北疆麥殼砂漿砌塊填充蓄熱材料復合墻體日光溫室熱性能.pdf

第 34 卷   第 13 期                        農 業(yè) 工 程 學 報                              V ol.34  No.13 2018 年    7 月          Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering          Jul. 2018     233 北疆麥殼砂漿砌塊填充蓄熱材料復合墻體日光溫室熱性能馬月虹 1,2 ，李保明 1 ，張家發(fā) 1 ，張耀文 2（1. 中國農業(yè)大學水利與土木工程學院，農業(yè)農村部設施農業(yè)工程重點實驗室，北京 100083；2. 新疆農業(yè)科學院農業(yè)  機械化研究所，烏魯木齊 830091） 摘  要：針對新疆戈壁沙漠區(qū)日光溫室在冬季嚴寒條件下，傳統(tǒng)墻體在夜間難以滿足作物生長對熱環(huán)境需求的問題，該 文研究新型的保溫蓄熱墻體材料和結構。將墻體主體結構采用麥殼砂漿砌塊，砌塊中間空格填充蓄熱材料，對麥殼砂漿 砌塊進行配比試驗和性能測試，篩選出抗壓強度、導熱性能較優(yōu)的砌塊建造溫室墻體，把麥殼砂漿砌塊+紅磚復合墻體日 光溫室和 37 cm磚混墻體日光溫室進行熱性能對比試驗，并種植番茄驗證。試驗結果表明：在相同外界環(huán)境下，室外最 低溫20.8 時，麥殼砂漿砌塊復合墻體日光溫室內溫度為 7.5 ，而磚混墻體日光溫室內溫度為 3.2 ，砌塊復合墻體 日光溫室內夜間出現最低室溫時間較磚混墻體日光溫室延遲 42 min；相同條件下砌塊復合墻體日光溫室栽培的番茄收獲 期早 16 d，單棚產量高 18.4%，驗證了砌塊復合墻體日光溫室的保溫蓄熱性能優(yōu)于磚混墻體日光溫室，且滿足果蔬生長 對熱環(huán)境需求。該文提出的適應戈壁沙漠區(qū)日光溫室麥殼砂漿砌塊復合墻體及構造條件，為新型復合墻體在日光溫室中 的應用研究、設計提供理論參考。  關鍵詞： 溫 室 ；墻體；溫 度；熱性能 ； 麥 殼 砂 漿 砌塊；抗壓強度；導熱系數  doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.028  中圖分類號：S625           文獻標志碼：A           文章編號：1002-6819(2018)-13-0233-06  馬月虹，李保明，張家發(fā)，張耀文. 北疆麥殼砂漿砌塊填充蓄熱材料復合墻體日光溫室熱性能J. 農業(yè)工程學報，2018， 34(13)：233238.    doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.028    http:/www.tcsae.org  Ma Yuehong, Li Baoming, Zhang Jiafa, Zhang Yaowen. Thermal performance of solar greenhouse with composite wall using  wheat shell-mortar block filling with heat storage material in north XinjiangJ. Transactions of the Chinese Society of  Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 233238. (in Chinese with English abstract)      doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.028    http:/www.tcsae.org 0  引  言近些年在新疆農業(yè)發(fā)展的大背景下，新疆的戈壁沙 漠區(qū)溫室產業(yè)也得到了大力發(fā)展 1 。