日光温室墙体蓄放热层温度变化规律研究

佟国红 ，David M. Christopher

（1. 沈阳农业大学水利学院，沈阳110866； 2. 清华大学能源与动力工程系，北京100084）

0 引 言

对于越冬生产的温室来说，墙体在温室节能中起到非常重要的作用[1]。马承伟等[2]指出日光温室墙体对温室内环境的作用除了要阻止热量的散失，更重要的是夜间向室内释放白天蓄积的热量。此外，墙体夜间要能够持续不断地向温室内提供热量[3]。在选择、评价墙体时，Bastien和 Athienitis[4]研究表明对于吸热与放热在同一表面的热惯性大的物体不能用时间延迟及衰减系数来评价热性能，因为太阳能贮热墙的吸热、贮热及放热性能受到很多因素的影响[5]。重要的热参数不易获得，很难准确估计[6]。对于日光温室墙体，其传热是复杂环境条件下的非稳态过程，对其热性能做出准确定量的判断非常困难[2]，而以墙体夜间向室内放热效率评价墙体蓄放热性能是不全面的[7-8]，正确评价墙体的蓄放热性能，就需要进行热流量的计算，但是计算热流量的前提是计算温度场，也就是要确定墙体内部温度分布及变化，因此，研究日光温室墙体温度变化对于评价墙体的蓄热保温性能具有重要的意义。

在单一材料墙体温度的研究方面，陈端生等[9]根据墙体内温度变化情况，提出日光温室墙体从内侧到外侧由蓄热层、稳定层及保温层构成，其中蓄热层是指白天贮存太阳能、夜间向室内释放热量的温度波动层（本文后面用“蓄放热层”表示该波动层），稳定层指墙体温度变化很小的墙段，张志录等[10]]等众多学者在不同地点、对不同厚度土墙的温度测试研究中均发现在墙体厚度中间存在温度日变化幅度很小的稳定层区域。近年来专家学者关注日光温室墙体的蓄放热层定义、蓄放热层厚度的界定，目前确定方法是根据墙体内热量传递方向（指向墙体外侧或内测）[11]或根据室内侧墙体一天内温度波幅变化，比如波幅超过0.5[12]、0.2 ℃[13]等。白青等[13]详尽阐述了界定蓄放热层、稳定层、保温层之间的逻辑关系，指出墙体各点温度均高于室内日最低气温的这部分墙体厚度就是墙体蓄放热层厚度。可见，对于单一材料墙体，蓄放热层的定义及厚度还缺乏一致的结论，了解其内部温度变化规律是十分必要的。

对于复合材料墙体，Zhang等[14]研究表明墙体用复合墙在严寒及寒冷地区冬季节能十分显著，管勇等[15]指出通过节能量等指标还无法获得日光温室复合墙体最佳保温材料层厚度。确定复合墙体组成、分析其内部的蓄放热规律，还需要了解墙体的温度变化。温祥珍和李亚灵[16]测试砖混结构复合墙体温度，发现近室内0.2 m的墙体是影响室内温度的主要界面层；管勇等[17]研究表明日光温室三重结构墙体的室内侧墙体温度变化区厚度约为0.3 m；李明等[18]指出聚苯乙烯型砖复合墙在晴天的放热区域为0.3 m；鲍恩财等[19]试验表明多孔砖与苯复合墙晴天蓄放热层厚度为 0.26 m。在以上文献研究结果中，墙体蓄放热层厚度与测试地点、复合墙体的材料密切相关。Tong等[20]在复合材料墙体方面的研究表明墙体隔热材料层位置的设置也影响蓄热层内的温度分布。由于复合墙体温度影响因素较多，对其内部温度变化规律有待进一步研究。

单一材料墙体及复合墙体的蓄放热区域温度均表现出随时间、空间变化的特点，目前揭示这种变化特点的方法主要是通过现场测试，虽然相关的测试研究提供了直观的、有价值的墙体内部温度分布趋势，但是现场测试费工、费时，得出的结论依赖于测试仪器的布点、特定的温室结构以及现场的特定环境，缺乏普适性，况且通过目前的测试研究结果还无法梳理出统一的、规律性的结论。因此，本研究拟建立针对单一材料墙体的温度变化估算模型，探索单一材料墙体蓄放热层温度变化规律及相应的蓄放热层厚度；采用数值模拟的研究方法，探索复合墙体蓄热材料层的温度变化特点。

