李 鵬，張亞紅**，白 青，胡 偉,3，江 力，翟雪寧

基于日光溫室相變材料的梯形墻體熱特性分析*

李 鵬1，張亞紅1**，白 青2，胡 偉1,3，江 力1，翟雪寧1

（1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏科技戰(zhàn)略發(fā)展和信息研究所，銀川 750001；3.宜賓學(xué)院川茶學(xué)院，宜賓 644000）

將以石蠟為主的固-液復(fù)合相變材料噴涂到日光溫室梯形北墻體內(nèi)表面，對相變涂層溫室梯形墻體和普通溫室梯形墻體的熱流量、北墻內(nèi)的溫度，以及室內(nèi)外氣溫進(jìn)行典型天氣和月度變化的測試分析，以探究相變材料應(yīng)用于日光溫室梯形墻體后對室內(nèi)熱環(huán)境的影響。結(jié)果表明：晴天和陰天，相變涂層溫室墻體的日間蓄熱量和夜間放熱量均顯著高于普通溫室墻體（P＜0.05）。相變涂層溫室墻體與普通溫室墻體在同一典型時刻相同部位溫度存在一定差異，這種差異隨著墻體深度的增加而逐漸減弱，0?300mm墻體內(nèi)差異最顯著（P＜0.05）。相變涂層溫室墻體的累積蓄熱量日平均值比普通溫室墻體高8.1%，累積放熱量日平均值比普通溫室墻體高14.8%，相變涂層墻體表面和墻體內(nèi)各層的月平均溫度與普通溫室墻體溫度差異顯著（P＜0.05），相變涂層溫室、普通溫室和室外的月平均氣溫分別為9.93、8.63和?8.91℃。說明相變涂層墻體可有效增加墻體蓄放熱量，提升溫室氣溫尤其是夜間氣溫。

日光溫室；墻體；熱流量；溫度；相變材料

后墻不僅是日光溫室的重要組成部分，也是維持其熱平衡的核心要素，在日光溫室環(huán)境研究中具有重要作用。然而溫室北墻的蓄放熱性能受材料的熱物性和時間的考驗，其蓄熱能力還有待進(jìn)一步提升，因此，研究相變材料后墻對探討日光溫室熱平衡具有重要意義。

針對日光溫室后墻熱環(huán)境問題，國內(nèi)外學(xué)者從建筑的熱工性能、材料的構(gòu)筑方式等不同角度進(jìn)了大量研究[1?3]。周瑩等[4]采用石膏基石蠟/膨脹珍珠巖復(fù)合相變儲能保溫砂漿，其相變溫度為25.6℃，涂抹50mm厚度于磚墻日光溫室的北墻內(nèi)表面，試驗溫室的室內(nèi)日最低溫度比對照溫室平均高出1.5℃，最高可達(dá)2.4℃。王宏麗等[5]將相變材料用不同方式封裝后置于日光溫室北墻的雙孔或多孔空心砌塊內(nèi)，相變墻體內(nèi)外側(cè)溫差波動幅度較對照溫室墻體大幅減少，可有效減少外界環(huán)境通過墻體對室內(nèi)溫度產(chǎn)生的擾動。時盼盼等[6]采用直接摻混方式與分層涂抹方式兩種施工工藝，將40mm厚度復(fù)合相變材料涂抹于用相似性原理搭建縮尺寸的簡易溫室大棚北墻內(nèi)表面，結(jié)果表明直混式構(gòu)筑方式更能發(fā)揮相變材料的功效，有效改善溫室熱環(huán)境。Guan等[7]設(shè)計了日光溫室三重結(jié)構(gòu)相變蓄熱墻體構(gòu)筑方法，分析認(rèn)為相變蓄熱墻體比對照溫室北墻體的有效蓄熱量提高了26.6%，夜間放熱量累積供熱量提高了16.2%。封美琦等[8]研究了日光溫室內(nèi)后墻涂刷白色、黑色涂料對溫室內(nèi)櫻桃番茄生長和品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)黑色墻體黑色后墻通過吸熱增加了溫室內(nèi)溫度，使番茄提質(zhì)增產(chǎn)。Benli等[9]研制了太陽能相變蓄熱系統(tǒng)，為加溫溫室內(nèi)溫度提高了6～9℃。Xie等[10]將相變材料添加到墻壁，表明可以增強(qiáng)墻壁的熱量儲存，夜間放熱時長可達(dá)10.3h。以上技術(shù)多用于直型、復(fù)合墻體，而涉及單一土質(zhì)梯形墻體的研究報道較少，梯形墻體可以最大化接收太陽輻射，蓄熱能力更好[11]，涂黑色涂層溫室北墻比涂灰白色涂層的溫室北墻可以更好地吸收太陽輻射能[12]。土質(zhì)梯形墻體日光溫室因其具有良好的保溫性和較高的性價比等優(yōu)點，在中國西北地區(qū)得到了大面積推廣[13?15]。相變材料屬于功能材料，充分利用其蓄放熱特性可實現(xiàn)太陽熱能地點、時間的轉(zhuǎn)移[16]。