新疆位于高緯度地 區(qū)，冬季日照時間短，下午 16：00 時以后，熱量主要從 溫室圍護結構向外擴散，使得溫室內溫度急劇下降 2 。透 過日光溫室前屋面塑料薄膜投射到溫室北墻太陽輻射深 入墻體的厚度只有 2030 cm， 溫室墻體對太陽熱能的蓄 積量有限，依靠原有墻體被動式顯熱蓄熱方式，很難滿 足戈壁沙漠區(qū)溫室在嚴寒的夜晚作物生長對熱環(huán)境的需 求 3 ?？簶淙A等 4 研究表明，約有 50%的太陽直射輻射熱 能將投射到日光溫室的后（北）墻體，墻體對溫室的熱 貢獻不容忽視。提高墻體的保溫和蓄熱性能是改善日光 溫室熱環(huán)境的關鍵因素之一 5 。  國內外研究日光溫室墻體材料、結構和熱性能的較 多。張林華等 6 研究認為砂石土材料是保溫蓄熱性好、經 濟、易得的墻體材料。但砂石土墻體易坍塌、保溫性不 可靠、占地面積大。國內外學者對于提高墻體蓄熱性的 研究多集中在加氣混凝土砌塊、粉煤灰磚、相變材料磚 等新材料的研究 7 。張海云等 8 對泡沫混凝土在日光溫室收稿日期：2017-11-20    修訂日期：2018-04-20  基金項目：國家自然科學基金資助項目（51768072）  作者簡介：馬月虹，研究員，博士生，碩士生導師，主要從事設施農業(yè)工程 研究。Email：923999218qq.com。  通信作者：李保明，教授，博士，博士生導師，主要從事設施農業(yè)工程工 藝與環(huán)境研究。Email：libm cau.edu.cn。  墻體中的適用性研究試驗結果表明發(fā)泡混凝土澆筑溫室 墻體后，溫室的保溫性能明顯高于其他同類溫室。張立 蕓等 9 研究表明采用加氣混凝土與聚苯板構筑的異質復 合墻體具有比黏土紅磚砌體更優(yōu)越的熱特性。但發(fā)泡和 加氣混凝土強度較低，干燥收縮值較大，墻體易吸水、 開裂等。孫心心 10 對日光溫室新型保溫材料的制備及應 用效果的研究證實了相變材料砌塊的結構穩(wěn)定性和蓄熱 性。但相變砌塊出現相變材料滲漏問題，性能不可靠， 且造價高。關于秸稈捆用作民用建筑保溫墻體材料也有 不少試驗研究 11-16 。 將秸稈壓縮制作成型， 用于墻體材料， 不僅具有一定的力學強度，還具有良好的熱工性能，不 同密度秸稈塊的導熱系數為 0.030.13w/(mk)。 秸稈塊保 溫性能理論上遠超過土壤和紅磚等傳統(tǒng)建材 17-18 。黃紅 英等 19 通過秸稈塊墻體日光溫室在蘇北地區(qū)應用效果試 驗，與磚墻和土墻相比，秸稈塊墻熱傳導率、體積熱容和 熱擴散系數顯著低于前兩者，這種熱工特性利于隔熱保溫 但不利于蓄積熱量。新疆的作物秸稈匱乏，秸稈塊墻體 實用性受限。蔣程瑤 20 對西北典型非耕地日光溫室復合 墻體砌筑方案的研究得出戈壁石復合墻體的蓄熱、放熱 性能優(yōu)于磚混墻體，爐渣空心砌塊+砂石堆砌建造的溫室 熱環(huán)境最優(yōu)。由于戈壁石復合墻體夜間降溫快，爐渣材 料有限、造價高，堆砌砂石坍塌等，這類墻體材料也受 限。  日光溫室墻體研究的趨勢是需要進一步研究有關墻 體傳熱性能和墻體結構設計等關鍵技術問題 21 。該文對 麥殼砂漿砌塊+紅磚，外加 10 cm厚聚苯板復合墻體日光 農業(yè)工程學報（http:/www.tcsae.org）                                2018 年   234  溫室的蓄熱保溫性能進行研究，提出麥殼砂漿砌塊+紅磚 復合結構墻體的構造條件，對砌塊復合墻體溫室的蓄熱 保溫效果與磚混墻體溫室進行對比試驗和驗證。  1  麥殼砂漿砌塊制備和試驗溫室構建  1.1  試驗時間和地點  試驗時間為 2016 年 9 月-2018 年 2 月，麥殼砂漿砌 塊試樣制備在新疆農科院 3 號樓內完成，抗壓強度和導 熱系數測試在新疆水科院水工試驗大廳進行。 2 種不同墻 體日光溫室熱性能對比試驗和番茄栽培試驗在新疆北疆 伊犁地區(qū)察布查爾縣良繁場新建設施農業(yè)基地進行。  1.2  試驗材料  試驗所用麥殼產自新疆奇臺縣小麥產區(qū)；水泥為 C32.5 普通硅酸鹽水泥；細沙產自和田地區(qū)；粘合劑選用 型號為 CYD-128，外觀透明，呈淡黃；環(huán)氧值 0.5 0.54 eq/100 g；黏度 1114 Pa.s(25 條件下)。