日光温室空气对流蓄热中空墙体热性能试验

赵淑梅，庄云飞，郑可欣，马承伟，程杰宇，马 冲，陈小文，张天柱,



日光温室空气对流蓄热中空墙体热性能试验

赵淑梅1,2，庄云飞1,2，郑可欣1,2，马承伟1,2，程杰宇1,2，马 冲3，陈小文4，张天柱1,2,4

（1. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083； 2. 农业部设施农业工程重点实验室，北京 100083； 3. 北京中农天陆微纳米气泡水科技有限公司，北京 100083； 4. 北京中农富通园艺有限公司，北京 100083）

空气对流循环蓄热墙体是一种通体中空型日光温室墙体，其内部中空层与温室空间连通而具有空气对流换热效果。为详细了解该墙体构造的蓄放热特性及其对日光温室热环境的影响，通过与同样构造但中空层封闭的无对流墙体的对比，在北京市通州区试验温室中测试了墙体内部温度分布及变化规律、墙体蓄放热量及其对温室内气温的影响。其结果，与对照墙体相比，对流方式下墙体内部温度分布规律不同，墙体内部整体温度水平较高、且昼夜波动幅度较大，墙体白天蓄热量提高15.1%，夜晚放热量提高14.7%，这一效果使得温室夜间最低温度提高2.2 ℃，有效提高了墙体的蓄放热能力，改善了温室夜间温度水平。

温室；温度；墙体；自然对流；蓄放热

0 引 言

日光温室之所以能维持良好的夜间热环境，墙体是关键因素之一[1]。墙体往往集承重、蓄热、保温、放热等功能于一体，白天与地面一起接受太阳辐射热，并将之蓄积起来，当夜间室内空气温度下降至一定温度水平时再将其释放出来[2-4]。由于地面通常有作物覆盖，接受太阳辐射有限，蓄放热性能会受影响，因此在没有加温条件下，墙体就成了夜间维持温室内作物生长环境温度的重要热源[5-6]，研究表明，日光温室墙体在不同室内气温条件下的夜间平均放热量可达20～60 W/m2[7]，可见这一蓄放热能力对日光温室维持冬季生产起到了至关重要的作用。但是，研究也表明，受限于构造和材料，墙体的蓄放热潜力并没有很好的地发挥，蓄放热作用仅靠墙体室内一侧表面，面积有限，涉及墙体最大厚度仅为300～500 mm，参与蓄放热的材料也很有限[8-10]。这种局限一方面会导致冬季晴天条件下，温室内白天午间温度较高，往往需要开窗通风进行降温；而另一方面，因为蓄放热能力有限，很多日光温室冬季夜间存在低温现象，特别是一些果菜种植温室，会影响作物的生长、产量和品质，甚至会出现冻害。这种矛盾现象的存在，表明日光温室并没有最大限度地利用进入温室的太阳能，因此通过改善墙体构造来提高墙体的蓄放热性能，将更多的太阳辐射热留在温室内，用于提高温室的夜间温度，对改善日光温室的生产性能具有重要意义。

在近30 a的日光温室快速发展历程中，关于墙体性能的改进，受到了很多的关注，其中采用最多的措施就是改变墙体自身构造以及应用不同墙体材料。比如在传统温室中，使用最多的方法就是增加实体墙的厚度，尤其是在土墙温室中极为常见，很多地区日光温室墙体厚度多达数米[11-12]。但是试验证明，不同地区的土墙有其最优厚度，通过增大土墙的厚度来提高墙体的保温效果其作用是有限的[13-15]。其次早期温室中也有在墙体中间设置空气夹层，利用静止空气传热系数较小这一特点延滞温度的下降，但这对墙体空气夹层的密闭性要求较高，且采用这一墙体构造的目的也是在于改善墙体的保温性能而非蓄放热性能[16]。另外，现在比较公认的是采用复合墙体构造，将蓄热层置于内侧，保温层置于外侧，构造更加合理，材料的选用也更加有针对性[17-18]。佟国红等对比了复合墙与普通土墙保温蓄热性能的差异，发现复合墙体的蓄热性能和热稳定性都要优于同热惰性指标的土墙[19]。为进一部提升墙体的蓄放热能力，目前也有很多人在尝试将相变材料应用于墙体作为蓄热层的方式，比如管勇等设计了日光温室三重结构相变蓄热墙体，试验分析发现该墙体相变材料层的单位体积有效蓄热量是砌块砖层的10倍[20]；凌浩恕等提出一种带竖向空气通道的太阳能相变蓄热墙体构筑体系，将太阳能集热器收集的热量存储在墙体相变材料层中以提高后墙的蓄热量[21]。相变材料可以通过多种方式与建筑材料结合，但是相变材料的价格比较昂贵，已知能满足温室生产所需的材料种类相对较少，制作工艺千差万别，封装困难且放热过程难以控制，因此在实际应用的过程当中还存在着许多问题[22-31]。