本研究將混合相變材料噴涂至梯形日光溫室北土墻上，分析墻體的蓄放熱變化及墻體和室內(nèi)環(huán)境溫度變化，以期為改良土質(zhì)墻體日光溫室熱環(huán)境提供參考。

1 材料與方法

1.1 溫室

試驗日光溫室位于寧夏回族自治區(qū)賀蘭縣寧夏園藝產(chǎn)業(yè)園區(qū)（38°55′N，106°35′E）。供試溫室為西北試-Ⅳ型日光溫室，東西走向，長度80m，跨度10.0m，脊高4.3m，后墻高3.7m，梯形墻體下底2.5m，上底0.9m，東西山墻及北墻中部為1.5m厚土梯形搗墻。溫室前屋面采用PO型長壽無滴膜，夜間前屋面覆保溫被保溫，采用電動卷簾機(jī)。

1.2 試驗設(shè)計

將溫室沿長度方向等分成2個區(qū)域，分別為相變涂層溫室和普通溫室，兩溫室用間距500mm的兩層PO膜隔斷。相變涂層溫室的北墻采用噴漿工藝將相變材料即石蠟類固-液相變材料（由北京工業(yè)大學(xué)提供，主要成分石蠟、石墨、高密度聚乙烯）、炭黑粉、水泥砂漿按一定比例用混凝土噴涂機(jī)混勻噴涂，參考相關(guān)相變材料在溫室內(nèi)北墻內(nèi)表面附著厚度的研究[6?7, 12]，確定以40mm蓄放熱性能較好且經(jīng)濟(jì)性較高，故噴涂厚度40mm，通過用預(yù)制模板做成40mm×40mm木樁框住溫室北墻內(nèi)表面區(qū)域進(jìn)行噴涂，然后人工夯實抹平。相變材料熱工性能見表1。

表1 相變材料熱工性能

Table 1 Thermal properties of the phase change material

相變涂層溫室和普通溫室內(nèi)均種植“幸香”草莓品種（由遼寧丹東農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供），兩溫室田間管理操作相同，測試期間草莓處于花期?盛果期。每日12：00?14：00為通風(fēng)時間。

1.3 測試點分布

墻體測點位于兩溫室中央墻體中部，距地面垂直高度1.85m，北墻內(nèi)表面安裝熱流量傳感器，在施工后北墻面未完全干時將熱流量傳感器貼合到墻面，在距溫室北墻內(nèi)表面50、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400和1500mm處設(shè)定熱敏溫度探頭，測定溫室北墻墻體內(nèi)部溫度，北墻內(nèi)溫度探頭安裝時先將墻體打孔，然后將探頭逐一安置并用墻體原材料回填密封，回填材料與原狀材料盡可能一致，并確保溫度傳感器測點位置精確，墻體內(nèi)外表面探頭用濕的墻體原材料粘貼并待干后做防輻射處理。墻體傳感器布置如圖1所示。室內(nèi)氣溫測點和太陽輻射測定同時安置在距后墻5.0m，東西方向均為相變涂層溫室和對照溫室的中央，高1.5m處并做防輻射處理。室外氣溫和太陽輻射測點高1.5m處并做防輻射處理。

圖1 相變涂層溫室（a）和普通溫室（b）北墻墻體測試點布局示意圖

1.4 項目觀測與計算

（1）測定時間為2018年1月2日?2月2日，共計30d。根據(jù)試驗記錄及天氣預(yù)報，選擇2018年1月10日為典型晴天，2018年1月15日為典型陰天。

（2）溫室內(nèi)外氣溫采用溫度傳感器測量（精度±0.2℃，線性誤差<0.03℃，美國產(chǎn)）、太陽輻射采用LI200X短波輻射傳感器測量（精度±3%，靈敏度0.2kW?1×m?2×mV?1，美國產(chǎn)），北墻內(nèi)表面熱流量采用HFP01熱流量傳感器（精度±5%，靈敏度50μV?1×W?1×m?2，美國產(chǎn)）測定，墻內(nèi)溫度采用熱敏電阻溫度傳感器（精度±0.2℃，線性誤差<0.03℃，美國產(chǎn)）測定，測定數(shù)據(jù)存儲在CR10X-2M、CR800數(shù)據(jù)采集器（美國產(chǎn)），數(shù)據(jù)每10min采集一次。

（3）溫室墻體傳熱是一個不穩(wěn)定的復(fù)雜的過程，為盡可能準(zhǔn)確計算墻體傳熱量，利用積分原理將10min內(nèi)墻體傳熱看作為穩(wěn)定傳熱，將一日24h內(nèi)各點溫度按測試記錄時間分成144個時間段，計算不同時間段內(nèi)墻體傳熱量，達(dá)到近似計算不穩(wěn)定傳熱的目的。溫室北墻內(nèi)表面的單位面積墻體蓄（放）熱量（Q）為

