日光温室平板微热管阵列蓄热墙体热性能试验

管 勇，王天梅，魏铭佟，柳天明，胡万玲，段世检

（兰州交通大学环境与市政工程学院，兰州 730070）

0 引 言

日光温室是中国独创的一种现代农业技术[1]，它在蔬菜周年均衡供应方面发挥了巨大作用[2]。温室墙体是日光温室主要的蓄放热载体，在调控温室内热环境中起关键的作用[3-4]，其白天蓄存太阳能的能力越强，夜间供给温室内的热量越多[5-7]。

多年来，国内外学者针对土质墙[4,8]、砌块砖墙[6,9-10]、砖土/砖煤复合墙[11]、砖苯复合墙[6-7,12]、秸秆砌块墙[13]以及拆装式黄麻纤维墙[14]等日光温室墙体热性能开展了一系列的研究，研究表明复合异质结构墙体的热性能较好[8,12]，不同结构温室墙体按照温室墙体的温度变化特性可将墙体分成蓄热层、热稳定层及保温/隔热层组成[4,8,15-16]。对于800 mm砌块砖和50 mm聚苯板组成的日光温室墙体温度场进行研究发现热稳定层和蓄热层厚度分别占总厚度的58.8%和35.3%[16]。

随着日光温室墙体材料的不断革新，相变材料依靠其潜热蓄放热，具有蓄放热量大，放热时温度波动小[17]等特点受到国内外学者的热点关注。Berroug等[18-19]将CaCl2·6H2O制成相变板置于温室墙体内表面，运用焓法传热模型计算分析了相变材料墙体对温室热环境的改善效果。李鹏等[20-21]将复合定形相变墙体材料应用于日光温室北墙，采用试验分析了相变墙体材料对提升日光温室室内热环境的作用。温室墙体中运用相变材料可提高日光温室墙体的蓄放热性能，但研究表明，由相变材料组成的复合温室墙体内部仍存在较厚的热稳定层[22-23]。

近年来，一些学者通过主动蓄热或主被动协同蓄热方式来提升墙体内部材料的蓄放热性能，出现了诸如主动相变蓄热墙体[24]、基于毛细管网的主动式集放热系统[25]、主动蓄放热加热基质系统[26]、主动蓄热固化沙墙体[27]、以及主被动通风蓄热墙体[28]等新型日光温室。通过分析发现主动蓄热技术对温室墙体的蓄放热性能及对温室内热环境的调控能力有显著的提高。但因主动蓄热技术的嵌入，一方面增加了墙体的建造难度、初投资及运行维护成本；另一方面降低了温室墙体或系统的力学性能。

为提高日光温室复合结构墙体热稳定层的温度和提升温室墙体材料的蓄热性能，本文在课题组前期的研究基础上[29-30]引入平板微热管阵列[31]（Micro Heat Pipe Array，MHPA）强化传热技术，基于被动式温室墙体蓄放热理论，提出了一种新型日光温室微热管阵列蓄热墙体（MHPA墙体），通过对比试验对该温室蓄热墙体的蓄放热特性进行研究。

1 MHPA墙体的构筑原理与方法

通过上述分析可知，若要运用被动蓄热方式挖掘提升日光温室墙体内部的蓄热性能，则需要日光温室墙体在蓄热时段能快速的把温室墙体室内侧表面蓄积的热量输运到墙体内部，这要求热输运媒介的集热能力强，输送能力高，机械性能好；当日光温室室内温度降低时，能够把墙体内部蓄存的热量及时的传导释放到温室环境中。

基于该需求，在前期的研究基础上，按照砌块砖的模数，将重力型MHPA引入到温室墙体中，即先将铝制平板MHPA（500 mm×60 mm×3 mm，其内部有22条平行独立的热管微通道）结合墙体集热与蓄热需求弯曲成乙字形结构（弯曲角度90°、曲率半径40 mm）；然后再把其弯曲的MHPA除蒸发段（长度208 mm）的一侧表面裸露在外部用于集热蓄热及传热之外，其他部分都浇筑在水泥砂浆（水泥与沙子质量之比3∶7）中，养护形成乙字形MHPA砌块，其中弯曲的MHPA置于砌块内部中轴线处，最后把乙字形MHPA砌块按照日光温室蓄热需求再阵列竖直排布砌筑在温室墙体室内侧，形成MHPA墙体，为防止MHPA的蒸发段对太阳光的反射作用，需将其表面涂黑，以增强MHPA的吸热与集热性能，具体MHPA墙体如图1所示。

