装配式主动蓄热墙体日光温室热性能分析

鲍恩财，申婷婷，张 勇，曹 凯，曹晏飞，陈丹艳，何 斌，邹志荣※

（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. 农业部长江中下游设施农业工程重点实验室，南京 210014；3. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌 712100）

0 引 言

日光温室是具有中国特色的高效节能型园艺设施，具有完全的自主知识产权，在中国设施园艺的发展过程中起到了重要的作用，为提高城乡居民的生活水平、稳定社会做出了历史性贡献[1-4]。日光温室的墙体是其与其他类型设施的最大区别所在，主要起承重、蓄热、保温的作用。目前对日光温室的墙体材质与结构的研究较多，在材质方面，前人研究发现单一材料墙体的保温、蓄热性能一般低于多层异质复合墙体，且异质复合墙体还具有厚度薄、节省材料的特点[5-8]；在结构方面，诸多学者研究了墙体的适宜厚度、开发了墙体高效蓄热结构。大量研究表明被动蓄热墙体有效蓄放热厚度有限，如李小芳[9]分析得到粘土砖墙的厚度达到 36 cm 可保证室内气温稳定，使用聚苯板做隔热材料厚度以10 cm为宜；杨建军等[10]综合分析得出陕西杨凌地区、甘肃白银地区、宁夏银川地区和新疆塔城地区的最佳厚度分别为 1.0、1.3、1.5和1.4 m；黄雪等[11]把厚土墙从内到外划分为蓄热层、过渡层和御冷层，测试其厚度分别为0.8～1.0 m、2.2～2.6 m和0.4～0.6 m；彭东玲等[12-13]试验发现墙体内存在有效蓄热层和保温层，有效蓄热层与天气、墙体总厚度以及墙体热特性参数有关，试验期间有效蓄热层厚度为0.26～0.45 m；李明等[14]研究得到土墙蓄热层厚度为38.5 cm；白青等[15]提出了利用室内最低气温和墙体内温度确定每日蓄热层厚度的方法，得到试验期间温室土墙蓄热层厚度在55～200 cm之间。为了提高墙体非蓄热层的利用效率，史宇亮等[16]认为应当在土墙60 cm以后的墙体温度相对稳定层中采取有效的换热设备或材料将其蓄积的热量释放到温室内部，以进一步提高室内气温；凌浩恕等[17]基于日光温室专用多曲面槽式空气集热器提出一种带竖向空气通道的太阳能相变蓄热墙体构筑体系；张勇等[18-20]提出了一种能够将白天富余能量进行有效存储的主动蓄热墙体日光温室；鲍恩财等[21]进一步优化了主动蓄热循环系统，以固化沙为主要蓄热体设计了固化沙主动蓄热墙体温室，并进行热工性能测试，结果表明，固化沙主动蓄热后墙温室墙体内部恒定温度区域处于740～1 000 mm之间，传热风道上下表面各200 mm的高度范围内均属于蓄热体。

日光温室的墙体结构除了保温、蓄热的作用，还需兼顾其现代化发展的趋势和低成本的施工建造与生产应用[22]。近年来，日光温室墙体的装配式建设逐渐成为行业热点，如闫俊月等[23]报道了一种了以预制混凝土板夹芯填土作为储热层、以聚苯板作为保温层的轻简化装配式后墙；张洁等[24]设计了一种装配式砾石蓄热墙体日光温室；张义等[25]研究了一种轻简装配式日光温室，该温室由基于水媒介质蓄热的主动蓄放热系统来实现蓄放热功能，由预制装配式复合墙体来实现保温隔热功能；李明等[26]从理论上分析认为可通过使用保温材料作为墙体保温层、利用土壤蓄热替代墙体蓄热 2个途径来开展日光温室墙体的轻简化研究。

