异质复合墙体温室墙体传热模型的建立
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摘要：随着土墙日光温室后墙材料使用时的弊端日益凸显，寻找保温蓄热性能良好的新型墙体材料是目前我国日光温室发展的紧要任务。本研究针对以酚醛保温板为保温材料的日光温室墙体，在考虑作物对后墙遮光的情况下，应用有限差分法建立异质复合墙体的非稳态传热模型，并对模型进行验证，研究复合材料墙体传热规律，分析新型建筑材料在蓄热放热方面的规律。结果表明，传热模型模拟值与实测值平均相差 1.0～1.5 ℃，最大误差 2.6 ℃，平均相对误差分别为4.9%～9.3%，可以较为准确地估计异质复合墙体温室墙体在不同气候条件下的蓄热放热量。
关键词：酚醛保温板;非稳态传热模型;日光温室;墙体;气温;太阳辐射
中图分类号： S625.1 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2020）03-0239-05
日光温室的后墙的蓄热和保温是非加温温室内部白天良好的蓄热体及夜间热量的主要来源，对温室室内热环境有重要的影响，是日光温室冬季蔬菜生产室内环境的重要保障[1]。土墙日光温室是近些年我国主要推广的一种生产型日光温室，具有保温性好、造价低等优点，但随着土地资源的紧张，这种类型的温室土地利用率低，土地资源浪费的问题日益凸显。寻求更为合理的墙体材料，已经成为温室冬季节能高效生产的重点问题[2]。
由于日光温室建造的成本问题，传统利用已有温室的环境参数测定的方法来掌握温室墙体保温蓄热性的困难较大，采用墙体传热的理论模型，分析计算和判断日光温室墙体的保温蓄热性能，以指导墙体材料开发应用和墙体的合理设计，是更为有效的方法。模型通常采用频率响应法或反应系数法[3-7]、离散分层计算传热的方法[8]、CFD 软件Fluent 等方法[9-12]，模拟和分析日光温室墙体的传热，根据其计算结果分析了一些日光温室墙体的保温蓄热性能，这些研究为理论分析日光温室墙体保温蓄热性能的方法作出了有益的探索，但是这些方法由于仅考虑太阳辐射对墙体的简单照射，未考虑种植作物对墙体蓄热的影响，导致结果误差较大。
本研究针对以酚醛保温板为保温材料的日光温室异质复合性墙体，在充分考虑温室内部作物遮挡和后墙热辐射反射的前提下，利用非稳态传热理论构建了温室后墙的一维传热模型，模拟和计算其传热过程的各种热工参，来研究酚醛保温板的异质复合性墙体的传热特性，并对其结果与传统土墙结构温室性能进行分析，为异质复合性墙体温室的性能评价提供理论依据。1 材料与方法
1.1 异质复合墙体日光温室结构
试验温室位于河北省农林科学院试验基地（114.47°E、38.03°N），该日光温室坐北朝南，东西长50 m;后墙结构（由内至外）：370 mm红砖墙、黏结砂浆、酚醛保温板、抹面砂浆;后屋面结构（由内至外）：预制板、蛭石、混凝土板、黏结砂浆、挤塑保温板、抹面砂浆;脊高（室外地坪标高为基准，脊高=室内净高）4 m，后墙高（基准地面至后坡与后墙内侧交点）3 m，外墙高3.74 m，跨度10.00 m;外保温覆盖材料使用的是自动张卷保温被，卷放时间为09：00—19：00，温室内种植甜椒，试验时间为2016年1—3月。
1.2 環境测试布点
试验点均设置在温室中部横断面上，共测试19个点，分为5层（图1），光照度与湿度的布点同气温布点一致。
测定的主要环境参数为室内外太阳辐射量、室内外空气温度与湿度、墙体内表面温度，每隔1 h采集1次数据，24 h连续采集。温度的精度为0.1 ℃，相对湿度的精度为1%，光照度的精度为100 lx。
1.3 日光温室墙体一维传热模型的建立
2.2.2 初始条件 日光温室温度分布取决于边界条件的影响，经过多个周期后，温度分布特点与初始条件无关。因此本研究取初始温度分布为15 ℃均布，经过36 h的周期模拟运行后设定为本模型模拟的初始条件。模拟时间步长为10 min。
2.2.3 模型模拟 日光温室墙体内部传热控制方程与边界条件方程联立，采用高斯迭代法对该方程组进行数值求解。采用MATLAB编制模型求解程序，模拟结果如图7所示。图7中列出了日光温室内墙表面2016年1月10日试验测定值与模型模拟值，时间段中模拟结果与实测结果较为一致，墙体内部测点的温度，模拟值与实测值平均相差 1.0～1.5 ℃，最大误差 2.6 ℃，平均相对误差分别为4.9%～9.3%。
产生模拟误差的原因，据分析主要有：（1）本研究所涉及的材料热工参数是按照资料选取的，并未实测。（2）对流换热系数在模拟中选取定值，与实际情况有一定差异。（3）试验中保温被开启时间按照平均值取时间选取，在实际管理中每天开放时间并不一致。（4）温室内作物（甜椒）的生长高度按照平均取值80 cm，与局部高度存在差异。
3 结论
本研究以酚醛保温板异质复合墙体日光温室为对象构建了日光温室墙体非稳态传热模型，首次将作物高度对后墙蓄热的遮挡率与后墙对于热辐射的反射率引入到墙体热传递控制方程中，并建立了完整的数值模拟方法。模型模拟值与试验实测值最大误差控制在3 ℃以内，并且两者规律一致，可以作为温室性能评价和结构改良的参考依据。
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