日光温室土墙传热特性及轻简化路径的理论分析
2016-03-21周长吉尹义蕾富建鲁王志强齐长红农业部规划设计研究院设施农业研究所北京10012农业部农业设施结构工程重点实验室北京10012北京节能环保中心北京100029农业部工程建设服务中心北京100081北京市昌平区农业服务中心北京102200
李 明,周长吉,周 涛,尹义蕾,富建鲁,王志强,齐长红(1.农业部规划设计研究院设施农业研究所,北京 10012; 2.农业部农业设施结构工程重点实验室,北京 10012;.北京节能环保中心,北京100029; .农业部工程建设服务中心,北京 100081; .北京市昌平区农业服务中心,北京 102200)
日光温室土墙传热特性及轻简化路径的理论分析
李明1,2,周长吉1,2,周涛3,尹义蕾1,2,富建鲁1,2,王志强4,齐长红5
(1.农业部规划设计研究院设施农业研究所,北京 100125;2.农业部农业设施结构工程重点实验室,北京 100125;
3.北京节能环保中心,北京100029;4.农业部工程建设服务中心,北京 100081;5.北京市昌平区农业服务中心,北京 102200)
摘要:为减小日光温室土墙厚度,该研究在分析土墙温度变化的基础上提出了土墙轻简化路径并进行了理论分析。根据测试分析,土墙可划分为用于储蓄热量的蓄热层和防止热量从蓄热层向室外方向流失的保温层。土墙86.9%的部分为保温层。模拟结果表明使用由47 cm厚夯土和7 cm厚聚苯板(热阻等于3.13 m厚夯土保温层)构成的复合墙在夜间的放热量与3.6 m厚土墙相近。使用保温材料替代夯土保温层来减薄土墙在理论上可行。另外,根据模拟,当土壤20 cm深处温度提高至23℃后,土壤供热量可超过测试条件下土壤和土墙放热量总和。为此,土墙在理论上可通过以下2条途径实现轻简化:1)使用保温材料建造墙体保温层;2)使用土壤蓄热替代墙体蓄热。
关键词:温室;土壤;墙;蓄热;轻简化
李明,周长吉,周涛,尹义蕾,富建鲁,王志强,齐长红. 日光温室土墙传热特性及轻简化路径的理论分析[J]. 农业工程学报,2016,32(3):175-181.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.025http://www.tcsae.org
Li Ming, Zhou Changji, Zhou Tao, Yin Yilei, Fu Jianlu, Wang Zhiqiang, Qi Changhong. Heat transfer process of soil wall in Chinese solar greenhouse and its theoretical simplification methods[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 175-181. (in Chinese with English abstract)doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.025 http://www.tcsae.org
0 引 言
日光温室北墙兼具保温和蓄热功能,可在晴天吸收来自太阳辐射和室内热空气的热量,在夜间向室内释放热量[1-4]。根据马承伟等研究,墙体在夜间释放的热量可使日光温室室内气温升高4~8℃[5]。因此,墙体是使日光温室在冬季夜间维持较高室内气温的重要构件。
土墙是当前农村应用最为广泛的日光温室墙体类型之一。进入21世纪后,履带机和挖掘机等机械的使用大大加快了土墙的建造效率,进一步推动了土墙的应用范围[6-10]。但夯土导热系数较大,只有较厚土墙才具有较好的保温蓄热性能。陈端生等研究发现0.5 m厚土墙全天从室内吸收热量,不能在夜间向室内释放热量[11]。但目前关于土墙合理厚度的研究较少,实践中农户盲目增大土墙厚度的现象非常严重,一些土墙底部厚度甚至可达4.5~7 m,不仅占用了大量的土地,导致日光温室土地利用率低下,还对耕地土壤层有一定的破坏[12-13]。
为确定土墙的合理厚度,马承伟等模拟了北京地区土墙厚度对日光温室室内夜间最低气温的影响,提出北京地区适宜的土墙厚度为2.0 m,在此基础上进一步增加土墙厚度对室内夜间最低气温的提高程度有限[5]。王晓东等根据墙体低限热阻及墙体造价给出新疆塔城地区适宜的土墙厚度为2.2~2.5 m[14]。亢树华等提出土墙厚度应达到当地冻土层厚度[15]。此外,彭东玲等发现3 m厚土墙在晴天的有效蓄热层为0.26~0.45 m[16-17]。李明等依据墙体通过温度变化来储蓄和释放热量的原理开发了土墙蓄热层厚度的计算方法[18]。
