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浅谈日光温室新型墙体

文章出处:未知 人气:发表时间:2018-11-04 10:31
    日光温室三面环墙,一面覆盖有透明材料,是我国特有的园艺栽培设施,可在冬季最低气温为-10~-20℃的地区不加温生产喜温蔬菜。自20世纪90年代起,日光温室在我国山东、河北、河南等地得到了大面积的推广应用,为解决我国北方地区冬季蔬菜供应做出了巨大贡献,成为各地促进农民增收,调整农业产业结构,节约能源的重要手段。
    日光温室墙体可在白天(日光温室保温被揭开期间)吸收并储存来自太阳辐射和室内空气的热量,然后在夜间(日光温室保温被闭合期间)向室内释放热量,使得日光温室室内气温维持在较高水平,从而保证室内作物安全越冬。根据研究,墙体在晴天夜间的放热量约为日光温室夜间所需总热量的1/3,可使室内气温提高4~8℃。由于大多数日光温室不安装辅助加温设备,墙体就成为保证室内气温、满足作物生长需求的核心要素。如果墙体的保温蓄热性能差,则会导致室内气温较低,使作物遭受冻害,影响产量。
    目前最常见的日光温室墙体类型是土墙和黏土砖墙。土墙多为机械建造的厚土墙,具有施工速度快、保温蓄热性能好、成本低廉等优点,但是土墙厚度较大,不仅占地面积大,而且造墙所需的土方量较大,对土层有一定破坏。黏土砖墙占地少、外形美观、承重能力强。但是黏土砖或砌块单块体积小,需要采用人工进行砌筑,不仅施工效率低下,而且砖缝之间的砂浆不易饱满,容易形成贯通缝,影响墙体保温性能。因此,土墙和黏土砖墙均不是理想的日光温室墙体,应开发新型墙体来促进口光温室的可持续发展。
    随着新材料和新技术在日光温室上的应用,近年来出现了一批各种各样的新型墙体。根据墙体的传热特性,这些新型墙体可划分为新型保温蓄热墙体和新型保温墙体两类。新型保温蓄热墙体主要是对现有保温蓄热墙体进行改造,通过新技术或新材料的应用来提升墙体的保温蓄热性能,增加墙体在夜间的放热量。新型保温墙体主要采用保温材料建造,取消了传统日光温室墙体的蓄热功能,仅保留保温功能。这两种墙体各有优点,分别代表了曰光温室墙体的一种发展趋势。本文的目的是对目前日光温室墙体的发展动态进行梳理和分析,以期为日光温室的健康发展提供参考。
新型保温蓄热墙体发展现状
    日光温室墙体主要通过升高或降低自身温度来储蓄或释放热量。受自身热工材料的影响,墙体可储蓄热量的范围有限,而且越往墙体深处,墙体的储热量越小。另外,由于墙体内部温度较高,墙体内的热量会持续向室外流失,进而影响墙体在夜间向室内的放热量。为此,新型保温蓄热墙体的发展方向主要集中在以下两方面:(1)通过增加墙体内热交换面积或使用相变材料来改善墙体的储放热性能;(2)通过加强墙体保温性能来减少墙体向室外的热损失,以此增加墙体在夜间的放热量。该类墙体的典型代表有以下几种。主动蓄热墙体
    该墙体的特点是在黏土砖夹心固化土复合墙的基础上增加了内置风道和风机系统。在日间,可通过风机将室内的热空气吹入内置风道,与墙体进行热交换,从而增加墙体的储热量。然后夜晚再通过风机将室内冷空气吹入墙体内进行热交换,增加墙体在夜间释放的热量,用于提高室内气温。
图1主动蓄热后墙
    图1主动蓄热后墙