1 材料和方法

1.1 墙体方案

1.1.1 单一材料墙体方案

为了掌握目前常用厚重墙体的温度变化特点，本研究采用目前常见的4种厚重墙体作为单一材料墙体方案，分别为黏土砖墙、砾石墙、加草黏土墙及夯土墙。4种厚重墙体的材料热物性如表1所示。

表1 墙体材料热物性Table 1 Thermal properties for wall materials

1.1.2 复合墙体方案

日光温室复合墙体最小厚度为 0.44 m，最大厚度为1.08 m，大部分墙体厚度在0.50～0.70 m之间，以0.60 m厚度最为常见，多为砖苯复合墙[22]。本研究以黏土砖为蓄热材料层，苯板作为隔热层。

为探讨复合墙体蓄热层厚度内温度变化特点，对表 2所示的 2种墙体方案进行研究。对于复合墙体总厚度为0.60 m的方案（W1），4个墙体蓄热材料层厚度的选择是依据黏土砖的模数，分别为0.12、0.24、0.36及0.48 m；对于复合墙体总厚度分别为0.60 m和0.72 m的方案（W2），其中0.60 m厚墙体方案（W2-1）是佟国红等[23]测试的12 m跨度日光温室的现有复合墙体，在其外侧附0.12 m厚砖墙，墙体总厚度则由0.60 m增加到0.72 m（W2-2），本研究观察墙体总厚度变化时内侧蓄热材料层温度变化。

表2 复合墙体方案Table 2 Layered wall cases

1.2 墙体温度变化研究方法

1.2.1 单一材料墙体内温度变化估算模型

建立模型对单一材料墙体内部温度变化进行预测，首先需要墙体厚度的半无限大平板假设判断，然后通过求解平板内温度响应模型获得内部温度振幅变化规律，进而确定平板内温度衰减幅度及温度波动层厚度。

1）单一材料墙体半无限大平板假设

日光温室墙体表面受周期性温度波的作用，墙体内温度分布与半无限大平板相似。假设传热沿墙体厚度方向，根据Pitts和Sissom[24]，一维传热的有限厚平板看作半无限大平板需满足以下判据

式中x0为平板的半厚度，m；a为导温系数，m2/s；τ0为表面温度变化周期，h。

式中τ为时间，h；T(x0,τ)为τ时刻平板中心处的温度，℃；Ti为初始温度，℃；Ts为表面温度，℃。

同时满足式（1）和式（2），则该墙体（有限厚平板）可视为半无限大平板。

2）半无限大平板内温度响应求解模型

假设半无限大平板表面温度按余弦规律变化，周期为 24 h，求解半无限大物体内的温度响应所采用的求解模型为[25]

式中x为距表面的厚度，m；T指当时间为τ时在点x处与表面平均温度相比较的振幅，℃；Tω指当时间为τ时表面温度与表面平均温度相比较的振幅，℃；Tm表示表面温度的一级谐量振幅（零级谐量为表面的平均温度），℃。

