日光溫室平板微熱管陣列蓄熱墻體熱性能試驗

管 勇，王天梅，魏銘佟，柳天明，胡萬玲，段世檢

（蘭州交通大學環境與市政工程學院，蘭州 730070）

0 引 言

日光溫室是中國獨創的一種現代農業技術[1]，它在蔬菜周年均衡供應方面發揮了巨大作用[2]。溫室墻體是日光溫室主要的蓄放熱載體，在調控溫室內熱環境中起關鍵的作用[3-4]，其白天蓄存太陽能的能力越強，夜間供給溫室內的熱量越多[5-7]。

多年來，國內外學者針對土質墻[4,8]、砌塊磚墻[6,9-10]、磚土/磚煤復合墻[11]、磚苯復合墻[6-7,12]、秸稈砌塊墻[13]以及拆裝式黃麻纖維墻[14]等日光溫室墻體熱性能開展了一系列的研究，研究表明復合異質結構墻體的熱性能較好[8,12]，不同結構溫室墻體按照溫室墻體的溫度變化特性可將墻體分成蓄熱層、熱穩定層及保溫/隔熱層組成[4,8,15-16]。對于800 mm砌塊磚和50 mm聚苯板組成的日光溫室墻體溫度場進行研究發現熱穩定層和蓄熱層厚度分別占總厚度的58.8%和35.3%[16]。

隨著日光溫室墻體材料的不斷革新，相變材料依靠其潛熱蓄放熱，具有蓄放熱量大，放熱時溫度波動小[17]等特點受到國內外學者的熱點關注。Berroug等[18-19]將CaCl2·6H2O制成相變板置于溫室墻體內表面，運用焓法傳熱模型計算分析了相變材料墻體對溫室熱環境的改善效果。李鵬等[20-21]將復合定形相變墻體材料應用于日光溫室北墻，采用試驗分析了相變墻體材料對提升日光溫室室內熱環境的作用。溫室墻體中運用相變材料可提高日光溫室墻體的蓄放熱性能，但研究表明，由相變材料組成的復合溫室墻體內部仍存在較厚的熱穩定層[22-23]。

近年來，一些學者通過主動蓄熱或主被動協同蓄熱方式來提升墻體內部材料的蓄放熱性能，出現了諸如主動相變蓄熱墻體[24]、基于毛細管網的主動式集放熱系統[25]、主動蓄放熱加熱基質系統[26]、主動蓄熱固化沙墻體[27]、以及主被動通風蓄熱墻體[28]等新型日光溫室。通過分析發現主動蓄熱技術對溫室墻體的蓄放熱性能及對溫室內熱環境的調控能力有顯著的提高。但因主動蓄熱技術的嵌入，一方面增加了墻體的建造難度、初投資及運行維護成本；另一方面降低了溫室墻體或系統的力學性能。

為提高日光溫室復合結構墻體熱穩定層的溫度和提升溫室墻體材料的蓄熱性能，本文在課題組前期的研究基礎上[29-30]引入平板微熱管陣列[31]（Micro Heat Pipe Array，MHPA）強化傳熱技術，基于被動式溫室墻體蓄放熱理論，提出了一種新型日光溫室微熱管陣列蓄熱墻體（MHPA墻體），通過對比試驗對該溫室蓄熱墻體的蓄放熱特性進行研究。

1 MHPA墻體的構筑原理與方法

通過上述分析可知，若要運用被動蓄熱方式挖掘提升日光溫室墻體內部的蓄熱性能，則需要日光溫室墻體在蓄熱時段能快速的把溫室墻體室內側表面蓄積的熱量輸運到墻體內部，這要求熱輸運媒介的集熱能力強，輸送能力高，機械性能好；當日光溫室室內溫度降低時，能夠把墻體內部蓄存的熱量及時的傳導釋放到溫室環境中。

基于該需求，在前期的研究基礎上，按照砌塊磚的模數，將重力型MHPA引入到溫室墻體中，即先將鋁制平板MHPA（500 mm×60 mm×3 mm，其內部有22條平行獨立的熱管微通道）結合墻體集熱與蓄熱需求彎曲成乙字形結構（彎曲角度90°、曲率半徑40 mm）；然后再把其彎曲的MHPA除蒸發段（長度208 mm）的一側表面裸露在外部用于集熱蓄熱及傳熱之外，其他部分都澆筑在水泥砂漿（水泥與沙子質量之比3∶7）中，養護形成乙字形MHPA砌塊，其中彎曲的MHPA置于砌塊內部中軸線處，最后把乙字形MHPA砌塊按照日光溫室蓄熱需求再陣列豎直排布砌筑在溫室墻體室內側，形成MHPA墻體，為防止MHPA的蒸發段對太陽光的反射作用，需將其表面涂黑，以增強MHPA的吸熱與集熱性能，具體MHPA墻體如圖1所示。

