孫小琴

（諾丁漢大學(xué)建筑與建筑環(huán)境學(xué)院，英國諾丁漢 NG9 2TN）

節(jié)能溫室中的泡沫保溫及自然通風(fēng)研究

孫小琴

（諾丁漢大學(xué)建筑與建筑環(huán)境學(xué)院，英國諾丁漢 NG9 2TN）

將絕熱性能良好的透明流動(dòng)泡沫填充于節(jié)能溫室的外層覆膜空腔內(nèi)，降低溫室與外界環(huán)境之間進(jìn)行熱交換產(chǎn)生的能量損失或聚熱，是一項(xiàng)溫室節(jié)能新技術(shù)。借助流體動(dòng)力學(xué)數(shù)字模擬計(jì)算程序（CFD），對(duì)影響節(jié)能溫室隔熱性能的因素、通風(fēng)窗結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化研究，預(yù)測(cè)節(jié)能溫室在冬季寒冷條件下的隔熱性能和在夏季炎熱環(huán)境下的通風(fēng)降溫效率，為節(jié)能溫室設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

節(jié)能溫室；氣泡絕熱；通風(fēng)窗布置；流體動(dòng)力學(xué)模擬（CFD）

溫室種植生產(chǎn)技術(shù)在農(nóng)業(yè)和園藝業(yè)界占據(jù)極其重要的地位，并在全世界廣泛應(yīng)用。氣候寒冷或炎熱暴曬的大陸性氣候國家和地區(qū)，采取技術(shù)措施，有效地節(jié)約溫室的能源投入和消耗，具有節(jié)能減排、持續(xù)發(fā)展的重要意義。

傳統(tǒng)溫室大都由結(jié)構(gòu)框架加單層普通玻璃、纖維玻璃或聚乙烯薄膜覆面建成，保證較多的光熱能夠射入溫室使植物進(jìn)行光和作用，其熱導(dǎo)率U-值約為6.2W·m-2·K-1［1］，但保溫性能較差。為了提高溫室的保暖效能，采用蓄能池、熱泵、保溫罩等系列技術(shù)，但并沒有取得預(yù)期的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益［2］。夏季溫室過度聚熱，需消耗大量能源進(jìn)行溫室冷卻、遮光和通風(fēng)［3］，而冬季又需進(jìn)行加熱保溫。維持溫室內(nèi)恒定溫度，消耗的年均能源量構(gòu)成了溫室種植成本的主要部分。英國用于溫室生產(chǎn)的燃?xì)赓M(fèi)用約占總成本的40％，其中的61％主要用于溫室加熱和濕度控制。隨著礦物燃料價(jià)格上漲，溫室經(jīng)營者亟須減少能源投入以保持競(jìng)爭(zhēng)力。為解決上述問題，研發(fā)出采用能夠產(chǎn)生特殊的透明液狀絕熱泡沫充填于由兩層透明薄膜空腔中的溫室覆面新技術(shù)。該中空覆面允許大部分陽光透射或遮光，減少了冬季的熱量散失和夏季的過度聚熱［4］，進(jìn)而降低溫室能耗。

