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固化沙蓄热后墙日光温室热工性能试验

2017-06-27鲍恩财曹晏飞孙亚琛邹志荣

农业工程学报 2017年9期
关键词:砖墙晴天日光温室

鲍恩财,朱 超,曹晏飞,孙亚琛,何 斌,米 欣,张 勇,邹志荣



固化沙蓄热后墙日光温室热工性能试验

鲍恩财1,朱 超2,曹晏飞1,孙亚琛1,何 斌3,米 欣1,张 勇1,邹志荣1※

(1. 西北农林科技大学园艺学院,农业部西北设施园艺工程重点实验室,杨凌 712100; 2. 西北农林科技大学机械与电子工程学院,杨凌 712100;3. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院,杨凌 712100)

结合西北非耕地地区多沙的特点,在因地制宜、就地取材的基础上,该课题组设计了1种以多孔砖和固化沙为后墙结构主要材料的新型复合墙体日光温室。该日光温室有被动蓄热后墙和主动蓄热后墙2种类型,被动蓄热后墙以固化沙为主要蓄热体,主动蓄热后墙在被动蓄热墙体的基础上增设了蓄热循环系统。通过在内蒙古乌海地区进行试验,分析其热工性能,并与当地普通砖墙日光温室性能进行比较分析。试验结果表明,晴天条件下,固化沙被动蓄热后墙温室、固化沙主动蓄热后墙温室、普通砖墙温室的夜间平均气温分别为13.7、17.0、12.8 ℃。阴天条件下,3座温室的夜间平均气温分别为10.6、13.8、10.0 ℃。固化沙被动蓄热后墙温室墙体内部恒定温度区域处于500~740 mm之间,蓄热体厚度近500 mm,其中固化沙蓄热体厚度近380 mm。固化沙主动蓄热后墙温室的墙体内部恒定温度区域处于740~1 000 mm之间,蓄热体厚度超过740 mm,其中固化沙蓄热厚度超过620 mm。综上,固化沙主动蓄热后墙日光温室的热工性能明显优于固化沙被动蓄热后墙日光温室及当地普通砖墙日光温室,可满足喜温作物的越冬生产,在西北多沙地区具有一定的实用推广价值。

温室;温度;墙体;固化沙;日光温室;蓄热体;厚度

0 引 言

日光温室是具有典型中国特色的设施类型,总体面积规模大,一直是中国温室园艺装备升级的重点[1-2]。墙体作为日光温室的最重要的围护结构之一,对温室内的热环境有直接的影响,具有不可替代的作用[3]。因此,关于墙体材料和复合墙体结构的研究倍受重视[4-9]。

陈端生等[10]观测了北京土墙和鞍山复合墙温室的气温和墙体温度,研究了日光温室墙体不同层次的温度变化,发现土墙全天为吸热体,有空心夹层的砖墙,在温室升温阶段是吸热体,在温室降温阶段是放热体。佟国红等[11]针对目前常见的单一材料墙体及异质复合墙体,在厚度相同的情况下进行了传热分析,结果显示异质复合墙体温室内的夜间温度比单一材料墙体温室夜间温度高3 ℃左右。白义奎等[12-13]研究发现多层异质复合墙体具有热阻大、蓄热、隔热、保温性能好的优点,并以聚苯板夹芯墙体为对照,对缀铝箔聚苯板空心墙体保温性能进行了测试,结果表明缀铝箔聚苯板空心墙体的热工性能更好,受环境因素的影响较小。柴立龙等[14]介绍了北京地区日光温室墙体的调查和分析结果,归纳出8种不同墙体材料构造的使用情况,对几种墙体的传热系数、总热阻、热惰性指标等热性能参数以及经济性进行了计算与评价。亢树华等[15]对鞍山、盘锦的4种不同隔热材料的墙体,2种不同外墙材料和3种厚度的土墙各层温度和室内外温度进行了观测,结果表明500 mm厚砖墙内部隔热材料以珍珠岩最好,其次是煤渣,第3是锯末,最差的是空气;外墙材料以加气混凝土砖较为理想;土墙厚度以1 m较适宜。陈超等[16-18]研究了将相变材料应用于日光温室后墙的室内热环境,并进一步结合主动与被动的蓄热方式提出了一种带竖向空气通道的太阳能相变蓄热墙体构筑体系。