3）半无限大平板内温度振幅及波长

由温度响应模型，可以求得平板内部温度变化及温度波波长。

距平板表面x（m）厚度处的温度振幅

平板内部温度波波长XL

4）半无限大平板内温度衰减幅度及温度波动层厚度平板内部温度振幅随厚度呈指数递减。令

则T1x和T2x是公式（5）T的波动范围曲线，且满足

距平板表面x（m）厚度处的内部温度振幅衰减成平板表面振幅1/δ（δ为大于1的整数）所需的厚度xδ[25]见式 （10）。

该模型假设墙体为一维传热、导温系数不变，因此可应用于符合半无限大平板假设的任何单一材料墙体。

1.2.2 复合墙体蓄放热层温度变化模拟分析

由于复合墙体的组成及传热特点不同于单一材料墙体，因此单一材料墙体内温度变化估算模型不能应用到复合墙体内的温度分析。日光温室墙体的传热是复杂的过程，很难确定非常理想和准确的模型[26]，因为要考虑墙体所在的整个温室系统的显热和潜热以及导热、对流和辐射传热过程。佟国红等[27-28]建立了包括温室本身及温室下面1 m深土壤的几何模型，以室外气象条件作为输入，考虑了导热、对流、辐射的传热机制，同时考虑了显热和潜热子模型，构建了求解日光温室温度的 CFD模拟模型并进行了试验验证。本研究采用上述模型，所采用的边界条件同文献[29-30]的晴天边界条件,采用2004年2月17日（晴天）23:00的温室温度测试值作为模拟初始条件，以2004年2月18日（晴天）00:00至次日08:00室外的空气温度、空气湿度、风速及太阳辐射作为模拟输入，用CFD技术求解，分析同一边界条件下日光温室各复合墙体内侧蓄热材料层温度变化。

2 结果与分析

2.1 单一材料墙体内温度变化分析

2.1.1 墙体半无限大平板判断

根据判断有限厚平板视为半无限大平板的条件，若同时满足公式（1）的最小厚度要求及公式（2）的温度分布要求，则单一材料墙体可视为半无限大平板。

1）墙体最小厚度判断

常见的单一材料墙体方案材料的导温系数及波长如表3所示。

由表3可知，砾石导温系数及波长均大于其他3种墙体材料，这是由于其导热系数及热容与其他 3种墙体材料相比数值较大，导温快且贮热多。根据表 3墙体材料的导温系数，并假设墙体表面温度变化周期为 24 h，则根据公式（1）可得到4种常见的单一材料墙体看作半无限大平板时所需的最小墙体厚度，黏土砖墙 1.38 m、砾石墙2.02 m、加草黏土墙1.44 m及夯土墙1.60 m。目前测试的厚重土墙厚度都大于1.60 m。

表3 墙体材料导温系数及波长Table 3 Thermal diffusivity and wavelength for various wall materials

2）墙体温度分布判断

若各时刻墙体中间的温度与初始温度相等，则有

根据公式（2），可得

文献[10-13]在测试研究中所发现的墙体厚度中间存在温度日变化幅度很小的稳定层，符合式（11）假设，进而得到式（12）的结果，符合有限厚平板视为半无限大平板判断中式（2）的要求。

可见，目前温室中所采用的厚重土墙满足式（1）的最小厚度要求及式（2）的温度分布要求，可视为半无限大平板。

2.1.2 单一材料墙体内温度变化及温度波动衰减

1）沿土墙厚度温度变化的估算与验证

依据本研究建立的单一材料墙体温度估算模型，输入墙体材料导温系数及表面温度振幅，就可以预测墙体内的温度变化。白青等[13]测试的土墙厚度为3.3 m且内部存在温度稳定层，符合式（1）的最小厚度要求及式（2）的温度分布要求，可视为半无限大平板。由模型估算的土墙不同厚度温度振幅与白青等[13]的土墙测试结果对比如表4所示。

表4 土墙体不同厚度温度振幅Table 4 Temperature variation amplitudes at various earthen wall thickness

由表 4可知，在墙体同一厚度处模型估算值与实际测试值对比，除20、30 cm厚度处二者振幅对比值相差较大外，其他位置二者吻合很好，说明模型能够很好地预测墙体内的温度变化。对现有墙体内部温度进行测试时，需要将现有墙体沿厚度打孔布点，再回填土，回填土与原状土要尽可能一致，而且保证温度传感器测点位置精确。如果土墙内的温度按模型假设的规律衰减，那么20、30 cm厚度处的测试值可能受到现场测试不确定因素影响。采用模型估算就可以避免现场测试中存在的不确定性因素，此外，由于模型假设墙体材料导温系数不变，因此该模型可用于估算任何符合半无限大平板假设的单一材料墙体内的温度变化。

2）单一材料墙体内温度变化特点

墙体内部的温度分布受到墙体材料的导温系数影响，黏土和砾石导温系数不同，为探寻 2种材料墙体内的温度变化特点，假定二者表面温度振幅按15、10、5 ℃变化，由公式（7）和（8）计算得到的墙体温度变化轮廓线（温度振幅波动渐近线）如图1所示。

图1 墙体不同表面温度振幅下黏土砖墙和砾石墙沿墙厚温度波动Fig.1 Wall temperature variation along thickness for brick wall and gravel wall under different wall surface temperature amplitudes

