李 明 李 涵 宋衛(wèi)堂 王朝元 岳李煒

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 北京 100083； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

日光溫室是我國(guó)特有的溫室類(lèi)型，具有良好的保溫蓄熱性能，在北方冬季夜間不加溫或少量加溫的條件下可維持較高的室內(nèi)溫度，滿(mǎn)足蔬菜越冬需求[1]。截至2016年底，我國(guó)日光溫室面積已經(jīng)達(dá)到69.7萬(wàn)hm2，為解決北方地區(qū)冬季蔬菜供應(yīng)不足和推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整發(fā)揮了巨大作用[2-3]。

日光溫室一般由后墻、后屋面、東西山墻和前屋面等構(gòu)成。我國(guó)北方地區(qū)日光溫室一般無(wú)加熱設(shè)備，主要依靠白天蓄積太陽(yáng)能來(lái)提高室內(nèi)溫度[4]。傳統(tǒng)后墻兼具保溫和蓄熱雙重功能，可在日間吸收并儲(chǔ)蓄來(lái)自太陽(yáng)輻射的熱量，在夜間向室內(nèi)放熱，提高夜間室內(nèi)氣溫[5-6]。馬承偉等[7]研究表明，后墻在晴天夜間的放熱量可使北京地區(qū)日光溫室的夜間溫度提高3～8℃。因此，后墻是日光溫室在冬季夜間保持較高室溫、滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)需求的關(guān)鍵因素。

為獲得良好的保溫蓄熱性能，理想的后墻應(yīng)由蓄熱層和保溫層復(fù)合而成[8-9]。其中，蓄熱層用于儲(chǔ)蓄熱量，宜使用夯土或黏土磚等密度和比熱容較高的材料；保溫層主要用于防止蓄熱層熱量向室外散失，宜使用聚苯乙烯板等導(dǎo)熱系數(shù)較小的保溫材料。因此，由黏土磚和聚苯乙烯板復(fù)合建造而成的外保溫復(fù)合墻具有較高的保溫蓄熱性能，是保溫蓄熱后墻的發(fā)展趨勢(shì)之一[10]。但此類(lèi)墻體存在著建造成本高、放熱不可控等問(wèn)題，尤其在后半夜室內(nèi)氣溫較低的情況下，墻體放熱強(qiáng)度較低，不利于維持室溫[11]。為解決上述問(wèn)題，張義等[11]提出，應(yīng)用主動(dòng)式集放熱系統(tǒng)、配合保溫后墻，替代上述傳統(tǒng)后墻。后墻采用輕質(zhì)保溫材料建造，僅具有保溫功能其集放熱功能由主動(dòng)式集放熱系統(tǒng)承擔(dān)。主動(dòng)式集放熱系統(tǒng)在日間收集后墻獲得的太陽(yáng)能并儲(chǔ)存起來(lái)，在夜間室內(nèi)氣溫較低時(shí)集中放熱，可有效避免因室內(nèi)氣溫過(guò)低而對(duì)作物生長(zhǎng)造成的低溫脅迫。

近年來(lái)，日光溫室主動(dòng)式集放熱系統(tǒng)相關(guān)的研究與應(yīng)用取得了較大進(jìn)展。張義等[11]利用黑色薄膜開(kāi)發(fā)了一種基于水幕簾的主動(dòng)式集放熱系統(tǒng)，其夜間放熱量可達(dá)4.9～5.6 MJ/m2。梁浩等[12]利用雙黑膜PE板代替原有的黑色薄膜，將系統(tǒng)日間集熱效率提高到57.7%。使用金屬膜替代原有雙黑膜能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的集放熱效率[13-14]。此外，佟雪姣等[15]提出一種以水為媒介，利用PC板進(jìn)行集熱的主動(dòng)蓄熱裝置，并比較了不同顏色及厚度的PC板的集熱效果，結(jié)果表明，5種顏色中褐色陽(yáng)光板的蓄熱量最多，達(dá)到191.5 kJ/(m2·d)，3種厚度中8 mm透明陽(yáng)光板的蓄熱量最多，為198.2 kJ/(m2·d)。在此基礎(chǔ)上，徐微微等[16]將PC板中水流方向改為由下向上，消除了集熱板內(nèi)空氣對(duì)水流的影響，可使中空腔體中充滿(mǎn)流動(dòng)的水，系統(tǒng)總集熱量達(dá)350 MJ，最大集熱效率可達(dá)93%。馬承偉等[17]使用日光溫室骨架作為集放熱單元，也獲得了較好的結(jié)果。