近年来,西北地区日光温室规模迅速扩大。该地区光照资源丰富,拥有浩瀚的戈壁、沙漠等非耕地资源。因地制宜地对日光温室结构进行优化升级,有益于当地设施园艺产业的发展[19-20]。因此,在课题组前期研究基础上[21-24],本文拟结合当地资源特点,设计了1种以固化沙为主要蓄热体的新型复合墙体日光温室,通过测试其热工性能,并与当地普通砖墙温室性能进行对比,分析了该新型温室在西北地区的适用性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验温室结构

3座供试温室均位于内蒙古自治区乌海市乌达区奥峰农业基地(39°39′N,106°47′E),测试期间3座温室内种植作物为番茄,灌溉方式为滴灌。夜间采用保温被覆盖,上午09:00开启,下午16:00关闭,若为其他时间另作说明。试验期间晴天的11:00~13:00打开通风口。

a. 固化沙被动蓄热后墙日光温室(W1)

a. Solar greenhouse(W1) of solidified sand back wall with passive heat storage

b. 固化沙主动蓄热后墙日光温室(W2)

b. Solar greenhouse (W2) of solidified sand back wall with initiative heat storage

试验温室结构如图1所示。固化沙被动蓄热后墙日光温室(W1),南北跨度为9 m,东西长80 m,方位南偏东5°,脊高4.5 m,后墙高3.3 m。后墙结构为120 mm多孔砖墙+760 mm固化沙+120 mm多孔砖墙(从外向内),固化沙由当地沙土通过添加10%掺量(质量比)的PX粉状固化剂搅拌均匀制成[25],温室采用卡槽骨架,间距1 m,后屋面采用120 mm彩钢夹芯板。

固化沙主动蓄热后墙日光温室(W2),后墙结构为100 mm聚苯板+120 mm多孔砖墙+760 mm固化沙+120 mm多孔砖墙(从外向内),与W1相比,墙体中间设蓄热预制通风管道,安装蓄热循环系统[26],通风管道采用市场现有的预制混凝土空心板,空心板的截面尺寸为480 mm×100 mm,其中通风孔有5个,直径为80 mm,风机的额定功率为0.18 kW,风量为300 m³/h。其他参数与W1一致。

普通砖墙日光温室(W3)为当地已有温室。后墙结构为100 mm聚苯板+490 mm多孔砖(从外向内)。其他参数与W1保持一致。

1.1.2 蓄热循环系统

在张勇等[22,26-29]研究的基础上,为提高了蓄热体的蓄热效果和蓄热量,改进了原有的蓄热循环系统,将进风口和出风口之间的距离缩短至40 m。进风口设置在温室后墙中部,出风口设置在后墙东西两端。尽量减少风机直吹对作物生长的影响,风机安装在位于后墙两端的出风口外表面。2组风机(每组3台)启动时,墙内形成负压,温室内部的空气携带热量从进风口进入后墙通风管道,经过热交换,热量蓄积入固化沙蓄热体中。

本试验设定在晴天和多云天气的10:00~15:00启动后墙蓄热循环系统,以使白天日光温室内的热量尽可能多地进入蓄热体中。阴及雪天关闭风机,温室依靠后墙风道自然循环。

1.1.3 测试仪器

室内空气环境数据由PDE-KI环境数据记录仪(哈尔滨物格电子技术有限公司)采集,温度测量范围:−30~70 ℃,准确度±0.5 ℃,分辨率0.1 ℃;湿度测量范围:0~99%,准确度±3%,分辨率1%;光照度测量范围:0~200 000 lux,准确度±3%。

墙体内温度数据由PDE-R4温度数据记录仪(哈尔滨物格电子技术有限公司)采集,温度测量范围−30~70 ℃,准确度±0.5 ℃,分辨率0.1 ℃。

室外环境数据由HOBO便携式小型自动气象站(Onset Co. 美国)采集,温度测量范围:−40~75 ℃,准确度±0.7 ℃,分辨率0.4 ℃;湿度测量范围:0~100%,准确度±3%,分辨率0.5%;太阳总辐射传感器,测量范围0~1 280 W/m2,准确度±10 W/m2,分辨率1.25 W/m2。

1.2 试验方法

3座供试温室内部各布置2个温湿度测点,2个光照测点,2个地温测点。分别布置在温室长度方向3等分截面处,跨度方向中部。其中温湿度测点和光照测点位于地面以上1.5 m高度处,地温测点位于地下15 cm处。

