第 38 卷 第 22 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 報 Vol 38 No 22 2022 年 11月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov 2022 149 溫室水循環(huán)太陽能利用系統(tǒng)高效節(jié)能控制策略 徐微微 1 馬承偉 2 孫 昊 3 劉藝偉 4 程瑞鋒 1 張 義 1 1 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 北京 100081 2 中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院 北京 100083 3 深圳大學化學與環(huán)境工程學院 深圳 518060 4 北京易華錄信息技術(shù)股份有限公司 北京 100043 摘 要 針對目前溫室水循環(huán)太陽能利用系統(tǒng)無法在合理時間集熱的問題 開發(fā)模面裝置 基于其表面綜合溫度提出高效節(jié) 能控制策略 理論分析表明 日間表面綜合溫度反映集熱器表面可集太陽余熱 利用該溫度與蓄熱水池內(nèi)水溫之間的差值可 較準確地判斷集熱時機 夜間表面綜合溫度接近于室內(nèi)氣溫 利用該溫度進行放熱控制的方式實質(zhì)上就是利用室內(nèi)氣溫的方 式 通過現(xiàn)場試驗 測試提出的控制策略下實現(xiàn)的中空板水循環(huán)太陽能利用系統(tǒng)的集放熱效果 并與現(xiàn)有的基于設(shè)定時間點 或室內(nèi)氣溫的控制方式的能力進行對比 試驗結(jié)果表明中空板系統(tǒng)在提出的集熱控制策略下獲得的晴天的集熱量 404 1 MJ 與多云天和陰天的集熱量 分別為 225 9 和 62 7 MJ 差異顯著 而設(shè)定時間點控制集熱 導致少集熱 1 4 h 無效運行 1 7 h 等問題 基于室內(nèi)氣溫方式浪費集熱時機 集熱初期 太陽輻射較強 系統(tǒng)本可集熱 31 8 MJ 且集熱量遠大于能耗 集 熱 COP Coefficient of Performance 達 20 2 但因氣溫低 并不運行 集熱末期 還出現(xiàn)短期無效運行 多云天為 0 7 h 陰 天為 2 4 h 該研究提出的集熱控制策略能以更低能耗實現(xiàn)更高集熱量 放熱控制方式也具有一定優(yōu)勢 關(guān)鍵詞 太陽能 溫室 集熱器 控制策略 表面綜合溫度 太陽余熱 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 22 016 中圖分類號 S214 3 S625 4 文獻標志碼 A 文章編號 1002 6819 2022 22 0149 09 徐微微 馬承偉 孫昊 等 溫室水循環(huán)太陽能利用系統(tǒng)高效節(jié)能控制策略 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2022 38 22 149 157 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 22 016 http www tcsae org Xu Weiwei Ma Chengwei Sun Hao et al High efficiency and energy saving control strategy for the water circulating solar energy system in the greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2022 38 22 149 157 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 22 016 http www tcsae org 0 引 言 在寒冷天氣 溫室必須進行加溫以維持適宜于作物 生長的室內(nèi)小氣候 1 利用水作為熱傳輸和儲存介質(zhì)進行 室內(nèi)太陽能熱量的收集 儲存和釋放以實現(xiàn)室內(nèi)溫度的 提升是一種有效 價廉且環(huán)保的溫室加溫方式 已相繼 開發(fā)出多種內(nèi)置式水循環(huán)太陽能利用系統(tǒng) 包括水幕簾 系統(tǒng) 2 雙黑膜系統(tǒng) 3 5 金屬膜系統(tǒng) 6 陽光板系統(tǒng) 7 8 鋁合金集熱板系統(tǒng) 9 磁控濺射板系統(tǒng) 10 11 毛細管網(wǎng)系 統(tǒng) 12 屋架管網(wǎng)系統(tǒng) 13 等 這些系統(tǒng)可根據(jù)各自集熱器 的構(gòu)造形式配置于不同類型溫室中 包括傳統(tǒng) 日光溫室 新型滑蓋式日光溫室 14 連棟玻璃溫室 15 和大跨度外保溫 型塑料大棚 16 17 等 并顯示出良好的加溫效果 水循環(huán)系 統(tǒng)已在溫室加溫領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和推廣 目前 