上述研究为规范土墙建造起到了积极的推动作用,但土墙占地面积大,对耕地土层破坏严重等根本问题仍未得到解决,亟需展开日光温室土墙的轻简化研究,即减薄土墙厚度,减少土墙耗土量,提高施工效率。为此,本研究拟针对土墙的传热过程进行分析,提出日光温室土墙的轻简化方法并对其可行性进行理论分析,从而为减少土墙占地面积和耗土量提供参考。
1 测试方法与参数选择
1.1试验温室
试验温室位于河北省廊坊市永清县恒都美业现代农业园区(116°44′E,36°27′N)。该温室坐北朝南,东西长50 m,南北宽10 m,脊高4.3 m,室内地面下沉1.5 m。温室前屋面为钢筋焊接桁架结构,覆盖材料为厚0.1 mm的聚乙烯薄膜。后屋面做法为稻草外覆盖泥土,仰角为45°,水平投影宽度0.5 m。东西山墙及北墙为机打梯形土墙,顶部和底部的宽度分别为2.0和5.3 m。在前屋面顶部距屋脊1.0 m设有宽0.5 m的通风口,使用放风绳控制通风口的开启和关闭。试验温室结构如图1a所示。
图1 试验日光温室结构及传感器布置方案Fig.1 Structure of experiment solar greenhouse and layout of measurement sensors
测试期间为2013年12月1日-2014年3月1日,试验温室内种植黄瓜,灌溉方式为膜下漫灌。试验温室保温被揭开和闭合的时间分别为08:30和17:00。当白天室内温度较高时,拉开前屋面后部的风口进行自然通风。
1.2测点布置
试验温室中部有一条保温被常年不揭开。为避免该保温被阴影的影响,选择测试温室中部偏东5 m处的截面布置测试仪器。试验测点的布置方式如图1b所示。土墙内部温度使用T型热电偶测量(测量范围:−180~350℃),测量精度为±0.1℃。在距室外地平面1.4 m的位置使用钢管从土墙内侧和外侧打孔,该处土墙厚度为3.6 m。按一定间隔在孔道内布置热电偶,中间的孔隙使用土重新回填压实,洞口处使用发泡胶填充。土墙内热电偶测点距土墙内表面的距离为0、10、20、30、40、50、60、90、250、310、340、350、360 cm。土墙内表面所截获的太阳辐射采用垂直布置的太阳辐射记录仪测量(QTS-4全天候光辐数据自记仪,河北邯郸丛台益盟电子有限公司),测量范围为0~2 000 W,测量精度为±5%。室内外气温采用温湿度记录仪测量(HOBO温度/湿度数据记录仪UX100-00,Onset Co. 美国),精度为±0.2℃。土壤温度采用土壤温度记录仪测量,传感器埋深为地下0、10和20 cm。
试验中所有仪器记录的间隔时间为10 min。选择2013年12月29日08:30-30日08:30为典型晴天,选择2014年01月16日08:30-17日08:30为典型阴天,对典型日的数据进行分析。
1.3墙体内表面温度模拟方法
一维差分法是模拟墙体温度的有效方法。马承伟等、管勇等分别采用该方法模拟了黏土砖+聚苯板+黏土砖复合墙和黏土砖+保温板复合墙的墙体温度,取得了较高的模拟精度[19-20]。为分析由聚苯板和夯土复合而成的墙体(以下简称“复合墙”)在夜间的供热性能,按图2a对复合墙进行控制节点划分,并采用一维差分法对复合墙内表面温度进行模拟。
图2 复合墙与土壤节点划分图Fig.2 Nodes in composite wall and soil
聚苯板内部控制节点i和夯土内部控制节点k的非稳态传热差分方程如下
式中1和2分别表示聚苯板和夯土;ρ为密度,kg/m3;c为比热容,J/(kg·℃);λ为导热系数,W/(m ℃);Ti,n和Tk,n分别为控制节点i和k在第n·Δτ时刻的温度(n=0,1,2,3……),℃;Δτ为计算步长,s;δxi和δxk分别为控制节点i与i+1,以及控制节点k与k+1之间的距离,m;Δxi=[(δx)i-1/2+(δx)i/2]和Δxk=[(δx)k-1/2+(δx)k/2]分别为控制节点i和k的控制区宽度,m。
聚苯板和夯土交界处节点j的非稳态传热差分方程如下
复合墙体外表面节点0和内表面节点m的非稳态传热差分方程如下
式中Δx0=(δx)0/2;Δxn=(δx)n-1/2;hin和hout分别为墙体内表面和外表面的换热系数,W/(m2·℃);Tin和Tout分别为室内和室外气温,℃;Sn为墙体内表面所截获的太阳辐射照度,W/m2;α为墙体内侧表面的太阳辐射吸收系数。
