（农业生物环境与能源工程专业论文）温室覆盖材料传热系数测定方法标准的研究及误差分析.pdf

中国农业大学硕 ：论文 中文摘要 摘要 根据温室覆盖材料保温性能测定方法标准制订工作的分工，本文作者开展了对测试设备、 测试方法和测试精度控制等相关问题的研究通过大量的测定实验给标准的制订提供了可靠的 依据，并按照拟出的条文内容进行了实际测试操作实验，验证了其可行性与合理性。 为了更好地完善测试设备，了解各种条件因素对测试结果误差的影响，应用有效辐射的概念， 针对覆盖材料建立了传热的计算模型，包括单层材料、保温被、内覆盖材料和中空p c 板的传热 计算表达式。 为了减少测试误差，对测试台箱壁的热阻进行了测定和计算修正，运用误差分析理论，对直 接测得的参数的极限误差进行了计算，然后利用误差传递公式，求得x 值的最大绝对误差为点。 k = - 士- 0 1 8 9 w m 2 一，最大相对误差为士2 9 0 0 , 4 。同时对标准条文中建议的测量精度进行了误差分析， 得到该情况下的最大相对误差为士3 8 7 对所拟的条文内容进行了检验。通过对4 m m 玻璃保温性能的实际测试，得到测试设备和测 试方法能很好地控制实验条件和热箱箱壁的传热量的结论。三次测量传热系数石值的相对误差为 士2 9 0 。因此制订的标准是合理、科学的，具有较好的一致性和重复性，在实践中是可操作和正 确的 关键词；温室，覆盖材料，传热系数，测定方法标准，误差分析 中目农业大学硬 论文 英文摘要 a b s t r a c t t oc o m p l e t e ( s t a n d a r dt e a tm e t h o df o rt h e r m a lp e r f o r m a n c eo fg r e e n h o u s ec o v e r i n gm a t e r i a l s ) ， n e e dt o 咖d yo ns o m er e l a t i v em a t t e r s ，s u c h t e s t i n ga p p a r a t u s ，t e s tm e t h o de n dt e s tp r e c i s i o n l o t so f e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n et oo f f e rb a s i sf o rt h es t a n d a r d a c c o r d i n gt ot h ea r t i c l ed r e wu p , s o i b e a c t u a lo p e r a , o nh a sb e e nd o n et ov a l i d a t ei t sf e a s i b i l i t ye n dr a t i o n a l i t y t op e r f 鳅t h et e s ta p p a r a t u se n dr e a l i z et h ei n f l u e a c oo fc o n d i t i o nf a c t o r s0 1 1e r 眦a p p l y i n gt h e “e f f e c t i v er a d i a t i o n t ob u i l ds o m eg e n e r a lf o r m u l af o rc a l c u l a t i n gh e a tt r a n s f e rw i i hm o n o l a y e rc o v e l s h e a tp r e s e r v a d o n 州l 忸，i n n e rc o v e l se n dh o l l o wp cb o a r d s t e s t i n ga n da m e n d i n gt h et h e r m a lr e s i s t e n c oo f h o t - b u xw a l lt o1 e d u c et e s te r r o r t h el i m i te r r o ro f e a c hp a r a m e t e rw h i c hc a nb em e a s u r e dd i r e c t l yh a sb e e nc a l c u l a t e d t h e nu s i n gt h ep r o p a g a t i o no f e r r o r , c a l c u l a t et h et o t a le r r o rt h a te v e r yf a c t o rc a n $ c d , t h em a x i m u ma b s o l u t ee r r o ro fkv a l u ei s x ( p = 士0 1 8 9 w i n 2 一。