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1、第38卷 第1期2010年1月西北农林科技大学学报(自然科学版)Journal of Northwest A&F University(Nat.Sci.Ed.)Vol.38No.1Jan.2010高效保温材料在日光温室后屋面中的应用研究3王云冰,邹志荣,杨建军,张志新,燕 飞(西北农林科技大学 园艺学院,陕西 杨凌712100)摘 要【目的】分析高效保温材料的热工性能,并测试其在日光温室后屋面中的应用效果,为日光温室后屋面保温节能材料的优选提供依据。【方法】以聚苯板、挤塑板、玻璃棉及常规材料干草帘作为后屋面保温层材料,分析其热工性能及热经济性能,并应用于日光温室后屋面,通过温室内外温度变化、热
2、量传递及植物生长情况评价其保温性能。【结果】挤塑板的各项热工性能指标较优,其温室热惰性指标为2.59,技术经济特征量为29.26(元 W)/(m4K),以其作为后屋面保温层的3#日光温室内气温、土温均较高,后屋面外表面夜间放热总量602.92 kJ/m2,低于其他温室,其内西葫芦定植后前期各项生长指标与常规后屋面材料温室间存在显著差异,其产量达38 847kg/hm2。聚苯板技术经济特征量也较低,保温性能次之;玻璃棉由于附加抗压层而导致应用成本提高,常规材料干草帘的保温性最差。【结论】挤塑板具有良好的热工及保温性能,较适合用于日光温室后屋面保温层。关键词 保温材料;日光温室;后屋面;环境性能中
3、图分类号S625.1文献标识码A文章编号167129387(2010)0120173208Application research of highly effective thermal insulation materialson solar greenhouse back2roofWANG Yun2bing,ZOU Zhi2rong,YANGJian2jun,ZHANG Zhi2xin,YAN Fei(College ofHorticulture,Northwest A&F University,Yangling,Shaanxi712100,China)Abstract:【Objectiv
4、e】We analyzed the thermal performance of highly effective thermal insulation ma2terials and tested the application effect of solar greenhouse when it was used to construct the back2roof,inorder to provide evidence for the optimization of solar greenhouse energy saving and thermoinsulating ma2terials
5、.【Method】With polystyrene board,polystyrene compressed foam board,glass wool and hay curtainas back2roof thermoinsulating layer materials,we analyzed the thermal performance and thermal economicperformance,and applied them to solar greenhouse back2roof,and evaluated the thermal insulation perform2an
6、ce by internal and external temperature variation of greenhouse,heat transfer,plant growth situation.【Result】All of thermal performances of polystyrene compressed foam board were good,the greenhousethermal inert index was 2.59,technical economic characteristic quantity was 29.26(yuanW)/(m4K).The 3#g
7、reenhouse whose back2roof thermoinsulating layer was composed by polystyrene compressedfoam board presented higher air temperature and soil temperature inside,and the outer surface of back2roofreleased heat was 602.92 kJ/m2,less than other greenhouse.The pumpkin growth indexes of 3#green2house were