水循環(huán)系統(tǒng)采用的運行控制模式主要包括 3 種 1 根據(jù)設(shè)定時間點進行控制 2 5 7 9 18 如陽光板系統(tǒng) 的集放熱時間分別設(shè)置為 10 00 15 00 和 00 30 06 30 7 收稿日期 2022 08 29 修訂日期 2022 11 09 基金項目 國家重點研發(fā)計劃戰(zhàn)略性科技創(chuàng)新合作專項 2020YFE0203600 中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費 Y2021PT04 國家自然科學基金 項目 31901421 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金項目 CARS 23 D02 作者簡介 徐微微 博士 研究方向為溫室太陽能熱利用技術(shù)與裝備 Email xuweiweilaugh 通信作者 張義 博士 研究員 研究方向為設(shè)施園藝環(huán)境工程 Email zhangyi03 2 根據(jù)室內(nèi)氣溫進行控制 如屋架管網(wǎng)系統(tǒng)的運行模式 為 在日間 當室內(nèi)氣溫升至設(shè)定值 20 22 時 啟動集熱 在夜間 當室內(nèi)氣溫降至設(shè)定值 8 10 時 啟動放熱 13 3 結(jié)合設(shè)定時間點和室內(nèi)氣溫進行控 制 3 4 6 12 16 17 如金屬膜系統(tǒng)的運行模式為 在日間 當 日光溫室保溫被開啟時 啟動集熱 保溫被覆蓋時 停 止集熱 在夜間 當室內(nèi)氣溫低于 10 時 啟動放熱 6 這些方式初步實現(xiàn)系統(tǒng)集放熱過程的自動化 運行 管理簡單 但也存在一些問題 設(shè)定時間點的控制方式 無法控制系統(tǒng)在合適時機進行集熱 因為在不同天氣條 件下 適于集熱的時間差異很大 若按固定時刻啟 停 系統(tǒng) 可能會出現(xiàn)無效運行 集熱時間偏短等問題 基 于室內(nèi)氣溫的控制方式同樣也無法控制系統(tǒng)在合理時間 進行集熱 因為氣溫的高低與集熱器表面可集太陽余熱 的大小 雖有相關(guān)關(guān)系 但并不完全一致 僅憑氣溫無 法準確 直接地判定集熱器表面是否有可集太陽余熱 另外 無論是根據(jù)設(shè)定時間點還是室內(nèi)氣溫的控制方式 均未考慮系統(tǒng)內(nèi)的水溫 合理的運行控制方式應(yīng)參考水 溫的高低 因此 這些控制方式均不是最佳的集熱控制 方式 無法以盡可能小的能耗實現(xiàn)盡可能大的集熱量 為探索并實現(xiàn)系統(tǒng)的高效節(jié)能運行 本文開發(fā)一種 太陽能集放熱智能控制裝置 模面裝置 基于其表面綜 合溫度提出溫室水循環(huán)太陽能利用系統(tǒng)高效節(jié)能控制策 略 通過理論分析 揭示模面裝置表面綜合溫度的含義 及控制策略的原理 以論證該策略的合理性 通過現(xiàn)場 農(nóng)業(yè)工程學報 http www tcsae org 2022 年 150 試驗 對比分析不同控制策略下實現(xiàn)的太陽能集放熱效 果 以評估該控制策略的效能 1 控制策略的理論分析 1 1 模面裝置表面綜合溫度的含義 模面裝置是一種模擬不受水流影響的水循環(huán)太陽能 集熱器 兼作散熱器 表面外形與狀況的裝置 其通常采 用集熱器所用的材料進行構(gòu)造 朝向與集熱器相同 19 本 文以中空板水循環(huán)太陽能利用系統(tǒng) 20 22 構(gòu)造的模面裝置 圖 1 為例 從理論上分析其表面綜合溫度的含義 由于模面裝置朝陽壁的壁面較薄 0 5 mm 熱慣 性很小 因此 其傳熱過程可視為穩(wěn)態(tài)過程 以模面裝 置朝陽壁的外壁面為對象 建立能量平衡方程 ss t sd a ti sdi ai I ht t h t t 1 式中 I s 為外壁面接收的太陽輻射照度 W m 2 s 為外壁 面的太陽輻射吸收率 t sd 為外壁面溫度 即模面裝置表 面綜合溫度 t a 為溫室內(nèi)氣溫 t sdi 為內(nèi)壁面溫度 t ai 為模面裝置內(nèi)部空間溫度 h t 為外壁面與溫室 內(nèi)環(huán)境之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 取 8 7 W m 2 23 h ti 為 內(nèi)壁面與內(nèi)部環(huán)境之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) W m 2 a 實物圖及示意圖 a Picture and schematic b 熱紅外圖像 b Thermal infrared image 圖1 中空板系統(tǒng)模面裝置及其日間表面綜合溫度 Fig 1 Simulating device of the hollow sheet system and its daytime surface sol air temperature 朝陽壁的壁面較薄 0 5 mm 導熱熱阻小 0 002 5 m 2 W 其表面綜合溫度與內(nèi)壁面溫度接近 