a n dt h em a x i m u mr e l a t i v ee r r o gi s 士2 9 0 o nm eo t h e rh a n d , a n a l y z et h e e r r o ro f i n s t r u m e n t sp r o p o s e di nt h es t a n d a r d i tc o m e st ot h a tt h em a x i m u mr e l a t i v ee 丌o ri s 士3 8 7 v e r i f y i n gt h es t a n d a r da r t i c l e sb ym e a s u r i n gt h eh e a tp r e s e r v a t i o no f4 m mg l a s s i tt 2 0 m e st ot h e c o n c l u s i o nt h a tt e s ta p p a r a t u sa n dm e t h o dc a nw e l lc o n t r o lt h em e a s u r ec o n d i t i o na n dt h eh e a tt h r o u g h h o tb o xw a l l t h er e l a t i v ec i t e ro f kv a l u eo b t a i n e db yt h r e er e p e a t e de x p e r i m a n t si s4 - 2 9 0 s o , t h e s t a n d a r da r t i c l e sd r e wu pa r er e a s o n a b l ea n df e a s i b l e ，c a nb ea p p l i e di np r a c t i c e ，a n dc a ns a t i s 目谢mt h e n e e do f a c t u a lt e s t k e yw o r d s ：o b 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 , s t a n d a r do fm s u m e t h o d , e r r o ra n a l y s i s 中国农业大学硕i ：论文 捅图清单 插图清单 图1 - 1 恒温热箱( 静态热箱) 4 图1 2 防护热板箱5 图1 - 3 国内学者的实验热箱示意图5 翻1 4 覆盖材料传热测试台组成与构造示意图6 图2 - 1 热电偶测温装置原理图1 2 图2 q 热电偶测温装置示意图1 2 图2 - 3 截面布置图。1 4 图2 - 4 截面测点布置图1 4 图2 5 底层风速与风机频率的关系。1 6 图2 - 6 静态热箱法原理示意图1 6 图3 1 测试台覆盖层传热机理简图一2 0 图3 - 2 叠层覆盖材料传热机理简图2 6 图3 - 3 双层覆盖材料传热机理简图2 7 图3 4 两覆盖层之间的角系数计算2 7 图3 - 5 中空p c 板传热机理简图2 9 图4 1 空气温度测点辐射屏蔽罩3 5 图4 - 2 热电偶标定曲线3 5 图4 - 3 热箱壁面热阻实验标定修正方法示意图3 7 图5 - 1 潮湿状态对传热系数的影响4 6 图5 - 2 各种内覆盖的保温性能比较4 7 图5 3 各种保温被保温性能比较4 8 图5 - 4 中空p c 板保温性能比较4 9 中国农业大学硕卜论文 表格清单 表格清单 表1 1 伊里诺州温室的燃油消耗量1 表2 1 底层各截面风速测定值1 5 表2 - 2s p s s 计算结果1 5 表2 3 各截面底层的平均风速1 5 表3 1 主要参数的代表意义及单位2 l 表3 - 2 覆盖材料外侧同室外空气的对流换热系数经验公式2 4 表3 3 覆盖材料内侧同室内空气的对流换热系数经验公式2 5 表年l 热电偶标定数据3 6 表5 - 14 m m 玻璃各测量项的数据汇总表4 2 表5 - 24 r a m 玻璃多次重复实验的测试结果4 4 表5 - 3 农机所保温被的组成材料一4 4 表5 _ 4 农机所送测试件保温性能参数汇总。4 5 表5 - 5 内保温材料保温性能参数汇总a 6 表5 - 6 农博科送测试件保温性能参数汇总4 7 表5 - 7 中空p c 板保温性能参数汇总 v 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钋，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； 牟越 时间： 2 卉年t 月e t 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： 年皱。 