<p>新疆農(nóng)業(yè)科學 ，（ ） ： ： 新型雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器在烏魯木齊日光溫室的應用研究張明星陳超馬彩雯，姜理星鄒 平 ， 張彩虹（ 北京工業(yè)大學建筑工程學院 ，北京； 新農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)機化研究所， 烏魯木齊 ）摘 要： 【 目的】提高日光溫室主動蓄熱能力 ，使溫室內(nèi)熱環(huán)境得到保障。 【 方法】提出一種新型雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器，將此集熱器與日光溫室后墻結(jié)合構(gòu)成主 被動式墻體體系 ， 將此墻體體系應用于新疆日光溫室 ，研究該集熱器在日光溫室中應用的可行性及應用效果。 【 結(jié)果】在集熱器長度為、集熱器單支玻璃管接收器內(nèi)空氣流速為 的條件下，集熱器出 口溫度可達￥ ，集熱效率可達 。 該集熱系統(tǒng)通過日光溫室墻體主動蓄熱方式，在冬季實測期間累計可為日光溫室提供約為 的太陽能。 【 結(jié)論】該結(jié)果可為集熱器的推廣應用提供參考。關鍵詞 ： 日光溫室； 雙集熱管 ；多曲面槽式空氣集熱器； 主動蓄熱；集熱性能 ；供熱量中圖分類號 ： 文獻標識碼 ： 文章編號 ： （ ）代替煤炭對溫室內(nèi)地溫進行增溫試驗并與傳統(tǒng)煤 爐加熱方式進行了比較； 等 使用【研究意義】 日光溫室因其可在反季節(jié)為蔬平板太陽能集熱器加熱溫室的方式 ，對在溫室中菜生長提供良好的小氣候， 受到了廣大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設置太陽能集熱系統(tǒng)進行效果分析，此項研究在者的親睞 。溫室小氣候主要受室外氣象條提升太陽能的利用率方面取得了明顯效果。 可以件 、圍護結(jié)構(gòu)熱工性能 和土壤熱濕特性 等看出 ，利用集熱器是溫室主動式接收太陽能的主因素的影響，其熱量主要來自被動式接收太陽能要方式之一， 因此集熱器的集熱性能也是影響溫以及主動式加溫供暖措施，在溫室被動式接收太室內(nèi)環(huán)境的因素之一。 陽能一定的條件下 ，如何通過主動方式提高溫室 等分別對聚光型集熱器進行了傳熱的蓄熱能力 ，使溫室內(nèi)熱環(huán)境得到保障，對確保蔬機理分析，建立了拋物面、槽面聚光型集熱器的傳菜生長起到至關重要的作用。 【 前人研究進展】熱模型， 為集熱器優(yōu)化設計提供了指導；鄭宏飛國內(nèi)外不同學者對如何通過主動方式給溫室內(nèi)提等 對多曲面槽式空氣集熱器的三種不同接供熱量，使溫室內(nèi)環(huán)境能夠維持作物生長需求進收器對集熱器性能的影響進行了試驗研究， 結(jié)果行了大量的研究。 李德堅等對全玻璃真空管表明圓形玻璃管式接收器的出 口溫度最高 ， 能達太陽能集熱器給大型四連棟蔬菜溫室冬季供暖進到； 當集熱溫度約 時， 集熱效率能到行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)在冬季溫室外日最低氣溫在以上。 【本研究切人點】 基于國內(nèi)外研究現(xiàn)以上時 ，太陽能主動和被動供暖能夠維持室狀， 以及前期研發(fā)的單集熱管多曲面槽式空氣集溫，無需燃油爐供暖 ；劉圣勇等 利用了太陽能熱器 ，為了更好的提高 日光溫室主動蓄熱能收稿日期（ ）： 基金項目 ：國家自然科學基金項目 新繮戈壁日光溫室太陽能主 被動式蓄熱墻體及保溫被熱性能評價方法研究 （ ）； 國家自然科學基金項目 ”面向多熱特性一體化控制的日光溫室建筑構(gòu)造建模理論研究（ ）作片簡介：張叨丨（ ） ，貝 ， ？ 