平均溫差約為 0 6 啟停階段的溫差約為 0 25 假設(shè)模面裝置內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相等 內(nèi)部空間溫度與溫室內(nèi)氣溫相等 由此可得出模面裝置 表面綜合溫度為 ss sd a t 2 I tt h 2 分析式 2 可知 在日間 模面裝置表面綜合溫度 圖 1 是其表面吸收的太陽輻射熱量及表面的換熱量之 間達到平衡所取得的溫度 它實質(zhì)上就是室內(nèi)氣溫與另 一附加溫度的總和 這一附加溫度與模面裝置表面的太 陽輻射具有相同的效果 在夜間 由于模面裝置表面未 接收到太陽輻射照度 其表面綜合溫度接近于室內(nèi)氣溫 1 2 控制策略原理 本文提出的控制策略為利用模面裝置表面綜合溫度 與蓄熱水池內(nèi)水溫之間的差值控制日間集熱運行 利用 表面綜合溫度控制夜間放熱運行 集熱控制策略可表達為 ss sd wt a wt c t 2 I tt t Tt h 3 式中 t wt 為蓄熱水池內(nèi)水溫 T c 為某一設(shè)定的集熱啟 動時模面裝置表面綜合溫度與蓄熱水池內(nèi)水溫之間的差 值 正值 由于中空板集熱器壁面較薄 0 5 mm 熱慣性很 小 因此 其集熱運行可視為穩(wěn)態(tài)過程根據(jù)能量平衡可 知 中空板集熱器輸出的熱量 系統(tǒng)的集熱量 等于集熱 面吸收的太陽輻射熱量減去通過集熱面和朝墻側(cè)壁面向 周圍環(huán)境的散熱量 即 cb ab csstca b tb 1 tt qIht h 4 式中 q c 為中空板系統(tǒng)的集熱流密度 W m 2 t c 為中空板 表面溫度 t cb 為中空板朝墻側(cè)壁面的外壁溫度 t ab 為中空板保溫面與北墻之間的氣溫 b 為保溫板的導熱 系數(shù) 橡塑海綿保溫板導熱系數(shù)取 0 034 W m b 為保 溫板厚度 m 中空板壁面較薄 0 5 mm 導熱熱阻小 0 002 5 m 2 W 且板內(nèi)表面與水之間的對流換熱系 數(shù)較大 227 4 W m 2 24 因此 可用板內(nèi)水溫代替 板集熱面和朝墻側(cè)壁面的外壁面溫度 另外 假設(shè)板后 氣溫與室內(nèi)氣溫相等 由此 可得出集熱流密度為 cw a csstcwa b tb ss tacw b t b tb tb 1 1 1 1 1 tt qIh t h I htt h h h 5 式中 t cw 為中空板內(nèi)水溫 對比分析式 2 和 5 可知 模面裝置表面綜合 溫度略低于中空板集熱器表面綜合溫度 這主要是由中 空板集熱器朝墻側(cè)的保溫板的熱阻 10 mm 厚橡塑海綿 保溫板的導熱熱阻為 0 294 1 m 2 W 導致的 若朝墻 側(cè)的壁面未覆蓋保溫板 則二者相等 因此 模面裝置 第 22 期 徐微微等 溫室水循環(huán)太陽能利用系統(tǒng)高效節(jié)能控制策略 151 表面綜合溫度基本能夠表征水循環(huán)太陽能集熱器的表面 綜合溫度 從而 反映出其表面的可集太陽余熱 對比分析式 3 和 5 可知 模面裝置表面綜合 溫度與蓄熱水池內(nèi)水溫之間的差值接近于中空板集熱器 表面綜合溫度與板內(nèi)水溫之間的差值 因此 提出的集 熱控制策略較為合理 利用該控制策略可使水循環(huán)太陽 能利用系統(tǒng)在合適時機集熱 在集熱啟動時機的選擇即溫差設(shè)置上 需要考慮三 方面因素 1 必須保證進入集熱器的水流能夠吸熱 即 集熱器內(nèi)水溫低于集熱器表面綜合溫度 因此 需要考 慮集熱器內(nèi)水溫與蓄熱水池內(nèi)水溫之間的差異 以及模 面裝置表面綜合溫度與集熱器表面綜合溫度之間的差異 所帶來的影響 2 必須保證系統(tǒng)集熱量大于水泵能耗 差值越大 集熱能效比 Coefficient of performance COP 越高 節(jié)能性越好 3 還應(yīng)該考慮集熱器表面與模面裝 置表面接收的太陽輻射照度之間的差異所帶來的影響 這種差異體現(xiàn)在兩方面 首先 由于集熱器表面不同位 置 尤其是沿高度方向 接收的太陽輻射照度存在差異 其表面綜合溫度也必然存在差異 而模面裝置面積較小 圖 1 其表面綜合溫度無法反映出這種差異 其次 集熱器表面的部分區(qū)域受到各種物體的遮陰影響 尤其 當集熱器安裝在果菜栽培溫室內(nèi) 其表面不可避免地被 植株嚴重遮陰 遮陰區(qū)域接收的太陽輻射照度將顯著降 低 這將導致這些區(qū)域的綜合溫度遠低于模面裝置表面 綜合溫度 在實際應(yīng)用中 應(yīng)探索設(shè)置一個適當高的模 面裝置表面綜合溫度與蓄熱水池內(nèi)水溫之間的差值 以 兼顧集熱 能耗和遮陰等因素 實現(xiàn)系統(tǒng)在日間運行階 段一直處于熱量收集狀態(tài) 且具有較好的節(jié)能性 放熱控制策略可表達為 sd a rs ttT 6 sd w rtawt tt tt T 7 式中 T rs 為某一設(shè)定的放熱啟動時的模面裝置表面綜合溫 度值 正值 T r 為某一設(shè)定的放熱啟動時的模面裝置 表面綜合溫度與蓄熱水池內(nèi)水溫之間的差值 負值 放熱控制策略實質(zhì)上是利用夜間模面裝置表面綜合 