2 材料與方法

2.1 試驗溫室

為研究所提出的日光溫室MHPA墻體的蓄放熱性能以及其對溫室熱環境的改善效果，在蘭州市蘭州交通大學校園內（36.05°N，103.88°E）搭建了小型南北朝向的MHPA墻體溫室和普通砌塊磚溫室。兩溫室北墻體長均為615 mm，高為630 mm，厚度為370 mm，墻體外表面均采用50 mm的保溫板覆蓋保溫，溫室跨度為790 mm，兩溫室實景圖如圖2所示。MHPA墻體溫室的北墻體由1塊MHPA砌塊以及普通砌塊磚砌筑而成，而普通溫室墻體全部由普通砌塊磚砌筑。為了減小地面散熱對試驗的影響，兩溫室地面均采用50 mm厚的保溫板及10 mm厚的實木板組成。兩溫室的東西側面及前坡屋面均采用0.12 mm厚的EVA薄膜，夜間覆蓋40 mm厚的保溫被，保溫被每天上午9:00開啟，下午17:00關閉。溫室墻體物性參數見表1所示。由于東西砌塊墻側面采用50 mm保溫板，而夜間又覆蓋40 mm厚的保溫被，它們的熱阻之和較大為1.55(m2·K)/W，故夜間可忽略東西側砌塊墻散熱的影響。

表1 墻體材料物性參數[32]Table 1 Physical parameters of wall material

2.2 測試方法與試驗儀器

本試驗重點關注兩溫室的北墻體溫度（包括溫室墻體室內表面溫度及墻體內部不同位置處的溫度），室內空氣溫度，溫室地表面溫度，MHPA蒸發段和冷凝段表面溫度等參數。其中，兩溫室墻體內部布56個熱電偶傳感器（MHPA墻體內29個，普通砌塊墻體內27個），墻體內表面24個；溫室內空氣測點6個，墻體外表面、墻體東西側面、溫室地表面、前坡屋面以及東西側面薄膜中心位置各布置1個測點；MHPA砌塊內中軸面布置9個，MHPA蒸發段布置2個，冷凝段布置1個。為了比較墻體的升溫變化，選取墻體內部同一截面位置處的溫度進行對比分析。各測點布置見圖3所示。溫度測試采用銅-康銅T型熱電偶溫度傳感器（美國Omega，精度：±0.2 ℃）測量，并對其進行溫度標定；與空氣接觸的測點均設置了防太陽輻射處理，數據采用2臺34972A數據采集儀（美國Keysight Technologies）實時監測，每隔10 min采集1次數據，同時采用PC-4型自動氣象站（錦州陽光氣象科技有限公司，精度：溫度±0.1 ℃、太陽輻射照度≤5%）實時監測室外的太陽輻射照度、空氣溫度及速度等參數。

2.3 評價參數

根據墻體構筑方法和對墻體傳熱過程的分析，對于微熱管陣列蓄熱墻體熱性能評價參數主要有墻體內表面溫度、墻體厚度方向溫度分布、溫室環境溫度、溫室內地面溫度以及墻體日蓄/放熱量等。

2.3.1 溫室墻體內表面溫度

墻體作為溫室重要的蓄熱體，白天溫室墻體內表面吸收太陽熱能并向墻體內部傳遞；夜間墻體內表面與室內空氣發生對流換熱，并與其他圍護結構內表面之間進行輻射換熱，將墻體內部的熱量釋放到溫室內。因此，墻體內表面溫度是墻體熱工性能重要的評價指標之一，其值按各測點溫度對應的面積加權平均計算。

2.3.2 墻體厚度方向溫度分布

本研究所提出溫室墻體結構的出發點是運用微熱管陣列技術提高墻體內部溫度，達到提升墻體蓄熱能力的目的。因此，墻體厚度方向的溫度分布是表征微熱管陣列墻體熱性能的基本考核參數。