上述研究为节能日光温室的发展起到了积极的推动作用，但有关装配式主动蓄热墙体日光温室的研究尚未见报道。传统主动蓄热墙体具有较好的蓄热效果[18-21]，但也存在施工工艺复杂、人工用量大、建造速度慢的问题，制约了该类日光温室的推广应用，亟需开展日光温室主动蓄热墙体的装配式建造的研究，通过简化施工流程、减少施工用材、降低人工投入来提高施工效率、降低成本。为此，本文根据日光温室主动蓄热墙体结构特点，采用不同施工工艺对墙体进行装配式建造，对传统主动蓄热墙体日光温室和装配式主动蓄热墙体日光温室进行冬季室内环境测试，分析其热工性能及建筑成本，从而为主动蓄热墙体日光温室的进一步发展提供有益参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验温室

3座供试温室均位于陕西省杨凌示范区旭荣农业基地（34°16′N，108°06′E），建成于 2017 年 10 月，测试期间3座温室内种植作物为番茄（于2017-11-05定植），采用基质袋培，灌溉方式为滴灌。夜间采用保温被覆盖，上午09:00收卷，下午17:00铺放。本文以保温被覆盖时段为夜间（17:00－次日 09:00），保温被卷起时段为白天（09:00－17:00）。晴天正午前后打开通风口，12:00打开，14:00关闭。

试验温室结构如图 1所示。传统主动蓄热墙体日光温室[18,27-29]（G1），跨度为10 m，长32 m，方位南偏东5°，脊高5.0 m，后墙高3.6 m，屋面为直屋面。后墙厚度为1.3 m，结构为100 mm聚苯板+120 mm粘土砖墙+960 mm相变固化土+120 mm粘土砖墙（从外向内），相变固化土由当地黄土添加8%掺量（质量比）的相变固化剂搅拌均匀制成，相变固化剂配方见文献[30]。温室采用卡槽骨架，间距1 m，后屋面采用100 mm聚苯板，前屋面覆盖PO膜；回填装配式主动蓄热墙体日光温室[27,31-33]（G2），后墙厚度为1.3 m，结构为100 mm聚苯板+10 mm钢筋网+1 170 mm相变固化土+10 mm钢筋网+10 mm混凝土喷浆涂层（从外向内）。其他参数与G1一致；模块装配式主动蓄热墙体日光温室（G3），后墙厚度为1.3 m，结构为100 mm聚苯板+1 200 mm素土模块墙（从外向内），单个素土模块尺寸为1 200 mm×1 200 mm× 1 200 mm，由当地黄土添加2%掺量（体积比）的麦草秸秆搅拌均匀后通过速土成型机（陕西杨凌旭荣农业科技有限公司生产）压实而成，制作方法见文献[34]。其他参数与G1一致。

图1 测试温室结构图Fig.1 Schematic diagram of tested solar greenhouses

1.1.2 主动蓄热循环系统

主动蓄热循环系统包括风道、风机及其控制系统。在张勇等[18-21,35]研究的基础上，为提高蓄热体的蓄热效果和蓄热量，结合热空气向上运动的自然现象，改进了原有的主动蓄热循环系统，G1、G2、G3的主动蓄热循环系统的气流运动方式相同、结构相似、轴流风机的数量及功率相等，以G1为例，其主动蓄热循环系统见图2。将进、出风口的位置设在后墙顶部，进风口设置在后墙东西两端，出风口设置在后墙中部。后墙中建造有横向、竖向风道，供气流运动。轴流风机采用负压通风的形式，安装在出风口外表面，风机启动时，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，热量蓄积入蓄热体中。

