日光温室外保温蜂窝结构覆盖材料的研究_周新群

1998年12月Trans actions of the CSAE Dec.1998日光温室外保温蜂窝结构覆盖材料的研究*周新群¹　董仁杰　张淑敏　崔引安(中国农业大学)摘　要　总结了现行日光温室夜间使用的外保温覆盖材料种类,针对传统保温材料存在的问题,提出采用蜂窝塑膜作为日光温室的一种保温覆盖材料。

覆盖层总传热系数的理论计算表明,铝箔蜂窝结构(A HP S)覆盖层传热系数比无铝箔蜂窝结构(HPS)覆盖层下降35%～70%,并且铝箔朝上放置比铝箔朝下放置时传热系数小10%。

选用P E A HPS覆盖层可比相应的PV C A HPS覆盖层传热系数小10%～25%。

关键词　日光温室　保温覆盖材料　蜂窝塑膜1　国内日光温室保温覆盖材料的应用与发展目前为我国日光温室夜间的保温防寒仍主要依靠覆盖草苫、纸被、棉被等覆盖。

草苫是用稻草、蒲草、谷草、蒲草+芦苇以及其他的草等编制而成,它是一种传统意义上的多孔保温材料,其散热是通过固体介质的传导(稻草)和空气穴中的传导、对流以及辐射来实现的。

由于空气的低导热率,草苫的导热系数很小,保温效果好,可使温室夜间热耗减少60%,保温能力一般为5～6℃[1]。

尽管草苫等传统保温覆盖材料在我国北方地区日光温室的发展中起到过举足轻重的作用,但是,随着温室向集约化、规模化方向的发展,草苫保温中存在的笨重、雨雪侵蚀、易腐烂、污染薄膜等缺点日益突出,不能适应日益迫切的现代化大生产要求。

研制优良的温室夜间外覆盖材料是节能日光温室急需解决的一个重要课题[2]。

近几年来我国研制开发的日光温室新型外保温覆盖材料的基本结构有两大类:1)镀铝膜+微孔泡沫塑料(如发泡聚乙烯),利用微孔泡沫塑料的低导热系数和铝箔的高反射率低发射率性质作绝热材料[3]。

2)“保温棉毯”+防水布,“保温棉毯”是用旧棉布等材料经粉碎打浆后重新织成的,造价低,保温性较好。

新型透明保温材料T IM(Transparent Insulation M aterials)是指对太阳辐射有较高的透光率,而隔热性能优异的材料及其所组成的构件。

其中,蜂窝结构材料在国际上被广泛应用于太阳能集热器、太阳水池以及太阳房中[4～7]。

我国曾有研究者探讨了塑料蜂窝结构材料(蜂窝塑膜)作为日光温室覆膜材料[2,8]的应用问题,试验和计算表明,它能减少温室透光面的散热量,总热损系数比普通塑膜降低40%左右,但透光率约下降10%。

其综合效果是白收稿日期:1998-04-01　*国家自然科学基金资助项目(59776023) ¹周新群,博士,北京市清华东路17号　中国农业大学(东校区)214信箱,100083天室内气温比普通日光温室高5℃左右,有可能造成白天室内气温过高而影响作物的正常生长。

但现有结构的蜂窝塑膜夜间总热损仍较大,温室夜间仍需覆盖草苫保温。

其主要原因是:由于现有生产工艺和温室内采光要求的限制,蜂窝结构高度较小(<1cm ),对热辐射透过率较高(高1cm 的PE 蜂窝热辐射透过率约可达85%)[9],使室内外辐射换热量较大,总传热量也大。

因此,如果仅利用蜂窝塑膜抑制自然对流利于保温的特点,并以适当手段克服其热辐射透过率过高的缺点,则可以开发温室夜间保温材料。

2　蜂窝塑膜用于日光温室外保温覆盖针对草苫覆盖存在的主要问题,对新型外保温覆盖材料的要求有:保温性优于或相当于草苫;质地轻,卷放使用方便;防水,使用寿命较长;价格适宜;不损伤沾污薄膜。

在文献[2,8]对蜂窝塑膜用于温室保温覆膜探索的基础上,笔者提出用蜂窝塑膜+铝箔结构(Aluminized Ho neycomb Plastic Sheet,简称AHPS,如图1)替代草苫作为温室外覆盖材料的设想,利用蜂室小空间对空气自然对流的抑制作用和铝箔对热辐射的反射作用,达到减少覆盖层传热系数,增加保温性能的目的。

