楊淑萍， 韓海東， 王飛騰， 畢研群，3， 王 興，3

（1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點實驗室，甘肅蘭州730000；2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國家重點實驗室，甘肅蘭州730000；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

0 引言

受氣候變化的影響［1］，全球范圍內(nèi)的建筑物制冷需求大大增加，滑雪場和其他冬季行業(yè)的利益也受到較大威脅［2-4］，一些大型冬季體育賽事甚至被取消，而儲雪是解決這些問題的重要手段［5］。兩千年前，古希臘人把冰雪放在谷倉里，表面覆蓋鋸屑，用于冷藏食物和房間制冷［6］。近年來，能源危機和氣候變暖不斷加劇，一些國家和地區(qū)開始研究儲雪技術(shù)，在斯堪的納維亞半島、阿爾卑斯山、北美、日本等地取得了一定的進展［7-8］。

雪可以儲存在排水良好、背光的戶外、室內(nèi)、淺坑以及地下［9］。自然雪和人造雪都可以被儲存，但人造雪易于獲取、密度高、耐候性強，因此儲存更為普遍［10］?，F(xiàn)有的存儲方式主要是在表層覆蓋樹皮、木屑、稻殼、泡沫、鋁箔等隔熱材料［11-12］。歐洲阿爾卑斯山地區(qū)的一些國家通過儲雪來延長滑雪場營業(yè)時間，以獲得更多的商業(yè)收益［13］。瑞典中部的松茲瓦爾醫(yī)院從2000年開始就通過在淺坑中儲雪，在雪表層覆蓋木屑，來滿足醫(yī)院的制冷需求［14］。索契冬奧會為保證賽事用雪安全，在雪堆表面覆蓋了土工布、泡沫、鋁箔［5］，提前一年儲存了45×104m3的雪［15］。研究表明雪堆表面覆蓋隔熱材料可以使雪堆經(jīng)過一個儲雪季后仍能保存2/3的雪量［16］。Lintzén等［5］發(fā)現(xiàn)表面融化是雪堆融化的主要部分，約占總?cè)谘┝康?0%。Grünewald等［16］發(fā)現(xiàn)短波輻射是導(dǎo)致隔熱材料下雪堆融化的主要能量來源。然而，即便在積雪存儲方面具有豐富實踐經(jīng)驗與知識儲備的瑞典、日本、加拿大、美國等國家［17］，儲雪方案的制定也以經(jīng)驗判斷為主，理論計算體系亦不完備［5，18］。在北歐的許多國家，由于夏季較短，平均氣溫較低，儲雪相對容易［19］，而在中低緯地區(qū)，夏季較長，儲雪成本高，較難實現(xiàn)投入與產(chǎn)出的平衡。為促進我國冰雪產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是保障大型滑雪賽事的用雪安全，有必要對我國北方氣候環(huán)境下長期儲雪的技術(shù)方法進行深入探討，以科學(xué)的雪堆隔熱結(jié)構(gòu)和新興的隔熱材料為基礎(chǔ)，建立適用于中低緯度地區(qū)儲雪的優(yōu)化方案。

本文在雪堆建設(shè)成本基本相同的情況下，基于不同的隔熱材料和雪堆建筑結(jié)構(gòu)，設(shè)計了四個小型儲雪堆，在河北省張家口市崇禮區(qū)萬龍滑雪場進行了儲雪試驗。通過觀測不同隔熱層之間的溫度及雪面熱通量變化，對2019年1月至2月的儲雪試驗結(jié)果進行分析，以對儲雪堆的有效性、隔熱材料適用性和隔熱結(jié)構(gòu)合理性進行探討。

1 試驗方案

1.1 試驗地點

儲雪試驗地點位于河北省張家口市崇禮區(qū)，該區(qū)是中國滑雪產(chǎn)業(yè)發(fā)展的龍頭區(qū)，至今已有20余年的滑雪產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史，先后承辦了國際遠(yuǎn)東杯滑雪賽、國際雪聯(lián)高山滑雪積分賽等大型國際滑雪賽事［20］。萬龍滑雪場位于崇禮區(qū)紅花梁，占地面積30 km2，最高海拔2 110.3 m，垂直落差550 m［21］，冬季平均氣溫-12℃，年降水量488 mm［22］?；﹫鲇布O(shè)施好、開放時間早、認(rèn)可度高，且冬季雪量大、雪期長、雪質(zhì)好，在坡向、坡度、垂直落差、空間體量以及溫度、氣候等方面，非常適合開展冬季競技體育項目［23］，因此具有較高代表性和研究意義。試驗場地在萬龍滑雪場山底的蓄水池旁（圖1），水源充足，方便造雪；地勢較為平坦，有利于雪的堆積；靠近公路，交通方便，便于試驗所需物品的運輸，易于儲雪試驗的開展。雪堆旁邊架設(shè)氣象儀器，用于氣溫、輻射等氣象要素的觀測（表1）。

圖1 萬龍滑雪場儲雪試驗地點Fig.1 Position of snow storage site in Wanlong Ski Resort

表1 傳感器參數(shù)Table 1 Sensor parameters

1.2 雪堆隔熱結(jié)構(gòu)