叫人，碩 ？，研究方叫為太能熱利川技水， （ ） 逝：片：陳超（ ） ，女，湖泡人，教授 師，研究辦為和變蓄熱技術能源技術， （ ） 彩 ） ，女，人汴人，研究 ，研究方叼為設施農(nóng)業(yè) ：枵， （ ） 新疆農(nóng)業(yè)科學卷力 ，研究提出一種新型雙集熱管多曲面槽式空氣為，在單管集熱器的結(jié)構(gòu)基礎上增加一根玻璃管集熱器，將此集熱器與日光溫室后墻結(jié)合構(gòu)成主接收器 ，考慮玻璃管接收器以及集熱器槽體的大被動式墻體體系 ， 通過空氣集熱器豎向空氣小尺寸， 同時考慮該類聚光型集熱器內(nèi)的玻璃管通道以主動蓄熱的方式提高墻體內(nèi)部層的溫度及接收器應盡量處于光線聚焦區(qū) ，玻璃管接收器宜蓄熱能力 ，為 日光溫室提供熱量，并將此墻體體系增加至 根。應用于新疆烏魯木齊日光溫室中 。研究新型雙集同時雙管集熱器中的兩支玻璃管接收器的結(jié)熱管多曲面槽式空氣集熱器在日光溫室中應用的構(gòu)位置也影響集熱器的聚光效果， 進而影響集熱可行性和應用效果。 【 擬解決的關鍵問題】研究器集熱性能， 因此兩支玻璃管接收器的位置應盡和評價集熱器在試驗系統(tǒng)中的集熱性能 ，以及在量靠近集熱器光線聚焦區(qū)并使其隨著太陽高度角不同情況下為日光溫室提供的熱量。 為該集熱器的變化不相互遮擋。 在考慮了集熱器幾何結(jié)構(gòu)的的推廣應用提供參考。基礎上采用光學模擬軟件 進行了不同位置的兩支玻璃管接收器對光線匯聚效果分析， 最終得到兩支玻璃管接收器的相對位置。 在晴好天氣條件下單、雙管單位面積集熱量 集熱器結(jié)構(gòu)及工作原理和集熱效率隨時間的變化實測結(jié)果為 ， 在單支玻新型雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器 （以后璃管接收器內(nèi)空氣流速相同的條件下 ，單、雙管集簡稱雙管集熱器） ，主要由多曲面反射板、多曲面熱器單位面積集熱量都是隨著時間的變化先增加保溫板、多曲面外保護板、玻璃管接收器、玻璃蓋后減小，但是雙管集熱器單位面積集熱量始終大板等構(gòu)成。 其工作原理為 ：太陽光線透過玻璃蓋于單管集熱器，平均提高了約 丨 ；單、雙管集熱板射人到槽內(nèi) ，一部分光線直接匯聚在玻璃管接 器集熱效率隨時間的變化波動并不大， 但是雙管收器上半部； 另一部分光線平行入射到組合曲面集熱器集熱效率同樣始終高于單管集熱器，平均上，再經(jīng)瓶瓶嫌璃體收社，減流關約 。 自此關可 體熱器優(yōu)人玻璃管接收器內(nèi)的空氣，被加熱的空氣通過玻 ￥單管集熱器。 圖 ， 圖 璃管接收器出口流出 ，并輸送至供暖末端。 圖 幻曰能被動式墻體體系結(jié)構(gòu)及工作玻璃板，該體系主要由雙管集熱器和帶豎向空氣通道的三重結(jié)構(gòu)相變蓄熱墻體 構(gòu)成。 其中 ，帶豎向麵胃娜破雜細翻細頁目組研制的 型復合相變蓄熱墻體板， 將玻璃纖器照射在該墻體層的太陽能以被動潛熱蓄熱的方式，玻璃蓋板 蓄積，提高潛熱蓄熱能力 ；背陽的墻體外表面?zhèn)炔煞醋x用熱阻大的保溫材料 ； 中間墻體層采用蓄熱性能叫：板 和傳熱性能較好的空心砌塊磚，并利用空心氣孔自然形成豎向空氣通道；安裝在后墻體上方的雙，管集熱器與小型管道風機、 風管道以及中間墻體層內(nèi)的豎向空氣通道構(gòu)成太陽能 墻體主 圖 集熱器結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意被動蓄熱體系 ，達到提髙日光溫室墻體內(nèi)部層蓄熱能力的目的。