試驗用水 來自試驗大廳自來水。  1.3  試驗儀器設備  試驗采用天平(ACS-30， 浙江君凱順工貿公司)精確稱 量制作麥殼砂漿砌塊的水泥、麥殼和粘合劑等各成分質 量；麥殼砂漿砌塊在自制振動臺上充分振動后成型；用 05 kN 的萬能試驗機對麥殼砂漿砌塊進行動力試驗， 測 量抗壓強度；“導熱系數”用電導率儀（PHS-3E，上海雷 磁）測量。  1.4  麥殼砂漿砌塊配比影響因素確定  結合文獻資料和前期試驗基礎，為了分析各因素對 砌塊性能的影響，采用正交試驗來確定各種物料的合理 配比。經過分析和前期試驗確定了影響砌塊抗壓強度和 導熱性能的 3 個主要因素是：水泥用量、粘合劑摻量和 碎麥殼摻量。正交試驗設計為三要素三水平 L 9 (3 3 )，試驗 因素及編碼水平如表 1 所示。 表 1  因素編碼水平表  Table 1  Coding table of experimental factors level   編碼  Codes  水泥摻量   Cement content   A/%  碎麥殼摻量   Broken husk   content B/%  粘合劑摻量  Binder content   C/%  1 25 1.5 4  2 30 2.0 6  3 35 2.5 8  注：表中的摻量為質量比。  Note: The content in the table are percentages by mass. 1.5 麥殼砂漿砌塊制作方法  首先清理模具，模具的外尺寸長寬高為 370 mm 240 mm120 mm，內設 2 個尺寸為 110 mm120 mm 100 mm的空格，為利于脫模，在模具內表面涂適量的 機油。然后將各種物料按配比稱質量，混合攪拌均勻后置 于振動臺上振動，使各物料充分混合，將振動混合充分的 砂漿裝入模具并壓實，接著將裝好砂漿的模具再次置于振 動臺振動，使物料更加均勻充分分布，振動后模具內砂漿 體積變小， 需要再以砂漿填滿， 振動均勻后抹平。 放置 5 10 min，標注試驗砌塊的編號和日期。靜置 12 h后拆模， 拆模后對試驗砌塊連續(xù)養(yǎng)護 28 d， 正交試驗設計的 9 種配 比砌塊，每種制作 30 塊。麥殼砂漿砌塊見圖 1。 a. 砌塊實物圖                 b. 砌塊示意圖 a. Picture of block              b. Schematic of blocks  圖 1  麥殼砂漿砌塊  Fig.1  Blocks made of mortar and wheat husk 1.6  麥殼砂漿砌塊性能測試  密度測試：在正交試驗的 9 種砌塊試件中隨機各抽 取 10 個，分別稱取質量，根據體積計算出每種砌塊各自 密度，每種砌塊密度取 10 個砌塊的平均值。  抗壓強度測試：把已經測量過質量，密度已知的 10 個砌塊試件用微機控制自動壓力試驗機進行抗壓強試 驗，每種砌塊抗壓強度均取 10 個砌塊的平均值。  導熱系數測試：采用導熱測定儀，對砌塊的導熱系 數進行測定，取 10 個砌塊的平均值。  1.7 試驗溫室和對照溫室的選取  選取新疆北疆察布查爾縣良繁場設施農業(yè)園區(qū)內 2 座日光溫室測試。A 試驗日光溫室設計為墻體為 37 cm 麥殼砂漿砌塊+紅磚，外加 10 cm 厚聚苯板，0.51.5 m 高度處是麥殼砂漿砌塊，其他高度位置是紅磚，見圖 2a。 a. 墻體 圖 片 a. Picture of wall  b. 麥殼 砂 漿砌塊 結 構  b. Structure of wheat shell-mortar block   圖 2  麥殼砂漿砌塊+ 紅磚復合墻體（A 溫室）  Fig.2  Composite wall with wheat shell-mortar block and   common brick （A greenhouse）  第 13 期 馬月虹等：北疆麥殼砂漿砌塊填充蓄熱材料復合墻體日光溫室熱性能 235  由圖 2b 可知，麥殼砂漿砌塊為砂漿砌塊內填充生石 灰包（墻體內側）和爐渣包（墻體外側）而構成。