式中，Q為溫室北墻墻體內(nèi)表面的吸（放）熱量（MJ×m?2）；q為傳感器實測熱流量（W×m?2）；t為時間（600s）。白天與夜間以揭閉簾為界，白天墻體的熱量值為蓄熱量值，夜間墻體熱量值為放熱量值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)用Excel 2018軟件處理，采用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行One-wayANOVA方差分析，并用LSD法進(jìn)行多重比較，用Origin 9.1繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 相變涂層溫室北墻墻體蓄放熱變化分析

2.1.1 典型日蓄放熱變化

（1）熱流量。典型天氣條件下（晴天和陰天）溫室北墻內(nèi)表面熱流量日內(nèi)變化如圖2所示。由圖可見，不論晴天還是陰天，兩個溫室北墻內(nèi)表面熱流量的正（蓄熱）、負(fù)（放熱）狀態(tài)完全一致，只是流量變化過程中峰值大小及其出現(xiàn)時間有一定差異。具體來看，晴天（2018?01?10，9：30揭簾?17：00閉簾）日間相變涂層溫室北墻內(nèi)表面熱流量最大值出現(xiàn)在14：10，最大值為298.30W×m?2，比普通溫室高116.80W×m?2，且最大值出現(xiàn)時間推后了1.5h，揭簾期間平均熱流量比普通溫室高20.90W×m?2。晴天夜間（17：00?次日9：30）閉簾期間雖均為放熱狀態(tài)，但相變溫室表面熱流量值明顯高于普通溫室。說明日光溫室北墻經(jīng)相變材料噴涂后，晴天條件下日間蓄熱和夜間放熱量均高于普通溫室。

陰天（2018?01?15，10：40揭簾?16：00閉簾）日間相變涂層溫室北墻內(nèi)表面熱流量最大值出現(xiàn)在13：00，最大值為168.80W×m?2，比普通溫室高16.8W×m?2，且最大值出現(xiàn)時間推后了0.3h，揭簾期間平均熱通量比普通溫室高5.70W×m?2。陰天夜間（16：00?次日10：40）閉簾期間均為放熱狀態(tài)，但相變溫室表面熱流量值明顯高于普通溫室，放簾期間平均熱流量比普通溫室高2.80W×m?2。說明日光溫室北墻經(jīng)相變材料噴涂后，陰天條件下日間蓄熱和夜間放熱量均高于普通溫室。

典型天氣條件下（晴天和陰天）溫室北墻內(nèi)表面溫度的日內(nèi)變化如圖3所示。由圖可見，不論晴天還是陰天，相變涂層溫室墻體內(nèi)表面溫度均高于普通溫室，墻體內(nèi)表面溫度的峰值與熱流量峰值相對應(yīng)。具體來看，晴天，相變涂層溫室墻體內(nèi)表面溫度日間最大值出現(xiàn)在14：40，最大值為34.1℃，比普通溫室高4.2℃，且最大值出現(xiàn)時間提早了1.2h，揭簾期間平均墻體內(nèi)表面溫度比普通溫室高2.3℃。晴天夜間，相變涂層溫室墻體內(nèi)表面溫度明顯高于普通溫室，放簾期間平均墻體內(nèi)表面溫度比普通溫室高2.1℃。陰天，相變涂層溫室墻體內(nèi)表面溫度高于普通溫室，揭簾期間，相變涂層溫室墻體內(nèi)表面日間平均溫度比普通溫室高0.7℃，放簾期間，相變涂層溫室墻體內(nèi)表面夜間平均溫度比普通溫室高1.0℃。

（2）蓄熱量。將揭簾后墻體每小時吸熱累積量及每天墻體每10min熱量積累值作統(tǒng)計分析，結(jié)果如表2所示。由表可知，相變涂層溫室墻體的吸熱量總是大于普通溫室墻體吸熱量。晴天，相變涂層溫室墻體和普通溫室墻體的日間墻體吸熱量分別為3.15MJ×m?2和2.57MJ×m?2，二者差異性極顯著（P<0.01），相變涂層溫室墻體日間蓄熱最大值時段在13:30?14:30，最大值為0.86MJ×m?2，比普通溫室最大值高0.27MJ×m?2，且推后1h出現(xiàn)。陰天，二者墻體吸熱量分別為1.86MJ×m?2和1.73MJ×m?2，差異顯著（P<0.05）。相變涂層溫室墻體日間蓄熱最大值時段在12：40?13：40，最大值為0.56MJ×m?2，比普通溫室最大值高0.03MJ×m?2。

圖2 典型天氣日光溫室北墻墻體內(nèi)表面熱流量的日內(nèi)變化過程（數(shù)據(jù)間隔10min）

注：晴天（2018?01?10），9：30揭簾?17：00閉簾，陰天（2018?01?15），10：40揭簾?16：00閉簾。PW：相變涂層溫室，OW：普通溫室。下同。

Note: Sunny day(2018?01?10), curtain-rolling time was 9：30, curtain-covering time was 17：00. Cloudy day(2018?01?15), curtain-rolling time was 10：40, curtain-covering time was 16：00. PW is the solar greenhouse which north wall inner surface was sprayed with the phase change material, OW is the ordinary solar greenhouse. The same as below.

