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墻體蓄熱性能爭霸賽 看誰是溫室的貼心“暖寶寶”

信息來源:   瀏覽次數:83   發布時間:2019-03-20

日光溫室是一個體形系數很大的設施農業建筑,溫室的建筑墻體構造方式及其建筑材料熱物性等都直接影響墻體保溫與蓄熱特性乃至溫室熱環境。該研究基于課題組研發的 GH-20 相變材料,以傳統墻體、被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體、主-被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體為比較研究對象,結合實測結果,分析比較了墻體構筑方式、材料熱物性等因素對日光溫室墻體熱性能的影響規律。研究結果表明,較傳統墻體,被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體、主-被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體的表面溫度夜間明顯高于傳統墻體,早晨保溫被開啟時相差最大,為 3.0℃;傳統墻體中間層溫度變化幅度最小,主-被動式墻體中間層的溫度變化幅度明顯提高,最大為 14.4℃、最小為 2.2℃、平均為 7.5℃,中間墻體層的顯熱蓄熱“熱庫”作用顯現;夜間,被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體、主-被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體的放熱量分別提高了 103% 和 118%,其中 51%的放熱量在后半夜(2:00~10:00)釋放,有效地改善了夜間溫室熱環境,相變材料的“熱量開關”作用顯現。


引言


隨著全球人口不斷增長,保障糧食供應成當前的重要課題。日光溫室是中國獨創且適合國情的一種設施農業建筑。從 20 世紀 80 年代發展至今,已成為中國廣大北方地區冬季“反季節”蔬菜作物生產的重要設施,對保證城鎮居民“菜籃子”安全、改善民生等起到了積極作用。日光溫室是一個體形系數很大的設施農業建筑,以太陽能為主要資源,利用溫室效應改善冬季蔬菜種植環境。其建筑空間由墻體(北、東、西墻體)、后屋面、前屋面(薄膜、保溫覆蓋物等)、土壤地面等圍護結構構成。日光溫室的建筑空間幾何尺寸、墻體構造方式及其建筑材料熱物性等,都直接影響溫室的光照特性、保溫與蓄熱特性、環境的調控能力,它們互相影響、互相制約。日光溫室建筑墻體,特別是北墻體集太陽能集熱、蓄熱、保溫于一體,其建筑熱工性能直接影響溫室熱環境的營造,是日光溫室被動利用太陽能為溫室增溫、夜間維持溫室作物生長必要熱環境的重要“加熱元件”。大量實測結果表明,通過日光溫室前屋面薄膜進入到溫室內的太陽輻射,其中的 1/3 投射到日光溫室北墻體表面。當溫室長度一定,北墻高度則決定了其可被太陽能照射的面積,進而也影響了其集熱與蓄熱性能。因此,北墻體良好的保溫性能和蓄熱性能是提高日光溫室太陽能利用率的重要保證。白義奎 、陳端生 、周長吉 等學者進行了日光溫室墻體構筑方式的研究,發現任何單一材料墻體的蓄放熱性能均低于復合異質墻體,且復合異質墻體還具有厚度小、節省材料的優點。

佟國紅 、馬承偉 等也對不同保溫材料的復合異質墻體進行了研究,確定合理的墻體是以內側為磚、外側為聚苯板。隨著相變蓄熱材料的出現,陳超 、王宏麗 等也分別提出不同構筑形式的相變材料墻體,并得到了較好的結果。實際上,日光溫室墻體的保溫性能和蓄熱性能,不但與墻體的構筑方式直接關聯,同時還受墻體材料熱物性的影響。為此,該研究試圖通過對被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體、太陽能主 - 被動式相變蓄熱“三重”墻體構筑方式及其熱性能的比較研究,研究墻體構筑方式、材料熱物性對日光溫室墻體熱性能的影響規律,以期為日光溫室墻體熱性能提升及其優化設計提供參考。


