节能温室中的泡沫保温及自然通风研究

孙小琴

（诺丁汉大学建筑与建筑环境学院，英国诺丁汉 NG9 2TN）

节能温室中的泡沫保温及自然通风研究

孙小琴

（诺丁汉大学建筑与建筑环境学院，英国诺丁汉 NG9 2TN）

将绝热性能良好的透明流动泡沫填充于节能温室的外层覆膜空腔内，降低温室与外界环境之间进行热交换产生的能量损失或聚热，是一项温室节能新技术。借助流体动力学数字模拟计算程序（CFD），对影响节能温室隔热性能的因素、通风窗结构进行了系统的优化研究，预测节能温室在冬季寒冷条件下的隔热性能和在夏季炎热环境下的通风降温效率，为节能温室设计提供依据。

节能温室；气泡绝热；通风窗布置；流体动力学模拟（CFD）

温室种植生产技术在农业和园艺业界占据极其重要的地位，并在全世界广泛应用。气候寒冷或炎热暴晒的大陆性气候国家和地区，采取技术措施，有效地节约温室的能源投入和消耗，具有节能减排、持续发展的重要意义。

传统温室大都由结构框架加单层普通玻璃、纤维玻璃或聚乙烯薄膜覆面建成，保证较多的光热能够射入温室使植物进行光和作用，其热导率U-值约为6.2W·m-2·K-1［1］，但保温性能较差。为了提高温室的保暖效能，采用蓄能池、热泵、保温罩等系列技术，但并没有取得预期的经济和环境效益［2］。夏季温室过度聚热，需消耗大量能源进行温室冷却、遮光和通风［3］，而冬季又需进行加热保温。维持温室内恒定温度，消耗的年均能源量构成了温室种植成本的主要部分。英国用于温室生产的燃气费用约占总成本的40％，其中的61％主要用于温室加热和湿度控制。随着矿物燃料价格上涨，温室经营者亟须减少能源投入以保持竞争力。为解决上述问题，研发出采用能够产生特殊的透明液状绝热泡沫充填于由两层透明薄膜空腔中的温室覆面新技术。该中空覆面允许大部分阳光透射或遮光，减少了冬季的热量散失和夏季的过度聚热［4］，进而降低温室能耗。

1 温室双膜层覆面保温系统及工作原理

泡沫生成与温室双膜层覆面保温系统是集成的。温室泡沫发生器安装在温室框架结构的脊梁处，用于生成添加有表面活性剂等成分的透明气泡，小型气泵根据环境需要将生成的气泡输送充填到两层薄膜结构的双膜层温室覆面空腔中。泡沫发生器的运转和泡沫充填是依据季节温度的变化自动调整的。冬季仅在温室顶层背阳面覆面中填充泡沫作为隔热层，它能将阳光红外热能吸收并反射到温室内；而向阳面则不填充泡沫，使阳光充分入射。酷夏温室向阳面覆面中充满泡沫以加强阳光反射，同时吸收红外光热能并储存在储热池中，等到夜晚或阴雨天再将储存有能量的泡沫布满温室整个覆面，向室内释放热能。夏季夜间通过循环流动泡沫，温室地面上的热交换器冷却泡沫，为次日白天提供冷源和遮蔽［5］。泡沫良好的隔热效果使温室内水分蒸发下降，覆面内表面冷凝水减少；遮光的功效缓解了白天过度加热，降低了温室对通风除湿降热的要求。总之，泡沫隔热系统能够合理储存和利用太阳能，表现出显著的保温加热和遮光冷却性能，利于温室内微气候环境调控，高效节能。温室微气候调控的关键是温室热交换和温室通风的低耗能控制技术。

2 温室通风保温计算机数字模拟

2.1 模拟方法

流体动力学（CFD）软件被广泛应用于模拟和分析流体在建筑内部及周围的流动情况，能够预测和评价流体的各种物理化学变化。本研究运用CFD软件，模拟节能温室在冬季的隔热保温性能，与传统玻璃温室进行对比；并对夏季温室的通风散热效果进行系统分析，提出改进自然通风效率的措施。

2.2 热传导模型

温室覆面空腔中的液状泡沫是由无数小气泡组成，它们之间相互作用，甚至破裂和再生，并不断重新排列。当温室覆面空腔内填满泡沫并被封闭而处于稳定状态时，上述复杂无序的变化可忽略。

鉴于热传导模型主要是研究泡沫作为温室隔热层的热性能，而不是气泡之间的微流动情况，假设泡沫保持稳定状态，可以把温室模型中的泡沫简化为匀质、连续、稳定的介质材料。因为通过温室覆面的热损失绝大部分由传导造成，所以模拟条件选为仅考虑传导，而忽略热对流和热辐射［6］。况且冬季温室基本无需通风降温，热对流引起的热损失很小。热传导模拟侧重于热量通过温室覆面的变化，而非温室内微气候。若温室的长边远大于其它两个方向的尺寸，则在CFD软件包中的GAMBIT建立起二维的温室横切面模型，使计算结果简洁恰当，见图1。