圖3 典型天氣日光溫室北墻墻體內(nèi)表面溫度的日內(nèi)變化過程（數(shù)據(jù)間隔10min）

表2 典型天氣相變涂層溫室（PW）和普通溫室（OW）揭簾期間逐小時墻體蓄熱量變化的比較（MJ×m?2）

Table 2 Comparison of the hourly heat storage in the north wall between PW and OW during curtain uncovered time on the typical weather days(MJ×m?2)

注：小寫、大寫字母分別表示處理間在0.05、0.01水平上的差異顯著性。下同。

Note：Lowercase indicates the difference significance among treatments at 0.05 level, and capital letter indicates the difference significance among treatments at 0.01 level. The same as below.

（3）放熱量。將閉簾后墻體每2h放熱累積量及每日內(nèi)墻體每10min熱量積累值累加分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知，相變涂層溫室墻體放熱量大于普通溫室，具體來看，晴天，相變涂層溫室和普通溫室墻體累計放熱量分別為2.75MJ×m?2和2.18MJ×m?2，二者平均放熱量分別為0.31MJ×m?2和0.25MJ×m?2，相變涂層溫室墻體夜間放熱最大時段在19：00?21：00，最大值為0.46 MJ×m?2，比普通溫室最大值高0.12MJ×m?2。陰天相變涂層溫室墻體放熱量大于普通溫室，相變涂層溫室墻體和普通溫室墻體夜間單位面積墻體累計放熱量分別為1.93MJ×m?2和1.74MJ×m?2，二者單位面積墻體平均放熱量分別為0.20MJ×m?2和0.18 MJ×m?2。相變涂層溫室墻體夜間放熱最大時段在19：00?21：00，最大值為0.25MJ×m?2，比普通溫室最大值高0.04MJ×m?2。

表3 典型天氣相變涂層溫室（PW）和普通溫室（OW）閉簾期間每2h墻體放熱量變化的比較（MJ·m?2）

Table 3 Comparison of every 2 hours heat release in north wall between PW and OW during curtain covered time on typical weather days (MJ·m?2)

注：放熱量與蓄熱量相比，其數(shù)值均為負(fù)，為便于比較，去掉負(fù)號。下同。

Note: Compared with heat storage, the values of heat release are all negative. For comparison, the negative sign (“?”) is removed. The same as below.

2.1.2 試驗期間每日蓄熱、放熱變化

統(tǒng)計測試期間（2018年1月2日?2月2日）每日墻體蓄熱結(jié)果如圖4所示。由圖可知，相變涂層溫室墻體和普通溫室墻體的日間平均累積蓄熱量分別為1.65MJ×m?2×d?1和1.53MJ×m?2×d?1，月蓄熱量累積總和分別為52.83MJ×m?2和48.86MJ×m?2。在連晴天（2018年1月9?11日）條件下，相變涂層溫室墻體的日間平均累積蓄熱量為2.93MJ×m?2×d?1，而普通溫室墻體為2.57MJ×m?2×d?1；在連陰天（2018年1月15?17日）條件下，相變涂層溫室墻體的日間平均累積吸熱量為1.72MJ×m?2×d?1，而普通溫室墻體日間平均累積吸熱量為1.58MJ×m?2×d?1。說明日光溫室北墻經(jīng)相變材料噴涂后，日間蓄熱量高于普通溫室。

圖4 試驗1個月內(nèi)每日墻體蓄熱量變化（2018年1月2日?2月2日）

統(tǒng)計測試期間（2018年1月2日?2月2日）的每日墻體放熱結(jié)果如圖5所示。由圖可知，相變涂層溫室墻體和普通溫室墻體的夜間平均累積放熱量分別為1.70MJ×m?2×d?1和1.48MJ×m?2×d?1，月累積放熱量總和分別為54.23MJ×m?2和47.25MJ×m?2。在連晴天（2018年1月9?11日）條件下，相變涂層溫室墻體的夜間平均累積放熱量為2.57MJ×m?2×d?1，而普通溫室墻體為2.11MJ×m?2×d?1，在連陰天（2018年1月15?17日）條件下，相變涂層溫室墻體的夜間平均累積放熱量為1.92MJ×m?2×d?1，而普通溫室墻體為1.69MJ×m?2×d?1。說明日光溫室北墻經(jīng)相變材料噴涂后，其夜間放熱量高于普通溫室。

