（热能工程专业论文）温室覆盖材料热学性质研究.pdf

中文摘要 近年来温室产业在我国发展迅速，已成为现代农业生产发展的生长点和助推 器，是现代农业的代表模式和发展方向。采光覆盖材料作为温室的全部或部分围 护结构材料其热学性质对温室白天的光照和夜间的保温有显著的影响。结合理论 与实验，本文对温室内常用的几种覆盖材料的热学性质进行了研究。 本文首先根据各方面的研究成果，对温室覆盖材料的研究现状进行了论述。 然后结合太阳能应用的相关原理，对覆盖材料的透光性能进行了研究。通过实验 测试了不同材料的全辐射透射率，同时在一些大型温室中进行了温室的辐射和传 热特性实验研究。在实验的基础上，对温室内外的太阳辐射强度进行了模拟。应 用传热学基本原理，在合理假设的基础上，对温室覆盖材料的传热系数进行了模 拟，并结合文献提出了材料传热系数实验方案。最后，应用温室微气候模型对不 同材料覆盖的温室在不同天气条件下的供热负荷进行了计算。 温室的透光和保温性能是描述温室微气候的重要指标。本文通过覆盖材料透 光和传热性能的研究，对温室内外太阳辐射强度和材料传热系数的模拟为温室采 光与供热设计提供了理论基础。覆盖材料热学性质的研究成果有利于温室的优化 设计，在工程应用上有重要意义。 关键词：温室覆盖材料透射率传热系数热负荷 a b s t r a c t g r e en ：h o u s ei n d u s t r yh a sb e e ng r o w nu pr a p i d l yi nt h er e c e n ty e a r s ，i th a sb e c a m et h e g r o w n i n ta n dr o l lb o o s t e ro fm o d e ma g r i c u l t u r e ；i ti s t h es i g n i f i c a n tm o d e la n d d e v e l o p m e n td i r e c t i o no fm o d e ma g r i c u l t u r e c o v e r i n gm a t e r i a l ，a sp a r to ra l lo f t h e m a i n t e n a n c em a t e r i a l ，i t st h e r m a lp r o p e r t i e sh a sr e m a r k a b l ee f f e c to nt h el i g h t i n go f g r e e n h o u s ei nd a y t i m ea n dk e e p i n gt h et e m p e r a t u r ei nn i g h t c o m b i n e dt h et h e o r i e s a n de x p e r i m e n t s ，w em a d et h er e s e a r c ho nt h et h e r m a lp r o p e r t i e so fs e v e r a l g r e e n h o u s ec o v e r m a t e r i a l sw h i c ha r eu s e df r e q u e n t l y f i r s t l y , b a s e do nt h ec o n c l u s i o n so ft h ea c d e m i ei o u r n a l s ，t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u s o fg r e e n h o u s ec o v e r i n gm a t e d a l sh a sb e e ns u m m a r i z e d t h e l la c c o r d i n gt os o l a r e n e r g ya p p l i c a t i o nt h e o r y , t h el i g h tt r a n s m i s s i o np r o p e r t yo fc o v e r i n gm a t e r i a l sw a s i n v e s t i g a t e d t h ef u l lr a d i a t i o nt r a n s m i s s i o nr a t e o fd i f f e r e n tm a t e d a l sw a st e s t e d t h o u g he x p e r i m e n t i ns o m el a r g e s c a l eg r e e n h o u s e s ，t h ee x p e r i m e n t so n t h er a d i a t i o n a n dh e a tt r a n s f e rp r o p e r t i e so fg r e e n h o u s ew e r ec o n d u c t