装配式日光温室主动蓄热循环系统传热特性研究

摘要

原有主动蓄热日光温室墙体具有较好的蓄热效果，对改善室内夜间热环境起到了重要作用，但也存在着蓄热土壤蓄热量较小、传热风道传热效率较低、气流运动方式不合理之处，同时施工工艺复杂，制约了该类日光温室的推广应用。为此，本文根据主动蓄热日光温室墙体结构特点，结合课题组前期研究成果，分别从蓄热体、传热体、气流运动方式3个方面分别进行传热特性的研究，进一步对不同结构主动蓄热日光温室进行性能测试，对其后墙总体传热特性进行研究。主要研究结论如下： （1）将相变固化剂（PCC）掺入素土后，其抗压强度明显提高，且与PCC掺量呈正相关关系，以不同压实密度的素土为对照，测试得到8%及以上相变固化剂掺量的固化土（PCC+S）及密度为2.0 g/cm3的压实素土（S2.0）的平均抗压强度均超过了2.0 MPa ，可用于建造日光温室墙体；由扫描电镜观测得到，PCC的加入使原有土壤颗粒间弱联结变成薄膜片状及针状胶结联结，也可以明显看到相变材料的结晶性状，从微观方面解释了相变固化土强度提高的内在因素和储能机理；经热物理参数测定和计算发现， 8%PCC+S和S2.0均具有良好热工性能，适宜作为日光温室墙体的蓄热材料；墙体微缩模型测试结果表明，8%PCC+S后墙的蓄、放热量分别为3 499.8、3285.7 kJ，较S2.0后墙分别提高了13.6%和15.0%。 （2）利用专制试验台测试了管道壁面密闭型和透气型两种类型共3种材质风道传热性能，结果表明，钢筋网外缠绕土工布管道（SFG）的传热效果最好，其换热量约是镀锌铁皮管道（GI）的3.9倍、聚氯乙烯管道（PVC）的2.1倍，说明透气型风道的传热效果明显优于密闭型风道；通过CFD建立的3个传热风道计算模型的最大相对误差为4.4%，进一步模拟发现聚氯乙烯半管（h-PVC）的传热效果较PVC好，素土风道（PS）中强夯实素土风道（SPS）的传热效果较弱夯实素土风道（WPS）好。 （3）建立顶进顶出（W1）、侧进侧出（W2）、侧进顶出（W3）3种气流运动方式的主动蓄热日光温室墙体的CFD模型，W1的模拟与试验结果对比表明，模型的最大相对误差为13.4%，说明数值模拟与现场实测有较好的吻合度；模拟分析发现，W1、W2、W3在主动蓄热循环系统运行阶段的有效蓄热范围分别为700～800、500～600、600～700 mm；距离进风口8 m处的截面平均风速分别为2.11、3.04、2.90 m/s，W1气流运动的阻力大，有利于风道内热空气与风道壁面间的对流传热；努赛尔特数分析结果也表明3座温室后墙的蓄热性能表现为W1的蓄热量最大，W3其次，W2最小。 （4）对原有主动蓄热墙体日光温室（G1）和相变固化土主动蓄热墙体日光温室（G2）、模块装配式主动蓄热墙体日光温室（G3）进行冬季室内环境测试，连续31 d（ 2017-12-22～2018-01-21）的测试结果表明，3座温室的气温总体表现为G3略优于G2，均优于G1；G1、G2、G3在典型晴天（2017-12-31 9:00～次日9:00）蓄热体厚度分别为700～800、800～900、700～800 mm，在典型阴天（2018-01-14 9:00～次日9:00）蓄热体厚度分别为300～400、500～600、500～600 mm；番茄生长表现为G3最优、G2次之、G1最差；G1、G2、G3的每平方米造价分别为461.1、389.9、299.0元，G3的建筑成本下降显著。 （5）对主动蓄热日光温室墙体的主、被动传热特性分别展开分析，结果表明，典型晴天，G1、G2、G3主动循环蓄热系统的蓄热量分别为120.36、215.27、73.94 MJ，能效比K分别为15.48、49.83、20.77，故G2主动蓄热循环系统的蓄热量最大、节能效果最佳；典型晴天与典型阴天放热阶段，3座温室的主动蓄热循环系统的放热量均表现为G2最多。典型晴天，G1、G2、G3后墙被动蓄热量分别为280.58、412.06、415.56 MJ，整日的蓄热量比放热量分别多142.01、281.55、299.88 MJ，故G3墙体内部蓄热体温度最高；典型阴天，3座温室的放热量分别为63.57、46.91、40.27 MJ，放热量比蓄热量分别多51.36、29.05、3.44 MJ，故G3白天蓄热量最多、夜间放热量最少。典型晴天，3座温室主动蓄热循环系统蓄热贡献率分别为30.02%、34.32%、15.11%。 本研究结果表明装配式主动蓄热日光温室较原有主动蓄热日光温室的蓄热性能好、且造价降低，具有一定的理论和推广应用价值。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1 研究背景

1.2 国内外研究概述

1.3 日光温室墙体结构

1.4 日光温室蓄热技术

1.5 主动蓄热墙体装配式设计原则

1.6 日光温室热环境研究方法

1.7 本研究的目的与意义

1.8 本研究的主要内容和方法

1.9 技术路线

第二章 蓄热素土性能测试及蓄热量分析

2.1 材料和方法

2.2 结果与分析

2.3 讨论

2.4 结论

第三章 传热风道性能试验及蓄热土壤温度场CFD模拟

3.1 材料与方法

3.2 试验台测试结果

3.3 蓄热土壤温度场CFD模拟

3.4 讨论

3.5 结论

第四章 不同气流运动方式主动蓄热日光温室后墙传热CFD模拟

4.1 不同气流运动方式主动蓄热日光温室后墙传热模型

4.2 边界条件与计算参数

4.3 模型验证及分析

4.4 讨论

4.5 结论

第五章 装配式主动蓄热墙体日光温室性能分析

5.1 试验材料与方法

5.2 结果与分析

5.3 讨论

5.4 结论

第六章 装配式主动蓄热日光温室墙体传热特性研究

6.1 主动蓄热循环系统传热原理

6.2 主动蓄热循环系统传热特性

6.3 墙体被动传热特性分析

6.4 传热贡献率分析

6.5 讨论

6.6 结论

第七章 结论与建议

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 进一步研究的建议

参考文献

缩 略 词

致谢

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