导师签名马承伟 、， t t , j n ：泖f 年6 民汐a 时间：z 一、7 年月，矽日 中国农业大学硕 论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 1 1 1 研究背景 一、设施园艺的保温节能问题 设施园艺是指在不适宜园艺作物( 蔬菜、花卉、果树) 生长发育的季节，利用不同的设施、 设备，人为创造适合于作物生长发育的小气候环境，使其不受或少受自然环境影响的生产形式【l 】。 这种生产模式以其特有的优势，曾在解决我国的“菜篮子”工程中发挥了重要的作用，也必将在 解决我国的“三农问题”和建设和谐社会的伟大工程中发挥重要的作用。 但是在实现高产、高效、优质生产的同时，设施园艺也是一种耗能很大的产业，尤其是用于 设施园艺内加温的能耗很高。国内外学者对此进行了大量的研究，据日本学者计算，每生产l o k g 黄瓜要消耗5 升石油，比粮食生产的耗能量高5 0 - - 6 0 倍1 2 l 。美国的r o b e n p l 对伊利诺伊州的温室 耗能进行了统计，也不容乐观，如表l 一1 所示。s h c a r dgf 川也指出，全世界一年农业生产中有 3 5 的耗能量用于温室的加温。值得注意的是，国内外的许多研究都表明，温室覆盖材料为温室 内热量损失的主要途径，也就是说爿j 于温室加温的那部分能源很大部分通过覆盖材料损失掉了。 n a l l 一”研究表明。温室中通过外围结构散失的能量占温室总散热量的6 0 - 7 0 。林真纪夫1 6 j 等 测得全光单层玻璃温室中，通过玻璃覆盖、冷风渗透和土壤的散热量分别占温室总散热量的7 0 、 2 0 、1 0 。o a r z o l i 和b l a c k w c l l n 对单层塑料薄膜棚室的夜间传热性能进行理论和实验分析，指 出：单层塑料薄膜的传热量约占7 5 以上。陈端生【8 1 等也通过实验证明，日光温室前屋面虽然加 盏纸被和草苫，但仍然是主要的放热面。从经济的角度看，温室能源消耗的费用占温室生产总费 用的1 5 0 - - 4 0 w ，这极大地影响了生产者的生产效益。 表i - i 伊里诺州温室的燃油消耗量1 3 1 随着可持续发展和建设节约型社会战略构想的提出，社会和国家对节能越来越重视。因此， 研究温室的保温节能问题更有着重大的意义。如上所述，其有效途径之一就是加强园艺设施的保 温性。提高园艺设施保温节能性的主要有效措施之一，是采用保温性良好的覆盖材料。这对于加 温温室，能有效地节省加温的能耗，降低生产成本；对于不加温设施，则是保证设施内维持高于 外界温度条件的主要手段，最大限度发挥设施生产相对于露地生产的优势 二、设施园艺热环境控制的需要 随着设施园艺的迅猛发展，温室的自动化和智能化程度越来越高，对温室热环境的预先模拟 中田农业大学硕卜论文 第一帝绪论 也越来越准确。通过对温室热环境的模拟，可以预知温室在实际运行状态下的热负荷。以便估算 温室的能耗和选用合适的设备。如前所述，从覆盖层传出的热量占温室总传热量的大部分，要预 测总耗能量，首先就要准确估算通过覆盖层的传热量。因此准确的温室覆盖材料的技术参数是进 行热环境控制的基础准确的覆盖材料技术数据可为温室环境调控系统设计提供准确计算和对 设施进行合理配置的参考资料，有助于促进温室环境的预先模拟，提高温室环境调控的自动化和 智能化。 三，规范覆盖材料市场和产品开发的需要 目前，设施农业已发展为我国农业的主导产业之一。设施园艺面积州已达2 5 0 万h a l 2 ，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己达1 3 9 6 万h m 2 ，居世界 第一i l i 】。在1 9 8 6g - - 1 9 9 9 年之间，我国设施园艺年均增长达1 0 2 万h l n 2 1 2 l 。如此迅猛的发展速 度，推动了我国温室企业的壮大，促进了我国温室覆盖材料工业的发展温室覆盖材料由最初的 以玻璃为主，发展到目前主要采用塑料薄膜和透明扳材等有机制品，如聚乙烯薄膜( p e ) ，聚氯 乙烯薄膜( p v c ) ，醋酸乙烯薄膜( 刖a ) ，p c 板等。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等也层出不穷1 1 ”。 然而，目前对园艺设施覆盖材料的保温性能缺少科学和一致的评价方法以及相麻的检测技术 规范，对其保温效果没有进行准确评价和可供应用选择的较为准确的数据资料，使得在园艺设施 工程覆盖材料选用时无可靠依据，更使生产厂家对其生产的覆盖材料产品的保温性能不能准确判 别，从而使产品的改进完善、新产品的研究开发缺少准确的指导，生产和研发的盲目性很大。性 能较好的覆盖材料产品不能为用户所鉴识认可，就不可能得到广泛应用，这种情况也将影响覆盖 材料产品市场的规范化和有序发展。 四、温室覆盖材料保温性能测定方法标准制订的需要 研究开发和生产保温性良好的覆盖材料，是众多覆盖材料生产厂家追求的目标。