在计算时,为消除墙体温度初始值未知造成的影响,本研究使用预演法来解决该问题,即通过循环计算来消除墙体初始状态的影响[20]。另外,由于墙体在阴天日间所储蓄的热量低于其夜间放热量,仅使用阴天的气象数据循环计算墙体内表面温度的时候会出现结果失真的现象。为此,选用在相邻晴天和阴天所收集的数据模拟墙体在阴天的内表面温度。在本研究中,分别使用在2013年12月29日08:30-30日08:30和2014年01月14日08:30-17日08:30收集的室内外气温和土墙内表面太阳辐射强度模拟复合墙在晴天和阴天的内表面温度。
1.4土壤表面温度模拟方法
土壤表面温度同样采用一维差分法进行计算。试验温室内2排黄瓜之间的土壤较为干燥。另外,测试期间黄瓜密度为6.7棵/m2,高度为1.5~2.0 m。在作物冠层影响下,地面上太阳光较少。为简化计算,本研究忽略太阳辐射对土壤温度的影响。另外,土壤温度波幅随着深度增加而减少。当土壤深度达到某一深度时,土壤温度可认为不随时间变化。在计算时,可取土壤具有一定温度变化的部分为计算对象,土壤深处界面为恒温面。本研究取地下0~22.5 cm土壤为计算对象并按图2b划分控制节点。
土壤内部控制节点s1、s2和s3的非稳态传热差分方程如下
式中Tsi,n为控制节点si(s1、s2和s3)在第n·Δτ时刻的温度(n=0,1,2,3……),℃;δxsi为控制节点si与s(i+1)之间的距离,m;Δxsi=[(δx)s(i-1)/2+(δx)si/2]为控制节点si的控制区宽度,m。
土壤表面控制节点s0和靠近恒温界面的控制节点s4的非稳态传热差分方程如下
式中Tc为土壤恒温界面温度,℃。
1.5参数选择
由于试验温室土墙的表面呈浅黄色,土墙内表面的太阳辐射吸收系数α按《民用建筑热工设计规范》(GB50716-1993)取0.5[19]。其他参数的取值如表1所示。
表1 计算模型的参数Table 1 Parameters of simulation model
2 结果与分析
2.1土墙内表面太阳辐射与室外气温
测试期间土墙内表面太阳辐射照度和室外气温变化如图3所示。
图3 晴天和阴天室外气温与土墙内表面太阳辐射Fig.3 Outdoor air temperature and solar irradiation on inner surface of soil wall in sunny and cloudy day
在晴天(2013年12月29日-30日)保温被揭开期间,室外气温先升高后降低,其最高值和最低值分别为11.7和−9.6℃,出现在12月29日13:20和08:30。在保温被闭合期间,室外气温为(−8.3±2.6)℃,最低值为−12.1℃,出现在12月30日06:50。晴天土墙内表面所截获的太阳辐射照度最高值出现在12月29日13:20,为554 W/m2。在阴天(2014年1月16日-17日)保温被揭开期间,室外气温先升高后降低,其最高值和最低值分别为10.6和−3.5℃,出现在1月16日13:50和08:30。在保温被闭合期间,室外气温为(−2.7±1.7) ℃,最低值为−6.8℃,出现在01月16日20:40。由于室外太阳辐射较弱,且日光温室保温被未完全揭开,该期间土墙内表面所截获的太阳辐射照度最高值仅42.3 W/m2,出现在1月16日13:20。
2.2土墙供热情况
在上述气象条件影响下,测试期间室内气温与土墙内表面温度变化如图4所示。晴天保温被揭开后,室内气温和土墙内表面温度迅速升高,但室内气温仅在12月29日10:30-13:50期间较土墙内表面高0.3~4.3℃。在12月29日13:50-17:00期间,室内气温和土墙内表面温度迅速下降,室内气温较土墙内表面温度低1.3~8.3℃。该结果表明土墙在午后即开始向室内释放热量,导致午前储蓄的部分热量提前释放。在保温被闭合期间,土墙内表面温度较室内气温高(5.8±0.7)℃,表明土墙在夜间持续向室内放热。在此期间,室内最低气温为10.8℃,室内外温差为(21.8±0.9)℃。
图4 晴天和阴天室内气温与土墙内表面温度Fig.4 Temperatures of indoor air and inner surface of soil wall in sunny and cloudy day
