日光温室墙体不同保温材料对其保温性影响

于锡宏，王正洪，蒋欣梅，李荣荣，李瑞，张福，吴凤芝

日光温室墙体不同保温材料对其保温性影响

于锡宏1,2，王正洪1，蒋欣梅1,2，李荣荣1，李瑞1，张福1，吴凤芝1

（1.东北农业大学农业部东北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室，哈尔滨150030; 2.林下经济资源研发与利用协同创新中心，哈尔滨150040）

新型保温材料应用是提高日光温室保温性能重要措施之一，文章选取常见保温材料聚苯乙烯泡沫板（EPS），聚苯乙烯挤塑板（XPS），酚醛酯板（酚醛树脂），聚氨酯（聚氨基甲酸酯）作试验材料，在温室其他参数一致前提下，以日光温室典型夹芯墙体为对照，对比墙体相同热阻值下日光温室墙体不同保温材料应用效果。结果表明，聚氨酯外保温复合墙体表现最优，XPS外保温处理效果次之，酚醛酯最差。聚氨酯外挂有效热积累量分别较对照提高1.021 MJ·m-2，较其他处理最大提高0.835 MJ·m-2，温室晴天、阴天气温比对照分别提高2.3、2.0℃，日平均地温提高1.6℃，晴天、阴天气温较其他处理最高分别提高1.2和1.1℃，日平均地温提高0.8℃。综上，聚氨酯可作为日光温室墙体外保温推荐材料。

日光温室；热阻；保温；热积累量

我国节能日光温室经不断改良与发展，在农业生产中发挥了重要作用[1]。墙体材料作为日光温室围护结构重要组成，是影响温室保温蓄热性能和结构安全、建造成本、生态环境重要因素。异质复合墙体成为温室墙体主要构型，主要分为夹芯复合墙和外保温复合墙体。但亢树华等发现，夹芯墙体施工要求较高，冷桥过多，随使用年限增加，墙体易出现裂缝，严重影响墙体后期保温性能，投资及施工成本高于外保温墙体，而外保温复合墙体施工简单，密封性更好，外界环境对墙体破坏较轻，使用寿命延长[2-4]，佟国红等综合同热阻下绝热层位置及层数对墙体保温性能影响，提出外保温墙体明显优于夹芯异质墙体[5]。日光温室墙体保温研究早期多以墙体厚度为参考因素，对比单质（土墙、砖墙）墙体不同厚度下保温效果[6]，相同厚度下不同材料单质墙体、相同材料不同组合复合墙体等保温效果[4,7]，因材料导热系数不同，同厚度下材料热阻值不同，如10 mm EPS相当于200 mm红砖墙保温效果，10 mm聚氨酯等同于400 mm红砖的保温效果。可见，不同保温材料性能差异较大，同厚度墙体无法说明保温材料保温性能，以厚度作为参数研究墙体类型保温性存在不足。前人分别以聚苯板[3-5]、PPC（聚碳酸亚丙酯）泡沫板[8]、缀铝箔聚苯板[9]，新型夹心复合板材、XPS[10]等保温层材料作日光温室保温应用分析。近年来，随着材料工艺及建筑保温节能研究深入，低导热系数的酚醛酯、聚氨酯引起关注[11-12]，新型保温材料在日光温室中筛选及应用已成为提高日光温室保温性重要途径，目前已有部分地区将酚醛酯、聚氨酯材料用于日光温室保温，但关于日光温室墙体实际保温效果与常见保温材料EPS、XPS等性能对比研究尚未见报道。本文在墙体及隔热层热阻值一致前提下，以典型温室墙体作为对照，研究不同外挂材料保温效果，旨在为日光温室保温性研究及材料选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验于2015年8月至2016年7月在东北农业大学设施园艺工程中心和蔬菜设施工程与环境实验室进行，温室长50 m，跨6.5 m，脊高3.2 m，后墙高2.3 m，选用温室方位，墙体、基础构造等相关参数一致，且未作外挂处理的4栋常规温室，改造其中3栋温室墙体外挂材料（单因素），隔热层一致前提下，分别设置XPS、酚醛酯板、聚氨酯外挂，编号W-X、W-F、W-J，以常见典型墙体作为对照CK。温室改造后除对照外，处理墙体均为360 mm红砖+外挂材料，墙体结构及参数见表1。

表1 墙体构造及参数Table 1Wall structure and parameters

根据机械行业标准JB/T 10286—2001《日光温室结构》，哈尔滨地区室外温度≥-29℃，墙体低限热阻值参考室外-32℃时设计标准值2.8 m2·K·W-1，以传热学常用保险系数1.15，取3.22 m2·K·W-1，本试验墙体围护结构实际总热阻为3.37 m2·K·W-1，符合日光温室墙体设计节能及热阻要求。