2.3.3 溫室環境溫度

日光溫室內空氣溫度ta及其溫室圍護結構各內表面溫度相互作用營造出溫室微氣候熱環境。為了綜合評價兩者之間的影響，采用溫室環境溫度te衡量溫室熱環境參數，其值按式（1）計算[33]。

式中ta為溫室內空氣溫度，℃；tMRT表示溫室圍護結構各壁面的平均輻射溫度，℃，按式（2）計算[7]。

式中Fi為溫室內圍護結構第i個壁面面積，m2；ti為對應第i個壁面的測試溫度，℃。

2.3.4 溫室地表面溫度

土壤溫度對溫室作物的生長發育起決定作用，它直接影響作物根系生長及營養物質的輸運。因此，土壤表面溫度也是溫室熱環境因子中重要的指標之一。本文采用溫室地表面中心處的溫度表示。

2.3.5 溫室墻體日蓄/放熱量

白天，隨著太陽輻照強度增大，墻體溫度呈現明顯的上升，溫室墻體會儲存大量的熱量，儲存的熱量會對墻體夜間的放熱能力和室內空氣溫度產生積極影響。因此，將保溫被開啟時段墻體白天儲存的熱量稱為墻體日蓄熱量，按式（3）計算。在夜間，墻體的放熱是溫室內環境的唯一熱源，有助于保持溫室內空氣溫度在溫室作物生長的適宜范圍內。因此，將保溫被關閉時段墻體向室內釋放的熱量稱為墻體日放熱量，按式（4）計算[24]。

式中Qhsc與Qhrc分別為溫室墻體的日蓄熱量與放熱量，J；Q9:00為保溫被開啟時墻體熱量，J；Q17:00為保溫被關閉時墻體熱量，J；Q9:00day+1為次日保溫被開啟時墻體熱量，J。

2.3.6 墻體蓄放熱速率

墻體蓄放熱速率是表征墻體蓄放熱快慢的物理量，根據墻體內部溫度場的溫度，可定量的計算出墻體的蓄放熱速率，按式（5）計算[34]。計算結果為正時為蓄熱速率，計算結果為負時為放熱速率。

式中qv為墻體蓄放熱速率，W；Qτ+Δτ為τ+Δτ時刻墻體蓄放熱量，J，Qτ-Δτ為τ-Δτ時刻墻體蓄放熱量，J；τ為時間，s；Δτ為時間步長，s。

2.4 試驗不確定性分析

為考核試驗結果的可靠性，需進行試驗不確定性分析。直接測量數據的精度可由試驗中所使用的測量設備直接獲得，而對于由直接測量數據計算所得的間接數據，其精度需通過誤差傳遞公式（6）計算[35]。

式中y為自變量組成的函數；xn為各自相互獨立的自變量；δxn為各自變量不確定度，%；δy為因變量不確定度，%。本文所用間接數據為溫室環境溫度和墻體日蓄放/熱量。熱電偶測量精度為±0.2 ℃，經公式（5）計算，溫室環境溫度和墻體蓄放熱量及蓄放熱速率的最大平均相對不確定度分別為3.35%、4.24%、2.65%。計算結果顯示間接數據相對不確定小于5%，計算結果可靠。

3 結果與分析

本文選取典型晴天（2019年12月26日至28日）的數據進行對比分析，如圖4所示。由圖4可知，典型日隨著太陽輻射照度的增大，室外空氣溫度也隨之升高，太陽輻射照度在正午12:00時達到最大值，但空氣溫度比其延遲約2.5h達到最高值，之后隨著太陽輻照度的減弱，溫度也隨之降低，12月26日至28日的室外空氣溫度分別為-8.4～1.9、-7.9～3.9、-4.3～9.3 ℃，其中，白天蓄熱時段（9:00至17:00）其室外平均空氣溫度分別為-1.2、0.3和4.2 ℃，夜間放熱時段（17:00至次日9:00）室外平均空氣溫度分別為-5.1、-4.3和-0.8 ℃。典型日太陽輻射照度最大值分別為622、651和697 W/m2，日累計太陽輻射照度分別為11.32、11.86和12.61 MJ/m2。

