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  • ISSN 1000-0240 
  • 创刊于1979年
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国科学院寒区旱区
  •                  环境与工程研究所
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冰川冻土, 2021, 43(4): 1253-1266 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0080

冰冻圈技术

河北省张家口市崇礼区储雪试验的先期评估

杨淑萍,1,2,3, 韩海东,1,2, 王飞腾2, 毕研群2,3, 王兴2,3

1.中国科学院 西北生态环境资源研究院 内陆河流域生态水文重点实验室,甘肃 兰州 730000

2.中国科学院 西北生态环境资源研究院 冰冻圈科学国家重点实验室,甘肃 兰州 730000

3.中国科学院大学,北京 100049

Preliminary evaluation of snow storage in Chongli District, Zhangjiakou City, Hebei Province

YANG Shuping,1,2,3, HAN Haidong,1,2, WANG Feiteng2, BI Yanqun2,3, WANG Xing2,3

1.Key Laboratory of Ecohydrology of Inland River Basin,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

2.State Key Laboratory of Cryospheric Science,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy Of Sciences,Lanzhou 730000,China

3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

通讯作者: 韩海东,副研究员,主要从事寒旱区水文与水资源研究. E-mail: hhd@lzb.ac.cn

编委: 庞瑜

收稿日期: 2019-10-17   修回日期: 2020-07-28  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41871055
冰冻圈科学国家重点实验室自主课题项目.  SKLCS-ZZ-2020

Received: 2019-10-17   Revised: 2020-07-28  

作者简介 About authors

杨淑萍,硕士研究生,主要从事应用冰雪研究.E-mail:yangshuping17@mails.ucas.ac.cn , E-mail:yangshuping17@mails.ucas.ac.cn

摘要

气候变暖导致的滑雪场营业时间变短和造雪成本升高、大型体育赛事用雪缺乏保障等问题日益突出,储雪是解决这些问题的有效措施之一。然而目前基于高效隔热结构和新材料的场地储雪技术研究稀缺,无法满足日益增长的滑雪赛事与娱乐需求。为筛选储雪的最优技术方案,基于不同的隔热材料和隔热结构,在河北省张家口市崇礼区万龙滑雪场设置了四个建造成本可比的储雪堆,开展储雪试验。通过2019年2月21日—3月1日不同储雪堆隔热层的温度、雪面热流通量等数据的分析,对雪堆的储雪效果及性能进行先期评估。试验结果表明:从主要隔热结构外侧、内部、内侧到积雪表面,温度波动逐渐减小,不同隔热结构的隔热性能差异逐渐凸显;在四个储雪堆中,真空夹层储雪堆隔热效果最好,厚层聚氨酯储雪堆次之,多层中空储雪堆再次之,真空绝热板储雪堆隔热效果最差。根据试验结果,建议储雪使用真空夹层隔热结构以及较厚的隔热材料。

关键词: 储雪 ; 隔热材料 ; 隔热结构 ; 隔热性能

Abstract

Snow storage is one of the effective measures to solve the problems caused by climate warming, such as shorter operation time of ski resorts, higher snow production cost and lack of snow guarantee for large-scale sports events. However, there is a shortage of research on snow storage technology based on efficient thermal insulation structures and new materials, which cannot meet the increasing demand for skiing events and entertainment. In order to select the optimal technical scheme for snow storage, four snow storage banks with comparable construction costs were set up in Wanlong Ski Resort in Chongli District, Zhangjiakou City, Hebei Province, based on different thermal insulation materials and thermal insulation structures. The results show that: from the outside, inside and inside of the main heat insulation structures to the snow surface, the temperature fluctuation decreases gradually, and the difference of heat insulation performance of different heat insulation structures is gradually. Among the four snow banks, the vacuum interlayer in snow bank had the best thermal insulation effect, followed by the thick layer polyurethane snow bank, the multi-layer hollow snow bank, and the vacuum insulating plate had the worst thermal insulation effect. According to the test results, it is recommended to use vacuum sandwich insulation structures and thick insulation material for snow storage.

Keywords: snow storage ; insulation materials ; thermal insulation structure ; thermal insulation effect

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本文引用格式

杨淑萍, 韩海东, 王飞腾, 毕研群, 王兴. 河北省张家口市崇礼区储雪试验的先期评估[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1253-1266 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0080

YANG Shuping, HAN Haidong, WANG Feiteng, BI Yanqun, WANG Xing. Preliminary evaluation of snow storage in Chongli District, Zhangjiakou City, Hebei Province[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2021, 43(4): 1253-1266 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0080

0 引言

受气候变化的影响1,全球范围内的建筑物制冷需求大大增加,滑雪场和其他冬季行业的利益也受到较大威胁2-4,一些大型冬季体育赛事甚至被取消,而储雪是解决这些问题的重要手段5。两千年前,古希腊人把冰雪放在谷仓里,表面覆盖锯屑,用于冷藏食物和房间制冷6。近年来,能源危机和气候变暖不断加剧,一些国家和地区开始研究储雪技术,在斯堪的纳维亚半岛、阿尔卑斯山、北美、日本等地取得了一定的进展7-8