經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn)， 單管集熱器在實際應用該墻體體系的主要工作原理是， 流出集熱器時存在處理空氣量小、集熱器效率低的問題， 為了的熱空氣通過風管送入墻體通風空氣通道 ，通過增大集熱器處理的空氣量并提高集熱器的集熱效強迫對流換熱方式加熱墻體， 被加熱的墻體通過率，提出了雙管集熱器的設計理念， 其核心特點輻射以及對流換熱的方式對溫室內(nèi)環(huán)境提供熱期張明星等 ：新型雙集熱管多 曲面槽式空氣集熱器在烏魯木齊量；被冷卻后的空氣流出墻體空氣通道 ，經(jīng)由風元組件串聯(lián)而成（總長度為 ） ，烏魯木齊地理機，通過通風管道流人空氣集熱系統(tǒng)；周而復始， 位置為北緯°，東經(jīng) °， 由集熱器固定不斷循環(huán)。 圖 放置朝向原則 ：保證在集熱器放置角度上冬季集單管單位面積集熱一雙管單位面娜熱面接收的有效太陽輻照量總和最大 可計簡到集熱器接收面傾角為 ° 。 為獲得集熱器進出 ？顯度變化規(guī)律， 在雙管集熱器睡出 口處用銅康銅熱電偶 （ 精度 ： ± 尤 ） ，分別布置溫度測°°°點 ；環(huán)境溫度測點也采用銅康銅熱電偶， 測量范圍 二？為 ，精度為 ± ； 空氣流量采用圖 單 、雙管誰器單位面積集熱量隨時間變化 °？ 精度 ？± ） ；太陽輻射強度采用錦州陽光能源有？限公司的 型總輻射儀（ 測量范； 為 ，測量精度為 ： ） ，通過一早管集熱效率一雙管集總率配套的 檢測儀進行數(shù)據(jù)采集，試驗數(shù) ，！ 據(jù)采集時間為次。數(shù)據(jù)采集時間 年 月 年 月 日 ，系統(tǒng)每天運行時間為鶴卜 ： ？ ： ，雨雪天氣不運行。 圖 為實測期間太陽 日累計總輻射量和環(huán)境溫度隨時間的變化 規(guī)律。 實測期間 ， 每支玻璃管接收器內(nèi)空氣流速為。 圖 ， 圖圖 單、雙管集熱器集熱效率隨時間變化 、禮一痛圖 應用案例現(xiàn)場：室內(nèi)室外 打？頦斜面 射總壞境齒度減 丨：圖 帶豎向空氣通道的太陽能：丨丨：妓才巨變蓄墻體體系 ！ ； 新疆日 光溫室應用概況圖 冬季太陽總輻射及環(huán)境溫度變化規(guī)律將研制的雙管集熱器在烏魯木齊日光溫室進行應用研究。 其中 ，雙管集熱器由 組集熱器單 新疆農(nóng)業(yè)科學卷 方 法 溫差效率曲線可評價集熱器在各種工況下的集結(jié)合雙管集熱器熱工性能影響因素，參照中熱效率 。國國家標準 太陽能集熱器熱一一性能試驗方法，可將空氣出 口溫度 、集熱量與累 計集熱量、集熱效率、基于進口溫度的歸化溫差財，吼為太陽能空氣集熱器的瞬時效率最效率等作為雙管集熱器集熱性能的評價指標。大值 ； 為太陽能空氣集熱器熱損失系數(shù)， 廠為 空氣出 口溫度基于集熱器空氣進口溫度的歸一化溫差（廠集熱器空氣出 口溫度反映集熱器的送風狀） ， 為境、溫度 ，： 。況 ，也反映了為能源利用末端提供的供暖（熱） 品質(zhì)。結(jié)果與分析 集熱量與 累計集熱量￥集熱量是指集熱器某時刻收集到的熱量，是 衡量集熱器醜要指標，可娜式將。日 （ ）（ ）繼魏織郵瀟 咖櫚變化式中幾為集熱器集熱量， ； 為集熱器內(nèi)變的空氣質(zhì)量流量 （ 可根據(jù)式 （ ） 計算） ， ； 先增加后減小 ，這是因為集熱器的出口溫度與太為空氣定壓比熱， （ ）為集熱器空氣出射強度變化密切相關，太陽輻射強度大則出口溫度， 為集熱器空氣進口溫度， 。