武汉科技大学李涛ATE：基于纳米流体光谱分频的玻璃温室围护结构光热性能

论文信息：

T. Li, S. L. Shi, J. Q. Y. Ma, Y. Yuan, Q. J. Mao, Photothermal performance of glass greenhouse envelope structures based on dynamic nanofluid spectral splitting. Applied Thermal Engineering, 279, 127865 (2025).

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.127865

研究背景

在温室围护结构中填充纳米流体并采用光谱分频技术可提升隔热性能，进而提高作物产量。本研究搭建了缩小比例的温室模型，其围护结构采用动态纳米流体填充，用于分析该结构的隔热与集热性能。为优化动态纳米流体温室围护结构提供了实践指导，通过平衡降温与太阳能集热，助力提高作物产量。通过对不同围护结构设计分析，本研究也为节能型温室的研发提供了参考。

研究内容

在玻璃温室南立面设置了梯度厚度为4 mm、8 mm和12 mm的纳米流体层，屋顶则固定采用10 mm纳米流体层。实验原理与装置如图1所示。本实验选用的是浓度为50 ppm的铯钨氧化物（CWO，CsₓWO₃）@二氧化钛（TiO₂）混合纳米流体。当太阳辐射全光谱照射到纳米流体层时，可见光直接穿透该层进入玻璃温室内部，为作物生长提供必要的光照条件。值得注意的是，近红外光被纳米流体层有效捕获。纳米流体通过吸收、散射与反射作用，使纳米颗粒高效捕获近红外光的能量，抑制近红外辐射向室内穿透，从而实现室内降温效果。与此同时，纳米流体通过热循环系统将吸收的热量传递至室外换热器。收集到的热能可进一步用于温室供暖、发电、生活热水供应等场景，实现热能的高效利用。

图1.系统原理与应用

为开展测试，本研究在中国武汉某建筑屋顶搭建了实验装置。玻璃温室模型尺寸为0.8 m（长）×0.6 m（宽）×0.5 m（高），南立面面积0.4 m²，屋顶面积0.48 m²。为系统评估不同围护结构的性能，实验于2024年9月开展了为期六天的递进式测试。本研究采用的实验系统主要由四个部分组成：不同围护结构的玻璃温室、集热装置、流体循环系统及数据采集系统。图2为实验循环系统示意图。实验设置了未填充纳米流体的空白对照组，该组不接入循环系统。各温室通过水平协同控制系统并联连接，可通过阀门切换控制不同实验工况。

图2.实验循环流程图

如图3所示，实验组与对照组的最大温差均出现在测试首日：南立面夹层厚度为4 mm、8 mm 和12 mm时，温差分别达到13.8 ℃、15 ℃和 17.6 ℃。由于纳米流体处于动态循环状态，低温流体持续替换夹层内的升温流体，导致实验组出现更明显的温度波动。与对照组温度平稳上升的趋势相比，这种动态传热增强了降温效果。然而，当午后太阳辐射减弱时，部分实验组的室内温度短暂超过对照组，这是因为正午强辐射期间纳米流体中蓄积的热量，会通过内侧玻璃表面释放到室内。该现象在12 mm厚夹层中最为显著，其蓄热能力更强，部分抵消了降温效果。由于纳米流体直接吸收太阳辐射，实验组的外表面温度显著高于对照组。南立面夹层厚度为4 mm、8 mm 和12 mm时，夹层板外表面的最大温差分别为7.1 ℃、9.8 ℃和11.1 ℃。内表面与室内环境直接接触，因此其温度变化趋势与室内温度高度一致，对应内表面的最大温差分别为13.1 ℃、17 ℃和19.5 ℃，其中12 mm厚夹层的温差最大。

