第36 卷 第17 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 36 No 17 234 2020 年 9 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep 2020 日光溫室主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)優(yōu)化 駱乾亮 1 程瑞鋒 1 張 義 1 方 慧 1 李 冬 2 張晉芳 3 宋國(guó)祥 3 1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 北京 100081 2 北川羌族自治縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 綿陽(yáng) 622750 3 山東壽光蔬菜種業(yè)集團(tuán)有限公司 濰坊 262700 摘 要 為了提高日光溫室主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性 該研究在第六代主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上 對(duì)主動(dòng) 蓄放熱系統(tǒng)的循環(huán)管路 供水方式和集放熱板進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn) 并對(duì)系統(tǒng)的加溫效果和性能進(jìn)行探究 研究結(jié)果表明 在 3 種不同的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度天氣條件下 試驗(yàn)區(qū)的平均氣溫比對(duì)照區(qū)分別高2 7 2 2和1 9 單位面積集熱量分別為4 6 3 7和2 6 MJ m 2 單位面積放熱量分別為4 1 3 4和3 1 MJ m 2 平均集熱功率分別為183 1 146 5 和105 0 W m 2 平均 放熱功率分別為163 2 134 0 和121 1 W m 2 平均集熱效率分別為56 5 68 2 和73 8 平均性能系數(shù)分別為3 8 3 1和2 8 與電加熱相比 平均節(jié)能率分別為73 5 67 1 和63 0 在主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)加溫期間 在不同太陽(yáng)輻射強(qiáng) 度天氣條件下 試驗(yàn)區(qū)南北溫差較大 植株群體內(nèi)部南北最大平均氣溫分別相差2 8 2 6 和2 4 研究結(jié)果可為主動(dòng) 蓄放熱系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐 關(guān)鍵詞 溫室 溫度 環(huán)境調(diào)控 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng) 節(jié)能 控制策略 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 17 028 中圖分類(lèi)號(hào) S214 3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2020 17 0234 08 駱乾亮 程瑞鋒 張義 等 日光溫室主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)優(yōu)化 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2020 36 17 234 241 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 17 028 http www tcsae org Luo Qianliang Cheng Ruifeng Zhang Yi et al Optimization of active heat storage and release system in solar greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2020 36 17 234 241 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 17 028 http www tcsae org 0 引 言 日光溫室是中國(guó)目前應(yīng)用最廣泛的園藝設(shè)施 1 隨著 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)種植技術(shù)的不斷提高 日光溫室蔬菜栽培逐 漸在中國(guó)發(fā)展起來(lái) 成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部 分 2 溫度是日光溫室室內(nèi)環(huán)境中非常重要的影響因子 