1.2 试验方法

数据采集时间为2015年10月至2016年6月，采用TRM-WS型温室环境自动监测系统记录数据，仪器温度测量范围-40~80℃，地温、气温精度分别为±0.2℃、±0.1℃，数据记录时间间隔30 min。墙体热通量测定：温室后墙内、外侧中部分别布点。地温测定：主要取温室1/2截面，在温室1/4，2/4，3/4跨度处分别布点，并于温室左右1/4，3/4长度处各设等距重复测点，共3次重复，测定水平方向10 cm地温。气温测定：同取1/2截面，1/4、2/4、3/4跨度处分别布点，在温室左右1/4、3/4长度处各设等距重复测点，共3次重复，测试高度距地面1.5 m。数据采用SAS 9.2作数据差异性显著分析（单因素方差分析方法）。

2 结果分析

2.1 不同保温材料外挂对温室墙体热流通量影响

试验结果显示，不同外挂材料下，温室内外侧热通量变化不同。墙体内表面热流变化呈一定周期性，由于温室内墙体蓄热层均为红砖，各处理热通量变化趋势基本一致，如图1所示。

揭被后，温室内太阳辐射能迅速增加，墙体表面热通量剧增，墙体主要吸热时间在10:00~14: 00，于11:30达全天热通量最大值，其中CK处理最大瞬时热通量378 W·m-2，W-J处理370 W·m-2，W-X 363 W·m-2，W-F处理337 W·m-2，随入射光量及强度减弱，墙体热通量不断降低，盖被后墙体进入放热状态以减缓气温降幅，CK热通量波幅最大，瞬时热通量最低值-123 W·m-2（负值表示放热，下同），其次分别为W-F处理-112 W·m-2，W-X处理-90 W·m-2，W-J处理-60 W·m-2，墙体全天有效热积累量高低分别为W-J>W-X>W-F>CK。

图1 晴天条件下不同保温材料外挂对温室墙体热流通量的影响Fig.1Effect of different external heat insulating materials on heat flux of wall of greenhouse in sunny day

墙体外侧因材料不同及外表面空气热流等差异，热通量变化周期性不明显，除CK外，其余处理间变化趋势相近。日出后，外界气温上升，且由于墙体表面瞬时温差，墙体外侧短暂吸热，但吸热量极少。揭被后，室内气温及墙体温度迅速上升，温室内外温差不断增加，外侧进入主要放热阶段。CK墙体由于外侧为红砖，吸放热程度较其他处理更为剧烈，最高瞬时吸热量达59 W·m-2，总放热量达1.319 MJ·m-2，各处理外侧放热量显示W-F>W-J>W-X，数值分别为0.887、0.869、0.826 MJ·m-2。

如图2所示，阴天时墙体内侧吸热时间较晴天明显滞后，吸热持续过程变短，主要在10:30~ 13:30，瞬时热通量峰值平缓，最高值仍为CK 200 W·m-2，其次分别为W-X处理183 W·m-2，W-J处理146 W·m-2，最低为W-F处理137 W·m-2，可见，处理、对照及处理间瞬时值差异较晴天显著减小。值得注意的是，CK，W-X处理，W-F处理均在13:30前开始放热，W-J处理于14:00后开始放热，时间延后，可见W-J处理温室内气温下降速度平缓。

由图2（b）可知，阴天条件下CK墙体外侧放热量显著增加，主要集中在0:00~8:00，14:00~ 0:00，处理间外侧热通量差异较晴天减小，但整体放热量均显著增加，放热量分布CK>W-F>W-J> W-X。

图2 阴天条件下不同保温材料外挂对温室墙体热流通量的影响Fig.2Effect of different external heat insulating materials on heat flux of greenhouse wall in cloudy day

墙体热积累量是评价其抵御低温能力重要指标，由于墙体与空气间温差，室内外温差是墙体热交换主要动力。由表2可见，晴天条件下，墙体吸热量大于放热量，对照及所有处理吸热量最大差值仅0.155 MJ·m-2，而放热量最大差值1.073 MJ·m-2，处理间放热量最大差值为0.732 MJ·m-2，放热量分布为W-F>W-X>W-J，说明内墙材料一致情况下，墙体内表面吸收热量值差异不大，但放热量差异较大。W-J处理热积累量为所有处理最大值2.078 MJ·m-2，W-X处理次之为1.361 MJ·m-2，其次是W-F处理1.243 MJ·m-2，CK吸热量和放热量均为所有处理最高值，热积累量为所有处理最低值1.057 MJ·m-2，说明保温层位置显著影响墙体有效热积累量[5]。阴天条件下，阳光入射不足，温室内温度主要消耗墙体有效热积累，处理墙体内外传热量均较大，且放热量远高于吸热量，综合内外侧吸、放热情况，不同材料间以W-J处理有效热积累量最高，保温性最好，说明聚氨酯外挂处理有效阻隔墙体蓄热层热量散失蓄积热量，墙体抵御低温力强于其他处理。