图3. 南立面结构的热环境参数。

图4对比了不同南立面厚度的单位面积集热性能，呈现了最大、平均及总集热效率。数据显示，8 mm厚南立面的集热性能最优：平均集热效率达32.4%，单位面积集热功率为149.9 W/m²，较4 mm夹层分别高出 3.2%和10.1 W/m²，较12 mm夹层分别高出5.3%和20 W/m²。此外，8 mm厚度的最大集热量（123.2 W）与平均集热量（60 W）均高于另外两种厚度。这一优异性能是由于8 mm纳米流体层的最优厚度，该厚度可促进高效传热。夹层内的纳米流体可吸收充足的近红外光，同时循环系统确保低温流体持续流入、升温流体及时导出以进行换热。这一过程形成了高效的换热循环，进而提升了集热效率与集热能力。

图4.南立面结构集热。

图5展示了南立面与屋顶复合围护结构的实验组与空白对照组的温度变化对比。实验结果表明，复合结构的降温性能优于单一南立面结构。南立面夹层厚度为4 mm、8 mm 和12 mm时，实验组与对照组的室内最大温差分别达19.8 ℃、22.1 ℃和 24 ℃。这些最大温差均出现在正午前后，与太阳辐射最强时段一致。然而，与第一阶段实验类似，午后太阳辐射减弱时，实验组室内温度逐渐超过对照组，且这种温度反转现象随南立面厚度增加愈发显著，在12 mm厚度时达到峰值。这是因为屋顶夹层的加入增强了纳米流体的蓄热能力，当夹层温度高于室内温度时，蓄积的热量会通过内侧玻璃表面传入室内，导致其升温效果比单一南立面结构更明显。如图6所示，该图对比了不同配置的单位面积集热性能。数据显示，8 mm厚南立面的集热能力最优：平均集热效率达 36.4%，单位面积集热功率为233 W/m²，较4 mm夹层分别高出 2.3% 和30 W/m²，较12 mm夹层分别高出4.6% 和 43W/m²。其中，8 mm厚度的最大集热量为410W，平均集热量为 205.04 W，均显著高于另外两种厚度。这一优势源于8 mm夹层在传热与太阳能吸收之间的最优平衡：动态循环系统可及时导出升温流体进行换热，而适中的流体层厚度能确保太阳能有效留存。该设计既避免了薄层纳米流体吸收不足的问题，又解决了厚层易积热的弊端，实现了集热效率与总集热量的双重优化。

图5.南立面及屋顶结构的热环境参数。

图6.南立面和屋顶的结构集热。

实验第6天，本实验开展了三组对比测试：单一8 mm南立面结构组、8 mm南立面+10 mm屋顶复合结构组，以及空白对照组，实验结果如图7所示。随着太阳辐射增强，空白对照组与两组纳米流体填充结构的室内温差逐渐扩大。复合结构得益于南立面与屋顶的协同隔热效应，降温性能优于单一南立面结构。然而，午后太阳辐射减弱时，两组实验组的纳米流体夹层会通过内表面向室内释放蓄积的热量，导致实验组室内温度升至对照组之上。此外，由于屋顶蓄热层的叠加效应，复合结构的升温现象更为显著。图8对比了单一南立面结构与南立面-屋顶复合结构的最大集热量、平均集热量、平均集热效率及单位面积集热功率。得益于两个吸热面的协同效应，复合结构的集热性能优于单一结构。这一提升源于复合结构扩大了吸热面积，通过屋顶与南立面的纳米流体夹层形成三维吸热面，同时动态循环系统增强了导热效率与蓄热能力。

图7.不同结构的热环境参数。

图8.两种类型的结构集热。

结论与展望

综上所述，为探究温室围护结构的隔热与集热性能，本研究在中国武汉搭建了实验台，采用对比实验，南立面纳米流体层厚度为4 mm、8 mm和12 mm的三种配置，同时固定屋顶纳米流体层厚度为10 mm。对三种不同厚度南立面的对比分析表明：仅在单一南立面填充纳米流体的实验中，8 mm厚的南立面填充层实现了降温效果与集热效率的最优平衡；新增10 mm厚屋顶夹层后，复合结构通过多围护结构的协同作用，进一步提升了降温幅度与总集热量，为支撑温室太阳能热调控系统的优化设计提供了关键参数。