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墙体蓄热性能争霸赛 看谁是温室的贴心“暖宝宝”

信息来源:   浏览次数:309   发布时间:2019-03-20

日光温室是一个体形系数很大的设施农业建筑,温室的建筑墙体构造方式及其建筑材料热物性等都直接影响墙体保温与蓄热特性乃至温室热环境。该研究基于课题组研发的 GH-20 相变材料,以传统墙体、被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体、主-被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体为比较研究对象,结合实测结果,分析比较了墙体构筑方式、材料热物性等因素对日光温室墙体热性能的影响规律。研究结果表明,较传统墙体,被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体、主-被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体的表面温度夜间明显高于传统墙体,早晨保温被开启时相差最大,为 3.0℃;传统墙体中间层温度变化幅度最小,主-被动式墙体中间层的温度变化幅度明显提高,最大为 14.4℃、最小为 2.2℃、平均为 7.5℃,中间墙体层的显热蓄热“热库”作用显现;夜间,被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体、主-被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体的放热量分别提高了 103% 和 118%,其中 51%的放热量在后半夜(2:00~10:00)释放,有效地改善了夜间温室热环境,相变材料的“热量开关”作用显现。


引言


随着全球人口不断增长,保障粮食供应成当前的重要课题。日光温室是中国独创且适合国情的一种设施农业建筑。从 20 世纪 80 年代发展至今,已成为中国广大北方地区冬季“反季节”蔬菜作物生产的重要设施,对保证城镇居民“菜篮子”安全、改善民生等起到了积极作用。日光温室是一个体形系数很大的设施农业建筑,以太阳能为主要资源,利用温室效应改善冬季蔬菜种植环境。其建筑空间由墙体(北、东、西墙体)、后屋面、前屋面(薄膜、保温覆盖物等)、土壤地面等围护结构构成。日光温室的建筑空间几何尺寸、墙体构造方式及其建筑材料热物性等,都直接影响温室的光照特性、保温与蓄热特性、环境的调控能力,它们互相影响、互相制约。日光温室建筑墙体,特别是北墙体集太阳能集热、蓄热、保温于一体,其建筑热工性能直接影响温室热环境的营造,是日光温室被动利用太阳能为温室增温、夜间维持温室作物生长必要热环境的重要“加热元件”。大量实测结果表明,通过日光温室前屋面薄膜进入到温室内的太阳辐射,其中的 1/3 投射到日光温室北墙体表面。当温室长度一定,北墙高度则决定了其可被太阳能照射的面积,进而也影响了其集热与蓄热性能。因此,北墙体良好的保温性能和蓄热性能是提高日光温室太阳能利用率的重要保证。白义奎 、陈端生 、周长吉 等学者进行了日光温室墙体构筑方式的研究,发现任何单一材料墙体的蓄放热性能均低于复合异质墙体,且复合异质墙体还具有厚度小、节省材料的优点。

佟国红 、马承伟 等也对不同保温材料的复合异质墙体进行了研究,确定合理的墙体是以内侧为砖、外侧为聚苯板。随着相变蓄热材料的出现,陈超 、王宏丽 等也分别提出不同构筑形式的相变材料墙体,并得到了较好的结果。实际上,日光温室墙体的保温性能和蓄热性能,不但与墙体的构筑方式直接关联,同时还受墙体材料热物性的影响。为此,该研究试图通过对被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体、太阳能主 - 被动式相变蓄热“三重”墙体构筑方式及其热性能的比较研究,研究墙体构筑方式、材料热物性对日光温室墙体热性能的影响规律,以期为日光温室墙体热性能提升及其优化设计提供参考。


日光温室墙体热工性能分析


如图 1 所示,白天日光温室保温覆盖物被卷起,太阳辐射直接照射到(北)墙体内表面,太阳热能被墙体内表面吸收,并通过热传导的方式向墙体内部传递,将太阳能储存在墙体内部;随着墙体内表面温度不断升高,当高于温室内环境温度时,墙体内表面以自然对流换热方式加热温室空气,同时以辐射换热方式加热温室土壤及其他墙体;由于温室内表面温度高于室外环境,墙体内表面储存的热量同时会通过墙体外表面,以自然对流换热和辐射换热方式向室外环境散热。显然,日光温室墙体内表面材料蓄热能力越强,吸收和储存投射在其上太阳辐射的能力越强,夜间向温室内反向释放热量的能力也越强;同时,墙体外表面材料的热阻越大、保温能力越好,通过温室墙体流向外部环境的热损失也将越小。

