日光温室聚苯乙烯型砖复合墙保温蓄热性能

李　明，周长吉，丁小明，魏晓明，黄尚勇，何衍萍（1.农业部规划设计研究院设施农业研究所，北京100125；2.农业部农业设施结构工程重点实验室，北京100125；.河北省永清县金天马塑料材料包装厂，廊坊065669；.中国土木工程集团有限公司，北京10008）



日光温室聚苯乙烯型砖复合墙保温蓄热性能

李明1，2，周长吉1，2，丁小明1，2，魏晓明1，2，黄尚勇3，何衍萍4
（1.农业部规划设计研究院设施农业研究所，北京100125；2.农业部农业设施结构工程重点实验室，北京100125；3.河北省永清县金天马塑料材料包装厂，廊坊065669；4.中国土木工程集团有限公司，北京100038）

摘要：为研究聚苯乙烯型砖复合墙的保温蓄热特性，对聚苯乙烯型砖复合墙日光温室的室内外气温，后墙表面太阳辐射照度及其内部温度进行了测试分析。聚苯乙烯型砖复合墙由24 cm填充混凝土聚苯乙烯型砖、45 cm填土和5 cm混凝土板复合而成。测试结果表明，聚苯乙烯型砖复合墙内表面温度在阴天和晴天保温被闭合期间分别较室内气温高（2．5±0．2）℃和（5．4±1．4）℃。该墙体在阴天和晴天的放热区域分别为17 cm和30 cm，低于填土与混凝土板的厚度。填充混凝土聚苯乙烯型砖的热阻达到了2.93 m2K/W，是当地日光温室后墙低限热阻的2倍。该结果表明聚苯乙烯型砖复合墙填土厚度及聚苯乙烯型砖热阻可满足墙体放热及保温的需求。另外，模拟结果表明，在同等室内外气温和墙体内表面太阳辐射的条件下，聚苯乙烯型砖复合墙在晴天和阴天保温被闭合期间的内表面温度与黏土砖夹心墙（24 cm黏土砖+10 cm聚苯板+24 cm黏土砖）相近。因此，聚苯乙烯型砖复合墙体保温蓄热性能良好，可用于取代黏土砖夹心墙。

关键词：温室；温度；蓄热；日光温室；聚苯乙烯型砖；复合墙；保温蓄热

李明，周长吉，丁小明，魏晓明，黄尚勇，何衍萍.日光温室聚苯乙烯型砖复合墙保温蓄热性能[J].农业工程学报，2016，32（01）：200-205.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.028 http://www.tcsae.org

Li Ming, Zhou Changji, Ding Xiaoming, Wei Xiaoming, Huang Shangyong, He Yanping.Heat insulation and storage performances of polystyrene-brick composite wall in Chinese solar greenhouse[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）, 2016, 32（01）: 200－205.（in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.028 http://www.tcsae.org

0　引言

日光温室墙体兼具保温和蓄热功能，可在夜间向室内供热，使日光温室室内气温保持较高水平[1-4]。根据计算，日光温室墙体在夜间向室内释放的热量可使室内气温提高4～8℃[5]。因此，具有良好保温蓄热性能的墙体有助于维持较高的日光温室室内气温，确保室内蔬菜安全越冬。

土墙是应用最为广泛的日光温室墙体类型之一，具有施工速度快，可就地取材，价格低廉等优点[6-9]。但受夯土材料热工特性的影响，只有达到一定厚度的土墙才具有保温蓄热性能[10-11]。中国应用较为广泛的“寿光5代”日光温室的土墙底部宽度就达到了3.5～4.5 m[12]。但另一方面，土墙厚度过大，不仅导致造墙所需土方较大，而且占地面积大，造成耕地层破坏严重，日光温室土地利用效率低下等问题。以黏土砖和聚苯乙烯泡沫塑料板为主要材料的复合墙可替代厚土墙作为日光温室墙体。该墙体具有厚度小，外形美观等优点[11，13]。根据佟国红等研究，黏土砖复合墙的保温性和蓄热性均好于同热惰性指标或同热阻的土墙[14]。但是黏土砖的生产对环境污染严重，已被国家严格限制使用。