图2 主动蓄热循环系统示意图Fig.2 Schematic diagram of active heat storage cycle system

G1的横向风道采用市场现有的预制混凝土空心板在后墙内部居中布置，共 4层，每层空心板的截面尺寸为555 mm×120 mm，其中通风孔有5个，直径80 mm，竖向风道为粘土砖砌筑，进口截面尺寸为960 mm×200 mm、出口截面尺寸为960 mm×400 mm；轴流风机（上海展鸣风机电器有限公司生产）为负压通风，共 2台，位于温室后墙中部的出风口上方，每台额定功率为0.12 kW、风量为2 100 m3/h、转速2 800 r/min。G2的横向风道采用直径200 mm的PVC半管在后墙内部居中布置，共4层，每层3根、间距100 mm，竖向风道为直径200 mm的PVC圆管（进、出风口尺寸一致），安装时与横向风道对接。其他参数与G1一致。G3的横向风道在土块压实过程中一次成型，共2层，每层2个方孔风道，尺寸长×高为200 mm×100 mm，其中方孔的另一个作用为叉车运输预留沟槽，竖向风道土块压制过程中预留，进口截面尺寸为600 mm×300 mm、出口截面尺寸为600 mm×600 mm。其他参数与G1一致。

风机的启闭采用自动控制模式，白天（09:00－17:00）的室温高于25 ℃开启进行蓄热，室温低于20 ℃停止；夜间（17:00－次日 09:00）的室温低于 13 ℃开启进行放热，室温低于8 ℃时停止并发出警报，提醒进行人工加温。

1.1.3 测试仪器

温室内外空气温度和相对湿度的测量采用 HOBO UX100-011型温湿度记录仪（美国Onset公司生产，精度：温度±0.2 ℃、相对湿度±2.5%），温室内外光照强度测量采用HOBO UA002-64型光照强度记录仪（美国Onset公司生产，精度：±10 lx）。墙体及土壤温度的测量采用 T型热电偶温度传感器（合柔（上海）电线电缆有限公司生产，精度：±0.2 ℃），连接到 34970A数据自动采集仪（美国Agilent公司生产）。

1.2 墙体施工工艺

3座温室墙体的主要区别在于墙体蓄热部分和主动蓄热循环系统的施工工艺不同。G1墙体的建造主要采用人工砌筑围护砖墙和拉结砖墙、人工回填并夯实相变固化土[18,28]；G2墙体的建造主要采用人工砌筑拉结砖墙、人工焊接围护钢筋网、人工回填并夯实相变固化土、机械喷浆[31-33]；G3墙体由机械压制素土模块后全部采用叉车搬运堆砌。G1的主动蓄热循环系统采用人工砌筑竖向砖墙风道、横向风道采用混凝土预制板人工安装；G2的主动蓄热循环系统采用人工安装竖向圆管风道和横向半管风道；G3的主动蓄热循环系统在素土模块制作过程中将风道压制成型，墙体堆砌过程中自然对接而成。

1.3 测点布置

3座供试温室内部各布置2个温湿度测点，2个光照测点。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。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（避开风道位置），分别布置在温室长度方向 3等分截面处。沿墙体厚度方向分别距墙体内表面0、50、100、150、200、250、300、400、500、600、700、800、900和1 000 mm处。地温测点位于地下15 cm处。

室外环境数据测点布置在距G1正西方10 m处的空旷场地，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 2017-11-01至2018-01-31，所有记录数据的时间间隔均为30 min。

1.4 数据处理

本文试验数据采用Excel 2007进行数据分析及二维图表的制作，采用SigmaPlot12.5进行三维图的制作。

2 结果与分析

2.1 温室内外光照强度对比分析

日光温室室内光照强度直接影响到主动蓄热后墙的蓄放热，图3显示了典型晴天（2017-12-31 09:00－次日09:00）供试温室室内外光照强度的日变化。由图3可知，3座供试温室室内的光照强度曲线变化趋势与室外基本一致G1、G2、G3白天平均光照强度分别为72 192、71 638、71 351 lx，不存在明显差异，室外为110 165 lx。由此可知，在同一天气条件下，3座供试温室的平均光照强度差距较小，室内温度环境的差异不是由光照强度的差异造成的。

图3 不同温室室内外光照强度的变化Fig.3 Variations of indoor and outdoor light intensity in different solar greenhouses