在园艺设施 工程中，选择和使用保温性良好的覆盖材料，也是设施工程技术人员和生产者以及种植业主的迫 切需求。 因此，制订科学和统一的温室覆盖材料保温性测评标准，以及在标准条件下覆盖材料传热系 数的测定，已是我国设施园艺工程和设施园艺生产中的一项迫切需要。在大量相关工程和科研实 践经验的基础上，该项工作也已具备较为成熟的条件。 为此，农业部设施农业生物环境工程重点开放实验室承担了农业部农业行业标准温室覆盖 材料保温性能测定方法的制订任务。为了能够很好地制订标准中的有关条文，需要开展相关问 题的研究，本文的研究工作即为标准制订工作中的一部分。 1 1 2 研究意义 温室覆盖材料的传热系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 料多种传热物理过程的综合性参数，其具体数值不仅取决于覆盏材料本身的物理性质，还取决于 影响多种传热过程的工作环境因素，使得实际使用中的覆盖材料的传热系数不是一个定值，而是 根据工作条件的不同在一定的范围内变化。因此覆盖材料传热系数的测定，需要采取科学的方法， 2 中国农业大学硕卜论文粲一章绪论 包括测定设备的配置，测定条件的确定，以及测定结果的评价。 在实际测定过程中，制订一套可靠、合理的覆盖材料传热特性的科学评价方法和确立切实可 行的，标准化技术的工作，对于实际生产的重要意义在于： ( 1 ) 对各种覆盖材料保温性的准确的测评资料，是设施园艺工程中正确选用保温性能优良 的覆盖材料的可靠依据。 ( 2 ) 我国目前市场上各生产厂家销售种类繁多的园艺设施覆盖材料，新的保温覆盖材料产 品还在不断开发，只有依靠对其科学正确的测定和评价，才能对生产厂家的保温覆盖材料生产提 供正确的指导，引导其产品改进和新产品开发工作，改变目前节能保温材料研究开发的盲目和市 场竞争无序的状况。 ( 3 ) 园艺设施覆盖材料的传热特性是园艺设施工程设计中的重要资料，是园艺设施热环境 设计计算、调控和节能性评价的重要依据。园艺设施冬季的采暖以及夏季的通风降温等都是以覆 盖材料的传热性能参数作为计算的基础。只有掌握其准确的数值，才能合理地进行设施内热环境 的工程设计与调控，有效保证达到预期的热环境要求，避免设备配置和运行耗能的浪费。 1 2 国内外的相关研究 1 2 i 覆盖材料传热系数的定义 覆盖材料的热传递是导热、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，不能只单独考虑某一种传热方式，而是要综合考虑复合的传热过程。传热系数( 日本称为 热贯流率) 即是从总体上反映覆盖材料传热性能的综合性指标，其定义始于对温室采暖系数的研 究【，综合考虑了覆盖材料自身的物理特性以及与周围环境的相互作用，即考虑了导热、对流 和辐射三种基本传热方式的综合作用，直接表示覆盖材料在单位温差情况下，单位时问内通过单 位面积的热量。其定义式为l l7 j ： ，1 k = fl w ( m 2 ) (11)_at c 一一 式中q t 单位时间通过覆盖材料的传热量，w ； ，c 覆盖材料表面积，矗； 弘覆盖材料两侧的空气温度差，。 由此可见，传热系数综合地反映了覆盖材料在使用条件下的最终传热结果，全面和直接地反 映了温室覆盖材料的保温性能，根据其大小可判断覆盖材料保温性能地优劣，也能够方便地进行 设施热环境的定量计算分析，将其作为园艺设施覆盖材料热工性能地评价指标是合适的 1 2 2 实验测定方法的研究 根据传热系数鬈的定义式，国内外学者对其实验的测定方法进行了大量的研究，主要包括温 室现场测试和实验室内测试两种其中，实验室内的测定主要依靠静态热箱法。分为标定热箱法 ( c a l i b r a t e dh o tb o x ) 和防护热箱法( g u a r d e dh o tb o x ) 【，其基本原理是在一维稳定传热的状态 下，测定覆盖材料二侧的空气温度差和通过覆盖材料的热流量，据此计算覆盖材料的传热系数或 中国农业大学硕f 二论文 第一章绪论 传热阻等保温性能参数。 静态热箱法在工业和建筑上应用的时间较长，技术已较为成熟，能克服现场测试条件难以控 制，测试的准确性难以保证的缺陷。目前国内许多研究单位和高校。都配备有测定工业和民用建 筑构件传热系数的热箱实验装置【1 9 - - 2 3 1 然而，园艺设施覆盖材料的传热过程是传导、对流和辐射 等基本传热方式综合作用的过程，尤其是多数园艺设施覆盖材料具有可透过热辐射的特性，使得 设旄内可直接与设旌外环境( 天空等) 进行辐射换热，这是与建筑围护材科最大的不同。因此， 建筑围护结构材料传热系数的测试技术、设备与标准并不适用于园艺设施覆盖材料口4 j 。对此，国 内外学者在温室覆盖材料传热系数测定方法方面进行了大量研究，但是由于方法不全相同所得 结果也有一定的差异。 n i j s k e m 等人在1 9 8 4 年对单层、双层覆盖材科作为竖直墙壁的温室进行了现场测试，得到了 覆盖材料的保温性能参数，当时选择的现场条件为：多云的夜晚，室外风速为4m s 1 ，室外温度 为1 0 ，室内温度为2 0 - c t 2 s 。 