为解决土墙和黏土砖墙所存在的问题，在生产中出现了使用聚苯乙烯型砖建造的聚苯乙烯型砖复合墙[15]。考虑到理想的日光温室墙体应由保温隔热层和蓄热层复合而成[10]，该墙体使用填充有混凝土的聚苯乙烯型砖作保温隔热层，使用填土作为蓄热层。聚苯乙烯型砖由发泡聚苯乙烯制成，其上下、左右端面留有凹凸契口，施工时只需根据契口拼接即可，无需粘结砌筑。然后，在聚苯乙烯型砖的空腔内还可插入钢筋并填充混凝土，形成钢筋混凝土立柱，使后墙具有承重能力，日光温室前屋面骨架可直接安放在后墙之上。因此，使用聚苯乙烯型砖砌筑墙体不但施工效率高，而且墙体保温性能和承重性能较好。但目前还没有针对该类墙体保温蓄热性能的研究报告。

本试验的目的是对聚苯乙烯型砖复合墙的温度进行测试，分析评价该墙体的保温蓄热性能，为优化该墙体结构提供参考。

1　试验方法

1.1测试温室

测试温室位于河北省廊坊市永清县（116°35′E，39°18′N）。试验温室结构如图1所示。该温室座北朝南，长度和跨度分别为80 m和10 m，脊高4.5 m。保温被由针刺毡与防水塑料薄膜复合而成。后屋面为10 cm厚聚苯板，其倾角为40°，水平地面投影为2.0 m。试验温室北墙结构为1 cm抹灰+24 cm填充混凝土聚苯乙烯型砖+45 cm填土+5 cm混凝土板（从外向内）。东西山墙为24 cm填充混凝土聚苯乙烯型砖。聚笨乙烯型砖内部为空心，两侧聚苯乙烯壁厚6 cm，中部空心宽度为12 cm。

图1　测试温室结构图Fig.1 Schematic diagram of tested solar greenhouse

聚苯乙烯型砖复合墙日光温室的测试时间为2013年12月20日—2014年1月30日。测试温室在试验期间用于栽培西葫芦，采用滴灌进行灌溉。保温被揭开和闭合时间分别为8:00和16:30。当白天室内温度较高时，通过拉开前屋面后部的风口进行自然通风降温。选择典型阴天（2013年12月25日8:00—26日8:00）与典型晴天（2013 年12月28日8:00—29日8:00）所收集的数据进行分析。1.2测点布置

该温室采用中置式卷被机卷放保温被，为方便卷被机操作，日光温室中部常年覆盖有一条宽1.0 m的保温被。为避免该保温被阴影对测试的影响，选择温室中部偏东5 m处的截面布置测试仪器。所有仪器的水平高度距室外地面1.4 m。

测试复合墙填土及混凝土板的温度采用T型热电偶测量（测量范围：-180～350℃；精度：±0.1℃）。热电偶距复合墙内表面的距离分别为0、5、17、33和50 cm。使用数据采集仪（GL820，图技株式会社，日本）记录热电偶所采集的数据。墙体内表面在日间所接受的太阳辐射照度采用垂直布置的太阳辐射记录仪测量（QTS-4全天候光辐数据自记仪，河北邯郸丛台益盟电子有限公司；测量范围：0～2000 W/m2；精度：±5%）。室内外气温采用温湿度记录仪测量（HOBO温度/湿度数据记录仪UX100-00，Onset Co.美国；精度：±0.2℃）。以上数据的记录间隔时间均为10 min。1.3墙体内表面温度模拟方法

为比较分析复合墙和常规黏土砖墙的保温蓄热性能，采用一维差分法对“24 cm黏土砖+10 cm聚苯板+24 cm黏土砖”复合墙（以下简称“黏土砖夹心墙”）的内表面温度进行模拟。马承伟等采用该方法对黏土砖空心墙内表面温度进行了模拟，模拟结果与实测值有较好的一致性[16]。该墙体控制节点的划分如图2所示。