上述研究对日光温室墙体技术的发展做出了贡献，只是这些研究还未对如何提高墙体深处材料的蓄放热性能加以关注，对墙体蓄放热面积的提升也未加涉及，致使墙体的蓄放热面积和蓄放热深度有限。为了改变这一现状，孙国涛等尝试设计开发了日光温室墙体管道集热系统，通过墙体埋设用于水循环的PVC管将白天墙体表面接收的太阳辐射热一部分蓄积到墙体的深处，夜间通过同样的循环释放到温室内用于夜间加温，该系统将日光温室最低气温提高了1.5 ℃。虽然该系统存在构造复杂、维护困难等问题，但是在调动墙体深层材料参与蓄放热方面做了很好的探索[32]。此外，张勇等也做了类似的探索，开发设计了一种主动蓄热后墙日光温室，其后墙内部沿长度方向设置狭长孔道、孔口安装风机，通过空气交换可以将部分温室空气中富余的热量蓄积到墙体深处，用于温室夜间加温，取得了较好的效果。但研究也表明，该系统孔道面积有限，且存在墙体东西方向温度差异大，通风阻力大，放热不均匀等问题，仍有待改进[33]。

综上所述，为提高日光温室后墙的蓄放热能力，需要充足的蓄热体和尽可能大的换热表面积，因此调动更多数量、更大深度的墙体材料参与蓄放热过程，是一个非常值得探索的方向。鉴于此，本课题组提出了日光温室空气对流循环蓄热墙体构造方案[34]。该墙体以混凝土空心砌块为主材、挤塑板等为保温材料，最大特点是采用通体中空结构，并在温室内一侧墙体上下沿东西方向各均匀布置大小一致的方形通气孔。在与传统实心墙体的初步对比试验中，该墙体方案表现出了良好的性能[2]。

为进一步研究空气对流循环蓄热墙体的墙体蓄放热规律及对温室的夜间加温效果，论文将对该墙体构造在自然对流、无对流2种情况下进行较为严格的对比试验，从墙体内部温度分布特征及昼夜变化规律、室内温度昼夜变化规律、墙体蓄放热量等角度进行讨论分析，评价该新型墙体构造的性能。

1 材料与方法

1.1 试验日光温室概况

试验所在日光温室（图1）位于北京市通州区潞城镇北京国际都市农业科技园区（39°48′N、116°56′E），方位角为南偏西5°，东西长度60 m，南北跨度8 m（净跨7.7 m），墙体高度2.8 m。前坡面和后坡面为钢结构半拱形焊接桁架结构，前屋面采用0.08 mm厚的PO薄膜作为覆盖材料，夜间覆盖保温被。温室结构如图1所示，后墙为空气对流循环蓄热墙体，由内至外的构造依次为400 mm厚混凝土空心砌块（砂浆填充）、600 mm厚中空层、200 mm厚混凝土空心砌块（砂浆填充）以及70 mm厚挤塑板保温层。在这一构造下，墙体包括内层墙、中空层、外层墙3部分，总厚度为1270 mm。其中，内层墙上、下各布置一排东西方向的方形通气孔（140 mm× 140 mm），每排264个，上下排通气孔距离为2 m。试验温室在测试期间08:20揭保温被，17:00落保温被；室内栽培作物为蓝莓，栽培行间距1.2 m，株距0.35 m。