溫度表征室內(nèi)氣溫 從而 根據(jù)室內(nèi)氣溫控制系統(tǒng)的放熱 運行 在運行中 蓄熱水池內(nèi)水溫必須高于模面裝置表面 綜合溫度 以避免出現(xiàn)系統(tǒng)從溫室內(nèi)吸收熱量的情況 2 系統(tǒng)運行控制程序 利用模面裝置表面綜合溫度實現(xiàn)溫室水循環(huán)太陽能 利用系統(tǒng)高效節(jié)能運行的控制程序 如圖 2 所示 在自動控制系統(tǒng)中 設(shè)置某一綜合溫度與水溫的差 值 T c 設(shè)置為正 作為集熱啟動條件 設(shè)置某一綜合溫 度值 T rs 及某一綜合溫度與水溫的差值 T r 設(shè)置為負 作為放熱啟動條件 另外 可設(shè)置雙邊控制精度 以保 持集放熱運行的穩(wěn)定 當自動控制系統(tǒng)監(jiān)測到綜合溫度與水溫之間的差值 達到或超過設(shè)置的溫差值的高值 T ch 或監(jiān)測到綜合 溫度等于或低于設(shè)置的綜合溫度值的低值 T rsl 且綜合 溫度與水溫之間的差值等于或低于設(shè)置的溫差值的低值 T rl 控制水泵啟動運行 使蓄熱水池內(nèi)的水不斷流過 集熱器 進行熱量的收集或釋放 注 T ch 和 T cl 分別為集熱設(shè)置的綜合溫度與水溫之間差值的高值和低值 T rsh 和 T rsl 分別為放熱設(shè)置的綜合溫度的高值和低值 T rh 和 T rl 分別為放熱設(shè)置 的綜合溫度與水溫之間差值的高值和低值 Note T ch and T cl are the high and low values of the difference between sol air and water temperatures set for heat collection respectively T rsh and T rsl are the high and low values of sol air temperature set for heat release respectively and T rh and T rl are the high and low values of the difference between sol air and water temperatures set for heat release respectively 圖2 系統(tǒng)運行控制程序流程圖 Fig 2 Flow chart of system operation control program 當自動控制系統(tǒng)監(jiān)測到綜合溫度與水溫之間的差值 低于設(shè)置的溫差值的低值 T cl 或監(jiān)測到綜合溫度高 于設(shè)置的綜合溫度值的高值 T rsh 或綜合溫度與水溫 之間的差值高于設(shè)置的溫差值的高值 T rh 關(guān)停水泵 結(jié)束集熱或放熱 3 試驗設(shè)計 3 1 試驗系統(tǒng) 試驗測試所用的中空板系統(tǒng) 20 22 安裝在一棟位于北 京郊區(qū)的日光溫室內(nèi) 溫室詳情見文獻 20 22 系統(tǒng) 主要包括中空 PC 板 集熱器核心部件 蓄熱水池 模 面裝置 模面溫度傳感器 監(jiān)測模面裝置表面綜合溫度 水溫傳感器 監(jiān)測蓄熱水池內(nèi)水溫 潛水泵和自動控 制系統(tǒng) 20 塊雙層結(jié)構(gòu)的中空 PC 板安裝于北墻內(nèi)表面 板高 2 11 m 寬 2 00 m 厚 10 mm 朝陽面涂抹黑色水 性調(diào)和漆 朝向北墻的表面粘貼 10 mm 厚橡塑海綿保溫 板 蓄熱水池使用黏土磚砌于溫室內(nèi)部地下 水池體積 農(nóng)業(yè)工程學報 http www tcsae org 2022 年 152 為 15 40 m 3 4 26 m 2 26 m 1 60 m 有效容積為 13 48 m 3 水池內(nèi)放置額定流量為 10 m 3 h 額定功率為 750 W 的潛水泵 模面裝置 0 40 m 0 25 m 固定于北 墻內(nèi)表面沿中空板集熱器高度方向的中部位置 圖 1 其表面綜合溫度采用 1 根 T 型熱電偶 上海南浦儀表廠 精度 0 5 測定 蓄熱水池內(nèi)水溫同樣采用 1 根 T 型熱電偶測定 其端部做防水處理 布置在水池井口附 近的垂直方向上 從水池液面到池底的中部位置 2 根熱 電偶和潛水泵均連接到自動控制系統(tǒng) 形成一套自動測 控系統(tǒng) 3 2 運行設(shè)置 試驗時間為 2018 年 2 月 1 22 日 本研究中 定義 從 09 00 到次日 09 00 為 1 d 因為一個完整的中空板系 統(tǒng)集放熱周期涉及系統(tǒng)在日間收集并存儲室內(nèi)太陽能熱 量 在夜間到次日早晨將日間集熱量釋放到溫室內(nèi)的全 過程 為對比分析不同控制策略下的太陽能集放熱效果 選取典型的晴天 多云天和陰天 2 月 3 日 8 日和 17 日 且系統(tǒng)處于典型工作狀態(tài) 初始集熱水溫 19 或 20 下收集的數(shù)據(jù) 開展系統(tǒng)熱性能分析 在此期間 系統(tǒng)的運行控制模式 