對照 溫室 B 溫室，選取了北疆地區(qū)普遍使用的日光溫室，其 墻體為 37 cm磚墻，外加 10 cm厚聚苯板。  2  日光溫室熱性能和生產性能測試  A 試驗溫室和 B 對照溫室均使用相同保溫被覆蓋保 溫，2 個型號相同熱風爐供暖。  2.1  兩種日光溫室結構參數  A溫室墻體結構為 37 cm厚砂漿砌塊+紅磚的復合墻 體，外加 10 cm聚苯板， B 溫室墻體結構為 37 cm紅磚 10 cm聚苯板的磚混墻體，2 座日光溫室的主要結構參數 見表 2。 表 2  日光溫室的結構參數  Table 2  Structure parameter of sunlight greenhouse  溫室結構參數  Greenhouse structural parameter  A溫室  A greenhouse   B 溫室  B greenhouse  方位角 Azimuth/() 南偏西 8 南偏西 8  跨度 Span/m 8 m 8 m  長度 Length/m 80 m 80 m  脊高 Ridge hei/mght 3.89 m 3.89 m  后墻高度 Back-wall height/m 2.0 m 2.0 m  墻體厚度 Wall thickness/cm 50 cm 50 cm  后坡水平投影   Rear slope horizontal projection/()  1.89 m 1.89 m  前屋面傾角   Front roof inclination/()  32.3 32.3  后屋面仰角 Rear roof elevation/() 40 40 2.2   日光溫室熱性能測試  試驗以日光溫室內的氣溫、地溫作為測試對象。日 光溫室內測點平面布置按下圖 3 布設，1、2、3 測點距離 前屋面 1.5 m，4、5、6 測點距離北墻 1.5 m，1、6 測點 距離西墻 4 m，3、4 測點距離東墻 4 m。在每個平面點垂 直方向上設 2 個點， 分別位于地表上方 0.20 和 0.60 m （植 株莖葉密集區(qū)域） ，一共布設 12 個測點。室外設 1 個溫 度測點，布設在光照測點附近，距地面高度 1.50 m 處。 地溫測點也按圖 3 布設， 測點深度為地表以下 0.10 m （植 物根系發(fā)達區(qū)域） ，一共布設 6 個測點。溫室內溫度數據 采用 6 個測點的地溫和 12 個測點的氣溫的平均值。 圖 3  測點布 置示意 圖  Fig.3  Schematic diagram of measuring point arrangement  2.3  日光溫室生產性能（番茄栽培）測試  A溫室和 B溫室栽培的番茄苗木品種都是金鵬 3號、 穴盤育苗 33 d 苗齡、5 片真葉、桿粗葉綠的苗木。定植 前土地整理好，施用腐熟有機肥、硫酸鉀、磷酸二銨和 油渣。起壟栽培，70 cm +50 cm寬窄行，株距 40 cm，定 植株數 2 274 株、定植時間 2017-09-10，各種植內容均相 同。生長期采用相同的滴灌系統(tǒng)和水肥施用量，相同植 株調整和花果調整管理，進行番茄栽培試驗，從 2017年 9 月定植到 2018 年 2 月成熟收獲，記錄定植時間、開花 時間和采摘時間及總產量。  3  結果與分析  3.1  麥殼砂漿砌塊配比  表 3 為砌塊內不同水泥摻量、碎麥殼摻量和粘合劑 摻量砌塊抗壓強度和導熱系數的結果，根據表 3 因素水 平，三要素三水平 L 9 (3 3 )正交試驗結果可知，各因素對抗 壓強度和導熱系數均有作用和影響。 表 3  試驗設計方案及結果  Table 3  Results and design of tests  因素水平 Level of factor 試驗指標 Test index  試驗  編號  Test   No.  水泥摻量  Cement  content   A/%  碎麥殼摻量   Broken husk  content   B/%  粘合劑摻量  Binder content  C/%  抗壓強度   Compressive   strength/MPa  導熱系數  Thermal   conductivity  /w.