本文選擇多種隔熱材料，設(shè)計了四個不同隔熱結(jié)構(gòu)的儲雪堆，分別為：多層中空儲雪堆、真空夾層儲雪堆、STP儲雪堆、厚層PU儲雪堆。具體隔熱方案如圖2所示

圖2 儲雪堆隔熱結(jié)構(gòu)Fig.2 Thermal insulation structure of snow storage

（1）多層中空隔熱方案

首先在雪堆各面的幾何中心分別布設(shè)4個溫度傳感器，傳感器埋設(shè)深度1 cm，并在雪堆南面的幾何中心安裝1個熱流傳感器（表1），用于觀測雪面與隔熱層的熱流通量。其他儲雪方案中雪面溫度和熱流傳感器的安裝與此相同。雪面?zhèn)鞲衅鞑荚O(shè)完成后，鋪設(shè)隔熱材料。首先在雪面上鋪設(shè)土工布，它具有較強的抗拉性和導(dǎo)水性，用于隔離雪和隔熱材料為前面用于，使儲雪堆受荷載能力增強［24］；之上鋪設(shè)鏡面反射膜，它屬于熱反射型隔熱材料，主要通過熱反射減少輻射傳熱［25］，具有高反射率、低發(fā)射率等特點，用作多層隔熱材料中的反射屏和絕熱結(jié)構(gòu)的外保護層［26］；之上再鋪設(shè)多層中空隔熱結(jié)構(gòu)——由3 cm厚硬質(zhì)PU龍骨支撐的雙層7 cm厚覆鋁膜硬質(zhì)PU隔熱板。PU隔熱板屬于傳統(tǒng)的高密度多孔隔熱材料，主要通過材料本身良好的絕熱性能和內(nèi)部大量的封閉氣泡進行隔熱，是當(dāng)前最優(yōu)異的商用有機保溫材料，在保溫節(jié)能工程中被廣泛使用［27-29，32］（表2）。在多層中空隔熱結(jié)構(gòu)各層的幾何中心分別布設(shè)溫度傳感器，用于觀測主要隔熱結(jié)構(gòu)的溫度變化。然后使用聚氨酯填縫劑對接縫處進行填充處理。最后鋪設(shè)表層鏡面反射膜和白色遮陽網(wǎng)，其中鏡面反射膜主要用于反射大部分太陽輻射，白色遮陽網(wǎng)起到防風(fēng)、隔離鏡面反射、通風(fēng)散熱、降低表面溫度、反射部分太陽短波輻射的作用［30］。

表2 主要隔熱材料物理參數(shù)［33-34］Table 2 Features of main insulation materials［33-34］

（2）真空夾層隔熱方案

雪堆之上先后鋪設(shè)鏡面反射膜、土工布、鏡面反射膜，再鋪設(shè)真空夾層隔熱結(jié)構(gòu)，它的主體是由高強度聚乙烯棚膜及土工布包裹的雙層5 cm厚PU隔熱板，內(nèi)夾3 cm厚覆反射膜玻璃鋼柵格板，外層聚乙烯棚膜塑封抽取真空（真空度：-0.07 MPa），其中玻璃鋼柵格主要起到承壓和形成真空夾層的作用，土工布可保護棚膜。真空夾層隔熱結(jié)構(gòu)各面的幾何中心分別布設(shè)溫度傳感器，并使用聚氨酯填縫劑對底部的接縫處進行填充處理。最后鋪設(shè)鏡面反射膜、土工布、鏡面反射膜和白色遮陽網(wǎng)。

（3）STP隔熱方案

雪面上鋪設(shè)一層鏡面反射膜，然后鋪設(shè)由5 cm厚PU隔熱板、2 cm厚超薄真空絕熱板（STP絕熱板）組成的STP隔熱結(jié)構(gòu)。STP絕熱板為新型無機隔熱材料［31］，通過無機纖維布包裹的高真空度低熱導(dǎo)率無機芯材隔離熱量傳輸，導(dǎo)熱系數(shù)更?。?2］（表2）。STP隔熱結(jié)構(gòu)層間各面的幾何中心同樣布設(shè)溫度傳感器并進行填縫處理。雪堆外層鋪設(shè)土工布以保護STP絕熱板。最后鋪設(shè)鏡面反射膜和白色遮陽網(wǎng)。

（4）厚層PU隔熱方案

雪面上依次鋪設(shè)土工布、鏡面反射膜，然后鋪設(shè)10 cm厚PU隔熱板、鏡面反射膜、10 cm厚PU隔熱板組成的厚層PU隔熱結(jié)構(gòu)，同時在厚層PU隔熱結(jié)構(gòu)各層及各面幾何中心分別布設(shè)溫度傳感器，并進行填縫處理。最后鋪設(shè)鏡面反射膜和白色遮陽網(wǎng)。