目前，缺少關(guān)于主動(dòng)式集放熱系統(tǒng)和日光溫室保溫蓄熱后墻的對(duì)比研究，本文設(shè)計(jì)一種基于毛細(xì)管網(wǎng)的主動(dòng)式集放熱系統(tǒng)(Active heat system developed with capillary tube mates，AHSCTM)，分析AHSCTM替代外保溫復(fù)合墻集放熱功能的可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)日光溫室概況

試驗(yàn)日光溫室(圖1)位于北京市通州區(qū)潞城鎮(zhèn)中農(nóng)富通園藝有限公司通州基地(39.8°N，116.7°E)，溫室東西走向，方位角偏東25°，長(zhǎng)25 m，南北跨度8 m，后墻高2.6 m，脊高3.8 m。后屋面仰角45°，在水平地面投影寬度為1.5 m，后坡仰角45°。溫室前屋面覆蓋材料為0.1 mm PVC塑料薄膜。溫室后墻、后坡與東西側(cè)山墻均采用雙層140 mm聚苯乙烯板建造，板材內(nèi)外涂抹3 mm抗裂砂漿，無(wú)其他加熱設(shè)備。

圖1 試驗(yàn)溫室構(gòu)造圖Fig.1 Structure sketch of test solar greenhouse

測(cè)試時(shí)間為2017年12月31日—2018年2月19日。測(cè)試期間，溫室內(nèi)基質(zhì)栽培番茄。保溫被揭開(kāi)和閉合時(shí)間分別為08:20和16:00。選取典型晴天(2018年2月7—8日)、多云天(2018年2月8—9日)和陰天(2018年2月9—10日)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.2 AHSCTM結(jié)構(gòu)與原理

圖2 基于毛細(xì)管網(wǎng)的主動(dòng)式集放熱系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic composition of active heat system developed with capillary tube mates1、2.回水管 3、4.毛細(xì)管網(wǎng) 5、6.供水管 7.水表 8.浮球閥 9.潛水泵 10.蓄熱水池

AHSCTM由毛細(xì)管網(wǎng)、蓄水池、循環(huán)管道、潛水泵和控制系統(tǒng)等構(gòu)成(圖2)。其中，毛細(xì)管網(wǎng)由外徑4.3 mm、內(nèi)徑3.5 mm的毛細(xì)管構(gòu)成，分為后墻吊掛毛細(xì)管網(wǎng)和空中懸吊毛細(xì)管網(wǎng)兩部分。后墻吊掛毛細(xì)管網(wǎng)安裝在后墻處，含23個(gè)由96根毛細(xì)管構(gòu)成的毛細(xì)管單元，每個(gè)單元寬1.0 m、長(zhǎng)1.8 m，下端距地面1.0 m，毛細(xì)管并聯(lián)在供水管和回水管之間，采取同程回水和下進(jìn)上出的進(jìn)水模式，保證水充滿(mǎn)整個(gè)細(xì)管，供水管與回水管直徑均為32 mm?？罩袘覓烀?xì)管網(wǎng)安裝在前屋面上，其水平投影距前屋面底角3.2 m，同樣包含23個(gè)毛細(xì)管單元，每個(gè)毛細(xì)管單元由40根毛細(xì)管構(gòu)成，寬1.0 m、長(zhǎng)0.8 m，采用U形單根毛細(xì)管，兩端分別與供水管和回水管相連，采取上進(jìn)上出的供水模式。

蓄熱水池位于溫室東側(cè)地下，水池長(zhǎng)×寬×高為4.2 m×2.2 m×1.4 m，有效容積13.0 m3，蓄水池內(nèi)水的體積為5 m3。循環(huán)管道使用PVC管構(gòu)建。潛水泵功率800 W，揚(yáng)程10 m。控制系統(tǒng)主要由氣溫傳感器、水溫傳感器和PLC控制柜組成，安裝在溫室的控制間內(nèi)。