在关于建立比利时的温室的覆盖材料和围护结构材料各项基本参数的数据库的研究中， d e l t o u r 于1 9 8 8 年通过研究，规定了采用热箱法测定覆盖材料传热系数的测试条件：热箱外空气 温度为0 c ，天空背景温度为2 0 ( 3 ，热箱内空气温度为1 5 c ，覆盖层表面风速为4 m s l 【2 。 1 9 9 6 年f e u i l l o l e y 和i s s a n c h o u 等人在d e l t o u r 研究的基础上，根据热箱法原理，利用两个等 温实验热箱( i s o t h e r m a l h o t b o x ) ( 见图1 - 1 ) ，对用于温室覆盖材料的玻璃和塑料薄膜进行了传 熟系数的测定，并采用这两个实验热箱对结露和不结露的情况同温室现场的测试进行了对比实 验。当时的实验条件为：室外空气温度为0 c ，天空背景温度为0 和- 2 0 两种情况，室内空气 温度为1 5 c ，风速为4 m s 1 ，其中为了模拟结露的情况，在热箱内安装了水分蒸发器叨。 ， s y s t e mo fc h p ( a )( b ) 田1 。l 恒温热籀( 静态热籀) 2 0 0 4 年，s u e h r c k e 等人为了研究波纹状薄板、蜂窝状材料和塑料平板的传热特性，根据静态 热箱法制作了相应设备，称之为防护热扳装置( c m a r d e d h o t - p l a t ea p p a r a t u s ) ( 见图1 - 2 ) 该装 置配置了加热板、冷板、防辐射板、风机、热流量计等设备，能很好地模拟实际温室在白天的各 种条件。当时的实验是在室内进行的，控制测试条件为：冷板温度接近室内空气温度2 5 ，热箱 温度设定在5 0 c ，冷热箱温差在2 5 c 左右，覆盖层表面的风速设定在1 0 m s 1 上下。忽略了天空 4 辐射【2 s 】。 图i 2 防护热板箱 在国内，不少学者对温室覆盖材料传热系数的测定方法进行了有益的尝试，并积累了大量的 经验和成果。测试热箱多采用聚苯板拼接组成，测试的条件也多为参照国外经验，并且每个人的 实验条件都有差异，这也造成了实验结果的不一致。 邱建军在1 9 9 5 年【2 9 1 对p v c 和p e 薄膜的传热系数进行了测定，并分别对以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的情况下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。 2 0 0 0 年，李以翠吲研究了以透明p e 和p v c 作为材料的双层充气膜覆盖材料的传热系数， 并研究了双层充气膜的传热系数和箱内外温差( 即温室内外温差) 、材料性质、充气厚度，室外 风速及夜间净辐射的关系。 当然还有不少其他的国内学者，如周新群( 1 9 9 8 ) p “、凌坚( 2 0 0 1 ) 嘲、曹楠( 2 0 0 4 ) 口w 等，也进行了这个方面的研究。但是所做的实验都有一个共同的缺点，就是实验设备简陋( 见图 1 3 ) ，精度不高，所选取的实验条件不具有代表性。 田l _ 3 国内学者的实验热箱示意图 5 中国农业大学硕卜论文 第一章绪论 为了填补在农业设施领域没有专门的实验设备对温室覆盖材料热工性能进行测定的空白，农 业部设施农业生物环境工程重点开放实验室专门进行了相关项目的建设。2 0 0 4 年，覃密道初步完 成了温室覆盖材料传热系数测试台( 见图l - 4 ) 的开发工作 3 4 1 ，张俊芳 3 5 1 则在2 0 0 5 年对该设备进 行了进一步的改进和完善，使得设备能够更好地模拟生产的环境条件并为准确获取各种环境数 据提供了可能。 a - a 1 计量热箱2 防护箱土方钢骨架 下加热装置 5 滚轮 6 导孰7 调平垫框8 符测试件 吼后整漉装置l o 冷辐射板i i 制冷进液管1 2 制冷回液管l 土上加热装置 1 t 风机 1 5 冷箱1 6 儡扳1 7 观察窗l s 斜支捧l 殳靛整流装置2 0 除湿装置 图l - 4 覆盖材科传热测试台组成与构造示意图 1 2 3 覆盖材料传热计算模型的研究 不管是在实验室或现场实地测定，都受到环境条件的影响，并且实验周期长，花费多。为了 解决这些问题，国外学者提出通过计算模型计算温室围护结构的传热。在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p 6 1 ，而将辐射传热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，不能准确反映可透过红 外辐射的园艺设旖覆盖材料的传热特点为此，国内外学者针对园艺设施覆盖材科的这个特点开 展了相关研究，结合温室内热环境的模拟问题，提出了静态和动态两种计算模型。 