表征日光温室墙体热工性能的指标通常有墙体热阻 R、墙体材料比热容 Cp、墙体材料蓄热系数 S、墙体热惰性指标 D、墙体温度、墙体有效蓄热量、日蓄热量和日放热量等。墙体热阻表征墙体结构本身阻抗传热能力的物理量,也可表述为热量从墙体材料层的一侧传至另一侧所受到的总阻抗大小,反映墙体材料层对热流波的阻抗能力;墙体材料的比热容表示单位质量的材料,在温度升高或降低 1℃时所需吸收或放出的热量,表征了墙体材料容纳或释放热量能力的物理量,若要提高温室墙体的蓄热能力,选用比热容大的墙体材料是关键;墙体材料的蓄热系数表示墙体层一侧受到谐波作用时,墙体表面温度将按照同一周期波动,通过墙体表面热流波幅与表面温度波幅的比值,该值越大表明墙体材料的热稳定性越好。墙体热惰性指标是墙体热阻及材料蓄热系数的乘积,可综合表征墙体保温和蓄热能力。

实际上,日光温室墙体的保温性能与蓄热性能直接受建筑材料热物性的影响。保温问题主要与材料的导热系数有关,也即与墙体的热阻关联;而蓄热问题则与材料的比热容、密度等参数关联,即与墙体的热容关联,两者呈现的物理意义是不一样的。保温性能好的材料,往往是导热系数小、密度小的轻质材料,蓄热能力弱,如聚苯板、加气混凝土等;而显热蓄热能力强的材料,通常是密度大且比热容尚可的重质材料,但保温性能一般,如黏土砖、黏土等。因此,根据建筑热工理论,最好是将蓄热能力强的潜热储能材料(如相变材料)放置在日光温室墙体内表面层,以确保可高效接收和储存投射其上的太阳辐射能;将热阻大、保温性能好(如轻质聚苯板)的材料放置在日光温室墙体外表面层,以最大限度减小通过墙体外表面流失到室外环境的热损失;将蓄热能力强的显热储能材料(如重质砌块砖)放置在日光温室墙体中间层,在进一步提升墙体总体蓄热能力的同时兼顾墙体的结构受力。


两种不同日光温室墙体构筑方式及其热性能比较


墙体构筑方式

◆被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体

相变材料是指在温度不变的情况下,通过改变物理状态过程(固-固、固-液、固-气)的相变过程,吸收或释放大量潜热的材料,其当量比热容大,属于功能性材料。所谓被动式蓄热,是指以不使用机械设备为前提的蓄热。图2即为被动式太阳能相变蓄热墙体构筑示意图,其构筑形式如上节“日光温室墙体热工性能分析”所述,在温室北墙体内侧采用当量比热容大、潜热值高的相变材料,以被动式潜热蓄热方式最大效率吸收和蓄存投射在墙体表面的太阳光热能;在墙体外侧采用热阻大的轻质保温材料,以最大化减小通过墙体流向室外环境的热损失;墙体中间层采用密度大的重质材料,在提高墙体整体显热蓄热能力的同时,还可兼顾墙体结构承重受力。

与常见的厚土质墙体、砖墙外加保温的温室墙体构筑方式比较,其特点是:①冬季有效日照射时间通常是10:00~14:00,墙体内表面温度在中午前后达到最高,约为35℃,无论是土质墙体还是砖墙,都是属于显热蓄热方式,墙体蓄热量随着其表面温度的升高近似线性增大,而14:00以后,随着太阳辐射强度的迅速减弱,墙体内表面温度也随之下降,相应的墙体蓄热量也以单调线性下降的规律向外释放,大多是上半夜前几乎释放殆尽;②被动式太阳能相变蓄热墙体,充分发挥了相变材料可在近似恒温条件下以潜热蓄热方式脉冲式非线性蓄积太阳能的功能性材料特点,当相变材料的相变温度与日光温室应用相匹配时,即可在有效日照时间段内有效蓄热,在温室环境温度较低也即与墙体表面温度相差较大时才大量释放热量,相变材料同时起到了热量“开关”的作用。

表1为研究团队在乌鲁木齐地区建设的示范温室的被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体(北墙体)热物性特性参数值,与同条件下砖墙+外保温构筑方式墙体的比较结果。被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体内表面采用了研究团队研发的GH-20相变材料,墙体外表面采用聚苯板,墙体中间层采用重质水泥砌块砖。

从表1中可以看出,不同热物性材料对墙体热性能的不同影响:相变材料的比热和蓄热系数远大于砌块砖和保温材料的,相变材料超强的蓄热性能突显;而保温材料的导热系数远小于相变材料和砌块砖,保温材料的热阻特性突显,100 mm保温板热阻是560 mm砖墙热阻的4倍。

然而,大量分析结果表明,虽然被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体较一般砖墙+外保温构筑方式墙体的蓄热性能有了明显提升,但由于冬季一天的太阳日照时间有限,照射在墙体内表面的太阳辐射可影响墙体内部深度有限,加之受墙体传热性能的影响,即使在墙体内表面采用了相变材料,投射在墙体内表面的太阳能向墙体内部传递的深度难以超过200 mm,即使是700 mm的厚墙体也同样,如图3所示。由于太阳能沿墙体厚度传递的深度有限,直接抑制了墙体中间层显热蓄热能力的发挥,限制了墙体总体蓄热能力的提升。为此,课题组提出了主-被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体构筑方式。