2.2 温室内外气温对比分析

2.2.1 连续晴天条件下温室内外气温对比分析

图 4a显示了连续晴天（2017-12-30 09:00至2018-01-02 09:00）温室室内外气温变化。由图4a可知，连续晴天G1、G2、G3及室外的平均气温分别为19.9、20.1、20.8、–1.1 ℃，因此G1、G2、G3的平均气温在连续晴天条件下差距很小；G1、G2、G3及室外的夜间（17:00－次日 09:00）平均气温分别为 15.2、16.0、17.3、–3.5 ℃，G2、G3夜间平均气温比 G1分别高 0.8、2.1 ℃；G1、G2、G3及室外的夜间平均最低气温分别为13.4、14.7、15.6、–6.3 ℃，G2、G3夜间最低平均气温比G1分别高1.3、2.2 ℃。

图4 不同温室室内外气温变化Fig.4 Variations of indoor and outdoor air temperatures in different solar greenhouses

2.2.2 连续阴天条件下温室内外气温对比分析

低温及寡照是影响日光温室安全生产的主要因素，而冬季连续阴天又是这 2种限制因素的主要表现形式，因此，有必要对冬季连续阴天条件下日光温室的保温性能进行比较分析。魏瑞江等[36]以连续3 d以上无日照或逐日日照时数≤2 h连续4 d以上为连阴天统计标准；黎贞发等[37]以日最低温度≤0且日照时数连续≤3 h为低温连阴天统计标准。本文取文献[36-37]中统计标准的交集，规定日照时数≤2 h连续3 d及以上时为连续阴天条件的统计标准。分析测试期内室外气象条件发现连续阴天出现 2次，分别是 2018-01-02至 2018-01-09、2018-01-13至 2018-01-16，前者为暴雪连阴天，属Ⅲ级重大气象灾害[38]；后者为连阴天。本文对2018-01-13至2018-01-16的温室内外气温进行分析。

图 4b显示了连续阴天（2018-01-13 09:00至2018-01-16 09:00）温室室内外气温变化。由图4b可知，连续阴天G1、G2、G3及室外的平均气温分别为12.9、14.4、14.3、–3.7 ℃；G1、G2、G3及室外的夜间（17:00－次日 09:00）平均气温分别为 11.3、12.9、13.0、–5.9 ℃；G1、G2、G3及室外的夜间平均最低气温分别为9.8、11.5、11.7、–8.2 ℃。因此，在连续阴天条件下，G2与G3的气温几乎相等，但均优于G1。

2.2.3 测试期间温室内气温分析

为了更好地了解 3座温室长期的室内气温变化，选取冬至日（2017-12-22）及以后的连续1个月的室内气温进行对比分析。番茄在白天、夜间适宜空气温度范围分别为 18～25、8～13 ℃，在夜间的最低耐受空气温度为5 ℃[39]。表1为2017-12-22至2018-01-21连续31 d的室内气温数据分析结果。

表1 3座温室的室内气温分析（2017-12-22－2018-01-21）Table 1 Indoor air temperatures analysis of three solar greenhouses (2017-12-22－2018-01-21)

31 d的测试期内，非晴天的天气有14 d，其中有连续8 d（2018-01-02至2018-01-09）和连续3 d（2018-01-13至2018-01-16）为暴雪和阴天，导致温室内出现低温的天数较多。从表1可以看出，G2、G3的平均最低气温分别比G1高1.83、2.19 ℃，夜间（17:00－次日09:00）平均气温分别高0.80、1.45 ℃。因此，G3的夜间的平均气温和最低气温均最高，但与G2的差异并不明显（差异<1 ℃），且G2、G3最低气温≤8 ℃的天数分别为2、1 d，无最低气温≤5 ℃的情况，可见G2、G3的抵抗连续低温的能力较强，基本可满足温室内番茄等喜温果菜类蔬菜在不需要额外加温（气温≤5 ℃时，需要额外加温）情况下的越冬生产需求。3座温室的气温总体表现为G3略优于G2，二者均优于G1。