雪可以储存在排水良好、背光的户外、室内、浅坑以及地下9。自然雪和人造雪都可以被储存,但人造雪易于获取、密度高、耐候性强,因此储存更为普遍10。现有的存储方式主要是在表层覆盖树皮、木屑、稻壳、泡沫、铝箔等隔热材料11-12。欧洲阿尔卑斯山地区的一些国家通过储雪来延长滑雪场营业时间,以获得更多的商业收益13。瑞典中部的松兹瓦尔医院从2000年开始就通过在浅坑中储雪,在雪表层覆盖木屑,来满足医院的制冷需求14。索契冬奥会为保证赛事用雪安全,在雪堆表面覆盖了土工布、泡沫、铝箔5,提前一年储存了45×104 m³的雪15。研究表明雪堆表面覆盖隔热材料可以使雪堆经过一个储雪季后仍能保存2/3的雪量16。Lintzén等5发现表面融化是雪堆融化的主要部分,约占总融雪量的80%。Grünewald等16发现短波辐射是导致隔热材料下雪堆融化的主要能量来源。然而,即便在积雪存储方面具有丰富实践经验与知识储备的瑞典、日本、加拿大、美国等国家17,储雪方案的制定也以经验判断为主,理论计算体系亦不完备518。在北欧的许多国家,由于夏季较短,平均气温较低,储雪相对容易19,而在中低纬地区,夏季较长,储雪成本高,较难实现投入与产出的平衡。为促进我国冰雪产业的发展,特别是保障大型滑雪赛事的用雪安全,有必要对我国北方气候环境下长期储雪的技术方法进行深入探讨,以科学的雪堆隔热结构和新兴的隔热材料为基础,建立适用于中低纬度地区储雪的优化方案。

本文在雪堆建设成本基本相同的情况下,基于不同的隔热材料和雪堆建筑结构,设计了四个小型储雪堆,在河北省张家口市崇礼区万龙滑雪场进行了储雪试验。通过观测不同隔热层之间的温度及雪面热通量变化,对2019年1月至2月的储雪试验结果进行分析,以对储雪堆的有效性、隔热材料适用性和隔热结构合理性进行探讨。

1 试验方案

1.1 试验地点

储雪试验地点位于河北省张家口市崇礼区,该区是中国滑雪产业发展的龙头区,至今已有20余年的滑雪产业发展历史,先后承办了国际远东杯滑雪赛、国际雪联高山滑雪积分赛等大型国际滑雪赛事20。万龙滑雪场位于崇礼区红花梁,占地面积30 km2,最高海拔2 110.3 m,垂直落差550 m21,冬季平均气温-12 ℃,年降水量488 mm22。滑雪场硬件设施好、开放时间早、认可度高,且冬季雪量大、雪期长、雪质好,在坡向、坡度、垂直落差、空间体量以及温度、气候等方面,非常适合开展冬季竞技体育项目23,因此具有较高代表性和研究意义。试验场地在万龙滑雪场山底的蓄水池旁(图1),水源充足,方便造雪;地势较为平坦,有利于雪的堆积;靠近公路,交通方便,便于试验所需物品的运输,易于储雪试验的开展。雪堆旁边架设气象仪器,用于气温、辐射等气象要素的观测(表1)。

图1

图1   万龙滑雪场储雪试验地点

Fig.1   Position of snow storage site in Wanlong Ski Resort


表1   传感器参数

Table 1  Sensor parameters

参数仪器名称及型号精度测量范围制造商
雪堆重量悬臂梁式称重传感器HZC-30A0.3‰ F·S0~200 kg蚌埠传感器系统工程有限公司
雪堆密度雪特性仪Snow Fork/0~0.6 g·cm-3芬兰Toikka
雪堆含水量雪特性仪Snow Fork/0~10%芬兰Toikka
雪堆温度手持式数字温度计JM222L0.1 ℃-50~300 ℃天津今明仪器有限公司
隔热层温度防水简式温度传感器PT100±0.15 ℃-100~260 ℃余姚市腾辉温控仪表厂
雪面热通量热流传感器HF-11 W·m-2-500~500 W·m-2锦州阳光气象科技有限公司
气温温湿度传感器HC2S3±0.1 ℃-40~ 60 ℃瑞士Rotronic
相对湿度温湿度传感器HC2S3±0.5%0~100%瑞士Rotronic
太阳辐射四分量辐射CNR4±1.0%