2 材料与方法

2.1 试验温室

为研究所提出的日光温室MHPA墙体的蓄放热性能以及其对温室热环境的改善效果，在兰州市兰州交通大学校园内（36.05°N，103.88°E）搭建了小型南北朝向的MHPA墙体温室和普通砌块砖温室。两温室北墙体长均为615 mm，高为630 mm，厚度为370 mm，墙体外表面均采用50 mm的保温板覆盖保温，温室跨度为790 mm，两温室实景图如图2所示。MHPA墙体温室的北墙体由1块MHPA砌块以及普通砌块砖砌筑而成，而普通温室墙体全部由普通砌块砖砌筑。为了减小地面散热对试验的影响，两温室地面均采用50 mm厚的保温板及10 mm厚的实木板组成。两温室的东西侧面及前坡屋面均采用0.12 mm厚的EVA薄膜，夜间覆盖40 mm厚的保温被，保温被每天上午9:00开启，下午17:00关闭。温室墙体物性参数见表1所示。由于东西砌块墙侧面采用50 mm保温板，而夜间又覆盖40 mm厚的保温被，它们的热阻之和较大为1.55(m2·K)/W，故夜间可忽略东西侧砌块墙散热的影响。

表1 墙体材料物性参数[32]Table 1 Physical parameters of wall material

2.2 测试方法与试验仪器

本试验重点关注两温室的北墙体温度（包括温室墙体室内表面温度及墙体内部不同位置处的温度），室内空气温度，温室地表面温度，MHPA蒸发段和冷凝段表面温度等参数。其中，两温室墙体内部布56个热电偶传感器（MHPA墙体内29个，普通砌块墙体内27个），墙体内表面24个；温室内空气测点6个，墙体外表面、墙体东西侧面、温室地表面、前坡屋面以及东西侧面薄膜中心位置各布置1个测点；MHPA砌块内中轴面布置9个，MHPA蒸发段布置2个，冷凝段布置1个。为了比较墙体的升温变化，选取墙体内部同一截面位置处的温度进行对比分析。各测点布置见图3所示。温度测试采用铜-康铜T型热电偶温度传感器（美国Omega，精度：±0.2 ℃）测量，并对其进行温度标定；与空气接触的测点均设置了防太阳辐射处理，数据采用2台34972A数据采集仪（美国Keysight Technologies）实时监测，每隔10 min采集1次数据，同时采用PC-4型自动气象站（锦州阳光气象科技有限公司，精度：温度±0.1 ℃、太阳辐射照度≤5%）实时监测室外的太阳辐射照度、空气温度及速度等参数。

2.3 评价参数

根据墙体构筑方法和对墙体传热过程的分析，对于微热管阵列蓄热墙体热性能评价参数主要有墙体内表面温度、墙体厚度方向温度分布、温室环境温度、温室内地面温度以及墙体日蓄/放热量等。

2.3.1 温室墙体内表面温度

墙体作为温室重要的蓄热体，白天温室墙体内表面吸收太阳热能并向墙体内部传递；夜间墙体内表面与室内空气发生对流换热，并与其他围护结构内表面之间进行辐射换热，将墙体内部的热量释放到温室内。因此，墙体内表面温度是墙体热工性能重要的评价指标之一，其值按各测点温度对应的面积加权平均计算。

2.3.2 墙体厚度方向温度分布

本研究所提出温室墙体结构的出发点是运用微热管阵列技术提高墙体内部温度，达到提升墙体蓄热能力的目的。因此，墙体厚度方向的温度分布是表征微热管阵列墙体热性能的基本考核参数。