8、significantly different compared with common greenhouses at early growth stage after fieldplanting,its yield reaching 38 847 kg/hm2.The technical economic characteristic quantity of polystyreneboard was slightly lower than polystyrene compressed foam boards,and so was the thermal insulation per23收稿日
9、期2009204216基金项目 陕西省13115创新工程计划项目(2007ZDGC203)作者简介 王云冰(1984-),男,重庆彭水人,在读硕士,主要从事设施园艺研究。E2mail:wangyunbing007 通信作者 邹志荣(1956-),男,陕西延安人,教授,博士生导师,主要从事设施农业环境工程研究。E2mail:zouzhirong2005 formance.The application cost of glass wool increased because of the additional compression resistance lay2er,and the therm
10、al insulation performance of common greenhouse was the worst.【Conclusion】The poly2styrene compressed foam board is more suitable for application of solar greenhouse back2roof because of itsexcellent thermal insulation performance.Key words:thermal insulation material;solar greenhouse;back2roof;envir
11、onmental performance 日光温室维护结构材料的保温性能,一直是相关研究者关注的热点问题之一。目前,保温性能的衡量方法可分为热工性能分析和应用试验的环境评价两方面。在维护结构材料方面,白义奎等1研究认为,缀铝箔聚苯板空心墙体的保温绝热性能较好;李小芳等2对日光温室复合墙体中填充材料的保温性能进行了比较研究,认为填充生石灰提温效果最好;许刚毅等3提出,在370 mm厚砖墙上直接外贴10 cm聚苯板具有较好的经济及热工性能;柴立龙等4分析了北京地区几种墙体材料和保温覆盖材料的热工性能参数及保温性和经济性;乔正卫等5对4种日光温室保温被进行了室内性能测试;戴丹丽等6研究认为,将密度1
12、00 g/m2纺粘长丝无纺布整体复合塑料薄膜作为温室内保温材料较为理想。在维护结构保温材料中,将导热系数低于0.05W/(mK)的材料称为高效保温材料7,这类材料在日光温室后屋面保温研究和应用较多的是聚苯板829。目前,相关研究主要集中在墙体和前屋面材料的保温性能上,而对后屋面保温材料的研究较少。与墙体和前屋面材料不同,后屋面材料要求具备质轻、保温、抗压、防水等特点。后屋面材料中除聚苯板外,挤塑板(因其完整的闭孔结构而具有优异的保温隔热性、抗湿性及抗压能力)和玻璃棉(具有较高热阻及造价低的优势)也是较为理想的后屋面材料。本研究分析了聚苯板、挤塑板、玻璃棉及常规材料干草帘的热工性能,并将其应用到
13、日光温室后屋面中以评价其环境性能,从而充分研究了各种材料的保温性能,以期为日光温室后屋面保温材料的优选和保温节能研究提供依据。1 材料与方法1.1 试验温室概况日光温室后屋面保温材料应用试验在陕西杨凌大寨乡绿成设施农业园内进行。试验选用温室类型为西北型日光温室,方位角0,温室长60 m,跨度7.5 m,脊高3.5 m,水泥预制拱架间距1 m;透明覆盖物为EVA薄膜,保温覆盖物为1.1 m9 m草帘,厚度3 cm,晚间再覆盖1层EVA薄膜;土质墙体平均厚度为1 m,后墙高2.7 m,前屋面角为28,后屋面角为42,后屋面支架上每隔30 cm拉有钢丝。用间距5 cm双层国盾EVA薄膜将温室隔为4个
14、空间,分别编号1#、2#、3#和4#(如图1a),每间长度14 m,分别将聚苯板(EPS)、挤塑板(XPS)、玻璃棉以及常规材料干草帘等4种材料安装并应用于温室,进行保温性能试验,后屋面材料接缝处采用腻子处理。图1 试验温室剖面图及测点1.室内高1 m处;2.地下5 cm处;3.内表面;4.2.5 cm;5.5 cm;6.7.5 cm;7.外表面;8.内表面热流;9.外表面热流Fig.1Profile plan of testing greenhouse and measuring points1.1 m in greenhouse;2.5 cm underground;3.Inner sur
15、face;4.2.5 cm;5.5 cm;6.7.5 cm;7.Outer surface;8.Heat flow at inner surface;9.Heat flow at outer surface 温室各间后屋面组成分别为:1#(薄膜0.012cm+干草帘6 cm+薄膜0.012 cm+加草粘土20cm)、2#(薄膜0.012 cm+聚苯板10 cm+薄膜0.012 cm)、3#(薄膜0.012 cm+挤塑板10 cm+薄471西北农林科技大学学报(自然科学版)第38卷膜0.012 cm)、4#(薄膜0.012 cm+三合板0.3 cm+玻璃棉10 cm+薄膜0.012 cm)。1.