表2 不同材料外挂墙体热量累计值Table 2Heat accumulation of wall with different materials in solar greenhouse

2.2 不同保温材料外挂对温室内气温影响

温室内外气温存在明显相关性，室内外气温变化趋势大体一致，但温室内部“单峰曲线”更明显，如图3所示。

晴天条件下，温室内外气温最低值均出现在8:00，4个处理最低气温CK 2.8℃，W-X处理3.9℃，W-F处理3.8℃，W-J处理5.1℃，最大差值为W-J与CK之间2.3℃。随着室外气温升高及室内辐射能增加，气温迅速升高，但室内出现最高气温值比室外气温最高值略晚，其中W-J处理为所有处理最高值34.4℃，其次分别W-X处理33.5℃，W-F处理32.8℃，CK处理32.0℃，处理间最大差值为2.4℃，最小差值为W-X与W-F处理间（0.7℃）。盖被后温室依靠墙体提供热量，气温缓慢下降，气温日平均值以W-J处理最高，为11.9℃，较W-X处理、W-F处理分别提高0.8、 1.2℃，较对照提高2.3℃。

如图4所示，阴天条件下，W-J处理显著优于其他处理，阴天平均气温较CK提高2.0℃，较W-X平均提高0.9℃，较W-F平均提高1.1℃。说明墙体有效蓄积热量可在阴天条件下显著提高温室内气温，且聚氨酯外挂增温效果最好。

2.3 不同保温材料外挂对温室内地温的影响

由图5可知，随着冬季外界温度不断降低，温室内地温不断下降，处理间变化趋势基本一致。各处理日平均地温月变化分析结果表明，所有处理均极显著高于对照；W-J处理极显著高于W-F及CK，增温幅度分别为0.8℃，1.6℃，高于W-X 0.4℃，W-X显著高于W-F，极显著高于CK，增温幅度分别为0.4℃，0.8℃，W-F显著高于CK，增温幅度0.4℃，W-J处理较W-X提升0.4℃。具体时期及全月地温差异见表3。

图3不同保温材料外挂对晴天条件下温室内气温影响Fig.3Effect of different external heat insulating materials on air temperature in greenhouse in sunny day

图4 不同保温材料外挂对阴天条件下温室内气温影响Fig.4Effect of different external heat insulating materials on air temperature in greenhouse in overcast day

图5 不同保温材料外挂对温室内日平均地温影响Fig.5Effect of different external heat insulating materials in wall on the daily variation of ground temperature in greenhouse

表3 不同材料外挂下温室内不同时期地温影响Table 3Effect of different external heat preservation materials on the ground temperature in solar greenhouse in different periods

3 讨论

日光温室太阳能截获量可平衡热损失量，但由于温室围护结构（尤其墙体）保温性不足，热量散失，室内整体温度水平较低，内部温度分布不均[13-14]。通过增加墙体厚度提升温室保温性成本高，占用空间，基础承载力及设计要求高；人工加温提升室内温度，生产成本剧增，存在气体中毒、火灾等隐患。使用新型前屋面保温覆盖材料、增加地中隔热、基础外护[15-17]、调整采光面增加阳光截获量[18-19]、增大墙体比表面积[20-21]、增设外保温层[3-4,7]及有效新材料应用均可提高温室保温性能，减少温室围护结构散热量。本文不同材料外挂效果显示，对照墙体瞬时热通量值波幅最大，说明对照墙体主要蓄热层热交换更剧烈。此外，对照墙体蓄热量、放热量均高于各外挂处理，但墙体有效热积累量显著低于各外挂处理，说明墙体热阻值一致前提下，外保温复合墙体可有效蓄积热量，与佟国红等研究结果一致[5]。原因可能是对照墙体主要蓄热层体积相对较小，墙体有效热积累量较低。

试验发现，晴天条件下，聚氨酯外挂处理墙体放热量显著低于其他处理及对照，但墙体有效热积累量显著高于其他处理，而阴天条件下，聚氨酯外挂处理墙体放热量较晴天显著增加，且与其他处理间差异减小，但总体放热量及热积累量仍较低。根据传热学原理，介质间温度差是热量在不同物体间传递的主要驱动力，可能由于聚氨酯外挂处理气温、地温均优于对照及其他处理，温室空间内与墙体间温度差降低，放热量较低，放热速率较缓。阴天时，所有处理吸热量与晴天相比显著降低，温室内墙体热积累不足导致放热量大于吸热量，如酚醛酯墙体及对照组（阴天墙体热累积量出现负值），在连续不利低温天气下，极易造成温室内冷、冻害，严重时甚至绝产。

