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1、传热学在日光温室中的应用 浅析传热学在日光温室中的应用【摘 要】为了更深层的理解传热学在实际方面的应用，结合目前节能发展趋势，我们选择通过对日光温室大棚的结构和性能，在室内土壤、覆盖物材料以及保温蓄热墙体三方面，使用传热学进行简要的分析。【关键词】日光温室大棚 土壤 覆盖物材料 墙体保温蓄热 传热系数随着可持续发展观的提出，节能减排也开始引起了人们广泛的关注，而节能减排在农业中的一大体现即为温室大棚。近年来温室产业在我国发展迅速，已成为现代农业生产发展的生长点和助推器，是现代农业的代表模式和发展方向。日光温室产业作为我国设施农业产业中的主体，已开始成为农业种植业中利益最高的产业。它为解决长期困
2、扰我国北方地区冬季的蔬菜淡季供应、增加农民收入、节约能源、安置就业、避免温室加温造成的环境污染、稳定社会等均做出了历史性贡献。如何建造新型的日光温室大棚，营造良好的室内环境显得尤为重要。为此我们对土壤、材料覆盖物、墙体进行如下分析：1 土壤1.1 土壤保温的必要性土壤作为作物生长的环境条件，在农业生产中起着至关重要的作用，它由大小不等的微细土粒堆积成，固体颗粒之间有各种不同的空隙，并且土壤也不是单一物质，土壤实际上是由气（空气）、液（水）、固（矿物质、有机质）三相物质组成。这三相物质的传热系数不同，而土壤除了给作物提供营养、水分以外，土壤温度对作物的生长也有重要的作用，因此，调节土壤结构，即调
3、节三相物质比例，会使之更适合作物生长。1.2 影响土壤温度的因素土壤温度是经常变化的, 不仅在一年之内随季节的变迁而变化, 甚至在一天之内也有明显的差异。在同一时间内, 上下层的土壤温度也不相同。土壤热的主要来源是太阳, 太阳通过辐射将热量传递到地面, 土壤得到热量之后, 一部分散失到大气中, 一部分用于土壤水分的蒸发, 还有一部分传向底土, 剩下来的便提高土壤本身的温度。如果散失的热量比吸收的热量多, 土壤温度就会下降,当土壤获得或散失一定的热量后, 土壤温度的升降便决定于土壤的热容量。土壤的热容量就是1cm3 土壤温度升高或降低1 时吸收或放出的热量卡。对热容量不同的土壤来说, 当相等的热
4、量进入土壤后, 热容量大的土壤升高的温度少, 而热容量小的土壤升高的温度多。土壤组分的热性质从表中可以看出，水的热容量比空气的热容量大得多, 所以潮湿土壤热容量大, 温度不易升高。而干燥土壤空气多, 所以干燥土壤的热容量低, 温度容易升高。在土壤的组成部分中, 固体部分的数量一般变化不大, 而空气和水的含量却是经常变化的, 因此土壤的比热主要取决于其中水和空气的含量。由于水比空气的比热大得多, 所以土壤含水量越多, 它的比热越大; 反之, 土壤中的空气越多, 含水量越少, 则土壤的比热越小。土壤得到热量之后, 总要向冷的地方传导, 土壤传热的快慢用导热率来表示。其含义为: 在温度相差1的情况下
5、, 每秒钟内通过截面积为1cm2、距离为1cm 的土壤的热量。土壤固、液、气三相的导热率分别为: 固体颗粒约在0. 004- 0. 005 卡/cm s， 空气约为0. 000 05 卡/cms，水为0. 001 2 卡/cm s 。固体颗粒的导热率比空气大100 倍左右, 而水又比空气大24 倍, 所以紧实土壤的导热率比疏松土壤大, 湿土的导热率比干土大。但是, 土壤温度的变化与热量变化不同。土壤温度增加与导热率成正比, 与热容量成反比。所以当土壤得到热量之后, 判断其温度变化的情况要从导热率和热容量两个方面综合考虑, 根据二者对温度的关系, 可以用导温率(K ) 来表示 式中: K 表示导