16、2 仪 器TC1008多路温度测试仪,HFM2215热流计。1.3 保温材料热工参数的测定与计算保温材料密度的测定参考GB/T 6343-1995泡沫塑料和橡胶表观(体积)密度的测定方法;尺寸稳定性测定参考GB/T 8811-2008硬质泡沫塑料尺寸稳定性试验方法;比热、导热系数、吸水率、压缩强度值由厂家及资料7提供;传热系数、蓄热系数、热阻、热惰性指标、技术经济特征量分别通过公式计算而得。非稳态情况下,一般采用保温材料的传热系数、热阻、蓄热系数、热惰性指标反映其热工性能4,通过材料的技术经济特征量反映材料的热经济性,即单位面积(m2)上的热阻价格10。(1)热阻值。按下式计算:R=L/。(1
17、)式中:R为热阻(m2K)/W),L为厚度(m),为导热系数(W/(mK)。(2)传热系数。计算公式如下:K=1Ri+Rw+Re。(2)式中:K为传热系数(W/(m2K);Ri为内表面换热阻(m2K)/W),一般取0.11;Re为外表面换热阻(m2K)/W),一般取0.04;Rw为围护结构热阻(m2K)/W)。(3)蓄热系数。计算公式为:S=2 cT。(3)式中:S为材料的蓄热系数(W/(m2K);c为材料的比热容(kJ/(kgK);为材料的密度(kg/m3);T为热流波的作用周期(h),本试验为24 h。(4)热惰性指标。计算公式如下:D=nj=1RjSj。(4)式中:D为热惰性指标,Rj为
18、第j层材料的传热热阻(m2K)/W),Sj为第j层材料的蓄热系数(W/(m2K)。(5)技术经济特征量。计算公式为:A=p。(5)式中:A为技术经济特征量(元 W)/(m4K),为该层材料的权重,p为单位体积价格(元/m3)。后屋面组成的其他材料热物性参数取值为:塑料薄膜导热系数为0.410 W/(mK),密度为955kg/m3,比热 容为1.38 kJ/(kgK),价 格 为18元/kg;三合板导热系数为0.140 W/(mK),密度为1 000 kg/m3,比热容为2.51 kJ/(kgK),价格为11元/m2;加草粘土导热系数为0.760 W/(mK),密度为1 400 kg/m3,比热
19、容为1.01 kJ/(kgK),价格为30元/m3(含用工费)。1.4 温室性能观测在试 验 观 测 期2008202201-2008203215和2008212201-2009201215,分别采用多路温度测试仪逐时记录各点温度,采用热流计记录各点热流通量密度,时间间隔为15 s。选取典型天气下各间温室的气温、土温、保温层的温度分布及热流通量密度值进行分析,并通过热流通量密度观测值计算夜间传热量,试验温室测点布置见图1b。每间温室种植西葫芦250株左右,在西葫芦三叶一心时于2008203211定植,6月中旬拉秧。在各间温室里选取长势一致的3垄,每垄选取3株西葫芦,从定植起每隔10 d测定其株
20、高、茎粗、叶长、叶宽、叶片数等形态指标,结果后测定其累计产量。形态指标取其平均值,产量依照植株种植密度换算成每hm2产量。2 结果与分析2.1 不同后屋面保温材料的热工性能及其经济性参数根据表1中各保温材料及后屋面组成的其他材料的热物性参数值,用公式(1)-(5)分别计算其热阻、传热系数、蓄热系数、热惰性指标和技术经济特征量,结果见表2。由表2可知,挤塑板的传热系数最低,为0.27 W/(m2K),尺寸稳定性好,吸水率低,压缩强度高,热阻值最高,较GB 19165-2003日光温室和塑料大棚结构与性能要求 中规定的低限热阻1.4(m2K)/W高2.17(m2K)/W。由表2可知,3类新型保温材
21、料组成的后屋面的热惰性指标,以干草帘组成的后屋面最高,达4.07,这可能与加草粘土及草帘有较高的蓄热系数有关;挤塑板较高,聚苯板次之,玻璃棉最低。技术经济特征量可反映组成材料的热经济性能,即每m2的热阻价格,值越低表明材料热经济性越好。表2表明,采用挤塑板的后屋面技术经济特征量为29.26(元 W)/(m4K),较采用聚苯板的后屋面略低,可见较高的价格并不妨碍其正常应用;使用玻璃棉的后屋面由于附加抗压层提高了成本,使得其价格最高,为42.36(元 W)/(m4K)。571第1期王云冰,等:高效保温材料在日光温室后屋面中的应用研究表1 供试保温材料的热物性参数Table 1Thermophysi
22、cal parameters of experimental thermal insulation materials材料类型Type ofmaterial/(kgm-3)c/(kJkg-1K-1)/(Wm-1K-1)尺寸稳定性/%Dimensionalstability吸水率/%Waterabsorption压缩强度/kPaCompressivestrength单价/(元 m-3)Unit price干草帘Hay curtain105.32.010.0557.2-110聚苯板Polystyreneboard14.01.980.0373.53.050350挤塑板Polystyrenecompr
