西北日光温室传热学简化模型构建及温光高效新结构初探
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摘要
日光温室由于其结构上的特殊性，使其特别适宜于在我国广大的西北地区大面积推广应用，近年来也获得了极大的发展。西北各地出现了结构各异的不同类型的新型日光温室。但目前仍存在部分结构设计不合理，光能利用率低，保温性能差，缺乏系统理论研究成果等问题。但我们详细研究不难发现，尽管温室结构各异，但其基本结构也是有规律可循。因此,我们完全可以通过详细深入地研究,发现其潜在的内部规律。从而解决日光温室现在面临的建设混乱、缺乏统一理论指导的问题。
本研究论文针对西北地区的典型日光温室类型，分别对构造不同的日光温室进行了室内外太阳辐射，室内外气温及各结构部件的温度分布，室内外表面温度、热流量，土壤温度，后期栽培管理等环境要素的连续观测。并利用观测的数据分析了供试日光温室的热工性能。该研究可以为温室建筑的结构优化、环境控制及室内作物的栽培提供非常必要的理论基础。本研究旨在通过系统地研究分析，建立适用于西北地区日光温室的结构设计和传热理论，进而为实践中的日光温室建造提供理论指导。同时根据典型结构日光温室的实测数据对典型日及典型天气下温室内部的整体热工性能和光照变化规律进行了分析。首先，详细地计算了日光温室各结构部分的传热损失类型及耗热规律，同时计算了主要构件的散热能耗率。其次，对日光温室各结构部分的散热进行了整体的对比分析，得到了主要的散热途径，以及可以进行结构改进的部分；并得到了日光温室经济后墙厚度的理论。再次，对日光温室的太阳辐射量进行了对比分析，并详细讨论了储热的规律和现有结构的不足，进而得到结构改进的方法。
从严格意义的传热学分析角度来说，温室系统是一个非常非常复杂的三维周期性非稳态热传导、辐射、对流过程。但结合其结构的传热学规律，我们构建了西北地区日光温室简化传热学平衡模型：ΔQ=Qsun+Qprotect+Qlongwave+Qvent+Qsoil+Qground20。在研究过程中，我们只考虑日光温室这个整体单元对于外界的能量传递，进而可以清晰地掌握日光温室整体的热平衡和传热规律。通过系统的对各代表结构的详细分析计算，我们得到了西北地区日光温室的传热基本规律。在典型结构日光温室整体的热量损失中，白天的热损失约占到总热损的80%，夜间的损失仅为20%左右。在夜间，温室的热量损失中约有70%是通过维护结构的传热进行的。约有30%是因为冷风渗透而引起的。相比之下，这白天损失的能量中，约有65%的热损失是通过温室维护结构损失的，其中一部分为通过整体维护结构的传热损失约占35%，采光面的辐射损失约占到30%。在白天的热损失中，约有35%是通过通风而损失的。
通过构建和应用日光温室传热学简化模型，分析得出日光温室所截获太阳能的水平较低。我们建立了动态可变采光角采光理论，并开发了新型的可变倾角采光日光温室新结构，并对其结构的性能进行了研究。通过研究，可变采光倾角温室较普通固定采光角温室能从整体上提高温室采光性能和温度指标。通过试验分析，可变采光倾角温室内的光照度较普通固定采光角温室有较大幅度的增加。在本试验条件下，可变采光倾角温室较普通固定采光倾角温室，整体采光性能平均提高25.6%。同时，可变采光倾角温室内的温度较普通固定采光角温室有较明显的增加，整体平均温度提高3.6℃。
针对简化模型所揭示的因为日光温室后墙蓄热不足而导致其保温性差的问题，我们研发了相变保温后墙温室结构。通过研究，Na_2SO_4·10H_2O和Na2CO3·10H_2O体系，以试样质量比4∶6的组合较为理想，相变温度分为两个阶段，适合于满足一般温室生产对温度的要求。但是，长期使用过程中仍然存在过冷现象和相分离。Na_2SO_4·10H_2O和Na_2HPO_4·12H_2O体系以试样质量比1.9∶7.0的组合较为理想，相变温度稳定，过冷和相分离均能很好的满足要求。同时本实验条件下，相变墙温室内的温度波动幅度比普通温室小3.5℃；平均提高室内温度1.9℃，最大可提高5.8℃。
通过本文的研究，实现了以下几个创新点。第一，在对日光温室热平衡详细研究的基础上，通过系统分析日光温室的传热特性，掌握了日光温室的传热规律。第二，建立并验证了西北地区日光温室传热学简化模型，该模型可以准确地分析日光温室的热工状况。同时该模型也揭示了日光温室的结构改进的方向和方法。第三，针对西北地区日光温室存在的采光性能低的问题，开发了可变倾角采光面日光温室新结构，并对该结构的温光性能进行了研究。研究表明，该结构对提高日光温室的太阳能利用率效果显著，整体采光性能平均提高25.6%。第四，针对日光温室现存的保温蓄热性能差的问题，研究了新型的相变保温新材料，并将其应用于西北日光温室。对该新结构日光温室热学性能研究表明，该结构可以大幅度提高日光温室的蓄热能力，有很强的应用价值。
Due to its particularity of structure, solar greenhouse is asuitable for protected horticulture facilities in an arid andsemi-arid region in northwest China. Solar greenhouse has alsogotten maximum development under the promotion of technicalinnovation in recent years. But，there are many problems in presentgreenhouse production which include less feasible structure，lowsolar radiation utilization rate， bad performance of heatpreservation and lack of theoretical research results．Based on thestudy of component and structure scheme, Different type of solargreenhouse has a specific similar structure and regularity. Andin addition, we can find the potential laws and to draw the rulesto value the uncertainty of the solar greenhouse system innorth-west of China. Then the suitable decision which can solvethe problem we faced in designing and operation management can bedrawn up out based on these foundations.