3座供试温室墙体温度测点均为2组,2组测点均位于距离室内地面以上1.5 m高度处,分别布置在温室长度方向3等分截面处。其中W1墙体温度测点布置如图2a,共12个测点。沿墙体厚度方向分别距墙体内表面0,120,260,500,740和1 000 mm处。W2墙体温度测点布置如图2b,共26个测点。高度方向位于中层蓄热风道中部(即距离室内地面以上1.5 m高度处),沿墙体厚度方向分别距墙体内表面0,120,260,500,740,1 000和1 100 mm处。墙内高度方向测点分别距通风管道中部50,250和450 mm,上下对称。W3墙体温度测点布置如图2c,共10个测点。沿墙体厚度方向分别距墙体内表面0,120,260,500和600 mm处。

室外环境数据测点布置在距W1正东方10 m处的开阔场地,温湿度测点和光照测点的水平高度均与温室内测点一致。试验数据采集时间为2015-12-31至2016-02-28,记录数据的时间间隔均为10 min。

a. W1

b. W2

2 结果与分析

2.1 温室室内太阳辐射照度对比分析

日光温室室内太阳辐射照度直接影响到温室白天(09:00~16:00,下同)的得热,尤其是后墙和土壤的蓄热,并进一步影响后墙和土壤的夜间(16:00~次日09:00,下同)放热情况。因此,对供试温室太阳辐射照度进行分析,是后续分析的前提和基础。

图3显示了典型晴天(2016-01-07 09:00~次日09:00)温室室内外太阳辐射照度的日变化。由图可知,3座供试温室室内的太阳辐射照度曲线变化趋势与室外基本一致。W1、W2、W3白天平均太阳辐射照度分别为150.4、156.5、152.8 W/m2,室外为340.5 W/m2。3座供试温室的平均太阳辐射照度差距不大。由此可知,在同一天气条件下,3座温室室内温度环境的差异不是由太阳辐射照度造成的。

2.2 典型天气温室内外气温比较

空气温度是反映温室保温性能的一个重要指标,特别是夜间的室内气温,直接反映了温室夜间的保温能力,对作物的生长状况有重要的影响。选取典型晴阴天,分析乌海地区3座日光温室的全天气温变化状况。

图4a显示了典型晴天(2016-01-07 09:00~次日09:00)的室内气温数据变化。由图4a可知,3座温室在晴天的室内气温变化趋势基本一致。夜间3座温室的室内气温缓慢降低,保温被揭开前达到最低。保温被揭开后3座温室的的室内气温迅速升高,上午10:00 W2的蓄热循环系统打开,其室内气温的上升速率变缓。下午14:00左右W1和W3的室内气温达到最高,之后开始降低,W2则在蓄热循环系统关闭(15:00)后的15:30达到最高。夜间W2的气温明显高于另外2座温室。计算分析可知,典型晴天(2016-01-07 09:00~次日09:00)条件下,室外的平均气温为-11.3 ℃,W1、W2、W3整日的平均气温分别为17.2、20.5、16.9 ℃,W2的平均气温比W1、W3分别高3.3、3.6 ℃。3座温室的夜间平均气温分别为13.7、17.0、12.8 ℃。由上述分析可知W2的夜间保温性能最好,平均气温比W1、W3分别高3.3、4.2 ℃。

图4b显示了典型阴天(2016-01-16 09:00~次日09:00)的室内气温数据变化。W2在夜间气温明显高于其他2座温室,保温被揭开时(2016-01-17 09:00)3座温室的室内气温分别为8.3、11.4、7.4 ℃。说明W1的固化沙蓄热后墙蓄热量大于砖墙,但W3的最高气温高于W1,说明聚苯板可有效隔绝白天热量的散失,下午16:00保温被关闭后,减少了热量散失,3座温室的气温都有所上升,后墙蓄积的热量也散发到温室中。3座温室的夜间平均气温分别为10.6、13.8、10.0 ℃,W2保温蓄热性能最好,比W1、W3分别高3.2、3.8 ℃。

a. 晴天

a. Sunny day

2.3 测试期间温室室内气温对比

为了更好地了解3座温室长期的室内气温变化,选取了2016-01-01至2016-01-27连续27 d的室内气温数据进行了总结分析(因为2016-01-28试验园区因停电导致主动蓄热风机未启动,故未采集到完整数据,所以选择共27 d数据进行分析)。具体数据见表1。

表1 测试期3座温室的室内气温分析

27 d的测试期内,W2的夜间的平均气温和最低气温均最高,且W2最低气温≤10 ℃的天数为0,可满足作物的生长需求。虽然W1的墙体厚度大于W3,但W3夜间平均气温(13.26 ℃)与W1(12.83 ℃)相差不大,说明聚苯板在夜间具有较好的阻止热量散失的作用,W1较厚的蓄热体也起到了相应的保温作用。