其高低狀況往往成為決定溫室生產(chǎn)成敗的決定因素 因 此 日光溫室內(nèi)溫度的變化規(guī)律及其調(diào)節(jié)技術(shù)一直受到 研究學(xué)者的重視 尤其是對(duì)冬季夜間溫室增溫的調(diào)節(jié) 充分利用太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換進(jìn)行日光溫室加溫一直是研 究的熱點(diǎn) 相變材料在日光溫室的研究方面 國(guó)內(nèi)外學(xué) 者主要對(duì)相變材料的篩選制備 封裝和與溫室的結(jié)合方 面進(jìn)行了大量的研究 3 11 王宏麗等 12 對(duì)相變蓄熱砌塊墻 體在日光溫室的加溫效果進(jìn)行研究 結(jié)果表明 日光溫 室內(nèi)的氣溫提升 1 7 2 4 管勇等 13 提出的日光溫室 三重結(jié)構(gòu)相變蓄熱墻體的構(gòu)建方法能明顯的提升墻體的 有效蓄熱量和供熱量 雖然利用相變材料蓄熱能有效的 提高日光溫室內(nèi)的空氣溫度 但是由于其蓄熱方式是被 動(dòng)的 不利于熱量的有效控制 張勇等 14 設(shè)計(jì)了一種可 用于日光溫室的空氣循環(huán)式主動(dòng)蓄熱后墻 并對(duì)主動(dòng)蓄 收稿日期 2020 05 04 修訂日期 2020 06 01 基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 31901421 作者簡(jiǎn)介 駱乾亮 主要從事溫室太陽(yáng)能熱利用研究 Email 1694875741 通信作者 張義 博士 副研究員 主要從事設(shè)施園藝環(huán)境工程等方面研 究 Email zhangyi03 熱后墻日光溫室的室內(nèi)溫度和通風(fēng)蓄熱風(fēng)道蓄熱特性進(jìn) 行理論分析和試驗(yàn) 15 王雙喜等 16 和王順生等 17 以土壤 為蓄熱體 利用太陽(yáng)能熱水器作為吸熱體 方慧等 18 利 用換熱管道收集太陽(yáng)能 將熱量?jī)?chǔ)存在淺層土壤中 夜 晚再通過(guò)淺層土壤的自然釋放 加溫溫室 結(jié)果表明 與對(duì)照區(qū)相比 平均氣溫提高4 上述研究為日光溫室內(nèi)太陽(yáng)能的利用提供了基本的 方法和思路 但無(wú)論是以相變材料還是以土壤作為蓄熱 體 其蓄熱能力都受到了較大的限制 張義等 19 設(shè)計(jì)了 一種水幕簾蓄放熱系統(tǒng) 以水作為蓄熱介質(zhì) 白天利用 水的循環(huán)吸收太陽(yáng)能 將熱量?jī)?chǔ)存在水池里 夜晚再通 過(guò)水的循環(huán)將熱量釋放出來(lái) 由于水的比熱容較大 大 大提高了其蓄熱能力 并且實(shí)現(xiàn)了蓄熱和放熱的自動(dòng)控 制 可以在最合適的時(shí)間段進(jìn)行熱量的收集和釋放 大 大提高了日光溫室內(nèi)熱量的有效控制 梁浩等 20 在水幕 簾蓄放熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上 將吸熱層由水幕簾更改為雙黑 膜結(jié)構(gòu) 李文等 21 對(duì)其集放熱裝置和循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn) 方慧等 22 將吸熱層由雙黑膜結(jié)構(gòu)更改為金屬膜 孫維拓 等 23 和Zhou 等 24 將主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng) Active Heat Storage and release System AHS 與熱泵結(jié)合應(yīng)用于溫室中 周 升等 25 對(duì)安裝有主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的日光溫室進(jìn)行溫濕環(huán) 境監(jiān)測(cè)及節(jié)能保溫性能評(píng)價(jià) Fang 等 26 對(duì)影響主動(dòng)蓄放 熱系統(tǒng)集熱和放熱的環(huán)境因素進(jìn)行探究 Lu 等 27 對(duì)主動(dòng) 蓄放熱的熱環(huán)境進(jìn)行建模 馬前磊等 28 對(duì)主動(dòng)蓄放熱系 統(tǒng)對(duì)作物冠層的影響進(jìn)行探究 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多第17 期 駱乾亮等 日光溫室主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)優(yōu)化 235 年的發(fā)展 技術(shù)方法已經(jīng)較為成熟 裝備日益完善 柯 行林等 29 30 在第四代主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上 研發(fā)了 