2.3.3 温室环境温度

日光温室内空气温度ta及其温室围护结构各内表面温度相互作用营造出温室微气候热环境。为了综合评价两者之间的影响，采用温室环境温度te衡量温室热环境参数，其值按式（1）计算[33]。

式中ta为温室内空气温度，℃；tMRT表示温室围护结构各壁面的平均辐射温度，℃，按式（2）计算[7]。

式中Fi为温室内围护结构第i个壁面面积，m2；ti为对应第i个壁面的测试温度，℃。

2.3.4 温室地表面温度

土壤温度对温室作物的生长发育起决定作用，它直接影响作物根系生长及营养物质的输运。因此，土壤表面温度也是温室热环境因子中重要的指标之一。本文采用温室地表面中心处的温度表示。

2.3.5 温室墙体日蓄/放热量

白天，随着太阳辐照强度增大，墙体温度呈现明显的上升，温室墙体会储存大量的热量，储存的热量会对墙体夜间的放热能力和室内空气温度产生积极影响。因此，将保温被开启时段墙体白天储存的热量称为墙体日蓄热量，按式（3）计算。在夜间，墙体的放热是温室内环境的唯一热源，有助于保持温室内空气温度在温室作物生长的适宜范围内。因此，将保温被关闭时段墙体向室内释放的热量称为墙体日放热量，按式（4）计算[24]。

式中Qhsc与Qhrc分别为温室墙体的日蓄热量与放热量，J；Q9:00为保温被开启时墙体热量，J；Q17:00为保温被关闭时墙体热量，J；Q9:00day+1为次日保温被开启时墙体热量，J。

2.3.6 墙体蓄放热速率

墙体蓄放热速率是表征墙体蓄放热快慢的物理量，根据墙体内部温度场的温度，可定量的计算出墙体的蓄放热速率，按式（5）计算[34]。计算结果为正时为蓄热速率，计算结果为负时为放热速率。

式中qv为墙体蓄放热速率，W；Qτ+Δτ为τ+Δτ时刻墙体蓄放热量，J，Qτ-Δτ为τ-Δτ时刻墙体蓄放热量，J；τ为时间，s；Δτ为时间步长，s。

2.4 试验不确定性分析

为考核试验结果的可靠性，需进行试验不确定性分析。直接测量数据的精度可由试验中所使用的测量设备直接获得，而对于由直接测量数据计算所得的间接数据，其精度需通过误差传递公式（6）计算[35]。

式中y为自变量组成的函数；xn为各自相互独立的自变量；δxn为各自变量不确定度，%；δy为因变量不确定度，%。本文所用间接数据为温室环境温度和墙体日蓄放/热量。热电偶测量精度为±0.2 ℃，经公式（5）计算，温室环境温度和墙体蓄放热量及蓄放热速率的最大平均相对不确定度分别为3.35%、4.24%、2.65%。计算结果显示间接数据相对不确定小于5%，计算结果可靠。

3 结果与分析

本文选取典型晴天（2019年12月26日至28日）的数据进行对比分析，如图4所示。由图4可知，典型日随着太阳辐射照度的增大，室外空气温度也随之升高，太阳辐射照度在正午12:00时达到最大值，但空气温度比其延迟约2.5h达到最高值，之后随着太阳辐照度的减弱，温度也随之降低，12月26日至28日的室外空气温度分别为-8.4～1.9、-7.9～3.9、-4.3～9.3 ℃，其中，白天蓄热时段（9:00至17:00）其室外平均空气温度分别为-1.2、0.3和4.2 ℃，夜间放热时段（17:00至次日9:00）室外平均空气温度分别为-5.1、-4.3和-0.8 ℃。典型日太阳辐射照度最大值分别为622、651和697 W/m2，日累计太阳辐射照度分别为11.32、11.86和12.61 MJ/m2。

