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日光温室是我国独创的一种以太阳能为主要能源、体形系数很大、可在非种植季为作物生长提供良好室内热环境的农业建筑,其室内热环境主要受室外气象条件、围护结构热工性能、土壤热湿特性等因素的影响,尤以墙体蓄放热性能影响更为重要。然而,由于缺乏对建筑热工理论充足的认识和理解,现有的日光温室墙体以被动方式蓄热为主。受到材料导热性能的限制,墙体蓄放热区厚度有限,墙体内部存在较厚的温度稳定区,难以营造可以满足喜温作物生长需求的日光温室室内热环境。为了改善墙体温度场温度、提高墙体的蓄放热性能,本文结合试验实测和数值模拟的方法,重点从新型日光温室主-被动式相变蓄热墙体构筑理念、墙体热工性能评价方法、墙体主动蓄热性能、墙体主-被动蓄热性能、墙体优化设计方法等方面进行了创新性研究: 首先,基于现有日光温室的土墙、砖墙和相变材料墙体热工性能分析,确定了现有墙体存在的问题,即,现有墙体均是以被动方式进行蓄热,受到材料导热性能的限制,墙体蓄放热区厚度仅占墙体总厚度的很小一部分,墙体的绝大部分处于温度稳定区,未能有效发挥蓄放热性能,也未能对室内热环境进行有效的改善。基于此,提出了新型日光温室主-被动式相变蓄热墙体体系的构筑理念,结合太阳能空气集热器集热技术和相变材料潜热蓄热技术,以主动和被动相结合的方式提高墙体的蓄放热性能。 其次,结合墙体的构筑理念,从材料、蓄热方式、墙体三个方面,分别提出了墙体热工性能的评价指标,并针对评价指标求解方法存在的难点,通过因次分析和数值模拟方法,确定了相交材料蓄热系数的计算方法,建立了计算墙体温度场温度的二维非稳态传热计算模型及其求解方法。结果表明,所提出的计算方法和传热模型具有较高的准确性,相变材料蓄热系数为16.20W/(m2℃),分别为土壤和砖的1.24倍和1.54倍,可有效提高墙体的热惰性指标,提升幅度为8.54%/10mm。 第三,基于墙体的构筑理念和热工性能的评价方法,结合试验实测和模型计算的方法,分析了墙体主动蓄热构筑方式(包括竖向空气通道间距、热空气流动方向、热空气流动速度和热空气进风温度)对墙体主动蓄热性能的影响规律,确定了墙体主动蓄热推荐构筑方式,并评价了墙体主动蓄热性能。结果表明,试验条件下,竖向空气通道间距为400mm、热空气流动方向为上进下出、热空气流动速度为0.26m/s、热空气进风温度为60℃时,墙体主动蓄热性能最佳,其不仅可以有效去除墙体内部的温度稳定区,提高墙体中间砌块的温度和蓄热量,还可以提高墙体内表面相变材料的温度和蓄热量,减小墙体外表面温度变化幅度和散热量。 第四,基于墙体主动蓄热推荐构筑方式,在新疆乌鲁木齐地区搭建了新型墙体日光温室试验台,通过试验实测和模型计算的方法,分析材料、蓄热方式、墙体的热工性能,确定墙体对室内热环境和作物生长情况的改善效果。结果表明,新型墙体可以有效去除墙体内部温度稳定区,明显改善墙体内表面温度和温度场温度,显著提高墙体的蓄放热速率和蓄放热量,进而有效提高室内空气温度和土壤温度,明显改善室内作物生长情况。 第五,基于试验台试验结果,确定墙体关键参数优化设计评价方法,建立了空气流动与墙体传热二维非稳态模型,利用模型计算的方法对竖向空气通道尺寸、墙体材料厚度等关键参数进行了优化设计。结果表明,所建立的空气流动与墙体传热二维非稳态模型具有较高的准确性,可以有效模拟热空气的出口温度和墙体蓄热变化规律;墙体关键参数可推荐为:竖向空气通道厚度为0.15~0.20m,宽度为0.15~0.20m,高度为3~4m;相变材料厚度为40~50mm,空气通道前砌块厚度为80mm,空气通道后砌块厚度为150~250mm,保温材料厚度为100~200mm。 本文提出的新型日光温室主-被动式相变蓄热墙体构筑理念、热工性能评价方法、墙体结构参数优化设计方法等研究可为日光温室能源的高效利用和墙体的设计建造提供基础数据和方法参考。