相变蓄热墙体
    相变蓄热材料可通过自身相状态的改变来吸收或释放热量,具有较高的储放热的性能。将相变材料与建筑材料混合制成板材或砌块并构筑在日光温室墙体内侧后,可显著提高墙体的蓄热能力,进而达到改善室内环境的效果。
带竖向空气通道的太阳能相变蓄热墙体
    该墙体的主体结构由相变蓄热层复合相变蓄热墙体板、空心砌块和导热系数较小的保温材料复合而成。随后再安装日光温室专用多曲面槽式空气集热器、小型管道风机和PVC风管道后即完成墙体建造。该墙体一方面可利用相变材料尽可能多的在日间储蓄投射到墙体内表面的太阳辐射热量,另一方面可利用风机将专用多曲面槽式空气集热器加热空气,然后将热空气吹入由空心砌块形成的竖向空气通道并进行热交换,从而进一步增强墙体储热量。
聚苯乙烯型砖复合墙
    根据研究,合理的日光温室墙体结构应由蓄热层和保温层复合而成。蓄热层主要承担储放热的功能,而保温层主要承担防止蓄热层内部热量向室外损失的功能。基于上述考虑,河北省永清金天马塑料包装厂开发了一种聚苯乙烯型砖复合墙体。该墙体由填充有混凝土的聚苯乙烯型砖,填土和混凝土板复合而成。其中,填土和混凝土板具有较大比热容和导热系数,可在日间吸收并储蓄来自太阳辐射和室内热空气的热量。聚苯乙烯型砖由聚苯乙烯材料制成,热阻较高,可以有效防止填土和混凝土板内的热量向室外流失,进而增加墙体在夜间的放热量。
装配式保温蓄热墙体
    该墙体由预制混凝土板夹芯夯士和聚苯板复合而成。在施工上,墙体建造时的预制混凝土板安装和填土等施工内容可采用机械操作,施工效率较高。而在材料选用上,该墙体可使用粘结性较差的戈壁土或粉土作为填土,使得在戈壁或沙漠地区建造口光温室成为可能。此外,采用填土作为主要蓄热材料可密封预制板之问的缝隙,从而有效改善墙体的密封性能和保温性能。
新型保温墙体发展现状
    随着日光温室主动储放热技术的发展,取消日光温室墙体蓄热性能成为可能。因此,新型保温墙体也就应运而生。目前,该类墙体的典型代表有:
聚苯板/保温被墙体
    聚苯板墙体是在钢框架上安装一定厚度聚苯板构成的。聚苯乙烯材料导热系数较小,其厚度只需达到0.1~0.2 m的厚度即可满足日光温室的保温需求。因此,该类墙体厚度较小。另外,钢框架可采用现场拼接的方式建造,不仅施工效率较高,而且墙体可根据需要进行拆装,灵活性较大。笔者在凋研中也发现有的日光温室直接将保温被搭在落地式骨架上,构成了一种保温被墙体(图5)。
聚苯乙烯型砖墙体
    聚苯乙烯型砖墙体使用聚苯乙烯型砖砌筑的墙体。由于聚苯乙烯型砖传热系数小且内部注有混凝土,整个墙体不仅热阻大,而且密封性能较高,具有较好的保温性能,但其灵活性不如聚苯板墙体。
发泡水泥墙体
    发泡水泥是水泥与气泡混合硬化后形成的内部有大量封闭气孔的轻质保温材料,其导热系数较小,只需30~50 cm的厚度即可满足日光温室的保温需求。基于该考虑,北京卧龙农林科技有限公司开发了一种发泡水泥墙体。在墙体建造时,首先在现场支放模板,然后浇筑发泡水泥,待水泥凝固之后,拆除模板再稍加养护后即完成建造。由于采用一体化浇筑,不仅施工效率高,而且墙体密封性能好,不宜出现贯通缝。
图2聚苯乙烯型砖
    图2聚苯乙烯型砖
图3聚苯乙烯型砖复合
    图3聚苯乙烯型砖复合
图4装配式保温蓄热墙体
    图4装配式保温蓄热墙体
图5保温被墙体
    图5保温被墙体
图6聚苯乙烯型砖墙体
    图6聚苯乙烯型砖墙体
图7日光温室发泡水泥墙体
    图7日光温室发泡水泥墙体
分析与建议
    目前曰光温室墙体正处于向保温蓄热墙体还是向保温墙体发展的十字路口上。究竟哪种墙体会成为未来的主流还有待进一步的实践和研究。就目前而言,我们对日光温室墙体保温蓄热性能及墙体对室内热环境的影响尚不明确,合理的墙体设计方法还未开发。在设计和选用不同墙体的时候需要注意以下问题:
合理选用墙体
    由于不同墙体的保温蓄热性能各不相同,在使用时必须要根据温室所在地气候特点以及栽培作物合理的选择墙体。以北京为例,对栽培草莓、叶菜等耐寒作物的温室,由于作物对室内气温要求较低,可选择保温性能较好的墙体;但对栽培番茄、黄瓜等喜温作物的温室,则需选择有较强储放热性能和保温性能的墙体,确保室内气温处于较高水平以满足作物生长要求。
合理设计墙体热阻
    一般保温蓄热墙体在夜间释放热量的大小主要取决于日间太阳辐射照度的大小。一旦出现阴天,墙体会因日间储热不足而导致其在夜间的放热量急剧减少。而遭遇连阴天时,墙体则会由于日间蓄热不足和长时间蓄放热而最终丧失储放热功能,只承担保温功能。因此,在设计墙体时,必须保证墙体具有较高的保温性能,以防止日光温室室内空气在阴天热量通过墙体向室外流失。
合理设计保温蓄热墙体结构
    合理的日光温室保温蓄热墙体应由蓄热层和保温层复合而成。蓄热层承担储放热功能,应采用密度和比热容较大的材料建造。保温层主要用于防止蓄热层热量流失,宜采用导热系数低的材料建造。因此,在改善墙体保温蓄热性能的同时,应做好以下工作:(1)确保墙体蓄热层有足够的厚度储蓄热量;  (2)保证保温层热阻以防止蓄热层热量向室外流失,影响墙体蓄放热性能。
合理选用保温墙体
    在传统日光温室中,保温蓄热墙体是日光温室夜间最重要的热源之一。当采用保温墙体时,必须配置额外热源来补偿由于取消墙体储放热性能而导致的日光温室供热不足,或通过提高前屋面保温被热阻来减少日光温室在夜间的热损失,以此来补偿取消墙体储放热功能而带来的日光温室夜间供热不足的问题。

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