图1　A HPS 的结构示意F ig .1　D iag ram o f A HP S　图2　单面铝箔朝上蜂窝覆盖层传热途径Fig .2　Heat tr ansfer r ing thr oug h A HP S w ith up-single aluminium2.1　蜂窝结构覆盖层总传热系数的理论计算由于温室采光面是温室系统的主要散热面,采光屋面的总传热系数作为温室保温性能的参数有一定的参考价值。

以热箱系统[10]为研究对象,分析通过热箱顶面,即蜂窝结构覆盖层的传热途径,如图2(文中以铝箔朝上的蜂窝结构覆盖层为例),根据热量平衡定律,对蜂窝结构上、下表面建立热平衡关系式,得R 1+H i =QR 2+Q =R 3+H o (1)式中,H i 和H o 分别为箱内气体与覆盖层下表面的对流换热量以及箱外气体与覆盖层上表面的对流换热量;R 1为箱内壁面与覆盖层下表面之间的辐射换热量;因为塑料蜂窝结构能够透过热辐射,所以箱内壁面还可透过蜂窝与蜂窝覆盖层的上表面发生辐射热交换R 2;蜂窝结构层中由下表面传到上表面的热量为Q ,包括导热量和辐射换热量;R 3则为覆盖层上表面与外界的辐射换热量。

各个热量的具体计算见文献[9]。

由于辐射热量是温度的四次函数,式(1)为一个四次方程组。

箱内外温度T i 、T o 由实验测出,蜂窝结构组成材料的辐射特性参数可以测定或由厂家提供。

采用牛顿迭代法求解方程组(1),得到覆盖层上下表面温度T 2和T 1,回代求出各个热量值后,覆盖层总传热系数为160 农业工程学报 1998年U =H i +R 1+R 2T i -T o =R 3+H o T i -T o (2)结果示于图3和图4。

图3　传热系数与材料、高宽比的关系(k =2)F ig.3　Relatio nship betw een U andmat eria l and aspect r atio 图4　铝箔位置对传热系数的影响(PE)Fig.4　Effect o f the po sitio n of alum inium foil o n t he U图5　实验热箱示意图F ig.5　Diag r am of the heated box 2.2　热箱实验实验热箱如图5,外围尺寸为60cm ×60cm ×60cm 。

箱壁用10cm 硬质聚苯乙烯板制成,热阻约为2.88W /(m ・K )。

顶面空出,留待覆盖待测材料。

箱内采用50W 的电热线加热。

为减少电热线与箱内各壁面以及各个内壁面之间的辐射换热量,在5个内壁面表面都贴上一层铝箔反射材料,可提高测量结果的准确度。

把热箱置于一宽敞环境中(室外平地或一宽敞室内),接通电源后,电热线开始发热,电热线功率即为箱内单位时间发热量Q h ,此时箱内温度开始上升,箱内外因此存在温度差,箱内向箱外环境散热。

随着时间的推移,箱内温度逐渐升高,箱内外温差越来越大,箱内向箱外的散热量因而逐渐增加,直到箱内发热量Q i =箱内向箱外散热量Q o ,热箱系统达到平衡状态,箱内温度不再升高。

此时用热电耦测量热箱内外的空气温度t i 和t o 以及内外壁面温度t wi 和t wo ,即可用式(3)求得覆盖面层的传热系数。

U =Q h -K w d w ∑5j =1A j (t wi -t wo )A (t i -t o )(3)式中　K w 、d w ——分别为箱壁材料的导热系数和厚度;　A ——覆盖面积。

2.3　结果分析上述计算方法得出的蜂窝结构总传热系数值与热箱实测结果相差5%～15%,证明计算方法的正确性。

1)计算结果表明,蜂窝高度是影响蜂窝结构覆盖层总传热系数的主要因素,随着高度161第4期 周新群等:日光温室外保温蜂窝结构覆盖材料的研究 162 农业工程学报 1998年的增加,总传热系数下降,保温能力提高。

蜂窝结构必须达到一定的高度,才能满足温室对外保温覆盖材料的要求。

如图3,对于8m m/8m m(H/D)的PE铝箔蜂窝,U= 2.35W/(m2・K),高度增加到16m m时,U=1.97W/(m2・K),与草苫覆盖的总传热系数值(U草苫= 2.0 W/(m2・K)[12])相当。

说明对于直径为8mm的PE铝箔蜂窝结构,高度须在16mm以上才能达到较为满意的保温效果。

2)蜂窝结构的组成材料对总传热系数有影响。

对于AHPS覆盖层(单面铝箔朝上,图3),PE结构比PVC结构的总传热系数小10%～25%,即PE A HPS覆盖层保温效果好于相应的PVC AHPS覆盖层。

这是蜂窝结构的组成材料-PVC塑料和PE塑料的辐射发射率的差异导致的传热量的差异,计算中,发射率(E PVC=0.5,E PE=0.1),PVC蜂窝结构表面与外界的辐射换热量和蜂窝结构层内部的辐射换热量较大,引起覆盖层总传热量较大。

