于全天太阳辐射较强, 墙体可在白天吸收并蓄积热量, 并于夜间将热量向室内释放, 使室温保持在较高水平, 因此墙体的能量利用率较高, 黄麻墙和砖墙的能量利用率分别为88%和62%。整体来看, 无论阴天还是晴天黄麻墙的能量利用率较砖墙高。

图 9 冬季两温室墙体表面能量利用率变化 Figure 9 Variation of energy efficiency of brick wall and jute fiber wall surface during winter days

为了进一步分析典型天气条件下两种墙体具体的吸热量和放热量, 对一天内2种墙体内表面能量的变化进行分析, 结果(表 2)显示, 与砖墙相比, 黄麻墙全天吸收能量较少, 表明黄麻墙的蓄热能力较砖墙低, 但其能量利用率较高, 进而表明黄麻墙的隔热能力较砖墙高。

表 2 典型天气00:00—24:00不同墙体的内表面热量 Table 2 Heat of back walls during 00:00-24:00 on typical days
天气
Weather
日期
Date
墙体Wall吸热量/(kJ·m-2)
Heat of collect
放热量/(kJ·m-2)
Heat of release
能量利用率/%
Energy efficiency
阴天
Cloudy day
12-24砖墙Brick wall
黄麻墙Jute fiber wall
-372.9
-86.0
72.3
20.0
19.39
23.3
晴天Sunny day12-28砖墙Brick wall
黄麻墙Jute fiber wall
-806.6
-112.34
486.4
100.22
60.3
89.2
注:测定的放热量为正值, 吸热量为负值。
Note:The measured heat release is positive, the heat absorption is negative.
3 讨论与结论

对具有后墙的日光温室而言, 墙体起到蓄热保温隔热的作用[25]。热性好的墙体热贡献大, 传热量少, 保温效果好。薛亚宁等[26]指出, 墙体热工性能体现在两大方面:一是作为蓄热材料对白天照射在墙面上的太阳能进行储存, 二是作为保温材料来阻挡向外散失的热量。温室墙体的保温蓄热能力与墙体材料有密切关系。本试验结果表明:新型温室黄麻墙体在晴天夜间, 放热高峰集中在保温被覆盖后2 h, 放热时间主要在保温被覆盖后约8 h。在阴天夜间, 黄麻墙体以吸热为主, 而砖墙墙体在整个试验期间以放热为主。虽然黄麻墙蓄热性能不足, 但是无论在阴天还是晴天黄麻墙表面的能量利用率均比砖墙高。所以与传统砌块墙体相比, 黄麻墙体的热阻较高, 具有较好的保温隔热性能, 新型温室在冬季最冷月份, 温室内部空气温度保持在4 ℃以上比室外气温高8 ℃, 可以满足冬季栽培需求, 因此可以将黄麻板作为新型温室的拆装后墙。

在夏季, 温室内部的较高气温和地温对作物生长不利。对温室而言, 夏季白天室内高温的主要原因在于后墙的影响。在本研究中, 随着黄麻墙的拆除, 与对照温室相比, 新型温室室内自然通风面积增大, 减少了日光温室后墙热量的聚集, 通过自然通风排除的热量较多, 使得温室通风降温效果较好, 整个夏季无极端高温产生, 这与Inbok等[27]、Bournet等[28]和王云冰等[29]的研究结果一致。在夏季最热月份, 温室内部空气最高温度可有效控制在40 ℃以下, 比对照温室低7 ℃左右, 新型温室室内无极端高温产生, 显示出较好的通风降温性能。而对照温室由于通风性能较差, 室内高温频发。

日光温室相对于其他多种园艺设施是比较经济实用的温室类型, 故造价问题也是开发新型日光温室的重要控制因素。本研究在进行充分的市场调研和造价估算之后发现, 对于50 m长、0.5 m厚的砖墙建造成本为94元·m-2, 施工费为8 000元; 0.16 m厚的黄麻墙建造成本为69元·m-2, 施工费为6 000元。与对照温室砖墙相比, 新型温室的黄麻墙的成本投入可减少3 798元。另外, 一方面由于黄麻纤维材料质量轻便, 在使用过程中便于安装与拆卸, 无需额外人工费用并可自行拆装; 另一方面黄麻材料表面采用薄膜密封, 可防水防潮, 在一定程度上可延长其使用寿命。因此黄麻墙体在使用过程中维护成本较低。所以, 黄麻材料作为黏土砖的替代材料参与日光温室的建造是经济可行的。

与传统温室相比, 拆装式黄麻纤维后墙温室冬季保温性能良好, 但其蓄热性能仍需进一步优化提高。夏季室内通风降温效果明显, 能够实现夏季作物的生产要求, 提高日光温室利用率。由于黄麻纤维材料质量轻便, 在使用过程中便于安装与拆卸, 可自行拆装而无需额外的人工费用, 并且建造与维护成本较低, 可以作为保温隔热材料或者温室后墙, 应用于全年生产型温室的设计与建造中。

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