式（1）为黏土砖内部控制节点1、2、6和7的非稳态传热差分方程。

图2　黏土砖夹心墙节点划分图Fig.2 Nodes in clay-brick sandwich wall

式中ρb为黏土砖密度，kg/m3；cb为黏土砖比热容，J/ （kg·℃）；λb为黏土砖导热系数，W/（m·℃）；Ti,n为控制节点i（1、2、6和7）在第nΔτ时刻的温度（n=0，1，2，3……），℃；Δτ为计算步长，取600 s；δxi为控制节点i与i+1之间的距离，取0.08 m；Δxi=[（δx）i-1/2+（δx）i/2]分别为控制节点i的控制区宽度，同样取0.08 m。

式（2）为聚苯板内部控制节点4的非稳态传热差分方程。

式中ρp为聚苯板密度，kg/m3；cp为聚苯板比热容，J/ （kg·℃）；λp为聚苯板导热系数，W/（m·℃）；T4，n为控制节点4在第n·Δτ时刻的温度，℃；δx3和δx4分别为控制节点3与4，以及控制节点4与5之间的距离，均取0.05m；Δx4=[（δx）3/ 2+（δx）4/2]，是控制节点4的控制区宽度，m。

式（3）和（4）为聚苯板和黏土砖交界处控制节点3和5的非稳态传热差分方程。

式（5）和式（6）分别为复合墙体外表面节点0和内表面节点8的非稳态传热差分方程。

式中Δx0=δx0/2；Δx8=（δx）7/2；hin和hout分别为墙体内表面和外表面的传热系数，W/（m2·℃）；Tin和Tout为室内外气温，℃；Sn为墙体内表面所截获的太阳辐射照度，W/m2；α为墙体内侧表面的太阳辐射吸收系数。

上述模型中所涉及的材料热工参数如表1所示。由于黏土砖表面为红褐色，根据《民用建筑设计规范》（GB50716-1993），黏土砖夹心墙内表面的太阳辐射吸收系数（α）取0.75[17]。

表1　黏土砖夹心墙材料热工参数[17]Table 1 Thermal parameters of material used in clay-brick sandwich wall

2　结果与讨论

2.1室外气温与墙体内表面太阳辐射照度

聚苯乙烯型砖复合墙日光温室的室外气温和墙体内表面所接受的太阳辐射照度如图3所示。在12月25日08:00（阴天），即保温被揭开时刻，室外气温为-10.5℃。此后，室外气温逐渐先升高后降低，中间出现2次较大的波动。该期间室外气温最高值为1.4℃，出现在14:00。在夜间（保温被闭合期间16:30-8:00），室外气温为（-5.3± 2.9）℃，其最小值为-11.4℃，出现在26日05:40。聚苯乙烯型砖复合墙内表面在日间（保温被揭开期间8:00-16:30）所接受的太阳辐射照度受室外云层的影响有较大波动，最大值为123.3 W/m2。该期间内墙体内表面所接受的太阳辐射量为1.8 MJ/m2。

在12月28日（晴天），保温被揭开时段的室外气温为-6.7℃。随后室外气温逐渐升高。在14:40达到最大值，1.2℃。此后，室外气温呈下降趋势。在保温被闭合期间，室外气温为（-9.5±3.0）℃，其最低值为-13.7℃，出现在29日05:40。在日间（保温被揭开期间），聚苯乙烯型砖复合墙内表面所接受的太阳辐射照度最大值为330.2 W/m2，该期间内所接受的太阳辐射总量为3.4M J/m2，是阴天的1.9倍。

图3　室外空气温度与聚苯乙烯型砖复合墙内表面太阳辐射照度变化Fig.3 Variations of outdoor air temperature and solar irradiance on inner surface of polystyrene-brick composite wall

2.2墙体内表面温度与室内气温

测试期间室内气温与聚苯乙烯型砖复合墙内表面温度变化如图4所示。在阴天，由于进入室内的太阳辐射照度较低，保温被揭开后，室内气温和聚苯乙烯型砖复合墙内表面温度分别出现2.3℃和1.1℃的小幅下降，然后逐渐升高。在保温被揭开期间，室内气温的最高值为17.3℃，出现在13:10。随后，室内气温逐渐降低。在保温被闭合期间，室内气温先升高了约0.5℃。然后缓慢下降。该期间内，室内气温平均值为（9.8±1.1）℃，最低气温为8.0℃，室内外温差为（15.1±2.0）℃。