(m.k) -11 1(25) 1(1.5) 1(4) 4.5 0.975  2 1(25) 2(2.0) 2(6) 4.0 0.734  3 1(25) 3(2.5) 3(8) 2.8 0.496  4 2(30) 2(2.0) 1(4) 4.8 0.873  5 2(30) 3(2.5) 2(6) 4.4 0.632  6 2(30) 1(1.5) 3(8) 6.0 0.935  7 3(35) 3(2.5) 1(4) 5.3 0.774  8 3(35) 1(1.5) 2(6) 7.7 1.067  9 3(35) 2(2.0) 3(8) 6.5 0.830 抗壓強度和導熱系數是砌塊性能的主要考核指標， 在滿足墻體抗壓強度的承重前提下，導熱系數越小，其 保溫性能越好，散熱速率越穩(wěn)定。同行學者研究表明： 墻體厚度為 37 cm 時，參考文獻22、23中砌塊的抗壓 強度 3.5 MPa和 4.6 MPa， 溫室墻體強度均滿足承重要求， 導熱系數 0.811 W/(m.k)和 0.792 W/(m.k)，墻體導熱性都 滿足溫室栽培要求 22-23,9 。  從表 3 可以看出，試驗編號 4、6、7、8、9 砌塊的 抗壓強度都4.8 MP，試驗編號 2、3、5、7 砌塊的導熱 系數均0.774 w/(m.k)，只有試驗編號 7 砌塊的抗壓強度 和導熱系數 2 個條件均滿足，即抗壓強度好，保溫性能 也好。根據正交試驗結果和以上分析，綜合考慮麥殼砌 塊的抗壓強度和導熱系數，最終確定選用試驗編號 7 的 砌塊建設墻體，該砌塊的抗壓強度優(yōu)于同行研究的砌塊， 導熱系數好于同行研究的砌塊，用于日光溫室墻體可行。 砌塊合理配比為水泥 35%，粘合劑 4%，麥殼 2.5%，細 砂、水適量。性能試驗采用該麥殼砂漿砌塊填充爐渣、 生石灰+紅磚用作 A 日光溫室墻體建造材料。  3.2  日光溫室熱性能測試結果  選取試驗數據 2016年冬季到 2017年春季最冷的 8 d （2017-01-142017-01-21）作為比較分析對象，日光溫 室熱性能測試結果如表 4。表 4 中時間均為新疆時間。  農業(yè)工程學報（http:/www.tcsae.org）                                2018 年   236  表 4  日光溫室熱性能測試結果  Table 4  Results of greenhouse thermal performance test   室內溫度  Indoor temperature/  室外溫度  Outdoor temperature/  日光溫室  Greenhous  日期  Date  Night 03:15 Night 03:57 Night 03:15 Night 03:57  1月 14 日 7.8 7.5 14.8 14.7  1月 15 日 7.9 7.7 14.7 14.6  1月 16 日 7.5 7.2 20.7 20.5  1月 17 日 7.6 7.3 20.3 20.2  1月 18 日 7.5 7.1 20.8 20.7  1月 19 日 8.0 7.8 14.6 14.5  1月 20 日 9.5 9.2 12.8 12.6  A溫室  1月 21 日 8.8 8.5 14.1 14.0  1月 14 日 3.6 3.7 14.8 14.7  1月 15 日 3.8 3.9 14.7 14.6  1月 16 日 3.3 3.5 20.7 20.5  1月 17 日 3.5 3.7 20.3 20.2  1月 18 日 3.2 3.4 20.8 20.7  1月 19 日 4.1 4.2 14.6 14.5  1月 20 日 4.4 4.5 12.8 12.6  B 溫室  1月 21 日 4.2 4.3 14.1 14.0 由表 4 可知，相同結構參數的日光溫室，使用同樣 保溫被和熱風爐，夜間新疆時間 03:15 室外溫度12.8 時，A 溫室室溫為 9.5 ，而 B 溫室室溫為 4.4 , A 溫 室比 B 溫室室溫高 5.1 。