北京地区日光温室墙体和屋面保温覆盖材料调查与分析

北京地区日光温室墙体和屋面保温覆盖材料调查与分析

0日光温室性能提升要求据统计，在西北3543的地区，冬季温室的加热能耗约占总生产能力的30%70%。耗能巨大是制约我国连栋温室大力发展的主要因素。同大型连栋温室相比,日光温室因其特殊的围护结构及保温措施,即使在冬季不加温也能利用清洁廉价的太阳能进行越冬生产,因此得到了广泛的应用和推广。如何进一步提高日光温室性能,是我国设施园艺工程界普遍关注的重要课题,性能优良的墙体和屋面保温覆盖材料是日光温室实现优良节能保温性的关键[3~7]。目前,在实际生产中所使用的墙体和屋面保温覆盖材料种类非常多,了解其使用现状和对其做出科学的评价,有利于优良材料的选择以及新材料的开发,是一项迫切需要开展的工作。为此,笔者对北京市周边地区日光温室墙体和屋面保温覆盖材料的应用情况进行了较为广泛的调研。1用液体表面和保温材料来代替光温室1.1营镇北基于日光温室的墙体构造所调查的日光温室墙体构造和保温覆盖材料使用情况如表1所示。笔者于2006年7月~8月对北京朝阳区金盏乡蟹岛绿色生态度假村采摘园、大兴区长子营镇北泗上村中央军委办公厅大兴农副业生产基地、大兴科技蔬菜示范园区、昌平区小汤山镇小汤山特菜基地、昌平区寿兴镇天翼草莓园、北京市农林科学院作物所、北京市农林科学院蔬菜所、朝阳区来广营乡朝来农艺园以及昌平区南邵镇金六环农业园区等9个园区、10种不同日光温室的墙体材料和保温覆盖材料的使用情况进行了调研。其中,墙体构造共有8种构造形式,多为粘土砖结构,如图1所示;保温覆盖材料共有6种(图略),其中以稻草帘的使用范围为最广。1.2铺席和草墙保温北京市位于北纬39°28′~41°05′之间,冬季室外气温较低,不加温日光温室需要较好的保温性才能进行越冬生产。调研发现:目前大部分温室都是建于20世纪80年代中后期或90年代初期,采用的围护结构材料以粘土砖为主,夜间保温大部分采用铺席和草帘。粘土砖具有很好的蓄热性,但是传热系数较大和占用耕地两大缺点使其应用受到了限制。保温覆盖材料铺席和草帘的保温性能很好,但是使用寿命短,容易污染透明覆盖材料,影响透光率。据调研地点相关工作人员介绍,在冬季不加温的条件下,这些日光温室根本无法实现越冬生产。然而,安装加温设施以及供暖所需的费用将是很大的一笔开支,如大兴蔬菜示范基地等很多园区没有这个经济条件,进入冬季后基本上不进行规模化生产或者直接停产。这些现象与节能日光温室理论上所期待的冬季不加温完全可以进行越冬生产的目标相差很大。因此,研究设计性价比较好的新型节能日光温室是我国设施园艺发展的方向,选择和开发新型节能墙体材料、合理的构造形式以及保温覆盖材料是目前的主要研究任务。2本材料的工农业性能和经济性分析2.1墙体热导能评价在非稳定传热状况下,一般多采用围护结构各层材料总热阻R(m2·K/W)与材料的蓄热系数S(W/m2·K)的乘积(即围护结构的热惰性指标D,无量纲数)作为评价围护结构热工特性的指标。该指标表征结构抵抗热流波和温度波在材料层中传递的能力和热稳定性。结构的D值越大,外来的热流波穿透围护结构需要的时间越长,波动幅度被减弱的程度也越大,板壁材料的热惰性及热稳定性越大,室内温度波动越小。但总热阻及热惰性指标相同而材料层排序不同的墙体结构,其热工特性也会有所不同,蓄热系数较大的材料层布置于内侧时,围护结构内表面对于室外与室内空气温度波的传热衰减倍数和吸热衰减倍数均较大,且白昼对太阳热能的蓄热作用和夜间的放热作用越显著。