短波300~2 800 nm,

长波4.5~42 μm

Kipp and Zonen

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1.2 雪堆隔热结构

本文选择多种隔热材料,设计了四个不同隔热结构的储雪堆,分别为:多层中空储雪堆、真空夹层储雪堆、STP储雪堆、厚层PU储雪堆。具体隔热方案如图2所示

图2

图2   储雪堆隔热结构

Fig.2   Thermal insulation structure of snow storage


(1) 多层中空隔热方案

首先在雪堆各面的几何中心分别布设4个温度传感器,传感器埋设深度1 cm,并在雪堆南面的几何中心安装1个热流传感器(表1),用于观测雪面与隔热层的热流通量。其他储雪方案中雪面温度和热流传感器的安装与此相同。雪面传感器布设完成后,铺设隔热材料。首先在雪面上铺设土工布,它具有较强的抗拉性和导水性,用于隔离雪和隔热材料为前面用于,使储雪堆受荷载能力增强24;之上铺设镜面反射膜,它属于热反射型隔热材料,主要通过热反射减少辐射传热25,具有高反射率、低发射率等特点,用作多层隔热材料中的反射屏和绝热结构的外保护层26;之上再铺设多层中空隔热结构——由3 cm厚硬质PU龙骨支撑的双层7 cm厚覆铝膜硬质PU隔热板。PU隔热板属于传统的高密度多孔隔热材料,主要通过材料本身良好的绝热性能和内部大量的封闭气泡进行隔热,是当前最优异的商用有机保温材料,在保温节能工程中被广泛使用27-2932表2)。在多层中空隔热结构各层的几何中心分别布设温度传感器,用于观测主要隔热结构的温度变化。然后使用聚氨酯填缝剂对接缝处进行填充处理。最后铺设表层镜面反射膜和白色遮阳网,其中镜面反射膜主要用于反射大部分太阳辐射,白色遮阳网起到防风、隔离镜面反射、通风散热、降低表面温度、反射部分太阳短波辐射的作用30

表2   主要隔热材料物理参数33-34

Table 2  Features of main insulation materials33-34

隔热材料导热系数/(W·m-1·K-1蓄热系数/(W·m-2·K-1密度/(kg·m-3成本/(元·m-3
挤塑聚苯乙烯隔热板(XPS)0.030.5430950
硬质聚氨酯隔热板(PU)0.0240.36401 100
超薄真空绝热板(STP)<0.0081.2045010 600

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(2) 真空夹层隔热方案

雪堆之上先后铺设镜面反射膜、土工布、镜面反射膜,再铺设真空夹层隔热结构,它的主体是由高强度聚乙烯棚膜及土工布包裹的双层5 cm厚PU隔热板,内夹3 cm厚覆反射膜玻璃钢栅格板,外层聚乙烯棚膜塑封抽取真空(真空度:-0.07 MPa),其中玻璃钢栅格主要起到承压和形成真空夹层的作用,土工布可保护棚膜。真空夹层隔热结构各面的几何中心分别布设温度传感器,并使用聚氨酯填缝剂对底部的接缝处进行填充处理。最后铺设镜面反射膜、土工布、镜面反射膜和白色遮阳网。

(3) STP隔热方案

雪面上铺设一层镜面反射膜,然后铺设由5 cm厚PU隔热板、2 cm厚超薄真空绝热板(STP绝热板)组成的STP隔热结构。STP绝热板为新型无机隔热材料31,通过无机纤维布包裹的高真空度低热导率无机芯材隔离热量传输,导热系数更小32表2)。STP隔热结构层间各面的几何中心同样布设温度传感器并进行填缝处理。雪堆外层铺设土工布以保护STP绝热板。最后铺设镜面反射膜和白色遮阳网。

(4) 厚层PU隔热方案

雪面上依次铺设土工布、镜面反射膜,然后铺设10 cm厚PU隔热板、镜面反射膜、10 cm厚PU隔热板组成的厚层PU隔热结构,同时在厚层PU隔热结构各层及各面几何中心分别布设温度传感器,并进行填缝处理。最后铺设镜面反射膜和白色遮阳网。

1.3 储雪堆设置

储雪堆初始形状为东西走向的楔体16图3),为保证四个储雪堆初始质量相同,利用称重传感器对其进行测量(表1),具体操作如下:在两块1.22 m×2.44 m规格玻璃钢栅格之间的四个角分别安装称重传感器,并使其保持水平。上层玻璃钢栅格铺设两层10 cm厚挤塑聚苯乙烯隔热板(XPS隔热板)作为雪堆底部隔热层。XPS隔热板具有致密的表层和闭孔结构,抗压防潮、导热系数低,密度小,成本低、绿色环保,具有较好的保温隔热性能33表2),因此在保温节能工程中被广泛使用。在搭建好底座后堆砌雪堆,初始属性见表3。四个储雪堆初始质量及形状尺寸基本相同,质量均为176.70 kg;长边平均长度为2.01 m,平均坡度为50.73°;短边平均长度为0.81 m,平均坡度为61.32°;雪堆平均高度为0.46 m。由于密度、含水率及雪堆初始温度影响雪内热量传输及雪堆的稳定性35,所以利用Snow Fork雪特性分析仪36和手持式数字温度计对其进行测量(表1)。STP储雪堆的密度最小,只有350 kg·m-³;而厚层PU储雪堆的雪密度最大,达到了490 kg·m-³。STP储雪堆的含水率最大,达到了4.06%;厚层PU储雪堆的含水率最小,只有2.57%。四个雪堆初始温度相差不大,平均为-12.2 ℃。

图3

图3   储雪堆初始形状

Fig.3   Snow pile initiation


表3   储雪堆初始属性

Table 3  Initial properties of snow storage

属性

多层中空

储雪堆

真空夹层

储雪堆

STP

储雪堆

厚层PU

储雪堆

质量/kg176.70176.70176.70176.70
高度/m0.460.450.480.44
长边边长/m2.002.012.042.00
短边边长/m0.790.850.840.77
长边坡度/(°)50.8049.8551.2551.05
短边坡度/(°)60.5062.7561.0561.00
密度/(kg·m-³)450460350490
含水率/%3.423.254.062.57
初始温度/℃-11.26-12.18-13.16-12.20