6、温率, 为单位体积土壤吸入热量后升高的温度, 单位为cm2/s;表示导热率, 单位为卡/s cm ;Cp 表示热容量, 单位为卡/cm 。导温率小的土壤, 深层温度增加慢, 冷却也慢, 但表层温度升降迅速, 变幅较大。导温率大的土壤, 深层温度增加快, 冷却也快, 但表层温度比较稳定。除此之外，因为土壤吸收热辐射的能力与土壤的粗糙程度和颜色等有关, 所以反射能力强的土壤吸收的辐射热就少。 则土壤颜色越深, 表面越是凹凸不平, 吸收的辐射热就越多。含水量多的土壤颜色较暗, 吸热能力也较强。2 覆盖材料采光覆盖材料作为温室的全部或部分围护结构材料其热学性质对温室白天的光照和夜间的保温有显著的影响。
7、覆盖材料的透射率直接决定温室内的光照强度和光质（光谱成分），决定进入温室内的太阳辐射能和对地表热辐射的阻挡能力；覆盖材料的传热特性影响温室的保温效果。除去人工干预（通风、结构设计和朝向），室外气候和覆盖材料的热特性是决定温室内微气候的主要因素。玻璃是最早使用，而且至今仍然大量使用的透光覆盖材料，随着高分子材料的发展，各种高分子有机材料的大量涌现，为温室透光覆盖材料的选择提供了更多的机会。目前，各国使用的塑料覆盖材料有上百个品种，而且还在不断发展扩充。但就总体而言，可分为两大类：一类是柔性卷材，主要指塑料薄膜；另一类为硬质板材，如聚碳酸酯板、玻璃纤维增强聚酯板等。下图为阳光通过覆盖物使室内产生温
8、室效应2.1 覆盖材料的透光特性 照射到温室的阳光被透射、反射和吸收。温室覆盖物的材料、颜色、结构、厚度和清洁度决定了太阳能被利用的程度。允许大量光能通过的覆盖物被称为透明材料。透明覆盖物既允许直射光也允许散射光通过。半透明的覆盖物形成光弥散，分散了光线。玻璃和清晰的塑料能透射高百分率的直射光。凹凸不平的玻璃和半透明的塑料透射较少量的直接光，但能透射较多的散射光。透射性能的好坏直接影响到室内种植作物光合产物的形成和室内温度的高低。2.1.1 吸收、反射和透射 当辐射能透射到覆盖材料上时，少量能量被吸收和反射，其余能量则全部透过材料进入温室。根据能量守恒定律有： +=1式中， 吸收率；反射率；透
9、射率。2.1.2 辐射热流入射到覆盖材料表面的辐射热流l包括直射和散射两部分l= ID,l + Id,lID,l 入射的直射辐射热流； Id,l 入射的散射辐射热流。那么，透过材料的辐射热流:T =ID,lD + Id,ld D ，d直射光和散射光的透过率。2.1.3 覆盖材料透射率在温室中覆盖材料对太阳辐射的透射率是全辐射（直射+散射）、全光谱的太阳光透过率，即 T 透过的辐射热流； l 入射的辐射热流。透光率是评价温室透光性能的一项最基本的指标，它是指进温室内的光照量与室外光照量的百分比。透光率越高，温室的光热性能越好。温室透光率受温室透光覆盖材料透光性能和温室骨架阴影率的限制，而且随着不
10、同季节太阳辐射高度的不同，温度的透光率也在随时变化。2.2 覆盖材料的传热特性对温室进行加热耗能是温室冬季运动的主要障碍。提高温室的保温性能、降低能耗，是提高温室生产效益的最直接手段。衡量温室保温性能的指标除了温室维护结构的传热热阻，其中覆盖材料的热阻对温室保温效果有着极大的影响。传热系数是整体反映覆盖材料传热性能的综合性指标，它综合考虑了覆盖材料自身的物理特性以及与周围环境的相互作用。覆盖材料的总传热系数是指当室内外温差为1时，在单位时间内通过单位面积覆盖材料的传热量，综合反映了覆盖材料在使用条件下的最终传热结果，全面和直接地反映了温室覆盖材料的保温性能，根据其大小就可判断覆盖材料保温性能的