第六代主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng) 將集放熱板的主體材料由吹塑 成型的PE 空腔板 更改為鋁合金材質(zhì)的集放熱板 水流 進(jìn)入集放熱板的方式由上進(jìn)下回式更改為下進(jìn)上回式 增加了集熱效率并解決了集放熱板漏水等問(wèn)題 但是其 系統(tǒng)的穩(wěn)定性仍較差 水流不均勻 運(yùn)行一段時(shí)間后 常常出現(xiàn)接近一半的集放熱板沒(méi)有水流的情況 本研究在上述基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng) 水循環(huán)系統(tǒng)由開(kāi)式系統(tǒng)更改為閉式系統(tǒng) 供水方式由之 前的異程供水替換為同程供水 將每一塊集放熱板的鋁 合金翅片由6 塊增加到7 塊 并開(kāi)展溫室現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究 對(duì)主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的加溫效果 系統(tǒng)性能 控制系統(tǒng)的 控制策略和典型天氣下加溫過(guò)程中室內(nèi)氣溫的分布進(jìn)行 探究 以期為主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ) 和數(shù)據(jù)支撐 1 材料與方法 1 1 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)優(yōu)化 在第六代主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上 本試驗(yàn)的主動(dòng) 蓄放熱系統(tǒng)主要作了如下改進(jìn) 1 將水循環(huán)系統(tǒng)由開(kāi)式 循環(huán)系統(tǒng)更改為閉式循環(huán)系統(tǒng) 閉式循環(huán)系統(tǒng)由供回水 管 集放熱板和潛水泵組成 水流由位于蓄熱水桶底部 的潛水泵抽出 由下而上流經(jīng)集放熱板 經(jīng)回水管流回 蓄熱水桶 整個(gè)系統(tǒng)不與外界直接接觸 水流的運(yùn)行都 在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行 這樣做的優(yōu)勢(shì)在于 水質(zhì)無(wú)污染 外 界的雜質(zhì)不會(huì)進(jìn)到系統(tǒng)內(nèi)造成污染 堵塞等情況 節(jié) 能 當(dāng)系統(tǒng)停止工作時(shí) 系統(tǒng)內(nèi)部的水流仍然會(huì)停留在 系統(tǒng)內(nèi) 再次開(kāi)啟系統(tǒng)時(shí) 系統(tǒng)馬上就能開(kāi)始集熱或者 放熱 而對(duì)于開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng) 當(dāng)系統(tǒng)停止后 水流就會(huì) 全部流入到蓄熱水桶內(nèi) 再次啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí) 需要水流灌 滿(mǎn)系統(tǒng)才能開(kāi)始正常集熱或者放熱 耗電量較大 相對(duì) 于開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng) 閉式循環(huán)系統(tǒng)更節(jié)能 2 供水方式由 異程供水改為同程供水 同程供水即對(duì)于任意一塊鋁合 金集放熱板 其回水管和供水管的總長(zhǎng)度相等 這樣能 保證每一塊集放熱板進(jìn)口處的水壓都是相等的 從而使 流經(jīng)每一塊集放熱板的水流更加均勻 發(fā)揮每一塊集放 熱板的功能 解決了之前部分集放熱板沒(méi)有水流的情況 3 每一塊集放熱板由6 塊鋁合金翅片更改為由7 塊鋁合 金翅片組成 因?yàn)椴捎瞄]式系統(tǒng)后 系統(tǒng)承壓能力降低 潛水泵的功率由1 1 kW 更改為750 W 優(yōu)化后的主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示 主要 由集放熱板 蓄熱水桶 潛水泵和供回水管路等組成 集放熱板為鋁合金材質(zhì) 表面亞光黑色噴塑 寬1 m 高 1 8 m 一套系統(tǒng)共有26 塊集放熱板 每塊集放熱板又由 7 小塊鋁合金翅片拼接而成 每塊鋁合金翅片厚度 1 4 mm 寬124 mm 高1 8 m 在寬度方向上 距離邊 緣30 mm 和94 mm 處分別有一個(gè)直徑5 25 mm 高1 8 m 的管道 用于流通水流 蓄熱水桶的有效體積4 3 m 3 位 于溫室的中部 埋于地下 底部由厚度40 mm 的保溫板 鋪墊 四周使用擠塑板保溫層包裹 最外側(cè)用普通黏土磚 進(jìn)行砌筑 潛水泵的功率750 W 額定流量10 m 3 h 