AHSCTM的工作模式為：日間保溫被揭開(kāi)后，潛水泵啟動(dòng)，蓄水池中的水流經(jīng)毛細(xì)管，吸收太陽(yáng)輻射及溫室內(nèi)空氣中熱量后，再返回蓄水池中，反復(fù)循環(huán)，熱量被儲(chǔ)存在蓄水池中。夜間，當(dāng)室內(nèi)氣溫低于11℃且小于水溫1℃時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)潛水泵，蓄水池中的水流過(guò)毛細(xì)管，向室內(nèi)放熱。當(dāng)室內(nèi)溫度高于設(shè)定值或者水氣溫差小于1℃時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)關(guān)閉潛水泵，AHSCTM停止運(yùn)行。

1.3 測(cè)試方案

在測(cè)試期間試驗(yàn)日光溫室內(nèi)有基質(zhì)栽培的番茄，并使用滴灌方式進(jìn)行灌溉。當(dāng)室內(nèi)氣溫較高時(shí)，使用卷膜器打開(kāi)頂部通風(fēng)口進(jìn)行自然通風(fēng)。

后墻太陽(yáng)總輻照度和溫度測(cè)點(diǎn)布置位置如圖1所示。后墻太陽(yáng)輻照度采用太陽(yáng)總輻射傳感器測(cè)量并且自動(dòng)采集(測(cè)量范圍：0～1 280 W/m2，精度：±10 W/m2)。太陽(yáng)總輻射傳感器垂直懸掛在后墻中間位置，距離過(guò)道地面高度為1.35 m處。室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布置在溫室水平面幾何中心、距地面高度1.5 m處，采用T型熱電偶測(cè)量(測(cè)量范圍：-100～350℃，精度：±0.5℃)。蓄水池水溫測(cè)點(diǎn)布置在蓄熱水池水體幾何中心、距離水池底部0.7 m處，采用Pt100鉑電阻測(cè)量(測(cè)量范圍：-50～200℃，精度：±0.1℃)。室外氣溫通過(guò)HOBO室外氣象站采集。通過(guò)安捷倫34970A型數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集T型熱電偶和Pt100鉑電阻的測(cè)試數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)的采集間隔均為10 min。

1.4 AHSCTM水溫模擬與集放熱量計(jì)算

根據(jù)AHSCTM系統(tǒng)特點(diǎn)，提出以下計(jì)算假設(shè)：①忽略毛細(xì)管外表面溫度與管內(nèi)水溫的差異。②忽略毛細(xì)管網(wǎng)進(jìn)水溫度與蓄水池水溫的差異。③忽略毛細(xì)管背面的散射光。

根據(jù)能量守恒，單位時(shí)間流經(jīng)毛細(xì)管的水的內(nèi)能變化量等于該時(shí)間內(nèi)毛細(xì)管吸收的太陽(yáng)能和空氣熱能，可描述為

(1)

式中ρw——水的密度，取998 kg/m3

cw——水的比熱容，取4 183 J/(kg·K)

v——毛細(xì)管網(wǎng)內(nèi)部水流速度，m3/h

n——毛細(xì)管數(shù)量，根

Top——毛細(xì)管出水口水溫，℃

Tw——水池水溫，℃

ηc——毛細(xì)管對(duì)太陽(yáng)輻射照度的吸收率

qs——單根毛細(xì)管截獲的太陽(yáng)輻射能，W

αc——單根毛細(xì)管的表面換熱系數(shù)，W/(m·K)

Apo——單根毛細(xì)管表面積，m2

Tin——室內(nèi)氣溫，℃

根據(jù)太陽(yáng)光照射下毛細(xì)管在與后墻平行平面所形成的陰影(圖3)，qs計(jì)算式為

qs=InLds

(2)

(3)

ε=β-γ

(4)

式中In——后墻表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2

L——毛細(xì)管長(zhǎng)度，m

ds——毛細(xì)管在后墻平行面的陰影寬度，m

do——毛細(xì)管外徑，m

dt——兩根相鄰毛細(xì)管間距，m

ε——與后墻平行平面的太陽(yáng)方位角，(°)

β——太陽(yáng)方位角，(°)

γ——溫室方位角，(°)

圖3 毛細(xì)管在后墻平行面的陰影示意圖Fig.3 Schematic of capillary tube shadow on plane paralleled to north-wall

