（农业生物环境与能源工程专业论文）温室覆盖层传热及传热系数的理论解析与验证.pdf

摘要 本文构建了覆盖材料传热的理论分析方法，并进行了试验测定。旨在研究园艺设施覆盖材 料传热系数与覆盖材料热物理特性( 红外辐射发射率、反射率和透过率等) 、工作环境条件( 设 施内外气温、天空辐射温度、室外风速等) 的关系，为温室覆盖材料传热特性的测评、温室环 境的工程设计、研究分析以及温室应用等方面提供正确的理论指导。 理论分析方法，首先构建了园艺设施覆盖材料传热的理论模獬，在此基础上提出了基于覆 盖层能量平衡法的园艺设施覆盖层传热的理论分析方法，得出了覆盖层传热系数的理论计算式。 该模型采用了拱形面覆盖的假设，兼顾了反映覆盖层构造的影响和适当简化问题的要求，通过 对覆盖层内、外侧有效辐射的分析，确定了反映各因素影响的覆盖层内、外侧辐射传热关系式。 试验测定，在原有园艺设施覆盖材料传热系数测试台基础上进行改进，并提出了一套可操 作性的测试步骤和数据处理方法。改进后测试台可模拟接近园艺设施覆盖材料的实际使用情况， 测试环境稳定，测试条件可调节，测定结果精度高。 研究结果表明，透过率对覆盖材料传热系数影响显著，发射率次之，反射率影响不明显： 风速和天空辐射背景温度对不同覆盖材料的传热系数影响程度不同对p e 膜影响显著，对p c 板影响很小。 关键词：温室。覆盖材料，传热系数，理论分析，试验测定 a b s t r a c t t h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o do nh e a tt r a n s f e ro fc o v e r i n gm a t e r i a l sw a se s t a b l i s h e da n dt e s t m e a s u r e m e n tm e t h o dw a su s e dt ov a l i d a t ei nt h i sp a p e ri no r d e rt os t u d yo nt h er e l a t i o n sb e t w e e nh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n to fc o v e r i n gm a t e r i a l si ng r e e n h o u s ea n dt h e i rt h e r m a lp r o p e r t y , i n c l u d i n gi n f r a r e d e m i s s i v i t y , r e f l e c t i v i t y , t r a n s m i t t a n c ee t c a sw e l la s t h e i rw o r kc o n d i t i o n si ns i t u ，i n c l u d i n go u t s i d e t e m p e r a t u r e ，i n s i d et e m p e r a t u r e ，s k yt e m p e r a t u r e ，a n dw i n ds p e e d t h e s em e t h o d s c a no f f e r t h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o re v a l u a t i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fc o v e r i n gm a t e r i a l s ，d e s i g n i n g e n v i r o n m e n to f g r e e n h o u s e ，s t u d y i n g ，a n a l y z i n ga n du s i n gg r e e n h o u s e t h e o r e t i c a lm o d e lo nh e a tt r a n s f e ro fc o v e r i n gm a t e r i a l si ng r e e n h o u s ef i r s t l yw a se s t a b l i s h e d s e c o n d l ye n e r g ye q u i l i b r i u mo fc o v e r i n gl a y e rw a sp u tf o r w a r d s a n dt h e nt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n f o r m u l a eo nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f c o v e r i n gl a y e rw e r ed e d u c e d c o v e r i n gl a y e rw a ss u