供水 管和回水管的主管道采用的是直徑50 mm 的PVC管件 1 排氣閥 2 支架 3 集放熱板 4 蓄熱水桶 5 潛水泵 6 回水管 7 供水管 1 Vent valve 2 Bracket 3 Heat collecting and releasing plates 4 Heat storage bucket 5 Immersible pump 6 Return water pipe 7 Water supply pipe 圖1 日光溫室主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)示意圖 Fig 1 Schematic diagram of active heat storage and release system of solar greenhouse 1 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 1 2 1 試驗(yàn)溫室 試驗(yàn)于2019年11 月24日至2020年2 月29日在北 京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持 續(xù)發(fā)展研究所試驗(yàn)基地 40 13 N 116 65 E 內(nèi)進(jìn)行 日光溫室為東西走向 長(zhǎng)60 m 跨度10 m 后墻高2 9 m 溫室主鋼架由材質(zhì)為Q235 的扁圓管鋼架組成 后墻及山 墻為復(fù)合結(jié)構(gòu) 即內(nèi)外為 8 mm厚的水泥板 中間為 15 6 cm 厚和20 kg m 3 密度的EPS 擠塑板 在溫室中間有 一面厚度8 mm 的玻璃墻 將溫室分為2 個(gè)獨(dú)立的空間 東邊作為對(duì)照區(qū) 里面沒(méi)有加溫設(shè)備 西邊作為試驗(yàn)區(qū) 運(yùn)行主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)進(jìn)行加溫試驗(yàn) 試驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)內(nèi) 種植的作物為西紅柿 品種為荷蘭瑞克斯旺公司的 72 193A 定植日期為2019年9 月10 日 試驗(yàn)期間利用 吊蔓使植株的平均高度維持在3 m 左右 1 2 2 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)運(yùn)行模式 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的運(yùn)行為時(shí)間控制的自動(dòng)運(yùn)行模 式 集熱階段 開(kāi)啟時(shí)間為9 00 關(guān)閉時(shí)間為16 00 放 熱階段 開(kāi)啟時(shí)間為0 00 關(guān)閉時(shí)間為7 00 如遇連續(xù) 陰天 雨天或雪天 則改為手動(dòng)控制模式 1 2 3 測(cè)試儀器與測(cè)點(diǎn)布置 對(duì)室外 試驗(yàn)區(qū) 對(duì)照區(qū)的空氣溫度和試驗(yàn)區(qū)的太 陽(yáng)輻射以及試驗(yàn)水溫進(jìn)行測(cè)試 溫度的測(cè)量采用銅 康 銅T 型熱電偶 測(cè)量精度 0 2 測(cè)量空氣溫度時(shí)加裝 自然通風(fēng)防輻射罩 測(cè)量水溫時(shí) 水溫傳感器探頭做防 銹處理 熱電偶線做防倒吸處理 使用杭州逸控科技有 限公司生產(chǎn)的型號(hào)為R7100 的數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)記錄溫度 值 每2 min 采集一次數(shù)據(jù) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析時(shí)計(jì)算步長(zhǎng)為農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020 年 236 10 min 因此只采用10 min 的數(shù)值 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的測(cè) 試采用美國(guó)坎貝爾公司的CMP3 型太陽(yáng)輻射傳感器 使 用CR1000 數(shù)據(jù)采集儀每10 min 采集一次數(shù)據(jù) 水泵的 耗電量使用上海人民上聯(lián)電氣股份有限公司生產(chǎn)的 DTS1762 型電能表進(jìn)行測(cè)量 測(cè)點(diǎn)布置 在試驗(yàn)區(qū)的中間位置 自南向北距離地 面1 5 m 處布置3 個(gè)空氣溫度測(cè)量點(diǎn) 用于測(cè)量試驗(yàn)區(qū)的 空氣溫度 這3 個(gè)點(diǎn)距離北墻的距離分別為2 42 4 84 和7 26 m 對(duì)照區(qū)空氣溫度的測(cè)量點(diǎn)和試驗(yàn)區(qū)完全一致 