1.彩钢板 2.屋面防水层 3.土和煤渣 4.M7.5水泥砂浆 5.挤塑板 6.预制混凝土板 7.混凝土空心砌块（水泥砂浆填实） 8.中空层 9.混凝土空心砌块（水泥砂浆填实） 10.挤塑板 11.方形通气孔

1.2 墙体蓄放热工作原理

空气对流循环蓄热墙体通过上下两排通气孔将温室内环境与墙体中空层相连通。白天随着太阳辐射照度的增强，温室内气温随之升高，此时中空层内部的空气温度较低，中空墙体内外温度差逐渐增大，热空气因密度小而上升，冷空气因密度大而下沉，因此温室内热空气就会通过内层墙上部通气孔进入中空墙层，墙体内冷空气则通过下部通气孔进入温室内，从而形成墙体内外空气的自然对流；同时这种气流把室内空气中的热量带入到墙体内部，由于墙体内部通体中空，具有很大的表面积，因此在气流与墙体之间会产生对流换热作用，将空气中的热量传递给墙体，并蓄积到墙体中。夜晚由于墙体内温度降低缓慢，温室内温度降低较快，当室内空气温度低于墙体内空气温度时，就会形成反向循环的气流；气流会带动墙体放热，并将热量带到室内，起到夜间加温的作用。

1.3 测试方案与试验仪器

1.3.1 测试方案

试验的主要目的在于通过较为严密的对比试验，评价空气对流循环作用对本墙体蓄放热特性的提升效果及其对温室的夜间加温效果，因此采取了对一栋对流循环蓄热墙体温室进行分区的试验方案，即将温室沿东西方向一分为二，对东侧墙体内部中空层两端和内层墙通气孔利用泡沫绝热材料进行了封堵，形成了中空封闭型墙体区域，作为对照区；由于该区域墙体阻断了中空层与温室空间的空气对流，以下称之为无对流墙体。西侧区域则保持中空层与室内空间的空气连通，作为试验区，将该区域墙体称之为自然对流墙体。两区域之间利用双层塑料薄膜进行分隔，对东侧入口处和西侧山墙附近也利用薄膜进行了边界隔断处理。试验时间为2017-01-25－2017-03-07。

主要测试内容包括室内外气温、墙体内部温度、墙体表面热流密度、通气孔空气流速及干湿球温度。温度和热流密度测试采用自动记录仪器进行全天测试。另外，在2个测试区域东西方向等间隔分别选取了5个通气孔测试上下通气孔空气流速及干湿球温度；白天测试时刻分别选择在保温被揭开后（08:30左右）、中午气温最高（13:00左右）和下午保温被落下前（17:00左右）时刻。夜晚由于对流相对较弱，为提高测试准确性，从18:00开始（保温被已落下），每2 h测试1次，一直持续到第2天08:00（揭保温被前）。

1.3.2 测点布置及测试仪器

本次试验的测点布置如图2所示。墙体内部温度测点在墙体施工时已埋设，试验区和对照区分别有一组测点。每组测点分上下2排，分别位于距室内地面0.9 m和1.9 m高度位置。埋设深度为距离墙体室内表面0、20、60、120、200、280、340、380、400、700、1 000、1 020、1 060、1 120、1 200、1 300 mm，其中距离墙体室内表面700 mm处的测点为墙体中空层空气温度测点。试验区和对照区室内空气温度测试，在温室南北方向跨中位置，距地面0.6、1.2、1.8 m的高度各设置3个测点。由于温室墙体室内表面会受到作物以及后屋面的遮阳影响，从下到上接受太阳辐射的量在1 d内并不是均一和稳定的，因此在温室中部墙体的内外3个表面上，分别于1.0和1.8 m高度处布置热流密度测点；考虑到墙体自身材质分布的不均匀性以及室内表面热流密度变化较大，在墙体室内表面的其他长度位置，各增加1个同样高度的测点，即每个试验区墙体表面共有8个热流密度测点。