溫度咼 反之，則出溫度低 ； 在中午 ： 日寸的進出 口空氣溫差最大可達 ， 此時空氣出口（ ）溫度達到最高、約為 丈 。 圖 式中 ， 為空氣密度 ， ； 為空氣集熱管？進口溫度一一出口溫度內(nèi)空氣流速， 為空氣集熱管管徑 ，累計集熱量是指集熱器在一天工作時間內(nèi)累備計收集的總熱量 ，是衡量集熱器供熱能力的重要 令指標，可根據(jù)式（）計算。 （二 ）；寸 寸？ ？ 集熱效率時間分集熱效率是指某一時刻集熱器所能夠提供的圖 集熱器進出 口空氣溫度隨著時間變化規(guī)律有用能量與當時投射到集熱器采光面上的太陽輻 射總量之比值，它反映了集熱器在一天中某一時 刻的瞬時運行特性，是評價集熱器性能的重要指 集熱器瞬時集熱量及瞬時集熱效率標之一，可根據(jù)式（ ）計算。太陽輻射強度為 條件下， 集熱器集 （ 。） 熱量及集熱效率隨著時間的變化規(guī)律為 ，集熱器瞬時集熱量在太陽輻射強度最大時（： ） 達到式中 ， ？ 為集熱器集熱效率； 久為投射到集最大、約為 ，太陽輻射強度的強弱直接影熱器采光面上的瞬時太陽輻射總量， ；為某一 響空氣集熱器集熱量的大??；集熱器的瞬時集熱時刻彳見斜面的太陽輻射強度，八為集熱器效率則隨著時間的變化逐漸增大， 在 ： 達到采光面積（為集熱器開口面寬度，；最大、為， 平均集熱效率約為 。為集熱器長度 ， ）， 。 經(jīng)過計算可以得到集熱器日累積集熱量可達 基于進口溫度的歸一化溫差效率曲線 ， 即單位面積累積集熱量 ？， 集根據(jù)， 集熱器集熱效率與熱器在太陽能主被動式墻體體系中起到了保證歸一化溫差存在線性關系 （式（ ） ） 。 根據(jù)歸一化輸人墻體的空氣溫度和熱量的作用。 圖 期張明星等 ： 新型雙集熱管 多曲面槽式空氣集熱器在烏魯木齊瞬時集熱量 瞬時集熱效率況下基于不同進口溫度的歸一化溫差效率曲線° 顯示 ，集熱 熱效率隨著歸？化溫差的增大而降低 ，此時集熱器熱損失系數(shù)為 ， 當 ： 歸一化溫差為 時集熱效率為 ， 由此曲線 對不同進口溫度工況下的集熱器集熱效率進行判斷。 當集熱器運行條件為進口溫度：，環(huán)境溫度 ，太陽輻射強度 時，圖 瞬時集熱量及瞬時集熱效率巧歸化溫差為 ，可以判斷集熱器隨著時間變化運行效率為 。 圖 集熱器累計提供太陽或根據(jù)烏魯木齊當?shù)囟咎柨傒椛浼碍h(huán)境、溫 歸化溫差效率曲線度實測數(shù)據(jù) ，冬季實測期間 ，集熱器累計集熱量隨選擇符合雜、態(tài)餅下賊驗顏，麵式咖觸化為 ，在痛天氣餅卩 ，娜器累計集并結(jié)合應用最小二乘法，擬合得到集熱器歸 艦最高可達陽； 在陰天條件下 ， 集熱器集熱化溫差效率曲線 圖效果較弱 ，集熱器累計集熱量約為；實測期間集熱系統(tǒng)通過日 光溫室墻體主動蓄熱方式，累 計為日 光溫室提供了 的太陽熱能 。齋， 圖；？ 矣 ！ ， 島歸一化溫查（ 圖 基于不同進溫度的歸化 ？ ，溫差效率曲線時 圖 集熱器累計集熱屋：隨時間變化 流量、太陽輻射強度工表 壓力損失測試流量（）單管風速（ ）總壓損（ ）摩擦阻力系數(shù) 總壓損（ ） 新疆農(nóng)業(yè)科學 卷 阻力特性分析于日光溫室是可行的 ，在集熱器長度為、集實際應用中 ，要考慮系統(tǒng)的管路配置及風機熱器單支玻璃管接收器內(nèi)空氣流速為 的的選擇問題， 因此，在利用該新型雙管集熱器進行條件下，集熱器出口溫度可達 ， 集熱效率可集熱的系統(tǒng)中 ，集熱器進出口之間的壓降特性也達 。是集熱器性能的一個重要參數(shù)。 