日光温室复合相变蓄热墙体热工性能实验与评价

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在低温环境中,植物的酶易失活,光合作用速率下降、蒸腾速率下降、生长发育受阻,甚至死亡,所以温度是植物生存的最为重要的环境条件之一。日光温室是以太阳能为主要能源来源,太阳能利用率的高低直接决定温室环境的温度状况。日光温室墙体是确保射入温室内太阳能被有效利用的重要部件,集吸热、蓄热、保温于一体,尤其北墙的蓄放热能力对控制温室的热环境起着极其重要的作用。因此,如何充分利用太阳能资源、提高墙体蓄热保温性能,研发新型的日光温室墙体材料,构筑科学合理的温室墙体结构,是当今中国设施农业工程的重要研究课题之一。  本研究以日光温室墙体为重要研究对象,以改善日光温室微气候环境、提高太阳能和土地利用率为目的,基于日光温室墙体传热机理和墙体材料的热阻与热容特性,以前期本课题组10年来开展的有关日光温室热环境特性以及相变蓄热墙体材料的研究为基础,提出日光温室新型被动式相变蓄热“三重”结构墙体(即复合相变蓄热墙体:外侧为热阻大的保温材料、内侧为比热容大、蓄热性能好的相变材料、中间为兼具结构承重和蓄热性能的砌块砖)。并为验证其在实际日光温室中的应用效果,该研究在北京某郊区蔬菜基地搭建了实际尺寸的试验台,将该构筑方式的墙体应用在北京某郊区温室中进行对比试验,于2011年10月11日至2012年3月14日间,跟踪分析作物全生长周期的形态(株高、茎粗)、果实形态(色泽、横径、纵径)和最终产量(产果数目、产果重量、温室单位面积产量)的差异,验证“三重”结构墙体的对温室作物生长和果实品质的改善效果。  根据试验研究结果,结合农业小气候学、相变贮能、以及建筑热物理学理论,从北墙内壁面温度、耕作层土壤温度、有效积温、墙体日有效蓄热量、墙体日有效净供热量等方面,提出完整的日光温室被动式相变蓄热“三重”结构墙体热工性能评价指标,定量评价和分析了“三重”结构墙体热工性能对日光温室热环境的影响。分析结果表明:应用了相变蓄热墙体材料的“相变温室”与普通温室比较,“三重”结构墙体日有效蓄热量净增18%、墙体日有效放热量净增20%、墙体有效蓄热时间增加3h。可见日光温室被动式相变蓄热“三重”结构墙体构筑方式,在提升自身热工性能的同时,可有效改善日光温室冬季作物生长热环境、显著提高作物的生产品质和产量。同时,通过模拟手段分析了试验工况下温室各围护结构的热特性和传热规律,并对其他围护结构进行了整体优化,优化结果表明:通过对前、后坡热工性能的优化可使夜间室内空气温度提升1.6℃,供暖季累积积温增加19%。本研究可为现代日光温室结构优化设计提供理论基础和设计方法参考,为现代设施农业的低能耗、高产出提供新途径,同时也为新农村建设提供参考。
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