23、essedfoam board36.31.980.0281.50.3200450玻璃棉Glass wool28.20.840.0464.2-240 注:保温材料单价为2007211价格。Note:The unit prices of thermal insulation materials were collected at 2007211.表2 后屋面组成材料的热工性能及热经济性参数Table 2Thermal performance and thermal economic performance parameters of back2roof component materials保温层
24、材料类型Type ofinsulation materialR/(m2KW-1)K/(Wm-2K-1)S/(Wm-2K-1)DA/(元 Wm-4K-1)干草帘Hay curtain1.090.811.754.0733.79聚苯板Polystyrene board2.700.350.521.4029.61挤塑板Polystyrenecompressed foam board3.570.270.732.5929.26玻璃棉Glass wool2.170.430.531.1342.36 注:R和S为保温材料热物性参数计算值,D和A分别为后屋面各组成材料热物性参数的综合计算值。Note:RandSar
25、e calculated by thermal parametes of thermal insulation materials;DandAare calculated by thermal parametes of all back2roof composing materials respectively.2.2 不同后屋面保温材料日光温室环境的比较2.2.1 温室内气温及土温 典型天气下,各温室气温变化规律基本一致(图2a、b),晴天时,1#、2#、3#、4#温室内日均气温分别为20.1,21.7,22.4和21.5,阴天时分别为8.2,9.1,9.4和8.7,3#温室的日均气温均高于
26、其他温室;3#温室内、外日均气温温差晴天达到13.7,阴天为9.2。2#、3#温室气温月均值较高,分别为20.8和20.6;1#温室最低气温月均值低于其他温室,差值最高达1.1(图2c、d)。由图2e和f可知,1#、2#、3#、4#温室月土温均值分别为19.7,19.9,20.4和19.8,最低土温月均值分别为15.5,15.8,16.7和16.1;最低土温值与外界土温值变化关系不明显。各温室最低土温月均值仅较月土温均值低3.54.5,表明土壤温度变化幅度不大,比气温稳定。3#温室月土温均值及最低土温月均值均最高,1#温室均最低。各温室间月土温均值差值为0.7,较气温月均值差值(1.3)低。2
27、.2.2 温室后屋面温度及热流 图3表明,在晴天有光照时段,2#温室后屋面内外表面温差最大,在晴天和阴天12:00前后,各温室后屋面内外表面温差均趋于一致,3#温室后屋面内外表面夜间温差较其他温室大,平均温差达19.3,1#温室最小。图4表明,2#、3#和4#温室后屋面内7.5 cm处至外表面层温度变化幅度均较大,以3#温室变幅最大,说明在室内温度相对稳定的情况下,室外温度扰动对其内层温度影响最小。1#温室外部温度最高,温室内外表面温差最小,这可能是夜间自身放热以及导热量较大所致。在一天中的绝大多数时间,温室后屋面均处于从室内吸热、向室外放热的过程中。由图5a和b可以看出,2#、3#、4#温室
28、后屋面内表面在17:00前后有短暂的放热过程,1#温室全天从室内吸热;1#温室后屋面外表面在09:00-16:00吸热,18:00-次日08:00放热量较大,是2#温室的23倍,2#温室全天放热较为平缓;2#、3#、4#温室后屋面外表面通常在09:00-11:00有一个短暂的吸热过程。表3结果表明,从内表面一天的吸热总量来看,1#温室最大,为1 391.58 kJ/m2,其外表面放热量也最大,达到1 216.64 kJ/m2,是2#温室的2倍多;3#温室室内均温较高,其内表面吸热量为476.87kJ/m2,外表面放热量为602.92 kJ/m2,较其他温室少,说明其绝热能力较佳。671西北农林
29、科技大学学报(自然科学版)第38卷图2 不同后屋面保温材料日光温室温度的变化-1#;-2#;-3#;-4#;-+-室外OutsideFig.2Variation curve of temperature in solar greenhouse with different back2roof thermal insulation materials图3 不同保温材料日光温室后屋面内外表面温差的变化(2008202214-2008202217)-1#;-2#;-3#;-4#Fig.3Temperature variations of inner and outer back2roof surfa
30、ce with differentthermal insulation materials of solar greenhouse771第1期王云冰,等:高效保温材料在日光温室后屋面中的应用研究图4 不同保温材料日光温室后屋面测点的夜间平均温度变化(2008202214T19:00-次日06:00)Fig.4Average temperature variations in back2roof observation points at night with differentthermal insulation materials of solar greenhouse图5 不同保温材料日光