The solar greenhouse environment factors which include solarradiation， air and surface temperature，temperature distributionand response behaviors of structure element, heat flux density ofstructure element, effect of soil temperature, and the cultivationmanagements in middle and late stages were measured continuouslyin four typical testing solar greenhouses in northwest region ofChina. And the solar greenhouse characteristics of thermalperformance were analyzed from the above measured data．The studyof characteristics of thermal performance may give the necessary theoretical basis for structure optimization，environment controland crop cultivation． In addition the solar greenhousecharacteristics of thermal performance and variation law of theillumination in the greenhouse were analyzed under the typical datesand the typical external climatic conditions according to themeasurement data．Firstly, detailed calculation method was appliedto the heat flux density of structure element and the thermalconsumption law. Secondly, based the comparative analysis of theheat flux density of different structure element, mainly heatdissipation way was be analyzed, and then the structure elementwhich should be improved can be found. The study of economicthickness of the greenhouse’ backwall has established a theoreticalanalyzing model on the basis of experimental study. Thirdly, thetransmission of solar radiation into the greenhouse can be acquiredaccording to the solar radiation inside and outside thegreenhouse．The law of thermal storage were analyzed and summarized.So we will found the way to overcome the drawbacks of the greenhousestructures.
According to the concepts of classical heat transfer theory,the solar greenhouse thermal system is a very complicatedthree-dimensional、unsteady process of state thermal conduction,radiation and thermal convection. Based on the heat transfer lawof solar greenhouse, the simplified model of heat transfer in thesolar greenhouse was established and validated using fieldexperiment data (ΔQ=Qsun+Qprotect+Qlongwave+Qvent+Qsoil+Qground20). The solargreenhouse is considered as a complete unit in the simplified modelof heat transfer. Then we grasp heat transfer law of solar greenhouseclearly. Thermal loss rate of the typical structure solar greenhousein daytime is80%, and the thermal loss rate at night is20%. Therate of the heat which loss by maintenance structure is65%indaytime, and the same rate is70%at night. The rate of the heatwhich loss by ventilation is35%in daytime, and the same rate is30%at night.
Based on this established simplified model, we found that thesolar interception rate is relatively low. This paper studies and analyzes the experimental data by experiment comparison andlighting analysis method. Then it puts forward a new structuralmodel of high-performance greenhouse what is called a“solar-greenhouse with variable incidence angle”. It’s technicalperformance including lighting and structure are discussed andcompared theoretically. Through the research the variable structure,the solar-greenhouse with variable incidence angle is moreefficient in utilization of solar energy and raising temperature.Illumination in the greenhouse with variable incidence angle hasa great enhancement comparing with normal type. The increasing rateof lighting performance is25.6%. The mean indoor temperatureincreased roughly by3.6℃.