日光溫室墻體熱工性能分析


如圖 1 所示,白天日光溫室保溫覆蓋物被卷起,太陽輻射直接照射到(北)墻體內表面,太陽熱能被墻體內表面吸收,并通過熱傳導的方式向墻體內部傳遞,將太陽能儲存在墻體內部;隨著墻體內表面溫度不斷升高,當高于溫室內環境溫度時,墻體內表面以自然對流換熱方式加熱溫室空氣,同時以輻射換熱方式加熱溫室土壤及其他墻體;由于溫室內表面溫度高于室外環境,墻體內表面儲存的熱量同時會通過墻體外表面,以自然對流換熱和輻射換熱方式向室外環境散熱。顯然,日光溫室墻體內表面材料蓄熱能力越強,吸收和儲存投射在其上太陽輻射的能力越強,夜間向溫室內反向釋放熱量的能力也越強;同時,墻體外表面材料的熱阻越大、保溫能力越好,通過溫室墻體流向外部環境的熱損失也將越小。

表征日光溫室墻體熱工性能的指標通常有墻體熱阻 R、墻體材料比熱容 Cp、墻體材料蓄熱系數 S、墻體熱惰性指標 D、墻體溫度、墻體有效蓄熱量、日蓄熱量和日放熱量等。墻體熱阻表征墻體結構本身阻抗傳熱能力的物理量,也可表述為熱量從墻體材料層的一側傳至另一側所受到的總阻抗大小,反映墻體材料層對熱流波的阻抗能力;墻體材料的比熱容表示單位質量的材料,在溫度升高或降低 1℃時所需吸收或放出的熱量,表征了墻體材料容納或釋放熱量能力的物理量,若要提高溫室墻體的蓄熱能力,選用比熱容大的墻體材料是關鍵;墻體材料的蓄熱系數表示墻體層一側受到諧波作用時,墻體表面溫度將按照同一周期波動,通過墻體表面熱流波幅與表面溫度波幅的比值,該值越大表明墻體材料的熱穩定性越好。墻體熱惰性指標是墻體熱阻及材料蓄熱系數的乘積,可綜合表征墻體保溫和蓄熱能力。

實際上,日光溫室墻體的保溫性能與蓄熱性能直接受建筑材料熱物性的影響。保溫問題主要與材料的導熱系數有關,也即與墻體的熱阻關聯;而蓄熱問題則與材料的比熱容、密度等參數關聯,即與墻體的熱容關聯,兩者呈現的物理意義是不一樣的。保溫性能好的材料,往往是導熱系數小、密度小的輕質材料,蓄熱能力弱,如聚苯板、加氣混凝土等;而顯熱蓄熱能力強的材料,通常是密度大且比熱容尚可的重質材料,但保溫性能一般,如黏土磚、黏土等。因此,根據建筑熱工理論,最好是將蓄熱能力強的潛熱儲能材料(如相變材料)放置在日光溫室墻體內表面層,以確保可高效接收和儲存投射其上的太陽輻射能;將熱阻大、保溫性能好(如輕質聚苯板)的材料放置在日光溫室墻體外表面層,以最大限度減小通過墻體外表面流失到室外環境的熱損失;將蓄熱能力強的顯熱儲能材料(如重質砌塊磚)放置在日光溫室墻體中間層,在進一步提升墻體總體蓄熱能力的同時兼顧墻體的結構受力。


兩種不同日光溫室墻體構筑方式及其熱性能比較


墻體構筑方式

◆被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體

相變材料是指在溫度不變的情況下,通過改變物理狀態過程(固-固、固-液、固-氣)的相變過程,吸收或釋放大量潛熱的材料,其當量比熱容大,屬于功能性材料。所謂被動式蓄熱,是指以不使用機械設備為前提的蓄熱。圖2即為被動式太陽能相變蓄熱墻體構筑示意圖,其構筑形式如上節“日光溫室墻體熱工性能分析”所述,在溫室北墻體內側采用當量比熱容大、潛熱值高的相變材料,以被動式潛熱蓄熱方式最大效率吸收和蓄存投射在墻體表面的太陽光熱能;在墻體外側采用熱阻大的輕質保溫材料,以最大化減小通過墻體流向室外環境的熱損失;墻體中間層采用密度大的重質材料,在提高墻體整體顯熱蓄熱能力的同時,還可兼顧墻體結構承重受力。