31、温室后屋面热流的变化-1#、3#内表面;-1#、3#外表面;-2#、4#内表面;-2#、4#外表面Fig.5Variations of heat flow in different thermal insulation materials of solar greenhouse back2roof-1#,3#inner surface;-1#,3#outer surface;-2#,4#inner surface;-2#,4#outer surface表31#4#温室后屋面内外表面热流的变化Table 3Heat flow of back2roof outer and inner surfac
32、e in 1#-4#greenhouse温室编号Number ofgreenhouse均温/Average air temperature内表面Inner surface外表面Outer surface室内Insidegreenhouse室外Outsidegreenhouse平均热流通量/(Wm-2)Averageheat flux热流总量/(kJm-2)Total heat flowquantity平均热流通量/(Wm-2)Averageheat flux热流总量/(kJm-2)Total heatflow quantity1#11.2-3.0-16.11-1 391.5814.081 21
33、6.642#12.4-3.0-7.70-665.166.67575.983#22.48.7-5.52-476.876.98602.924#21.58.7-7.43-641.668.46731.32 注:1#、2#观测日期为2008212230;3#、4#观测日期为2008212212。Note:1#,2#were observed at 2008212230;3#,4#were observed at 2008212212.871西北农林科技大学学报(自然科学版)第38卷2.2.3 温室内西葫芦的生长情况 由表4可知,生长前期3#温室西葫芦各生长指标与1#温室存在显著差异,2#、3#、4#温室
34、西葫芦株高均极显著高于1#温室,且3#温室较高;3#温室西葫芦茎粗显著低于1#温室,单叶叶面积相对较大,但与4#温室之间无显著差异,这与毛丽萍等11的低温使西葫芦幼苗的茎粗增加、株高降低和叶面积减小等研究结果一致。3#温室西葫芦叶片数较多,定植后10 d时与其他温室差异显著。定植后30 d时,3#温室西葫芦单叶叶面积显著高于其他温室,其他3项指标各温室间差异均不显著。1#、2#、3#、4#温室西葫芦总产量分别为29 500,35 653,38 847和29 602 kg/hm2,2#、3#温室产量较高。表41#-4#温室西葫芦不同时期的生长指标Table 4Pumpkin growth ind
35、exes at different periods in 1#-4#greenhouse定植后时间/dDay afterfield planting温室编号Number ofgreenhouse株高/cmHeight茎粗/cmStem diameter单叶叶面积/cm2Leaf area平均叶片数Average leafnumber1#3.7 Bb0.68 Aa115.4 Ab6.7 Bb102#4.8 Aa0.61 Aab121.0 Ab6.3 Bb3#5.0 Aa0.60 Ab149.1 Aa7.0 Aa4#4.9 Aa0.62 Aab129.6 Aab6.6 Bb1#6.3 Ab0.96
36、 Aa386.9 Bc11.9 Bb202#6.2 Ab0.91 ABa392.0 Ab11.3 Ab3#8.1 Aa0.78 Bb454.8 Aa12.9 Aa4#7.4 Aab0.90 ABa409.3 Aa12.0 ABa1#19.2 Aa1.21 Aa736.8 Ac18.2 Aa302#21.3 Aa1.10 Aa865.4 Ab17.3 Aa3#21.4 Aa1.11 Aa909.3 Aa17.8 Aa4#20.1 Aa1.11 Aa808.2 Ab17.3 Aa 注:观测日期分别为2008203221,2008203230,2008204209;同一观测日同列数据后标不同大、小写
37、字母分别表示差异达1%,5%显著性水平。Note:The observation periods were 2008203221,2008203230,2008204209 respectively;different capital and small letters within the same col2umn at the same observational day indicate significant differences at 1%and 5%level respectively.3 结论与讨论1)目前,应用较多的日光温室后屋面保温材料是聚苯板和常规材料干草帘。已有研究认为