Simplified model revealed that solar greenhouse has the problemof lack of thermal storage. Then it will lead to poor thermalinsulation properties. We developed the PCM wall structuregreenhouse. By researching their thermal properties by DifferentialScanning Celemeter (DSC), for the new compound PCM composed ofNa_2SO_4·10H_2O and Na_2CO_3·10H_2O, the sample in t he mass proportionof4∶6is suitable for greenhouse. The phase transformationtemperature which divided into two stages meets the need of plantgrowth. During the application process, the phenomena of supercooling and phase segregation can’t be eliminated completely. Forthe new compound PCM composed of Na_2SO_4·10H_2O and Na2HPO4·12H_2O,the sample in the mass proportion of1.9∶7is suitable forgreenhouse. The phase transformation temperature remain stable,the phenomena of super cooling and phase segregation meet therequirements. Under the experimental conditions， The indoortemperature fluctuations of the PCM wall structure greenhouse is3.5℃lower than the temperature of the normal wall structure. Theindoor average temperature has increased by1.9degrees and canbe increased by5.8degrees.
By researching thermal properties of the solar greenhouse, fourinnovative points well be realized. Firstly, based on the studyof characteristics of thermal performance, may give the necessarytheoretical basis for structure optimization，we grasp heat transfer law of solar greenhouse. Secondly, the simplified model of heattransfer in the solar greenhouse was established and validated usingfield experiment data. Accord to the simplified model of heattransfer in the solar greenhouse showed by the certain theory, Itmainly deals with theoretic investigation and practical study ofseveral typical solar greenhouse. Thirdly, in order to solve theproblem of the lower solar energy utilization ratio in thegreenhouse, we research and develop a new structural model ofhigh-performance greenhouse what is called a “solar-greenhouse withvariable incidence angle”. Through the research the variablestructure, the solar-greenhouse with variable incidence angle ismore efficient in utilization of solar energy and raisingtemperature. Illumination in the greenhouse with variable incidenceangle has a great enhancement comparing with normal type. Theincreasing rate of lighting performance is25.6%. Finally, in orderto solve the problem of the lower thermal storage performance inthe greenhouse, we developed the PCM wall structure greenhouse.Then the thermal storage performance of solar greenhouse wassignificantly increased. The theory is very practical in theexploration of the solar greenhouse structure and the managementof solar greenhouse.
本研究论文针对西北地区的典型日光温室类型，分别对构造不同的日光温室进行了室内外太阳辐射，室内外气温及各结构部件的温度分布，室内外表面温度、热流量，土壤温度，后期栽培管理等环境要素的连续观测。并利用观测的数据分析了供试日光温室的热工性能。该研究可以为温室建筑的结构优化、环境控制及室内作物的栽培提供非常必要的理论基础。本研究旨在通过系统地研究分析，建立适用于西北地区日光温室的结构设计和传热理论，进而为实践中的日光温室建造提供理论指导。同时根据典型结构日光温室的实测数据对典型日及典型天气下温室内部的整体热工性能和光照变化规律进行了分析。首先，详细地计算了日光温室各结构部分的传热损失类型及耗热规律，同时计算了主要构件的散热能耗率。其次，对日光温室各结构部分的散热进行了整体的对比分析，得到了主要的散热途径，以及可以进行结构改进的部分；并得到了日光温室经济后墙厚度的理论。再次，对日光温室的太阳辐射量进行了对比分析，并详细讨论了储热的规律和现有结构的不足，进而得到结构改进的方法。
从严格意义的传热学分析角度来说，温室系统是一个非常非常复杂的三维周期性非稳态热传导、辐射、对流过程。但结合其结构的传热学规律，我们构建了西北地区日光温室简化传热学平衡模型：ΔQ=Qsun+Qprotect+Qlongwave+Qvent+Qsoil+Qground20。在研究过程中，我们只考虑日光温室这个整体单元对于外界的能量传递，进而可以清晰地掌握日光温室整体的热平衡和传热规律。通过系统的对各代表结构的详细分析计算，我们得到了西北地区日光温室的传热基本规律。在典型结构日光温室整体的热量损失中，白天的热损失约占到总热损的80%，夜间的损失仅为20%左右。在夜间，温室的热量损失中约有70%是通过维护结构的传热进行的。约有30%是因为冷风渗透而引起的。相比之下，这白天损失的能量中，约有65%的热损失是通过温室维护结构损失的，其中一部分为通过整体维护结构的传热损失约占35%，采光面的辐射损失约占到30%。在白天的热损失中，约有35%是通过通风而损失的。