但目前对于该方面作用尚无准确、定量的评价方法。本文暂且采用传热系数、总热阻、蓄热系数和热惰性等热工性能参数对所调研的日光温室墙体进行评价。其计算表达式如下[11~13]。2.1.1由非空气制成的传热系数2.1.2材料的传热性能式中αi—材料内层(墙体内壁)的表面换热系数(W/m2·K);αo—材料外层(墙体外壁)的表面换热系数(W/m2·K);λj—第j层材料的导热系数(W/m2·K);αm—空气夹层的传热系数(W/m2·K)。2.1.3总开口r2.1.4材料的导热系数—蓄热系数S式中S—材料的蓄热系数(W/m·K);λ—材料的导热系数(W/m·K);γ—材料的密度(kg/m3);T—热流波的作用周期,一般为24h。2.1.5热痉挛指数d式中Sj—第j层材料的蓄热系数(W/m·K);Rj—第j层材料的传热热阻(m2·K/W)。2.2墙体热生活性能采用上述评价指标对所调研的日光温室墙体进行评价,其中涉及的墙体材料热工性能参数取值为:墙体外表面换热系数α0/W·m-2·K-1:23.0内表面换热系数αi/W·m-2·K-1:8.7粘土砖墙砌体导热系数/W·m-1·K-1:0.81蓄热系数/W·m-2·K-1:9.68加气混凝土导热系数/W·m-1·K-1:0.29蓄热系数/W·m-2·K-1:3.37陶粒混凝土空心砖导热系数/W·m-1·K-1:0.57蓄热系数/W·m-2·K-1:7.78;聚苯板导热系数/W·m-1·K-1:0.04蓄热系数/W·m-2·K-1:0.345空气层的导热系数/W·m-1·K-1:0.025空气的蓄热系数:忽略不计根据以上计算公式(1)~(5),可以计算出已经调研的温室墙体传热系数、总热阻以及热惰性指标的值,如表2所示。由表2的数据可知,3号温室墙体和8号温室墙体的热惰性指标很大,具有较好的隔热和蓄热特性。这主要是因为3号温室较厚的粘土砖墙体具有很好的蓄热性,而8号加气混凝土温室墙体虽然蓄热性能不好,但具有较高的热阻值。此外,7号温室墙体构造中粘土砖砌体具有较大的蓄热系数,空气层具有较好的隔热性能,使其也具有较大的热惰性指标;6号陶粒混凝土切块温室墙体虽然具有较高的蓄热系数但是其总热阻太小,所以热惰性指标很小,温室的保温性能很差。1号、2号以及5号温室的墙体热惰性指标差别不大。从经济和社会角度分析,我国已经制定相关的法规来限制粘土砖的生产和使用,以减少对耕地的损害,使得粘土砖的价格不断上升。3号和7号温室墙体虽然具有较好保温性能,但是都采用了大量的粘土砖材料,因此失去经济和社会价值,不适合推广。据测算,在其它结构、材料及人工费用均相同的情况下,建造3号温室要花费3.3万元左右,而建造8号温室仅需要2.5万元左右。此外,加气混凝土墙体具有众多优点,其生产工艺逐渐成熟,成本相对较低,已经作为一种新型节能建材在工业与民用建筑领域中广泛应用。我国建筑行业标准JGJ134-2001《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》以D(或R+D)值作为建筑物围护结构保温性能的评价指标,对于外墙要求D≥3.0(K≤1.5W/m2·K),对于日光温室应尽量采用较大的R及D。机械行业标准JB/T10286-2001《日光温室结构》中,对于日光温室围护墙体及后屋面的综合热阻值给出了设计应达到的低限热阻Rmin,具体要求如表3所示。该标准中给出的北京地区冬季室外设计温度为-12℃,故围护墙体的热阻值高于低限热阻Rmin=1.4m2·℃/W即可。