3.1 墙体内表面温度

图5为典型日温室墙体室内侧表面温度随时间变化图。由图5可知，在不同的室外环境下，温室墙体其内表面温度变化趋势基本相似，即白天随太阳辐射照度升降而增减，夜间呈下降趋势，两温室墙体内表面最大值比太阳辐照度最大值滞后约2.7 h。典型日MHPA墙体内表面日平均温度较普通砌块墙体的高2.6～3.5 ℃。其中，夜间放热时段（17:00至次日9:00），MHPA墙体内表面平均温度较普通砌块墙体提高了1.6～2.3 ℃。且在不同室外条件下，整个放热过程中，MHPA墙体内表面温度始终高于普通砌块墙体内表面温度。

3.2 墙体厚度方向温度分布

图6为典型日不同时刻两温室墙体截面温度随厚度分布图。由图6可知，温室墙体内部温度的高低与室外太阳辐照度及室外空气温度的强弱呈正相关关系，当太阳辐照度越大、室外空气温度越高时，不同时刻温室墙体内部温度越高，其温度波动幅度越剧烈。

典型日保温被开启时（09:00）墙体壁面的温度都低于墙体内部的温度，此时MHPA墙体的温度始终高于普通墙体的；随太阳辐照度升高，普通墙体温度波逐步向墙体内部推进，影响墙体厚度约为300 mm，与普通墙体相比，MHPA墙体呈现出完全不同的温度分布特点，其墙体内部温度呈现一个小的温升波峰，并且后者温度显著高于前者的；在保温被关闭（17:00）时，温室墙体完成蓄热过程，两温室墙体内部温度都随墙体厚度的增加而逐渐降低，除保温板外，典型日从室内向室外沿墙体厚度方向0～370 mm区域内MHPA墙体内部的平均温度提高2.7～4.0 ℃，MHPA墙体内部温度分布也均高于普通砌块墙体的，在60～300 mm区域内MHPA墙体的温度与普通墙体的相比，两者的温差较为显著。

值得注意的是在185 mm附近，MHPA墙体与普通砌块墙体的温差最大，前者比后者高5.5～7.0 ℃。这是因为乙字形MHPA的冷凝段埋设在此附近处，白天太阳光波经前坡屋面透射到温室北墙内表面，砌筑在北墙内表面并被涂黑的MHPA蒸发段依靠其内部微热管阵列高效热传输特性将太阳能热量从蒸发段输运至冷凝段，再从冷凝段向砌块四周传递，从而提高了MHPA墙体内部温度。普通墙体只能依靠墙体材料的导热性能将北墙体内表面蓄积的热量在温差驱动的作用下缓慢的传递到墙体内部。因此，MHPA的引入可提高温室墙体内部的温度，提升墙体的蓄热性能。

3.3 温室环境温度

图7为两温室室内环境温度随时间变化图，由图7可知，在白天蓄热时段（09:00至17:00），温室环境温度随太阳辐照度的变化而变化，在17:00之后温室环境温度出现了小幅升温然后再逐渐降温，这是由于保温被关闭后温室通过前坡屋面的热损失减少，且温室墙体向室内持续释放热量，使得温室环境温度出现上升现象，但由于室外空气温度下降速率较大（见图4），导致温室通过各围护结构的热量损失变大，温室环境温度也出现逐步下降。

典型日在14:00时前后两温室环境温度达到最大值，在整个蓄热期间MHPA温室的环境温度略低于普通温室的，平均值低0.2～0.5℃；在夜间放热时段（17:00至次日09:00），MHPA温室平均温室环境温度较普通温室的提高1.2～1.5 ℃。且在整个夜间放热时段（17:00至次日09:00），MHPA温室的温室环境温度始终高于普通温室的。因此，MHPA墙体能够有效的改善温室内的热环境，且对温室内热环境起“削峰填谷”的作用。

3.4 温室地表面温度

图8为两温室地表面温度随时间变化，由图8可知，不同室外条件下，两温室地表面温度的最大值较太阳辐照度最大值滞后约2.5 h，两温室地表面温度变化趋势基本相同。典型日蓄热时段（09:00至17:00）MHPA温室的地表面最高温度较普通温室地表面的低3.2～4.4 ℃，平均值低1.8～1.9 ℃。在放热时段（17:00至次日09:00）MHPA温室地表面平均温度较普通温室的高0.6～1.0 ℃。由此也可看出，MHPA墙体在白天蓄热阶段把太阳能有效的蓄存到墙体的内部（见图6），使得室内环境温度保持在适宜的温度范围，而在放热阶段又能将热量逐步的从墙体内部释放到温室内，从而提高温室地表面温度，有助于温室作物的生长。