p p o s e da s a r c i f o r ms u r f a c ei nt h e o r e t i c a lm o d e l a tt h es a m et i m ei tm e e t st h en e e do fp r o p e rp r e d i g e s t i o na n d s h o w st h a ti t sc o n s t r u c t i o nh a se f f e c to nm o d e l b ya n a l y z i n gn e tr a d i a t i o no fc o v e r i n gl a y e ri n s i d e a n do u t s i d e ，t h et h e o r e t i c a lm e t h o dd e t e r m i n e se x p r e s s i o n so nh e a tt r a n s f e ro fr a d i a t i o n ，w h i c hs h o w t h ee f f e c to f s e v e r a lf a c t o r s t e s tm e a s u r e m e n tm e t h o dw a si m p r o v e do nb a s i so fp r i m a r yt e s ta p p a r a t u s as e to fo p e r a t i v e t e s tp r o c e d u r ea n dm e t h o do nd e a l i n gw i t hd a t aw e r ep r o v i d e di nt h i sp a p e a f t e ri m p r o v e d ，t h et e s t a p p a r a t u sc a ns i m u l a t er e a lw o r kc o n d i t i o n so f c o v e r i n gm a t e r i a l s ，t h et e s ti st o o ku n d e rt h es t a b l et e s t c o n d i t i o n s ，t h et e s tc o n d i t i o n sa r ec o m p r e h e n s i v e l ya d j u s t e dt os o m ee x t e m ，a n dt h em e a s u r i n gv a l u e s i se x a c t r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c to ft r a n s m i t t a n c eo f fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fc o v e r i n g m a t e r i a l s i s o b v i o u s ，e f f e c t o f e m i s s i v r y i s t h es e c o n d ，a n d e f f e c t o fr e f l e c t i v i t y i ss t e a d y w i n ds p e e d a n ds k yt e m p e r a t u r eh a v ed i f f e r e n te f f e c to nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fd i f f e r e n tc o v e r i n gm a t e r i a l s p ef i l m si so b v i o u sa n dp c si sa l m o s ts t e a d y k e yw o r d s ：g r e e n h o u s e ，c o v e r i n gm a t e r i a l s ，h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t e s t m e a s u r e m e n t ， i i 符号 屯及l t l 及死 0 及t t l ，n 及瓦 r f 1 f i b 意义 室外气温 室内气温 符号说明 单位 说明符号意义单位说明 及k 及k 天空温度及k 覆盖层温度及k 室内地面及植物的温度及k 天空面积 m 2 覆盖层面积 m 2 地面面积 m 2 保温比 一 天空有效辐射 w m 2 朝向天空的投射辐射 w m ； 覆盖层上表面有效辐射 w m 2 g 。 