其它铝箔位置(单面铝箔朝下,双面铝箔)的蜂窝结构传热系数也有相似的变化趋势。

因此,选用发射率较低的组成材料制作的AHPS覆盖层保温效果较好。

3)添加铝箔以及铝箔位置对蜂窝结构覆盖层传热系数的影响。

以PE蜂窝结构为例,以无铝箔情况下的传热系数为基数,单面铝箔朝上时,传热系数下降40%～60%;单面铝箔朝下时下降35%～45%;双面铝箔下降50%～70%。

双面铝箔只比单面铝箔传热系数小10%左右。

由于铝箔价格比较高,笔者建议采用单面铝箔蜂窝结构作为温室外保温覆盖材料更为经济可行。

4)对于塑料蜂窝结构这种对热辐射有一定透过性的材料,铝箔置于顶面对保温能力的提高效果比置于底面更好,这是透明保温材料与不透明保温材料的区别之一。

仍可从蜂窝覆盖层传热途径加以解释,铝箔置于蜂窝顶面时,可以阻挡由室内向室外及由蜂窝结构底面向室外的热辐射;而当铝箔置于结构底面时,只能阻挡由室内向室外的热辐射,蜂窝结构底面发射的热辐射仍有部分能透过蜂窝结构层向室外散失,使总的传热量较大,传热系数增加。

3　结束语随着日光温室在我国的普遍推广与应用,对温室的外保温覆盖材料提出了较高的要求。

笔者在对蜂窝结构覆盖层的传热系数进行理论计算和热箱测试后,证实了选用铝箔蜂窝结构作为日光温室外保温覆盖材料的可行性。

目前蜂窝塑膜在工业中主要采用挤出法和流延法生产,已有成熟技术。

采用这种材料的优点是:造价低,复利投资分析表明,铝箔蜂窝塑膜覆盖材料的总投资额比草苫节省5%;质量轻,易于卷放;自防水,不用另加防水布或其他防水材料。

在实际使用蜂窝结构这类轻型保温覆盖材料时,还需研制开发出配套使用的卷放机构,使在方便卷放操作的同时,能将覆盖层固定并与被覆层(采光面)紧密接触,保证充分发挥蜂窝结构的保温能力。

参考文献1　安志信.蔬菜节能日光温室的建造及栽培技术.天津:天津科技出版社,19942　董仁杰.生态温室系统环境研究:[博士学位论文].中国农业大学(东校区),19973　邱仲华,宋明军.一种复合保温覆盖材料研制和应用初报.农业工程学报,1995,11(4):117～120 4　H T abo r.Cellular insulat ion.Solar Ener gy,1969(12):549～5525　K G T Hollands.Honey co mb dev ices in flat -plat e co llector.Solar Ener gy ,1965(9):159～1646　R Schaefer ,P L ow rey.T he optim um design of honeycom b solar ponds and a co mpariso n w ith salt g r adient po nds .So lar Energ y ,1992(14):20～287　V W itt er .T r ansparent insulatio n materials and their applicatio n in activ e and passive system .Int J So lar Eng ,1992(11):117～1348　齐　刚,董仁杰.一种温室覆盖新型材料蜂窝塑膜.北京农业工程大学学报,1992,12(1):52～569　周新群.日光温室新型保温覆盖材料的研究:[博士学位论文].中国农业大学(东校区),199810　邱建军.温室保温覆盖材料传热系数的测定:[硕士学位论文].北京农业大学,1995Study on Thermal Insulation Covering Materials ofHoneycomb Plastic SheetZhou Xinqun Dong Renjie Zhang Shumin Cui Yin ’an(China A gr icultur al U niver sity ,Beij ing )Abstract Different kinds of thermal insulatio n materials used in solar greenhouses w ere summ arized.In accordance w ith the present problems of traditional therm al insulation ma-terials ,honeycom b plastic sheet w as pr opo sed to be a new type covering of solar g reen-ho uses.The theoretical calculation o f the heat tr ansfer coefficient (U )o f the co vering sheets show ed that the U o f aluminized honeyco mb plastic sheet (AHPS)w as 35%～70%low er than that of honey com b plastic sheet (HPS ).T he U w as 10%low er w hen alu-minium fo il faced upw ar ds than dow nw ards .PE AHPS w as better than PVC AHPS w hen isolation w as co ncer ned.Key words so lar g reenho uses,　thermal insulation m aterial,　honeycomb plastic sheet 163第4期 周新群等:日光温室外保温蜂窝结构覆盖材料的研究 。