在阴天保温被揭开之后,由于进入室内的太阳辐射较少,室内气温先下降了约2.0℃,然后逐渐升高至21.1 ℃。从14:20开始,室内气温不断下降。在11:00~16:20之间,室内气温较土墙内表面温度高0~6.9 ℃,而在其他时间段,室内气温始终低于土墙内表面温度。在保温被闭合期间,土墙内表面温度较室内气温高(2.3±0.5) ℃。该结果表明土墙可在阴天夜间向室内放热。根据传热学原理,该期间的土墙内表面热流密度较晴天夜间低了60%(假设墙体内表面换热系数为8.7 W/(m2·℃)。在此期间,室内最低气温为11.3 ℃,室内外温差为(14.1±0.5) ℃,较晴天低了7.7 ℃。
2.3土墙内部传热分析
晴天和阴天典型时刻的土墙温度如图5所示。在晴天,土墙内表面的温度波动幅度最大,为20.6℃。外表面温度波幅为8.8℃。但越往土墙深处,土墙温度波幅逐渐减小。若定义土墙的可蓄热厚度为室内侧土墙温度波幅超过0.5℃的部分,则测试条件下土墙的蓄热层厚度低于50 cm。在保温被闭合期间,土墙温度最高点从0向30 cm处移动,表明土墙在夜间向室内放热的墙体范围不超过30 cm,而且0~50 cm墙体同时向室内和室外释放热量。该结果与彭东玲等研究结果一致[17]。
图5 晴天和阴天典型时刻土墙内部温度Fig.5 Soil wall temperature at typical times in sunny and cloudy day
在阴天,土墙内表面和外表面的温度波幅分别为3.3 和4.4 ℃。在10~60 cm范围内,土墙温度在15.6~17.0 ℃之间变化。在60~340 cm范围内,土墙温度随土墙深度逐渐下降。在保温被闭合期间,土墙温度最高点稳定在40 cm处,但10~40 cm范围内土墙温度之差不超过0.6 ℃。因此,阴天土墙的主要放热区域为0~10 cm。
根据上述分析,可发现土墙靠近室内侧部分具有一定的温度波动幅度,可储存来自太阳辐射和室内热空气的热量,是土墙在夜间向室内放热的主要区域。另外,土墙中部温度波幅可忽略,且温度随墙体厚度逐渐下降,说明该部分土墙不能储蓄热量,仅能用于防止蓄热层热量向室外流失。室外侧部分土墙的温度虽然也有一定波动,但其温度较低,其主要作用仍然是防止土墙内部热量流失。
根据上述分析,可将土墙划分为蓄热层和保温层。蓄热层位于室内侧,具有一定的温度波幅,可承担储蓄热量的功能;保温层为土墙除去蓄热层的部分,主要用于防止蓄热层热量向室外方向流失。根据上述蓄热层定义及李明等[19]提出方法,测试条件下土墙在晴天的蓄热层厚度最大,为47 cm。
2.4土墙轻简化路径的理论分析
2.4.1采用保温材料建造土墙保温层的理论分析
由于夯土导热系数较大,需要较厚的保温层才能使土墙具有较好的保温性能。针对试验温室,大部分土墙均为保温层。若保留土墙蓄热层,采用导热系数较小的聚苯板取代夯土建造保温层,构建夯土-聚苯板复合墙体(以下简称复合墙),则可大大减小保温层厚度,实现土墙的轻简化。在本试验中,由于土墙阴天的蓄热层厚度较小,可使用晴天的土墙蓄热层作为复合墙蓄热层。定义土墙蓄热层为一天内温度波动幅度大于0.5 ℃的部分,则晴天土墙蓄热层厚度为47 cm。土墙保温层厚度为313 cm,热阻为2.1 m2·℃/W,相当于7 cm厚的聚苯板。由此确定复合墙结构为47 cm夯土+7 cm聚苯板。
为探讨使用保温材料建造土墙保温层对墙体夜间放热量的影响,将测试期间测得的室内外气温和土墙内表面太阳辐射照度代入一维差分模型,对复合墙的内表面温度进行了模拟,并与相同时间实测的土墙内表面温度进行了对比。根据计算结果,模拟的复合墙内表面温度在晴天和阴天夜间分别比实测的土墙内表面温度高(0.56±0.13) ℃和低(0.68±0.16) ℃,但二者之间的差异均不超过5%(图6)。该结果表明土墙保温层可采用导热系数更低的聚苯板的替代。由此,土墙挖土量可减少85%,占地面积可减少89.8%。因此,该轻简化方法在理论上可行。考虑到目前还未出现类似构造的墙体,还需进一步研究来检验上述轻简化方法在实践中的可行性。
图6 晴天和阴天实测土墙内表面温度与模拟复合墙内表面温度Fig.6 Measured inner surface temperature of soil wall and simulated inner surface temperature of composite wall in sunny and cloudy day
2.4.2采用土壤蓄热替代墙体蓄热的理论分析
土壤表面在晴天夜间(2013年12月29日17:00-30 日08:30)和阴天夜间(2014年01月16日17:00-17日08:30)的温度分别较室内空气高(3.2±0.8)和(2.7±0.3)℃。表明土壤可在夜间向室内供热。根据测试结果,土壤在晴天和阴天夜间向室内放热的热流密度分别为(27.8±5.4) 和(22.7±2.0) W/m2(假设土壤表面对流换热系数为8.7 W/(m2·℃)),分别为土墙的57%和121%。但由于土壤面积为土墙内表面面积的2.3倍,土壤在晴天和阴天夜间的总放热量分别为769和669 MJ,是土墙的1.3和2.9倍。