1.3 儲雪堆設(shè)置

儲雪堆初始形狀為東西走向的楔體［16］（圖3），為保證四個儲雪堆初始質(zhì)量相同，利用稱重傳感器對其進行測量（表1），具體操作如下：在兩塊1.22 m×2.44 m規(guī)格玻璃鋼柵格之間的四個角分別安裝稱重傳感器，并使其保持水平。上層玻璃鋼柵格鋪設(shè)兩層10 cm厚擠塑聚苯乙烯隔熱板（XPS隔熱板）作為雪堆底部隔熱層。XPS隔熱板具有致密的表層和閉孔結(jié)構(gòu)，抗壓防潮、導(dǎo)熱系數(shù)低，密度小，成本低、綠色環(huán)保，具有較好的保溫隔熱性能［33］（表2），因此在保溫節(jié)能工程中被廣泛使用。在搭建好底座后堆砌雪堆，初始屬性見表3。四個儲雪堆初始質(zhì)量及形狀尺寸基本相同，質(zhì)量均為176.70 kg；長邊平均長度為2.01 m，平均坡度為50.73°；短邊平均長度為0.81 m，平均坡度為61.32°；雪堆平均高度為0.46 m。由于密度、含水率及雪堆初始溫度影響雪內(nèi)熱量傳輸及雪堆的穩(wěn)定性［35］，所以利用Snow Fork雪特性分析儀［36］和手持式數(shù)字溫度計對其進行測量（表1）。STP儲雪堆的密度最小，只有350 kg·m-3；而厚層PU儲雪堆的雪密度最大，達到了490 kg·m-3。STP儲雪堆的含水率最大，達到了4.06%；厚層PU儲雪堆的含水率最小，只有2.57%。四個雪堆初始溫度相差不大，平均為-12.2℃。

圖3 儲雪堆初始形狀Fig.3 Snow pile initiation

表3 儲雪堆初始屬性Table 3 Initial properties of snow storage

2 數(shù)據(jù)分析

就儲雪堆而言，外界氣溫和輻射可視為周期性變化，隔熱結(jié)構(gòu)的傳熱過程則視為周期性的非穩(wěn)態(tài)傳熱［37］，因此可通過隔熱層及雪面的峰值溫度、振幅及相位變化，輔以熱流通量數(shù)據(jù)，對儲雪結(jié)構(gòu)的隔熱效率進行分析。本文僅對2月21日至3月1日儲雪試驗的結(jié)果進行初步評估。

2.1 延遲時間和峰值溫度分析

延遲時間和峰值溫度作為隔熱性能評價的重要指標(biāo)，能夠真實的反映隔熱性能［38］。熱量在經(jīng)過主要隔熱結(jié)構(gòu)到達雪面的過程中，不同隔熱結(jié)構(gòu)的外側(cè)、內(nèi)部、內(nèi)側(cè)以及雪面的溫度波相位逐漸向后推演，隔熱結(jié)構(gòu)不同層位出現(xiàn)最高溫度的時刻與外側(cè)溫度出現(xiàn)最高溫度的時刻之差稱為溫度波穿過隔熱材料的延遲時間［37］，它反映了熱作用穿透隔熱結(jié)構(gòu)的時間長短。延遲時間越長、峰值溫度越低，則隔熱性能越好［39］。

需要指出的是，由于最外側(cè)的遮陽網(wǎng)為網(wǎng)狀，傳感器在其上很難固定，同時遮陽網(wǎng)質(zhì)地柔軟、附著在龍骨之上，受當(dāng)?shù)貝毫哟箫L(fēng)天氣影響劇烈，傳感器難以長期固定在其上，所以未觀測遮陽網(wǎng)表面溫度。但是各儲雪堆外側(cè)均采用了“遮陽網(wǎng)+鏡面反射膜”的結(jié)構(gòu)，四個儲雪堆同一方位最外側(cè)鏡面反射膜之下的觀測溫度在延遲時間分析和衰減倍數(shù)分析中，具有與最外側(cè)溫度相同的參考價值，所以本文使用各儲雪堆最外側(cè)鏡面反射膜下的觀測溫度平均值替代表面溫度，進行雪堆隔熱性能的評估。

2.1.1 主要隔熱結(jié)構(gòu)外側(cè)溫度分析

如圖4所示，雪堆外側(cè)平均溫度除北面外，其余三個朝向主要隔熱結(jié)構(gòu)外側(cè)白天平均溫度均明顯高于同期氣溫，夜間溫度均明顯低于同期氣溫，溫度的變化幅度較大。不同朝向峰值溫度（表4）排序依次為：南面（20.45℃）＞東面（18.72℃）＞西面（8.19℃）＞北面（-0.09℃）。不同朝向振幅（表4）排序依次為：南面（35.01℃）＞東面（30.84℃）＞西面（22.56℃）＞北面（13.89℃）。這說明南面峰值溫度最大且波動劇烈，東面、西面次之，北面最小。東面、南面、西面的峰值時間隨著太陽方位的變化不斷向后推延（表4）。

表4 2月下旬萬龍滑雪場隔熱結(jié)構(gòu)外側(cè)平均溫度變化Table 4 Average temperature changes outside the insulation structures of snow piles in Wanlong Ski Resort in late February，2019

圖4 2月下旬萬龍滑雪場主要隔熱結(jié)構(gòu)外側(cè)平均溫度變化Fig.4 Average temperature changes outside the main insulation structures of snow piles in Wanlong Ski Resort in late February，2019