在日間 當模面裝置表面綜合溫 度與水溫之間的差值達到或超過 5 時 啟動集熱 在 夜間 當模面裝置表面綜合溫度降至 15 且低于水溫 2 及以上時 啟動放熱 為使放熱加溫過程穩(wěn)定 設(shè)置 綜合溫度控制精度為 0 4 即在綜合溫度降至 14 6 時 啟動放熱 直至綜合溫度升至 15 4 時 結(jié)束放熱 4 測試方法與數(shù)據(jù)分析 中空板集熱器接收的太陽輻射照度采用 4 臺太陽總 輻射傳感器 CMP3 Kipp t ae1 t ae5 and t aw1 t aw5 are the air temperatures at different locations of the east and west greenhouse respectively t wt1 t wt5 are the water temperatures at different locations of the heat storage water tank Solar irradiance on the collector surface is averaged with I s1 I s4 I s1 I s3 and I s4 are measured with three CMP3 pyranometers and one HOBO pyranometer respectively greenhouse air temperature is averaged with t aw1 t aw5 and t ae1 t ae5 and tank water temperature is averaged with t wt1 t wt5 圖3 傳感器位置示意圖 Fig 3 Schematic of the sensor locations 中空板集熱器接收的太陽輻射總量 Q s J 為 0 s c s c s s 1 0 1 d 2 n n ii i i QAI AII 10 式中 I s i 為中空板集熱器在第 i 時刻接收的太陽輻射照度 W m 2 A c 為中空板面積 m 2 0 為集熱起始時刻 s n 為集熱結(jié)束時刻 s i 為數(shù)據(jù)采集器記錄數(shù)據(jù)的時間間 隔 s 5 結(jié)果與分析 5 1 集熱控制策略對比分析 在日間 天氣條件對模面裝置表面綜合溫度影響顯 著 同一時刻下 晴天綜合溫度 圖 4a 明顯超過多云 第 22 期 徐微微等 溫室水循環(huán)太陽能利用系統(tǒng)高效節(jié)能控制策略 153 天 圖 4b 和陰天綜合溫度 圖 4c 晴天最高綜合溫 度達到 59 9 遠超過多云天和陰天的最高綜合溫度 分 別為 47 2 和 35 0 表 1 這說明不同天氣條件下 集熱器表面的熱狀況差異顯著 集熱期間 晴天中空板 集熱器接收的太陽輻射總量 577 6 MJ 是多云天的 2 0 倍 294 0 MJ 陰天的 6 4 倍 90 2 MJ 晴天的集熱 量 404 1 MJ 是多云天的 1 8 倍 225 9 MJ 陰天的 6 4 倍 62 7 MJ a 晴天 a Sunny day b 多云天 b Cloudy day c 陰天 c Overcast day 注 t a 為溫室內(nèi)氣溫 t sd 為模面裝置表面綜合溫度 t wt 為蓄熱水池內(nèi)水溫 I s 為集熱器表面的太陽輻射照度 W m 2 在圖 b 中 系統(tǒng)于 08 24 被手動關(guān)停 以節(jié)省能源 Note t a is the greenhouse air temperature t sd is the sol air temperature on the simulating device surface t wt is the tank water temperature and I s is the solar irradiance on the collector surface W m 2 The system was manually shut down at 08 24 to save energy in Fig b 圖4 利用模面裝置表面綜合溫度的不同天氣條件下太陽能集放熱效果 Fig 4 Solar heat collection and release effect under different weather conditions using sol air temperature on the simulating device surface 理想的集熱控制策略應(yīng)該考慮天氣因素 設(shè)定時間點 的控制方式顯然不夠理想 因為不同天氣條件下 集熱時 間差異很大 在晴天 太陽輻射較強 可集太陽余熱通常 出現(xiàn)得較早 若按固定時刻啟動系統(tǒng) 極易出現(xiàn)過晚啟動 的問題 當然 若啟動時間設(shè)置得過早 也會出現(xiàn)過早啟 動的情況 另一方面 由于晴天太陽輻射條件較好 蓄熱 水池內(nèi)的水溫通常上升較快 尤其在初始水溫較低時 溫 升速率更大 因為低溫的水除吸收太陽輻射熱量外還可從 室內(nèi)空氣中吸收大量的對流熱量 所以 晴天的集熱結(jié)束 時間不僅與太陽輻射有關(guān) 