覆盖层上毒乒的投射辐 w m 2 别 覆盖层下表面有效辐射 w m 2 覆盖层下毫要的投射辐 w m 2 射 室内地面有效辐射 w m 2 室内地面的投射辐射w m 2 覆盖层上表面对天空的 角系数 天空对覆盖层上表面的 角系数 地面对覆盖层下表面的 角系数 覆盖层下表面对地面的 角系数 面积 投射辐射 温度 覆盖材料对辐射的透过 蛊 ( 辐射) 发射率 天空 土壤，地面 室内 室外 黜层瓣的的一= o 竹1 ” 角系数 一 一” 卉d l d 覆盖层鬻自身的 一= l 一1 3 竹。，“ 角系数 一 一1 一 t 。覆盖层的辐射透过率一 a天空反射率 一 = 0 a地面反射率 一 = n 。 覆盖层上表面反射率 一 n d覆盖层下表面反射率一 目天空发射率一 = 1 = f f 18 i 。 覆盖层上表面发射率 一 自d覆盖层下表面发射率一 毛室内地面与植物发射率 吼 q w 黑体辐射常数 覆盖层传热量 w ( m ：k 4 ) 。5 6 7 w m 2 q - 。覆盖层外侧对流换热量 w m 2 q t d 覆盖层内侧对流换热量w ，m 2 碣。覆盖层外恐萝流换热系w ( w ( m 2 )碣u 数 m c ) 鼬覆盖肭謦流换热系w ( m 2 ) = 1 v 。室外风速m s 一= f l f 。q h覆盖层内侧辐射传热量 w m 2 m 2 w m 2 = 1 = f 。f l = d q 。覆盖层外侧辐射传热量 w m 2 k q j r p 以b 1 u d 传热系数 热流量 有效辐射 温度 ( 对辎射的) 反射率 a 表面对b 表面的角系数 外覆盖层 上表面 下表面 w ( m 2 1 w m 2 w m k 山吼以q“f g，。，i。 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 黼 时间： 洲年石月刀日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：农够 时间： 州年莎月，尸日 导师签名 马存 i 对i a j ：沙可年月f 7 r j 1 1 课题背景及意义 1 1 1 课题背景 第一章绪论 ( 1 ) 温室节能的迫切需要 进入2 l 世纪。能源问题成为世界各国关注的焦点和人类急待解决的问题。设施农业作为一 个巨大全球性的产业，通过设施及环境调节，为作物营造较为适宜的生长环境达到早熟、高产、 优质、高效的集约化生产，为解决反季节蔬菜生产作出了巨大的贡献。尤其是2 0 世纪9 0 年代以 来，我国的设施园艺产业得到迅猛的发展，设施园艺被看作是2 1 世纪最具活力的农村新产业， 为解决“菜篮子”工程作出了突出贡献。 同时，设施园艺又是一项耗能巨大的产业。国内外的许多研究表明，温室内通过覆盖材料的 热量损失占温室热损失的比重很大。日本的林真纪夫测得单层玻璃覆盖温室中，覆盖材料的传热 量、通风换气的热量损失以及通过地中的热损失分别约占温室传热量7 0o a 、2 0 、1 0 。陈端 生”等对鞍山、北京、天津等地的目光温室进行温度观测，结果表明：塑料膜日光温室夜间的主 要放热面仍是具有覆盖材料的前屋面。k v g a r z o l i 和j b l a c k w e l l 分别对单层和双层塑料薄膜棚 室的夜间传热性能进行理论和实验分析，他们指出：单层塑料薄膜的传热量约占7 5 以上”“。 覆盖材料的热传递是导熟、对流和辐射三种基本传热方式的复合过程，因此判定其热工性能 优劣，需要一个综合性指标。传热系数作为园艺设施覆盖材料热工性能的综合性评价指标，不仅 综合地反映了覆盖材料在使用条件下的最终传热结果，还全面和直接地反映了温室覆盖材料的保 温性能，根据其太小就可判定覆盖材料保温性能的优劣，也能够方便地进行设施热环境的定量计 算分析。但是，传热系数大小不仅取决于覆盖材料本身，还与其实际的使用条件有关。因此，采 用科学的覆盖材料传热系数测定技术与评价方法，掌握不同因素对传热系数的影响，理论上深入 透彻地研究覆盖材料传热系数与覆盖材料热特性以及与覆盖材料实际使用条件的关系机理，通过 改变覆盖材料自身的热特性，调控温室覆盖材料实际使用情况，从而降低覆盖材料传热系数，进 而达到温室保温节能的目的。 ( 2 ) 温室自动化控制的迫切需要 现在，世界各国的设施园艺发展很快，温室的自动化和智能程度不断的提高。实现温室的智 能控制，首先需要对温室环境预先模拟。温室环境模型是温室环境控制、设计和科学研究的一种 有力工具和理论方法，在定量地描述温室内发生的各种物理过程的基础上，综合各种物理过程， 建立的温室内环境和室外环境、控制设备之间内在联系的数学表达。所以在设施园艺环境控制方 面应加强覆盖层传热的基础研究，建立不同设施覆盖材料类型、不同实际使用环境与覆盖材料传 热系数的数据库，在此基础上建立设施园艺热环境的数学模型，以指导环境调控，从而开发适 用性强的通用软件和专家系统，提高环境的调控水平。近年来，我国温室产业得到了突飞猛进的 发展。我国温室生产企业和研究机构在温室硬件的开发上及在温室设备调控环境的能力方面已达 l 到一定水平，如何使这些设备协调工作，在满足或近似植物生长条件下，减少能耗，降低生产成 本达到高产、高效、优质的生产效果是一个亟待解决的问题。覆盖层分析模型作为温室环境模型 的有机组成部分，它的深入研究无疑给温室热环境模型完善奠定基础，使温室环境模型朝着实用 性迈进了一大步，实现温室生态环境因素控制自动化。 ( 3 ) 覆盖材料迅速发展的迫切需要 近年来，我国以温室为主体的设施园艺事业蓬勃发展，形成了温室建设的新高潮。据不完全 统计，截至1 9 9 9 年底，国内具有相当规模，并以现代温室为主导，展示现代农业技术的农业科 技示范园区己超过3 0 0 家，各地引进国外大型温室已超过3 0 0 h m 2 ，包括1 0 多个国家、上百个企 业的温室产品。全国以日光温室、塑料大棚为主体生产超时令、反季节蔬菜的设施面积已达1 3 9 6 万h m 2 ，居世界第一”。1 9 8 6 1 9 9 9 年，设施年均扩展达1 0 2 万h m 2 。如此迅猛的发展形势，推 动了我国温室企业的快速崛起。随着温室企业的发展，温室覆盖材料也由最初的以玻璃为主，到 目前主要采用塑料薄膜和透明板材等有机制品，如聚乙烯薄膜( p e ) ，聚氯乙烯薄膜( p v c ) ， 醋酸乙烯薄膜( e v a ) 等。此外许多新型覆盖材料，如多功能、耐候性强的透明塑料薄膜，温室 内、外的保温材料，透明塑料板材( 如p c 板) 等层出不穷”。温室企业在丰富覆盖材料市场的 同时，也带来了一些问题。覆盖材料的规格、类型、用途、基本性能，无统一的设计、制造标准， 任凭各地、各企业、厂家自行其事，势必会影响、制约我国设施园艺事业的健康可持续发展“。 研究一套有效的、可靠的、操作性强的覆盖材料传热系数理论计算方法和测量方法是温室产业发 展的迫切要求。该法为规范我国的覆盖材料市场提供理论基础和试验手段。 1 1 2 课题研究意义 覆盖材料的传热系数是其保温节能性评价的重要指标，同时也是园艺设施内熟环境分析和环 境工程设计中的重要参数，通常采用实验测定的方法进行确定。但由于传热系数是反映覆盖材料 多种传热过程的综合性参数，其具体数值不仅取决于覆盖材料本身，还取决于影响多种传热过程 的工作环境因素。这就使得实际使用中的覆盖材料传热系数不是一个定值，而是根据工作环境条 件的不同在一定范围内变化。因此覆盖材料传热系数的测评，需要采取科学的方法，包括测定设 备与测定条件以及测定结果的评价方法，同时，在采用传热系数进行覆盖材料保温性能和设施热 环境的计算分析时，应根据其使用条件，采取相应合理的数值。为此，从理论上对传热系数进行 解析，从而全面准确地掌握其影响因素，以正确的理论指导园艺设施覆盖材料传热性能的测评和 设施热环境的计算分析，是非常必要的。 在实际中，归纳和总结出一套可靠的、合理的覆盖材料传热系数的测试方法。此测试方法主 要使用了覆盖材料传熟系数测试台装置。在原有的基础上改进测试台，使测试台可稳定地模拟实 现接近园艺设施覆盖材料实际工作的环境，包括设施内外气温、室外风速和天空辐射背景等条件， 尽可能真实地反映各因素对覆盖材料传热的影响。在原来基础上归纳和提出一套适应于园艺设施 覆盖材料传热方式和工作环境特点的测试方法、i 卿4 试步骤和试验数据处理方法。该测试方法可为 园艺设施覆盖材料传热性能的测评和设施园艺传热系数计算分析提供有效的指导。 由此理论方法和测试方法得出的覆盖材料传热系数的定量关系式，可在己知覆盖材料的热 2 物理特性，如透过率、反射率、发射率，和实际使用条件f 。简便地计算出覆盖材料传热系数， 直观地判断覆盖材料的保温一陛能，为温室企业和科研的实际运作提供一个行业标准和评判依据。 1 2 课题研究历史、现状及存在问题 1 2 1 温室覆盖层传热研究历史、现状及存在问题 园艺设施覆盖材料传热是传导、对流和辐射等基本传热方式的综合作用，由于其工作环境以 及多种传热过程综合作用的复杂性，从理论上准确计算确定其传热系数有很大难度。尤其是，园 艺设旌覆盖材料可透过热辐射使设施内真接与设施外环境( 天空等) 进行辐射换热，在这一点上 与建筑围护材料有很大不同。过去曾采用与建筑墙体相同形式的计算式计算园艺设施覆盖材料的 传热系数“2 ”3 ，而将辐射传熟的作用折算在表面换热系数中。但建筑围护墙体传热的计算方法主 要用于无直接热辐射透过的情况，不能较准确地反映可透过红外辐射的园艺设施覆盖材料的传热 特点。为此，国内外研究者对园艺设施覆盖材料的长波辐射传热开展了相关研究，提出了考虑天 空辐射背景、采用包括透射作用的有效辐射概念的计算模型”4 ”1 。 国内的凌坚、李以翠、邱建军等在研究覆盖材料的性能时，建立了模拟温室的传热的理论模 型。其中有些学者已经开始引用有效辐射的概念了、”1 ，只是热环境模型针对性较强，适用性不 广，考虑的实际情况不全面。 gp a p a d a k i s 研究了理论分析方法计算任意封闭体内的热辐射传热，其中各封闭体的面可以 透过长波辐射。在此基础上推倒了一套计算封闭体各面的热辐射交换，虽然模型计算中考虑了各 面的角系数，但计算较繁琐。而且此方法中所有面的温度都必须已知，所以此计算方法只能作为 计算温室净辐射流的子程序，应用不方便“。 e f e u i l l o l e y ，t 3 i s s a n c h o u “。“1 从理论模拟和试验测试方面对覆盖材料传热系数进行了较全面 的研究。考虑对流换热、传导换热、红外辐射换热，建立了理论模型，并编了软件计算温室覆盖 材料传热系数k 的理论值，模拟了覆盏材料传热系数与室内外温差，覆盖材料传热系数与透过率， 覆盖材料传热系数与室外风速，覆盖材料传热系数与天空辐射背景温度之间的定量关系式。