2.4 温室后墙温度对比分析

2.4.1 温室墙体不同深度的平均温度变化

图5分别选取了晴天(2016-02-10)和阴天(2016-02-20)的墙体温度数据。

1)晴天墙体温度对比分析

由图5a可知,W1在晴天条件下120 mm墙体温度最高为18.3 ℃,最低为15.1 ℃,最大温差为3.2 ℃,而260、500 mm深度处最大温差分别为2.2、0.6 ℃。随着深度的增加,墙体温度的波动幅度变小。但740 mm深度处的温差达到了6.0 ℃,说明W1墙体内部恒定温度区域处于500~740 mm之间,接近500 mm。根据李明等[30]提出的温波法蓄热体确定方法,W1的蓄热体厚度近500 mm,其中固化沙蓄热体厚度近380 mm。

W2墙体120、260、500、740、1 000 mm深度处的最大温差分别为6.1、5.5、2.9、1.5、8.6 ℃。500 mm处测点位于主动通风蓄热系统的通风管道内,故与W1相比有较大的温度波动。W2墙体内部的温度恒定区域处于740~1 000 mm之间,蓄热体厚度超过740 mm,其中固化沙蓄热体厚度超过了620 mm。与W1相比,W2的蓄热体厚度明显增大,墙体相同深度处的温度波动幅度也明显增大。这说明蓄热循环系统能使热量更加有效地蓄积到通风管道周边的蓄热体中。

W3墙体120、260、500 mm深度处的最大温差分别为2.6、2.4、5.6 ℃。W3墙体内部的温度恒定区域处于260~500 mm之间。蓄热体厚度和蓄热体温度波动幅度均较小。

2)阴天墙体温度对比分析

图5b反映了阴天3座温室的墙体温度情况,总体变化趋势与晴天相近。在120与260 mm深度处,W1白天的温度明显高于W2。而在500与740 mm深度处,由于蓄热循环系统未启动导致W2墙体内蓄积的热量未释放出,W2全天墙体的温度高于W1。W1墙体500 mm处的温度基本维持恒定,与晴天相比恒定的区域向墙体内侧偏移,说明阴天室内热量的减少使得蓄热体厚度随之减小。W1墙体740 mm处的全天温度处于0℃以下,没有聚苯板的有效隔热,墙体外侧的温度受到室外低温的影响较大,也导致了室内侧墙体与温室内部热量的严重流失。

2.4.2 W2墙体内部500 mm处不同高度温度变化

图6分别选取了晴天(2016-02-10)和阴天(2016-02-20)的W2墙体内部500 mm处不同高度温度的变化数据。

a. 晴天(2016-02-10)

a. Sunny day(2016-02-10)

b. 阴天(2016-02-20)

b. Cloudy day(2016-02-20)

注:“0”代表测点位于后墙500 mm深度处通风管道中部;“50 +”代表测点距0测点向上50 mm;“50 -”代表测点距0测点向下50 mm,余同。数据为每小时的平均值。

Note: “0” represents the measurement point in the middle of wind pipe at the 500 mm depth of the back wall, “50+” represents the measure point is up by 50 mm from “0”, “50-” represents the point is down by 50mm from “0”, others are the same. The data in the plot is the mean value of each hour .

图6 W2墙体500 mm处不同高度温度的变化

Fig.6 Variations of temperatures at different heights in W2 wall within 500 mm depth

图6a可知,晴天条件下,通风管道内部,即0处的温度波动幅度为2.9 ℃,向上50、250、450 mm处的温度波动幅度分别为1.6、1.0、0.5 ℃,而向下50、250、450 mm处的温度波动幅度分别为1.6、1.1、0.6 ℃,基本呈对称分布。而由图5a可知,W1 500 mm深度处的温度波动幅度为0.6 ℃,不属于蓄热体[30]。但对于W2来说,500 mm深度处,通风管道内部(直径100 mm)及管道外部上下各200 mm的高度范围内的墙体均属于蓄热体,说明主动蓄热系统增大了墙体的蓄热体积。由于温度的向上传递现象,W2墙体不同高度处的得热和散热存在差异,也导致了相同深度不同墙体高度在同一时刻墙体温度的差异。