2.1.2 主要隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分析

由于真空夾層隔熱結(jié)構(gòu)需要進行真空塑封處理，為避免漏氣，未在真空夾層的內(nèi)部布設(shè)溫度傳感器，其余三個隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度均明顯低于外側(cè)平均溫度，并存在差異性變化（圖5），其中STP隔熱結(jié)構(gòu)溫度波動最大，且峰值溫度明顯高于其他結(jié)構(gòu)。不同隔熱結(jié)構(gòu)南面峰值溫度（表5）排序依次為：厚層PU隔熱結(jié)構(gòu)（2.78℃）＜多層中空隔熱結(jié)構(gòu)（3.95℃）＜STP隔熱結(jié)構(gòu)（11.65℃）。不同隔熱結(jié)構(gòu)南面延遲時間（表6）排序依次為：厚層PU隔熱結(jié)構(gòu)（3.75 h）＞多層中空隔熱結(jié)構(gòu)（2.00 h）＞STP隔熱結(jié)構(gòu)（1.12 h）。從隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部南面的峰值溫度和延遲時間來看，厚層PU隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度最低，延遲時間最長，所以隔熱效果最好；STP隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度最高、延遲時間最短，所以隔熱效果最差。因此南面隔熱效果由好到差依次為：厚層PU隔熱結(jié)構(gòu)、多層中空隔熱結(jié)構(gòu)、STP隔熱結(jié)構(gòu)。另外，如果以同一隔熱結(jié)構(gòu)東、南、西、北四個方向的平均值表征其總體隔熱效果，那么總體隔熱效果的排序與南面排序一致。

表5 2月下旬萬龍滑雪場不同隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部峰值溫度Table 5 Internal peak temperature of different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February，2019

表6 2月下旬萬龍滑雪場不同隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部的延遲時間Table 6 Internal temperature delay time of different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February，2019

圖5 2月下旬萬龍滑雪場主要隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化Fig 5 Internal temperature changes of the main insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February，2019

2.1.3主要隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)溫度分析

主要隔熱結(jié)構(gòu)各朝向的內(nèi)側(cè)溫度（圖6）均顯著低于外側(cè)平均溫度，且差異明顯。不同隔熱結(jié)構(gòu)南面峰值溫度（表7）排序依次為：真空夾層隔熱結(jié)構(gòu)（-10.66℃）＜厚層PU隔熱結(jié)構(gòu)（-8.31℃）＜多層中空隔熱結(jié)構(gòu)（-7.27℃）。不同隔熱結(jié)構(gòu)南面延遲時間（表8）的排序依次為：真空夾層隔熱結(jié)構(gòu)（5.75 h）＞厚層PU隔熱結(jié)構(gòu)（5.62 h）＞多層中空隔熱結(jié)構(gòu)（3.37 h）。所以從隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)南面的溫度峰值和延遲時間來看，隔熱效果由好到差依次為：真空夾層隔熱結(jié)構(gòu)、厚層PU隔熱結(jié)構(gòu)、多層中空隔熱結(jié)構(gòu)。同樣，以同一隔熱結(jié)構(gòu)四個不同方向的平均值表征的總體隔熱效果排序基本與南面排序一致。

圖6 2月下旬萬龍滑雪場主要隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)溫度變化Fig.6 Temperature changes inside the main insulation structure in Wanlong Ski Resort in late February，2019

表7 2月下旬萬龍滑雪場不同隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)峰值溫度Table 7 Peak temperature inside the different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February，2019

表8 2月下旬萬龍滑雪場不同隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的延遲時間Table 8 Inside temperature delay time of different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February，2019

2.1.4 積雪表面溫度分析

雪面溫度遠(yuǎn)低于外側(cè)平均溫度（圖7），波動幅度明顯減小。其中真空夾層隔熱結(jié)構(gòu)任何朝向雪面溫度的波動都明顯小于其他結(jié)構(gòu)，并且雪面溫度最低。這說明在四種不同的隔熱結(jié)構(gòu)中，真空夾層儲雪堆隔熱效果最好，受外界環(huán)境的影響最小。其余三個隔熱結(jié)構(gòu)南面峰值溫度（表9）的排序依次為：多層中空隔熱結(jié)構(gòu)（-9.51℃）＜厚層PU隔熱結(jié)構(gòu)（-9.36℃）＜STP隔熱結(jié)構(gòu)（-9.09℃）。不同隔熱結(jié)構(gòu)南面延遲時間（表10）排序依次為：厚層PU隔熱結(jié)構(gòu)（10.25 h）＞多層中空隔熱結(jié)構(gòu)（4.87 h）＞STP隔熱結(jié)構(gòu)（4.25 h）。由于厚層PU隔熱結(jié)構(gòu)的延遲時間明顯長于多層中空隔熱結(jié)構(gòu)且它們峰值溫度幾乎相等，所以厚層PU隔熱結(jié)構(gòu)的隔熱性能強于多層中空隔熱結(jié)構(gòu)。四個隔熱結(jié)構(gòu)南面的隔熱效果由好到差依次為：真空夾層隔熱結(jié)構(gòu)、厚層PU隔熱結(jié)構(gòu)、多層中空隔熱結(jié)構(gòu)、STP隔熱結(jié)構(gòu)。利用積雪表面數(shù)據(jù)分析得到的不同隔熱結(jié)構(gòu)總體隔熱效果排序與南面排序一致。

圖7 2月下旬萬龍滑雪場不同隔熱結(jié)構(gòu)積雪表面溫度變化Fig 7 Snow surface temperature changes of the different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February，2019