e d t h es o l a rr a d i a t i o n i n t e n s i t yo fo u t s i d ea n di n s i d eg r e e n h o u s ew a ss i m u l a t e d0 1 1t h eb a s i so fe x p e r i m e n t r e s u l t s ，h e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n to fg r e e n h o m ew a ss i m u l a t e db yt h ea p p l i c a t i o no f h e a tu 薯n s f e rt h e o r ya n dr e a s o n a b l eh y p o t h e s i s a n dt h ee x p e r i m e n tl a y o u to fh 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 sw a sd e s i g n e do nt h ef o u n d a t i o no fs o m e r e f e r e n c e s a tl a s t ，h e a ts u p p l yl o a do fd i f i e r e n tc o v e r i n gm a t e r i a l sg r e e n h o m e so n d i f f e r e n tw e a t h e rw e r ec o m p u t e db yt h ea p p l i c a t i o no fg r e e n h o u s em i c r o c l i m a t e m o d e l t h el i g h t i n gt r a n s m i s s i o na n dh e a tt r a n s f e rp r o p e r t i e sa r es i g n i f i c a n tp a r a m e t e r so f g r e e n h o u s em i c m c l i m a t em o d e l t h er e s e a r c ho fl i g h t i n g t r a n s m i s s i o na n dh e a t t r a n s f e rp r o p e r t i e s t h es i m u l a t i o no fg r e e n h o u s eo u t s i d ea n di n s i d es o l a rr a d i a t i o n i n t e n s i t ya n dm a t e r i a l s h e a tt r a n s f e rc o e m c i e n tp r o v i d et h es o l i df o u n d a t i o nf o rt h e l i g h t i n ga n dh e a ts u p p l yo fg r e e n h o u s e sd e s i g n 1 1 1 er e s e a r c hr e s u l t so ft h et h e r m a l p r o p e r t i e so fc o v e r i n gm a t e r i a l sw i l lb e n e f i tf o rt h eo p t i m u md e s i g no fg r e e n h o u s e a n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 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 ，l i g h t i n gt r a n s m i s s i o nr a t e , h e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t , h e a ts u p p l yl o a d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁注盘堂或其他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。 学位论文作者签名： 糯松 签字日期：埘年。，月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘生盘空有关保留、使用学位论文的规定。 特授权五逮盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 韦雪松 导师签名 毒椒 签字目期：k 杏年。f 月l 。r签字日期：吵啤，月。