不足 之处：没有考虑覆盖材料的其他热特性，如反射率发射率对传热系数的影响。所建模型只是为热 箱法测量传热系数提供一个比较的理论基础，不能作为一套独立的理论方法应用到温室设计或模 型控制。 李树海建立了考虑天空辐射背景对多层覆盖的覆盖层模型，模型假设中覆盖材料视为一个无 限大的平面，此假设简化了角系数的计算；同时，首次引入有效辐射的概念。对长波辐射，太阳 辐射传热进行分析。所以，该模型考虑了天空辐射背景，内、外遮阳幕，内、外层覆盖材料，空 气夹层，植物冠层、土壤等因素，是一个较全面的模型”1 。虽然引入了角系数的概念，但模型假 设时覆盖材料按无限大平面分析其辐射换热，简化了计算，而却不能准确反映覆盖材料围护形状 对其辐射传热的影响。有效反映各主要影响因素的较为准确的传热系数理论解析方法和计算式， 还有待进一步开展研究。 3 1 2 2 用热箱法测量覆盖材料传热系数的测量方法研究历史、现状及存在问题 对于建筑围护材料传热系数的测定，现已有成熟的( 热箱法) 测试技术、设备与标准”“， 但由于园艺设施覆盖材料工作环境、传熟方式等与建筑围护材料有很大差异，建筑围护材料传热 系数的测试技术、设备与标准不能适用于园艺设施覆盖材料”。 e f e u i l l o l e y o “等人根据热箱法原理，利用两个实验热箱对用于温室覆盖材料的玻璃和塑料薄 膜进行了传热系数的测定。采用这两个实验热箱对结露和不结露的情况进行了室外现场的对比实 验，并利用专门的软件模型分析回归出了测定材料的传热系数与室内外温差、覆盖材料的热辐射 透射率、室外风速、天空辐射温度的相互关系。 邱建军。”利用静态热箱法原理，通过自行设计制作的热箱对p v c 和p e 薄膜的传热系数进行 了测定。分别以p v c 和p e 薄膜为固定膜，外层加以无纺布、草苫、复合保温材料等其它覆盖材 料，分别对这些覆盖材料层的传热系数进行了实验室和现场的实验测定，分析了传热系数与室内 外温差、室外风速及室外净辐射的关系：在1 0 。c 3 0 的内外温差范围内。传热系数k 值基本稳 定在一个水平，在相同的内外温差的情况下室外测定的k 值与风速、净辐射量等室外气象条件 之间高度相关性。 周新群等”“利用自制的热箱装置对日光温室外保温蜂窝结构覆盖材料的传热系数进行了实 验测定和分析，研究了蜂窝高度、蜂窝结构的组成材料、添加铝箔以及铝箔位置对蜂窝结构覆盖 层传热系数的影响。 李以翠”“利用自制的热箱对双层充气膜覆盖材料的传热系数进行了测定。在研究透明p e 和 p v c 为材料的双层充气膜的传热系数同时，也研究了双层充气膜传热系数及其与箱内外温差( 即 温室内外温差) 、材料性质、充气厚度、室外风速及夜问净辐射的关系。 凌坚”根据热箱法原理，采用自制的热箱装置对透明塑料薄膜( e v a 、p e 、p v c ) 、黑色p e 膜、缀铝箔、镀铝膜、铝网膜、无纺布、黑纱网等保温幕材料的传热系数进行了测定，比较不同 保温幕材料的传热性能，分析铝箔保温幕中含铝箔数量，对保温性能的影响。 覃密道”、根据稳态传热理论和静态热箱法技术原理，研制开发了实验室内专门用于覆盖材料 传热系数测定的测试台。测试台的测试和检验结果表明，此测试台能较好在实验室内稳定地模拟 室内外气象条件，可为覆盖材料传热系数的测试提供必要的测试条件。此装置将熟箱法应用到了 及至，从测试条件的调控和运行来说，是目前较完善的、测试装置，但仍有多处需要改进，如测试 结果与推荐值差异很大，测试台运行后会出现一层厚厚的霜，等问题。 以上研究者用热箱法来测定园艺设施覆盖材料热工性能的试验研究，取得了有意义的成果。 但热箱法应用于园艺设施覆盖材料热工性能的测评仍存在着较多问题：( 1 ) 过去的实验研究，由 于受条件的限制。其设备与仪器大多较为简陋，实验条件难以准确控制，使实验测定结果误差较 大。( 2 ) 在实际使用的园艺设施中或在室外利用实验装置进行的实验测定，虽然能较为直接地反 映室外气象和实际使用条件的影响，但由于室外气温与风速、辐射环境等条件非常不稳定，给实 验测定带来很大误差。( 3 ) 同时现场实验测定结果依赖于实验当时的环境情况，难于控制实现统 一标准的条件，使各研究者所获得的结果有较大差异。而在实验室条件下的实验测定，虽然可以 控制实现较为稳定的实验测试条件，但未能反映室外天空辐射背景对覆盖材料传热的影响。f 4 ) 4 同时由于没有统一的测评标准，不同的研究者采用不同的装置进行试验研究，实验条件( 风速、 传热的温度与温差以及辐射换熟的环境等) 不一致因而得出的测定结果有较大的差异，实验测 定结果的可靠度和可比性差，因此也难以根据不同研究者的实验结果资料进行比较，准确地判定 不同覆盖材料热工性能的优劣。( 5 ) 未能直观地、定量地表示出覆盖材料传热系数与覆盖材料的 透过率、发射率、反射率、覆盖材料的室内外温差、室外风速、室外天空辐射背景温度等因子的 关系，即使一些学者也得出了覆盖材料传热系数与某一或某几个因子的定量关系，由于综上所述 的原因和问题，所得的定量关系有待进一步验证和系统的归纳。 