晴天保温被揭开之后，室内气温和聚苯乙烯型砖复合墙内表面温度迅速升高。在11：00-14：00期间，受日光温室通风的影响，室内气温在23.0～29.7℃之间波动。在14：00之后，室内气温随时间逐渐下降。在保温被闭合之后，室内气温先升高了0.5℃，然后逐渐下降。在该期间，室内气温平均值为（13.0±2.1）℃，最低气温为10.0℃，室内外温差为（22.6±1.1）℃。

聚苯乙烯型砖复合墙内表面温度在阴天的变化趋势与室内气温相似，全天变化幅度为6.4℃。另外，聚苯乙烯型砖复合墙内表面温度仅在25日11：00-14：20较室内气温低0～1.6℃，其它时间均高于室内气温。在保温被闭合期间，聚苯乙烯型砖复合墙内表面温度可较室内气温高（2.5±0.2）℃，表明聚苯乙烯型砖复合墙可在阴天向室内释放热量，但热流密度仅为（22.2±1.9）W/m2，（假设墙体内表面换热系数为8.7 W/（m2·K））。

晴天聚苯乙烯型砖复合墙内表面温度仅在9：00-11：00较室内气温低0.6～2.7℃。在11：00-16：30，聚苯乙烯型砖复合墙内表面温度较室内气温高（6.9±2.4）℃，表明墙体在保温被未闭合之前就向室内释放热量。在保温被闭合之后，聚苯乙烯型砖复合墙内表面温度较室内气温高（5.4± 1.4）℃，则墙体向室内释放热量的热流密度达到了（46.8± 12.2）W/m2（假设墙体内表面换热系数为8.7 W/（m2·K）），是阴天的2.1倍。

为比较聚苯乙烯型砖复合墙和黏土砖夹心墙的储放热性能，利用2013年12月25日08：00-26日08：00与12月28日08：00-29日08：00期间所测量的室内外气温和墙面太阳辐射照度计算了黏土砖夹心墙内表面温度，结果如图4所示。根据《民用建筑热工设计规范》（GB50176-93），黏土砖和混凝土板的太阳辐射吸收系数分别为0.75和0.70。因此，无论在阴天和晴天，保温被揭开期间的黏土砖夹心墙内表面温度均高于聚苯乙烯型砖复合墙。但是在夜间，上述2种墙体的内表面温度之差最大不超过0.3℃。根据上述结果，可认为聚苯乙烯型砖复合墙在夜间的放热性能与黏土砖夹心墙相近。在实际中，砂浆很难充满黏土砖夹心墙砌块之间的空隙，造成墙体封闭性能下降。而且墙体中间的聚苯板与两侧黏土砖接触不紧密，会进一步影响墙体的保温性能[18-19]。因此，实际中黏土砖夹心墙的放热性能可能会低于模拟结果。综合考虑上述因素，可认为聚苯乙烯型砖复合墙具有较强的放热性能，可用于替代黏土砖夹心墙。

试验期间未遇到连续阴天，无法准确判断聚苯乙烯型砖复合墙日光温室能否安全渡过冬季的连续阴天。考虑到日光温室墙体在夜间损失的热量主要通过在晴天白天吸收的热量来补偿。可推断在连续阴天中，日光温室墙体会因为缺少光照而使其向室内释放的热量无法得到补充，进而使得向室内释放热量的逐渐减少，甚至不再向室内释放热量。针对聚笨乙烯型砖复合墙，仅填充混凝土聚苯乙烯型砖的热阻即相当于3.34m厚土墙，具有较好的保温隔热效果，可有效防止日光温室室内热量在连阴天向室外丧失。

图4　室内气温，聚苯乙烯型砖复合墙与黏土砖夹心墙内表面温度变化Fig.4 Variationsofindoorairtemperature,innersurfacetemperatures of polystyrene-brick composite wall and clay-brick sandwich wall