還與初始的蓄熱水池內(nèi)水溫密 切相關(guān) 若按固定時刻關(guān)停系統(tǒng) 會因為初始水溫的高低 而出現(xiàn)結(jié)束過晚或過早這兩方面的問題 中空板系統(tǒng)在晴 天 集熱期間的平均太陽輻射照度 297 W m 2 且初始水 溫為 19 3 的條件下集熱時間段為 08 55 15 19 表 1 若系統(tǒng)在鋁合金集熱板系統(tǒng) 9 采用的 09 00 16 00 內(nèi)運行 則會出現(xiàn)啟動略遲 結(jié)束較遲的問題 在陽光板系統(tǒng) 7 采 用的 10 00 15 00 內(nèi)運行 則會出現(xiàn)啟動過遲 結(jié)束略早 的問題 少集熱 1 4 h 在金屬膜系統(tǒng) 6 采用的保溫被打 開到關(guān)閉的時間內(nèi) 2 月 3 日試驗溫室保溫被卷放時間 08 05 16 11 運行 則會出現(xiàn)啟動過早 結(jié)束過晚的問題 無效運行 1 7 h 顯然 在晴天 設(shè)定時間點控制系統(tǒng) 的集熱 不利于集熱量的提高 表 1 中空板系統(tǒng)逐日集熱性能統(tǒng)計 Table 1 Summary of daily heat collection performance of the hollow sheet system 日期 Date 天氣條件 Weather 集熱時間段 Heat collection period c min I s W m 2 t sd t a t wt Qs MJ Qc MJ 02 03 晴 Sunny 08 55 15 19 384 76 548 27 3 59 9 14 6 31 7 19 3 26 5 577 6 404 1 02 08 多云 Cloudy 09 06 09 21 09 34 14 22 303 40 359 23 6 47 2 14 1 30 3 18 6 23 0 294 0 225 9 02 17 陰 Overcast 09 54 11 21 11 50 12 52 149 45 207 25 8 35 0 17 8 23 9 20 0 21 1 90 2 62 7 注 c 為集熱時長 min Q s 為集熱器接收的太陽輻射總量 MJ Q c 為系統(tǒng)的集熱量 MJ Note c is the time duration of heat collection min Q s is the total quantity of solar radiation received by the collector MJ and Q c is the quantity of collected heat MJ 在多云天和陰天 設(shè)定時間點的控制方式將會出現(xiàn) 更多的問題 尤其在陰天 太陽輻射很弱 集熱時間很 短 2 5 h 見圖 4c 和表 1 甚至出現(xiàn)無法集熱的情況 22 無論設(shè)定何種時間點控制系統(tǒng)的集熱 都將導致長時間 的無效運行 存在嚴重的電能浪費 甚至損失系統(tǒng)中原 蓄積的熱量 柯行林等 18 也指出設(shè)定時間點控制集熱的 方式導致雙黑膜系統(tǒng)在陰天出現(xiàn)日間放熱的現(xiàn)象 這是 因為陰天溫室內(nèi)氣溫較低 出現(xiàn)水溫高于氣溫的情況 利用溫度進行集熱時機的判斷顯然更加合理 但是 基于室內(nèi)氣溫的集熱控制方式 雖然考慮了天氣條件的 因素 但是 會因為室內(nèi)氣溫與集熱器表面的可集太陽 余熱之間的不同步而使系統(tǒng)浪費一些集熱時機 在集熱 初始階段 有時 室內(nèi)氣溫雖較低 但集熱器表面已有 較強的太陽輻射照度 如根據(jù)氣溫判斷 系統(tǒng)的運行將 推遲 不利于集熱量的提高 由圖 4 和表 1 可知 無論 是晴天 多云天還是陰天 在集熱初期 室內(nèi)氣溫均較 低 遠沒有達到屋架管網(wǎng)系統(tǒng) 13 設(shè)定的 20 22 的啟動 值 但是 采用基于模面裝置表面綜合溫度的控制策略 中空板系統(tǒng)卻處于集熱階段 根據(jù)系統(tǒng)進回水溫度分析 可知 在該時間段內(nèi) 回水溫度一直高于進水溫度 即 系統(tǒng)處于集熱狀態(tài) 以晴天的集熱初期為例 假設(shè)集熱 啟動氣溫設(shè)置為 20 則在 08 55 09 30 時間段內(nèi) 室 內(nèi)氣溫在 14 6 19 8 之間 系統(tǒng)并不運行 而事實上 在此期間 集熱器表面的太陽輻射照度已較高 193 農(nóng)業(yè)工程學報 http www tcsae org 2022 年 154 339 W m 2 系統(tǒng)不僅能夠收集熱量 31 8 MJ 而且 集熱量遠大于能耗 集熱 COP 達 20 2 基于室內(nèi)氣溫的集熱控制方式 還會出現(xiàn)系統(tǒng)無效 運行而浪費電能的情況 在集熱末期 有時室內(nèi)氣溫雖 較高 但集熱器表面的太陽輻射照度已較弱 如根據(jù)氣 溫判斷 系統(tǒng)的停止將推遲 導致無效的運行與能耗 當中空板系統(tǒng)在多云天和陰天結(jié)束運行時 室內(nèi)氣溫仍 較高 分別為 23 7 和 21 