利用壓差計在集 在晴好天氣條件下 ， 集熱器累計集熱量最熱器單支玻璃管接收器內(nèi)不同空氣流速條件下對高可達；在陰天條件下 ，集熱器集熱效果較長度為 的雙管集熱器進出 口之間的壓損進行弱 ，集熱器累計集熱量約為 ； 實測期間集熱了測試。 測試結(jié)果見表 ，根據(jù)式（ ） 和式（ ） 得系統(tǒng)通過日光溫室墻體主動蓄熱方式， 累計為日到的摩擦阻力系數(shù)計算得到 長雙管集熱器光溫室提供了 的太陽熱能。進出口的壓損。 在集熱器流量為 的條件下 ， 丄 把！ （ ）長集熱器總阻力損失約為 。 參考文獻 （ ）？ （ ） ，（ ）” 根據(jù)測試結(jié)果繪制的集熱器阻力特性曲線 ， ， （ ）： 可以看出 ， 隨著集熱器內(nèi)流量的 增大，集熱器總， ， （） 阻力損失也增加 ，在單支玻璃管接收器流速為 ？時，此時集熱器流量為，長 ， 集熱器總阻力損失約為 。 圖 李惟毅 ，李兆力，雷海燕， 等 農(nóng)業(yè)溫室微氣候研究綜述與理論模型分析 農(nóng)業(yè)機械學報， ， （ ）： ？， ， ，（）由 資 ， （ ）： （ ） 白義奎， 劉文合， 王鐵良， 等 日光溫室朝向?qū)M光量的影 響分析 農(nóng)業(yè)機械學報 ， （ ）：， ， ° ， ， 單管速！、 （ ） 圖 集熱器阻力特注曲線 ，（）：， （ ） 馬承偉 ，韓靜靜，李睿？ 日光溫室熱環(huán)境模擬頂測軟件研究、開發(fā) 北方園藝 ， ，（ ）： 才 卞匕 ， ， （ ） ， ， 、，” 根據(jù)第 節(jié)的結(jié)果，在已知 日光溫室內(nèi)作物 生長環(huán)境需求（主要是室內(nèi)溫度） 的前提下， 可對， （ ）： （ ）集熱器的出 口溫度進行調(diào)節(jié) ， 由集熱器玻璃管接 何芬 ， 馬承偉 ， 周長吉 ， 等基于有限差分法的日光溫室地收器內(nèi)的設計流量選擇合適的風機型號，設計出溫二維模擬 農(nóng)業(yè)機械學報， ， （ ） ： 針對不同作物的溫室太陽能集熱系統(tǒng)，并可給出， ， （訓）不同天氣條件下 （ 晴好天氣或陰天） 太陽能集熱 一， ， 系統(tǒng)為日光溫室提供的太陽熱能。， 、 ，（ ）：（ ）結(jié) 論 十徳咯 ， 饑軒 ， 殷志強 ， 等？侃爺太陽能供暖太陽能報， ， （ ）： 新型雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器應用張明星等 ：新型雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器在烏魯木齊 ， ，（ ） ， （ ）： ， （ ）： （ ） ， ， 劉圣勇 ， 張杰， 張百良 ， 等太陽能蓄熱系統(tǒng)提高溫室地溫（）的試驗研究 太陽能學報， ， （ ）： ， （ ） （ ） 陳紫光， 陳超， 凌浩恕， 等 日光溫室專用多曲面槽式太陽 能空氣集熱器熱工性能試驗研究 建筑科學， （ ）： （ ）（ ）： ，（ ）， ，（ ） ， ， （ ）： （ ） ： ， ，（ ） （ ） 凌 恕， 陳超， 陳紫光， 等 丨光？令帶賢逬的太 ，（ ）： ， ， 酊能和炎：熱墻體休系 農(nóng)、丨 機械報， ， （）： （ ） ， （）： （ ） ，（ ） ， ，（ ）： （ ） （ ）， （ ）： 孫峙峰，曲世琳 太陽能空氣集熱器熱性能測試方法研究 ， ， ， （ ） 太陽能學報， ，（ ）： ，（ ） ，（ ） ， （ ）： ， （ ， ， （ ） ） 新疆農(nóng)業(yè)科學卷，（ ， ， ，； ， ， ，） ： 【 】</p>