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2 数据分析

就储雪堆而言,外界气温和辐射可视为周期性变化,隔热结构的传热过程则视为周期性的非稳态传热37,因此可通过隔热层及雪面的峰值温度、振幅及相位变化,辅以热流通量数据,对储雪结构的隔热效率进行分析。本文仅对2月21日至3月1日储雪试验的结果进行初步评估。

2.1 延迟时间和峰值温度分析

延迟时间和峰值温度作为隔热性能评价的重要指标,能够真实的反映隔热性能38。热量在经过主要隔热结构到达雪面的过程中,不同隔热结构的外侧、内部、内侧以及雪面的温度波相位逐渐向后推演,隔热结构不同层位出现最高温度的时刻与外侧温度出现最高温度的时刻之差称为温度波穿过隔热材料的延迟时间37,它反映了热作用穿透隔热结构的时间长短。延迟时间越长、峰值温度越低,则隔热性能越好39

需要指出的是,由于最外侧的遮阳网为网状,传感器在其上很难固定,同时遮阳网质地柔软、附着在龙骨之上,受当地恶劣大风天气影响剧烈,传感器难以长期固定在其上,所以未观测遮阳网表面温度。但是各储雪堆外侧均采用了“遮阳网+镜面反射膜”的结构,四个储雪堆同一方位最外侧镜面反射膜之下的观测温度在延迟时间分析和衰减倍数分析中,具有与最外侧温度相同的参考价值,所以本文使用各储雪堆最外侧镜面反射膜下的观测温度平均值替代表面温度,进行雪堆隔热性能的评估。

2.1.1 主要隔热结构外侧温度分析

图4所示,雪堆外侧平均温度除北面外,其余三个朝向主要隔热结构外侧白天平均温度均明显高于同期气温,夜间温度均明显低于同期气温,温度的变化幅度较大。不同朝向峰值温度(表4)排序依次为:南面(20.45 ℃)>东面(18.72 ℃)>西面(8.19 ℃)>北面(-0.09 ℃)。不同朝向振幅(表4)排序依次为:南面(35.01 ℃)>东面(30.84 ℃)>西面(22.56 ℃)>北面(13.89 ℃)。这说明南面峰值温度最大且波动剧烈,东面、西面次之,北面最小。东面、南面、西面的峰值时间随着太阳方位的变化不断向后推延(表4)。

图4

图4   2月下旬万龙滑雪场主要隔热结构外侧平均温度变化

Fig.4   Average temperature changes outside the main insulation structures of snow piles in Wanlong Ski Resort in late February, 2019


表4   2月下旬万龙滑雪场隔热结构外侧平均温度变化

Table 4  Average temperature changes outside the insulation structures of snow piles in Wanlong Ski Resort in late February, 2019

项目西
峰值温度/℃18.7220.458.19-0.09
振幅/℃30.8435.0122.5613.89
峰值时间/h10.8711.7514.0013.37

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2.1.2 主要隔热结构内部温度分析

由于真空夹层隔热结构需要进行真空塑封处理,为避免漏气,未在真空夹层的内部布设温度传感器,其余三个隔热结构内部温度均明显低于外侧平均温度,并存在差异性变化(图5),其中STP隔热结构温度波动最大,且峰值温度明显高于其他结构。不同隔热结构南面峰值温度(表5)排序依次为:厚层PU隔热结构(2.78 ℃)<多层中空隔热结构(3.95 ℃)<STP隔热结构(11.65 ℃)。不同隔热结构南面延迟时间(表6)排序依次为:厚层PU隔热结构(3.75 h)>多层中空隔热结构(2.00 h)>STP隔热结构(1.12 h)。从隔热结构内部南面的峰值温度和延迟时间来看,厚层PU隔热结构内部温度最低,延迟时间最长,所以隔热效果最好;STP隔热结构内部温度最高、延迟时间最短,所以隔热效果最差。因此南面隔热效果由好到差依次为:厚层PU隔热结构、多层中空隔热结构、STP隔热结构。另外,如果以同一隔热结构东、南、西、北四个方向的平均值表征其总体隔热效果,那么总体隔热效果的排序与南面排序一致。

图5

图5   2月下旬万龙滑雪场主要隔热结构内部温度变化

Fig 5   Internal temperature changes of the main insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February, 2019


表5   2月下旬万龙滑雪场不同隔热结构内部峰值温度

Table 5  Internal peak temperature of different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February, 2019

不同隔热结构峰值温度/℃
西平均值
多层中空隔热结构3.743.95-0.950.331.77
STP隔热结构6.6211.652.370.045.17
厚层PU隔热结构0.062.782.01-5.69-0.21

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表6   2月下旬万龙滑雪场不同隔热结构内部的延迟时间

Table 6  Internal temperature delay time of different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February, 2019

不同隔热结构延迟时间/h
西平均值
多层中空隔热结构2.372.001.870.621.72
STP隔热结构2.121.121.870.251.34
厚层PU隔热结构3.873.750.873.002.87