表9 2月下旬萬龍滑雪場不同隔熱結(jié)構(gòu)積雪表面峰值溫度Table 9 Peak temperature of snow surface of different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February，2019

表10 2月下旬萬龍滑雪場不同隔熱結(jié)構(gòu)積雪表面溫度的延遲時間Table 10 Delay time of snow surface temperature of different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February，2019

2.2 衰減倍數(shù)分析

衰減倍數(shù)作為隔熱性能評價的另一個重要指標(biāo)，是指隔熱結(jié)構(gòu)外側(cè)溫度的振幅與雪面溫度振幅之比，文中用真空夾層儲雪堆、STP儲雪堆和厚層PU儲雪堆最外側(cè)鏡面反射膜下的平均觀測溫度替代了隔熱結(jié)構(gòu)外側(cè)溫度。衰減倍數(shù)反映了隔熱結(jié)構(gòu)抵抗外界熱作用的能力，該值越大，說明隔熱結(jié)構(gòu)的隔熱性能越好［38］。

真空夾層隔熱結(jié)構(gòu)的雪面溫度波動非常小，幾乎呈一條直線，所以在四個不同保溫結(jié)構(gòu)的儲雪堆中，真空夾層儲雪堆的衰減倍數(shù)最大，隔熱性能最好（圖7）。其余三個儲雪堆的衰減倍數(shù)計算結(jié)果如表11所示。對于儲雪堆的南面來說，厚層PU隔熱結(jié)構(gòu)的儲雪堆衰減倍數(shù)較大，達到了44.40；多層中空儲雪堆的衰減倍數(shù)與厚層PU儲雪堆衰減倍數(shù)相差較大，為37.96；STP儲雪堆的衰減倍數(shù)最小，只有22.72。這說明真空夾層儲雪堆隔熱性能最好，其次為厚層PU儲雪堆，再次為多層中空儲雪堆，最差的為STP儲雪堆。不同隔熱結(jié)構(gòu)總體衰減倍數(shù)的平均值排序也與南面得出的結(jié)果一致。這與延遲時間和峰值溫度分析得出的結(jié)論一致。

表11 2月下旬萬龍滑雪場不同隔熱結(jié)構(gòu)儲雪堆的衰減倍數(shù)Table 11 Attenuation multiples of snow piles with different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February，2019

2.3 熱流通量變化分析

熱流通量對于評估隔熱結(jié)構(gòu)性能具有重要意義［40］，而熱流傳感器是研究熱流通量的重要傳感元件［41］（表1）。通過熱流通量的計算公式：熱流通量=修正系數(shù)×熱電勢，得到每個儲雪堆南面的熱流通量變化（圖8）。儲雪堆南面熱流通量呈現(xiàn)周期性變化趨勢，在同樣的外界環(huán)境下，經(jīng)過不同的隔熱結(jié)構(gòu)到達南面雪面的熱流通量中，多層中空儲雪堆熱流通量的振幅最小，真空夾層儲雪堆次之，再次為厚層PU儲雪堆，STP儲雪堆最大。為了比較不同隔熱結(jié)構(gòu)的隔熱性能，計算得到不同隔熱結(jié)構(gòu)的平均熱流通量（表12），真空夾層儲雪堆平均熱流通量最小，只有46.90 W·m-2；其次為多層中空儲雪堆和厚層PU儲雪堆；平均熱流通量最大的儲雪堆為STP儲雪堆，達到了49.76 W·m-2。所以隔熱性能由好到差依次為：真空夾層儲雪堆、多層中空儲雪堆、厚層PU儲雪堆、STP儲雪堆。這與之前通過溫度數(shù)據(jù)比較得到的結(jié)果稍微有一點出入，這可能與熱流傳感器易受接觸雪面微小起伏的影響有關(guān)［42］。

圖8 2月下旬萬龍滑雪場不同儲雪堆南面雪面熱流通量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月下旬萬龍滑雪場儲雪堆南面熱流通量的平均值Table 12 Average of heat flux on the south of snow piles with different insulation structures in Wanlong Ski Resort in late February，2019

3 討論

熱的傳輸途徑包括傳導(dǎo)、輻射和對流，因此雪堆隔熱層的設(shè)計必須最大程度的抑制這三種途徑的熱傳輸，特別是熱傳導(dǎo)和輻射傳熱［43］。下文就各儲雪堆設(shè)計的基本思路、優(yōu)勢與缺陷、初步效果、改進措施等進行討論。

3.1 儲雪堆共同設(shè)置

本試驗中，各儲雪堆均采用了遮陽網(wǎng)+鏡面反射膜的組合作為隔熱表層結(jié)構(gòu)，采用鏡面反射膜+土工布（STP隔熱結(jié)構(gòu)只鋪設(shè)了鏡面反射膜）的組合作為隔熱底層結(jié)構(gòu)。