3.5 墙体日蓄热量与日放热量

图9为典型日两温室墙体日蓄/放热量对比图。由图9可知，典型日MHPA墙体的日蓄热量分别为2 928.1、2 589.9和2 850.6 kJ，而普通砌块墙体的分别为2 560.7、2 334.1和2 617.0 kJ，前者日蓄热量都高于后者的，比后者分别提高了14.35%、10.96%和8.93%；对应时段MHPA墙体的日放热量分别达到1 815.8、2 062.8和2 043.7 kJ，比普通砌块墙体的分别提高2.24%、5.74%和8.07%。这表明MHPA墙体的蓄放热能力高于普通砌块墙体的，从而也反映出MHPA引入温室墙体中能有效提升温室墙体的蓄放热能力。

3.6 墙体蓄放热速率

图10为12月27日不同时刻两温室墙体蓄放热速率，由图10可知，MHPA墙体可以有效提高墙体的蓄放热性能。在保温被开启的前1 h内（09:00－10:00）由于太阳辐射照度小，室外空气温度较低，保温被刚开启，室内温度相对较高，温室向室外环境的散热量相对较大，因此墙体仍处于放热状态。在保温被开启时段（09:00－17:00），MHPA墙体的最大和平均蓄热速率分别为145.7和89.9 W，较普通墙体分别提高9.63%和10.99%。保温被关闭时段，MHPA墙体最大和平均放热速率分别为41.4和35.8 W，较普通墙体分别提高9.23%和5.60%。尤其是在夜间23:00－次日7:00，MHPA墙体的放热速率均大于普通墙体的，平均提升11.53%。这说明MHPA墙体能够有效地改善温室夜间的室内热环境。

4 结 论

为提高日光温室复合结构墙体热稳定层的温度并提升温室墙体材料的蓄热性能，提出了一种日光温室平板微热管阵列蓄热墙体，结合墙体热性能评价参数，通过现场小型对比试验分析了冬天典型日该温室蓄热墙体的蓄放热特性及改善温室热环境效果，得出以下结论：

1）典型日MHPA墙体内表面日平均温度较普通砌块墙体的高2.6～3.5 ℃；夜间（17:00至次日09:00），MHPA墙体内表面平均温度较普通砌块墙体提高了1.6～2.3 ℃。

2）典型日MHPA墙体内部的最高温度较普通砌块墙体内的高5.5～7.0 ℃，在0～370 mm区域内前者的平均温度比后者提高了2.7～4.0 ℃，MHPA的引入可提高温室墙体内部的温度。

3）在蓄热时段（09:00至17:00）MHPA温室环境温度略低于普通温室0.2～0.5 ℃，但在夜间放热时段（17:00至次日09:00）MHPA温室平均温室环境温度比普通温室的高1.2～1.5 ℃；典型日蓄热期间MHPA温室的地表面平均温度较普通温室地表面的低1.8～1.9 ℃，在放热期间前者较后者高0.6～1.0 ℃。微热管阵列蓄热墙体对温室内热环境能起“削峰填谷”的作用。

4）在冬季典型日，MHPA墙体的日蓄热量比普通砌块墙体的提高了8.93%～14.35%，日放热量比普通砌块墙体的提高了2.24%～8.07%。夜间23:00－次日07:00，MHPA墙体的放热速率均大于普通墙体的，平均提升11.53%。MHPA蓄热砌块应用于温室墙体可提升温室墙体的蓄热和放热能力。

需要说明的是本文仅对单根MHPA蓄热砌块应用于小型温室墙体中进行了试验研究，对于多组MHPA蓄热砌块阵列布置日光温室墙体的研究工作将在后续开展。