圖5 試驗1個月內(nèi)每日墻體放熱量（2018年1月2日?2月2日）變化

2.2 相變溫室北墻墻體內(nèi)部溫度變化分析

2.2.1 典型日墻體內(nèi)溫度變化

選擇4個典型時刻，對墻體各部位溫度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。由圖可知，不論晴天和陰天，相變涂層溫室墻體和普通溫室墻體在同一時刻相同部位溫度存在一定差異，這種差異隨著墻體深度的增加而逐漸減弱，0?300mm厚度墻體差異最明顯。晴天，相變涂層溫室0?300mm墻體2：00、8：00、14：00、20：00平均溫度分別為12.1℃、9.5℃、18.2℃和16.9℃，普通溫室墻體分別為10.8℃、8.4℃、16.5℃和14.6℃。由李明等[17]提出的溫波法（室內(nèi)墻體1d內(nèi)溫度波幅>1℃的區(qū)域為其蓄熱體）分析得到，相變涂層溫室墻體、普通溫室墻體的蓄熱體厚度分別為500?600mm、300?400mm；陰天，相變涂層溫室墻體4個時刻的平均溫度分別為10.7℃、9.0℃、17.8℃和14.2℃，普通溫室墻體分別為10.8℃、8.8℃、16.4℃和13.3℃。同樣，由李明等[17]提出的溫波法得到，相變涂層溫室墻體、普通溫室墻體的蓄熱體厚度分別為400?500mm、300?400mm。相變涂層溫室墻體內(nèi)的平均溫度高出對照溫室墻體1.1℃。因此，相變涂層溫室墻體抵抗低溫的能力比普通溫室相對較強(qiáng)，能夠在溫度較低的天氣情況下更加持久地為室內(nèi)作物提供熱量，更有利于作物生長。

2.2.2 試驗期間墻體內(nèi)日平均溫度變化

圖7為試驗期間（30d）每日溫室北墻體內(nèi)表面和北墻內(nèi)0.3m、0.6m、0.9m、1.2m和1.5m厚度處的日平均溫度變化。由圖可見，墻體內(nèi)表面至墻內(nèi)0.3m這層墻體屬于溫室的蓄放熱層，0.6?1.2m為穩(wěn)定層，1.2?1.5m為保溫層，試驗期間（30d），相變涂層溫室墻體和普通溫室墻體內(nèi)表面和墻內(nèi)0.3m厚度的溫度波動幅度較大，且均表現(xiàn)為相變涂層溫室墻體溫度優(yōu)于普通溫室墻體。北墻0.6m厚度以后溫度波動較為平緩，而相變涂層溫室墻體溫度高于普通溫室墻體。相變涂層溫室墻體和普通溫室墻體內(nèi)表面的月平均溫度分別為12.3℃和11.3℃，相差1.0℃；相變涂層溫室墻體和普通溫室墻體的墻內(nèi)0.3、0.6、0.9、1.2和1.5m厚度處的月平均溫度分別為10.9、8.2、6.6、4.9、2.4℃和9.3、7.2、5.8、3.9、1.6℃，兩種墻體分別相差1.6、1.0、0.8、1.0和0.8℃。

圖6　典型天氣兩溫室北墻內(nèi)部不同深度（由內(nèi)向外）溫度變化的比較

圖7 試驗期間兩溫室每日墻體內(nèi)不同深度日平均溫度的月內(nèi)變化的比較

2.3 相變涂層溫室內(nèi)氣溫的變化分析

2.3.1 典型日溫度變化過程

相變涂層溫室和普通溫室溫度變化如圖8所示。由圖可見，在晴天和陰天測試中，由于溫室白天開頂風(fēng)通風(fēng)，對室內(nèi)溫度有一定影響，測試期間相變涂層溫室內(nèi)空氣溫度一直高于普通溫室，夜間最為明顯。具體表現(xiàn)為，晴天相變涂層溫室、普通溫室及室外平均氣溫分別為12.0℃、10.4℃和?11.3℃，三者夜間平均溫度分別為8.0℃、6.1℃和?14.2℃，夜間最低氣溫分別為3.2℃、1.1℃和?18.7℃；陰天相變涂層溫室、普通溫室及室外平均氣溫分別為11.2℃、9.9℃和?5.9℃，三者夜間平均溫度分別為8.4℃、6.8℃和?7.5℃，夜間最低氣溫分別為4.5℃、2.2℃和?15.8℃。

圖8 典型天氣兩溫室室內(nèi)外氣溫變化的比較

注：室外溫度（OT），室外太陽輻射（OSR）。下同。

Note: Outdoor temperature is abbreviated as OT, and outdoor solar radiation is abbreviated as OSR. The same as below.