日 第章绪论 第一章绪论 1 1 覆盖材料在温室中的应用背景 温室生产是代表农业生产中最集约的方法，温室的应用是为了给植物提供更 舒适的环境。影响植物生长最重要的因素就是太阳辐射，温室里热量的来源，大 部分还是来自太阳的辐射热能，加温设备只不过是起着夜间或阴雪天气太阳辐射 热量不足的辅助作用。因此温室覆盖材料的特性是温室工程中的重要因素。 1 1 1 覆盖材料在温室中的作用及性能指标 在温室内，覆盖材料对温度和光照有显著的影响。覆盖材料的透射率直接决 定温室内的光照强度和光质( 光谱成分) ，决定进入温室内的太阳辐射能和对地表 热辐射的阻挡能力：覆盖材料的传热特性影响温室的保温效果。冬季使用的温室， 主要是利用其“温室效应”来提高温室内的温度。 1 1 ，1 1 覆盖物的透光特性 照射到温室的阳光被透射、反射和吸收。温室覆盖物的材料、颜色、结构、 厚度和清洁度决定了太阳能被利用的程度。允许大量光能通过的覆盖物被称为透 明材料。透明覆盖物既允许直射光也允许散射光通过。半透明的覆盖物形成光弥 散，分散了光线。玻璃和清晰的塑料能透射高百分率的直射光，并能在作物冠层 或中间形成阴影。凹凸不平的玻璃和半透明的塑料透射较少量的直接光，但能投 射较多的散射光。透光性能的好坏直接影响到室内种植作物光合产物的形成和室 内温度的高低。 1 1 1 2 覆盖材料的传热特性 对温室进行加温耗能是温室冬季运行的主要障碍。提高温室的保温性能、降 低能耗，是提高温室生产效益的最直接手段。衡量温室保温性能的指标除了温室 维护结构的传热热阻，其中覆盖材料的热阻对温室保温效果有着极大的影响。由 于覆盖材料的热阻一般都要小于普通墙体，为了降低温室的供热负荷夜间半坡温 室多采用保温幕、草帘等材料辅助保温。 1 1 2 温室常用覆盖材料的种类 玻璃是最早使用，而且至今仍然大量使用的透光覆盖材料，随着高分子材料 的发展，各种高分子有机材料大量涌现，为温室透光覆盖材料的选择提供了更多 的机会。目前，各国使用的塑料覆盖材料有上百个品种，而且还在不断发展扩充。 但就总体而言，可分为两大类：一类是柔性卷材，主要指塑料薄膜；另一类为硬 第一章绪论 质板材，如聚碳酸酯板、玻璃纤维增强聚酯板等。 1 1 2 1 玻璃 在塑料薄膜之前，玻璃一直是温室透光覆盖材料的唯一选择。在大多数地处 寒冷气候的国家，目前常用的透光材料仍然是玻璃。荷兰9 0 的温室采用玻璃 覆盖。作为温室覆盖材料，玻璃经常选用4 m m 和5 m m 厚两种规格，欧美地区 常用4 m m 玻璃，仅在多冰雹地区选用5 m m 的规格。而我国民用建筑常用3 m m 厚玻璃，温室多以5 m m 覆盖，但随着大量国外温室的不断引进和国外温室的国 产化，4 r a m 厚玻璃的应用也越来越多。 玻璃温室建造最常用的玻璃为浮法平板玻璃，它具有表面质量好、规格大、 品种多的特点。但玻璃密度大( 2 5 0 0 k g m 3 ) ，对骨架承重要求严格，此外玻璃的 抗冲击性能差，易碎，在冰雹多发地和人员流动密集的商业性温室要慎重使用。 1 1 2 2 柔性塑料覆盖材料 农用覆盖材料由于用途广泛，使用方便，能使农作物显著改善生长发育条件， 提高产量，改善品质，因而国内外发展迅速。近半个世纪以来，塑料覆盖材料促 进了温室产业在世界各地的蓬勃发展，同时温室园艺水平的提高又对塑料覆盖材 料提出各方面的性能要求，也推动了塑料材料的开发和创新。目前，用于制造温 室覆盖材料的树脂原料达1 0 余种，且因其所用助剂种类、数量、质量、厚度、 均匀程度及其制造方法等的不同，塑料覆盖材料的透光率、抗老化等性能有很大 差别。 1 聚氯乙烯薄膜 聚氯乙烯薄膜( p v c ) 是聚氯乙稀树脂为原料，加入增塑剂、稳定剂、着色 剂、填充剂等各种助剂，按一定比例配置而生产出的薄膜。聚氯乙稀薄膜无色透 明，一般为o 0 9 - - 0 1 3 m m ，强度较高，抗张力达2 7 5 m p a ，由于聚氯乙烯对红 外线透过率较小( 2 0 ) ，它的保温性较好并且耐酸、耐碱、耐盐，喷上农药化 肥也不易引起变质。 聚氯乙稀薄膜( p v c ) 有如下缺点： 夺虽然其紫外线透过率低( 表) ，本身抗老化能力强，但由于表面增塑剂的析 出，聚氯乙稀薄膜易吸灰尘，导致透光性大幅度下降。故p v c 薄膜不易作 越夏连续覆盖栽培。 夺p v c 薄膜密度较大( 】4 9 c m 3 ) ，单位质量的薄膜覆盖面积小。使得覆盖成本 较高。相同面积的温室，采用p v c 薄膜的覆盖成本比p e 薄膜约增加5 0 2 聚乙烯薄膜 第一章绪论 在气候适中的国家，聚乙烯薄膜( p e ) 是常见的温室覆盖材料。一般呈乳 白色半透明，厚0 1 0 2 m m ，幅面较宽，最宽可达1 7 m 。质地柔软，气温影响 不明显，天冷不发硬；耐酸、耐碱、耐盐：不易产生有毒气体，对作物安全：不 易粘灰尘，透光性好；密度小( 0 9 2 9 c m 3 ) ，覆盖面积可比p v c 扩大5 0 ，因 而覆盖成本低。 普通聚乙烯薄膜有如下缺点： 对红外线透过率很高( 可达8 0 ) ，保温性能差。在晴朗无风的早春夜间， 温室内可能出现“逆温”现象，使作物遭受冻害。 夺对紫外线透过率高，紫外线对其分子结构的破坏力也大，影响其使用寿命。 