温度测试仪器为国产T型热电偶，精度为±0.5 ℃；热流密度测试仪器为HFP01热通量板（HUKSEFLUX公司，荷兰），精度为±50 mV/(W·m2)；以上数据均由34970A和34972A数据采集器（ANGILENT公司，美国）采集，采集时间间隔为10 min。通气孔空气流速及温度测试采用Model KA32/41智能型热线风速仪（KANOMAX公司，日本），精度为（±3%测量值±0.1 m/s）；室外温度测试设备为H21－002室外气象站（Onset公司，美国）；通气孔干湿球温度测试仪器为H-AMZ-ON通风干湿表（ISUZU公司，日本）。

图2 试验温室测点布置示意图

1.4 评价方法

1.4.1 自然对流墙体通气孔的理论空气流量

自然对流墙体通气孔的空气流量虽然可以直接通过所测通气孔空气流速计算，但是因为流速较低、实测误差的影响较大，相比较而言，温度的测试精度更高。因此根据自然通风的理论[35]进行估算。

首先根据式（1）和式（2）计算上下通气孔的总面积

式中1，2为上下通气孔总面积，m2；1，2为上下通气孔数目，个；1，2为上下单个通气孔面积，m2。

然后根据式（3）计算理论空气流量

其中

式中为空气流量计算系数；1，2为上下通气孔空气流量系数，取0.63[36]；L为理论空气流量，m³/s；t，t为墙体通气孔上、下空气温度，℃；为上下通气孔高差，m；T为墙体上通气孔热力学温度。

1.4.2 空气对流循环墙体的换热量

单位时间内空气循环换热量可以根据上下通气孔的空气焓值变化计算得出。

根据式（5）计算单位时间换热量

式中h，h为上、下通气孔空气的比焓，kJ/kg(a)；Q为因空气循环流动产生的单位时间换热量，kW。

2 结果与分析

根据测试数据，利用Excel软件，从空气对流换热量、墙体内部温度分布特征及昼夜变化规律、墙体蓄放热量、以及温室内温度昼夜变化规律等角度进行分析，全面评价空气对流循环墙体构造的蓄放热性能及其对温室夜间的加温效果。

2.1 通气孔空气状态及流量

2.1.1 通气孔空气流速和温度变化

通气孔白天空气流速及温度测试结果如表1所示。

表1 白天通气孔空气流速和温度（2017-02-26）

从表1中可以看出，自然对流白天通气孔的流速在早晚较小，中午流速最大，可达0.6 m/s，表明对流循环最强烈的时间是在中午；另外相同时刻上下通气孔的流速差异不大，基本接近。比较通气孔的空气温度，08:30和17:00 2个时刻上下通气孔温度相近，温差较小，而13:00时上下通气孔的温差为6.5 ℃，与通气孔的空气流速表现出相同的规律，表明墙体上下通气孔的温差确保了中空层与温室内环境之间空气自然对流作用，温差越大越有利于形成良好的气流。

通气孔夜间空气流速及温度测试结果如图3所示。

图3 夜晚通气孔空气流速及温度（2017-03-05）

从图3中可以看出，上下通气孔夜间的流速整体偏小，维持在0.1～0.3 m/s；但整个夜间上通气孔流速都略高于下通气孔流速，且在00:00～06:00仍能保持在0.3 m/s，表明在夜间、特别是后半夜都形成了循环气流，意味着夜间有明显的对流换热过程。从温度来看，夜间上下通气孔温度逐渐降低，但二者之间一直存在温差，特别是在00:00～06:00上下通气孔温差最大，维持在0.6～0.7 ℃之间，此时间段内空气流速也处于最大值，表明在后半夜，随着温室内空气温度的下降，墙体的对流放热作用反倒增强，对维持温室后半夜的温度环境具有重要意义。

2.1.2 通气孔空气流量

空气对流循环蓄热中空墙体的自然对流方式是典型的热压通风，因此可以通过式（1）－（4）对其昼夜空气流量进行理论计算，其中空气流量按整栋温室进行计算。

白天自然对流空气流量选择08:30、13:00和17:00 这3个时刻进行计算。13:00空气流量最大，理论计算值为2.49 m³/s，此时内层墙体内外温差最大，自然对流最为强烈，换热效果最佳。08:30（早上揭帘后）和17:00（下午放帘前）的空气流量分别为1.07和0.89 m³/s，对流换热的效果较为微弱。