11、优劣。传热系数K 式中， 1/h表示单位面积对流热阻；X/表示单位面积传导热阻。传热系数K的大小与室内空气的温度，室外风速，内外壁面的温度有关。应该指出，上式并不包括热辐射换热，也没有包括传质过程。考虑辐射和传质的总换热系数U要比传热系数K大2.3 温室采光屋面的角度采光屋面也称前屋面，其作用是采光和保温。采光屋面的角度即采光与地面的夹角。必须保持采光屋面有一定的角度，使得采光屋面与太阳光线所构成的入射角尽量小。由于太阳位置是在时刻移动着的，而且日光温室的采光面一般都是曲面，同一时刻采光面上各点的阳光入射角也不同。由于太阳位置冬季偏低，春季升高，在温室的前沿底角附近，角度应保持60-70度左右
12、，中部应保持在30度左右，上部靠近屋脊处10-20度左右。3墙体在建造日光温室的过程中, 构建结构合理、保温性良好的日光温室墙体(后墙和山墙), 在严寒季节, 使室内温度满足作物生长发育的需要, 同时降低投资成本, 显得尤为重要。日光温室大棚主要利用墙体的保温性和在热性进行对温室内部温度的调节。日光温室墙体的设计要满足一定的原则。墙体必须有一定的热惰性，即白天为温室的蓄热体，夜间为放热体。墙体应由吸热，蓄热能力强，而导热能力差的材料组成。最好是内层采用蓄热系数大，外层采用导热率小的异质材料。同时保温墙体也应考虑防潮防水性，以防止导热系数增大。墙体的厚度要根据有关标准或经验确定。本文采用理论模拟
13、的方法，对几种材料和构造的日光温室墙体(表1)，在统一的室外条件下和运行管理情况下，进行传热过程的计算机模拟，并通过模拟汁算获得的数据采用一定的的评价指标，对该几种日光温室墙体保温节能性进行评价。该方法通过软件模拟对开发新型墙体材料提供快速有效的验证新方式进行了有益的探索。3.2 关于墙体保温载热的数学描述：理论模型的核心之一是墙体传热过程的模型。由于墙体自身材料均为蓄热性、热惰性很强的材料且其工作环境为动态变化的环境其传热为非稳态传热过程传热过程模型主要依据非稳态传热的理论建立。3.3 理论模型及模拟方法日光温室总能量平衡微分方程式如下：上式为日光温室室内热量和温度环境变化分析的基础。其中前
14、屋面传出的热量Qg ，空气交换传出的显热量Qv ，室内蒸腾蒸发潜热量Qe ，可根据稳态传热传质的有关理论进行分析计算。而地面传入的热量Qs 、墙体放热量Qw 需采用非稳态传热的理论进行分析计算，二者方法相仿，以下重点说明墙体传热的模拟分析。墙体一维非稳态传热模型及模拟： 墙体的非稳态传热的物理过程由以下微分方程描述：采用有限差分的数值计算方法求解上述微分方程，对时问和墙体厚度进行离散化处理。墙体采用外节点法进行离散，采用变节点间距，在靠近温度梯度较大的墙表面附近，节点较密，取为l左右离表面越远，节点间距越大。墙内外表面为第3类(对流换热)边界条件，但内墙表面吸收的太阳(直接与散射)辐射热量和外
15、墙表面吸收的太阳f散射)辐射热量化为相应边界单元的内热源。模拟分析的基本参数选取对于墙体的热工性能，材料密度P、材料的导热系数A，材料比热容C是最密切相关的几个参数，根据资料和一些实测数据l 1(主要来源于传热学，有些是实验室实测数据，但未经发表，不便列出)，在模拟计算中的取值见表2：几种材料日光温室墙体的传热模拟结果模拟结果数据在一定的室外设定气温和太阳辐射条件下模拟获得不同材料墙体温室内气温以及墙体放热随时问的变化情况如图1和图2所示几种墙体保温蓄热性能指标计算归纳如表3所示。上述情况说明，在蓄热性能方面，红砖墙体最好，钢渣混凝土墙体其次加气混凝土墙体最差 红砖墙体良好的吸热和蓄热性能使其