在出現冬季夜間極限最低溫 20.8 時，A 溫室能保證室溫達到 7.5 ，而 B 溫室室 溫為 3.2 ， A溫室比 B 溫室室溫高 4.3 。并且 A溫室 出現最低室溫時間較 B 溫室延遲 42 min，這進一步說明 A溫室熱性能明顯優(yōu)于 B 溫室，其蓄熱、保溫性能更佳。 麥殼砂漿砌塊替代土壤、紅磚等常規(guī)建材構建日光溫室 保溫墻體具有可行性。  3.3  日光溫室生產性能（番茄栽培）測試結果  番茄生育適宜溫度范圍為 1033 。開花結果的適 宜溫度白天為 2030 ，夜間為 1520 。在 15 以 下不能開花， 10 時生長停止， 1 時植株受凍而死亡。 番茄是喜光作物，光飽和點為 710 4lx，光補償點 2000 lx。 溫度高低能影響番茄果實顏色的深淺,尤其是番 茄紅素含量的高低，低溫不利于番茄紅素的合成，番茄 紅素以 20 24 之間宜生成；光可誘導番茄幼苗累積 類胡蘿卜素， 紅光能極大的促進番茄紅素的合成 24  。 A、 B 溫室番茄的栽培品種和種植管理一樣，A 溫室和 B 溫 室內 栽培的 番 茄開 花時間 分別為 2017-10-08 和 2017-10-15，A 溫室內番茄開花時間早 7 d。A、B 溫室 內番茄成熟收獲時間分別為 2017-12-07 和 2018-01-02， A 溫室內番茄收獲早 16 d。取首月溫室番茄產量，A、B 溫室單棚產量分別為 1 768 和 1 493 kg，A 溫室較 B 溫 室單棚產量高 18.4%。 說明 A溫室能夠蓄積更多的熱能， 適合果蔬生長的干物質積累，使作物收獲期提早、產量 增加。 A 溫室散熱速率穩(wěn)定，從而番茄果實形狀較均勻。 溫室內溫度和光照對番茄的產量和果實外形有著至關重 要的影響。  該墻體溫室在北疆察縣已建成生產 2 a，經歷了風雪 和生產考驗，墻體未出現坍塌和垮裂等問題，也驗證了 該砌塊滿足用做日光溫室墻體材料的抗壓和承重要求。  4  結  論  該文采用麥殼砂漿砌塊代替普通紅磚建設砂漿砌塊+ 紅磚復合墻體試驗溫室（A溫室） ，與磚混墻體溫室（B溫 室）對比，結合溫室內溫度和番茄栽培產量測試結果，研 究了麥殼砂漿砌塊復合墻體日光溫室的熱性能和生產性 能，得出結論如下：  1）麥殼砂漿砌塊采取合理配比：水泥 35%，粘合劑 4%，麥殼 2.5%，砌塊抗壓強度為 5.3 MPa，導熱系數為 0.774 W/(m.k)，滿足用作日光溫室墻體的承重和熱性能要 求，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的紅磚建設日光溫室墻體。有利于節(jié)約 土地資源、實現沙土和麥殼秸稈的綜合利用，是戈壁沙漠 區(qū)日光溫室墻體材料的新探索。  2）冬季極限最低溫20.8 時，A 溫室較 B 溫室夜 間室溫提高 4.3 ，出現最低室溫時間延遲 42 min， A溫 室熱性能優(yōu)于 B 溫室，能夠蓄積更多的熱能且散熱速率 穩(wěn)定。  3）A溫室較 B 溫室栽培的番茄收獲期早 16 d，單棚 產量高 18.4%。該砌塊復合墻體可以有效改善日光溫室 內作物生長環(huán)境，能滿足喜溫、喜光果菜生長，且適合 果蔬生長的干物質積累，從而使果蔬收獲提前、產量增 加、果實外形均勻。且該砌塊墻體溫室經歷住了風雪載 荷和生產考驗。  該試驗沒有進一步分析該砂漿砌塊復合墻體蓄積的 熱量，今后在研究中將著重研究復合結構墻體蓄熱，從 而進一步揭示墻體蓄熱與作物產量間的關系。  參  考  文  獻  1 王浩，宋羽，王強. 新疆戈壁設施少土栽培技術初探J. 中國園藝文摘，2011，27(11)：133134.  2 王偉，張京社，王引斌. 我國日光溫室墻體結構及性能研 究進展J. 山西農業(yè)科學，2015，43(4)：496498.  Wang Wei, Zhang Jingshe, Wag Yinbin. 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