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2.1.3 主要隔热结构内侧温度分析

主要隔热结构各朝向的内侧温度(图6)均显著低于外侧平均温度,且差异明显。不同隔热结构南面峰值温度(表7)排序依次为:真空夹层隔热结构(-10.66 ℃)<厚层PU隔热结构(-8.31 ℃)<多层中空隔热结构(-7.27 ℃)。不同隔热结构南面延迟时间(表8)的排序依次为:真空夹层隔热结构(5.75 h)>厚层PU隔热结构(5.62 h)>多层中空隔热结构(3.37 h)。所以从隔热结构内侧南面的温度峰值和延迟时间来看,隔热效果由好到差依次为:真空夹层隔热结构、厚层PU隔热结构、多层中空隔热结构。同样,以同一隔热结构四个不同方向的平均值表征的总体隔热效果排序基本与南面排序一致。

图6

图6   2月下旬万龙滑雪场主要隔热结构内侧温度变化

Fig.6   Temperature changes inside the main insulation structure in Wanlong Ski Resort in late February, 2019


表7   2月下旬万龙滑雪场不同隔热结构内侧峰值温度

Table 7  Peak temperature inside the different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February, 2019

不同隔热结构峰值温度/℃
西平均值
多层中空隔热结构-2.71-7.27-5.19-10.58-6.44
真空夹层隔热结构-9.83-10.66-8.58-11.56-10.16
厚层PU隔热结构-9.08-8.31-8.64-9.48-8.88

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表8   2月下旬万龙滑雪场不同隔热结构内侧的延迟时间

Table 8  Inside temperature delay time of different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February, 2019

不同隔热结构延迟时间/h
西平均值
多层中空隔热结构3.253.371.002.622.56
真空夹层隔热结构6.125.753.002.754.41
厚层PU隔热结构6.255.624.257.255.84

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2.1.4 积雪表面温度分析

雪面温度远低于外侧平均温度(图7),波动幅度明显减小。其中真空夹层隔热结构任何朝向雪面温度的波动都明显小于其他结构,并且雪面温度最低。这说明在四种不同的隔热结构中,真空夹层储雪堆隔热效果最好,受外界环境的影响最小。其余三个隔热结构南面峰值温度(表9)的排序依次为:多层中空隔热结构(-9.51 ℃)<厚层PU隔热结构(-9.36 ℃)<STP隔热结构(-9.09 ℃)。不同隔热结构南面延迟时间(表10)排序依次为:厚层PU隔热结构(10.25 h)>多层中空隔热结构(4.87 h)>STP隔热结构(4.25 h)。由于厚层PU隔热结构的延迟时间明显长于多层中空隔热结构且它们峰值温度几乎相等,所以厚层PU隔热结构的隔热性能强于多层中空隔热结构。四个隔热结构南面的隔热效果由好到差依次为:真空夹层隔热结构、厚层PU隔热结构、多层中空隔热结构、STP隔热结构。利用积雪表面数据分析得到的不同隔热结构总体隔热效果排序与南面排序一致。

图7

图7   2月下旬万龙滑雪场不同隔热结构积雪表面温度变化

Fig 7   Snow surface temperature changes of the different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February, 2019


表9   2月下旬万龙滑雪场不同隔热结构积雪表面峰值温度

Table 9  Peak temperature of snow surface of different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February, 2019

不同隔热结构峰值温度/℃
西平均值
多层中空隔热结构-8.43-9.51-8.63-9.67-9.06
STP隔热结构-7.96-9.09-8.41-9.67-8.78
厚层PU隔热结构-9.26-9.36-8.40-9.69-9.18

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表10   2月下旬万龙滑雪场不同隔热结构积雪表面温度的延迟时间

Table 10  Delay time of snow surface temperature of different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February, 2019

不同隔热结构延迟时间/h
西平均值
多层中空隔热结构5.624.872.503.124.03
STP隔热结构4.874.252.372.503.50
厚层PU隔热结构10.1210.255.009.628.75

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2.2 衰减倍数分析

衰减倍数作为隔热性能评价的另一个重要指标,是指隔热结构外侧温度的振幅与雪面温度振幅之比,文中用真空夹层储雪堆、STP储雪堆和厚层PU储雪堆最外侧镜面反射膜下的平均观测温度替代了隔热结构外侧温度。衰减倍数反映了隔热结构抵抗外界热作用的能力,该值越大,说明隔热结构的隔热性能越好38

真空夹层隔热结构的雪面温度波动非常小,几乎呈一条直线,所以在四个不同保温结构的储雪堆中,真空夹层储雪堆的衰减倍数最大,隔热性能最好(图7)。其余三个储雪堆的衰减倍数计算结果如表11所示。对于储雪堆的南面来说,厚层PU隔热结构的储雪堆衰减倍数较大,达到了44.40;多层中空储雪堆的衰减倍数与厚层PU储雪堆衰减倍数相差较大,为37.96;STP储雪堆的衰减倍数最小,只有22.72。这说明真空夹层储雪堆隔热性能最好,其次为厚层PU储雪堆,再次为多层中空储雪堆,最差的为STP储雪堆。不同隔热结构总体衰减倍数的平均值排序也与南面得出的结果一致。这与延迟时间和峰值温度分析得出的结论一致。

表11   2月下旬万龙滑雪场不同隔热结构储雪堆的衰减倍数

Table 11  Attenuation multiples of snow piles with different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February, 2019

不同隔热结构衰减倍数
西平均值
多层中空隔热结构22.0537.9616.0017.6023.40
STP隔热结构16.3422.7212.1112.2915.86
厚层PU隔热结构33.5844.4018.0718.0728.53