一，静态模型的研究 早期对温室环境的研究多为实验研究 3 7 - 4 0 l ，所建模型多为静态模型h 。4 2 5 。静态模型比较简单， 不考虑温室各部分如土壤、围护结构等的蓄热能力，描述了温室内外环境之间的基本关系，至 今仍是温室环境分析的首选工具。 1 9 6 3 年，荷兰的b u s i n g e r 建立了最早的温室稳态模型，为以后温室环境建模奠定了的基础【4 ”。 1 9 8 1 年，日本学者冈田益己建立了温室的一维稳态热流模型，该模型将对流换热考虑到了覆盖层 的传热之中删。 6 中国农业大学硕 + 论文第一章绪论 p a p a d a k i s 在1 9 8 9 年从理论上分析了任意封闭体内的热辐射传热，并在此基础上推导了可透 过长波辐射的封闭体的各面的热辐射交换。但是此方法必须知道所有面的温度，并且计算较复杂 阳】。 1 9 9 0 年f e u i l l o l e y 和i s s a n c h o u 从理论模拟和实验测试方面对覆盖材科传热系数进行了较全 面的研究。该模型考虑了对流换热、传导换热、红外辐射换热，不足之处是没有考虑覆盖材料的 其他热特性，如反射搴、发射率对传热系数的影响m j 。 a h m c d 于2 0 0 6 年在前人研究的基础上，建立了模型考虑地面热流、喷雾降温、自然通风等 条件的模型，对温室内环境的模型进行了进一步的完善和改进，使之能够适应在正午温度和湿度 条件下的各种覆盖材料的传热计算1 4 7 j 。 国内的张俊芳在2 0 0 5 年，采用覆盖层为拱形面的假设建立了模型，兼顾了反跌覆盖层构造 和适当简化问题的要求，通过对覆盏层内、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、 外侧的辐射传热和对流换热量，从而解决了从理论上分析覆盖层传热和计算传热系数的问题【3 ”。 另外还有不少国内外学者针对特定的覆盖材料建立了相应的计算模型，如z h a n gy ( 1 9 9 6 ) 【椰j 考虑了0 2 r a m 厚的p e 薄膜在不考虑水雾影响和没有通风的温室中的模型ig e o r g i o s ( 2 0 0 1 ) 和s w i n k e l s ( 2 0 0 1 ) 【划则分别对4 m m 厚玻璃在夜间不开通风窗的温室中的模型进行了研究 国内的李以翠( 2 0 0 0 ) 1 3 0 j 和凌坚( 2 0 0 1 ) 【3 2 】则分别针对双层充气膜和缀铝膜建立了相应的计算模 型。 二、动态模型的研究 静态分析法并没有考虑温室内土壤和围护结构的蓄热，但土壤是一种蓄热能力很大的介质， 能将白天吸收的能量在夜间释放出来，这是人们用动态模型改进静态模型的主要原因。 t a k a k u r a 在1 9 7 1 年针对单层玻璃温室建立了第一个较为完备的动态模型j 。1 9 8 3 年，b o t 在对柚o 温室中的自然通风、太阳辐射、对流换热、作物蒸腾等过程的实验和理论研究的基础 上，建立了一个相对复杂的温室动态模型p “ 比利时让布鲁农学院开发的温室动态模型c a 3 d m ( g e m b l o u xc r e e n l l o u s cd y l _ i a m i cm o d e l ) 。 该模型具有广泛的适用性( 可用于大型玻璃温室、单层和双层塑料温室) ，并且经过各种情况下 ( 加热或不加热、有无植物、阴天或晴天) 的实验数据校准和验证，具有较高的预测精度i s 3 - s f l 。 1 9 9 7 年。p i e t e r s 在g g d m 的基础上开发了g d g c m ( g e m b l o u x 功m a m i cg r e e n h o u s ec l i m a t e m o d e l ) ，这个模型对让布鲁农学院开发的温室动态模型进行了完善，仔细考虑了温室覆盖材料、 地面和植物表面的冷凝和蒸腾现象，对温室内外的传质进行了详细的研究p 2 0 0 4 年，李树海( 2 0 0 4 ) 哪! 建立了较为全面的计算模型，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、土壤等因素该模型引入了角系数的概念， 将覆盖材料按无限大平面假设，简化了计算，是目前国内较为完善的温室环境动态模型。 1 2 4 温室覆盖材料传热系数误差分析的研究 由前面叙述可知，温室覆盖材料的传热系数是园艺设施工程中的一个非常重要和基础的数 据，因此对传热系数测定过程中产生误差的来源，各自的误差极值，各误差对最后结果产生的影 7 中国农业大学硕卜论文第一章绪论 响，以及如何消除误差、提高精度进行研究和分析，显得尤为必要。这方面的工作在测定建筑材 料传热系数上已发展得比较成熟，相应的测试标准中也有所分析和规范”8 “，并且国内的不少学 者对实际测试工作中的误差分析也进行过研究。 费慧慧和段恺在2 0 0 0 年对建筑节能现场检验方法及其影响因素进行了研究，通过将热箱法 测试结果与设计值和计算值进行比较，分析现场测试相对于标准条件下测试产生的误差，并对影 响建筑节能检测结果的外界因素进行了讨论p 9 l 。 