1 溫室雙膜層覆面保溫系統(tǒng)及工作原理

泡沫生成與溫室雙膜層覆面保溫系統(tǒng)是集成的。溫室泡沫發(fā)生器安裝在溫室框架結(jié)構(gòu)的脊梁處，用于生成添加有表面活性劑等成分的透明氣泡，小型氣泵根據(jù)環(huán)境需要將生成的氣泡輸送充填到兩層薄膜結(jié)構(gòu)的雙膜層溫室覆面空腔中。泡沫發(fā)生器的運(yùn)轉(zhuǎn)和泡沫充填是依據(jù)季節(jié)溫度的變化自動(dòng)調(diào)整的。冬季僅在溫室頂層背陽面覆面中填充泡沫作為隔熱層，它能將陽光紅外熱能吸收并反射到溫室內(nèi)；而向陽面則不填充泡沫，使陽光充分入射?？嵯臏厥蚁蜿柮娓裁嬷谐錆M泡沫以加強(qiáng)陽光反射，同時(shí)吸收紅外光熱能并儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱池中，等到夜晚或陰雨天再將儲(chǔ)存有能量的泡沫布滿溫室整個(gè)覆面，向室內(nèi)釋放熱能。夏季夜間通過循環(huán)流動(dòng)泡沫，溫室地面上的熱交換器冷卻泡沫，為次日白天提供冷源和遮蔽［5］。泡沫良好的隔熱效果使溫室內(nèi)水分蒸發(fā)下降，覆面內(nèi)表面冷凝水減少；遮光的功效緩解了白天過度加熱，降低了溫室對(duì)通風(fēng)除濕降熱的要求。總之，泡沫隔熱系統(tǒng)能夠合理儲(chǔ)存和利用太陽能，表現(xiàn)出顯著的保溫加熱和遮光冷卻性能，利于溫室內(nèi)微氣候環(huán)境調(diào)控，高效節(jié)能。溫室微氣候調(diào)控的關(guān)鍵是溫室熱交換和溫室通風(fēng)的低耗能控制技術(shù)。

2 溫室通風(fēng)保溫計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬

2.1 模擬方法

流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件被廣泛應(yīng)用于模擬和分析流體在建筑內(nèi)部及周圍的流動(dòng)情況，能夠預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)流體的各種物理化學(xué)變化。本研究運(yùn)用CFD軟件，模擬節(jié)能溫室在冬季的隔熱保溫性能，與傳統(tǒng)玻璃溫室進(jìn)行對(duì)比；并對(duì)夏季溫室的通風(fēng)散熱效果進(jìn)行系統(tǒng)分析，提出改進(jìn)自然通風(fēng)效率的措施。

2.2 熱傳導(dǎo)模型

溫室覆面空腔中的液狀泡沫是由無數(shù)小氣泡組成，它們之間相互作用，甚至破裂和再生，并不斷重新排列。當(dāng)溫室覆面空腔內(nèi)填滿泡沫并被封閉而處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，上述復(fù)雜無序的變化可忽略。

鑒于熱傳導(dǎo)模型主要是研究泡沫作為溫室隔熱層的熱性能，而不是氣泡之間的微流動(dòng)情況，假設(shè)泡沫保持穩(wěn)定狀態(tài)，可以把溫室模型中的泡沫簡(jiǎn)化為勻質(zhì)、連續(xù)、穩(wěn)定的介質(zhì)材料。因?yàn)橥ㄟ^溫室覆面的熱損失絕大部分由傳導(dǎo)造成，所以模擬條件選為僅考慮傳導(dǎo)，而忽略熱對(duì)流和熱輻射［6］。況且冬季溫室基本無需通風(fēng)降溫，熱對(duì)流引起的熱損失很小。熱傳導(dǎo)模擬側(cè)重于熱量通過溫室覆面的變化，而非溫室內(nèi)微氣候。若溫室的長邊遠(yuǎn)大于其它兩個(gè)方向的尺寸，則在CFD軟件包中的GAMBIT建立起二維的溫室橫切面模型，使計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)潔恰當(dāng)，見圖1。