夜晚自然对流空气流量计算结果如图4a所示。18:00（保温被放下）以后，空气流量逐渐减小，22:00到达最小值0.5 m³/s，此后基本上呈上升的趋势，且在06:00时达到最大值0.87 m³/s，表明在后半夜温室温度逐渐降低时，墙体中空层与室内空气的温差逐渐加大，对流放热作用逐渐增强。

图4 夜晚自然对流空气流量及换热量（2017-03-05）

2.2 中空墙体昼夜换热量

循环气流在墙体内进行热量交换的过程中会出现水汽凝结，这部分潜热量是不可忽略的，因此可以通过上下通气孔的空气状态来计算换热量。结合实测的上下通气孔干湿球温度，自然对流墙体不同时刻通气孔焓值及换热量可由式（5）计算得到。

白天自然对流条件下上下通气孔焓差最大的时刻是13:00，此时外界光照充足，墙体内外温差最大，自然对流的效果最为明显。白天最大换热量为32.22 kW，若换算为整个温室内墙面(高2.8 m，长60 m，墙面面积168 m2)上的热流密度是191.8 W/m2，即相当于单位墙表面积上增加了191.8W的热流量。

夜晚自然对流不同时刻换热量计算结果如图4b所示。18:00～22:00自然对流换热量较小，表明此时室内空气温度与墙体内部温度差值较小，墙体的放热作用还未完全发挥；后半夜，随着室内温度不断下降，墙体内外温差变大，换热量随之增加，04:00换热量最大，达到0.62 kW。04:00后换热量开始下降，到08:00时放热基本完毕。

2.3 墙体内部温度特征

针对开展的自然对流墙体与无对流墙体对比试验，选择典型晴天的2017年2月1日作为代表日进行分析。室外日最高、最低气温分别为2.9和−10.9 ℃。一般而言，正午前后是太阳辐射强烈、室内空气温度较高的时间，也必然是墙体进行大量蓄热的时间；而夜晚随着室外温度的下降，室内空气温度逐渐下降，至深夜往往降至墙面温度以下，即墙体必然处于放热阶段，因此进一步选择每天的14:00作为典型蓄热时刻，04:00作为典型放热时刻，来分析墙体内部温度分布特征。另外，墙体的温度分布均取同深度、同时刻上下测点的平均值表示。

以上典型时刻自然对流墙体与无对流墙体对比试验中墙体厚度方向温度分布如图5所示。

注：墙体厚度沿室内到室外方向计算。

从图5a中可以看出，典型蓄热时刻（14:00），在0～400 mm的内层墙范围内，2种墙体均是墙表面处温度最高，然后随着厚度的增加2种墙体内的温度不断下降，并均是在280 mm厚度处降至最低，但是下降的速度却不相同，其中自然对流墙体内温度下降缓慢，因此在280 mm深度温度降至最低时，自然对流墙体最低温度仍比无对流墙体高3.0 ℃；280 mm厚度之后无对流墙体的温度虽有波动，但趋于平缓，而自然对流墙体温度则出现了缓慢上升趋势，至400 mm处（即中空层南侧壁面）两墙体温差反升至4.0 ℃，自然对流墙体温度明显高于无对流墙体。这种温度分布规律和温度水平上的差异，表明空气对流循环作用有效地将热空气引入了中空层，并通过对流作用蓄积到了内层墙体中。自然对流墙体在400～1 000 mm的中空层范围内空气温度显著增高，同时带动两侧壁面温度升高，与两壁面温差分别为4.0和5.5 ℃，而无对流墙体这3点温度基本持平；与无对流墙体对比，自然对流墙体中空层空气温度高出9.4 ℃，这进一步阐明了自然对流作用有效调动了墙体中空层两侧墙体参与了蓄热过程，因此对整个墙体而言，增加了换热面积、自然也增加了蓄热量。在1 000～1 200 mm外层墙范围内，自然对流墙体的温度水平明显高于无对流墙体，1 000 mm厚度处二者温差为3.7 ℃，甚至在1 200 mm厚度处二者温差仍有2.8 ℃，表明自然对流作用使得墙体的蓄热深度得以加大。整体来看两墙体的平均温度，自然对流墙体温度高于无对流墙体2.9 ℃。