夺强度较差，回弹性不好，易撕裂，抗张强度为1 7 7 m p a ，仅是p v c 薄膜的 6 4 。 3 聚丙烯、不饱和聚酯树脂、乙烯一乙酸乙烯酯共聚物e v a 薄膜 e v a 薄膜使用也较广泛，e v a 树脂是近年来用于农业温室的薄膜原料，用 其制造的薄膜，透光性、保温性及耐候性都强于p v c 膜或p e 膜，连续使用2 年以上，老化前不变形，用后可方便回收，不易造成土壤或环境污染。 ( 三) 硬质塑料覆盖材料 在雨雪很多或常有冰雹危害的地区，软质塑料薄膜覆盖的温室承受过大的雨 雪荷载，将有坍塌的危险。冰雹更是对薄膜会产生直接的破坏。此时，采用硬质 塑料薄膜或硬质塑料板，将改善温室的受力状况，提高温室安全度。 1 玻璃纤维增强聚酯板( f r p )f r p 板以聚酯树脂为主，加入玻璃纤维 以提高强度。玻璃纤维是以玻璃为原料，在高温熔融状态下拉丝而成的，直径一 般为o 5 3 0 m m 。f r p 板具有不燃烧、耐腐蚀、拉伸强度高、光学性能好等优点。 新的f r p 板的透光率与玻璃接近，但使用几年之后，纤维开始脱离，透光率下 降。板开始变黄。由于性能优异的塑料材料的开发应用，f r p 板的应用以非常有 限。 2 聚碳酸脂板聚碳酸酯( p c ) 是e t 前塑料应用中最先进的聚合物之一。 它是一种无定形的、无毒无味无臭、透明无色或微黄色热塑性工程塑料，具有均 衡的机械性能及电性能，尤其是抗冲击韧性为一般热塑性塑料之冠。蠕变性相当 小，尺寸稳定性很好，耐候性较好。 市场上开发生产的p c 板有平板、浪板和多层中空板三种类型。平板厚o 7 1 2 2 m m ：浪板( 波纹形板) 覆盖的温室内光照比较均匀，平均透光率略有提高； 双层或三层聚碳酸酯中空板厚3 1 6 m m ，具有优良的保温效果，其传热系数可 第一章绪论 降低到1 。6 2 2 w m 2 k 比玻璃节能3 0 6 0 ，但其价格较为昂贵，主要被 一些高档花卉温室或展览温室采用。 3 聚氟乙烯薄膜聚氟乙烯薄膜( p v f ) 是一种硬质薄膜，厚o 0 6 o 1 m m ， 它具有强度大、耐老化的性能，是目前使用寿命最长的塑料薄膜，可连续覆盖 1 2 1 5 年。由于氟本身具有毒性，聚氟乙烯薄膜在制造过程中，需将氟夹在中 间层，避免使用时对环境造成污染，用后需由厂家回收，进行专门处理。 1 2 覆盖材料在温室中的应用及研究现状 1 2 1 覆盖材料在温室的中应用情况 从世乔各国的情况看，特别是发达国家，现代温室大都以大型连栋温室为主， 只有我国目前仍以日光温室为主。塑料薄膜温室约6 0 万公顷( 含中国的日光温 室及塑料大棚) ，主要分布在亚洲地区；玻璃温室约4 万公顷，主要分布在欧美 地区；新型覆盖材料聚碳酸酯( p c ) 板温室近几年有较快发展，目前有约1 万 多公顷，零星分布于世界各国。 美国的温室面积约有1 9 万公顷，多数是玻璃温室，少数是双层充气塑料薄 膜温室，近几年来也建造了少量聚碳酸脂( p c ) 板温室。美国的温室主要用于 种植花卉，约占温室面积的2 3 。法国有大约9 6 0 0 公顷的温室( 1 9 9 4 年) ，其中 3 6 0 0 公顷玻璃温室，6 0 0 0 公顷塑料温室。荷兰是设施园艺最发达的国家，目前 有现代温室1 i 万公顷，全部为玻璃温室，占全世界玻璃温室的1 4 ，主要种植 蔬菜和花卉。日本有现代温室4 8 8 万公顷( 1 9 9 5 年) ，主要是塑料薄膜温室；日 本的玻璃温室多为门式框架双屋面大屋顶连栋温室。 另外，地中海沿岸由于气候较好，设施园艺也有较快的发展，如意大利有温 室1 5 4 万公顷( 1 9 9 6 年) ，西班牙1 2 1 万公顷( 1 9 9 6 年) ，葡萄牙o 2 0 万公顷 ( 1 9 9 6 年) ，主要是大型连栋塑料温室；东欧一些国家，如匈牙利有温室o 2 3 万公顷( 1 9 9 6 年) ，捷克o 3 6 万公顷( t 9 9 6 年) ，罗马尼亚o 1 2 万公顷( 1 9 9 6 年) ，主要是玻璃温室，多为v e n l o 型结构。北欧有温室1 6 7 万公顷( 】9 9 5 年) ， 主要是玻璃温室。 我国利用温室生产在世界上是历史最悠久的国家，从文字记载看两千年前中 国农民就创造了利用温室来栽培蔬菜的技术。目前，我国以蔬菜生产为主体的温 室面积已达9 6 7 0 万公顷( 1 9 9 9 年底) 2 1 ，居世界第一位，比1 9 8 1 年增长了1 3 0 倍， 设施类型主要为塑料拱棚和全日光温室。到2 0 0 0 年，包括引进国外的温室在内， 我国已拥有现代温室约7 0 0 公顷，并且每年以1 0 0 公顷以上的速度快速发展。 第一章绪论 降低到1 6 22 w m 2 k 比玻璃节能3 0 r - 6 0 ，但其价格较为昂贵，主要被 一些高档花卉温室或展览温室采用。 3 聚氟乙烯薄膜聚氟乙烯薄膜( p v f ) 是一种硬质薄膜，厚0 0 6 0 1 m m ， 它具有强度大、耐老化的性能，是目前使用寿命最长的塑料薄膜，可连续覆盖 1 2 1 5 年。