1 2 3 覆盖材料传热系数与各因子关系的研究历史、现状及存在问题 温室覆盖材料传热系数不仅与覆盖材料自身的特性有关，还与覆盖材料的实际使用情况，即 室外天空辐射背景、室内外温度差、室外风速等有关系。国内外许多学者相继根据热箱法建立测 量装置研究覆盖材料传热系数及其与覆盖材料的透过率、室外天空辐射背景、室内外温差、室外 风速等的定性关系。 透光覆盖材料的热辐射性质是影响覆盖层传热系数的主要因素。周新群在用模型计算覆盖材 料传热系数时，发现单层覆盖材料传热系数总的变化趋势是随着覆盖材料辐射透过率t 的增加而 增大，当t 从0 增到0 4 时，k 值上升了3 2 ”。日本学者提出了辐射特性指数的经验公式。即， 辐射特性指数= 覆盖材料内反射率0 7 + 覆盖材料外发射率0 3 一透过率，并指出辐射特性 指数越大，覆盖材料保温性越好”“。而其他热特性对覆盖材料传热系数的影响，在文献中很少有 学者提到。 室内外温差也影响覆盏层传热系数。当室内外温差小的时候，保温材料传热系数大，且特别 指出了室内外温差是几度的时候，这种倾向显著”1 。日本的林真纪夫等的测定结果认为在内外 温差在1 0 。0 2 0 的范围内，k 值随着内外温差没有明显的差异。邱建军进行了实验室和现场的 实验测定，分析了传热系数与室内外温差、室外风速及室外净辐射的关系：在1 0 c 3 0 的内外 温差范围内，传热系数k 值基本稳定在一个水平，在相同的内外温差的情况下，室外测定时k 值 与风速、净辐射量等室外气象条件之间高度相关性。 室外气象条件中室外风速与地面夜间辐射情况是影响夜间材料保温性能的另一个主要因素 由于风速加大了覆盖层外面的对流换热系数，风吹散覆盖物外表面的空气层，刮走热空气，使温 室的热量不断向外流，增大了覆盖层的换热量，所以k 值随风速的增大而增大1 ，并且不同的覆 盖材料受室外风速的影响程度不同。邱建军、李以翠、王宇新、e f e u i l l o l e y 、e m m e r t 1 等得出 了不同覆盖材料传热系数k 值与风速的回归方程。 在以往的许多研究中虽然也有很多人在现场做试验，尽量反映实际情况，但都很少考虑夜 间室外天气情况的影响。而实际上， 大气情况对于覆盖层对天空的辐射能量有很大的影响“1 。 这里引入了夜间净辐射r 和天空有效温度z 的概念。地面由于吸收太阳总辐射而获得能量，同 时通过有效辐射的方式而损失热量，地面吸收的总辐射与地面有效辐射之间的差值，称为地面 净辐射。众所周知，由于夜间没有太阳辐射的收入，所以夜间净辐射r 为负，其数值等于当时的 地面有效辐射岛。而地面有效辐射矗，又是地面辐射疋与地面所吸收的大气逆辐射魍的差 值，表达式如下： e g = j o t 4 ( 1 - 1 ) 最= 占7 o t 4 = o 珐 ( 1 - 2 ) f o = 乓一占e ( 1 - 3 ) 所以，有r = 占o ( t 4 一t 。4 ，) ( 1 - 4 ) 占和占分别为地面和大气的相对辐射率，它是地面或火气的辐射能力与同一温度f 黑体辐 射能力的比较地面的辐射率占取为0 9 0 o 9 5 。地面净辐射的强度取决于地面温度、大气温度、 空气湿度和天空云量等。地面温度增加时，地面辐射增强，此时地面有效辐射加大，当空气温度增 加空气湿度大或云量增多时，大气逆辐射都会加大，使地面有效辐射减小，有时甚至为负值。所以 说，夜间辐射是室外大气情况的综合反映，它直接影响覆盖层对天空的辐射量。夜间净辐射r 和 天空有效温度z k 都反映夜间室外大气情况k 值与夜间净辐射呈直线关系且有高度相关性。当 r 增加时，天空晴朗，有效辐射增加。通过覆盖层的辐射放热也就增加。 1 3 课题研究内容、目标 1 3 1 课题研究内容 ( 1 ) 通过对温室覆盖层的传热解析，建立一个能够充分反映园艺设施覆盖材料自身热物理 特性、设施围护结构情况和工作环境条件的传热模型，该模型不仅能够真实地反映覆盖材料传热 特性和各主要因素的影响，还能够获得可供实用的传热系数的理论计算方法和模拟程序。 ( 2 ) 在农业部设施农业生物环境工程重点开放实验室研制的园艺设施覆盖材料传热系数测 试台原有的基础上，对该测试台，包括整流装置、除湿装置、温度传感器等。进行改进，解决测 试台原有工作中存在的问题如测量值与推荐值相差很大，并总结测试台工作的步骤和方法。 ( 3 ) 改进后的测试台，在尽可能模拟接近园艺设施覆盖材料的实际使用情况，在稳定的测 试环境( 辐射环境、气流、温度等) 条件下对典型的温室覆盖材料。如普通玻璃、p e 膜、镀膜 玻璃、p c 板传热系数进行实验测定。 ( 4 ) 利用理论分析方法和试验测量方法，研究覆盖材料的热特性，包括透过率、发射率、 反射率，室外风速，室外天空辐射背景温度，室内外温度对覆盖材料传热系数的影响。 1 3 2 课题研究目标 ( 1 ) 通过对温室覆盖层的分析，解决园艺设施领域的传热机理问题，推动园艺设施领域的 基础理论的研究。 ( 2 ) 通过对温室覆盖层和传热系数的深入研究，可以为温室的数字化控制提供理论基础和 依据，提高温室控制的可视化程度和控制精度。 ( 3 ) 为温室行业提供一套简便、可行的方法和标准，可直接评价覆盖材料的性能。