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2.3 热流通量变化分析

热流通量对于评估隔热结构性能具有重要意义40,而热流传感器是研究热流通量的重要传感元件41表1)。通过热流通量的计算公式:热流通量=修正系数×热电势,得到每个储雪堆南面的热流通量变化(图8)。储雪堆南面热流通量呈现周期性变化趋势,在同样的外界环境下,经过不同的隔热结构到达南面雪面的热流通量中,多层中空储雪堆热流通量的振幅最小,真空夹层储雪堆次之,再次为厚层PU储雪堆,STP储雪堆最大。为了比较不同隔热结构的隔热性能,计算得到不同隔热结构的平均热流通量(表12),真空夹层储雪堆平均热流通量最小,只有46.90 W·m-2;其次为多层中空储雪堆和厚层PU储雪堆;平均热流通量最大的储雪堆为STP储雪堆,达到了49.76 W·m-2。所以隔热性能由好到差依次为:真空夹层储雪堆、多层中空储雪堆、厚层PU储雪堆、STP储雪堆。这与之前通过温度数据比较得到的结果稍微有一点出入,这可能与热流传感器易受接触雪面微小起伏的影响有关42

图8

图8   2月下旬万龙滑雪场不同储雪堆南面雪面热流通量

Fig.8   Variation of heat flux on the south surface of snow piles with different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February, 2019


表12   2月下旬万龙滑雪场储雪堆南面热流通量的平均值

Table 12  Average of heat flux on the south of snow piles with different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February, 2019

隔热结构热流通量平均值/(W·m-2
多层中空隔热结构47.15
真空夹层隔热结构46.90
STP隔热结构49.76
厚层PU隔热结构47.50

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3 讨论

热的传输途径包括传导、辐射和对流,因此雪堆隔热层的设计必须最大程度的抑制这三种途径的热传输,特别是热传导和辐射传热43。下文就各储雪堆设计的基本思路、优势与缺陷、初步效果、改进措施等进行讨论。

3.1 储雪堆共同设置

本试验中,各储雪堆均采用了遮阳网+镜面反射膜的组合作为隔热表层结构,采用镜面反射膜+土工布(STP隔热结构只铺设了镜面反射膜)的组合作为隔热底层结构。

储雪堆外表面是热量输入的主要途径,采用高效的隔热材料形成第一道热阻,显著地削弱最初的热量输入尤为重要44。本试验中,遮阳网为白色6针高密度聚乙烯编制网,当太阳辐射投射到遮阳网上时,大于30%的短波辐射将被反射回大气,约50%辐射将被吸收从而使遮阳网温度升高,剩下约20%透过遮阳网到达下层镜面反射膜30。遮阳网与镜面反射膜之间由PU隔热板残料隔开,形成5~8 cm厚度的空间,其作用有三个:(1)迫使遮阳网吸收的太阳辐射热以长波辐射的形式而不是热传导向内传输,降低了热的传输效率;(2)在白天,遮阳网吸收太阳辐射后温度高于下层隔热结构,从而使其下空气层形成逆温结构,不利于对流传热;(3)空气层的存在有利于表层热量的散失。遮阳网下层的镜面反射膜是塑基铝箔反射膜,反照率>93%,若直接作为储雪堆的最外层能够最大限度的反射太阳辐射,且具有很低的发射率(0.02)和导热系数(0.032 W·m-1·K-1),使储雪堆的热量输入达到最小25。但暴露的镜面反射膜会产生强烈的光污染,同时由于其抗拉强度较低,难以单独固定,抗风能力很弱。因此,本试验采用了遮阳网+镜面反射膜的表层组合,既能有效降低储雪堆的热量输入,又保证了隔热结构的稳固和雪堆的美观。此外,在延迟时间和衰减倍数的计算中,文中用三个雪堆最外侧镜面反射膜之下的平均温度替代了外侧遮阳网的温度。理论上不同储雪结构中同一方位的该温度相同,具有与遮阳网温度相同的作为外侧温度参考值的作用,因此这样的处理对隔热结果分析几乎没有影响。

从外侧温度的观测结果(图4)来看,外侧温度仍大幅高于气温,说明表层隔热结构仍有较大改进空间。综合储雪堆建设成本考虑,在保持应用材料和基本结构不变的情况下提出两种改进措施:(1)增加遮阳网与镜面反射膜间的距离,使表面空气层增厚,热量可随空气流通和自然对流快速散失,从而降低储雪堆表层温度;(2)由于镜面反射膜较为廉价且具有优良的反辐射性能,可采用薄层PU保温板分隔的多层镜面反射膜形成多层遮热板,能够有效地抑制辐射传热。

储雪堆隔热层底部的镜面反射膜主要起进一步抑制辐射传热的作用,此外可阻止雪堆与隔热层之间的水汽传输,避免隔热层吸水量增加使导热系数增大。土工布的敷设作用有所不同:多层中空隔热雪堆和厚层聚氨酯隔热雪堆的土工布敷设于积雪表面,用于吸收和排出雪面可能消融而生成的水分,从而保持雪堆较低的含水量和导热系数,同时土工布可增加雪堆的抗压强度;真空夹层隔热雪堆的底层土工布敷设于镜面反射膜之上,用于提高雪堆强度的同时保护真空隔热结构。