儲雪堆外表面是熱量輸入的主要途徑，采用高效的隔熱材料形成第一道熱阻，顯著地削弱最初的熱量輸入尤為重要［44］。本試驗中，遮陽網(wǎng)為白色6針高密度聚乙烯編制網(wǎng)，當(dāng)太陽輻射投射到遮陽網(wǎng)上時，大于30%的短波輻射將被反射回大氣，約50%輻射將被吸收從而使遮陽網(wǎng)溫度升高，剩下約20%透過遮陽網(wǎng)到達下層鏡面反射膜［30］。遮陽網(wǎng)與鏡面反射膜之間由PU隔熱板殘料隔開，形成5～8 cm厚度的空間，其作用有三個：（1）迫使遮陽網(wǎng)吸收的太陽輻射熱以長波輻射的形式而不是熱傳導(dǎo)向內(nèi)傳輸，降低了熱的傳輸效率；（2）在白天，遮陽網(wǎng)吸收太陽輻射后溫度高于下層隔熱結(jié)構(gòu)，從而使其下空氣層形成逆溫結(jié)構(gòu)，不利于對流傳熱；（3）空氣層的存在有利于表層熱量的散失。遮陽網(wǎng)下層的鏡面反射膜是塑基鋁箔反射膜，反照率＞93%，若直接作為儲雪堆的最外層能夠最大限度的反射太陽輻射，且具有很低的發(fā)射率（0.02）和導(dǎo)熱系數(shù)（0.032 W·m-1·K-1），使儲雪堆的熱量輸入達到最?。?5］。但暴露的鏡面反射膜會產(chǎn)生強烈的光污染，同時由于其抗拉強度較低，難以單獨固定，抗風(fēng)能力很弱。因此，本試驗采用了遮陽網(wǎng)+鏡面反射膜的表層組合，既能有效降低儲雪堆的熱量輸入，又保證了隔熱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固和雪堆的美觀。此外，在延遲時間和衰減倍數(shù)的計算中，文中用三個雪堆最外側(cè)鏡面反射膜之下的平均溫度替代了外側(cè)遮陽網(wǎng)的溫度。理論上不同儲雪結(jié)構(gòu)中同一方位的該溫度相同，具有與遮陽網(wǎng)溫度相同的作為外側(cè)溫度參考值的作用，因此這樣的處理對隔熱結(jié)果分析幾乎沒有影響。

從外側(cè)溫度的觀測結(jié)果（圖4）來看，外側(cè)溫度仍大幅高于氣溫，說明表層隔熱結(jié)構(gòu)仍有較大改進空間。綜合儲雪堆建設(shè)成本考慮，在保持應(yīng)用材料和基本結(jié)構(gòu)不變的情況下提出兩種改進措施：（1）增加遮陽網(wǎng)與鏡面反射膜間的距離，使表面空氣層增厚，熱量可隨空氣流通和自然對流快速散失，從而降低儲雪堆表層溫度；（2）由于鏡面反射膜較為廉價且具有優(yōu)良的反輻射性能，可采用薄層PU保溫板分隔的多層鏡面反射膜形成多層遮熱板，能夠有效地抑制輻射傳熱。

儲雪堆隔熱層底部的鏡面反射膜主要起進一步抑制輻射傳熱的作用，此外可阻止雪堆與隔熱層之間的水汽傳輸，避免隔熱層吸水量增加使導(dǎo)熱系數(shù)增大。土工布的敷設(shè)作用有所不同：多層中空隔熱雪堆和厚層聚氨酯隔熱雪堆的土工布敷設(shè)于積雪表面，用于吸收和排出雪面可能消融而生成的水分，從而保持雪堆較低的含水量和導(dǎo)熱系數(shù)，同時土工布可增加雪堆的抗壓強度；真空夾層隔熱雪堆的底層土工布敷設(shè)于鏡面反射膜之上，用于提高雪堆強度的同時保護真空隔熱結(jié)構(gòu)。

3.2 多層中空隔熱結(jié)構(gòu)

常溫下的空氣具有良好的保溫隔熱特性（0.026 W·m-1·K-1），雖然它的導(dǎo)熱系數(shù)稍高于PU隔熱板（0.024 W·m-1·K-1），但是它能夠使儲雪堆在幾乎不增加成本的基礎(chǔ)上較大幅度的提高隔熱性能［45］。多層中空隔熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于巧妙地利用龍骨支撐形成中空層減少能量的傳遞，具體表現(xiàn)為：（1）通過大量減少兩層PU隔熱板的接觸來減少熱傳導(dǎo)；（2）白天外側(cè)的PU隔熱板吸收能量溫度升高后，空氣層形成穩(wěn)定的逆溫層，不利于對流；（3）兩層PU隔熱板都覆上低輻射率的鋁箔，既可以抑制輻射傳熱，又可以阻止水分的傳輸［43］。但是最終多層中空儲雪堆并沒有達到較好的隔熱效果，在四個儲雪堆中僅優(yōu)于STP儲雪堆。這主要是由于在試驗的過程中，底座的邊界預(yù)留有限，為保證隔熱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，龍骨僅設(shè)計了3 cm。同時，在鋪設(shè)隔熱層的過程中，大量使用了硬質(zhì)PU隔熱板，硬質(zhì)的板塊狀隔熱材料在施工時安裝難度大，很難根據(jù)雪堆的形狀進行調(diào)整，且板塊之間的縫隙較多，即使使用了聚氨酯填縫劑進行填充處理，還是極大地減弱了隔熱效果。