图6b可知,阴天条件下,通风管道内部,即0处的温度波动幅度为2.8 ℃,向上50、250、450 mm处的温度波动幅度分别为1.0、0.8、0.5 ℃,而向下50、250、450 mm处的温度波动幅度分别为1.0、0.8、0.6 ℃,仍基本呈对称分布。与晴天相比,由于墙体得热量减少,阴天条件下的墙体整体温度较低,同时通风管道上下形成的蓄热体积明显减小。

3 讨 论

图5a反映出晴天W1墙体中的温度显著低于W3墙体中的温度,但图4的结果表明W1比W3的气温略高,这是因为固化沙墙体的热工性能较砖墙稳定,其热容大、墙体温度波动幅度低,而砖墙受温度的影响较大,升、降温较快。W1比W3的气温略高也说明固化沙墙体的保温蓄热能力较强,室内气温表现较稳定。W3后墙聚苯板的存在有效减少了温室热量的散失,故W3的气温与W1接近。但本文未具体研究固化沙的热工参数,包括密度、比热与传热系数等,下一步将进一步研究并阐述固化沙蓄热后墙日光温室的蓄放热机理。

W1与W2对比时,由于W1后墙外未安装聚苯板,不能充分说明W2蓄热循环系统的优越性,后期在W1后墙外安装同等规格的聚苯板后继续试验,进一步分析蓄热循环系统的蓄热效果。

W2与W1在120、260、500和740 mm深度处的温度差异较大,由图1b可知W2蓄热循环系统的通风管道位于墙内260~740 mm之间,晴天蓄热循环系统将白天室内的热空气通入蓄热体中,通风管道的存在增加了导热面积,从而提高墙体的蓄热能力。但蓄热循环系统有较大的改进空间,系统应根据温室内气温的情况进行主动的开启与关闭,而非定时控制。同时,蓄热循环系统的启动需要电力控制,供试温室的电力依靠市电,也受限于市电的供应,可考虑结合西北地区丰富的光照和风能资源发展光伏或风力发电来完善主动蓄热循环系统。通风管道的布置方案、管道直径与材质、风机通风量和蓄热体材料都会对蓄热量产生影响,需要进一步试验验证。

4 结 论

利用西北非耕地地区多沙这一地貌特征,本文提出了2种新型固化沙蓄热后墙日光温室。对2种温室的热工性能进行了测试,并与当地已有的普通砖墙温室进行对比分析,得出以下结论。

1)典型晴天(2016-01-07 09:00~次日09:00)条件下,固化沙主动蓄热后墙日光温室(W2)室内日平均气温较固化沙被动蓄热后墙日光温室(W1)和普通砖墙日光温室(W3)分别高3.3、3.6 ℃,典型阴天(2016-01-16 09:00~次日09:00)的夜间气温W2比W1、W3分别高3.2、3.8 ℃。

2)连续27 d的测试结果表明W2的室内气温状况最好,W2的平均气温比W1、W3分别高2.33、2.41 ℃,其中白天(09:00~16:00)平均气温比W1、W3分别高4.12、3.28 ℃,夜间(16:00~次日09:00)平均气温比W1、W3分别高3.26、3.69 ℃。

3)晴天条件下,W1的蓄热体厚度近500 mm,其中固化沙蓄热体厚度近380 mm。W2的蓄热体厚度超过740 mm,其中固化沙蓄热体厚度超过620 mm。W2墙体相同深度处的温度波动幅度较W1大。这是由于蓄热循环系统将白天携带热量的热空气蓄积入蓄热体中,提高了蓄热效率。

4)晴天条件下,W2墙体500 mm深度处,通风管道内部及其上下各200 mm的高度范围内的墙体均属于蓄热体,蓄热系统进一步增大了墙体的蓄热体积。与晴天相比,由于墙体得热量减少,阴天条件下的整体墙体温度较低,同时通风管道上下形成的蓄热体厚度明显减小。主动蓄热循环系统对墙体蓄热能力的改善有明显的提高。

因此,固化沙被动蓄热后墙日光温室(W1)与普通砖墙日光温室(W3)的热工性能相比优势并不明显,而固化沙主动蓄热后墙日光温室(W2)的热工性能优势明显,在西北多沙地区具有一定的推广实用价值。

[1] 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 J. of Agr. Sci., 2012, 28(4): 855-860. (in Chinese with English abstract)

[2] 张武锁,李连旺,温祥珍,等. 墙体填充材料对日光温室保温性的影响[J]. 内蒙古农业大学学报,2007,28(3):1-4.