同時(shí)在試驗(yàn)區(qū)的中間位置另外設(shè)置7 個(gè)點(diǎn) 用于測(cè)量同 一剖面不同位置的空氣溫度 其中1 2 3 4 為植株群 體內(nèi)部的溫度 5 6 7 為植株冠層的溫度測(cè)點(diǎn) 8 9 為植株冠層上方的溫度測(cè)點(diǎn) 10 為溫室內(nèi)較高處作物群 體外部的溫度測(cè)點(diǎn) 圖2 在室外空曠位置離地1 5 m 高度處布置一個(gè)室外溫度測(cè)量點(diǎn) 注 1 2 3 4表示植株群體內(nèi)部的溫度測(cè)點(diǎn) 5 6 7 表示植株冠層的溫 度測(cè)點(diǎn) 8 9 表示植株冠層上方的溫度測(cè)點(diǎn) 10 表示溫室內(nèi)較高處作物群 體外部的溫度測(cè)點(diǎn) Note 1 2 3 and 4 represent the temperature measuring points inside the plant population 5 6 and 7 represent the temperature measuring points of plant canopy 8 and 9 represent the temperature measuring points above the plant canopy 10 represents the temperature measuring point outside the higher crops in the greenhouse 圖2 日光溫室空氣溫度測(cè)點(diǎn)布置示意圖 Fig 2 Schematic diagram of air temperature measurement points in solar greenhouse 水溫的測(cè)量 沿圓柱形蓄熱水桶軸心 距離水桶底 部15 92 5 和170 cm 依次布置3 個(gè)測(cè)點(diǎn) 用于水溫測(cè)試 在集熱系統(tǒng)的進(jìn)水口和出水口各設(shè)置2 個(gè)溫度傳感器 用于測(cè)量供水和回水的溫度 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的測(cè)量 在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)由東向西 分別 布置3 個(gè)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度測(cè)試點(diǎn) 圖3 測(cè)點(diǎn)高度不同 可以在一定程度上減弱作物或者溫室骨架對(duì)太陽(yáng)輻射傳 感器的遮擋 從而減小測(cè)量誤差 圖3 太陽(yáng)輻射傳感器測(cè)試位置示意圖 Fig 3 Test position diagram of solar radiation sensors 1 3 性能優(yōu)化分析方法 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的集熱量 Q c J 和放熱量 Q r J 由式 1 和式 2 計(jì)算得出 21 Q c c w w V w T c f T c s 1 Q r c w w V w T r f T r s 2 式中 c w 為水的比熱容 取值4 2 10 3 J kg w 為水 的密度 取值1 0 10 3 kg m 3 V w 為蓄熱水桶的體積 取 值4 3 m 3 T c f 為集熱結(jié)束時(shí)蓄熱水桶內(nèi)的水溫 T c s 為集熱開(kāi)始時(shí)蓄熱水桶內(nèi)的水溫 T r f 為放熱結(jié)束時(shí) 蓄熱水桶內(nèi)的水溫 T r s 為放熱開(kāi)始時(shí)蓄熱水桶內(nèi)的 水溫 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的單位面積集放熱量由式 3 計(jì)算 得出 Q q A 3 式中 q 為單位面積集熱量或者放熱量 J m 2 Q 為集熱量 或放熱量 J A 為集放熱板的總面積 取值40 6 m 2 從早上9 00 開(kāi)始運(yùn)行 到下午16 00 關(guān)閉系統(tǒng) 這是一個(gè)集熱過(guò)程 其集熱效率由式 4 計(jì)算得出 end start 100 c c c c c t s c t Q Q E A I 4 式中 c 為系統(tǒng)的集熱效率 E s 為白天集熱階段 照 射到集熱板上太陽(yáng)輻射的總量 J t c start t c end 分別為系 統(tǒng)集熱起 止時(shí)刻 I c 為時(shí)間 內(nèi)照射到集熱板上的平 均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 W m 2 為測(cè)試期間數(shù)據(jù)記錄的時(shí)間間 隔 取值10 min 試驗(yàn)期間 一天的定義為該日9 00 至次日9 00 