2.3.2 試驗期日平均溫度變化過程

選取2018?01?02—02?02連續(xù)30d的室內(nèi)外日平均氣溫數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示。由圖可知，30d的測試期間相變涂層溫室內(nèi)的日平均氣溫一直高于普通溫室，相變涂層溫室和普通溫室月平均氣溫分別為9.9℃和8.6℃。30d內(nèi)非晴天的天氣有18d，其中有連續(xù)6d（2018?01?02—07）和連續(xù)3d（2018?01?15—17；2018?01?25—27）為雪天和陰天，導(dǎo)致溫室內(nèi)出現(xiàn)低溫的天數(shù)較多，但相變涂層溫室仍比普通溫室的日平均氣溫高。相變涂層溫室、普通溫室和室外的月平均氣溫分別為9.9℃、8.6℃和?8.9℃。測試期間，2018?01?28室外的日平均氣溫最低，最低溫為?15.5℃，此時普通溫室內(nèi)氣溫為10.0℃，而相變涂層溫室內(nèi)為11.3℃；2018年1月21日，室外的日均溫最高，最高為?1.6℃，此時普通溫室內(nèi)氣溫9.4℃，而相變涂層溫室內(nèi)氣溫11.9℃。可見兩座溫室內(nèi)氣溫總體表現(xiàn)為相變涂層溫室優(yōu)于普通溫室。

圖9　試驗月份兩溫室每日內(nèi)外平均氣溫的比較

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

本研究在計算蓄熱墻體的蓄放熱量時忽略了山墻和土壤蓄放熱對溫室蓄熱墻體蓄放熱量的影響。溫室后墻的熱量主要來源于直射輻射和溫室效應(yīng)導(dǎo)致的熱空氣與墻體的對流換熱，主要考慮墻體的蓄放熱，對墻體輻射和地面放熱以及作物生長狀況的影響有待進(jìn)一步研究。日間，溫室墻體經(jīng)太陽輻射后熱量蓄積且墻體溫度迅速上升，但由于相變材料的良好儲熱增加幅度高，相變涂層溫室墻體的溫度和熱量高于普通溫室，相變蓄熱材料發(fā)揮削峰填谷的作用及蓄放熱性能更優(yōu)，北墻日間的溫度變化從大到小為墻體內(nèi)表面溫度、墻體中部溫度、墻體外表面溫度；北墻夜間的溫度變化從大到小為墻體中部溫度、墻體內(nèi)表面溫度、墻體外表面溫度。溫室墻體內(nèi)部存在一個相對穩(wěn)定的溫度區(qū)域，溫室墻體溫度主要是受溫室內(nèi)太陽輻射與氣溫的影響，溫度波沿著墻體厚度方向振動幅度逐漸減小，滯后時間延長。測試期間，在0?300mm墻體厚度范圍內(nèi)，墻體溫度波動較為明顯。這與彭東玲等[18]對下沉式日光溫室土質(zhì)墻體熱流傳導(dǎo)的研究結(jié)論相一致。

晴天，相變涂層溫室墻體、普通溫室墻體的蓄熱體厚度分別為500?600mm和300?400mm，陰天，墻體的蓄熱體厚度分別為400?500mm和300?400mm。在不同天氣條件下，蓄熱體厚度不穩(wěn)定，這與彭東玲等[19]通過計算機(jī)模擬計算，根據(jù)墻體內(nèi)熱流方向，將能向室內(nèi)方向放熱的薄壁定義為“有效蓄熱層”，并根據(jù)測試結(jié)果說明其厚度與墻體材料和天氣狀況有關(guān)相呼應(yīng)。噴漿工藝相比制相變磚[5, 7]可節(jié)省勞動力成本，但溫室北墻蓄放熱性能不減。

墻體蓄放熱性能的優(yōu)劣，取決于墻體材料的儲熱特性和蓄熱層厚度。由于蓄熱層的厚度受材料、溫室熱環(huán)境的影響，要對各類日光溫室墻體的蓄熱性能和蓄熱層厚度系統(tǒng)掌握，墻體有效蓄熱層厚度與氣象條件、材料特性的定量關(guān)系有待進(jìn)一步深人研究，還需通過其它方式方法進(jìn)行墻體導(dǎo)熱的理論研究與分析。

3.2 結(jié)論

（1）熱量日變化。在梯形日光溫室北墻內(nèi)表面噴涂40mm厚相變混合材料后，晴天和陰天條件下，相變涂層溫室的熱流量和吸熱、放熱量均大于普通溫室。晴天條件下，相變涂層溫室日間墻體吸熱量比普通溫室高0.58MJ·m?2，且二者差異性極顯著（P<0.01）。陰天，相變涂層溫室比普通溫室吸熱量高0.12MJ·m?2，差異顯著（P<0.05）。