图1 热传导模型：温室覆面横截面

通风模拟意在分析温室内与周围的自然通风对温室内部微气候的冷却作用。基于对室内空气流动计算精确的k-ε涡流算法［7］，可以模拟出气流从外界环境通过进风口流入温室内与室内空气混合流通，再从出风口流出的过程。由于空气渗漏量微小，且在夏季造成的热量损失无关紧要，因而忽略渗漏通风过程。温室采用自然通风来冷却和除湿虽然方便经济，难点是如何严格控制气流流向和通风量。通风模型侧重于分析温室内外的气体交换情况，而充满泡沫的覆面可以看作不透气的墙面，空气流动不影响空腔内气泡间的微环境。通过优化温室通风口的分布位置、开口大小、窗口形状，调节温室空气流动。设计通风口连续排列在温室的长边方向，左边的是进风口，右边为出风口。基于此，抽象出开有通风口的位于无限大外界环境下的温室模型，空气流是外界环境中作用于温室侧墙的自然风，在CFD软件包FLUENT中设定相关求解公式、边界条件和计算参数，并设计对照组模拟比较。

3 模拟结果分析

3.1 冬季节能温室的泡沫隔热系统性能

设外界气温4℃，热导率U-值为15W·m-·2K-1及温室内气温22℃，U-值为5W·m-2·K-1的环境下，厚度为0.5m充满泡沫的空腔中，模拟温度分布如图2所示：

图2 传导热模拟（0.5m空腔）

图2显示了冬季温室处于18℃的内外温差条件下，其横截面上的等温线分布状况。显然温度沿假想同一厚度层的变化微弱，而沿垂直厚度方向的变化明显。这说明空腔内热传导受到极大阻碍，泡沫隔热系统作用显著。

3.1.1 覆面空腔厚度对系统性能的影响

图3 不同厚度的覆面中的温度变化线形图

用0.2，0.5，0.8m不同厚度空腔的覆面比较。结果显示在三个不同厚度的空腔中温度分布趋势相似，但是在厚度为0.2m的最窄空腔内，温度改变极快，只有覆面最内侧薄薄一层气泡的温度接近室温。相反地，厚度为0.8m的空腔中有大量22℃的泡沫。由此推断，空腔厚度大，泡沫隔热系统的性能好。根据傅立叶热传导公式H=kA ΔT/x（式中H为导热量；k为热导率；A为传热面的面积；ΔT为温差；x为传热面的厚度）。与其它保温材料相同，增加材料厚度意味着热量传导的路径变长，导热量减少。图3反映了三个不同厚度的温室覆面中温度的变化情况。图中最细的直线代表0.2m厚的覆面，其斜率最大，表明温度在0.2m内就变化了18℃；而最粗的直线说明0.8m厚的覆面中温度变化缓慢，使更多的热能储存在泡沫中作为夜间温室的热源。但覆面并非越厚越好，要根据实际需要和经济效果综合考虑选择。

3.1.2 覆面材质对系统性能的影响

处于相同外界环境中的两个温室模型，具有相同的结构，但覆面材料不同。玻璃覆面的温室内侧温度明显低于室内温度，这一差异促使室内的热量源源不断地传导给温度较低的玻璃，进而传给外界环境，直到室内大量热量散失，二者温差为零［8］。而泡沫覆面则不同，覆面温室内侧的温度基本接近室内温度，表明保温性能量好。两种不同材质的覆面层腔内其温度变化，见图4。图中显示玻璃覆面内的温度分布：下方直线是传统玻璃覆面温室内侧的温度变化，其斜率较小，说明温度在玻璃中分布相对均匀，温差仅为6～14℃范围.即玻璃中的热量传导比在泡沫中更为容易。泡沫覆面腔内温度变化的斜率相对较大，即温差较大，表明泡沫覆面的温室保温性能比玻璃覆面温室明显良好。

3、适期播种，播种密度不要过大。应在气温稳定通过6℃时播种，不要盲目抢早。从理论上讲，播种密度以300 g/m2为宜。然而在实际生产中，农民为了节省农膜等生产成本，以及考虑到出苗率、使用插秧机等原因，往往会加大播量，即便如此，播种量也绝对不能超过500 g/m。

图4 不同材质覆面温室中的温度变化图

3.2 夏季节能温室的自然通风优化

3.2.1 通风窗口径大小对室内风速的影响

在相同的外界风速条件下，不同尺寸的通风窗口对温室内风速的大小和分布的影响，见图5。左图显示温室内顶部有较强空气流，地面处有较弱回流，室内空气混合很少，中心空气大多静止不动。右图中有一股进入室内的气流非常明显，并在温室跨度中部下沉，在顶部和侧墙均产生回流气流，但大部分没有与室内空气充分均化便从出风口流出。温室不同高度处平均风速，见表1。