2 0 0 2 年，魏剑侠针对r x i i 型传热系数检测仪( 热箱法) 进行了误差的分析，他的方法是将 利用检测仪得到的数值，同采用民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) 中相关规定计 算的数值进行比较，以此分析两者的误差，并以误差来判断实验结果的可靠性【删。 国内还有不少学者应用传热模型来分析影响误差的因素，如潘雷在2 0 0 5 年建立了热箱法测 试的传熟模型，并通过a n s y s 数值计算软件来分析各参数对测试方法的影响【6 ”。 在覆盖材料传热系数的误差分析方面，国内外学者都研究得不多，即使涉及到了误差分析， 也并不深入。 邱建军b ”对0 0 7 r a m 厚的p e 薄膜和0 0 7 m m 厚的p v c 薄膜分* 进行了1 2 次和1 7 次的实验 相对平均变率分别小于3 和6 。并以此来证明其模型箱体的可靠性和实验数据的可信性。 周新群 3 q 、李以翠1 3 0 i 、凌坚嗍、张俊芳等都是通过建立相应覆盖材料的计算模型，分析 计算方法得出的结果同热箱实测结果的差异，并把此差异作为实测结果的误差。 f c u i l i o l e 产1 和张俊芳则根据测量工具本身的误差来计算误差，但是对误差的考虑不是很全 面。通过对式( 1 - 1 ) 进行全微分，带入相应参数的虽大绝对误差，算出的相对误差分别为2 和 1 5 。 1 3 温室覆盖材料传热系数测定方法存在的问题 目前，热箱法在用于测定建筑构件传热系数方面的技术已经十分成熟，并制定了相应的标准 对测定方法进行了规范1 1s j 口q 。但是由于园艺设施覆盖材料传热特性与建筑材料不同，因此不能使 用建筑标准中的条件和设备进行传热系数的测定。针对温室覆盖材料传热特性制订相应标准。规 范测试方法、设备和误差分析，这在我国才刚刚起步。 温室覆盖材料的传热特性必须通过实验进行确定。而实验的条件和方法对实验结果的影响非 常大。这就要求在进行不同覆盖材料保温性能测评时，应采取与实际使用条件相一致的、统一的 标准条件和适当的方法，这样才能得出科学和合理一致的评价结论 在过去的实验研究中，由于受条件的限制，其设备与仪器大多较为简陋，实验条件也难以准 确控翻，使实验测定结果误差较大。更由于没有科学和统一的测评标准，不同研究者采用不同的 设备、实验条件( 风速、温度与温差以及辐射换热的环境等) 和方法进行测定，因而得出的测定 结果有较大的差异。可靠度和可比性差，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。因此，制定科学和统一的温室覆盖材料保温性测评标准，已 成为我国设施园艺工程发展的迫切需要。 作为温室覆盖材料保温性能测评标准中的一项主要内容，误差和精度的分析有着十分重要的 作用。只有保证了测定数据的误差和精度，才能保证最后计算结果的精确性。但是在实际的测试 8 中国农业大学硕十论文第一章绪论 过程中，国内外学者对这方面的研究不是很多，对于误差的检验方法主要有：对同一材料进行 多次测量，分析各个数据之间的差异：通过建立数学模型，将由模型计算而得的数据作为理想 数据。并将实测值与计算值作比较；利用误差传递公式进行计算。 以上三种方法为测试误差的分析提供了有益的尝试，但是又有着各自的缺点方法是将最 后的结果进行比较，这只能分析出总的误差，却不能分析出影响测试结果的因素和测试过程中产 生的误差，并且每次实验的时间都很长，若进行多次实验将消耗大量时间。方法对于误差的分 析很大程度上取决于数学模型的精确性。由于数学模型在建立的过程中会进行部分假设，尽可能 地去模拟实际的测试情况，这会造成模拟计算的结果不能真实地反映材料的特性。但是，数学模 型却为分析误差产生的原因提供了方便，可以通过改变其中的参数值来研究各因素对结果的影响 程度。方法利用误差传递公式，先对传热系数计算公式中的各项参数进行分析，最后计算出结 果的总误差。但是这种方法却不能反映间接作用因素如风速、天空辐射情况等对结果的影响。 为此，必须对测试结果的误差进行全面地分析，解决以前测试中存在的问题，如测定过程中 各环节测定误差产生的原因、大小。以及各环节的误差对展终测定数据的影响，如何控制各环节 误差，达到最终测定精度的要求等。 1 4 研究内容与目标 1 4 1 研究内容 为了给温室覆盖材料保温性能测定方法标准的制订工作提供依据，需要对测试方法和实 验误差进行研究，确定规范化的测试工作程序，数据采集和处理方法。内容有以下几个方面： l 、找出适应温室覆盖材料传热过程特点的、能够保证一定的测试精度并具有实际操作可行 性的规范化测试工作程序； 2 、分析在测试过程中可能产生误差的环节和各种影响因素，研究其产生的原因； 3 、确定各测试环节和影响因素产生的误差的大小，研究其对最终数据的影响，并对总误差 进行分析预测； 4 、满足一定的测试精度要求的规范化的数据采集方法和数据处理方法，在数据处理获得最 终测试结果的计算中。