通过构建和应用日光温室传热学简化模型，分析得出日光温室所截获太阳能的水平较低。我们建立了动态可变采光角采光理论，并开发了新型的可变倾角采光日光温室新结构，并对其结构的性能进行了研究。通过研究，可变采光倾角温室较普通固定采光角温室能从整体上提高温室采光性能和温度指标。通过试验分析，可变采光倾角温室内的光照度较普通固定采光角温室有较大幅度的增加。在本试验条件下，可变采光倾角温室较普通固定采光倾角温室，整体采光性能平均提高25.6%。同时，可变采光倾角温室内的温度较普通固定采光角温室有较明显的增加，整体平均温度提高3.6℃。
针对简化模型所揭示的因为日光温室后墙蓄热不足而导致其保温性差的问题，我们研发了相变保温后墙温室结构。通过研究，Na_2SO_4·10H_2O和Na2CO3·10H_2O体系，以试样质量比4∶6的组合较为理想，相变温度分为两个阶段，适合于满足一般温室生产对温度的要求。但是，长期使用过程中仍然存在过冷现象和相分离。Na_2SO_4·10H_2O和Na_2HPO_4·12H_2O体系以试样质量比1.9∶7.0的组合较为理想，相变温度稳定，过冷和相分离均能很好的满足要求。同时本实验条件下，相变墙温室内的温度波动幅度比普通温室小3.5℃；平均提高室内温度1.9℃，最大可提高5.8℃。
通过本文的研究，实现了以下几个创新点。第一，在对日光温室热平衡详细研究的基础上，通过系统分析日光温室的传热特性，掌握了日光温室的传热规律。第二，建立并验证了西北地区日光温室传热学简化模型，该模型可以准确地分析日光温室的热工状况。同时该模型也揭示了日光温室的结构改进的方向和方法。第三，针对西北地区日光温室存在的采光性能低的问题，开发了可变倾角采光面日光温室新结构，并对该结构的温光性能进行了研究。研究表明，该结构对提高日光温室的太阳能利用率效果显著，整体采光性能平均提高25.6%。第四，针对日光温室现存的保温蓄热性能差的问题，研究了新型的相变保温新材料，并将其应用于西北日光温室。对该新结构日光温室热学性能研究表明，该结构可以大幅度提高日光温室的蓄热能力，有很强的应用价值。
Due to its particularity of structure, solar greenhouse is asuitable for protected horticulture facilities in an arid andsemi-arid region in northwest China. Solar greenhouse has alsogotten maximum development under the promotion of technicalinnovation in recent years. But，there are many problems in presentgreenhouse production which include less feasible structure，lowsolar radiation utilization rate， bad performance of heatpreservation and lack of theoretical research results．Based on thestudy of component and structure scheme, Different type of solargreenhouse has a specific similar structure and regularity. Andin addition, we can find the potential laws and to draw the rulesto value the uncertainty of the solar greenhouse system innorth-west of China. Then the suitable decision which can solvethe problem we faced in designing and operation management can bedrawn up out based on these foundations.
The solar greenhouse environment factors which include solarradiation， air and surface temperature，temperature distributionand response behaviors of structure element, heat flux density ofstructure element, effect of soil temperature, and the cultivationmanagements in middle and late stages were measured continuouslyin four typical testing solar greenhouses in northwest region ofChina. And the solar greenhouse characteristics of thermalperformance were analyzed from the above measured data．The studyof characteristics of thermal performance may give the necessary theoretical basis for structure optimization，environment controland crop cultivation． In addition the solar greenhousecharacteristics of thermal performance and variation law of theillumination in the greenhouse were analyzed under the typical datesand the typical external climatic conditions according to themeasurement data．Firstly, detailed calculation method was appliedto the heat flux density of structure element and the thermalconsumption law. Secondly, based the comparative analysis of theheat flux density of different structure element, mainly heatdissipation way was be analyzed, and then the structure elementwhich should be improved can be found. The study of economicthickness of the greenhouse’ backwall has established a theoreticalanalyzing model on the basis of experimental study. Thirdly, thetransmission of solar radiation into the greenhouse can be acquiredaccording to the solar radiation inside and outside thegreenhouse．The law of thermal storage were analyzed and summarized.So we will found the way to overcome the drawbacks of the greenhousestructures.