Zhang Wusuo, Li Lianwang, Wen Xiangzhen, et al. Influence of felling materials in wall to heat perservation property of solar greenhouse[J]. Journal of Inner Mongolia Agricultural University, 2007, 28(3): 1-4. (in Chinese with English abstract)

[3] 罗旋,蔡忠杰,孙英玲,等. 高效节能日光温室墙体结构及保温性能的研究现状[J]. 农业科技与装备,2015(3):25-26.

Luo Xuan, Cai Zhongjie, Sun Yingling, et al. Research status of wall structure and insulation performance of high efficiency and energy saving sunlight greenhouse[J]. Agricultural Science & Technology and Equiment, 2015(3): 25-26. (in Chinese with English abstract)

[4] Tong Guohong, Christopher David M, Li Baoming. Numerical modelling of temperature variations in a Chinese solar greenhouse[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2009, 68(1): 129-139.

[5] 佟国红,王铁良,白义奎,等. 日光温室墙体传热及节能分析[J]. 农业系统科学与综合研究,2003,19(2):101-105.

Tong Guohong, Wang Tieliang, Bai Yikui, et al. Heat conduction through wall and energy saving in solar greenhouse[J]. System Sciences and Comprehensive Studies in Agriculture, 2003, 19(2): 101-105. (in Chinese with English abstract)

[6] 王军伟,洪忠举,郭世荣,等. 冬夏兼用型日光温室内热湿性能分析与应用效果[J]. 农业工程学报,2016,32(23):190-198.

Wang Junwei, Hong Zhongju, Guo Shirong, et al. Temperature humidity performance and application of solar greenhouse suiting for winter and summer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(23): 190-198. (in Chinese with English abstract)

[7] 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)

[8] 张立芸,徐刚毅,马承伟,等. 日光温室新型墙体结构性能分析[J]. 沈阳农业大学学报,2006,37(3):459-462.

Zhang Liyun, Xu Gangyi,Ma Chengwei, et al. Application of aerated concrete in salor greenhouse[J]. Journal of Shenyang Agricultural University,2006, 37(3): 459-462. (in Chinese with English abstract)

[9] 郭慧卿,李镇海,张振武,等. 日光温室北墙构造与室内温度环境的关系[J]. 沈阳农业大学学报,1995,26(2):193-199.

Guo Huiqing, Li Zhenhai, Zhang Zhenwu, et al. Simulation of the temperature environment for a solar greenhouse: mathematical model and program verification[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 1995, 26(2): 193-199. (in Chinese with English abstract)

[10] 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 Haishan, Liu Buzhou. Comprehensive study on the meteorological environment of the sunlight greenhouse: 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)

[11] 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)

[12] 白义奎,王铁良,姜传军,等. 外墙聚苯板复合墙体在日光温室中的应用[J]. 房材与应用,2002,30(1):27-29.

Bai Yikui, Wang Tieliang, Jiang Chuanjun, et al. Application of polystyrene panel insulated composite exterior walls in sun greenhouses[J]. Housing Materials & Applications, 2002, 30(1): 27-29. (in Chinese with English abstract)

[13] 白义奎,王铁良,李天来,等. 缀铝箔聚苯板空心墙保温性能理论研究[J]. 农业工程学报,2003,19(3):190-195.

Bai Yikui, Wang Tieliang, Li Tianlai, et al. The oretical research on heat preservation effect of hollowwall with polyphony board covered with alum inum foil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(3): 190-195. (in Chinese with English abstract)

[14] 柴立龙,马承伟,籍秀红,等. 北京地区日光温室节能材料使用现状及性能分析[J]. 农机化研究,2007(8):17-21.

Chai Lilong, Ma Chengwei, Ji Xiuhong, et al. Present situation and the performance analysis of the energy-saving material in solar greenhouse of beijing region[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2007(8): 17-21. (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. Wall material and the structure of an energy-saving solar greenhouse[J]. China Vegetables, 1992(6): 1-5. (in Chinese with English abstract)

[16] 陈超,果海凤,周玮. 相变墙体材料在温室大棚中的实验研究[J]. 太阳能学报,2009,30(3):287-293.

Chen Chao, Guo Haifeng, Zhou Wei. Experimental research of the composite phase change wall materials in greenhouse[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2009, 30(3): 287-293. (in Chinese with English abstract)

[17] 管勇,陈超,李琢,等. 相变蓄热墙体对日光温室热环境的改善[J]. 农业工程学报,2012,28(10):194-201.

