日光温室空气温度与墙体温度的相关性分析.doc

日光温室墙体温度与空气温度的相关性研究与分析张志录，孙治强*（河南农业大学园艺学院，郑州，450002）摘要: 以河南省郑州市土质墙体下沉式日光温室为例，采用试验测试与理论分析相结合的方法，研究了室内外气温对温室内墙体温度、土壤温度的影响及其相互关系，以期为温室的建造与发展提供理论数据。测试与分析结果表明：室内气温明显受室外气温的影响，而墙体温度与土壤温度依赖室内气温，却又反作用于室内气温，相互之间相关性突出。通过对温度变化规律的分析和数值计算，建立了温室内墙体温度与室内外空气温度相互关系的数学模型， 通过验证，墙体温度模拟值与实测值基本一致，拟合良好。键词：日光温室； 空气温度； 墙体温度；热流密度Abstract: Experiment, testing the cob wall temperature, heat flux and air temperature in the sunken solar greenhouse in Zhengzhou of Henan Province, study on the relationship between them. Results showed: indoor air temperature is significantly affected by outdoor, and the back wall temperature dependents on it. however, in night time, it dependents on back wall temperature instead. Based on numerical calculation and data analysis, a mathematical model of air and wall body temperature in greenhouse is established, and value of simulation of wall body temperature is consistent with the test data on the whole.Key words: sunken solar greenhouse; air temperature; wall body temperature; heat flux0引言温度是影响作物生长的重要生态因子。温室内的空气时刻在与围护结构、土壤及室外空气进行着热量交换，因而，室温时刻在变化着。白天，墙体和土壤吸收太阳辐射并储存热量，夜间把蓄存的热量释放到室内以提高室温，因此，墙体温度与温室内空气温度之间有很重要的相互依赖关系，墙体温度对维持室内热环境平衡尤其是夜间温度起着关键性的作用1。室内土壤层是整个温室系统中质量最大的部分, 它对温室的瞬时温度变化影响较小, 但对温室在较长时间内保持较高温度的作用不可忽视2。空气温度和墙体温度的关系,已有一些初步研究。日光温室墙体与地面吸放热量测定分析3，比较了不同天气对墙体与地面吸、放热量的影响，并定量计算了墙体和地面全天的吸、放热量；日光温室土质墙体内温度与室内气温的测定分析4，研究了墙体温度随气温的时、空变化而变化的规律；日光温室墙体内部温度状况分析5，研究发现墙体温度受到温室内和温室外气温的影响，墙体内部不同深度间存在明显的差异。冬季日光温室北墙内表面热流分析6，研究发现室内空气与墙体间传热为湍流状态，而非平流状态；白天北墙表面以辐射换热量为主，是对流换热量的2.6倍；高寒丘陵地区机建厚墙体日光温室保温性能研究7，对比了不同墙体结构对冬季温室内气温的影响；莱芜日光温室气温变化规律研究8，总结出温室内外气温相关性阴天时最大，多云天次之，晴天最小；且白天相关性明显小于夜间；冬季温室内增温效果显著。辽沈I型日光温室环境特性的研究1冬季散热规律的研究9，发现该型温室在冬季不加温的情况下，室内外温差可达31.4，北墙的保温效果良好。但以往的研究尚没有建立关于空气温度与墙体温度相互关系的数学模型。为了便于温室管理，有必要对温室的墙体温度和室内外空气温度进行测试，通过数值分析的方法求解墙体温度场及其与室内、外气温之间的关系，建立合理的数学模型，以便管理者在得知室外气温时，就可知道室内气温和墙体温度；同时，也为温室的温度管理及温室墙体的设计与建造提供一定的科学依据。