由于氟本身具有毒性，聚氟乙烯薄膜在制造过程中，需将氟夹在中 间层，避免使用时对环境造成污染，用后需由厂家回收，进行专门处理。 1 2 覆盖材料在温室中的应用及研究现状 1 2 1 覆盖材料在温室的中应用情况m 从世界各国的情况看，特别是发达国家，现代温室大都以大型连栋温室为主， 只有我国目前仍以r 光温室为主。塑料薄膜温室约6 0 万公顷( 含中国的日光温 室及塑料大棚) ，主要分布在亚洲地区：玻璃温室约4 万公顷，主要分布在欧美 地区：新型覆盖材料聚碳酸酯p c ) 板温室近几年有较快发展，目前有约1 万 多公顷，零星分布于世界各国【lj 。 美国的温室面积约有1 9 万公顷，多数是玻璃温室，少数是双层充气塑料薄 膜温室，近几年来也建造了少量聚碳酸脂( p c ) 板温室。美国的温室主要用于 种植花卉，约占温室面积的2 3 。法国有大约9 6 0 0 公顷的温室( 1 9 9 4 年) ，其中 3 6 0 0 公顷玻璃温室，6 0 0 0 公顷塑料温室。荷兰是设施园艺最发达的国家，目前 有现代温室1 1 万公顷，全部为玻璃温室，占全世界玻璃温室的1 4 ，主要种植 蔬菜和花卉。日本有现代温室4 8 8 万公顷( 1 9 9 5 年) ，主要是塑料薄膜温室；日 本的玻璃温室多为门式框架双屋面大屋顶连栋温室。 另外，地中海沿岸由于气候较好，设施园艺也有较快的发展，如意大利有温 室l 。5 4 万公顷( 1 9 9 6 年) ，西班牙1 2 1 万公顷( 1 9 9 6 年) ，葡萄牙0 2 0 万公顷 ( 1 9 9 6 年) ，主要是大型连栋塑料温室；东欧一些国家，如匈牙利有温宣o 2 3 万公顷( 1 9 9 6 年) ，捷克0 3 6 万公顷( 1 9 9 6 年) ，罗马尼亚o 1 2 万公顷( 1 9 9 6 年) ，主要是玻璃温室，多为v e n l o 型结构。北欧有温室1 6 7 万公顷( 1 9 9 5 年) ， 主要是玻璃温室。 我国利用温室生产在世界上足历史最悠久的国家，从文字记载看两千年前中 国农民就创造了利用温室来栽培蔬菜的技术。目前，我国以蔬菜生产为主体的温 室面积已达9 6 7 0 万公顷( 1 9 9 9 年底) ”j ，居世界第一位，比1 9 8 1 年增长了1 3 0 倍， 设施类型主要为塑料拱棚和全日光温室。到2 0 0 0 年，包括引进国外的温室在内， 我国己拥有现代温室约7 0 0 公顷，并且每年以1 0 0 公顷以上的速度快速发展。 我国己拥有现代温室约7 0 0 公顷，并且每年以1 0 0 公顷以上的速度快速发展。 第一章绪论 1 2 2 温室覆盖材料的研究现状 1 2 2 1 国内研究概况 19 9 6 年，浙江农业大学何法才、苗香雯等对不同玻璃的透射率和传热特性 进行了实验研究。测试了多种玻璃在1 9 0r f f n 至5 0l l l n 波长范围内的透射光谱， 以及实际可见光透射率和太阳辐射透射率，并对各个波段内的透射率进行了计 算，同时还对玻璃的传热特性做了比较试验，并测试了不同玻璃覆盖下的植物光 合作用速率。研究结果表明，比利时镀膜玻璃更适合用于冬季温室覆盖，其次是 普通玻璃和银白色玻璃。p j 1 9 9 7 年，中国科学技术大学邱国俭、郑迎松等对阳光板( p c ) 的光学和热 学性质进行了理论和实验研究。测试了一融双层阳光板的光学总透射比和热损系 数，并与玻璃的实验值进行对比。结果表明阳光板槽道东西走向时透射比较南北 走向时大，而热损系数几乎相同，阳光板的热损系数普通玻璃小得多。 4 1 1 2 2 2 国外研究概况 1 ) 透射率及传热系数研究 1 9 9 5 年，加拿大的y z h a n g ，l g a u t h i e r l 5 】，等在温室中通过三年的实验对单 层玻璃，双层p e 膜的透射率和传热系数进行了测试，研究了不同材料对温室微 气候的影响。1 9 9 8 年，以色列的f g e o o l a , yk a s h t i ，u m p e i p e r l 6 j 通过实验测试 了p c 板在干燥和有水蒸汽凝结条件下的太阳辐射透过率，并且研究了在一定周 期内p c 板上污垢增加对透射率的影响。1 9 9 8 年，比利时的i vp o l l e t ；j g p i e t e r s 7 设计了一套装置测试p e 膜和玻璃板在凝结过程中的透射率。 k u r a t a ( 1 9 9 1 ) 8 用模型温室研究了一种特殊样式的材料对屋顶朝南，东西 向温室太阳辐射的影响。p a p a d a k i s ( 1 9 9 8 ) p 悃模型实验研究了单栋温室长宽对 太阳辐射透射率的影响。为了研究温室的几何参数和朝向对温室透射率的影响， 很多研究者建立了各种模型温室。( c r i t t e n ，1 9 8 3 1 1 0 l ：p a p a d a k i s ，1 9 8 6 t 1 1 1 ；m i g u e l ， 1 9 9 4 1 2 1 ) 。b o w m a n ，c r i t t e n ，k u r a t a 等用模型研究了几种形式温室的太阳辐射透 过率。b o w m a n 研究了倾斜屋面丙烯酸树脂板温室的散射辐射。