图 1曲线代表单一材料墙体内温度传播时温度振幅的轮廓。由于砾石导温系数大于黏土砖导温系数，相同的表面温度振幅条件下，砾石墙内温度变化传播的速度快于黏土砖墙，表面振幅 15℃时，墙体内部温度振幅达到0.1 ℃时二者厚度差0.25 m；表面振幅5 ℃时，二者厚度差达到 0.20 m；同种材料墙体，表面振幅越大，达到同样内部振幅波动时的厚度越大，黏土砖墙表面振幅从5 ℃增加到15 ℃时，内部振幅达到0.1 ℃时所处的墙厚从0.42 m增加到0.54 m。

3）单一材料墙体内温度波动衰减

墙体内部温度振幅随厚度呈指数递减，由公式（10）计算各方案墙体内部温度振幅衰减到墙体内表面温度振幅不同倍数时，所需要的墙体厚度如表5所示。

“我也要亲一下那个白大褂衣襟上总爱插一朵花的护士！”恭建兵一蹦三尺高，将随身携带的军用水壶敲得当当作响，“我都想了好长时间！”

由表5可知，对于4种墙体方案，当内部温度振幅衰减到墙体内表面温度振幅相同倍数时，砾石墙所需的墙体厚度最大，夯土墙次之，黏土砖墙所需厚度最小。若夯土墙内表面振幅为14 ℃，墙体内温度振幅缩减到表面温度振幅的100倍（0.14 ℃），由表5可知所需厚度为0.58 m，与表4中白青等[13]测试结果接近。因此，模型中的公式（10）是根据墙体温度变化确定墙体蓄放热层厚度的重要参考，对于选择墙体新的蓄热材料及厚度尤为重要。

表5 单一材料墙体内温度衰减对应的墙体厚度Table 5 Wall thickness for temperature variation amplitude reduction inside walls for single material wall cases

2.2 复合墙体蓄放热层温度变化

2.2.1 墙体总厚度相同蓄热材料层厚度不同（W1）

为了比较墙体总厚度（0.6 m厚）相同而蓄热材料层厚度不同时的墙体温度变化特点，选取典型时间点从08:00至次日04:00每隔5 h的时间点，观察W1-1至W1-4墙体方案晴天内部温度分布，如图2所示。

图 2显示墙体总厚度相同但蓄热材料层厚度不同时，相同的边界条件下各方案墙体蓄热材料层内的温度变化不同，W1-1方案（图2a）的墙体内表面温度在18:00、23:00及第2天04:00高于其他墙体，这与Ohanessian和Charters[31]的不同厚度蓄热墙体内的温度分布特点结论一致，原因是隔热层内侧墙体薄，白天内表面受热使其升温快，而其他厚度大的蓄热材料层内的热量向墙体深处传递。早晨08:00揭帘前，W1-1方案（图2a）的墙体近室内0.1 m一段墙体均温与其他3个墙体相比较低，说明蓄热材料层0.12 m厚蓄积的热量在早晨揭帘前作为热贮备略显不足。

图2 还显示由于蓄热材料层厚度不同，距墙体内表面相同厚度处温度波动不同。由图2b至图2d可知，在0.24 m厚度处，W1-2、W1-3、W1-4各方案的墙体温度波动值分别为 2.7、1.4、1.1 ℃；在 0.36 m厚度处，W1-3、W1-4的墙体温度波动值分别为0.8、0.3 ℃。可见同一厚度处，因墙体隔热层前蓄热材料层的厚度不同，导致距表面同一厚度处温度波动不同，这也是复合墙体不能用单一材料墙体温度变化估算模型的原因，由此可见，与单一材料墙体相比，隔热层的设置改变了复合墙体内的温度分布，蓄热材料层的厚度越大、温度衰减越快。

W1-4方案从距墙内表面0.4到0.48 m墙段不同时刻温度波动最大差值约为0.2 ℃，各点温度变化很小，通过与图 1比较可知，复合墙体较厚的蓄热层比同材料单一材料墙体略早进入温度稳定层区域。