1 实验材料与方法1.1 实验地点及实验温室实验选址于河南省郑州市荥阳市(3436N， 11321E)王村镇西大村国家绿色蔬菜示范园区。该园区有温室1000余座，分为四个棚区。其中，实验温室所在的中心棚区建于2008年5月，有温室400余座，全为下沉式土质墙体结构。温室东西延长，方位角南偏西3，长82m，室内净跨度10m，室内脊高4.8m，后坡长1.5m，后坡仰角55。后坡由水泥支柱（单排）支撑，柱间距3.5m。北墙是由挖掘机就地取土堆筑、由压路机压实而成，为单质实心夯实粘土墙体。东、西山墙由加气混凝土砖砌筑而成，厚度1m。室外北墙高2.5m，底端厚4m，顶端厚2m。室内作业面低于室外地面80cm。南采光面为拱圆形无支柱钢桁架结构，底角72，采用流滴性聚乙烯薄膜覆盖。夜间，薄膜上覆盖草苫以保温，白天将草苫收起以采光，收、放苫时间为：7：308：30收，16：3017：30放。1.2测试时间及仪器时间：2010年12月10日至2011年3月30日。辽宁锦州阳光科技有限公司生产的TRM120温度测试仪，可外接90个温度传感器和30个热流密度板，测温范围50 150，测试精度为0.5。能实时监测和自动保存测试结果，储存量为6000组。本实验中主要测试墙体温度和墙面热流，设定每30min存储一次数据。北京世纪建通技术开发有限公司生产JTNT-C建筑围护结传热系数检测仪，可外接48路温度传感器和16路热流密度板，测温范围2585，测试精度0.5，能实时监测和自动保存数据，储存量为8000组。本实验中主要用其测试室内气温、地温，设定每30min存储一次数据。水银温度计，测量室内气温、墙体内表面温度等，与仪器观测数据相互参照。1.3测试点布置室外空气温度测点：布置在温室后墙外30cm附近，距地面1.5m，测点1个。室内气温测点布置：室内测点分别位于温室东西方向的1/2、1/4和3/4处、南北方向的1/2、1/4和3/4处，观测点距室内地面高75和150。另外，分别在距东、西山墙1.5m处增设一点，距地面高1.5m。后墙 450cm 墙温测点 采光面 室外 地面 草苫 立柱 热流板 室温测点 地温测点 75cm 150cm 400cm 400cm 200cm 250cm 室外测点 L1 L4 L3 L2 80cm 图11 实验测点分布 立面图Fig.11 Layout of measurement points for experiment inside the greenhouse，elevation后墙温度测点布置：在室内后墙中部，即由东向西约40m处，分别在距地面0.4m、1.2m、2.2m、3.2m的高度内墙内打孔，孔内安装温度传感器。四个高度由上而下分别称作L1、L2、L3和L4。每个高度打孔时均由0深度打起，每增加10深度增打一个孔，直至把后墙打透，孔间距1015。另外，在距东、西山墙15m处的后墙面上，在与L1L4相同高度位置分别布置030深的测点各1个。见图11。热流测试点布置：分别于室内后墙中部L1L4高度处各布置一个测点；室外分别布置于L1、L3处。地温测点布置：分别于温室中部和后墙脚下60范围内布置测点，深度为0、10、20。后墙脚下测点分别距后墙0、30、60。2000cm 4100cm 200cm 200cm 4100cm 150cm 图12 室内气温测点分布平面图Fig.12 Layout of room temperature measurement points inside the greenhouse，ichnography1.4 数据处理 本文采用2011年1月数据。文中曲线图形均用Microsoft Excel 软件绘制。数据处理时所用的方差分析等统计方法，是在Spss数据统计与分析软件中实现的。热流量计算公式：Q(ti-to)A/d式中，Q：总的导热量，wm2；：导热系数，W(mK)；ti：墙内表面温度，；to：墙外表面温度，；d：热流方向上墙的厚度，m；A：垂直与热流方向平面的表面积，m2；：导热进行的时间，h。每日墙体放热量计算公式：单位面积墙体放热量=30min热量积累值放热总量=30 min热量积累值墙体面积，地面放热总量同理。2 结果与分析2.1 室内外气温的关系 选取2011年1月8日至15日的室内外气温数据，以时间为横坐标，以温度为纵坐标，作图21。