Guan Yong, Chen Chao, Li Zhuo, et al. Improving thermal environment in solar greenhouse with phase-change thermal storage wall[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(10): 194-201. (in Chinese with English abstract)

[18] 凌浩恕,陈超,陈紫光,等. 日光温室带竖向空气通道的太阳能相变蓄热墙体体系[J]. 农业机械学报,2015,46(3):336-343.

Ling Haoshu, Chen Chao, Chen Ziguang, et al. Performance of phase change material wall with vertical air channels integrating solar concentrators[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(3): 336-343. (in Chinese with English abstract)

[19] 黄利,李建设,高艳明. 宁夏非耕地温室建设现状及对策研究[J]. 北方园艺,2013(13):45-50.

Huang Li, Li Jianshe, Gao Yanming, et al. Study on the Status and countermeasures of the greenhouse construction in ningxia non-cultivated land[J]. Northern Horticulture, 2013(13): 45-50. (in Chinese with English abstract)

[20] 蒋卫杰. 第二届绿洲论坛报告文集:西北非耕地高效开发利用现状与展望[C]. 兰州:甘肃人民出版社,2011.

[21] 王宏丽,邹志荣,周长吉. 西北地区设施园艺发展现状与对策探析[J]. 上海交通大学学报:农业科学版,2008(5):377-381.

Wang Hongli, Zou Zhirong, Zhou Changji. The Present status and measures discussion on protected horticuture in northwest China[J]. Journal of Shanghai jiaotong university (agricultural science ), 2008(5): 377-381. (in Chinese with English abstract)

[22] 张勇,邹志荣.一种主动采光及固化土自主蓄热后墙日光温室:103416261 [P]. 2013-12-04.

[23] 王昭,何斌,王宏丽. 阿拉善非耕地日光温室后墙土承载能力试验研究[J]. 农机化研究,2015(11):148-152.

Wang Zhao, He Bin, Wang Hongli. Research on carrying capacity of sandy backwall of solar greenhouses in non-cultivated land in alax[J].Agricultural Mechanization Research, 2015(11): 148-152. (in Chinese with English abstract)

[24] 张洁,邹志荣,张勇,等. 新型卵石蓄热墙体日光温室性能初探[J]. 北方园艺,2016(2):46-50.

Zhang Jie, Zou Zhirong, Zhang Yong, et al. Rerformance of heating storage gravel wall solar greenhouse[J]. Northern Horticulture, 2016(2): 46-50. (in Chinese with English abstract)

[25] 李驰,于浩. 固化风沙土强度特性及固化机制试验研究[J]. 岩土力学,2009,30(增刊2):48-53.

Li Chi, Yu Hao. Experimental studies of strength characteristics and solidified mechanism for solidified aeolian sandy soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(Supp.2): 48-53. (in Chinese with English abstract)

[26] 张勇,高文波,邹志荣. 日光温室主动蓄热后墙传热CFD模拟及性能试验[J]. 农业工程学报,2015,31(5):203-211.

Zhang Yong, Gao Wenbo, Zou Zhirong. Performance experiment and CFD simulation of heat exchange in solar greenhouse with active thermal storage back-wall[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(5): 203-211. (in Chinese with English abstract)

[27] 高文波,张勇,邹志荣,等. 主动采光蓄热型日光温室性能初探[J]. 农机化研究,2015(7):181-186.

Gao Wenbo, Zhang Yong, Zou Zhirong, et al. Preliminary Study on Performance in an Active Lighting and Heating Storage Type Solar Greenhouse[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015(7): 181-186. (in Chinese with English abstract)

[28] 张勇,邹志荣.一种蓄热后墙的日光温室:102630526 [P]. 2012-08-15.

[29] 杨建军,邹志荣,张智,等. 西北地区日光温室土墙厚度及其保温性的优化[J]. 农业工程学报,2009,25(8):180-185.