为减少数据误差进行必要的修正； 5 、研究测试过程中，减少误差，提高测试精度的措施。 1 4 2 研究目标 l 、通过实验和研究，确定规范化的测试工作程序、数据采集和处理方法，形成温室覆盖 材料保温性测定方法标准中有关条文的建议； 2 、探明测试过程中产生误差的环节和各种影响灞试精度的因素，以及可能产生的误差大小， 为温室覆盖材料保温性测定方法标准中有关测试误差的规定条文的制订提供依据； 3 、预测在一定的溯试误差控制要求下，传热系数等保温性评价指标总的测试精度； 4 、对温室覆盖材料保温性测定方法标准初稿中，有关测试工作程序、数据采集和处理 方法及测试误差控制等条文，通过实验检验其可行性和合理性。 9 中国农业大学硕卜论文第一章绪论 1 5 技术路线和研究方法 总结前人的实验研究成果，吸收国内外研究者在建筑材料、构件的传热特性。以及在温室覆 盖材料保温性实验和理论研究方面的经验，在此基础上进行综合分析，采用实验理论研究一 一提出测试方法方案实验检验修改完善的研究路线开展研究。 对于误差的分析，主要运用研究误差的相关理论，如测量的极限误差的求解、误差的传递与 合成等。首先利用各种测试仪器和设备的说明，找出各个测定项的测量误差极限值，然后将传热 系数的求解公式进行全微分，代入各单项误差极限值，求出计算结果的最大误差极限值。 为了确定间接因素( 在定义式中没有反映出来的参数) 对测定结果的影响，需要建立覆盖材 料在测试过程中的传热计算模型，解决理论上进行误差分析的问题。在建立测试台的传热机理理 论模型的过程中，主要依据传热学，根据覆盖层热平衡原理，建立不同覆盖形式下的静态热环境 数学模型，从理论上计算不同覆盖材料的传热系数。 为了获得测试台保温绝热性的准确数据，需要对测试台中热箱的箱壁热阻进行重新测试和标 定，以此校准测试过程中通过箱壁散失的热量，最大限度提高测试的耪度， 实验检验主要是利用重点开放实验宝研制的覆盖材料传热系数测试台，对目前常见的各种材 料进行测定。以此检验实验的一致性和可重复性。 1 0 中国农业大学硕卜论文第二章覆盖材科传热系数测定的设蔷和方法 第二章覆盖材料传热系数测定的设备和方法 覆盖材料的传热系数既是评价材料保温节能性的重要指标，也是园艺设施内热环境分析和环 境工程设计中的重要参数，通常采用热箱法进行测定。本文中所论述的测定设备为覆盖材料传热 性能测试台，它为标准的制订打下了良好的实验基础。 本章对该测试台进行了简介，叙述了数据采集设备的改进。提出了标准的测定方法和测试条 件。 2 1 传热系数的测定设备 为了准确地进行园艺设施覆盖材料传热系数的测试，迫切需要科学合理和标准化的测定技术 和设备。因此，农业部设施农业生物环境工程重点开放实验室在总结吸收过去相关实验研究和建 筑围护材料热工性能测试设备经验的基础上，针对园艺设施等农业设施覆盖材料特有的传热方式 和工作环境特点，于2 0 0 5 年9 月完成了国内首台对农业设施覆盖材料传热保温特性专用测试测 试设备的研制工作。经专家鉴定，认为该设备“填补了我国温室覆盖材料传热性能测试设备与技 术的空白，总体技术水平达到国际先进。” 2 1 1 设备简介 覆盖材料传热特性测试台根据静态热箱法的原理研制，由计量热箱，冷箱、运行调控系统和 数据采集系统等部分组成，这些是覆盖材料保温性测试设备的必须具备的基本部分。 与建筑构件传热系数测试台不同该测试台配置了冷辐射板。从温室覆盖材料的传热特性可 知，冷辐射扳的作用是为了模拟天空辐射背景，它是一个外表面为不锈钢板、内置制冷蒸发器的 兀形部件，罩在待测试件的上方。 测试台的主体由计量热箱和冷箱构成，分别用来模拟温室的室内和室外环境。运行调控系统 包括调节热箱、冷箱内空气温度和冷辐射板表面温度的装置、调节冷箱内气流速度的装置和调节 热箱内加温热量的装置等，通过这些装置可以有效控制热箱内、外的气温、冷辐射板表面温度和 冷箱内气流速度以及热箱内的加温热量，能够稳定地模拟出覆盖材料工作时的内、外侧气温、天 空温度和室外风速。数据采集系统包括用来测定热箱和冷箱内空气温度，热箱壁面内外侧表面温 度、热箱内的加温热量以及冷箱内气流速度等参数的仪器和装置。 在文献1 3 4 1 3 中，对该设各进行了详细地介绍，这里就不再重复。 2 1 2 数据采集系统的改进 测试台运行时需采集的数据包括计量热箱的空气温度；计量热箱的内外壁面温度；计 量热箱内的加热功率；冷箱内的空气温度；冷辐射板的表面温度；待测试件气流速度等部 分。其中固项是直接用于传热系数计算的数据，尤其是计量热箱与冷箱中的空气温度、计量 热箱中的加热功率，对测定结果的精度有着非常大的影响，需要保证很高的测定精度。 由于有6 7 个温度的测点( t 型熟电偶) ，以前曾采用计算数据采集系统进行数据自动采集与 中日农业大学硕 ：论文第二章覆盖材丰 传热系数测定的设斋君1 方法 处理【“，但是获取的数据误差较大，实验结