此外，酚醛酯导热系数低于XPS，但保温性分析XPS优于酚醛酯。酚醛酯具有阻燃性，主要用于建筑防火保温，吸水性可达3.4%，而XPS、聚氨酯憎水性良好，分子结构紧致，材料强度优于酚醛酯。温室后坡有保温板、油毡，防水卷材等防护措施，可防止雨水等进入保温层缝隙，由于温室墙体环境较常见民用建筑墙体保温层交界处热变化更剧烈，受室内高湿环境影响，墙体相对湿度大于民用建筑，酚醛酯实际保温效果低于XPS，说明材料导热系数无法直接反映材料实际保温性能，应结合实际环境应用。聚氨酯常见喷涂式、板材施工。板材施工方式易因板材间隙形成冷缝，喷涂式施工无缝隙，理论上保温性更好，但小面积施工成本过高，本试验为降低处理间施工方式差异，均采用板材施工。试验发现，相同热阻下，聚氨酯外挂处理提升保温性同时，显著减少墙体厚度，对温室墙体结构优化及基础荷载研究具有实际意义。但本试验仅以温室保温常见EPS施工尺寸作为隔热层热阻基准值，研究不同材料此热阻值下增温效应，未来将结合生产实际，探讨优选材料聚氨酯不同厚度下增温效应。

4 结论

墙体热阻值相同条件下，不同外保温材料处理，以聚氨酯外挂最优，XPS外保温效果次之，酚醛酯最差，但所有处理均显著优于对照。聚氨酯外挂墙体有效热积累量较其他处理最大提高0.835 MJ·m-2，较对照提高1.021 MJ·m-2，室内晴天及阴天气温、月平均地温显著优于对照及其他处理；XPS外保温处理，墙体有效热积累量较酚醛酯处理提高0.118 MJ·m-2，温室内气温、地温均优于酚醛酯处理及对照；而酚醛酯处理仅优于对照。总之，将聚氨酯作为温室外保温材料有效可行，在提高温室墙体保温性同时，减少墙体厚度，对墙体结构优化等方面研究具有一定意义。

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Effect of different heat preservation materials of wall on thermal preservation performance of solar greenhouse/

YU Xihong1,2,WANG Zhenghong1, JIANG Xinmei1,2,LI Rongrong1,LI Rui1,ZHANG Fu1,WU Fengzhi1(1.Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Horticultural Crops,Northeast Region,Ministry of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Collaborative Innovation Center for Development and Utilization of Forest Resources,Harbin 150040,China)

Application of new heat preservation material of wall was one of the effective measures to improve the thermal insulation performance of solar greenhouse,this experiment selected polystyrene foam board(EPS),and extruded polystyrene board(XPS),phenolic ester,polyurethane as heat preservation materials,on the premise of other parameters same,with the typical core wall in greenhouse as contrast, explored the practical effects of different insulation materials with same thermal resistance in the wall in solar greenhouse.The results showed that the polyurethane performed best,second was XPS outside,and the worst performance was phenolic ester.Effective heat accumulation of polyurethane insulation composite wall respectively highest increased 1.021,0.835 MJ·m-2related to the contrast and other treatments,comparedwith contrast,air temperature in sunny and overcast increased repectively 2.3,2.0℃,the ground temperature increased 1.6℃.meanwhile,air temperature in greenhouse in sunny and overcast repectively increased 1.2,1.1℃,the ground temperature increased 0.8℃compared with other treatments.In summary,polyurethane could be used as an effective heat preservation material in the wall of solar greenhouse.

solar greenhouse;thermal resistance;heat preservation;heat accumulation

S626.5

A

1005-9369（2017）06-0043-08

时间2017-6-26 17:42:20[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170626.1742.024.html

于锡宏,王正洪,蒋欣梅,等.日光温室墙体不同保温材料对其保温性影响[J].东北农业大学学报,2017,48(6):43-50.

Yu Xihong,Wang Zhenghong,Jiang Xinmei,et al.Effect of different heat preservation materials of wall on thermal preservation performance of solar greenhouse[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(6):43-50.(in Chinese with English abstract)

2017-03-26

国家大宗蔬菜产业技术体系专项（CARS-25-C-08）；黑龙江省应用技术研究与开发计划重大项目（GA15B104-2）。

于锡宏（1965-），教授，博士，博士生导师，研究方向为园艺设施设计及建造，蔬菜栽培与生理。E-mail:yxhong001@163.com