同样，从图5b可以看出，在典型放热时刻，自然对流墙体温度水平均明显高于无对流墙体，且分布规律不同。其中，在0～400 mm内层墙范围内，2种墙体内最高温度点均出现在200 mm厚度处，最高温度相差2.3 ℃，然后逐渐下降；在400～1 000 mm范围内，两墙体中空层空气温度均低于两侧墙面，说明墙体内部夜间均存在壁面对空气的放热作用，但二者中空层温差为2.2 ℃，也表明相比于无对流墙体，自然对流墙体内部具有更好的放热能力。对于自然对流墙体而言，通气孔连通了温室与墙体中空层2部分空间，二者之间气温差较大时，会有显著的空气流动与热量交换作用，可以有效地实现中空层两侧墙体蓄积的热量向室内释放的效果；对于无对流墙体而言，在2.8 m高，600 mm宽的密闭中空层内墙体表面温度并不均匀，实际上内部空间会存在一定的封闭大空间内的平壁对流换热作用，以及壁面之间的辐射换热作用，但因温差较小，这些换热作用相对较弱，而且发生在中空墙体内部，因此中空层两侧墙体与室内空气间没有直接的热量传递作用，不会直接影响室内环境。在1 000～1 200 mm外层墙范围内，自然对流墙体温度要明显高于无对流墙体，其中1 000 mm处的温差仍为2.7 ℃、1 200 mm处的温差甚至达到3.2 ℃，且在厚度方向的下降趋势相对缓慢，说明外侧墙体也具有良好的放热潜力。整体来看两墙体的平均温度，自然对流墙体温度高于无对流墙体2.3 ℃，表明自然对流作用下的空气循环提升了整个墙体放热性能。

2.4 墙体表面热流密度

在试验测试期间，墙体室内表面和中空层两壁面均布置了热通量板，用以记录壁面热流密度变化。所测数据正负代表热流方向，蓄热数值为正，放热数值为负。

自然对流墙体3个表面热流密度变化情况如图6所示。从曲线走势来看，内表面的热流密度波动范围更大，白天处于蓄热过程中，热流密度最大为143.4 W/m2，夜晚处于放热过程中，热流密度最大为49.5 W/m2，蓄放热效果明显。中空层南北两侧壁面全天变化趋势与室内壁面一致，由于通过空气对流换热进行蓄放热，波动范围较小，但是也有一定的蓄热量和放热量。对比中空层两侧壁面，南侧最大蓄热热流密度为15.2 W/m2，最大放热热流密度为16.5 W/m2；而北侧最大蓄热热流密度为35.1 W/m2，最大放热热流密度为3.5 W/m2，表明白天蓄热效果北侧优于南侧，而夜间放热效果则是南侧优于北侧。导致这一现象的原因在于北侧墙体位于接近室外的位置，热量损失较大，温度较低，南侧壁面白天温度水平较高，空气与墙面之间温差低于北侧，所以蓄热相对较少，而夜间正好相反。

图6 自然对流墙体表面热流密度变化（2017-02-27）

进一步统计自然对流墙体于2017年2月27日3个壁面累积蓄热量、累积放热量以及各自所占比例，结果如表2所示。从表中数据可以发现，自然对流墙体60%以上的蓄热量和放热量来自室内墙体表面。中空层两壁面的合计蓄热量及合计放热量分别占整个墙体的35%和31%，因此可以说明，在自然对流蓄热墙体中，中空层中产生的对流换热作用贡献了整个墙体1/3的蓄放热量。