圖1 熱傳導(dǎo)模型：溫室覆面橫截面

通風(fēng)模擬意在分析溫室內(nèi)與周圍的自然通風(fēng)對(duì)溫室內(nèi)部微氣候的冷卻作用?；趯?duì)室內(nèi)空氣流動(dòng)計(jì)算精確的k-ε渦流算法［7］，可以模擬出氣流從外界環(huán)境通過進(jìn)風(fēng)口流入溫室內(nèi)與室內(nèi)空氣混合流通，再從出風(fēng)口流出的過程。由于空氣滲漏量微小，且在夏季造成的熱量損失無關(guān)緊要，因而忽略滲漏通風(fēng)過程。溫室采用自然通風(fēng)來冷卻和除濕雖然方便經(jīng)濟(jì)，難點(diǎn)是如何嚴(yán)格控制氣流流向和通風(fēng)量。通風(fēng)模型側(cè)重于分析溫室內(nèi)外的氣體交換情況，而充滿泡沫的覆面可以看作不透氣的墻面，空氣流動(dòng)不影響空腔內(nèi)氣泡間的微環(huán)境。通過優(yōu)化溫室通風(fēng)口的分布位置、開口大小、窗口形狀，調(diào)節(jié)溫室空氣流動(dòng)。設(shè)計(jì)通風(fēng)口連續(xù)排列在溫室的長邊方向，左邊的是進(jìn)風(fēng)口，右邊為出風(fēng)口?；诖?，抽象出開有通風(fēng)口的位于無限大外界環(huán)境下的溫室模型，空氣流是外界環(huán)境中作用于溫室側(cè)墻的自然風(fēng)，在CFD軟件包FLUENT中設(shè)定相關(guān)求解公式、邊界條件和計(jì)算參數(shù)，并設(shè)計(jì)對(duì)照組模擬比較。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 冬季節(jié)能溫室的泡沫隔熱系統(tǒng)性能

設(shè)外界氣溫4℃，熱導(dǎo)率U-值為15W·m-·2K-1及溫室內(nèi)氣溫22℃，U-值為5W·m-2·K-1的環(huán)境下，厚度為0.5m充滿泡沫的空腔中，模擬溫度分布如圖2所示：

圖2 傳導(dǎo)熱模擬（0.5m空腔）

圖2顯示了冬季溫室處于18℃的內(nèi)外溫差條件下，其橫截面上的等溫線分布狀況。顯然溫度沿假想同一厚度層的變化微弱，而沿垂直厚度方向的變化明顯。這說明空腔內(nèi)熱傳導(dǎo)受到極大阻礙，泡沫隔熱系統(tǒng)作用顯著。

3.1.1 覆面空腔厚度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖3 不同厚度的覆面中的溫度變化線形圖

用0.2，0.5，0.8m不同厚度空腔的覆面比較。結(jié)果顯示在三個(gè)不同厚度的空腔中溫度分布趨勢(shì)相似，但是在厚度為0.2m的最窄空腔內(nèi)，溫度改變極快，只有覆面最內(nèi)側(cè)薄薄一層氣泡的溫度接近室溫。相反地，厚度為0.8m的空腔中有大量22℃的泡沫。由此推斷，空腔厚度大，泡沫隔熱系統(tǒng)的性能好。根據(jù)傅立葉熱傳導(dǎo)公式H=kA ΔT/x（式中H為導(dǎo)熱量；k為熱導(dǎo)率；A為傳熱面的面積；ΔT為溫差；x為傳熱面的厚度）。與其它保溫材料相同，增加材料厚度意味著熱量傳導(dǎo)的路徑變長，導(dǎo)熱量減少。圖3反映了三個(gè)不同厚度的溫室覆面中溫度的變化情況。圖中最細(xì)的直線代表0.2m厚的覆面，其斜率最大，表明溫度在0.2m內(nèi)就變化了18℃；而最粗的直線說明0.8m厚的覆面中溫度變化緩慢，使更多的熱能儲(chǔ)存在泡沫中作為夜間溫室的熱源。但覆面并非越厚越好，要根據(jù)實(shí)際需要和經(jīng)濟(jì)效果綜合考慮選擇。

3.1.2 覆面材質(zhì)對(duì)系統(tǒng)性能的影響

處于相同外界環(huán)境中的兩個(gè)溫室模型，具有相同的結(jié)構(gòu)，但覆面材料不同。玻璃覆面的溫室內(nèi)側(cè)溫度明顯低于室內(nèi)溫度，這一差異促使室內(nèi)的熱量源源不斷地傳導(dǎo)給溫度較低的玻璃，進(jìn)而傳給外界環(huán)境，直到室內(nèi)大量熱量散失，二者溫差為零［8］。而泡沫覆面則不同，覆面溫室內(nèi)側(cè)的溫度基本接近室內(nèi)溫度，表明保溫性能量好。兩種不同材質(zhì)的覆面層腔內(nèi)其溫度變化，見圖4。圖中顯示玻璃覆面內(nèi)的溫度分布：下方直線是傳統(tǒng)玻璃覆面溫室內(nèi)側(cè)的溫度變化，其斜率較小，說明溫度在玻璃中分布相對(duì)均勻，溫差僅為6～14℃范圍.即玻璃中的熱量傳導(dǎo)比在泡沫中更為容易。泡沫覆面腔內(nèi)溫度變化的斜率相對(duì)較大，即溫差較大，表明泡沫覆面的溫室保溫性能比玻璃覆面溫室明顯良好。