2.3聚苯乙烯型砖复合墙放热范围分析

聚苯乙烯型砖复合墙混凝土板及填土的温度变化如图5所示。在阴天08：00—11：00，墙体33 cm处温度最高。此后，随着0 cm处（墙体内表面）温度的升高，0 cm处温度高于其它测点。根据传热学定律，当墙体内表面温度高于室内气温时，墙体即向室内释放热热量。本试验中，墙体自11：20起就开始向室内放热。从16：00开始，墙体最高温度开始向墙体内部转移。自0：20起，33 cm处墙体温度高于其它测点。在晴天，由于进入室内的太阳辐射照度较高。自09：00起，墙体最高温度即由17 cm处转移到0 cm处。但由于墙体自11：00就开始向室内放热。在16：30以后，墙体最高温度开始向内部转移。在20：30－次日08：00，墙体最高温度位于17 cm处。

根据上述分析，可发现聚苯乙烯型砖复合墙在阴天和晴天的放热区域分别为33 cm和17 cm。在阴天，由于室内太阳辐射照度较小，墙体储热量小，而放热时间长，导致墙体内部的热量在夜间向室内释放。而在晴天，由于室内太阳辐射照度大，0～17 cm墙体储热量基本可满足墙体夜间放热需求，成为该期间的主要放热区域。因此，该墙体在阴天的放热区域较晴天大。综合上述分析，考虑到墙体填土和混凝土板均可储存和释放热量，且二者厚度大于33 cm，可认为测试条件下聚苯乙烯型砖复合墙的填土厚度足够，可满足墙体放热要求。

图5　聚苯乙烯型砖复合墙距内表面0、5、17、33和50 cm处温度变化Fig.5 Temperatures variations in polystyrene-brick composite wall at distances of 0, 5, 17, 33 and 50 cm to inner surface

2.4聚苯乙烯型砖复合墙保温性能

理想的日光温室墙体应由蓄热层和保温层复合而成，其中保温层由导热系数小的材料建成，具有一定的热阻，主要用于减少墙体流向室外的热量。管勇等运用EnergyPlus软件分析得出北京和沈阳地区聚苯乙烯发泡塑料保温层的合理厚度分别为5 cm和7 cm[20]。本试验温室聚苯乙烯型砖复合墙中填充混凝土聚笨乙烯型砖的热阻约为2.93 m2K/W，相当于12.3 cm的聚苯乙烯泡沫塑料板，超过了沈阳和北京的聚苯乙烯发泡塑料保温层厚度。另外，本试验日光温室所在地廊坊市的冬季室外计算温度可取-12℃，按周长吉所提出的日光温室后墙的低限热阻[21]，该地区日光温室墙体的热阻应不低于1.4 m2K/W。本试验日光温室聚苯乙烯型砖复合墙仅填充混凝土聚苯乙烯型砖的热阻即为该地区日光温室墙体低限热阻的2倍。因此该墙体保温层热阻及厚度满足相关要求，可以有效减少热量从墙体内部向室外流失。

3　结论

本文对聚苯乙烯型砖复合墙的保温蓄热性能进行了测试分析，可得出以下结论：

1）在冬季阴天和晴天保温被闭合期间，聚苯乙烯型砖复合墙内表面温度较室内气温分别高（2．5±0．2）℃和（5．4± 1．4）℃，可向室内释放热量，有利于保持较高的室内气温。

2）在相同的室内外气温和墙体内表面太阳辐射照度的条件下，聚苯乙烯型砖复合墙体与黏土砖夹心墙内表面温度之差最大不超过0.3℃，两墙体保温蓄热性能相近，聚苯乙烯型砖复合墙可用于替代黏土砖夹心墙。

3）聚苯乙烯型砖复合墙在阴天和晴天的放热区域分别为17 cm和33 cm，其储热范围低于聚苯乙烯型砖复合墙的填土及混凝土板厚度。因此，试验聚苯乙烯型砖复合墙的结构可满足墙体储放热的需求；

4）聚苯乙烯型砖复合墙中填充混凝土聚苯乙烯型砖的热阻达到了2.93 m2K/W，是日光温室所在地墙体低限热阻的2倍。因此，该墙体具有较好的保温性能，可满足日光温室墙体的保温要求。

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Heat insulation and storage performances of polystyrene-brick composite wall in Chinese solar greenhouse

Li Ming1,2, Zhou Changji1,2, Ding Xiaoming1,2, Wei Xiaoming1,2, Huang Shangyong3, He Yanping4
（1.Institute of Facility Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Engineering, Beijing 100125, China; 2.Key Laboratory of Farm Building in Structure and Construction, Ministry of Agriculture, Beijing 100125, China; 3.Jintianma Plastic Package Material Co., Langfang 065669, China; 4.China Civil Engineering Construction Corporation, Beijing 100038, China）