表1 不同通风窗口尺寸的温室内不同高度处平均风

表1数据表明具有大口径通风口的温室内风速较大，有利于空气混合和更新。但若在植物生长高度处风速较大，则对植物生长不利。

图5 通风窗不同口径距地面相同高度模拟（0.2m和0.5m高的通风口）

图6 通风窗相同口径距地面不同高度模拟（离地面0.5m和1.6m的通风口高度）

3.2.2 通风口位置对室内通风效果的影响

相同窗口尺寸，距离地面不同高度的温室窗口对温室气流的影响极大，见图6。两个温室中风速沿跨度几乎对称，最高风速都出现在接近通风口的高度处，但最低风速并不在封闭的区域而在中间高度附近。高风速有可能影响作物蒸腾作用和生长习性，但是对去除室内顶部的冷凝蒸汽有利，因此选择通风窗口位于温室较高处，加大上部空气流通速率和通风效果，又对植物的蒸腾作用和生长影响较小的高度位置，即通风窗口应位于距离温室地面较高处。

3.3 通风窗口组合方式模拟

对不同尺寸的通风窗口及距地面不同高度的组合方式进行模拟，见图7。对比温室内不同高度的风速大小和室内空气混合程度，其中最有效调节温室内温度和空气更新的设计模型为增设温室顶部开窗口方式。顶部开窗口的温室气流交换强度大于其它方式，比只有两个通风口模型的室内空气混合度高，换气速率快，利于植物生长发育。

4 结论

装配有泡沫绝热系统的节能温室能有效提高冬季室内的隔热保温效果，与传统温室相比具有节约能源、降低生产成本、保护环境的优点，其保温性能随着绝热层的厚度增加而提高，但在实际生产应用中要综合对比、择优选用。节能温室在夏季借助自然通风来冷却室内微气候，也出于经济和环境的综合考虑。通过模拟不同的通风口设计方案，最终选择侧墙底部加顶部通风口的组合方式，通风口要适当选用较大尺寸，并根据天气情况及时开关。CFD软件成功模拟了节能温室中的热传导和通风情况，并给出量化结果，为节能温室的实际设计和应用提供了依据。

图7 通风窗不同组合方式的通风模拟效果

［1］Steve Adams.Final report to Defra，AC0401：Direct energy use in agriculture：opportunities for reducing fossil fuel inputs［R］.Warwick，UK：Horticulture Research International，2007：iv.

［2］Aberkani K，Gosselin A，Halleux D de，et al.Effects of Insulating Foams between Double Polyethylene Films on Light Transmission，Growth and Productivity of Greenhouse Toma to Plants Grownunder Supplemental Lighting［R］.UK：International Society for Horticultural Science，2006：449-454.

［3］Wikipedia.The free encyclopedia［EB/OL］.（2010-06-22）［2010-08-25］.http://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse.

［4］Guohui Gan.CFD modelling of transparent bubble cavity envelopes for energy efficient greenhouses［J］.Building and Environment Journal，2009，44（12）：2486-2500.

［5］［S.n.］.Solar roof/Solar greenhouse［EB/OL］.（2010-07-05）［2010-08-28］.http://www.solaroof.org/wiki/SolaRoof/SolarGreenhouse.

［6］H B Manbeck.A Laboratory Facility for Teaching Principles of Ventilation of Agricultural Structures［J］.American Society of Agricultural and Biological Engineers，1993，30（5）：1447-1451.

［7］Shklyar A，Arbel A.Numerical model of the three-dimensional isothermal flow patterns and mass fluxes in a pitched-roof greenhouse［J］.Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2004，92（12）：1039-1059.

［8］Wikipedia.The free encyclopedia［EB/OL］.（2010-07-09）［2010-09-20］.http://en.wikipedia.org/wiki/Conduction_（heat）.

〔编辑 石白云〕

Bubble Thermal Insulation and Natural Ventilation Research for Energy Efficient Greenhouses

SUN Xiao-qin
（Department of Architecture and Built Environment，The University of Nottingham，Nottingham，UK NG9 2TN）

Energy efficient greenhouse equipped with bubble thermal insulation system is an innovative technology attempting to reduce indoor energy consumption.Transparent liquid foam filled in a cavity envelope of greenhouse presents excellent insulation performance by decreasing energy loss or accumulation through heat transfer between the inside microclimate and outside environment.By using computational fluid dynamics code（CFD），the factors influenced insulation performance of energy efficient greenhouse as well as the structural designs for ventilation openings have been researched and optimized systematically.In addition，CFD has been used to predict the insulation capability of energy efficient greenhouse in cold days and ventilation efficiency in hot weather，which provided the basis for the design of energy efficient greenhouse.

energy efficient greenhouse；bubble thermal insulation；arrangements for ventilation openings；computational fluid dynamics（CFD）

TE09

A

1674-0874（2011）01-0071-05

2010-12-10

孙小琴（1987-），女，山西太原人，诺丁汉大学硕士研究生，研究方向：可再生能源与建筑节能。