3、適期播種，播種密度不要過大。應(yīng)在氣溫穩(wěn)定通過6℃時(shí)播種，不要盲目搶早。從理論上講，播種密度以300 g/m2為宜。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，農(nóng)民為了節(jié)省農(nóng)膜等生產(chǎn)成本，以及考慮到出苗率、使用插秧機(jī)等原因，往往會(huì)加大播量，即便如此，播種量也絕對(duì)不能超過500 g/m。

圖4 不同材質(zhì)覆面溫室中的溫度變化圖

3.2 夏季節(jié)能溫室的自然通風(fēng)優(yōu)化

3.2.1 通風(fēng)窗口徑大小對(duì)室內(nèi)風(fēng)速的影響

在相同的外界風(fēng)速條件下，不同尺寸的通風(fēng)窗口對(duì)溫室內(nèi)風(fēng)速的大小和分布的影響，見圖5。左圖顯示溫室內(nèi)頂部有較強(qiáng)空氣流，地面處有較弱回流，室內(nèi)空氣混合很少，中心空氣大多靜止不動(dòng)。右圖中有一股進(jìn)入室內(nèi)的氣流非常明顯，并在溫室跨度中部下沉，在頂部和側(cè)墻均產(chǎn)生回流氣流，但大部分沒有與室內(nèi)空氣充分均化便從出風(fēng)口流出。溫室不同高度處平均風(fēng)速，見表1。

表1 不同通風(fēng)窗口尺寸的溫室內(nèi)不同高度處平均風(fēng)

表1數(shù)據(jù)表明具有大口徑通風(fēng)口的溫室內(nèi)風(fēng)速較大，有利于空氣混合和更新。但若在植物生長高度處風(fēng)速較大，則對(duì)植物生長不利。

圖5 通風(fēng)窗不同口徑距地面相同高度模擬（0.2m和0.5m高的通風(fēng)口）

圖6 通風(fēng)窗相同口徑距地面不同高度模擬（離地面0.5m和1.6m的通風(fēng)口高度）

3.2.2 通風(fēng)口位置對(duì)室內(nèi)通風(fēng)效果的影響

相同窗口尺寸，距離地面不同高度的溫室窗口對(duì)溫室氣流的影響極大，見圖6。兩個(gè)溫室中風(fēng)速沿跨度幾乎對(duì)稱，最高風(fēng)速都出現(xiàn)在接近通風(fēng)口的高度處，但最低風(fēng)速并不在封閉的區(qū)域而在中間高度附近。高風(fēng)速有可能影響作物蒸騰作用和生長習(xí)性，但是對(duì)去除室內(nèi)頂部的冷凝蒸汽有利，因此選擇通風(fēng)窗口位于溫室較高處，加大上部空氣流通速率和通風(fēng)效果，又對(duì)植物的蒸騰作用和生長影響較小的高度位置，即通風(fēng)窗口應(yīng)位于距離溫室地面較高處。

3.3 通風(fēng)窗口組合方式模擬

對(duì)不同尺寸的通風(fēng)窗口及距地面不同高度的組合方式進(jìn)行模擬，見圖7。對(duì)比溫室內(nèi)不同高度的風(fēng)速大小和室內(nèi)空氣混合程度，其中最有效調(diào)節(jié)溫室內(nèi)溫度和空氣更新的設(shè)計(jì)模型為增設(shè)溫室頂部開窗口方式。頂部開窗口的溫室氣流交換強(qiáng)度大于其它方式，比只有兩個(gè)通風(fēng)口模型的室內(nèi)空氣混合度高，換氣速率快，利于植物生長發(fā)育。