Abstract:In this study, a polystyrene-brick composite wall, which is composited with the polystyrene-brick filled with concrete, soil and concrete board, was developed to be the north wall of the Chinese solar greenhouse（hereafter referred to as “solar greenhouse”）.The purpose of this study is to investigate the heat insulation and storage performances of the polystyrene-brick composite wall and to analyze the feasibility of substituting for the clay-brick sandwich wall.The tested solar greenhouse was located in Yongqing county, Langfang city, Hebei province（116°35′E, 39°18′N）.It was 80 m long and 10 m wide.The north wall was the polystyrene-brick composite wall composited with 24cm polystyrene-brick filled with concrete, 45 cm soil and 5 cm concrete board in the direction from exterior to interior.The polystyrene-brick, which was made with polystyrene, was 24 cm wide with a 12 cm-wide cavity.The test period was from Dec.20, 2013 to Jan.30, 2014.During the period, the tested solar greenhouse was used to growing zucchini and employed drop irrigation.The heat insulation sheet was rolled up and down at 8:00 and 16:30, respectively.The wind vent would be open if the indoor air temperature was high during daytime.The indoor and outdoor air temperatures, solar irradiating on the inner surface of the wall, the inner surface temperature and soil temperature in the wall were measured.The data collected in a typical cloudy day（from Dec.25, 2013, 8:00 to Dec.26, 2013, 8:00）and a typical sunny day（from Dec.28, 2013 8:00 to Dec.29, 2013, 8:00）were used to analyze the heat performances of the polystyrene-brick wall.Then, the inner surface temperature of a clay-brick sandwich wall, which was composited with 24 cm clay-brick, 10 cm polystyrene board and 24 cm clay-brick, was simulated with one-dimension differential model to analyze the feasibility of substituting for the clay-brick sandwich wall.During the period when the solar greenhouse was covered with heat insulation sheet, the inner surface temperature of the polystyrene-brick composite wall was （2.5±0.2）℃and（5.4±1.4）℃higher than the indoor air temperature in the cloudy day and the sunny day, respectively.It is indicated that the heat released by the wall into the solar greenhouse during the nighttime of the sunny day was 2.1 times than that during the nighttime of the cloudy day.As a result, the indoor air temperatures in the nights of cloudy day and sunny day could be maintained at（9.8±1.1）℃and（13.0±2.1）℃, which were（15.1±2.0）℃and（22.6±1.1）℃than the outdoor air temperature , respectively.The results meant that the solar greenhouse can meet the requirement of most crops.According to the simulated and measured results, the differences in the inner surface temperature between the clay-brick sandwich wall and the polystyrene-brick composite wall were less than 0.3℃.On the other hand, the heat release region of the polystyrenebrick composite wall in the cloudy day and sunny day was 17 cm and 33 cm, respectively, and both were smaller than the thickness of soil and concrete board.It is indicated that the thickness of soil and concrete was large enough for storing heat in the daytime.Besides, the heat resistance of the polystyrene-brick filled with concrete was estimated as 2.93 m2K/W.It was two times of the lowest heat resistance of the wall in local solar greenhouse.Thus the heat resistance of the polystyrene-brick composite wall was large enough to prevent heat in the soil from flowing to the outside.Finally, it is concluded that the polystyrene-brick composite wall is feasible to be the north wall of the solar greenhouse and feasible to substitute the polystyrene-brick composite wall for the clay-brick composite wall.

Keywords:greenhouses; temperature; heat storage; solar greenhouse; polystyrene-brick; composite wall; heat insulation and storage

作者简介：李明，男，山西长治人，工程师，博士，从事设施园艺工程研究。北京农业部规划设计研究院设施农业研究所，100125。Email：lognum@126.com

基金项目：863计划资助课题（2013AA102407-3）；公益性行业（农业）科研专项（201203002）

收稿日期：2015-09-07

修订日期：2015-11-26

中图分类号：S625.1

文献标志码：A

文章编号：1002-6819（2016）-01-0200-06

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.028