在测试期间,地下20 cm处的土壤温度在晴天和阴天分别为(17.2±0.1)和(16.8±0.1) ℃,其差别可以忽略。因此,土壤在晴天和阴天夜间的放热较为稳定。而土墙则受阴天太阳辐射强度减小的影响,阴天夜间土墙内表面的热流密度较晴天夜间下降了60%。因此,日光温室土壤放热较为稳定,受室内太阳辐射的影响较小。
为研究土壤深层温度对土壤放热的影响,使用一维差分法对晴天和阴天的土壤表面温度进行了模拟,并与实测温度进行了比较(图7)。在晴天和阴天日间,土壤模拟温度与实测温度之间的最大相对误差均达到了13%。这可能是由于模拟中忽略了地面太阳辐射,导致模拟的日间土壤表面温度较低。在未来的研究中,应尽可能考虑作物冠层透光率对土壤温度模拟的影响,提高模拟精度。但是在晴天与阴天夜间,土壤表面的实测温度与模拟温度之差分别为0.5和0.1℃,相对误差均低于5%。因此,该模型可用于模拟试验条件下土壤深层温度对土壤夜间供热的影响。
图7 晴天和阴天日光温室地下20 cm处温度土温度测试值与模拟值Fig.7 Measured and simulated soil temperature at 20 cm underground in sunny and cloudy day
测试期间,土壤和土墙在晴天和阴天夜间的放热量之和分别为1 378和897 MJ。若将地下20 cm温度提高至23℃而室内气温不变,土壤在晴天和阴天夜间所释放的热量分别为1 433和1412 MJ,可超过测试条件下土壤和土墙在夜间所释放热量的总和。因此,使用土壤蓄热替代墙体蓄热在理论上可行。在实际中可采用地中热水管[23]或燃池-地中热交换系统[24]来提高地温。当室内地温达到设计要求时,可考虑使用保温材料建造单一保温墙体,进一步减小土墙厚度,提高日光温室土地利用效率[25]。
3 结 论
本文针对土墙的传热特性进行了研究,通过分析土墙不同部分所承担的功能及供热情况,得出以下结论:
1)日光温室土墙可根据承担功能的不同划分为蓄热层和保温层,分别承担储蓄热量和防止蓄热层热量向室外流失的功能。根据测试结果,土墙在晴天和阴天的蓄热层厚度分别不超过0.5和0.1 m。
2)土墙夜间供热情况受日间室内太阳辐射影响较大。土墙在阴天夜间的放热量较晴天夜间下降了60%。但是室内土壤放热较为稳定,受日间太阳辐射影响小。
3)根据模拟结果,使用聚苯板替代现有土墙保温层后,墙体在夜间供热量变化不大。另一方面,将土壤地下20 cm温度提高到23 ℃后,土壤在夜间的放热量相当于原先土墙和土壤放热量总合。因此,土墙在理论上可通过以下2条路径实现轻简化:1)使用保温材料建造保温层;2)使用土壤蓄热替代墙体蓄热。
[参考文献]
[1] 马承伟,卜云龙,籍秀红,等. 日光温室墙体夜间放热量计算与保温蓄热性评价方法的研究[J]. 上海交通大学学报:农业科学版,2008,26(5):411-415. Ma Chenwei, Bu Yunlong, Ji Xiuhong, et al. Method for calculation of heat release at night and evaluation for performance of heat preservation of wall in solar greenhouse[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University: Agriculture Sciences, 2008, 26(5): 411-415. (in Chinese with English abstract)
[2] Yamaguchi Tomoharu, Kuroyanagi Takeshi, Chen Qingyun. Studies on thermal environment of the sunlight greenhouse (Part 1): Basic experiment to analyze thermal environment of the sunlight greenhouse[J]. Journal of Society of High Technology in Agriculture, 2003, 34(1): 31-37.