图21 温室内、外气温的日变化规律Fig.21 The curve of indoor and outdoor air temperature in greenhouse由图2-1可知，室内气温明显受室外温度的影响，二者日变化规律相同，均符合简谐波动规律，波动周期为24h。早晨温度最低，之后随太阳升起而升高，中午前后达最大值，然后开始下降，至次日早晨降到最低值。全天，室内温度始终高于室外：室内日均温18.16，室外1，室内高出室外19.2；室内温度的日变幅明显大于室外，室内日较差平均为19.8，室外为14.5；室外最高温度多于12点左右出现，平均为6.7，而室内最高温度平均为31.8，常出现于13点钟，滞后于室外1h，；室内外温差最小值14.1，出现于上午10点左右，最大值26.8，出现于午后13点。这组数据不仅说明了室内、外气温具有显著的相关性，还充分说明了该温室具有良好的采光升温性能和保温效果。另外，从图中还可以看出，1月9日和14日为阴天，室内外气温的波峰均较低，日变化平缓，尤其是室内夜间温度明显偏低。这反映了不同天气条件对温室内部气温的影响：阴天条件下，室内、外气温均低于晴天，日变幅较小，且夜间温度明显低于晴天。2.2 墙体温度的日变化 选取连续晴天中间的一天，以温度为纵坐标作图，反映墙面温度在一昼夜中的变化规律，如下图22。图22 墙面温度与室内气温的日变化规律Fig. the curve of back wall inner surface temperature in a day由图22可知，墙面温度受气温的影响很显著，二者日变化规律几乎完全相同，存在着很明显的正相关关系。但墙面温度始终高于室内气温，最高和最低温度出现时间均比室内气温有所滞后。在14：3015：30之间，墙体内表面温度有一小幅下降，这是后坡支柱的阴影投射到墙面测试探头上的缘故。这一现象表明，后墙温度受太阳直射和室内气温的共同影响。土质墙体具有很强的吸、贮热性能。从早晨8：00左右到下午15：00左右，墙体在升温，表明其在吸收和贮存热量；16：00以后至次日早8：00间墙体温度在持续下降且一直高于气温，表明其在陆续向室内放热。墙面热流的测试结果与之一致。早晨8：00室内温度最低时，后墙内表面也达温度最低点，但比气温高出4.1。从17：00起至次日8：00算作夜间，墙面温度平均比气温高出5.2。在最冷月的典型天气下，整个夜间墙体连续放热至温度最低点，仍可维持12以上的温度，可见墙体良好的保温性能及其对维持温室夜间温度的重要意义。2.3 墙体温度的分布规律取L1L4处0、50、120深度的温度数据，作图23，观察其日变化规律。由图23可知，三条曲线之间进行比较，0曲线高高在上，且起伏剧烈，说明其温度高，日变化大；三条曲线上下间隔明显，说明不同深度间有较大的温差；120曲线最平缓，说明其日变化最小；三条曲线的峰和谷，出现的时间均不一致，说明不同深度间日变化规律不同。总之，墙体温度由内表面向墙内沿厚度方向，温度在逐渐降低，日温差在逐渐缩小，日变化渐趋缓和。图25 墙体温度的分布规律Fig. the curve of different depth and height temperature in the wall in greenhouse另外，0、50、120三条曲线，从左至右均有上升趋势；数据显示：同为0深度，日均温比较：L4L3L2L1；日温差比较：L4L3L2L1。50和120深处亦是如此。说明墙体的温度随高度而变化，由下及上呈递减趋势。每条曲线的L1、L2、L3和L4四段中，曲线的形状及峰、谷出现的时间和大小却均不相同，说明在相同深度层次内，高度不同，墙体温度的变化规律是不同的。沿墙的长度方向，墙体温度变化甚微。由于墙很长，所以，沿这个方向的温度梯度dt/dx值非常小，通常可以看作是稳定不变的，因此，墙体传热应属于二维非稳态导热问题。2.4 墙体表面热流密度的变化图23 墙面热流密度的日变化规律Fig. the curve of back wall heat flux in a day墙面热流密度的变化可以更好的说明温室内空气温度对于墙体温度的影响。选取1月29日典型晴天天气下所测定的墙面热流密度数据，以时间为横坐标，以热流密度为纵坐标，作图23。图中，正值表示土壤向温室放热，负值表示土壤从室内空气吸热。