4 結(jié)論

裝配有泡沫絕熱系統(tǒng)的節(jié)能溫室能有效提高冬季室內(nèi)的隔熱保溫效果，與傳統(tǒng)溫室相比具有節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本、保護(hù)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，其保溫性能隨著絕熱層的厚度增加而提高，但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中要綜合對(duì)比、擇優(yōu)選用。節(jié)能溫室在夏季借助自然通風(fēng)來冷卻室內(nèi)微氣候，也出于經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的綜合考慮。通過模擬不同的通風(fēng)口設(shè)計(jì)方案，最終選擇側(cè)墻底部加頂部通風(fēng)口的組合方式，通風(fēng)口要適當(dāng)選用較大尺寸，并根據(jù)天氣情況及時(shí)開關(guān)。CFD軟件成功模擬了節(jié)能溫室中的熱傳導(dǎo)和通風(fēng)情況，并給出量化結(jié)果，為節(jié)能溫室的實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了依據(jù)。

圖7 通風(fēng)窗不同組合方式的通風(fēng)模擬效果

［1］Steve Adams.Final report to Defra，AC0401：Direct energy use in agriculture：opportunities for reducing fossil fuel inputs［R］.Warwick，UK：Horticulture Research International，2007：iv.

［2］Aberkani K，Gosselin A，Halleux D de，et al.Effects of Insulating Foams between Double Polyethylene Films on Light Transmission，Growth and Productivity of Greenhouse Toma to Plants Grownunder Supplemental Lighting［R］.UK：International Society for Horticultural Science，2006：449-454.

［3］Wikipedia.The free encyclopedia［EB/OL］.（2010-06-22）［2010-08-25］.http://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse.

［4］Guohui Gan.CFD modelling of transparent bubble cavity envelopes for energy efficient greenhouses［J］.Building and Environment Journal，2009，44（12）：2486-2500.

［5］［S.n.］.Solar roof/Solar greenhouse［EB/OL］.（2010-07-05）［2010-08-28］.http://www.solaroof.org/wiki/SolaRoof/SolarGreenhouse.

［6］H B Manbeck.A Laboratory Facility for Teaching Principles of Ventilation of Agricultural Structures［J］.American Society of Agricultural and Biological Engineers，1993，30（5）：1447-1451.

［7］Shklyar A，Arbel A.Numerical model of the three-dimensional isothermal flow patterns and mass fluxes in a pitched-roof greenhouse［J］.Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2004，92（12）：1039-1059.

［8］Wikipedia.The free encyclopedia［EB/OL］.（2010-07-09）［2010-09-20］.http://en.wikipedia.org/wiki/Conduction_（heat）.

〔編輯 石白云〕

Bubble Thermal Insulation and Natural Ventilation Research for Energy Efficient Greenhouses

SUN Xiao-qin
（Department of Architecture and Built Environment，The University of Nottingham，Nottingham，UK NG9 2TN）

Energy efficient greenhouse equipped with bubble thermal insulation system is an innovative technology attempting to reduce indoor energy consumption.Transparent liquid foam filled in a cavity envelope of greenhouse presents excellent insulation performance by decreasing energy loss or accumulation through heat transfer between the inside microclimate and outside environment.By using computational fluid dynamics code（CFD），the factors influenced insulation performance of energy efficient greenhouse as well as the structural designs for ventilation openings have been researched and optimized systematically.In addition，CFD has been used to predict the insulation capability of energy efficient greenhouse in cold days and ventilation efficiency in hot weather，which provided the basis for the design of energy efficient greenhouse.

energy efficient greenhouse；bubble thermal insulation；arrangements for ventilation openings；computational fluid dynamics（CFD）

TE09

A

1674-0874（2011）01-0071-05

2010-12-10

孫小琴（1987-），女，山西太原人，諾丁漢大學(xué)碩士研究生，研究方向：可再生能源與建筑節(jié)能。