由表2中的数据可知,只有5号温室不满足此项要求。2.3室建筑蓄热能力的影响保温覆盖材料[15、16]一般是日光温室冬季夜间用来给温室建筑进行保暖的。由于通常只是夜间使用,因此可以不考虑其白天的蓄热能力,主要考察其总热阻的大小。此外,保温覆盖材料的防水性能、抗老化性能和经济性也是决定其应用的一些因素。2.3.1我国冬季保温覆盖材料的现状稻草帘容易获得,价格相对较便宜,每平方米约1~2元,且干燥状态下保温性能好,目前仍然是我国北方地区日光温室首选的冬季保温覆盖材料。但是,稻草帘个体制作存在质量不均、防水性能差、使用寿命短以及对薄膜污染严重等缺点,导致劳动强度大、保温能力下降以及薄膜透光率下降等问题,因此研发其他的保温覆盖材料是今后的发展方向。2.3.2常用的保温性能质量为1000g/m2的棉毡保温被具有很好的保温性能,但是其缺点也是很多的,如防水性能差、机械强度不高(断裂强度约为11kN/m)等,而且价格较稻草毡高很多,目前在生产中很少使用。2.3.3机械强度高、断裂强、使用寿命长、材料和技术优势质量为650g/m2的聚乙烯(PE)发泡材料自防水保温被具有防水性能好(吸水率0.01)、机械强度高(断裂强度约为15.6kN/m)、使用寿命长等优点。这种保温被目前价格较针刺毡保温被高,具有质轻(26kg/m3)、柔软和保温(导热系数0.04W/m·K)等优点,但是较轻的质量不容易压实,大风天气易受到影响。2.3.4毡+白色防水布缀铝箔无纺布保温被(缀铝箔+3mm厚发泡聚乙烯+800g/m2无纺布毡+白色防水布)底层为缀铝箔防辐射层,能有效阻止室内温度对外辐射散热,其中间层为防水性能较好的发泡聚乙烯片材和保温性能较好的无纺布,具有较高的热阻和较好的防水性。这种保温被已经被证实具有较高的保温性能和较低的价格。2.3.5内在保温层材料针刺毡保温被(里外防水布+1000g针刺毡)内层只有1kg针刺毡作为保温层,其热阻较小。此外,其针孔较多,防水和防潮性能差。这种针刺毡市场价格约为13~15元/m2。2.3.6覆盖材料中的保温被缀铝箔发泡聚乙烯保温被(缀铝箔+5mm厚自防水发泡聚乙烯+绸布)防水性能与聚乙烯(PE)发泡材料自防水保温被类似,其保温性能相对更好一些,因为在底层有缀铝箔反射层。这种保温被也存在价格较高和质量较轻不利于防风等问题。综上所述,在所调研的温室覆盖保温材料中还没有既满足所要求的保温性、防水性、防风性、抗老化性和机械性,又具有较好的经济性的保温被。相对来说,聚乙烯(PE)发泡材料自防水保温被在保温、防水和抗老化等方面综合性能比其它材料效果好一些,但是由于其质量轻而引起的防风能力差等问题还有待于日后解决。3性能好、市场好通过对日光温室使用的8种不同墙体构造进行传热系数、总热阻、材料蓄热系数以及热惰性指标等热工性能参数计算和分析,对8组温室墙体的保温性能进行了粗略的评价。从调研收集的情况以及计算数据可以看出,北京周围郊县很多日光温室墙体冬季的保温效果不是很好,室内不加温很难进行越冬规模化生产。3号温室墙体(370粘土砖+100聚苯板+370粘土砖)和8号温室墙体(200加气砼砌块+100聚苯板+200加气砼砌块)热惰性指标较高,保温性能较好。但是两者经济上的差异很大,后者具有较好的经济性。此外,8号温室不使用目前已经限制使用的粘土砖,将具有较好的应用前景。从对6种不同屋面外保温覆盖材料的分析可知,我国目前市场上还没有出现满足保温性、防水性、防风性、抗老化性、机械性和较好经济性的温室保温覆盖材