從觀測數(shù)據(jù)來看，多層中空儲雪堆的隔熱性能還有很大的提升空間。首先在隔熱材料的選擇上，應(yīng)盡量避免使用硬質(zhì)的板塊材料，建議使用軟質(zhì)的大塊的隔熱材料，如氣凝膠氈（0.013～0.018 W·m-1·K-1）、珍珠棉（0.023 W·m-1·K-1）等，這樣既可以降低施工難度，又可以提高保溫效果。其次，針對空氣層的導(dǎo)熱和對流傳熱主要受空氣層的厚度和空氣層中空氣導(dǎo)熱系數(shù)的影響，建議：（1）增加空氣層的厚度、增加空氣層的層數(shù)或者在空氣層中夾薄層遮熱板；（2）改善空氣層中氣體的隔熱性能，如在空氣層中充以干燥劑來保證空氣層的干燥度等。

3.3 真空夾層隔熱結(jié)構(gòu)

真空夾層儲雪堆是通過抽真空的方法清除存留在密封棚膜空間里的氣體，最大限度的提高真空度來減少氣體的對流傳熱和傳導(dǎo)傳熱［46］。在試驗設(shè)計過程中，為了減少熱傳遞和解決真空夾層承壓的問題，在PU隔熱板之間放置3 cm厚的玻璃鋼柵格板。在其外側(cè)覆一層鏡面反射膜，來減少輻射換熱。在鋪設(shè)的過程中遇到了較多困難，如：（1）棚膜很薄易戳破，整個施工過程中都要十分小心；（2）棚膜邊界不平整且有褶皺，塑封過程中兩層棚膜易發(fā)生偏離，所以應(yīng)盡量使其平整并按鋸齒狀進行塑封，這樣既簡單又牢固；（3）塑封機的溫度設(shè)定較難確定，要根據(jù)塑封膜厚度以及環(huán)境溫度不斷進行調(diào)整，只有在適當(dāng)?shù)臏囟认率褂盟芊鈾C，塑封粘合度才能更高、更平整、封邊也會更美觀；（4）抽真空操作較難，在抽真空之前，首先需要用充氣的方法檢查棚膜的密封性，在保證棚膜不漏氣的情況下進行抽真空處理；在抽真空的過程中，盡量讓真空泵的吸管口與外部空氣隔離，還要保證在壓力不斷增大的情況下，棚膜能夠承受相應(yīng)的壓力；在抽真空結(jié)束之后，盡快將抽氣口進行塑封，避免空氣進入?？傊?，真空夾層儲雪堆施工難度明顯高于其他雪堆。但是，在四個儲雪堆中，真空夾層儲雪堆隔熱性能最好。這主要是因為較高的真空度減少了氣體的對流傳熱和傳導(dǎo)傳熱，同時棚膜的使用減少了PU隔熱板縫隙之間能量的傳遞。

由于真空夾層儲雪堆受到聚乙烯棚膜表面張力的限制以及無油真空泵的吸管與外界空氣密閉性的限制，真空度只達到了-0.07 MPa，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)仍大于0.02 W·m-1·K-1。這種情況下，熱對流抑制較好，而熱傳導(dǎo)并沒有得到很好的抑制，沒有達到期望的效果。真空夾層隔熱性能的提升措施包括：（1）用PO膜代替聚乙烯膜（PE），PO膜相對于PE膜具有更強的拉伸強度及抗撕裂強度，隔熱性能更好，抗老化程度更強；（2）真空度還有很大的提升空間，真空度越高，隔熱性能越好；（3）采用多層真空夾層組合的形式；（4）增加真空夾層的厚度；（5）在保證棚膜不漏氣的情況下，在棚膜內(nèi)沖入二氧化碳?xì)怏w（導(dǎo)熱系數(shù)0.014 W·m-1·K-1）、氬氣（導(dǎo)熱系數(shù)0.017 W·m-1·K-1）或其他導(dǎo)熱系數(shù)低的氣體進行隔熱，這樣既可有效解決夾層承壓問題，也可直接用隔熱材料做墊層；（6）閉孔率是衡量PU保溫板絕熱性能的重要指標(biāo)，閉孔率越高，保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)越低。而在本實驗的真空層中用硬質(zhì)PU板作為主要保溫材料，則封閉氣泡中的氣體無法排出，隔熱層的表觀導(dǎo)熱系數(shù)無法大幅度降低。因此在實踐中，可利用高開孔率的PU保溫板作為真空隔熱結(jié)構(gòu)的主絕熱材料［47］。

3.4 STP隔熱結(jié)構(gòu)

STP儲雪堆的設(shè)計思路也是采用真空結(jié)構(gòu)，與真空夾層隔熱雪堆不同的是，這個雪堆采用了新型真空隔熱材料——STP絕熱板，它通過不良導(dǎo)體體芯破壞熱傳導(dǎo)、超強真空破壞熱對流、鋁箔結(jié)構(gòu)反射熱輻射，使導(dǎo)熱系數(shù)低于0.008 W·m-1·K-1［32］。由于STP絕熱板的厚度只有2 cm，為了提高儲雪效果同時遵循各雪堆建設(shè)成本相同的原則，在STP隔熱板內(nèi)側(cè)鋪設(shè)5 cm厚的PU隔熱板，外側(cè)鋪設(shè)土工布以保護STP絕熱板，防止破損漏氣。在鋪設(shè)的過程中，由于STP絕熱板的封裝邊緣較硬以及面積較小，拼接安裝比較困難，雖然使用了鋁箔膠帶對其進行了固定，但是結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較差，同時因為板與板之間接縫較多，縫隙傳熱較大，導(dǎo)致同樣是真空結(jié)構(gòu)的STP隔熱雪堆在四個雪堆中效果最差。