表2 不同表面蓄放热日累积量及所占比例统计

选择连续5 d（2017年2月2日至6日）典型天气条件下2种墙体蓄放热情况进行对比分析，结果如图7所示。其中，2017年2月2日至4日为阴天，2017年2月5日至6日为阴天。从图7中可以看出，2种墙体阴天的蓄热量明显要低于晴天的蓄热量。自然对流和无对流墙体5 d的平均蓄热量分别为2.14和1.85 MJ/m2，自然对流墙体相较于无对流墙体蓄热量提高了15.1%。自然对流和无对流墙体的平均放热量为3.06和2.67 MJ/m2，自然对流墙体相较于无对流墙体放热量增加了14.7%。试验结果表明自然对流有效增加了墙体蓄放热量。

由于试验条件所限，每个墙体表面仅在高度方向布置了2个测点，测试结果用于代表整个墙体的特性略显不足；但因2温室空间测点布置位置及数量相同，具有可比性，且从相对关系的角度，测试结果仍能很好体现出2种墙体之间蓄放热能力上的差异。

图7 墙体累积热量

2.5 不同条件下室内温度变化规律

空气循环蓄热墙体在白天通过对流将室内多余的热量传递并蓄积到墙体内，在一定程度上降低室内气温或阻止气温升高，夜间同样以对流方式将墙内蓄积的热量释放出来，提高或维持室内气温，因此通过室内气温的变化情况可以直观的评价蓄放热效果。

2017年2月1日至2月6日室内外气温变化如图8所示。以每天08:00（保温被揭开）到17:00（保温被落下）为白天时段，其余时间为夜晚时段。从5 d的统计数据来看，白天无对流墙体温室室温高于自然对流墙体温室，特别是在正午前后最为显著，最高温差可达6.2 ℃，表明自然对流一定程度上起到了抑制午间高温的作用，减少了温室内的高温胁迫。

图8 自然对流与无对流室内气温（2017-02-02－2017-02-06）

从夜间的温度数据来看，自然对流温室夜间温度水平不低于10.0 ℃，而无对流温室温度水平最低为7.5 ℃，二者差异显著。5 d夜晚温度最大差值为2.9 ℃。从5 d夜晚平均温度来看，自然对流室内气温高于无对流室内气温2.4 ℃；从5 d夜晚最低气温的平均值进行比较，自然对流室内气温高于无对流室内气温2.2 ℃，表明自然对流提高温室夜间温度的效果显著。由此可见，自然对流墙体构造对温室热环境起到了“削峰填谷”的作用，有效提高夜间温度的同时抑制了午间温度，将白天多余热量储存并在夜晚向室内释放。

3 结 论

空气对流循环蓄热墙体设计开发的目的在于通过提高墙体蓄放热能力，提高进入温室的太阳能的利用效率，从而改善日光温室冬季夜间普遍低温的现状。论文通过中空墙体构造在自然对流和无对流工况下的对比试验，分析了墙体内部温度分布特征、变化规律和对室内温度环境的影响，得到以下结论：

空气对流循环蓄热墙体，上下通气孔之间存在的温差，确保了墙体自然对流作用的形成。白天午间上下通气孔温差为6.5 ℃，最大空气流速可达0.6 m/s；夜间通气孔空气流速维持在0.1～0.3 m/s之间。

自然对流条件下，空气对流循环蓄热墙体白天室内表面和中空层两壁面的温度较高，同时中空层空气温度高于两壁面，表明参与换热的墙体面积不只有室内表面，也包括中空层两侧的壁面，即增加了墙体换热面积。夜晚对流空气温度低于中空层南、北壁面，表明夜晚对流空气在循环过程中被加热。以上结果表明空气对流循环蓄热墙体参与蓄放热的面积更大，位置更深。

在自然对流作用下空气对流循环蓄热墙体中空层的蓄热量和放热量分别占温室总蓄放热量的31%和35%；相较于对照墙体，白天蓄热量提高15.1%，夜晚放热量提高14.7%，表明该墙体构造可有效提升墙体的蓄放热能力。

空气对流循环蓄热墙体在自然对流条件下对温室热环境有着积极影响。相较于对照墙体，白天正午前后最大温差可达6.2 ℃；夜间最低温度水平可维持在10.0 ℃以上，最低气温比对照区域高出2.2 ℃，有效提升了温室夜间的温度水平。

