下沉式日光温室土质墙体传热特性的研究
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摘要
近年来，下沉式土质墙体日光温室在我国北方推广迅速，已成为生产中的主流温室，但目前尚缺乏系统的研究，存在着一些结构参数不合理但又缺乏理论依据的现象，适宜的墙体厚度就是一个典型的问题。
为找出确定适宜墙体厚度的科学依据，本文于2010年元月至2011年6月对郑州地区两栋构造相同、唯墙体厚度不同的下沉式土质墙体日光温室进行了连续2年的室内外气温、地温，室内外地面太阳辐射，室内外墙体表面温度、热流量，室内外风速、风向等环境要素的监测，同时对墙体的热工特性也进行了实际测试。
对供试温室土质墙体热工测试的结果是：土墙的导热系数为1.32W·m~(-1)·℃~(-1)，热阻为0.758㎡·K·W-1，蓄热系数为14.3W·m~(-2)·℃~(-1)。这些数据表明土质墙体有良好的蓄、放热性能，对温室内的热环境，尤其是对夜间温度有足够的影响力。但土墙的导热系数较高，且热惰性指标小，室内温度易受室外低温的影响，即保温隔热性能差，所以单质土墙需要建造到一定的厚度才能有足够的保温能力。
下沉温室的室内南沿存在着阴影区域，该区域面积大小与下沉深度、地理纬度等因素有关；受阴影的影响，南沿存在着一个低温区。低温区内的气温、土温温度以及低温区的面积等都有明显的日变化和季节变化规律，与同结构的非下沉式温室相比，在相同季节相同时间段，下沉式温室低温区的面积小而温度高。下沉后的室内地面，因向室外土壤横向传导的热流量减少而温度高于非下沉式温室；南沿下沉壁白天从室内吸收热量并向深层传导和储存，夜间再把热量释放出来以提高室内温度，尽管热流量比北墙小得多，但对南沿的低温区的温度提高却有着积极的影响；南沿下沉壁与室外土壤间也存在着热交换，在竖直方向上，壁面温度从上到下依次递增，在水平方向上，从壁面伸向室外土壤中，白天随深度增加而温度依次降低，夜间相反；冬季，距壁面水平深度40㎝处是壁面与室外土壤热交换的平衡点。
温室北墙是温室夜间热量的一个重要来源。土质墙体具有良好的吸、储、放热性能，冬季，上午9点左右开始吸收热量，下午16点以后开始向外释放。内表面温度高，释放的热流量大，而外表面温度低，向外释放的热流量小。墙体向室内释放的热量对温室夜间温度尤其是前半夜的温度影响很大，起着主导作用；对墙内温度场的实测结果显示，墙体温度在厚度方向、长度方向及高度方向均存在着温差。在厚度方向上，由内表面到外表面，温度递减；墙体的内、外表面温度日变化活跃，越向墙体深处，温度的日变化越趋于缓和；墙内温度的变化与墙面温度相比，存在着滞后现象，越向深层，滞后越明显；在厚度的中心位置，存在热稳定层；热稳定层的厚度、位置均随墙体厚度、季节的变化而变化。热稳定层的存在与否，可以反映墙体的保温蓄热性能的高低。在高度方向上，墙体下部温度高，由下到上，温度递减；在长度方向上，墙体中部温度高，东西两端温度低，但西端的温度与中部很接近，东端稍偏低，温差较小；将温差与长度相比，所得温度梯度更小，所以可以认为沿长度方向没有热交换，土质后墙的热传导是二维的。
在对墙体的传热特征进行了详细分析的基础上，建立了墙体二维非稳态传热模型，并采用有限差分法对模型进行了数值计算，利用Fluent软件对模型进行了模拟，得到了不同时刻、不同天气条件下墙内温度场，并对模拟数据与试验数据进行对比分析，模拟值与试验值曲线拟和较好。
综合模型数值计算结果、实测结果及建造成本、土地利用率等因素，本文认为在郑州地区，下沉式日光温室土质墙体的适宜建造厚度为4m。本课题的研究为当地日光温室结构优化及推广应用提供了理论依据和试验范例。
In recent years, sunken soil wall sunlight greenhouses have rapidlyspread in northern China, but till now, its structural parameters are unreasonablebecause of Hack of systematic research, the suitable wall thickness is one typicalproblem.
Since January2010to June2011, This paper measured the two greenhouseindoor and outdoor temperature, terrestrial solar radiation, wind speed and direction,indoor and outdoor wall surface temperature, heat flux, and other environmentalfactors in Zhengzhou, that structure parameters are same but wall thicknesses aredifferent, at the same time carried on an actual test to the hot work parameters of thesoil wall.