16、白昼蓄热较多，放热较少，而夜间放热较多。而加气混凝土墙体白昼吸热和蓄热较少放热较多(表面吸收的太阳辐射热量较多直接散发到温室内，传入墙体的部分相应较少)，夜间放热相应较少。3.4 简要分析室内气温的变化情况。从图1可看出，加气混凝土温室白昼升温最快，而夜问降温也最快。红砖墙体温室白昼升温较慢，而夜间降温也慢。钢渣混凝土墙体温室介于二者之间。这与其墙体的上述吸热和蓄热性能密切相关。墙体吸热和蓄热能力强白昼吸收和蓄积了较多热量用于温室升温的热量必然较少，但夜间可以释放的热量较多，可以有效阻止室内气温的降低。室内白昼气温以加气混凝土墙体温室最高，平均气1804最高气温2950。钢渣混凝土墙体温室其次
17、，白昼平均气温l758 ，最高气温2866 qC。红砖墙体温室最低白昼平均气温l690 ，最高气温2718差异较为明显。室内夜间的气温。以加气混凝土墙体温室最低，其夜问平均气温953。最低气温565。钢渣混凝土墙体温室其次夜间平均气温l008 ，最低气温622 qC。红砖墙体温室最高，夜间平均气温l099，最低气温743，也有较为明显差异。4 结果与讨论 要建造一个“低碳高效”的温室大棚需要对结构和材料进行全面的考虑。在日光温室中，可以利用水的比热大的特点,通过排灌、耕耙等措施去改变土壤中水分和空气的含量，提高土壤的热容量,使土壤能保持住温度。由于黑度大小影响辐射能力及吸收率,因此,在土壤中施
18、入有机肥和草木灰等, 能使土地颜色变深, 从而吸收较多的辐射热, 增加土温。 采光覆盖材料作为温室的全部或部分围护结构材料其热学性质对温室白天的光照和夜间的保温有显著的影响。覆盖材料透射性能的好坏直接影响到室内种植作物光合产物的形成和室内温度的高低；传热性能又对温室的保温起到重要的作用。覆盖材料的透光特性和传热特性共同决定了温室的采光和保温性能。 通过对温室大棚墙体的简单理解，可以看出墙体保温蓄热功能的重要性。只是单纯采用砖墙的温室保温性能不理想，为了在夜晚也能达到保温效果还需要在夜间向温室供暖，经济型较差。现阶段热日光温室大棚则主要由墙体自身实现蓄热及放热。墙体与保温材料相辅相成，二者的结合
19、与发展既是为了实现节能又环保的大目标。 现阶段日光温室大棚具有良好的发展前景，但仍存在很多问题，如何构造更加经济且效果显著的温室大棚也是成为当今需要解决的课题之一。上述文章是本组成员通过资料查询进行简单的分析，但由于个人知识的欠缺并不能对该课题进行全面深入的分析，在论述方面也难免存在错误，请老师给予指导！参考文献1徐刚毅日光温室墙体保温材料的选择 蔬采1997(5)：16-17.2白义奎，节能目光温室环境及保温性能研究【D】沈阳：沈阳农业大学2003.3籍秀红日光温室墙体材料保温蓄热性能的测试与研究【D】北京：中国农业大学图书馆，20074中国科学院南京土壤研究所土壤知识编写组.土壤知识【M】.上海：上海人民出版社，1983.5马本.热力学与统计物理学【M】.北京：高等教育出版社，1988.6陈端生，邱建军，王刚等.几种日光温室外保温覆盖材料的保温性能【J】.农业工程学报，1996，12（增刊）.7覃密道，马承伟，刘瑞春.热箱发测定园艺设施覆盖材料传热系数的研究进展【J】.农业工程学报，2005,21（2）.8张俊芳，马承伟，覃密道，等.温室覆盖材料传热系数测试台的研究开发【J】.农业工程学报，2005,21（11）.