Yang Jianjun, Zou Zhirong, Zhang Zhi, et al. Optimization of earth wall thickness and thermal insulation property of solar greenhouse in Northwest China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(8): 180-185. (in Chinese with English abstract)

[30] 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. Thickness 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)

Thermal performance test of solidified sand heat storage wall in Chinese solar greenhouse

Bao Encai1, Zhu Chao2, Cao Yanfei1, Sun Yachen1, He Bin3, Mi Xin1, Zhang Yong1, Zou Zhirong1※

(1.,712100; 2.712100,; 3.712100,)

Solar greenhouse has been widely used in the north of China. Chinese solar greenhouse is made of north wall, east wall, west wall, front roof, back roof and heat preservation quilt. The main materials of north wall in traditional Chinese solar greenhouses are soil and brick. However, in the northwest of China, there are many non-cultivated lands with many sands instead of soil resources. In this research, we designed a new kind of north wall (W1) which was made of 2 layers of porous bricks and contained the solidified sands. The solidified sand was in the middle of W1 and the porous bricks were at the outside layers of the solidified sands. The wall thickness was 1000 mm, with 760 mm thick solidified sands and 240 mm thick porous bricks. In order to store more heat into the wall, a new active storage wall (W2) was also developed based on the W1. Compared with the W1, a sand-air heat transfer system was added with 2 axial flow fans and 3-layer air passages, and the air conduits were 80 m long, which was developed to store more heat. The thermal environmental properties of the 2 newly designed greenhouse walls were evaluated in Wuhai (39°39′N, 106°47′E), Inner Mongolia Autonomous Region, China, which were also compared with the local solar greenhouses with porous bricks and EPS (W3). During clear days (for instance, from 9:00 on January 7th, 2016 to the next 9:00), the average daily air temperature in W1, W2, and W3 was 17.2, 20.5 and 16.9 ℃, respectively with an average outside temperature of -11.3 ℃. The average night air temperature in W1, W2, and W3 was 13.7, 17.0 and 12.8 ℃, respectively, indicating that W2 had the best heat storage ability. During cloudy days (for instance, from 9:00 on January 16th, 2016 to the next 9:00), the average night air temperature in W1, W2, and W3 was 10.6, 13.8 and 10.0 ℃, respectively, indicating that W2 also had the best heat storage ability. In order to have a better understanding of the thermal properties of the 3 greenhouse walls, we selected the indoor temperature data of consecutive 27 days from January 1stto January 27th, 2016. During this period, the minimum average air temperature in W1, W2 and W3 was 10.48, 10.51 and 9.57 ℃, respectively. The daily average air temperature was 14.97, 17.30 and 14.89 ℃. Solar greenhouse wall was an important factor for maintaining greenhouse heat balance. Wall heat storage ability was important for the greenhouse performances. The distributions and changes of temperature inside the wall reflected the heat exchange process between the wall and indoor air and had great impacts on the indoor temperature in greenhouses. The internal constant temperature region of the wall W1 was between 500 and 740 mm, and the thickness of the thermal storage body was about 500 mm. For the solidified sand body, the effective thermal storage thickness was up to 380 mm. For the W2, the internal constant temperature region ranged from 740 to 1 000 mm, and the effective thermal storage body thickness exceeded 740 mm, among which, the effective thermal storage body thickness of the solidified soil exceeded 620 mm. For the W3, the effective thermal storage body thickness and temperature fluctuations were relatively smaller and the thermal storage capacity was also the smallest. Under sunny days, for the W2, the effective thermal storage body included the 500 mm thick wall body and the inside of the air tubes and their outside up to 200 mm, indicating that active heat storage fan system could significantly improve the wall heat storage capacities in greenhouses. Our results indicate that the new designed greenhouse wall W2 has some important application values.

greenhouse; temperature; walls; solidified sand; Chinese solar greenhouse; thermal storage body; thickness

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.024

S625.1

A

1002-6819(2017)-09-0187-08

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.024 http://www.tcsae.org

2016-10-22

2017-04-20

适合西北非耕地园艺作物栽培的温室结构与建造技术研究与产业化示范(201203002);国家大宗蔬菜产业技术体系(CAR-25-D-02)

鲍恩财,男,安徽合肥人,博士生,主要从事设施园艺工程方面的研究。杨凌 西北农林科技大学园艺学院,712100。Email:baoencai1990@163.com

邹志荣,男,陕西延安人,教授,博士,博士生导师,主要从事设施园艺方面的研究。杨凌 西北农林科技大学园艺学院,712100。 Email:zouzhirong2005@163.com

鲍恩财,朱 超,曹晏飞,孙亚琛,何 斌,米 欣,张 勇,邹志荣. 固化沙蓄热后墙日光温室热工性能试验[J]. 农业工程学报,2017,33(9):187-194.

Bao Encai, Zhu Chao, Cao Yanfei, Sun Yachen, He Bin, Mi Xin, Zhang Yong, Zou Zhirong. Thermal performance test of solidified sand heat storage wall in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 187-194. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.024 http://www.tcsae.org

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