3.1 墻體內表面溫度

圖5為典型日溫室墻體室內側表面溫度隨時間變化圖。由圖5可知，在不同的室外環境下，溫室墻體其內表面溫度變化趨勢基本相似，即白天隨太陽輻射照度升降而增減，夜間呈下降趨勢，兩溫室墻體內表面最大值比太陽輻照度最大值滯后約2.7 h。典型日MHPA墻體內表面日平均溫度較普通砌塊墻體的高2.6～3.5 ℃。其中，夜間放熱時段（17:00至次日9:00），MHPA墻體內表面平均溫度較普通砌塊墻體提高了1.6～2.3 ℃。且在不同室外條件下，整個放熱過程中，MHPA墻體內表面溫度始終高于普通砌塊墻體內表面溫度。

3.2 墻體厚度方向溫度分布

圖6為典型日不同時刻兩溫室墻體截面溫度隨厚度分布圖。由圖6可知，溫室墻體內部溫度的高低與室外太陽輻照度及室外空氣溫度的強弱呈正相關關系，當太陽輻照度越大、室外空氣溫度越高時，不同時刻溫室墻體內部溫度越高，其溫度波動幅度越劇烈。

典型日保溫被開啟時（09:00）墻體壁面的溫度都低于墻體內部的溫度，此時MHPA墻體的溫度始終高于普通墻體的；隨太陽輻照度升高，普通墻體溫度波逐步向墻體內部推進，影響墻體厚度約為300 mm，與普通墻體相比，MHPA墻體呈現出完全不同的溫度分布特點，其墻體內部溫度呈現一個小的溫升波峰，并且后者溫度顯著高于前者的；在保溫被關閉（17:00）時，溫室墻體完成蓄熱過程，兩溫室墻體內部溫度都隨墻體厚度的增加而逐漸降低，除保溫板外，典型日從室內向室外沿墻體厚度方向0～370 mm區域內MHPA墻體內部的平均溫度提高2.7～4.0 ℃，MHPA墻體內部溫度分布也均高于普通砌塊墻體的，在60～300 mm區域內MHPA墻體的溫度與普通墻體的相比，兩者的溫差較為顯著。

值得注意的是在185 mm附近，MHPA墻體與普通砌塊墻體的溫差最大，前者比后者高5.5～7.0 ℃。這是因為乙字形MHPA的冷凝段埋設在此附近處，白天太陽光波經前坡屋面透射到溫室北墻內表面，砌筑在北墻內表面并被涂黑的MHPA蒸發段依靠其內部微熱管陣列高效熱傳輸特性將太陽能熱量從蒸發段輸運至冷凝段，再從冷凝段向砌塊四周傳遞，從而提高了MHPA墻體內部溫度。普通墻體只能依靠墻體材料的導熱性能將北墻體內表面蓄積的熱量在溫差驅動的作用下緩慢的傳遞到墻體內部。因此，MHPA的引入可提高溫室墻體內部的溫度，提升墻體的蓄熱性能。

3.3 溫室環境溫度

圖7為兩溫室室內環境溫度隨時間變化圖，由圖7可知，在白天蓄熱時段（09:00至17:00），溫室環境溫度隨太陽輻照度的變化而變化，在17:00之后溫室環境溫度出現了小幅升溫然后再逐漸降溫，這是由于保溫被關閉后溫室通過前坡屋面的熱損失減少，且溫室墻體向室內持續釋放熱量，使得溫室環境溫度出現上升現象，但由于室外空氣溫度下降速率較大（見圖4），導致溫室通過各圍護結構的熱量損失變大，溫室環境溫度也出現逐步下降。

典型日在14:00時前后兩溫室環境溫度達到最大值，在整個蓄熱期間MHPA溫室的環境溫度略低于普通溫室的，平均值低0.2～0.5℃；在夜間放熱時段（17:00至次日09:00），MHPA溫室平均溫室環境溫度較普通溫室的提高1.2～1.5 ℃。且在整個夜間放熱時段（17:00至次日09:00），MHPA溫室的溫室環境溫度始終高于普通溫室的。因此，MHPA墻體能夠有效的改善溫室內的熱環境，且對溫室內熱環境起“削峰填谷”的作用。