與常見的厚土質墻體、磚墻外加保溫的溫室墻體構筑方式比較,其特點是:①冬季有效日照射時間通常是10:00~14:00,墻體內表面溫度在中午前后達到最高,約為35℃,無論是土質墻體還是磚墻,都是屬于顯熱蓄熱方式,墻體蓄熱量隨著其表面溫度的升高近似線性增大,而14:00以后,隨著太陽輻射強度的迅速減弱,墻體內表面溫度也隨之下降,相應的墻體蓄熱量也以單調線性下降的規律向外釋放,大多是上半夜前幾乎釋放殆盡;②被動式太陽能相變蓄熱墻體,充分發揮了相變材料可在近似恒溫條件下以潛熱蓄熱方式脈沖式非線性蓄積太陽能的功能性材料特點,當相變材料的相變溫度與日光溫室應用相匹配時,即可在有效日照時間段內有效蓄熱,在溫室環境溫度較低也即與墻體表面溫度相差較大時才大量釋放熱量,相變材料同時起到了熱量“開關”的作用。

表1為研究團隊在烏魯木齊地區建設的示范溫室的被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體(北墻體)熱物性特性參數值,與同條件下磚墻+外保溫構筑方式墻體的比較結果。被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體內表面采用了研究團隊研發的GH-20相變材料,墻體外表面采用聚苯板,墻體中間層采用重質水泥砌塊磚。

從表1中可以看出,不同熱物性材料對墻體熱性能的不同影響:相變材料的比熱和蓄熱系數遠大于砌塊磚和保溫材料的,相變材料超強的蓄熱性能突顯;而保溫材料的導熱系數遠小于相變材料和砌塊磚,保溫材料的熱阻特性突顯,100 mm保溫板熱阻是560 mm磚墻熱阻的4倍。

然而,大量分析結果表明,雖然被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體較一般磚墻+外保溫構筑方式墻體的蓄熱性能有了明顯提升,但由于冬季一天的太陽日照時間有限,照射在墻體內表面的太陽輻射可影響墻體內部深度有限,加之受墻體傳熱性能的影響,即使在墻體內表面采用了相變材料,投射在墻體內表面的太陽能向墻體內部傳遞的深度難以超過200 mm,即使是700 mm的厚墻體也同樣,如圖3所示。由于太陽能沿墻體厚度傳遞的深度有限,直接抑制了墻體中間層顯熱蓄熱能力的發揮,限制了墻體總體蓄熱能力的提升。為此,課題組提出了主-被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體構筑方式。

◆主-被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體

所謂主-被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體構筑方式是在被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體中間層(圖2)中沿溫室長度方向加設了多條豎向空氣通道,豎向空氣通道的間距可為1.8~2.5 m;在墻體頂部安裝太陽能空氣集熱器;利用管道將太陽能空氣集熱器與墻體內豎向空氣通道連接,形成主動式太陽能顯熱蓄熱通風系統(圖4)。白天,通過風機將太陽能空氣集熱器加熱的空氣送入豎向空氣通道,熱空氣通過與豎向空氣通道壁面的強迫對流換熱將太陽能傳遞給中間墻體層,換熱后的低溫空氣通過管道再循環進入太陽能空氣集熱器加熱,周而復始不斷加熱。中間墻體內的豎向空氣通道可以采用重質空心砌塊磚砌筑,利用其空心氣孔形成自然的豎向空氣通道,余下的空心氣孔可用碎石土填實。

