日光温室太阳能被动式相变蓄热墙体热工设计原理与方法

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日光温室是一种把太阳能应用于冬季蔬菜种植的设施农业建筑。由于太阳能的间歇性和不稳定性,加上我国北方地区冬季寒冷,使得日光温室被动式利用太阳能改善温室作物生长热环境的作用不断受到挑战。为了提升日光温室墙体的蓄热保温性能,改善日光温室微气候热环境,提高日光温室太阳能和土地的利用率,本文采用理论分析、实验测试与数值分析相结合的方法,重点围绕日光温室被动式蓄热墙体的构筑方法、蓄热墙体的热性能评价方法及其结构参数优化设计方法等方面进行了创新性研究:  首先,对我国典型日光温室结构墙体的蓄热与保温性能进行了分析。结果表明,我国温室墙体在构造方法上存在重保温轻蓄热,蓄热与传热模糊的问题;现有温室墙体温度在典型时刻最高值不足40℃,太阳能透过温室前屋面所能影响墙体温度变化的深度约为400mm,内层墙体有效的蓄热体积有限,显热蓄热方式无法满足蓄热需求,并且墙体热区的能量品位优势未得到利用。所以,为了提高日光温室墙体的热性能,提升日光温室墙体对其热环境的调控水平,提高日光温室太阳能和土地利用率,迫切需要针对日光温室蓄热墙体热工设计原理与方法开展研究。  其次,针对当前被动式日光温室墙体在热工性能设计方法方面存在的不足,提出了三重结构相变蓄热墙体的构筑方法。即,温室墙体内侧的蓄热层采用蓄热能力强,对蓄热温度要求不高,并能蓄存热量多的相变墙体材料;尽可能增大温室墙体外表面材料层的热阻,以最大限度的减小通过该墙体流失至室外环境的热损失;在确保中间墙体层承重载荷前提条件下,充分发挥中间墙体层的显热蓄热及保温能力。  第三,对三重结构相变蓄热墙体中相变蓄热层的成型方式进行了实验研究。结果表明,在相同的蓄/放热条件下,直混试件比插层试件提前80min结束蓄放热,直混试件的蓄、放热量分别比插层试件大10%和15%。这表明直混法成型方式比插层法的传热性能和蓄放热效率更好,直混法更适合于在日光温室蓄热墙体中使用。  第四,基于复杂天气条件下长期的实验测试与分析,首次提出了三重结构相变蓄热墙体在日光温室中应用效果的动态热性能评价方法。利用提出的评价方法分析发现,相变材料对长期提升日光温室热环境有着十分重要的作用。在实验测试期间,与普通墙体相比,相变蓄热墙体日蓄热增长率在晴天和阴天分别为10.5%和11.8%,而相变墙体日放热增长率分别为6.9%和17.7%;相变材料的蓄热率在晴天和阴天分别达到78.1%和80.3%,相变材料的放热率分别达到86.3%和62.6%;在典型日,三重结构相变蓄热墙体的有效蓄热量比普通墙体提高了12.2%~14.0%;在保温被关闭时段,三重结构相变蓄热墙体的累计热损失比普通墙体的减少了4.5%~5.6%;三重结构相变蓄热墙体的日有效供热量比普通墙体的提高了6.6%~21.4%。三重结构相变蓄热墙体能够显著提高温室墙体的蓄热与保温性能,改善了温室热环境,增加了太阳能的利用率,实验结果佐证了三重结构蓄热墙体构筑方法的科学性。  第五,为定量分析相变蓄热墙体的蓄放热性能,运用嵌入法建立了三重结构相变蓄热墙体传热模型。该模型的模拟值与实验值吻合的较好,最大相对误差为11.7%,平均相对误差为3.5%。采用嵌入法将相变材料的实际等价比热嵌入到建立的传热模型之中,可很好解决现有方法中因将相变材料的等价比热拟合成一个值或一个数学公式而导致数值结果误差大的问题。  最后,为了优化设计三重结构相变蓄热墙体,首次提出了日光温室三重结构相变蓄热墙体的优化设计方法,利用所提出的优化设计方法,以北京地区为例,得到了北京地区三重结构相变蓄热墙体中PCM板、砌块砖和保温板(EPS)的最佳厚度分别为50mm、620mm和70mm;对于北京地区,当三重结构相变蓄热墙体中保温材料分别采用挤塑聚苯乙烯(XPS)、发泡聚苯乙烯(EPS)、岩棉(RW)和玻璃棉(GW)等四种保温材料时,它们的最佳厚度依次为50mm、70mm、120mm和130mm,回收期分别是2.2年、2.2年、2.0年和1.2年。  本文提出的日光温室三重结构相变蓄热墙体构筑方法及其动态热性能评价与优化设计方法可为日光温室墙体设计建造提供参考。
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