8 但是 集熱器表面的太 陽輻射照度已較低 分別為 47 和 45 W m 2 若采用屋 架管網(wǎng)系統(tǒng) 13 設(shè)定的 20 集熱運行氣溫 系統(tǒng)仍將無效 運行一段時間 多云天為 0 7 h 結(jié)束時刻 15 06 太陽 輻射照度 18 W m 2 陰天為 2 4 h 結(jié)束時刻 15 16 太陽輻射照度 34 W m 2 另外 在陰天的集熱中期 系統(tǒng)也可能出現(xiàn)無效運行的問題 因為在陰天條件下 集熱器表面有時受到云層嚴重遮擋 導致其接收的太陽 輻射照度劇烈地下降 系統(tǒng)出現(xiàn)間斷集熱的情況 圖 4c 而期間的室內(nèi)氣溫則變化幅度較小 若采用氣溫的控制 方式 系統(tǒng)將處于運行狀態(tài) 分析式 2 可知 相比于利用室內(nèi)氣溫的控制方式 利用模面裝置表面綜合溫度的集熱控制方式實質(zhì)上就是 將太陽輻射引起的附加溫度考慮到集熱控制中 這種控 制方式能夠更準確地反映出集熱器表面的熱狀況 此外 相比于氣溫和時間控制方式 本文提出的集 熱控制策略的優(yōu)越性還體現(xiàn)在對水溫因素的考慮上 在 水溫較低時 提早啟動系統(tǒng)的集熱運行 在水溫較高時 提前結(jié)束系統(tǒng)的集熱運行 以避免因為水溫的高低而使 系統(tǒng)產(chǎn)生集熱不充分或無效運行這兩方面的問題 由 圖 4a 可知 在中空板系統(tǒng)在晴天結(jié)束集熱時 雖然集熱 器表面還有較高的太陽輻射照度 78 W m 2 其遠高于 多云天和陰天結(jié)束集熱時的太陽輻射照度 分別為 47 和 45 W m 2 但是 由于此時的水溫已較高 26 4 其與模面裝置表面綜合溫度 31 3 之間的差值已經(jīng) 無法滿足集熱運行設(shè)置的條件 系統(tǒng)將提前結(jié)束集熱 綜上分析可知 本文提出的集熱控制策略 即利用 模面裝置表面綜合溫度與蓄熱水池內(nèi)水溫之間的差值控 制水循環(huán)系統(tǒng) 與現(xiàn)有的基于設(shè)定時間點或室內(nèi)氣溫的 控制方式相比 能夠更準確地判斷集熱時機 從而 以 更低的能耗實現(xiàn)更高的集熱量 5 2 放熱控制策略對比分析 對于溫室空間加溫來說 利用室內(nèi)氣溫控制系統(tǒng)的 放熱運行顯然比設(shè)置時間點更合理 根據(jù)理論分析 模 面裝置表面綜合溫度在夜間與室內(nèi)氣溫接近 利用模面 裝置表面綜合溫度的放熱控制方式與利用室內(nèi)氣溫的方 式本質(zhì)上是相同的放熱控制策略 但是 其表面綜合溫 度略高于室內(nèi)平均氣溫 圖 4 這主要是由于日光溫室 在跨度方向存在一定的溫差 北墻附近的氣溫會略高 而由于模面裝置安裝于北墻上 其夜間的表面綜合溫度 接近于北墻附近的氣溫 在設(shè)置放熱啟動溫度時 應(yīng)適 當提高溫度值 以獲得更理想的室內(nèi)整體氣溫水平 雖然這兩種方式本質(zhì)上是相同的放熱控制策略 但 是 相比之下 利用表面綜合溫度的控制方式仍然具有 一定優(yōu)勢 上午 在保溫被打開后 室外氣溫較低 且 太陽輻射較弱 室內(nèi)氣溫通常出現(xiàn)一段時間內(nèi)的持續(xù)下 降 無論是采用表面綜合溫度或是室內(nèi)氣溫的控制方式 系統(tǒng)都會出現(xiàn)短時間內(nèi)的無效放熱運行 但是 由于表 面綜合溫度受太陽輻射直接影響 其能夠快速地響應(yīng)太 陽熱能的變化而升高較快 而室內(nèi)氣溫則因為對太陽熱 能變化響應(yīng)較慢而升高較慢 圖 4 利用室內(nèi)氣溫的放 熱控制方式會使系統(tǒng)存在更長時間內(nèi)的無效運行和熱量 浪費 如在晴天 保溫被打開時間為 08 04 合理的放熱 控制策略應(yīng)在此時停止中空板系統(tǒng)的放熱運行 以避免 熱量浪費 而采用表面綜合溫度放熱控制策略下的系統(tǒng) 停止時間為 08 17 若采用室內(nèi)氣溫控制方式的話 則系 統(tǒng)停止時間為 09 01 系統(tǒng)在利用氣溫控制方式下比利用 表面綜合溫度控制方式多無效運行 0 7 h 盡管如此 系 統(tǒng)的無效運行仍未完全避免 下一步研究中 應(yīng)在放熱 結(jié)束時間的確定上考慮保溫被的打開時間 在保溫被打 開后 及時關(guān)停系統(tǒng) 以避免不必要的熱量浪費和電能 消耗 6 討 論 理論分析和試驗結(jié)果均表明將提出的集放熱控制策 略運用到中空板水循環(huán)太陽能集放熱系統(tǒng)中能夠更準確 地判斷運行時機 從而實現(xiàn)良好的太陽能利用效果 這 主要是由于該控制方式綜合考慮了太陽輻射 室內(nèi)氣溫 和系統(tǒng)內(nèi)水溫等因素 系統(tǒng)在不同天氣條件下均顯示出 高效收集太陽能的能力 并且 在集熱期間 還有效地 避免了無效運行和能量浪費 而系統(tǒng)無論是采用時間控 制還是室內(nèi)氣溫控制都存在日間開啟時放熱的現(xiàn)象 9 因 此 將提出的模面裝置及利用模面裝置表面綜合溫度實 現(xiàn)的集放熱控制策略運用到同類型系統(tǒng)中 預(yù)計可進一 