该法根 据覆盖材料的热特性和实际使用情况，可以计算出相应情况下的覆盖材料传热系数，从而可以直 6 观地判断覆盖材料保温性能。 7 第二章园艺设施覆盖材料传热系数理论计算方法 园艺设施覆盖材料的传熟系数是其保温节能性评价的重要指标，同时也是园艺设旖内热环境 分析和环境工程设计中的重要参数，通常采用实验测定的方法进行确定。但由于传热系数是反映 覆盖材料多种传热过程的综合性参数，其具体数值不仅取决于覆盖材料本身，还取决于影响多种 传热过程的工作环境因素，这就使得实际使用中的覆盖材料其传热系数不是一个定值，而是根据 工作环境条件的不同在一定范围内变化。因此覆盏材料传热系数的测评，需要采取科学的方法， 包括测定设备与测定条件以及测定结果的评价方法，同时，在采用传热系数进行覆盖材料保温性 能和设施热环境的计算分析时，应根据其使用条件，采取相应合理的数值。为此，从理论上对传 热系数进行解析，从而全面准确地掌握其影响因素以正确的理论指导园艺设施覆盏材料传热性 能的测评和设施热环境的计算分析，是非常必要的。 本章构建了园艺设施覆盖材料传热的理论模型，提出了基于覆盖层能量平衡法的园艺设施覆 盖层传热的理论分析方法，得出了覆盖层传热系数的理论计算式。该理论计算模型采用了拱形面 覆盖的假设，兼顾了反映覆盖层构造的影响和适当简化问题的要求，通过对覆盖层内、外侧有效 辐射的分析，确定了反映各因素影响的覆盖层内、外侧辐射传热关系式，结合根据覆盖层能量平 衡的关系确定覆盖层温度的方法，确定覆盖层内、外侧与设施内、外的辐射传热和对流换热量， 从而解决了扒理论上分析覆盖层传热和计算传热系数的问题。 2 1 温室外覆盖层传热分析 2 ，1 1 计算模型与简化 温室经过覆盖材料的传热在通风较少时是温室热量散失的主要部分，尤其是在冬季夜间温室 完全密闭的情况下，通过覆盖材料的传热一般占总热量损失的6 0 9 5 。其传热过程可分为三 个阶段，第一阶段是覆盖材料内侧与室内环境间的换热，室内热量以辐射和对流两种形式传到覆 盖材料内侧；第二阶段是覆盖材料内的传热，包括热辐射透过材料和材料的导热两种形式：第三 阶段是覆盖材料外侧与室外环境间以辐射和对流两种形式的换热。可见对流和辐射传热是温室覆 盖层传热的主要形式，对温室覆盖层的传热分析起主要作用”。 在温室夜间辐射传热中，长波辐射是造成温室夜间能量损失的主要原因之一。温室内以长波 辐射产生的能量交换存在于覆盖材料、天空、作物冠层和室内地面之间。但由于侧墙本身组成复 杂，如有风机、湿垫、双层卷膜、矮墙、p c 板，如果全面考虑这些因素对传热的影响，将使计 算模型过于复杂：土壤是温室中热容量最大的元素，它使得温室热系统具备了延迟性，它的传热 形式视为二维非稳态传热；植物蒸腾又是一个非常复杂的过程。因此，温室传热过程是一个十分 复杂的系统。为了计算的简化，首先必须对真实的温室覆盖层进行一定抽象、简化，以达到数学 上可以描述和求解的程度。为此，提出如下假设： 覆盖层为单一材料拱形表面，单层。 8 考虑多数覆盖材料很薄的情况，忽略其导 热热阻，则材料内外侧温度相同。 研究夜间的传热情况，无太阳短波辐射， 天空视为温度为r = o 0 5 5 2 t d 的无限大黑体 4 加 植物与地面在考虑辐射换热时按一个辐 射体考虑，温度、辐射发射率和反射率均相同。 覆盖层内外表面与室内地面及植物均视 为漫灰表面，在与其传热相关的红外长波辐射的 波长范围内，其发射率( 吸收率) 、反射率以及 覆盖层的透过率均不随辐射波长变化。 忽略覆盖层外表面与室外地面间的辐射 换热 一i 盟一一：! 窭竺一 g v 口o 上 t o ( t o ) j - 。口8 g h 圈2 1 温室覆盖层传热计算简图 温室内的水蒸气也产生和吸收长波辐射，但其影响甚微，可以忽略。 2 1 2 角系数的说明 几个角系数确定如下： 武1 。天空对外覆盖材料上表面的角系数： 由热辐射和辐射换热中角系数的互换性原理，可知 r 丸l u = f t 西。，。 所以， 九i 。= f i 西。卅q = f 1 凡 由假设，天空视为黑体， 卉u v = 1 ， 所以， 丸1 。= f i 以 咖d ，；外覆盖材料下表面对地面的角系数； 原理同上， 所以， 由假设 只矗，l d = f i 西d s 办d ，s 2 凡弧，1 d ，f 1 矗，l d 2 1 鼬f 1 = 8 所以， 西d ，。= 西d ，i d 外覆盖材料下表面对自身的角系数 由热辐射和辐射换热中角系数的完整性，可知 咖d ，i d + 西d ，s = l 9 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 而d ，l d = 1 一 ( 2 _ 7 ) 根据上述计算模型与假设，覆盖材料的传热主要包括其内侧( 下侧) 与设施内地面和植物问 的辐射传热、与设施内空气间的对流换热，外侧( 上侧) 与天空的辐射换热、与设施外空气的对 流换热，以及设施内辐射表面与设施外天空间的辐射换热等。 2 1 3 辐射传热分析 ( 1 ) 有效辐射的概念 灰体并不会全部吸收外来的投射辐射，而要反射出去一部分。