STP隔熱結(jié)構(gòu)的改進主要以增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及減少縫隙傳熱為切入點，具體如下：（1）采用砂漿水泥對STP隔熱板進行固定［31-32］，板與板之間相互壓邊粘貼，增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；（2）采用無縫拼接技術(shù)，對成品板進行二次深加工處理，將現(xiàn)有的2.5 cm邊縫縮小到0.3～0.5 cm，既確保了密封的穩(wěn)定性，又有利于施工。

3.5 厚層PU隔熱結(jié)構(gòu)

厚層PU儲雪堆的設(shè)計思路較常規(guī)，主要是通過簡單的增加隔熱層的厚度來減少熱傳遞［10］。在試驗中，將兩層10 cm厚的PU隔熱板疊加，并通過在每層上面鋪設(shè)鏡面反射膜來減少輻射換熱。在鋪設(shè)的過程中，施工較為簡單，但同樣存在著硬質(zhì)隔熱板敷設(shè)在應(yīng)用中的困難。雖然此方案設(shè)計思路簡單，但它的隔熱性能僅次于真空夾層雪堆，隔熱效果超過預(yù)期，這主要得益于隔熱板的厚度較大。

厚層PU隔熱雪堆的改進應(yīng)主要著重于隔熱材料的選擇，例如使用軟質(zhì)的隔熱材料氣凝膠氈（0.013～0.018 W·m-1·K-1）、珍珠棉（0.023 W·m-1·K-1）等。

4 結(jié)論

為保障滑雪場按時營業(yè)、雪上賽事順利舉辦，降低造雪的投資成本和運行成本，在前期進行儲雪是非常必要的。尤其是在氣候變暖、冰雪旅游業(yè)迅速發(fā)展的今天，儲雪發(fā)揮的作用越來越明顯，已成為滑雪場現(xiàn)代化雪管理的重要內(nèi)容之一。

本文在保證雪堆建設(shè)成本基本相同的情況下，選取不同隔熱材料、設(shè)計了四個不同隔熱結(jié)構(gòu)的儲雪堆，在河北省崇禮區(qū)萬龍滑雪場進行了小型的儲雪試驗。通過觀測不同隔熱層之間的溫度變化及雪面熱通量變化，對先期儲雪試驗結(jié)果進行了分析，探討了各雪堆的儲雪效果、隔熱材料的適用性和隔熱結(jié)構(gòu)的合理性。

通過比較不同儲雪堆的主要隔熱層之間的峰值溫度、延遲時間、衰減倍數(shù)以及雪面的熱流通量，發(fā)現(xiàn)隔熱結(jié)構(gòu)外側(cè)平均溫度白天明顯高于氣溫，內(nèi)部、內(nèi)側(cè)、雪面溫度遠(yuǎn)低于外側(cè)平均溫度；從主要隔熱結(jié)構(gòu)外側(cè)、內(nèi)部、內(nèi)側(cè)到積雪表面，溫度波動逐漸減小，不同隔熱結(jié)構(gòu)的隔熱性能差異逐漸凸顯。試驗表明，真空夾層儲雪堆隔熱性能最好，厚層PU儲雪堆次之，多層中空儲雪堆再次之，STP儲雪堆隔熱效果最差。真空夾層儲雪堆雖然隔熱效果最好，但施工較為困難，真空度仍有較大提升空間。厚層PU儲雪堆隔熱方案較為簡單常規(guī)，隔熱效果卻超過預(yù)期，但存在著硬質(zhì)隔熱板敷設(shè)在應(yīng)用中的困難。多層中空儲雪堆由于中空層較薄、層數(shù)較少，以及大量的使用硬質(zhì)隔熱材料，隔熱效果一般，但有很大的提升空間。STP儲雪堆雖然使用了新型隔熱材料，但由于安裝問題，隔熱效果遠(yuǎn)低于預(yù)期，應(yīng)注重提高隔熱結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性、減少縫隙傳熱。

作為儲雪試驗，本文僅對2019年2月底的先期儲雪試驗結(jié)果進行了分析，后續(xù)還需對獲得的完整儲雪試驗數(shù)據(jù)進一步分析探討。同時應(yīng)建立基于物理方法的儲雪數(shù)學(xué)模型，通過模型的方法估算出特定氣候條件下雪堆的連續(xù)變化，并利用獲得的試驗數(shù)據(jù)進行模型的驗證和改進。

隨著新型隔熱制冷技術(shù)的不斷出現(xiàn)，將其運用到儲雪中已成為一種必然的發(fā)展趨勢。如利用太陽能新型制冷技術(shù)對雪堆進行主動制冷，或直接將制冷系統(tǒng)中的不凝氣體和水分抽真空，利用真空制冷技術(shù)來提高儲雪效果等?？傊瑹o論使用何種儲雪方案，都應(yīng)以提高儲雪效果、解決與儲雪相關(guān)的環(huán)境和經(jīng)濟問題為目的。