38、,挤塑板在70%的相对湿度下持续200 d后,热阻保留率仍在80%以上,而聚苯板的为60%7,说明挤塑板有较好的使用寿命;常规后屋面材料干草帘虽然早期热惰性指标较高,但其后期容易吸湿变腐12,从而导致其热惰性值降到很低,保温性能下降较快。本研究结果表明,挤塑板尺寸稳定性好,传热系数低,吸水率低,压缩强度高,以其为保温层的3#温室热惰性指标较高,为2.59,技术经济特征量最低,仅为29.26(元 W)/(m4K)。说明,与现有后屋面保温材料相比,挤塑板具有热经济成本低,使用寿命长,能够长久保持其热工性能等优势。2)3#温室典型天气下的日平均气温、最低土温月均值、月土温均值均高于其他温室,2#温室
39、较低,1#温室最低;各温室土壤温度变幅不大,为3.54.5;各温室间气温月均值差值为1.3,比月土温均值差值大。3)一天中后屋面放热时间较长,3#温室后屋面内外表面温差较其他温室大,夜间平均温差达19.3,外表面放热量602.92 kJ/m2;1#温室温差最小,外表面放热量1 216.64 kJ/m2。2#、3#和4#温室后屋面7.5 cm处至外层温度变化幅度较大。4)3#温室西葫芦株高较高、茎粗小、单叶叶面积大、叶片数较多,产量达到38 847 kg/hm2。试验期间,西葫芦定植后生长前期,各指标在3#温室与1#温室间有显著差异;到生长后期除单叶叶面积外,其他指标差异不显著,这可能是由于种植
40、期靠后,而后期温度升高,植物自身补偿生长所致。综上所述,挤塑板有较好的保温性和实用性,有替代聚苯板的潜力。本研究仅初步分析了保温材料的基本性能,后期研究可以考虑应用相变蓄热材料13214做复合结构保温层的蓄热层,以达到更好的保温效果。参考文献1 白义奎,王铁良,李天来,等.缀铝箔聚苯板空心墙体保温性能理论研究J.农业工程学报,2003,19(3):1902195.Bai Y K,Wang T L,Li T L,et al.Theoretical research on heat971第1期王云冰,等:高效保温材料在日光温室后屋面中的应用研究preservation effect of holl
41、ow wall with polyphony board cov2ered with aluminum foil J.Transactions of the CSAE,2003,19(3):1902195.(in Chinese)2 李小芳,陈青云.墙体材料及其组合对日光温室墙体保温性能的影响J.中国生态农业学报,2006,14(4):1852189.Li X F,Chen Q Y.Effects of different wall materials on theperformance of heat preservation of wall of sunlight greenhouseJ.
42、Chinese Journal of Eco Agriculture,2006,14(4):1852189.(in Chinese)3 许刚毅,周长吉.不同保温墙体日光温室性能测试与分析J.华中农业大学学报,2004,35(增刊):62266.Xu G Y,Zhou C J.Performance testing and analysis on differ2ent insulation walls of sunlight greenhouse J.Journal ofHuazhong Agricultural University,2004,35(Sup.):62266.(inChinese
43、)4 柴立龙,马承伟,籍秀红,等.北京地区日光温室节能材料使用现状及性能分析J.农机化研究,2007(8):17221.Chai L L,Ma C W,Ji X H,et al.Present situation and the per2formance analysis of the energy2saving material in solar green2house of Beijing region J.Journal of Agricultural Mechaniza2tion Research,2007(8):17221.(in Chinese)5 乔正卫,邹志荣,张立明,等.4种
44、日光温室保温被室内的试验性能测试J.西北农林科技大学学报:自然科学版,2008,36(6):1542158.Qiao Z W,Zou Z R,Zhang L M,et al.Laboratory test of fourkinds of heat preservation quilts for solar greenhouse J.Jour2nal of Northwest A&F University:Natural Science Edition,2008,36(6):1542158.(in Chinese)6 戴丹丽,陈 杰,周胜军,等.温室内新型保温材料的筛选与应用研究J.浙江农业学报
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