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Thermal performance experiment on air convection heat storage wall with cavity in Chinese solar greenhouse

Zhao Shumei1,2, Zhuang Yunfei1,2, Zheng Kexin1,2, Ma Chengwei1,2, Cheng Jieyu1,2, Ma Chong3, Chen Xiaowen4, Zhang Tianzhu1,2,4

(1.,100083,;2.,,100083,; 3.100083; 4.100083)

Air convection wall, which was developed in recent years, is a new mode of Chinese solar greenhouse (CSG) wall. Two rows of vent holes, located in the upper and the lower part of the wall, make air exchange available between the environment in CSG and the hollow layer of the wall. During the daytime, the indoor temperature in CSG rises and keeps a higher level than the air temperature inside the hollow wall. The hot air enters the hollow layer through the upper vent holes and the cold air inside the wall enters the CSG through the lower vent holes with the increasing of temperature difference between inside and outside of the hollow wall. Hence, it forms a natural air convection. Then the heat can be transfered and stored into the wall from the flowing air during the daytime. Similarly, there is a different air convection with a reverse air flow at night, which transfers heat from the hollow wall into the flowing air and releases the stored heat into the CSG environment through the vent holes. So the heat storage and release properties of the wall are strengthened by the air convection between the CSG environment and the wall cavity. This study aims to investigate the characteristics of heat storage and release of the air convection hollow wall as well as its effects on the thermal environment in CSG. A comparison experiment was carried out in Tongzhou District, Beijing City. The tested CSG was seperated to control (without air convection holes) and test (with air convection holes) areas. The measurements included the temperature distribution inside the wall and its daily variation, the heat storage and release properties of the wall as well as the temperature variation during the day and night in the CSG. The environmental parameters were also investigated, like the temperature of wall and environment, and the surface heat flux of the wall. Additionally, the wind velocity and wet and dry bulb temperature of the vent holes were recorded to analyze the changes of air convection and heat exchange amount. The results showed that the temperature distribution of air convection wall was different from non-convection wall. Higher average temperature and magnified daily temperature variation inside the air convection wall indicated that the area of the wall (depth or volume) involved in heat storage and release was expanded under air convection conditions. The wind velocity showed that there was a good air convection and the speed of wind was corresponding to the temperature difference between the CSG and the hollow layer of the wall. The best convection performance appeared at noon with 0.6 m/s maximum wind velocity and 32.22 kW largest heat exchange amount. Compared with non-convection hollow wall, air convection wall increased the capacity of heat storage by 15.1% during the day and the capacity of heat release by 14.7% at night. The hollow layer of the wall contributed 1/3 of the total heat storage and release and improved the lowest temperature by 2.2 ℃ at night, so the heating performance during the night was clearly improved. Moreover, a cooling effect during the day appeared with the 6.2 ℃ maximum temperature difference at noon. In conclusion, the study shows that the new structure of air convection hollow wall enhances the heat storage and release properties of the wall effectively and improves the lowest temperature environment at night in CSG.

greenhouse; temperature; walls; natural convection; heat storage and release

2018-01-09

2018-01-31

日光温室构件集热技术与智能控制系统研究（2013AA102407-6）；现代农业产业技术体系建设专项资金资助（CARS-23-C02）

赵淑梅，博士，副教授，主要从事农业生物环境工程相关研究。Email：zhaoshum@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.027

S625

A

1002-6819(2018)-04-0223-09

赵淑梅，庄云飞，郑可欣，马承伟，程杰宇，马 冲，陈小文，张天柱. 日光温室空气对流蓄热中空墙体热性能试验[J]. 农业工程学报，2018，34(4)：223－231.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.027 http://www.tcsae.org

Zhao Shumei, Zhuang Yunfei, Zheng Kexin, Ma Chengwei, Cheng Jieyu, Ma Chong, Chen Xiaowen, Zhang Tianzhu. Thermal performance experiment on air convection heat storage wall with cavity in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 223－231. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.027 http://www.tcsae.org