c r i t t e n 用玻璃模 型温室模拟了连栋温室的透射率。很多模型的目的是研究不同覆盖材料，不同样 式温室对太阳辐射总透射率的影响。 1 9 9 5 年法国人rf e u i l l o l e y ；gi s s a n c h o u i i3 】设计了实验装置测试覆盖材料在 干燥和有水凝结条件下的总传热系数k 。结果表明，水蒸汽在塑料薄膜表面的凝 结减少了总传热系数从而有利与减少热损失；相反水蒸汽在玻璃表面的凝结则会 增加总传热系数使热损失增加。 第一章绪论 2 ) 温室覆盖材料的应用研究 近年来，大量的塑料材料在温室中作为的覆盖材料而应用。包括塑料板( 玻 璃纤维加强聚酯板f r p ，有机玻璃一聚甲基丙烯酸甲酯p m m a ，聚碳酸酯板p c ， 聚氯乙烯板p v c ) ，薄膜覆盖物( 低密度聚乙烯l d p e ，聚氯乙烯p v c ，醋酸乙 烯聚合物) 。 双层充气膜由于其低廉的价格和良好的节能效果在北美应用广泛。( b l o m a n di n g r a t t a ，1 9 8 5 ；g i a c o m e l l ia n dr o b e r t s ，1 9 9 3 t s ；p a p a d o p o u l o s ，1 9 9 4 a 1 1 6 j ) r 2 层n 烯酸树腊板在花园，销售展览温室和大型温室( 顶棚双层膜) 四壁中应用广泛。 ( g i a c o m e l l ia n dr o b e r t s , 1 9 9 3 1 5 j 、 很多研究人员发现双层膜的温室中有5 - - 2 0 的光损失或是p a r 的损失。 ( b i o t aa n d i n g r a t t a , 1 9 8 5 1 1 4 1 ；b a u e r l e ，1 9 8 1 1 ) 双层丙烯酸树脂板的透射率可能高 ( b r e d e n b e c k ，1 9 8 5 1 1 8 1 ) 、l 氐( s t o m m e ，1 9 8 6 【1 9 】) 或是和单层玻璃基本相同( t i n ga n d g i a c o m e l l i ，1 9 8 7 p 0 1 ) 这取决于材料的成份、老化和浸蚀程度。 加拿大的a t h a n a s i o se p a p a d o p o u l o s ，x i u m i n gh a o t 2 1 】在1 9 8 8 1 9 9 2 年研究了 单层玻璃和双层充气膜、双层丙烯酸树脂板在温室中的应用，结论表明在当地的 气候地理条件下双层充气膜和双层丙烯酸树脂板比玻璃节能3 0 。 2 0 0 0 年希腊学者g e o r g i o sl c o l l i d o d o u i o s 【2 习研究了聚乙烯薄膜温室室内外太 阳辐射强度和温度变化。 1 3 本课题的主要研究内容 本文以传热学基本理论为基础，在参阅大量文献后，结合实验对温室覆盖材 料的白天对太阳辐射透射和夜间的传热保温性能进行了研究，主要内容如下： 经过实验对不同覆盖材料的太阳辐射全辐射透射率和温室室内外太阳辐射 强度进行了研究； 在实验基础上，对温室室内外太阳辐射强度进行了模拟； 从传热学基本理论出发，对覆盖材料的传热系数进行了模拟，提出了测试传 热系数的实验方案； 利用温室微气候模型，对不同覆盖材料下的温室供热负荷进行了研究。 第二章温室覆盖材料热学性质的实验 第二章温室覆盖材料热学性质的实验 影响温室内温度的主要因素是进入温室的能量( 白天的太阳辐射和夜间的辅 助热源) 和从覆盖材料、墙体损失的能量( 热辐射、对流换热) 。以短波辐射为 主的太阳辐射通过温室采光材料进入温室后使室内地温和气温升高而转化为长 波辐射，长波辐射又被温室覆盖材料阻隔在温室内，从而形成室内热量的积聚， 使室内温度提高，这一过程称之为温室效应。温室正是利用温室效应，在作物不 适于露地生长的寒冷季节通过提高室内温度创造作物生长的适宜环境来达到作 物反季节生产和提高作物产量的目的。除去人工干预( 通风、结构设计和朝向) ， 室外气候和覆盖材料的热特性是决定温室内微气候的主要因素。 实验是科学研究的重要方法，从实验中能够发现事物的普遍规律。覆盖材料 的热学性质实验是评价材料性能的基础。 2 1 透射率实验 在温室中透射率很小的差别就可能对作物的生长造成很大的影响，因此评价 不同的覆盖材料特性时，材料的辐射透射率是十分重要的数据。温室内光照强度 受覆盖材料透射率的直接影响，为了研究不同覆盖材料、不同型式温室对太阳辐 射总透射率的影响，模拟温室白天太阳不同照射方位时的室内光照强度，我们对 覆盖材料的透射率进行了实验测试。 2 1 1 测试覆盖材料的透射率和太阳光入射角关系实验 2 1 1 1 有关太阳辐射的概念 1 ，太阳时 在太阳能利用中时间的计量是以地球自转周期为依据的。地球每自转周， 计2 4 太阳时。太阳时和钟表指示的时间是有差别的。 钟表指示的时间称为平太阳时( 简称平时) ，它与真太阳时之差叫做时差e 。 太阳时与钟时的换算关系如下： e = 一, - ( 2 一1 ) 式中，“太阳时( 分) ；f 平太阳时( 分) 附录l 是文献”中提供的根据1 9 8 2 年中国天文年历经过四舍五入得出的时差。 