夜間AHSCTM運(yùn)行時(shí)，流經(jīng)毛細(xì)管的水通過(guò)毛細(xì)管表面向室內(nèi)放熱，水溫降低。該關(guān)系描述為

(5)

AHSCTM運(yùn)行期間，蓄水池內(nèi)的水溫受毛細(xì)管網(wǎng)換熱和蓄水池自身熱量流失影響而變化，蓄水池水溫計(jì)算式為

(6)

式中Tw,m——第mΔt時(shí)刻的蓄水池水溫(m=0，1，2，…)，℃

V——蓄水池中水總體積，m3

v1——后墻處毛細(xì)管網(wǎng)內(nèi)部水流速，m3/h

Top1——后墻處毛細(xì)管網(wǎng)出水口水溫，℃

v2——懸掛毛細(xì)管網(wǎng)內(nèi)部水流速，m3/h

Top2——懸掛毛細(xì)管網(wǎng)出水口水溫，℃

Δt——計(jì)算步長(zhǎng)，取600 s

Tl——蓄水池水溫降低速率，℃/s

AHSCTM停止運(yùn)行期間，蓄水池水溫為

Tw,m+1=Tw,m-TlΔt

(7)

日間由于A(yíng)HSCTM采集后墻處太陽(yáng)能和空氣熱能并將其儲(chǔ)蓄在蓄水池內(nèi)，AHSCTM集熱量為

Ec=ρwcwV(Tw,ec-Tw,ic)/106

(8)

式中Tw,ic——集熱開(kāi)始時(shí)蓄水池水溫，℃

Tw,ec——集熱結(jié)束時(shí)蓄水池水溫，℃

夜間AHSCTM向室內(nèi)放熱，使得蓄水池內(nèi)水溫下降。根據(jù)能量守恒，夜間AHSCTM向溫室釋放的熱量為

Er=ρwcwV(Tw,ir-Tw,er)/106

(9)

式中Tw,ir——放熱開(kāi)始時(shí)蓄水池水溫，℃

Tw,er——放熱結(jié)束時(shí)蓄水池水溫，℃

AHSCTM的特性系數(shù)(Coefficient of performance，COP)定義為系統(tǒng)1 d向溫室釋放的熱量與系統(tǒng)1 d耗電能的比值，計(jì)算式為[18]

(10)

式中qp——水泵額定功率，取800 W

tr——AHSCTM夜間運(yùn)行時(shí)間，s

tc——AHSCTM日間運(yùn)行時(shí)間，s

根據(jù)前期測(cè)試，將毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)停止后，蓄水池溫度在24 h內(nèi)未出現(xiàn)變化，Tl可取0℃/s。根據(jù)《民用建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 06—2016)，αc取8.7 W/(m·K)[19]。另外，毛細(xì)管為黑色，ηc取0.8[19]。β和γ參照文獻(xiàn)[20]所采用的方法進(jìn)行計(jì)算。

1.5 外保溫復(fù)合墻溫度模擬

根據(jù)《日光溫室設(shè)計(jì)規(guī)范》(NY/T 3223—2018)，北京地區(qū)適宜的外保溫復(fù)合墻可選擇370 mm黏土磚和100 mm聚苯乙烯板[21]復(fù)合而成。同時(shí)，為消除日光溫室施工質(zhì)量、栽培管理模式等問(wèn)題對(duì)外保溫復(fù)合墻蓄放熱性能的影響，本文采用一維差分法[22-23]計(jì)算給定條件下外保溫復(fù)合墻的墻體溫度，并據(jù)此計(jì)算其日間蓄熱量和夜間放熱量。外保溫復(fù)合墻的節(jié)點(diǎn)劃分如圖4所示。

圖4 外保溫復(fù)合墻體節(jié)點(diǎn)劃分圖Fig.4 Nodes in external insulation composite wall

黏土磚內(nèi)部控制節(jié)點(diǎn)i(i=1，2，3，4)的非穩(wěn)態(tài)傳熱差分方程為

(11)

其中

Δxi=δxi-1/2+δxi/2

(12)

式中ρ1——黏土磚密度，kg/m3

c1——黏土磚比熱容，J/(kg·K)