3.2 多层中空隔热结构

常温下的空气具有良好的保温隔热特性(0.026 W·m-1·K-1),虽然它的导热系数稍高于PU隔热板(0.024 W·m-1·K-1),但是它能够使储雪堆在几乎不增加成本的基础上较大幅度的提高隔热性能45。多层中空隔热结构的优势在于巧妙地利用龙骨支撑形成中空层减少能量的传递,具体表现为:(1)通过大量减少两层PU隔热板的接触来减少热传导;(2)白天外侧的PU隔热板吸收能量温度升高后,空气层形成稳定的逆温层,不利于对流;(3)两层PU隔热板都覆上低辐射率的铝箔,既可以抑制辐射传热,又可以阻止水分的传输43。但是最终多层中空储雪堆并没有达到较好的隔热效果,在四个储雪堆中仅优于STP储雪堆。这主要是由于在试验的过程中,底座的边界预留有限,为保证隔热结构的稳定性,龙骨仅设计了3 cm。同时,在铺设隔热层的过程中,大量使用了硬质PU隔热板,硬质的板块状隔热材料在施工时安装难度大,很难根据雪堆的形状进行调整,且板块之间的缝隙较多,即使使用了聚氨酯填缝剂进行填充处理,还是极大地减弱了隔热效果。

从观测数据来看,多层中空储雪堆的隔热性能还有很大的提升空间。首先在隔热材料的选择上,应尽量避免使用硬质的板块材料,建议使用软质的大块的隔热材料,如气凝胶毡(0.013~0.018 W·m-1·K-1)、珍珠棉(0.023 W·m-1·K-1)等,这样既可以降低施工难度,又可以提高保温效果。其次,针对空气层的导热和对流传热主要受空气层的厚度和空气层中空气导热系数的影响,建议:(1)增加空气层的厚度、增加空气层的层数或者在空气层中夹薄层遮热板;(2)改善空气层中气体的隔热性能,如在空气层中充以干燥剂来保证空气层的干燥度等。

3.3 真空夹层隔热结构

真空夹层储雪堆是通过抽真空的方法清除存留在密封棚膜空间里的气体,最大限度的提高真空度来减少气体的对流传热和传导传热46。在试验设计过程中,为了减少热传递和解决真空夹层承压的问题,在PU隔热板之间放置3 cm厚的玻璃钢栅格板。在其外侧覆一层镜面反射膜,来减少辐射换热。在铺设的过程中遇到了较多困难,如:(1)棚膜很薄易戳破,整个施工过程中都要十分小心;(2)棚膜边界不平整且有褶皱,塑封过程中两层棚膜易发生偏离,所以应尽量使其平整并按锯齿状进行塑封,这样既简单又牢固;(3)塑封机的温度设定较难确定,要根据塑封膜厚度以及环境温度不断进行调整,只有在适当的温度下使用塑封机,塑封粘合度才能更高、更平整、封边也会更美观;(4)抽真空操作较难,在抽真空之前,首先需要用充气的方法检查棚膜的密封性,在保证棚膜不漏气的情况下进行抽真空处理;在抽真空的过程中,尽量让真空泵的吸管口与外部空气隔离,还要保证在压力不断增大的情况下,棚膜能够承受相应的压力;在抽真空结束之后,尽快将抽气口进行塑封,避免空气进入。总之,真空夹层储雪堆施工难度明显高于其他雪堆。但是,在四个储雪堆中,真空夹层储雪堆隔热性能最好。这主要是因为较高的真空度减少了气体的对流传热和传导传热,同时棚膜的使用减少了PU隔热板缝隙之间能量的传递。

由于真空夹层储雪堆受到聚乙烯棚膜表面张力的限制以及无油真空泵的吸管与外界空气密闭性的限制,真空度只达到了-0.07 MPa,空气的导热系数仍大于0.02 W·m-1·K-1。这种情况下,热对流抑制较好,而热传导并没有得到很好的抑制,没有达到期望的效果。真空夹层隔热性能的提升措施包括:(1)用PO膜代替聚乙烯膜(PE),PO膜相对于PE膜具有更强的拉伸强度及抗撕裂强度,隔热性能更好,抗老化程度更强;(2)真空度还有很大的提升空间,真空度越高,隔热性能越好;(3)采用多层真空夹层组合的形式;(4)增加真空夹层的厚度;(5)在保证棚膜不漏气的情况下,在棚膜内冲入二氧化碳气体(导热系数0.014 W·m-1·K-1)、氩气(导热系数0.017 W·m-1·K-1)或其他导热系数低的气体进行隔热,这样既可有效解决夹层承压问题,也可直接用隔热材料做垫层;(6)闭孔率是衡量PU保温板绝热性能的重要指标,闭孔率越高,保温板的导热系数越低。而在本实验的真空层中用硬质PU板作为主要保温材料,则封闭气泡中的气体无法排出,隔热层的表观导热系数无法大幅度降低。因此在实践中,可利用高开孔率的PU保温板作为真空隔热结构的主绝热材料47