3.4 溫室地表面溫度

圖8為兩溫室地表面溫度隨時間變化，由圖8可知，不同室外條件下，兩溫室地表面溫度的最大值較太陽輻照度最大值滯后約2.5 h，兩溫室地表面溫度變化趨勢基本相同。典型日蓄熱時段（09:00至17:00）MHPA溫室的地表面最高溫度較普通溫室地表面的低3.2～4.4 ℃，平均值低1.8～1.9 ℃。在放熱時段（17:00至次日09:00）MHPA溫室地表面平均溫度較普通溫室的高0.6～1.0 ℃。由此也可看出，MHPA墻體在白天蓄熱階段把太陽能有效的蓄存到墻體的內部（見圖6），使得室內環境溫度保持在適宜的溫度范圍，而在放熱階段又能將熱量逐步的從墻體內部釋放到溫室內，從而提高溫室地表面溫度，有助于溫室作物的生長。

3.5 墻體日蓄熱量與日放熱量

圖9為典型日兩溫室墻體日蓄/放熱量對比圖。由圖9可知，典型日MHPA墻體的日蓄熱量分別為2 928.1、2 589.9和2 850.6 kJ，而普通砌塊墻體的分別為2 560.7、2 334.1和2 617.0 kJ，前者日蓄熱量都高于后者的，比后者分別提高了14.35%、10.96%和8.93%；對應時段MHPA墻體的日放熱量分別達到1 815.8、2 062.8和2 043.7 kJ，比普通砌塊墻體的分別提高2.24%、5.74%和8.07%。這表明MHPA墻體的蓄放熱能力高于普通砌塊墻體的，從而也反映出MHPA引入溫室墻體中能有效提升溫室墻體的蓄放熱能力。

3.6 墻體蓄放熱速率

圖10為12月27日不同時刻兩溫室墻體蓄放熱速率，由圖10可知，MHPA墻體可以有效提高墻體的蓄放熱性能。在保溫被開啟的前1 h內（09:00－10:00）由于太陽輻射照度小，室外空氣溫度較低，保溫被剛開啟，室內溫度相對較高，溫室向室外環境的散熱量相對較大，因此墻體仍處于放熱狀態。在保溫被開啟時段（09:00－17:00），MHPA墻體的最大和平均蓄熱速率分別為145.7和89.9 W，較普通墻體分別提高9.63%和10.99%。保溫被關閉時段，MHPA墻體最大和平均放熱速率分別為41.4和35.8 W，較普通墻體分別提高9.23%和5.60%。尤其是在夜間23:00－次日7:00，MHPA墻體的放熱速率均大于普通墻體的，平均提升11.53%。這說明MHPA墻體能夠有效地改善溫室夜間的室內熱環境。

4 結 論

為提高日光溫室復合結構墻體熱穩定層的溫度并提升溫室墻體材料的蓄熱性能，提出了一種日光溫室平板微熱管陣列蓄熱墻體，結合墻體熱性能評價參數，通過現場小型對比試驗分析了冬天典型日該溫室蓄熱墻體的蓄放熱特性及改善溫室熱環境效果，得出以下結論：

1）典型日MHPA墻體內表面日平均溫度較普通砌塊墻體的高2.6～3.5 ℃；夜間（17:00至次日09:00），MHPA墻體內表面平均溫度較普通砌塊墻體提高了1.6～2.3 ℃。

2）典型日MHPA墻體內部的最高溫度較普通砌塊墻體內的高5.5～7.0 ℃，在0～370 mm區域內前者的平均溫度比后者提高了2.7～4.0 ℃，MHPA的引入可提高溫室墻體內部的溫度。

3）在蓄熱時段（09:00至17:00）MHPA溫室環境溫度略低于普通溫室0.2～0.5 ℃，但在夜間放熱時段（17:00至次日09:00）MHPA溫室平均溫室環境溫度比普通溫室的高1.2～1.5 ℃；典型日蓄熱期間MHPA溫室的地表面平均溫度較普通溫室地表面的低1.8～1.9 ℃，在放熱期間前者較后者高0.6～1.0 ℃。微熱管陣列蓄熱墻體對溫室內熱環境能起“削峰填谷”的作用。

4）在冬季典型日，MHPA墻體的日蓄熱量比普通砌塊墻體的提高了8.93%～14.35%，日放熱量比普通砌塊墻體的提高了2.24%～8.07%。夜間23:00－次日07:00，MHPA墻體的放熱速率均大于普通墻體的，平均提升11.53%。MHPA蓄熱砌塊應用于溫室墻體可提升溫室墻體的蓄熱和放熱能力。

需要說明的是本文僅對單根MHPA蓄熱砌塊應用于小型溫室墻體中進行了試驗研究，對于多組MHPA蓄熱砌塊陣列布置日光溫室墻體的研究工作將在后續開展。