2.2.2 墙体总厚度不同蓄热材料层厚度相同（W2）

为了观察蓄热材料层厚度相同而墙体总厚度不同（0.60和0.72 m）时墙体内部的温度变化，W2-1和W2-2方案在晴天08:00至次日04:00每隔5 h墙体内部温度分布，如图3所示。

图3 0.6 m厚及0.72 m厚复合墙体方案中蓄热材料层内温度随时间变化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

图3 中W2-2（图3b）复合墙体内表面及内部温度始终高于W2-1（图3a）复合墙体，前者的蓄热材料层平均温度与后者相比最大差值为 1.7 ℃（13:00），最小差值为1.3 ℃（23:00和第2天04:00）。由此可见，增加墙体厚度则提高了内侧墙体的温度，在关于墙体厚度影响的数值模拟中，李小芳和陈青云[32]将纯砖墙厚度从0.12 m增加到0.84 m（每次增加0.12 m），提高了空气温度及墙体均温；将0.24 m砖墙+0.10 m聚苯板+0.12 m砖墙的复合墙外部0.12 m砖墙厚度分别增加到0.24、0.36 m，室内平均空气温度由13.8 ℃增加到13.9、14 ℃，可见，增加墙体厚度可以提高墙温和室内气温。李明等[33]将原有对照温室的复合墙（0.12 m砖墙+0.10 m聚苯板+0.24 m砖墙）的外部0.24 m砖墙后面加了一层0.2 m厚的发泡水泥，使墙体总厚度由对照温室的0.46 m增加到0.66 m，显著提高了晴天温室内侧墙体的温度。图 3的模拟结果与上述文献模拟和测试的结果一致。此外，从图 3的墙体内侧蓄热材料层温度分布可知，在墙体外侧增加墙厚，内侧墙体温度升高而各厚度处温度振幅没有明显变化。与图 2对比，可以看出通过墙体内部温度衰减确定复合墙体的蓄热材料层厚度时，绝热层的位置起到关键作用而墙体的总厚度对其影响较小。

3 结 论

本文建立了单一材料墙体的温度变化估算模型，采用前期验证的CFD模型分析了复合墙体蓄热材料层的温度变化特点，具体结论如下：

1）建立了单一材料墙体的温度变化估算模型。对于满足半无限大平板假设的墙体，可以求出墙体内部任一厚度处的温度值、确定出内部温度与表面温度相比温度波动缩减的幅度及所处的墙体厚度，从而确定蓄放热层厚度。估算的夯土墙内部温度变化及蓄放热层厚度与现有文献测试值对比，吻合较好。

2）对于单一材料墙体，内部温度变化受到墙体材料物性及表面温度变化的影响。砾石导温系数较大，则砾石墙内温度变化传播的速度快于导温系数较低的其他墙体；墙体表面温度振幅越大，内部温度波动厚度越大，黏土砖墙表面振幅由 5 ℃增加到 15 ℃，内部振幅达到0.1 ℃时所处的厚度从0.42 m增加到0.54 m。

3）复合墙体总厚度相同但蓄热材料层厚度不同时，蓄热材料层越厚，内部温度衰减越快。距墙体表面 0.24 m时，蓄热材料层厚度分别为0.24、0.36及0.48 m的墙体温度波动值分别为 2.7、1.4、1.1 ℃。此外，与同材料单一材料墙体相比，复合墙较厚的蓄热材料层略早进入准稳态。

4）0.72 m 和0.60 m厚复合墙体室内侧具有相同的0.36 m厚蓄热材料层，前者蓄热材料层内部温度始终高于后者，但各厚度处温度振幅没有明显变化。根据墙体内部温度衰减确定复合墙体的蓄热材料层厚度，绝热层的位置起到关键作用。

墙体内温度变化受多因素的影响，除了与墙体厚度、墙体材料及构筑方法等墙体自身因素有关外，还受到室外温度、太阳辐射等气候条件的影响，以上因素导致了单一材料墙体的蓄放热层厚度不同、复合墙体内的蓄热材料层温度变化及分布不同。本研究在理论上探索了单一材料墙体、复合墙体的蓄热材料层温度变化规律及影响因素，在此研究基础上期待下一步综合气候条件、温室建筑尺寸及构造方法、围护结构材料等因素，研究墙体蓄热层厚度的变化规律及影响因素，进而为温室墙体厚度的设计提供直接技术支持。