[3] 温祥珍,李亚灵. 日光温室砖混结构墙体内冬春季温度状况[J]. 山西农业大学学报:自然科学版,2009,29(6):525-528. Wen Xiangzhen, Li Yaling. Analysis of temperature within north composite wall of solar greenhouse[J]. Journal of Shanxi Agricultural University: Natural Sciences Edition, 2009, 29(6): 525-528. (in Chinese with English abstract)
[4] 李建设,白青,张亚红. 日光温室墙体与地面吸放热量测定分析[J]. 农业工程学报,2010,26(4):231-236. Li Jianshe, Bai Qing, Zhang Yahong. Analysis on measurement of heat absorption and release of wall and ground in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(4): 231-236. (in Chinese with English abstract)
[5] 马承伟,徐凡,赵淑梅,等. 日光温室热环境分析及设计方法[C]//杨其长. 第二届中国•寿光国际设施园艺高层学术论坛论文集. 北京:中国农业科学技术出版社,2011:70-79.
[6] 魏晓明,周长吉,曹楠,等. 中国日光温室结构及性能的演变[J]. 江苏农业学报,2012,28(4):855-860. Wei Xiaoming, Zhou Changji, Cao Nan, et al. Evolution of structure and performance of Chinese solar greenhouse[J]. Jiangsu Academy Agricultural Sciences, 2012, 28(4): 855-860. (in Chinese with English abstract)
[7] 陈青云. 日光温室的实践与理论[J]. 上海交通大学学报:农业科学版,2008,26(5):343-447. Chen Qingyun. Progress of practice and theory in sunlight greenhouse[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University: Agriculture Sciences, 2008, 26(5): 343-447. (in Chinese with English abstract)
[8] 王华民,杨孟,葛同江. 日光温室墙体机械干打垒技术[J].农业科技,2009(1):12.
[9] 刘建,周长吉. 日光温室结构优化的研究进展与发展方向[J].内蒙古农业大学学报,2007,28(3):264-268 Liu Jian, Zhou Changji. The present and development of sunlight greenhouse structure optimization[J]. Journal of Inner Mongolia Agricultural University, 2007, 28(3): 264-268. (in Chinese with English abstract)
[10] 张纪涛,林琭,闫万丽,等. 山西省日光温室结构问题的调查研究[J]. 中国蔬菜,2013(4):90-94 Zhang Jitao, Lin Lu, Yan Wanli, et al. Investigation of the solar greenhouse structures in Shanxi province[J]. Chinese Vegetables, 2013(4): 90-94. (in Chinese with English abstract)
[11] 陈端生,郑海山,刘步洲. 日光温室气象环境综合研究I:墙体,覆盖物热效应研究初报[J]. 农业工程学报,1990,6(2):77-81. Chen Duansheng, Zheng Hanshan, Liu Buzhou. Comprehensive study on the meteorological environment of the sunlight greenhouse I: Preliminary study on the thermal effect of the wall body and covering materials[J]. Transactions of The Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1990, 6(2): 77-81.(in Chinese with English abstract)
[12] 蒋程瑶,程燕飞,徐文勇,等. 山东省日光温室建设使用情况调查[J]. 农机化研究,2011(7):28-33. Jiang Chenyao, Chen Yanfei, Xu Wenyong, et al. Investigation of the construction and operation of solar greenhouse in Shandong province[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011(7): 28-33.(in Chinese with English abstract)
[13] 张纪涛,闫万丽,林琭,等. 山西省土墙日光温室结构及其温度环境调查[J]. 山西农业科学,2015,43(1):54-57 Zhang Jitao, Yan Wanli, Lin Lu, et al. The research on structure and temperature character of soil wall solar greenhouse in shanxi province[J]. Journal of Shanxi Agricultural Sciences, 2015, 43(1): 54-57. (in Chinese with English abstract)