（2）熱量季節(jié)變化。試驗期間，墻體日均吸熱量和吸熱總量均表現(xiàn)為相變涂層溫室大于普通溫室。相變涂層溫室日均吸熱量比普通溫室高0.12MJ·m?2，吸熱總量高3.96MJ·m?2。同理，墻體日均放熱量和放熱總量也表現(xiàn)為相變涂層溫室大于普通溫室。相變涂層溫室日均放熱量比普通溫室高0.22MJ·m?2，放熱總量高6.99MJ·m?2。試驗結(jié)果表明相變蓄熱混合材料發(fā)揮了削峰填谷的作用，可增強(qiáng)原始梯形墻體的蓄熱、放熱性能。

（3）墻體溫度。測試期間相變涂層溫室內(nèi)氣溫高于普通溫室，夜間表現(xiàn)最為明顯。試驗期間，相變涂層溫室內(nèi)氣溫比普通溫室平均高1.3℃。試驗期間受雪天和陰天影響，導(dǎo)致溫室內(nèi)出現(xiàn)低溫天數(shù)較多，但相變涂層日均溫仍高于普通溫室。說明相變蓄熱混合材料依靠良好的蓄放熱特性，提升了溫室內(nèi)熱環(huán)境。

[1] 鮑恩財,曹晏飛,鄒志榮,等.節(jié)能日光溫室蓄熱技術(shù)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2018,34(6):1-14.

Bao E C,Cao Y F,Zou Z R,et al.Research progress of thermal storage technology in energy-saving solar greenhouse [J].Transactions of the CSAE,2018,34(6):1-14.(in Chinese)

[2] 劉名旺,李子棟,鄒志榮,等.內(nèi)置空氣-卵石槽對日光溫室橫向地溫的影響[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué),2018,(10):131-136.

Liu M W,Li Z D,Zou Z R,et al.Influence of inside air-pebble groove on lateral soil temperature in solar greenhouse [J].Heilongjiang Agricultural Sciences,2018,(10):131-136.(in Chinese)

[3] Chen C,Ling H S,Zhai Z Q,et al.Thermal performance of an active-passive ventilation wall with phase change material in solar greenhouses[J].Applied Energy,2018,216:602-612.

[4] 周瑩,王雙喜.復(fù)合相變儲能保溫砂漿在日光溫室中的應(yīng)用效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2017,33(20):190-196.

Zhou Y,Wang S X.Application effect of composite phase change energy storage thermal insulation mortar in solar greenhouse[J].Transactions of the CSAE,2017,33(20):190- 196.(in Chinese)

[5] 王宏麗.相變蓄熱材料研發(fā)及在日光溫室中的應(yīng)用[D].楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué),2013.

Wang H L.Development of phase change materials and application in solar greenhouses[D].Yangling:Northwest A&F University, 2013.(in Chinese)

[6] 時盼盼,呂建,楊洪興,等.蓄熱層構(gòu)筑方式對日光溫室復(fù)合相變墻體蓄熱性能的影響[J].太陽能學(xué)報,2018,39(6): 1511-1518.

Shi P P,Lv J,Yang H X,et al.Effect of construction method of heat storage layer on heat storage performance of composite phase change wall in solar greenhouse[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2018,39(6):1511-1518.(in Chinese)

[7] Guan Y,Bai J,Gao X T,et al.Thickness determination of a three-layer wall with phase change materials in a Chinese solar greenhouse[J].Procedia Engineering,2017,205:130-136.

[8] 封美琦,江力,馬小山,等.不同顏色內(nèi)后墻對日光溫室番茄生長的影響[J].北方園藝,2013,37(18):38-44.

Feng M Q,Jiang L,Ma X S,et al.Effects of different color backwall on growth of cherry tomatoes in solar greenhouse [J].Northern Horticulture,2013,37(18):38-44.(in Chinese)

[9] Benli H,Durmu? A.Performance analysis of a latent heat storage system with phase change material for new designed solar collectors in greenhouse heating[J].Solar Energy,2009, 83(12):2109-2119.

[10] Xie J C,Wang W,Sang P F,et al.Experimental and numerical study of thermal performance of the PCM wall with solar radiation[J].Construction and Building Materials,2018, 177(20):443-456.

[11] Gupta R,Tiwari G. N.Modeling of energy distribution inside greenhouse using concept of solar fraction with and without reflecting surface on north wall[J].Building and Environment, 2005,40(1):63-71.

[12] Santamouris M,Balaras C A,Dascalaki E,et al.Passive solar agricultural greenhouses:a worldwide classification and evaluation of technologies and systems used for heating purposes[J].Solar Energy,1994,53(5):411-426.

[13] 楊建軍,鄒志榮,張智,等.西北地區(qū)日光溫室土墻厚度及其保溫性的優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009,25(8):180-185.