The test greenhouse soil wall thermal parameters are: coefficient of thermalconductivity is1.32W m-1℃-1, thermal resistance is0.758(m2K)/W, the heatstorage coefficient is14.3W m-2℃-1, these number show that the soil wall has agood stockpile and release heat energy performance, and greatly influences on thegreenhouse thermal environment especially nighttime temperatures. But the indoortemperature in the soil wall greenhouse is vulnerable to outdoor How-temperaturebecause the thermal conductivity of the soil wall is higher wall and the thermal inertiaindex is Hower. So the pure soil wall must be constructed a certain thickness, itsinsulation capacity will be sufficient.
There is a shaded area along the south edge in sunken greenhouse. The area sizeis decided by the facores like the sunken depth and the position of the sun; affected bythe shadow, the temperature in the area is lower than others, so the area is called low-temperature-region. Its temperature and area have a diurnal and seasonal variation.Compared with the non-sunken greenhouse in the same season and at the same time,the area of the low-temperature-region in the sunken greenhouse decreasedsignificantly and the temperature increased. In sunken greenhouse, the heat fluxconducting from indoor subsidence ground to outdoor soil reduced greatly, the southedge soil temperature and air temperature increased. Another reason is that the southsunken wall constantly released heat to the room. The heat flux is much smaller thannorther wall. In winter, the depth that40cm horizontal direction away from the southsunken wall, is the heat exchange equilibrium point of the south sunken wall andoutdoor soil;
North wall is an important source of heat in the greenhouse at night. In thedaytime, the soil wall absorbs the sun radiation, but in the nighttime it releases theheat flux to the room, impacts on the indoor night temperature especially beforemidnight. There are temperature differences along the wall in the thickness direction,the length direction and height direction. In the thickness direction, from the innersurface to the outer surface, the temperature decreasing; surface temperature day range is greater than inside, and the more depths in the wall, the more relaxation thetemperature changes; in the center of the thickness, there is a thermal stability layer,its thickness and position change with the wall thickness and the season. It can reflectthe level of the wall heat preservation performance that the thermal stable layer exit ornot and its thickness.In the vertical direction, from bottom to top, the temperaturedecreasing; In the length direction of the wall, not only the temperature difference butalso the temperature gradient is small, so the thermal conductivity of the soil backwall is two-dimensional unsteady state heat conduction;
Carried out a detailed analysis of the heat conduction characteristics of the wall,and modeled the wall two-dimensional unsteady heat transfer model. The numericalcalculation and simulation by the software Fluent using finite difference method onthe model showed the wall temperature field at different times and in differentweather conditions. Compared the experimental data, the simulation date was higher,but their curve fitted well. Combined with the values of model numerical calculations,the construction costs, land utilization and other factors, the paper concludes that4mis the suitable thickness of sunken sunlight greenhouse soil wall in Zhengzhou area.
为找出确定适宜墙体厚度的科学依据，本文于2010年元月至2011年6月对郑州地区两栋构造相同、唯墙体厚度不同的下沉式土质墙体日光温室进行了连续2年的室内外气温、地温，室内外地面太阳辐射，室内外墙体表面温度、热流量，室内外风速、风向等环境要素的监测，同时对墙体的热工特性也进行了实际测试。
对供试温室土质墙体热工测试的结果是：土墙的导热系数为1.32W·m~(-1)·℃~(-1)，热阻为0.758㎡·K·W-1，蓄热系数为14.3W·m~(-2)·℃~(-1)。这些数据表明土质墙体有良好的蓄、放热性能，对温室内的热环境，尤其是对夜间温度有足够的影响力。但土墙的导热系数较高，且热惰性指标小，室内温度易受室外低温的影响，即保温隔热性能差，所以单质土墙需要建造到一定的厚度才能有足够的保温能力。
下沉温室的室内南沿存在着阴影区域，该区域面积大小与下沉深度、地理纬度等因素有关；受阴影的影响，南沿存在着一个低温区。低温区内的气温、土温温度以及低温区的面积等都有明显的日变化和季节变化规律，与同结构的非下沉式温室相比，在相同季节相同时间段，下沉式温室低温区的面积小而温度高。下沉后的室内地面，因向室外土壤横向传导的热流量减少而温度高于非下沉式温室；南沿下沉壁白天从室内吸收热量并向深层传导和储存，夜间再把热量释放出来以提高室内温度，尽管热流量比北墙小得多，但对南沿的低温区的温度提高却有着积极的影响；南沿下沉壁与室外土壤间也存在着热交换，在竖直方向上，壁面温度从上到下依次递增，在水平方向上，从壁面伸向室外土壤中，白天随深度增加而温度依次降低，夜间相反；冬季，距壁面水平深度40㎝处是壁面与室外土壤热交换的平衡点。
温室北墙是温室夜间热量的一个重要来源。土质墙体具有良好的吸、储、放热性能，冬季，上午9点左右开始吸收热量，下午16点以后开始向外释放。内表面温度高，释放的热流量大，而外表面温度低，向外释放的热流量小。墙体向室内释放的热量对温室夜间温度尤其是前半夜的温度影响很大，起着主导作用；对墙内温度场的实测结果显示，墙体温度在厚度方向、长度方向及高度方向均存在着温差。在厚度方向上，由内表面到外表面，温度递减；墙体的内、外表面温度日变化活跃，越向墙体深处，温度的日变化越趋于缓和；墙内温度的变化与墙面温度相比，存在着滞后现象，越向深层，滞后越明显；在厚度的中心位置，存在热稳定层；热稳定层的厚度、位置均随墙体厚度、季节的变化而变化。热稳定层的存在与否，可以反映墙体的保温蓄热性能的高低。在高度方向上，墙体下部温度高，由下到上，温度递减；在长度方向上，墙体中部温度高，东西两端温度低，但西端的温度与中部很接近，东端稍偏低，温差较小；将温差与长度相比，所得温度梯度更小，所以可以认为沿长度方向没有热交换，土质后墙的热传导是二维的。