λ1——黏土磚導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

Ti,m——控制節(jié)點(diǎn)i在第mΔt時(shí)刻的溫度，℃

Δxi——控制節(jié)點(diǎn)i的控制區(qū)寬度，取0.074 m

聚苯乙烯板節(jié)點(diǎn)6的非穩(wěn)態(tài)傳熱差分方程為

(13)

式中ρ2——聚苯乙烯板密度，kg/m3

c2——聚苯乙烯板比熱容，J/(kg·K)

λ2——聚苯乙烯板導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

T6,m——控制節(jié)點(diǎn)6在第mΔt時(shí)刻的溫度，℃

δx5——控制節(jié)點(diǎn)5、6之間的距離，取0.05 m

δx6——控制節(jié)點(diǎn)6、7之間的距離，取0.05 m

Δx6——控制節(jié)點(diǎn)6的控制區(qū)寬度，取0.05 m

黏土磚和聚苯乙烯板交界處控制節(jié)點(diǎn)5的一維非穩(wěn)態(tài)傳熱差分方程為

(14)

外保溫復(fù)合墻內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)0和外表面節(jié)點(diǎn)7的一維非穩(wěn)態(tài)傳熱差分方程為

(15)

(16)

其中

Δx0=δx0/2

(17)

Δx7=δx6/2

(18)

式中 Δx0——控制節(jié)點(diǎn)0的控制區(qū)寬度

ηe——墻體內(nèi)表面對(duì)太陽(yáng)輻射照度的吸收率

Δx7——控制節(jié)點(diǎn)7的控制區(qū)寬度

αi——墻體內(nèi)表面換熱系數(shù)，W/(m·K)

αo——墻體外表面換熱系數(shù)，W/(m·K)

Tout——室外氣溫，℃

δx0——控制節(jié)點(diǎn)0、1之間的距離，取0.74 m

由于外保溫復(fù)合墻是通過(guò)提高蓄熱層溫度來(lái)儲(chǔ)蓄熱量，可根據(jù)深度x處墻體在日間初始時(shí)刻的溫度(Tx,start)和結(jié)束時(shí)刻的蓄熱層溫度(Tx,end)來(lái)計(jì)算其日間蓄熱量。蓄熱層厚度利用溫差法[23]計(jì)算?？紤]到聚苯乙烯板蓄熱能力較小，可認(rèn)為主要由黏土磚部分承擔(dān)蓄熱功能，外保溫復(fù)合墻日間儲(chǔ)熱量(Qc，MJ)可根據(jù)深度x處蓄熱層在日間初始時(shí)刻的溫度(Tx,start)和結(jié)束時(shí)刻的蓄熱層溫度(Tx,end)來(lái)計(jì)算。即

(19)

式中S——蓄熱墻體表面積，m2

dw——蓄熱層的厚度，m

Tx,start和Tx,end隨x變化的方程可在上述模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上通過(guò)回歸分析獲得。

夜間外保溫復(fù)合墻通過(guò)對(duì)流換熱和輻射換熱的方式向室內(nèi)散熱，其放熱量為

(20)

其中

qr,k=αiS(T0,k-Tin,k)

(21)

式中Qr,m——外保溫復(fù)合墻在mΔt時(shí)間內(nèi)的放熱量，MJ

qr,k——外保溫復(fù)合墻在第kΔt時(shí)刻的放熱功率，J

T0,k——外保溫復(fù)合墻內(nèi)表面在k時(shí)刻溫度，℃

Tin,k——溫室內(nèi)k時(shí)刻空氣溫度，℃

上述模型中所涉及的材料熱工參數(shù)如表1所示[19]。由于黏土磚表面為紅褐色，根據(jù)《民用建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 06—2016)，ηe取0.8，αi取8.7 W/(m·K)，αo取23.0 W/(m·K)[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 后墻內(nèi)表面太陽(yáng)輻射及室內(nèi)外氣溫

后墻內(nèi)表面太陽(yáng)輻照度和室內(nèi)外氣溫變化如圖5所示。日間和夜間分別定義為保溫被揭開(kāi)(08:20—16:00)和閉合期間(16:00—08:20)。

表1 外保溫復(fù)合墻材料熱工參數(shù)Tab.1 Thermal parameters of material involved in external insulation composite wall