Yang J J,Zou Z R,Zhang Z,et al.Optimization of earth wall thickness and thermal insulation property of solar greenhouse in Northwest China[J].Transactions of the CSAE, 2009,25(8):180-185.(in Chinese)

[14] 白青,張亞紅,封美琦,等.日光溫室土質(zhì)梯形截面墻體溫度與熱流量的測定分析[J].北方園藝,2017,41(7):58-64.

Bai Q,Zhang Y H,Feng M Q,et al.Determination and analysis on heat of trapezoidal soil wall in solar greenhouse [J].Northern Horticulture,2017,41(7):58-64.(in Chinese)

[15] 張亞紅,白青,封美琦,等.日光溫室土質(zhì)梯形墻體與地表太陽輻射測定分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29(11):164-172.

Zhang Y H,Bai Q,Feng M Q, et al.Determination and analysis on solar radiation of trapezoidal soil wall and soil surface in solar greenhouse[J].Transactions of the CSAE,2013,29(11):164-172.(in Chinese)

[16] 劉曉宇,何翠,杜亮,等.相變材料墻體在鄭州地區(qū)下沉式日光溫室中的保溫作用[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2014,35(2): 174-179.

Liu X Y,He C,Du L,et al.Heat preservation experimental study on phase change wall materials for sinking solar greenhouse in Zhengzhou[J].Chinese Journal of Agromet- eorology, 2014,35(2):174-179.(in Chinese)

[17] 李明,周長吉,魏曉明.日光溫室墻體蓄熱層厚度確定方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2015,31(2):177-183.

Li M,Zhou C J,Wei X M.Thickness determination of heat storage layer of wall in solar greenhouse[J].Transactions of the CSAE, 2015,31(2):177-183.(in Chinese)

[18] 彭東玲,楊其長,魏靈玲,等.日光溫室土質(zhì)墻體內(nèi)熱流測試與分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2014,35(2):168-173.

Peng D L,Yang Q C,Wei L L,et al.Measurement and heat flux analysis on north earthen wall in Chinese solar greenhouse[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2014, 35(2):168-173.(in Chinese)

[19] 彭東玲,張義,方慧.日光溫室墻體一維導(dǎo)熱的MATLAB模擬與熱流分析[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014,19(5):174-179.

Peng D L,Zhang Y,Fang H.MATLAB simulation of one- dimensional heat transfer and heat flux analysis of north wall in Chinese solar greenhouse[J].Journal of China Agricultural University,2014,19(5):174-179.(in Chinese)

Analysis on Thermal Characteristics of Trapezoidal Wall Based on Phase Change Materials in Solar Greenhouse

LI Peng1, ZHANG Ya-hong1, BAI Qing2, HU Wei1,3, JIANG Li1, ZHAI Xue-ning1

(1. School of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; 2. Ningxia Technology Development Strategy and Information Study Institution, Yinchuan 750001; 3. Sichuan Tea College, Yibin University, Yibin 644000)

In order to explore the effect of phase change materials on the inner temperature of the solar greenhouse, the solid-liquid phase change composite material, in which paraffin wax was a main component, was sprayed onto the inner surface of north trapezoidal wall in the solar greenhouse. Then, the heat flux, temperature near the north trapezoidal wall, and the temperature indoor and outdoor both in the sprayed greenhouse and ordinary greenhouse were measured and analyzed by performing typical weather and monthly changed. The results showed that the heat storage in day-time and heat release in night-time of the north trapezoidal wall in the phase change coated greenhouse was significantly higher than that in the ordinary greenhouse (P<0.05). There was a certain difference in the temperature of the same layer and the same typical time of the phase change coating greenhouse and the ordinary greenhouse, which decreased gradually with the depth increasing of the north wall, and the difference between 0?300mm was the most significant (P<0.05). The daily average value of accumulated heat storage in the phase change coating greenhouse was 8.1% higher than that of the ordinary greenhouse, and the daily average value of accumulated heat release was 14.8% higher than that of the ordinary greenhouse.There was a significant difference between the monthly average temperature at the surface and the various inner layers in the north wall of the phase change coating and the ordinary greenhouse (P<0.05). The monthly average temperature in the phase change coating greenhouse, ordinary greenhouse and outdoor were 9.93℃, 8.63℃ and ?8.91℃, respectively. It indicated that the phase change coating north wall effectively increased the heat storage and heat release and enhanced the greenhouse air temperature, especially the night temperature.

Solar greenhouse; Wall; Heat flux; Temperature; Phase change material

10.3969/j.issn.1000-6362.2019.10.002

李鵬,張亞紅,白青,等.基于日光溫室相變材料的梯形墻體熱特性分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2019,40(10):620-629

2019?02?12

。E-mail：zhyhcau@sina.com

寧夏回族自治區(qū)重點研發(fā)計劃重大項目（2016BZ0901）

李鵬（1995?），碩士生，研究方向為設(shè)施園藝環(huán)境。E-mail：1017903990@qq.com