从图23可知，热流密度在上午 9点以后表现为负，说明墙体从9点开始，从室内空气及太阳辐射中吸热，墙面温度开始上升；热流密度最大值出现在午后14点左右，即室内空气温度最高时；下午16点以后，热流密度表现为正，说明墙体已开始放热。在9点16点间，墙体连续吸热，并将吸收的热量向墙内传导和蓄积。夜间，墙体作为热源将白天蓄积的热量传给室内空气，起到加热空气的作用。另外，从图中还可以看出，墙体吸热时间虽短，但吸热量大，波峰很突出；夜间放热时间漫长，但没有明显的波峰出现，说明墙面向室内供热量比较稳定。2.4 墙体温度与空气温度的关系墙体温度的变化受诸多因素的影响。墙体内、外表面分别与室内、外空气和地面存在着对流换热与辐射换热，同时，内墙面还与温室采光面、后坡、室内作物及南沿下沉的南立面之间存在着辐射换热，墙面与墙体内部还存在着热传导，等等。室内、外空气和墙体均受太阳周期性辐射的影响而发生温度变化，上述热交换也存在着周期性的变化。室内空气温度、墙面温度是上述各种热交换的综合结果。下面列出各种热交换的关系式：dA（T4wT4d） （1）zA（T4wT4z） （2）cA（T4wT4c） （3）nA（T4wT4n） （4）hA（T4wT4h） （5）qh1A（TwTf） （6）w（TwTout）+（TeTh） （7）out h2A2（ToutTa）+A2（T4outT4g） （8）sun I0pmcos+（1pm）I0sincos2/2（11.4p）0.76 （9）sun （1pm）I0sincos2 /2（11.4p） （10）w+d+z+c+n+h+out+sun+sunA（Tw-Tout） （11）式中，d、z、c、n、h分别是墙面与地面、作物、采光面、南立面、后坡之间的辐射换热量，单位：W，下同；Td、Tz、Tc、Tn、Th分别为地面、作物、采光面、南立面和后坡的温度，单位：，下同；q为墙体内表面与室内空气间的对流换热量，Tf为室内空气温度；out为墙体外表面与室外空气的对流换热量加上其与地面的辐射换热量，Ta、Tg分别为室外空气温度和地面温度；sun、sun分别为室内、外墙面接收的太阳辐射热量，I0为太阳常数，p为大气透明度，m为大气质量，为太阳高度角，墙面与水平面的夹角，为太阳光线与墙体表面法线的夹角；w为墙面向墙内的热传导量与墙体和地面间的热传导之和，Tw、Tout 分别为墙体内外表面温度，Te为墙体下垫面温度；A为后墙的表面积，为墙体高度，M为墙体与地面的接触面积；为土质后墙的发射率，为辐射常数，无量纲，取值5.67108；h1、h2分别为室内、外空气与内、外墙面之间的表面换热系数；为土质后墙的导热系数，为墙体厚度，这里取值3.0m；为土墙的密度，为土墙的比热容。这些关系中的温度参数，是随时间而变化的，因而，上述传热关系均应为非稳态传热。引入时间变量，建立二维导热微分方程如下： （12）式中，是墙体的内热源，即墙体内、外表面所吸收的太阳辐射；导热进行的时间，单位：h； 、分别为厚度和高度方向上两温度点间的距离，单位：m；温差，单位：。分别将墙体区域（垂直于长度方向的横断面）离散和时间（一昼夜）离散，建立热平衡代数方程，利用差分代替微分，求解式（12）的导热微分方程。求解和计算过程非常繁杂，本文将其省略。通过对实测数据的整理和对热平衡方程的数值分析，最终得出室内墙体温度与室内外空气温度之间的关系式：Tw （内壁面温度）0.006T 2f（室内气温的平方） + 1.796Tf（室内气温）0.059T2a（室外气温的平方）0.982Ta（室外气温）6.549 （13）由关系式可知，墙体温度由室内外空气温度共同决定，已不是简单的线性相关关系。2.5 验证为了验证模拟结果的正确性和可靠性，分别采用作图法和统计分析法，将墙面温度的计算值和实测值进行比较。如图24。图24图4 日光温室墙体温度变化的模拟值与实测值对比Fig24 Comparison between simulated and measured temperatures in the wall 由图24可知，两者变化趋势相同，吻合很好。利用统计方法检验其拟合优度，其判定系数R20.986，最大相对误差为0.14%，表明拟合良好。分别在上午10：30和下午16：00，出现两个最大误差值，分别为3.05和3.81，据分析，这是由于室内太阳辐射不均匀和室内立柱对光线的遮挡等原因造成的。3 结论墙面温度和室内、外空气温度具有相同的日变化规律；墙体热流的日变化规律说明，白天热量自空气流向墙体，夜间