步挖掘這些系統(tǒng)在利用太陽能和節(jié)約能源方面的潛力 實現(xiàn)更好的技術(shù)性能 另外 集熱控制策略也適用于強 迫循環(huán)型太陽能熱水系統(tǒng) 但是 目前的控制策略仍存在一些不足之處 有待 進一步優(yōu)化 以實現(xiàn)更理想的集放熱性能 在集熱控制 策略方面 本文方案下實現(xiàn)的模面裝置日間表面綜合溫 度與運行中的集熱器表面綜合溫度仍然存在一定的差 異 下一步研究中 可考慮對模面裝置進行改造 僅保 留模面裝置涂黑的單壁面 并在壁面朝墻側(cè)粘貼與集熱 器使用的材質(zhì)及厚度相同的保溫材料 且將新模面裝置 懸掛于北墻內(nèi)表面沿集熱器高度方向的中部位置 根據(jù) 理論分析可知 此改造方案下獲得的模面裝置表面綜合 溫度將更接近于中空板集熱器表面綜合溫度 從而能夠 更加合理 更加有效地利用模面裝置表面綜合溫度來控 制系統(tǒng)的集熱運行 在其他系統(tǒng)的模面裝置的構(gòu)造方案 及安裝方式上 也應(yīng)盡可能地貼近于集熱器的形式 從 而 讓模面裝置能夠更準確地反映出集熱器表面熱狀況 即實現(xiàn)模面裝置表面綜合溫度更加接近于集熱器表面綜 合溫度 以此實現(xiàn)更優(yōu)的系統(tǒng)集熱性能 在放熱控制策略方面 目前采用的是在夜間設(shè)置恒 定溫度對溫室進行放熱加溫 這種控制方式存在兩方面 第 22 期 徐微微等 溫室水循環(huán)太陽能利用系統(tǒng)高效節(jié)能控制策略 155 的不利影響 首先 從作物對夜間溫度需求的角度來說 前半夜為促進同化產(chǎn)物的運轉(zhuǎn)速度需要稍高的溫度 而 后半夜為抑制呼吸作用的消耗需要稍低的溫度 顯然 采用恒溫管理方式不利于作物的生長 未來可考慮在放 熱中采用變溫管理 前半夜設(shè)置稍高的加溫溫度 后半 夜設(shè)置稍低的加溫溫度 從而 為作物生長創(chuàng)造出更適 宜的溫度環(huán)境 另外 從太陽能熱量利用角度來說 由 于太陽能的能流密度較低 同時其還具有間歇性和不穩(wěn) 定性 太陽能系統(tǒng) 與化石燃料燃燒系統(tǒng)相比 產(chǎn)熱量 不高 且受天氣條件影響大 收集的太陽能熱量很難在 整夜維持較高的恒定的室內(nèi)溫度 尤其在遇到連陰數(shù)天 后 系統(tǒng)中蓄積的熱量通常都難以維持作物生長所需的 最低溫度 若在夜間采用變溫方式進行放熱管理 不僅 比恒溫方式節(jié)約能量 而且能夠更加合理地利用太陽能 熱量 讓收集的有限的熱量得到高效利用 下一步研究 中 需要結(jié)合不同作物的夜間溫度需求開發(fā)更理想的放 熱控制策略 7 結(jié) 論 1 針對目前溫室水循環(huán)太陽能利用系統(tǒng)無法在合適 時機集熱的問題 開發(fā)模面裝置 基于其表面綜合溫度 提出高效節(jié)能控制策略 理論分析表明 其日間表面綜 合溫度是表面吸收的太陽輻射熱量及表面的換熱量之間 達到平衡所取得的溫度 它能夠反映集熱器表面的可集 太陽余熱 利用該溫度與蓄熱水池內(nèi)水溫之間的差值可 較準確地判斷水循環(huán)系統(tǒng)的集熱時機 夜間表面綜合溫 度接近于室內(nèi)氣溫 利用該溫度進行放熱控制的方式實 質(zhì)上就是利用室內(nèi)氣溫的方式 2 試驗結(jié)果表明 在日間 天氣條件對模面裝置表 面綜合溫度影響顯著 中空板水循環(huán)太陽能利用系統(tǒng)在 晴天的模面裝置表面綜合溫度最高達到 59 9 遠超過 在多云天和陰天的最高綜合溫度 分別為 47 2 和 35 0 系統(tǒng)在基于綜合溫度提出的集熱控制策略下 獲得的晴天的集熱量 404 1 MJ 也遠超過多云天和陰天 的集熱量 分別為 225 9 和 62 7 MJ 而根據(jù)設(shè)定時間 點控制系統(tǒng)的集熱運行 在晴天 出現(xiàn)少集熱 1 4 h 或無效運行 1 7 h 等問題 在多云天和陰天 出現(xiàn)長 時間的無效運行 根據(jù)室內(nèi)氣溫進行控制 浪費集熱時 機 集熱初期 太陽輻射較強 系統(tǒng)本可收集熱量 31 8 MJ 且集熱量遠大于能耗 集熱 COP 達 20 2 但由于室內(nèi)氣溫較低 并不運行 集熱末期 還出現(xiàn)短 期無效運行 多云天為 0 7 h 陰天為 2 4 h 由試驗結(jié)果可知 本研究提出的集熱控制策略更加 高效節(jié)能 另外 基于表面綜合溫度的放熱控制也由于 綜合溫度能夠快速地響應(yīng)太陽熱能的變化而縮短系統(tǒng)無 效運行時間 將該控制策略運用到同類型系統(tǒng)中 可進 一步挖掘這些系統(tǒng)在太陽能利用和節(jié)能方面的潛力 實 現(xiàn)更好的技術(shù)性能 進一步優(yōu)化控制策略以實現(xiàn)更理想的集放熱性能 改進模面裝置的構(gòu)造及安裝以更準確地反映集熱器表面 的熱狀況 探索基于作物生長所需的適宜溫度環(huán)境進行 變溫管理的放熱控制策略 實現(xiàn)熱量的高效利用 參 考 文 獻 1 Sethi V P Sumathy K Lee Chiwon et al Thermal modeling aspects of solar greenho