◆主-被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体

所谓主-被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体构筑方式是在被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体中间层(图2)中沿温室长度方向加设了多条竖向空气通道,竖向空气通道的间距可为1.8~2.5 m;在墙体顶部安装太阳能空气集热器;利用管道将太阳能空气集热器与墙体内竖向空气通道连接,形成主动式太阳能显热蓄热通风系统(图4)。白天,通过风机将太阳能空气集热器加热的空气送入竖向空气通道,热空气通过与竖向空气通道壁面的强迫对流换热将太阳能传递给中间墙体层,换热后的低温空气通过管道再循环进入太阳能空气集热器加热,周而复始不断加热。中间墙体内的竖向空气通道可以采用重质空心砌块砖砌筑,利用其空心气孔形成自然的竖向空气通道,余下的空心气孔可用碎石土填实。

需要指出的是:①由于主-被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体的基本构成同被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体,因此其热物性参数值同表1;②由于主-被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体可以利用管道将太阳能空气集热器与墙体内竖向空气通道连接,通过主动方式将太阳能蓄积在中间墙体层内,有效发挥中间墙体层的显热蓄热能力,全面提升墙体的潜热和显热蓄热能力。


热性能比较


◆墙体内表面温度

图5反映了传统墙体、被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体(以后简称“被动式墙体”)、主-被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体(以后简称“主-被动式墙体”)不同构筑方式条件下,其内表面温度随时间变化规律。实测结果表明,较传统墙体,虽然3种墙体的保温层厚度同样,但被动式墙体、主-被动式墙体的表面温度夜间明显高于传统墙体的,早晨保温被开启时相差最大,为3.0℃。

◆墙体内部温度变化幅度

图6反映了3种不同构筑方式墙体沿其墙体厚度方向温度变化规律。实测结果表明,传统墙体中间层温度变化幅度最小,说明墙体显热蓄热能力没有得到发挥;被动式墙体中间层温度变化幅度较传统墙体有改善,但仍然有限;主-被动式墙体中间层的温度变化幅度明显提高,最大为14.4℃、最小为2.2℃、平均为7.5℃,基本消除了图3中提到的温度稳定区,中间墙体层的显热蓄热“热库”作用显现。

◆墙体蓄放热量

图7反映了3种不同构筑方式墙体蓄/放热量随时间的变化规律。实测结果表明,与传统墙体比较,蓄热阶段(白天),被动式墙体的蓄热量提高了21.5%,主-被动式墙体的蓄热量提高了53.7%,墙体的“热库”作用凸显;放热阶段(夜间),被动式墙体和主-被动式墙体的放热量分别提高了103%和118%,其中51%的放热量在后半夜(2:00~10:00)释放,有效地改善了夜间温室热环境,相变材料的“热量开关”作用显现。


结论


该研究基于课题组研发的GH-20相变材料,结合实测结果,分析比较了墙体构筑方式、材料热物性等因素对传统墙体、被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体、主-被动式太阳能相变蓄热“三重”墙体热性能的影响规律。形成以下研究结果:

(1)根据建筑热工理论以及材料热物性,相变材料具有较大的比热和蓄热系数,可显著提高墙体的热惰性指标;保温板具有较小的导热系数,可显著增加墙体的保温性能。日光温室墙体内表面层宜采用潜热蓄热能力强的储能材料,如相变材料,以确保墙体表面高效接收和储存投射其上的太阳辐射能;外表面层宜采用热阻大保温性能好的轻质材料,如轻质聚苯板,以最大限度减小通过墙体外表面流失到室外环境的热损失;中间层宜采用显热蓄热能力强的储能材料,如重质砌块砖,以进一步提升墙体总体蓄热能力、同时兼顾墙体的结构受力。

(2)较传统墙体,虽然3种墙体的保温层厚度同样,但被动式墙体、主-被动式墙体的表面温度夜间明显高于传统墙体,早晨保温被开启时相差最大,为3.0℃。

(3)传统墙体中间层温度变化幅度最小,说明墙体显热蓄热能力没有得到发挥;被动式墙体中间层温度变化幅度较传统墙体有改善,但仍然有限;主-被动式墙体中间层的温度变化幅度明显提高,最大为14.4℃、最小为2.2℃、平均为7.5℃,基本消除了图3中提到的温度稳定区,中间墙体层的显热蓄热“热库”作用显现。(4)夜间,较传统墙体,被动式墙体和主-被动式墙体的放热量分别提高了103%和118%,其中51%的放热量是在后半夜(2:00~10:00)释放的,有效地改善了夜间温室热环境,相变材料的“热量开关”作用显现。

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