圖5 室內(nèi)外空氣溫度與后墻內(nèi)表面太陽(yáng)輻照度變化曲線(xiàn)(2018-02-07—2018-02-09)Fig.5 Variations of indoor and outdoor air temperatures and solar radiation on inner surface of north wall

在晴天和多云日間，后墻內(nèi)表面太陽(yáng)輻照度總體呈先增后減的變化趨勢(shì)，最高太陽(yáng)輻照度分別為503.1、286.9 W/m2。室外氣溫(Tout)分別在-2.8～3.9℃和-9.6～4.2℃的范圍內(nèi)變化，也呈先升高后降低的趨勢(shì)。室內(nèi)氣溫(Tin)在保溫被揭開(kāi)之后隨時(shí)間快速提升，中午時(shí)由于通風(fēng)而出現(xiàn)波動(dòng)。在晴天和多云日間，Tin分別在11.3～32.6℃和9.6～29.6℃范圍內(nèi)變化，室內(nèi)外最大溫差分別為30.9、27.4℃。

在陰天太陽(yáng)輻射較弱，最高太陽(yáng)輻照度為73.4 W/m2，僅為晴天的14.6%。Tout在-11～5.4℃范圍內(nèi)變化，室內(nèi)外溫差最高為17.5℃。雖然陰天Tin不高，但溫室管理人員依然在中午實(shí)施通風(fēng)，導(dǎo)致陰天中午Tin出現(xiàn)了小幅下降。

在晴天、多云及陰天夜間，Tout分別在-12.1～2.1℃、-15.8～2.5℃和-11.1～3.9℃范圍內(nèi)變化。保溫被閉合后，室內(nèi)氣溫以約2.4℃/h的速度下降。當(dāng)室內(nèi)氣溫低于11℃時(shí)，AHSCTM開(kāi)始向室內(nèi)放熱，室內(nèi)氣溫下降的速度減至0.2℃/h。

2.2 AHSCTM集熱與放熱性能

試驗(yàn)期間蓄水池水溫(Tw)變化曲線(xiàn)如圖6所示，根據(jù)式(8)和式(9)計(jì)算集放熱量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。日間AHSCTM運(yùn)行期間，Tw隨時(shí)間持續(xù)上升，分別在晴天、多云和陰天日間上升了8.2、6.0、1.7℃，日間集熱量(Ec)分別為171.2、125.2、35.5 MJ；夜間放熱量(Er)分別為123.2、116.9、60.5 MJ，根據(jù)式(10)計(jì)算COP分別為2.4、1.9、1.1。

圖6 AHSCTM蓄水池實(shí)測(cè)水溫、模擬水溫和改進(jìn)AHSCTM的模擬蓄水池水溫(2018-02-07—2018-02-09)Fig.6 Measured and simulated water temperature of AHSCTM and simulated water temperature of improved AHSCTM

日期改進(jìn)前改進(jìn)后Ec/MJEr/MJCOPEc/MJEr/MJCOP02-07171.2123.22.4340.2365.37.002-08125.2116.91.9204.6196.23.502-0935.560.51.166.8156.52.8

以單位墻體面積計(jì)算，AHSCTM夜間放熱量為0.9～1.9 MJ/m2，而基于水幕簾的主動(dòng)式集放熱系統(tǒng)的夜間放熱量可高達(dá)4.9～5.6 MJ/m2 [9]。因此AHSCTM的夜間放熱量較少。另外，AHSCTM的COP同樣低于基于水幕簾的主動(dòng)式集放熱系統(tǒng)，需進(jìn)一步優(yōu)化[11，24]。

2.3 改進(jìn)AHSCTM的儲(chǔ)放熱性能

2.3.1模型驗(yàn)證

為提升AHSCTM的儲(chǔ)放熱性能，利用試驗(yàn)測(cè)得的參數(shù)對(duì)本文構(gòu)建的AHSCTM蓄水池水溫模型進(jìn)行了驗(yàn)證(圖6)。結(jié)果表明模擬水溫與實(shí)測(cè)水溫一致性較高，兩者之間平均偏差0.4℃，最大偏差1.3℃。因此，數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確度較高，可以用來(lái)分析不同參數(shù)條件下的主動(dòng)式集放熱系統(tǒng)的集放熱性能。

2.3.2AHSCTM改進(jìn)