According to the concepts of classical heat transfer theory,the solar greenhouse thermal system is a very complicatedthree-dimensional、unsteady process of state thermal conduction,radiation and thermal convection. Based on the heat transfer lawof solar greenhouse, the simplified model of heat transfer in thesolar greenhouse was established and validated using fieldexperiment data (ΔQ=Qsun+Qprotect+Qlongwave+Qvent+Qsoil+Qground20). The solargreenhouse is considered as a complete unit in the simplified modelof heat transfer. Then we grasp heat transfer law of solar greenhouseclearly. Thermal loss rate of the typical structure solar greenhousein daytime is80%, and the thermal loss rate at night is20%. Therate of the heat which loss by maintenance structure is65%indaytime, and the same rate is70%at night. The rate of the heatwhich loss by ventilation is35%in daytime, and the same rate is30%at night.
Based on this established simplified model, we found that thesolar interception rate is relatively low. This paper studies and analyzes the experimental data by experiment comparison andlighting analysis method. Then it puts forward a new structuralmodel of high-performance greenhouse what is called a“solar-greenhouse with variable incidence angle”. It’s technicalperformance including lighting and structure are discussed andcompared theoretically. Through the research the variable structure,the solar-greenhouse with variable incidence angle is moreefficient in utilization of solar energy and raising temperature.Illumination in the greenhouse with variable incidence angle hasa great enhancement comparing with normal type. The increasing rateof lighting performance is25.6%. The mean indoor temperatureincreased roughly by3.6℃.
Simplified model revealed that solar greenhouse has the problemof lack of thermal storage. Then it will lead to poor thermalinsulation properties. We developed the PCM wall structuregreenhouse. By researching their thermal properties by DifferentialScanning Celemeter (DSC), for the new compound PCM composed ofNa_2SO_4·10H_2O and Na_2CO_3·10H_2O, the sample in t he mass proportionof4∶6is suitable for greenhouse. The phase transformationtemperature which divided into two stages meets the need of plantgrowth. During the application process, the phenomena of supercooling and phase segregation can’t be eliminated completely. Forthe new compound PCM composed of Na_2SO_4·10H_2O and Na2HPO4·12H_2O,the sample in the mass proportion of1.9∶7is suitable forgreenhouse. The phase transformation temperature remain stable,the phenomena of super cooling and phase segregation meet therequirements. Under the experimental conditions， The indoortemperature fluctuations of the PCM wall structure greenhouse is3.5℃lower than the temperature of the normal wall structure. Theindoor average temperature has increased by1.9degrees and canbe increased by5.8degrees.
By researching thermal properties of the solar greenhouse, fourinnovative points well be realized. Firstly, based on the studyof characteristics of thermal performance, may give the necessarytheoretical basis for structure optimization，we grasp heat transfer law of solar greenhouse. Secondly, the simplified model of heattransfer in the solar greenhouse was established and validated usingfield experiment data. Accord to the simplified model of heattransfer in the solar greenhouse showed by the certain theory, Itmainly deals with theoretic investigation and practical study ofseveral typical solar greenhouse. Thirdly, in order to solve theproblem of the lower solar energy utilization ratio in thegreenhouse, we research and develop a new structural model ofhigh-performance greenhouse what is called a “solar-greenhouse withvariable incidence angle”. Through the research the variablestructure, the solar-greenhouse with variable incidence angle ismore efficient in utilization of solar energy and raisingtemperature. Illumination in the greenhouse with variable incidenceangle has a great enhancement comparing with normal type. Theincreasing rate of lighting performance is25.6%. Finally, in orderto solve the problem of the lower thermal storage performance inthe greenhouse, we developed the PCM wall structure greenhouse.Then the thermal storage performance of solar greenhouse wassignificantly increased. The theory is very practical in theexploration of the solar greenhouse structure and the managementof solar greenhouse.
引文
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