3.4 STP隔热结构

STP储雪堆的设计思路也是采用真空结构,与真空夹层隔热雪堆不同的是,这个雪堆采用了新型真空隔热材料——STP绝热板,它通过不良导体体芯破坏热传导、超强真空破坏热对流、铝箔结构反射热辐射,使导热系数低于0.008 W·m-1·K-1[32。由于STP绝热板的厚度只有2 cm,为了提高储雪效果同时遵循各雪堆建设成本相同的原则,在STP隔热板内侧铺设5 cm厚的PU隔热板,外侧铺设土工布以保护STP绝热板,防止破损漏气。在铺设的过程中,由于STP绝热板的封装边缘较硬以及面积较小,拼接安装比较困难,虽然使用了铝箔胶带对其进行了固定,但是结构整体稳定性较差,同时因为板与板之间接缝较多,缝隙传热较大,导致同样是真空结构的STP隔热雪堆在四个雪堆中效果最差。

STP隔热结构的改进主要以增加结构的稳定性以及减少缝隙传热为切入点,具体如下:(1)采用砂浆水泥对STP隔热板进行固定31-32,板与板之间相互压边粘贴,增加结构的稳定性;(2)采用无缝拼接技术,对成品板进行二次深加工处理,将现有的2.5 cm边缝缩小到0.3~0.5 cm,既确保了密封的稳定性,又有利于施工。

3.5 厚层PU隔热结构

厚层PU储雪堆的设计思路较常规,主要是通过简单的增加隔热层的厚度来减少热传递10。在试验中,将两层10 cm厚的PU隔热板叠加,并通过在每层上面铺设镜面反射膜来减少辐射换热。在铺设的过程中,施工较为简单,但同样存在着硬质隔热板敷设在应用中的困难。虽然此方案设计思路简单,但它的隔热性能仅次于真空夹层雪堆,隔热效果超过预期,这主要得益于隔热板的厚度较大。

厚层PU隔热雪堆的改进应主要着重于隔热材料的选择,例如使用软质的隔热材料气凝胶毡(0.013~0.018 W·m-1·K-1)、珍珠棉(0.023 W·m-1·K-1)等。

4 结论

为保障滑雪场按时营业、雪上赛事顺利举办,降低造雪的投资成本和运行成本,在前期进行储雪是非常必要的。尤其是在气候变暖、冰雪旅游业迅速发展的今天,储雪发挥的作用越来越明显,已成为滑雪场现代化雪管理的重要内容之一。

本文在保证雪堆建设成本基本相同的情况下,选取不同隔热材料、设计了四个不同隔热结构的储雪堆,在河北省崇礼区万龙滑雪场进行了小型的储雪试验。通过观测不同隔热层之间的温度变化及雪面热通量变化,对先期储雪试验结果进行了分析,探讨了各雪堆的储雪效果、隔热材料的适用性和隔热结构的合理性。

通过比较不同储雪堆的主要隔热层之间的峰值温度、延迟时间、衰减倍数以及雪面的热流通量,发现隔热结构外侧平均温度白天明显高于气温,内部、内侧、雪面温度远低于外侧平均温度;从主要隔热结构外侧、内部、内侧到积雪表面,温度波动逐渐减小,不同隔热结构的隔热性能差异逐渐凸显。试验表明,真空夹层储雪堆隔热性能最好,厚层PU储雪堆次之,多层中空储雪堆再次之,STP储雪堆隔热效果最差。真空夹层储雪堆虽然隔热效果最好,但施工较为困难,真空度仍有较大提升空间。厚层PU储雪堆隔热方案较为简单常规,隔热效果却超过预期,但存在着硬质隔热板敷设在应用中的困难。多层中空储雪堆由于中空层较薄、层数较少,以及大量的使用硬质隔热材料,隔热效果一般,但有很大的提升空间。STP储雪堆虽然使用了新型隔热材料,但由于安装问题,隔热效果远低于预期,应注重提高隔热结构整体的稳定性、减少缝隙传热。

作为储雪试验,本文仅对2019年2月底的先期储雪试验结果进行了分析,后续还需对获得的完整储雪试验数据进一步分析探讨。同时应建立基于物理方法的储雪数学模型,通过模型的方法估算出特定气候条件下雪堆的连续变化,并利用获得的试验数据进行模型的验证和改进。

随着新型隔热制冷技术的不断出现,将其运用到储雪中已成为一种必然的发展趋势。如利用太阳能新型制冷技术对雪堆进行主动制冷,或直接将制冷系统中的不凝气体和水分抽真空,利用真空制冷技术来提高储雪效果等。总之,无论使用何种储雪方案,都应以提高储雪效果、解决与储雪相关的环境和经济问题为目的。

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商萍君陈志胡汪洋.

太阳辐射下建筑外墙墙面材料隔热性能的实验研究

[J]. 制冷, 2003224): 1-5.

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Sun Ding.

The thermal performance analysis of closed square air layers in building materials

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孙丁.

建筑围护结构中封闭方腔空气夹层的热工性能研究

[D]. 湖南衡阳南华大学2013.

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Geng Caihong.

Research and application of STP ultra-thin insulation panels

[J]. Construction Science and Technology, 20113): 88-89.

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耿彩虹.

STP超薄绝热板的研究与应用

[J]. 建设科技, 20113): 88-89.

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BASF launches first ready-to-use high performance PU insulation board

[J]. Shanghai Chemical Industry, 20138): 38-38. [巴斯夫推出首款即用型高性能PU保温板 [J]. 上海化工, 20138): 38-38.]

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