由于后墻吊掛的毛細(xì)管僅占后墻面積的26.3%，通過(guò)加大毛細(xì)管的數(shù)量和延長(zhǎng)毛細(xì)管長(zhǎng)度進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后毛細(xì)管數(shù)量和長(zhǎng)度分別為4 416根和2.6 m。又因?yàn)榭罩袘业趺?xì)管網(wǎng)會(huì)對(duì)地面植物產(chǎn)生陰影，去除不要，最終，改進(jìn)后AHSCTM的毛細(xì)管外表面積較現(xiàn)有系統(tǒng)增加了62.4%。

根據(jù)構(gòu)建的水溫模型，在2018年2月7—9日期間測(cè)定的室內(nèi)氣溫和太陽(yáng)輻射條件下，改進(jìn)AHSCTM可在晴天、多云和陰天日間使Tw分別升高16.3、9.8、3.2℃(圖6)，Ec達(dá)到340.2、204.6、66.8 MJ，分別較現(xiàn)有系統(tǒng)增加98.7%、63.4%、88.2%(表2)。另外，改進(jìn)AHSCTM在晴天、多云和陰天的Er可達(dá)365.3、196.2、156.5 MJ，分別較現(xiàn)有系統(tǒng)增加196.5%、67.8%、158.7%。

以單位墻體面積計(jì)算，改進(jìn)AHSCTM夜間放熱量達(dá)到2.4～5.6 MJ/m2，COP可達(dá)2.8～7.0，與基于水幕簾的主動(dòng)式集放熱系統(tǒng)在放熱性能和COP的差距大幅縮減[11,24]。

2.4 外保溫復(fù)合墻儲(chǔ)放熱性能

外保溫復(fù)合墻溫度隨時(shí)間變化如圖7所示。圖中0、0.074、0.148、0.222、0.296 m表示到復(fù)合墻體內(nèi)表面的距離。在日間保溫被揭開(kāi)后，后墻內(nèi)表面溫度先升高后降低，其他深度的墻體溫度變化趨勢(shì)與內(nèi)表面溫度變化相同，但具有一定的滯后性，且變化幅度不斷隨深度增加而減小。這與李明等[25]的研究結(jié)果一致。

圖7 外保溫復(fù)合墻體各節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線(xiàn)(2018-02-07—2018-02-09)Fig.7 Variation curves of temperatures at each node of insulation composite wall

一般外保溫復(fù)合墻通過(guò)提高自身溫度來(lái)儲(chǔ)蓄熱量。根據(jù)模擬結(jié)果，后墻不同位置溫度的日變化幅度隨深度增加不斷減小。在深度為0.296 m處，其日變化幅度不到10%。認(rèn)為外保溫復(fù)合墻在試驗(yàn)條件下的蓄熱層厚度為0.296 m。通過(guò)回歸分析可獲得保溫被揭開(kāi)和閉合時(shí)刻后墻蓄熱層溫度隨深度變化的回歸方程(表3)。表中回歸方程x的取值范圍為0～0.296 m。根據(jù)式(19)，外保溫復(fù)合墻在晴天、多云和陰天的日間儲(chǔ)熱量(Qc)分別為203.0、118.4、31.5 MJ(表4)。但由于墻體的熱交換過(guò)程不可控，墻體內(nèi)表面溫度從15:00左右高于室內(nèi)氣溫，導(dǎo)致墻體提前放熱，該部分熱量達(dá)到了88.6、52.5、19.3 MJ，是Qc的43.6%、44.3%、61.3%。在夜間，外保溫復(fù)合墻持續(xù)向室內(nèi)放熱，其夜間放熱量(Qr,m)分別為160.0、116.1、80.9 MJ。陰天雖然Qc較低，但因夜間室內(nèi)溫度較低，外保溫復(fù)合墻依然向室內(nèi)放熱，以致陰天Qr,m大于Qc。