[14] 王晓东,马彩雯,吴乐天,等. 日光温室墙体特性及性能优化研究[J]. 新疆农业科学,2009,46(5):1016-1021. Wang Xiaodong, Ma Caiwen, Wu letian, et al. Charateristic research and performance optimization of the solar greenhouse wall[J]. Xinjiang Agricultural Sciences, 2009, 46(5): 1016-1021. (in Chinese with English abstract)
[15] 亢树华,房思强,戴雅东,等. 节能型日光温室墙体材料及结构的研究[J]. 中国蔬菜,1992(6):1-5. Kang Shuhua, Fang Siqiang, Dai Yadong, et al. Study on wall material and structure of energy saving solar greenhouse[J]. Chinese Vegetables, 1992(6): 1-5. (in Chinese with English abstract)
[16] 彭东玲,杨其长,魏灵玲,等. 日光温室土质墙体内热流测试与分析[J]. 中国农业气象,2014,35(2):168-173. Peng Dongling, Yang Qichang, Wei Lingling, et al. Measurement and heat flux analysis on north earthen wall in Chinese solar greenhouse[J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2014, 35(2): 168-173. (in Chinese with English abstract)
[17] 彭东玲,张义,方慧,等. 日光温室墙体一维导热的MATLAB模拟与热流分析[J]. 中国农业大学学报,2014,19(5):174-179. Peng Dongling, Zhang Yi, Fang Hui, et al. MATLAB simulation of one-dimensional heat transfer and heat flux analysis of north wall in Chinese solar greenhouse[J]. Journal of China Agricultural University, 2014, 19(5): 174-179. (in Chinese with English abstract)
[18] 李明,周长吉,魏晓明. 日光温室墙体蓄热层厚度确定方法[J]. 农业工程学报,2015,31(2):177-183. Li Ming, Zhou Changji, Wei Xiaoming. Determination of heat storage layer of wall in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(2): 177-183.(in Chinese with English abstract)
[19] 马承伟,陆海,李睿,等. 日光温室墙体传热的一维差分模型与数值模拟[J]. 农业工程学报,2010,26(6):231-237. Ma Chengwei, Lu Hai, Li Rui, et al. One-dimensional finite difference model and numerical simulation for heat transfer of wall in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of The Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(6): 231-237.(in Chinese with English abstract)
[20] 管勇,陈超,凌浩恕,等. 日光温室三重结构相变蓄热墙体传热特性分析[J]. 农业工程学报,2013,29(21):166-173. Guan Yong, Chen Chao, Ling Haoshu, et al. Analysis of heat transfer properties of three-layer wall with phase-change heat storage in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(21): 166-173.(in Chinese with English abstract)
[21] 中华人民共和国建设部. GB 50716-1993:民用建筑热工设计规范[S]. 北京:中国计划出版社.
[22] 佟国红,王铁良,白义奎,等. 日光温室墙体传热特性的研究[J]. 农业工程学报,2003,19(3):186-189. Tong Guohong, Wang Tieliang, Bai Yikui, et al. Heat transfer property of wall in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(3): 186-189. (in Chinese with English abstract)
[23] 于威,王铁良,刘文合,等. 日光温室地中热水管加温对土壤温度的影响[J]. 沈阳农业大学学报,2014,45(3):321-325. Yu Wei, Wang Tieliang, Liu Wenhe, et al. Soil Temperature in solar greenhouse with Buried Hot Water Pipes[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2014, 45(3): 321-325. (in Chinese with English abstract)
[24] 白义奎,迟道才,王铁良,等. 日光温室燃池-地中热交换系统加热效果的初步研究[J]. 农业工程学报,2006,22(10):178-181. Bai Yikui, Chi Daocai, Wang Tieliang, et al. Experimental research of heating by fire-pit and underground heating exchange system in a solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(10): 178-181. ( in Chinese with English abstract)
[25] 周长吉. 日光温室墙体“变形记”[N]. 中国花卉报,2013-02-03(4).