2.3 温室后墙温度对比分析

对3座温室后墙不同墙体深度的温度变化进行分析，典型晴、阴天的后墙不同墙体深度温度的变化情况分别如图5、图6所示。

由图5可知典型晴天（2017-12-31 09:00－次日09:00）条件下后墙不同墙体深度温度的变化，G1、G2、G3墙体的最高温度都是从墙体内表面到墙体内部逐渐降低的变化趋势，最大变化幅度分别为 22.6、17.5、17.1 ℃；最低温度是从墙体内表面到墙体内部先升高再降低的变化趋势，峰值分别出现在200、200、150 mm处，该处温度的最大变化幅度分别为3.5、4.6、3.4 ℃；墙体内部最低温度出现的位置略有不同，除G3的最低温度出现在800 mm深度外，G1、G2均出现在1 000 mm。由李明等[14]提出的温波法（室内墙体1 d内温度波幅>1 ℃的区域为其蓄热体）分析得到 G1、G2、G3墙体的蓄热体厚度分别为 700～800、800～900、700～800 mm，故在典型晴天条件下，G2、G3的蓄热体厚度不亚于G1。

图5 典型晴天后墙不同深度温度的变化（2017-12-31 09:00－次日09:00）Fig.5 Variations of temperature at different depth in back walls in typical sunny day(2017-12-31 09:00－next 09:00)

图6 典型阴天后墙不同墙体深度温度的变化（2018-01-14 09:00－次日09:00）Fig.6 Variations of temperature at different depth in back walls in typical cloudy day(2018-01-14 09:00－next 09:00)

由图6可知典型阴天（2018-01-14 09:00－次日09:00）条件下后墙不同墙体深度温度的变化，G1、G2、G3墙体的最高温度也是从墙体内表面到内部逐渐降低的变化趋势，最大变化幅度分别为10.7、11.5、9.8 ℃，该幅度小于典型晴天的变化是因为阴天墙体接受不到太阳辐射；最低温度是从墙体内表面到墙体内部先升高再降低的变化趋势，峰值均出现在200 mm处，最大变化幅度分别为4.9、6.0、5.0 ℃，该幅度大于典型晴天的变化说明阴天墙体释放的热量持续且幅度较大；墙体最低温度出现的位置略有不同，除G3的最低温度出现在800 mm深度外，G1、G2均出现在1 000 mm，与典型晴天一致。G1、G2、G3墙体的蓄热体厚度分别为300～400、500～600、500～600 mm，故在典型阴天条件下，G2、G3的蓄热体厚度较G1大。因此， 3座温室中G2、G3墙体抵抗低温的能力相对较强，能够在温度较低的天气情况下更加持久地为室内作物提供热量，更有利于作物生长，这也是其室内夜间和阴天气温较G1高的原因。

典型晴、阴天条件下的 3座日光温室后墙的蓄热体厚度均不一致，采用温波法对2017-12-22至2018-01-21连续31 d的后墙温度数据进行分析，结果表明，有部分天数G1、G2、G3墙体的蓄热体厚度均超过了1 000 mm。因此，仅采用室内墙体1 d内温度波幅＞1 ℃的区域为其蓄热体的分析方法有待完善，本文建议采用一年中最冷月或整个冬季的温度数据来分析蓄热体厚度。

2.4 经济性分析

表2为3座温室的建筑成本比较，价格差异主要体现在墙体和主动蓄热循环系统的建设上。由前文可知 3座温室墙体材料和建造方式不同，G1为两侧砌砖、中间填充相变固化土；G2为两侧钢筋网、中间填充相变固化土；G3为纯素土压实堆砌，故造价依次降低。主动蓄热循环系统的风机功率相同，但风道材料和安装方式不同，G1风道为混凝土预制板、人工安装；G2风道为PVC管、人工安装；G3风道为土块压实过程中成型，直接堆砌连接，故造价依次降低。墙体和主动蓄热循环系统的建筑成本差异也会导致其他费用的差异，包括材料运费及税金等。由表2可知，G2、G3的每平方米造价分别较G1降低71.2、162.1元，因此，装配式主动蓄热墙体较传统主动蓄热墙体的成本均有所下降，模块装配式主动蓄热墙体的的建筑成本下降幅度最大。