在对墙体的传热特征进行了详细分析的基础上，建立了墙体二维非稳态传热模型，并采用有限差分法对模型进行了数值计算，利用Fluent软件对模型进行了模拟，得到了不同时刻、不同天气条件下墙内温度场，并对模拟数据与试验数据进行对比分析，模拟值与试验值曲线拟和较好。
综合模型数值计算结果、实测结果及建造成本、土地利用率等因素，本文认为在郑州地区，下沉式日光温室土质墙体的适宜建造厚度为4m。本课题的研究为当地日光温室结构优化及推广应用提供了理论依据和试验范例。
In recent years, sunken soil wall sunlight greenhouses have rapidlyspread in northern China, but till now, its structural parameters are unreasonablebecause of Hack of systematic research, the suitable wall thickness is one typicalproblem.
Since January2010to June2011, This paper measured the two greenhouseindoor and outdoor temperature, terrestrial solar radiation, wind speed and direction,indoor and outdoor wall surface temperature, heat flux, and other environmentalfactors in Zhengzhou, that structure parameters are same but wall thicknesses aredifferent, at the same time carried on an actual test to the hot work parameters of thesoil wall.
The test greenhouse soil wall thermal parameters are: coefficient of thermalconductivity is1.32W m-1℃-1, thermal resistance is0.758(m2K)/W, the heatstorage coefficient is14.3W m-2℃-1, these number show that the soil wall has agood stockpile and release heat energy performance, and greatly influences on thegreenhouse thermal environment especially nighttime temperatures. But the indoortemperature in the soil wall greenhouse is vulnerable to outdoor How-temperaturebecause the thermal conductivity of the soil wall is higher wall and the thermal inertiaindex is Hower. So the pure soil wall must be constructed a certain thickness, itsinsulation capacity will be sufficient.
There is a shaded area along the south edge in sunken greenhouse. The area sizeis decided by the facores like the sunken depth and the position of the sun; affected bythe shadow, the temperature in the area is lower than others, so the area is called low-temperature-region. Its temperature and area have a diurnal and seasonal variation.Compared with the non-sunken greenhouse in the same season and at the same time,the area of the low-temperature-region in the sunken greenhouse decreasedsignificantly and the temperature increased. In sunken greenhouse, the heat fluxconducting from indoor subsidence ground to outdoor soil reduced greatly, the southedge soil temperature and air temperature increased. Another reason is that the southsunken wall constantly released heat to the room. The heat flux is much smaller thannorther wall. In winter, the depth that40cm horizontal direction away from the southsunken wall, is the heat exchange equilibrium point of the south sunken wall andoutdoor soil;
North wall is an important source of heat in the greenhouse at night. In thedaytime, the soil wall absorbs the sun radiation, but in the nighttime it releases theheat flux to the room, impacts on the indoor night temperature especially beforemidnight. There are temperature differences along the wall in the thickness direction,the length direction and height direction. In the thickness direction, from the innersurface to the outer surface, the temperature decreasing; surface temperature day range is greater than inside, and the more depths in the wall, the more relaxation thetemperature changes; in the center of the thickness, there is a thermal stability layer,its thickness and position change with the wall thickness and the season. It can reflectthe level of the wall heat preservation performance that the thermal stable layer exit ornot and its thickness.In the vertical direction, from bottom to top, the temperaturedecreasing; In the length direction of the wall, not only the temperature difference butalso the temperature gradient is small, so the thermal conductivity of the soil backwall is two-dimensional unsteady state heat conduction;
Carried out a detailed analysis of the heat conduction characteristics of the wall,and modeled the wall two-dimensional unsteady heat transfer model. The numericalcalculation and simulation by the software Fluent using finite difference method onthe model showed the wall temperature field at different times and in differentweather conditions. Compared the experimental data, the simulation date was higher,but their curve fitted well. Combined with the values of model numerical calculations,the construction costs, land utilization and other factors, the paper concludes that4mis the suitable thickness of sunken sunlight greenhouse soil wall in Zhengzhou area.
引文
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