Heat transfer process of soil wall in Chinese solar greenhouse and its theoretical simplification methods
Li Ming1,2, Zhou Changji1,2, Zhou Tao3, Yin Yilei1,2, Fu Jianlu1,2, Wang Zhiqiang4, Qi Changhong5
(1. Institute of Facility Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Engineering, Beijing 100125, China; 2. Key Laboratory of Farm Building in Structure and Construction, Ministry of Agriculture, Beijing 100125, China; 3. Beijing Energy Conservation and Environmental Protection Center, Beijing 100029, China; 4. China Agricultural Engineering Consulting Center, Beijing 100081, China; 5. Beijing Changping District Agricultural Service Center, Beijing 102200, China)
Abstract:Soil wall of the Chinese solar greenhouse (hereafter referred to as “solar greenhouse”) has problems of occupying large area and damaging the cultivation land. The simplification of soil wall, which means decreasing the thickness and soil use of the soil wall, becomes very important. The purpose of this study is to develop simplification methods of soil wall.A simplification wall with less soil use was proposed based on the measured temperature of soil wall and analysis of feasibility of those methods. The tested solar greenhouse was located in Yongqing county, Lanfang city, Hebei province (116°44′ E, 36°27′N). It is 50 m long and 10 m wide. The top and bottom thicknesses of the soil wall were 2.0 and 5.3 m, respectively. Its average thickness was 3.6 m. The test period was from Dec. 01, 2013 to Mar. 30, 2014. During that time, the tested solar greenhouse was used to growing cucumber with surface irrigation. The heat insulation sheet of the solar greenhouse was rolled up and down at 8:30 am and 5:00 pm daily, respectively. The wind vent was open if the indoor air temperature was high during daytime. The indoor and outdoor air temperatures, solar irradiating on the inner surface of the wall, the temperatures in the soil wall and indoor soil were measured continuously at a time interval of 10 min. The data collected in a typical cloudy day ( 08:30 am of Dec. 29, 2013 to 08:30 am of Dec. 30, 2013) and a typical sunny day (08:30 am of Jan. 16, 2014 to 08:30 am of Jan. 17, 2014) were used to study the heat transfer pattern of the soil wall. Based on the measured temperature in the soil wall, the soil wall can be divided into heat storage layer and heat insulation layer. The heat storage layer had large temperature fluctuation and can be used for storing heat during daytime and release heat into the solar greenhouse during nighttime. The temperature of the heat insulation layer was lower than that of the heat storage layer and mainly used to prevent the heat in the heat storage layer from losing. Under the test conditions, the thicknesses of heat storage and insulation layers were 47 cm and 313 cm, respectively. Considering that the heat resistance of the heat insulation layer equals that of 7 cm polystyrene board, a composite wall with 7 cm polystyrene board and 47 cm rammed soil in the direction from exterior to interior was proposed. The results showed that under same conditions, the differences between the measured inner surface temperature of the soil wall and the simulated inner surface temperature of the composite wall was less than 5% in both sunny and cloudy days. The application of the polystyrene board can reduce the thickness and occupied area of soil wall by 85.0% and 89.8%, respectively in comparison with the conventional soil wall. On the other hand, the heats released by the indoor soil during the nights of sunny and cloudy day were 1.3 and 2.9 times more compared to those released by the soil wall. According to the simulation results, by increasing the 20 cm surface soil temperature from 17.0℃ to 23℃, the heat released by the indoor soil during nighttime were more than the measured heat released by both soil wall and indoor soil. In this case, the soil wall can be replaced by the wall build with thermal insulation material only. The thickness of soil wall can be further decreased. We concluded that the soil wall can be simplified by the following methods: 1) building its heat insulation layer with thermal insulation material, or 2) building the wall with thermal insulation material and increasing the indoor soil temperature.
Keywords:greenhouses; soils; walls; heat storage; simplification
作者简介:李明,男,山西长治人,工程师,博士,从事设施园艺工程研究。北京农业部规划设计研究院设施农业研究所,100125。Email:lognum@126.com
基金项目:“十二五”农村领域国家科技计划课题(2014BAD08B020101);863计划资助课题(2013AA102407-3)
收稿日期:2015-09-15
修订日期:2015-12-16
中图分类号:S625.1
文献标志码:A
文章编号:1002-6819(2016)-03-0175-07
doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.025