年际问的变化甚微，可以忽略不计。 北京时间与太阳时的关系可用下式表示 = 北京时间( 小时) + 陋一4 ( 1 2 0 一l o n ) 6 0 ( 2 2 ) 第二章温室覆盖材料热学性质的实验 式中，三鲫某一地区的地方经度( 东经，度) 2 太阳赤纬角 某一天从，从地球中心到太阳中一t l , 的连线与包含地球赤道的平面间的夹角称 赤纬角占。太阳赤纬角表示一年中某一天地球在其轨道上的位置。 d 可由c o o p e r 方程近似计算： s 邻s i n 罢( 2 8 4 栅) 。：吲 式中，1 1 是一年中的天数，即1 月1 日，n = 1 ；1 2 月3 1 日，n = 3 6 5 3 太阳高度角口。的计算 图2 一l 中s 与地平面的夹角口。就是太阳高度角即太阳射线及其在水平面上投影 线之间的夹角。它可由下式确定 s i n c t 。= s i n q 9 s i n 占+ c o s p c o s 万c o s m ( 2 4 ) 式中，p 当地纬度； 万太阳赤纬角； 出时角，从太阳时的正午算起，顺时针方向为正，逆时针方向为负， 就是上午为负，下午为正。它的数值等于离正午的时间( 小时) 乘以1 5 。 蒜卜 攘确。 ， 图2 1 太阳高度角示意图 4 倾斜面上太阳光线入射角岛 为了计算温室各表面上太阳辐射的情况，要用到太阳光线入射角的概念。即 第二章温室覆盖材料热学性质的实验 由太阳射线( 观测点0 与太阳的联线) 和斜面的法线之间的夹角。可由下式确 定： c o s 8 r = c o s , b s i n , p s i n b + c o s c o s 伊c o s 万c o s 国+ s i n p s i n 7 。c o s 6s i n c o 十s i n s i n 妒c o s 艿c o s 国c o s 儿一s i n f l c o s y s i n , 5 c o s t p ( 2 - - 6 ) 式中，p 倾斜面与水平面的夹角 p 当地纬度； 占太阳赤纬角； 功时角； ，。斜面方位角，斜面的法线1 2 在水平面上的投影与当地南北向之间的 夹角。顺时针方向( 向西) 为正，逆时针为负。当倾斜面面向赤道时( 北半球向 正南、南半球向正北) ，儿= 0 ；当倾斜面法线垂直于南北方向即对于东西平面 时心= 9 0 。 上式是确定任意方位、任意斜面上某日某时太阳入射角的通用公式。 2 。1 t 2 斜面倾角罗和太阳光入射角岛的关系 斜面方位角正南正北时为零，将几= o 代入式( 2 6 ) ，得到 c o s 良= c o s f l s i n 口o s i n 占+ c o s f l c o s 妒c o s s c o s c o + s i n f l s i n q ，c o s 6 c o s e a - s i n f ls i n 6 e o s 尹 ( 2 - - 7 ) 为使正午i 2 时( 太阳时) 太阳光入射角岛= 0 ，求相应的斜面倾角。此时 太阳时角0 9 = 0 ，代入式( 2 - - 7 ) ，得到 c o s 醵= c o s f l s i n q ，s i n 万十c o s f l c o s 妒c o s + s i n f ls i n 妒c o s 6 一s i n , 8s i n 6 c o s o = c o s f l ( s i n q ，s i n+ c o s p c o s j ) + s i n ( s i n 妒c o s j c o s 妒s i n 占) = c 。s 卢i 圭 c o s 一艿) 一c 。s 如+ 万) ) + 圭( c o s 白一占) + c 。s 移+ 艿) ) + s i n d i - - 乒= i n 卅“n 。俐 ( s i n 。删埘n 。一万) ) 1 。 = c o s c o s 一万) + s i n f ls i n ( , p 一占) = 吉 c 。s 够+ 一艿) ) + e 。s 一白一艿朔+ 互1 c 。s 归一一万) ) 一e 。s + 一刚 = c o s ( # 一一j ) ) ( 2 8 ) 则，=妒一j(2-9) 第二章温室覆盖材料热学性质的实验 由式( 2 - - 9 ) 可知，当正午1 2 时( 太阳时) 使太阳光入射角易= o 的斜面倾 角可由当地纬度和当天太阳赤纬求得。 在算出实验当天斜面倾角后，即可由式( 2 7 ) 算出当天不同时刻太阳光在 斜面上的入射角砩。根据以上算法，本文编制了斜面上太阳光入射角和倾角关 系的程序。详见附录2 。 2 1 1 3 太阳辐射量的测量 1 地球表面上的太阳辐射 太阳是一个炽热的气态球体，主要由氢和氦组成，其中心进行着剧烈的热核 反应，温度高达数千万度。太阳表面的有效温度为5 7 6 2 k ，在大气上界太阳辐射 ( 短波辐射) 的光谱能量分布为，紫外线部分( 0 a 0 3 8 a n ) 约占7 ，可见 光部分( 0 3 8 五 0 7 8 , w n ) 约占4 5 6 5 。