表2 不同温室的建筑成本Table 2 Costs of different greenhouses yuan·m-2

3座温室的主动蓄热循环系统的通风蓄热方式相同（风机功率及管道布置方式一致，管道材质不一致），运行成本在理论上只有风机的耗电产生的费用。风机的启闭仅受室内气温的影响，通过气温分析发现，白天（09:00－17:00）3座温室的气温差异较小，故蓄热阶段风机的运行时长一致；夜间（17:00－次日09:00）气温表现为G3最高、G2其次、G1最低，故在同一天气条件下，G1出现低于13 ℃的情况最早，风机启动最早、运行时长最长，G2其次，G1最短。所以，G1、G2、G3的运行成本为G1

3 讨 论

日光温室墙体内侧温度的变化幅度与太阳光直射密切相关[40]，典型晴、阴天条件下，3座温室后墙不同深度处最低温度的峰值均出现在约200 mm深度处，这与陈超[41]的研究结果一致。墙体受太阳辐射、室内气温影响的程度与主动蓄热循环系统影响的程度有待进一步通过理论和实测来进行分析，以优化主动蓄热日光温室内热量的蓄积与利用。热量蓄积方面，李明等[26]认为可通过使用土壤蓄热替代墙体蓄热，今后可尝试将后墙主动蓄热与土壤主动蓄热结合应用从而进一步提高蓄热效果，或将主动蓄热循环系统安装于地下来完全或部分代替墙体的作用；热量利用方面，柯行林等[42]试验得到利用水循环主动蓄放热系统加热基质比加热空气可提高基质平均温度 2.5～5.3 ℃、番茄产量提高 43.0%，本文研究的日光温室墙体主动蓄热循环系统能否为作物根际加温有待进一步试验测试与分析。

文中3座温室的主要区别在于墙体的施工工艺不同，墙体的建造材料（蓄热材料与传热风道材质）亦不同，因此，无法分析单一因素对墙体蓄热厚度的影响，只能进行整体分析。连续31 d的后墙温度测试结果分析表明3座温室后墙的蓄热体厚度均超过了1 000 mm，但室内气温和墙体温度均表现为 G2与 G3差异不大、均优于G1，这是因为透气型风道的传热效果明显高于密闭型风道[43]，G2传热风道的透气率为24.15%，G3传热风道为全敞开式。

G2、G3的建筑成本均较G1低，G2墙体填土为人工夯实，抗压强度较低，但添加了相变固化剂可提高墙体的抗压强度和蓄热性能[30]；G3的墙体做法取决于土壤本身是否具有粘聚性，本试验条件下压制后的素土模块密度为1.94 g/cm3[34]，对于弱粘聚性的土壤仍需要添加固化材料方可使用。

4 结 论

针对原有日光温室主动蓄热墙体结构施工工艺复杂的问题，本文采用不同施工工艺建造主动蓄热墙体，对传统主动蓄热墙体日光温室（G1）、回填装配式主动蓄热墙体日光温室（G2）、模块装配式主动蓄热墙体日光温室（G3）的性能进行了测试分析，得出以下结论：

1）连续31 d（2017-12-22至2018-01-21）的测试结果分析表明G1、G2、G3的日平均气温分别为16.14、16.98、17.33 ℃，平均最低气温分别为 9.64、11.47、11.83 ℃，故 3座温室的气温总体表现为 G3略优于 G2，G3、G2均优于G1。

2）G1、G2、G3墙体在典型晴天（2017-12-31 09:00－次日09:00）蓄热体厚度分别为700～800、800～900、700～800 mm，在典型阴天（2018-01-14 09:00－次日9:00）蓄热体厚度分别为300～400、500～600、500～600 mm。

3）G1、G2、G3的施工流程逐步简化、施工用材逐渐减少、施工造价依次降低，每平方米造价分别为461.1、389.9、299.0元，G3的建筑成本下降幅度最大。

综上，装配式主动蓄热墙体较传统主动蓄热墙体的保温蓄热效果好，在适宜日光温室发展的地区具有一定的推广价值。

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