需要指出的是:①由于主-被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體的基本構成同被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體,因此其熱物性參數值同表1;②由于主-被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體可以利用管道將太陽能空氣集熱器與墻體內豎向空氣通道連接,通過主動方式將太陽能蓄積在中間墻體層內,有效發揮中間墻體層的顯熱蓄熱能力,全面提升墻體的潛熱和顯熱蓄熱能力。


熱性能比較


◆墻體內表面溫度

圖5反映了傳統墻體、被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體(以后簡稱“被動式墻體”)、主-被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體(以后簡稱“主-被動式墻體”)不同構筑方式條件下,其內表面溫度隨時間變化規律。實測結果表明,較傳統墻體,雖然3種墻體的保溫層厚度同樣,但被動式墻體、主-被動式墻體的表面溫度夜間明顯高于傳統墻體的,早晨保溫被開啟時相差最大,為3.0℃。

◆墻體內部溫度變化幅度

圖6反映了3種不同構筑方式墻體沿其墻體厚度方向溫度變化規律。實測結果表明,傳統墻體中間層溫度變化幅度最小,說明墻體顯熱蓄熱能力沒有得到發揮;被動式墻體中間層溫度變化幅度較傳統墻體有改善,但仍然有限;主-被動式墻體中間層的溫度變化幅度明顯提高,最大為14.4℃、最小為2.2℃、平均為7.5℃,基本消除了圖3中提到的溫度穩定區,中間墻體層的顯熱蓄熱“熱庫”作用顯現。

◆墻體蓄放熱量

圖7反映了3種不同構筑方式墻體蓄/放熱量隨時間的變化規律。實測結果表明,與傳統墻體比較,蓄熱階段(白天),被動式墻體的蓄熱量提高了21.5%,主-被動式墻體的蓄熱量提高了53.7%,墻體的“熱庫”作用凸顯;放熱階段(夜間),被動式墻體和主-被動式墻體的放熱量分別提高了103%和118%,其中51%的放熱量在后半夜(2:00~10:00)釋放,有效地改善了夜間溫室熱環境,相變材料的“熱量開關”作用顯現。


結論


該研究基于課題組研發的GH-20相變材料,結合實測結果,分析比較了墻體構筑方式、材料熱物性等因素對傳統墻體、被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體、主-被動式太陽能相變蓄熱“三重”墻體熱性能的影響規律。形成以下研究結果:

(1)根據建筑熱工理論以及材料熱物性,相變材料具有較大的比熱和蓄熱系數,可顯著提高墻體的熱惰性指標;保溫板具有較小的導熱系數,可顯著增加墻體的保溫性能。日光溫室墻體內表面層宜采用潛熱蓄熱能力強的儲能材料,如相變材料,以確保墻體表面高效接收和儲存投射其上的太陽輻射能;外表面層宜采用熱阻大保溫性能好的輕質材料,如輕質聚苯板,以最大限度減小通過墻體外表面流失到室外環境的熱損失;中間層宜采用顯熱蓄熱能力強的儲能材料,如重質砌塊磚,以進一步提升墻體總體蓄熱能力、同時兼顧墻體的結構受力。

(2)較傳統墻體,雖然3種墻體的保溫層厚度同樣,但被動式墻體、主-被動式墻體的表面溫度夜間明顯高于傳統墻體,早晨保溫被開啟時相差最大,為3.0℃。

(3)傳統墻體中間層溫度變化幅度最小,說明墻體顯熱蓄熱能力沒有得到發揮;被動式墻體中間層溫度變化幅度較傳統墻體有改善,但仍然有限;主-被動式墻體中間層的溫度變化幅度明顯提高,最大為14.4℃、最小為2.2℃、平均為7.5℃,基本消除了圖3中提到的溫度穩定區,中間墻體層的顯熱蓄熱“熱庫”作用顯現。(4)夜間,較傳統墻體,被動式墻體和主-被動式墻體的放熱量分別提高了103%和118%,其中51%的放熱量是在后半夜(2:00~10:00)釋放的,有效地改善了夜間溫室熱環境,相變材料的“熱量開關”作用顯現。

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