嘲 地球表面所接收到的太阳辐射量，是经过地球大气层的衰减的。减弱的原因 有两个：一个是大气层中的空气分子、水蒸气和灰尘对太阳辐射地散射；另一个 是大气层中的氧( 0 ：) 、臭氧( o ，) 、水蒸气( h ：0 ) 及二氧化碳等对太阳辐射的 吸收。 大气中发生两种形式的散射现象。分子散射是由于各个分子间相互干扰引起 的。天空之所以是蓝色就是因为空气分子对紫外( 短) 波长的散射所造成的。大 气中的微粒散射是悬浮在空气中的很多种微粒的辐射相互干扰所引起的。尘埃、 烟粒和水珠全都是重要的微粒散射中心。散射过程主要是被那些尺寸可以同辐射 波长相比的微粒所控制。最大散射发射在波长与微粒尺寸相等的情况之下，在波 长增加时散射逐渐降低。在波长小于微粒尺寸时，辐射趋向于反射。 因此，达到地球的太阳辐射由直接辐射和扩散辐射组成，也可分别称为短波 辐射和长波辐射。 2 天空辐射表 测试太阳辐射的仪器采用我国通常使用的太阳总辐射仪，长春气象仪器厂生 产的d f y 2 型天空辐射表。其结构主要由感应元件、支柱与翻转机构、底座与外 罩和遮光板等几个部分组成。 仪器的工作原理是根据热电效应。其感应部分是设在半球形玻璃罩内如棋盘 状的黑白相同的电热堆。在锰铜片和康铜片组成的热电堆上涂有对太阳辐射具有 不同吸收能力的碳黑和氧化镁，它们将吸收的太阳辐射能转化为电能，用辐射电 流表测量其热电流强度，按电流强度的大小与太阳辐照度成正比。将电流强度通 第二章温室覆盖材料热学性质的实验 过换算，即可求得太阳辐照度。 d f y 2 型天空辐射表用来测定波长为o 3 微米2 4 微米左右的包含太阳本体 在内的天空总辐射；当感应面用遮光板遮盖时，可单独用来测量大气的散射辐射； 当仪器的感应面朝下时，可以测量地面的反射辐射；使用天空辐射表也可测定水 平面上的直射辐照度，即求总辐射与散射辐射之差。 2 1 1 4 覆盖材料的光学性质 1 吸收、反射和透射 当辐射能投射到覆盖材料上时，少量能量被吸收和反射，其余能量则全部透 过材料进入温室。根据能量守恒定律有： 口+ p + f = l ( 2 1 0 ) 式中，a 吸收率； 口反射率； f 透射率。 2 辐射热流 入射到覆盖材料表面的辐射热流中，包括直射和散射两部份，即 m ，= i d ，+ i aj ( 2 1 1 ) ，。，入射的直射辐射热流； 厶入射的散射辐射热流。 那么，透过材料的辐射热流m ，则可用下式表示： 7=lo,1+ia、，白(2-12) 式中，乃直射光和散射光的透过率。 3 覆盖材料透射率 直射光透射率r 。取决于直射光的入射角和相应的透光材料透射率： f d = 吒( 1 一 ) ( 1 一r 2 ) ( 1 一r 3 ) ( 2 - - 1 3 ) 散射光透射率乃取决于直射光的入射角和对应的透光材料透射率： f d = r d o ( 1 一- ) ( 1 一r 2 ) ( i 一) ( 2 1 4 ) v a 上- 式中吒透光材料在入射角为口的透射率 干洁透光材料对散射光的透射率 温室构架、设备等不透光材料的遮光损失，一般大型温室不超 第二章温室覆盖材料热学性质的实验 过5 ，小型温室不超过1 0 ，连栋温室比同类结构的单栋温室降低 4 5 ： ，- 温室覆盖材料因老化造成的透光损失； 水滴和尘埃造成的透光损失，一般水滴透光损失可达2 0 3 0 ，尘埃透光损失可达t 5 2 0 。 材料的光谱透射率f n ) 的表达式为： 制= 铡( 2 - - 1 5 ) 式中，川q ) 入射到材料表面的单色辐射强度； l a x 以) 透过材料的单色辐射强度。 温室效应现象正是由于温室透光材料对不同波长的有不同透射率而形成的。 覆盖材料的透射率 在温室中覆盖材料对太阳辐射的透射率是全辐射( 直射+ 散射) 、全光谱的 太阳光透过率，即 ，：生：坐! 坚丝 。， f i 。0 协 ( 2 一1 6 ) 式中，o ，一透过的辐射热流，w m 2 ； 中，入射的辐射热流，w m 2 。 综上所述，在实验中我们将通过测试o ，和西，得到覆盖材料的总透射率。 2 1 1 5 实验方案 1 实验目的： 测试覆盖材料在不同太阳光入射角下的透射率 2 实验台的尺寸设定： 辐射表高度1 8 c m ，为了减少边界效应和四壁阴影对实验的影响实验台的高 度设计为2 0 c m ，底座5 0 c m 5 0 c m 。实验台的顶面倾角可调( 0 9 0 。) 3 实验台斜面方位角南北向的确定 用指南针定向，指南针指示地磁南北极，与地球自传的南北极并不相合。如 果用正午的太阳方位定向，就能准确地达到目的。在北半球，纬度大于2 3 。1 7 7 的地区，当纬度大于太阳赤纬时，正午时刻太阳j 下对南天极；纬度小于2 3 。 第二章温室覆盖材料热学性质的实验 1 7 的地区，当太阳赤纬大于纬度时，正午时刻太阳正对北天极。所以，在正午 观测太阳( 可用棒影法) 就能准确确定方向。鉴于以上原因，测试时南北向的确 定方法为，先用指南针初步定向，而后正午采用棒影法定向。 2 1 1 6 实验数据的整理及分析 2 0 0 4 年5 月经过对不同材料的多次实验，得到覆盖材料全辐射透射率整理如下 表2 - 1 。 表2 - 1 温室覆盖材料全辐射透射率