这种反射过程实际上在不断进 行，直到全部被吸收为止。这使得计算具有一定的复杂性。在实际计算中，常不去考虑这种多次 反射和吸收的过程，而仅考虑从每一个物体表面实际发出的总能量，即所谓物体表面的有效辐射 ，“1 。 采用有效辐射的分析方法，每一参与辐射换热的表面的辐射换热量均为该表面的有效辐射j 与投射辐射g 之差值。覆盖材料某侧表面接受的投射辐射。一部分透射到另一侧表面，成为届者 表面的一部分有效辐射。则对于覆盖材料，其某侧表面的有效辐射包括其表面自身发射的辐射、 反射的投射辐射和另一侧透过来的辐射三部分。如此处理，就将设施内辐射表面与设施外天空间 的辐射换热转化为通过覆盖材料内，1 - - - 侧表面分别与设施内辐射表面与设施外天空间的辐射换 热。于是，针对每参与辐射换热的表面，可分别列出各表面的有效辐射l ，与投射辐射g 如下。 有效辐射= 自身发射的辐射+ 反射的投射辐射+ 材料另一侧透过来的辐射 投射辐射= 来自对面的有效辐射+ 自身的有效辐射。 氐口8 g 、t 百叭、 ( 2 ) 温室覆盖层的辐射计算 由有效辐射的概念可知： 天空辐射背景温度的有效辐射： 圈2 - 2 有效辐射分析示意图 j n = s 。g 0 ：+ g y p 。 天空辐射背景温度的投射辐射： g v = 。硝。e e 覆盖材料上表面的有效辐射： 。= 矗。o b 五4 + g 】。n 。+ g l d f 覆盖材料下表面的投射辐射： 1 0 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 覆盖材料下表面的有效辐射： j i d = q d a b 互4 + g 1 d 局d + g 1 。彳 覆盖材料下表面的投射辐射： g l d = 以噍1 d e 饵+ d l d 妒dd 地面的有效辐射： j s = s p 七g s 氏 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) g s = d 西d 。鼻只 ( 2 。1 5 ) 将天空辐射背景温度的投射辐射，覆盖材料上表面的投射辐射，覆盖材料下表面的投射辐射， 地面的投射辐射均用其相应的有效辐射，表示，可化简方程组： 以= q o b f + 。萌。，a 曩e ( 2 。1 6 ) 。= 日。吼互4 + ( 凡氏i u e f , + d l 。破。j u ) n 。+ ( 礁，l d 只f , + d 旃d ，i d ) e l ( 2 - 1 7 ) 以d = 岛d a b 五4 十( 山盛舢e 巧+ 以。破。j u ) q + ( 以呔l d e v , + z d 旃d i d ) p l d ( 2 _ 1 8 ) 以= t g b r + d 破如p 。f 只 ( 2 。1 9 ) 将工，正已知代八方程式( 2 1 7 ) 和( 2 1 8 ) 中，风= 0 ，日= 1 及西u ，1 u 50 ，有： 。= 毛。a b 正4 + q 吼露丸i 。岛。e f , + 6 s o b f 戎1 d f l 只e + 。( 破。丸l 。风+ 办雌。) n 。+ d ( 破d j 破，l d 熊+ 破d ，i d ) t l ( 2 - 2 0 ) = 毛。g b 互4 + g b f 盛山向。f v f , 十毛g b f 噍，i d q 只，曩+ d ( 旃也s 噍l d p s + 识叫d ) q 以d = 岛d a b 五4 + q o b 巧盛山e f , + 1 4 政1 d 届d 只f , + t ，l 。( 磊。，盛j 。p 。+ 磊。，l 。) f l + j l d ( 磊d # 晚j d a + 稿d ) a d ( 2 - 2 1 ) = q d o h z ：4 + t 。4 盛h f , + 最o b 譬噍l d n d 只曩+ 以d ( 磊如嗔m 风+ 破 d ) n d 整理后一式，并代入已知的角系数等数据，可得覆盖材料下表面的有效辐射： ，d 吼互4 + g b 巧九l 。f l e f , + 岛f 识1 d , o i d if , 1 0 1 一( 萌邮d + 破如戎，i d p d p , d ，1 ，、 ：当女! 互：! 至垒垦! 三： 1 - ( 1 一p + p | p 、p 、d 将( 2 - 2 2 ) 代入( 2 1 3 ) ，即可以求出覆盖材料下表面的投射辐射： g 1 d = 以噍1 d 只，e + 以d 磊”d = 卢魄a b f + f l a , d 见+ d ( 1 一) ，。 = p 0 ：七3 。怼一穆七p | 趴 将( 2 2 2 ) 代入( 2 - 2 0 ) ，即可以求出覆盖材料上表面的有效辐射： j 】。= q 。o b 互4 十a b z ? 疵j u n 。f v e + o b 耳呔l d 弓只e + j i d ( 破叫d + 破如疲j d 凤) = 毛。a b 互4 + g b f n 。+ 卢s 5 a b 彳f i + 以d ( 1 一+ p , f 1 ) r l ( 2 - 2 4 ) 将( 2 2 4 ) 代入( 2 - 1 1 ) ，即可以求出覆盖材料上表面的投