2.5 AHSCTM與外保溫復(fù)合墻儲(chǔ)放熱性能對(duì)比

AHSCTM在晴天、多云和陰天日間的儲(chǔ)熱量分別是相同條件下的外保溫復(fù)合墻的84.4%、105.7%、111.3%。這可能是由于晴天日間太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，系統(tǒng)水溫升高過(guò)快，AHSCTM下午的集熱能力下降所造成的。另一方面，AHSCTM在晴天、多云和陰天夜間的放熱量分別是外保溫后墻的77.0%、100.7%、74.8%，但在A(yíng)HSCTM夜間運(yùn)行期間，AHSCTM放熱量是相同時(shí)間段內(nèi)外保溫復(fù)合墻的放熱量的172.5%、183.8%、98.2%。因此，與外保溫復(fù)合墻相比，AHSCTM在儲(chǔ)放熱性能方面的優(yōu)勢(shì)并不明顯，但由于放熱過(guò)程可控，能在室內(nèi)氣溫較低的時(shí)集中放熱，對(duì)晴天和多云夜間最低氣溫的調(diào)節(jié)能力優(yōu)于外保溫復(fù)合墻。

表3 墻體蓄熱層溫度隨深度變化的回歸方程Tab.3 Fitting equations of wall temperature in heat storage layer varied with depth

表4 外保溫復(fù)合墻日間儲(chǔ)熱量和夜間放熱量Tab.4 Stored heat in daytime and released heat in night of external insulation composite wall MJ

改進(jìn)AHSCTM的儲(chǔ)放熱較現(xiàn)有系統(tǒng)有了較大提升。改進(jìn)AHSCTM在晴天、多云和陰天日間的儲(chǔ)熱量可較外保溫復(fù)合墻分別高67.6%、72.8%、112.1%，夜間放熱量則較外保溫復(fù)合墻高128.3%、69.0%、93.5%；而在夜間AHSCTM運(yùn)行期間，改進(jìn)AHSCTM的放熱量更是外保溫復(fù)合墻的5.1、3.1、2.5倍。該結(jié)果表明，改進(jìn)AHSCTM在日間儲(chǔ)熱量和夜間放熱量上超過(guò)外保溫墻體，能更有效地避免室內(nèi)最低氣溫的發(fā)生。

當(dāng)然，AHSCTM的運(yùn)行過(guò)程離不開(kāi)水泵運(yùn)行，即使經(jīng)過(guò)改善，依然需要一定的電力投入。而外保溫后墻的運(yùn)行不需要消耗電力，運(yùn)行成本較低。另外二者在嚴(yán)格相同條件下對(duì)室內(nèi)氣溫的影響也缺乏研究。因此，還需從建造成本、室內(nèi)氣溫變化、作物產(chǎn)量和品質(zhì)等角度對(duì)二者進(jìn)一步對(duì)比，明確AHSCTM的替代傳統(tǒng)保溫蓄熱后墻的可行性。

3 結(jié)論

(1)測(cè)試條件下，AHSCTM日間儲(chǔ)熱量和夜間放熱量分別為35.5～171.2 MJ和60.5～123.2 MJ，COP為1.1～2.4。

(2)改進(jìn)AHSCTM的日間儲(chǔ)熱量和夜間放熱量分別較現(xiàn)有系統(tǒng)增加63.4%～98.7%和67.8%～158.7%，COP可達(dá)2.8～7.0。

(3)在相同條件下，AHSCTM的日間儲(chǔ)熱量為外保溫復(fù)合墻84.4%～111.3%，夜間放熱量為外保溫復(fù)合墻74.8%～100.7%；在夜間運(yùn)行期間，AHSCTM夜間放熱量是相同時(shí)間段內(nèi)外保溫復(fù)合墻的放熱量的98.2%～172.5%。因此，AHSCTM的儲(chǔ)放熱性能未明顯優(yōu)于外保溫復(fù)合墻，但由于A(yíng)HSCTM放熱過(guò)程可控，在提高室內(nèi)最低氣溫方面優(yōu)于外保溫復(fù)合墻。

(4)改進(jìn)AHSCTM的日間儲(chǔ)熱量和夜間放熱量分別較外保溫復(fù)合墻高67.6%～112.1%和69.0%～128.3%。尤其在A(yíng)HSCTM運(yùn)行期間，改進(jìn)AHSCTM的夜間放熱量是外保溫復(fù)合墻的2.5～5.1倍。因此，改進(jìn)AHSCTM的儲(chǔ)放熱性能優(yōu)于外保溫復(fù)合墻，利用改進(jìn)AHSCTM配合保溫墻體替代傳統(tǒng)保溫蓄熱后墻具有一定的可行性。