性能系數(shù) Coefficient of Performance COP 的定義為一 天內(nèi)集熱板的放熱量與系統(tǒng)一天的耗電量的比值 由式 5 計(jì)算得出 19 wp COP r Q E 5 式中 E wp 為系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)周期循環(huán)水泵的耗電電能 J 由電表測(cè)試獲取 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)單位面積的集熱功率和放熱功率如 式 6 所示 22 Q P tA 6 式中 P 為系統(tǒng)的單位面積集熱功率或者放熱功率 W m 2 t 為集熱或放熱的總時(shí)間 s 將系統(tǒng)的一天的放熱量轉(zhuǎn)化為電加熱產(chǎn)生的熱量 那主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的節(jié)能率由式 7 計(jì)算得出 wp 100 c c Q E R Q 7 式中 R 為系統(tǒng)的節(jié)能率 2 結(jié)果與分析 系統(tǒng)從2020 年11 月1 日開(kāi)始試運(yùn)行 2 月29 日關(guān) 閉 選取2019 年11 月24日至2020 年2 月18 日穩(wěn)定運(yùn)第17 期 駱乾亮等 日光溫室主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)優(yōu)化 237 行的87 d 試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 以集熱階段太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 的平均值作為分類(lèi)條件 分為A B C 三類(lèi)天氣 分別 定義為集熱階段到達(dá)北墻的平均太陽(yáng)輻射為 260 180 260 100 180 W m 2 87 d 中A 類(lèi)天氣共33 d B 類(lèi)天 氣共24 d C類(lèi)天氣共11 d 試驗(yàn)期間 3 種天氣的室外 平均氣溫分別為 2 9 0 3 0 2 室外平均太陽(yáng)輻射 強(qiáng)度為600 6 580 5 539 8 W m 2 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)集熱 的時(shí)間是9 00 16 00 放熱時(shí)間為0 00 7 00 因此將 當(dāng)日9 00 至次日9 00 作為一個(gè)加熱周期進(jìn)行分析 如1 月14 日指1 月14 日9 00至1 月15 日9 00 用電能表測(cè) 得主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)每天平均的電消耗為43 9 MJ 2 1 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)運(yùn)行的總體性能分析 2 1 1 加溫效果 圖4 為在A 類(lèi) B 類(lèi) C 類(lèi) 3 種天氣條件下主動(dòng)蓄 放熱系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)區(qū)的總體加溫效果 注 A B 和C 類(lèi)天氣條件分別表示集熱階段到達(dá)北墻的平均太陽(yáng)輻射為 260 180 260和100 180 W m 2 下同 Note Type A B and C weather conditions respectively indicate that the average solar radiation reaching the north wall during the heat collecting stage is 260 180 260 and 100 180 W m 2 The same below 圖4 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的加溫效果 Fig 4 Heating effect of active heat storage and release system 在 A 類(lèi)天氣條件下 試驗(yàn)區(qū)的平均氣溫能達(dá)到 10 3 與對(duì)照區(qū)相比 平均氣溫提升2 7 在B 類(lèi) 和C類(lèi)天氣條件下 試驗(yàn)區(qū)的平均氣溫為10 4 和9 9 因?yàn)榈竭_(dá)北墻的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度比A 類(lèi)天氣下的太陽(yáng)輻射 強(qiáng)度低 與A類(lèi)天氣的加溫效果相比 其加溫效果稍差 平均氣溫提升2 2 和1 9 由此可知 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng) 對(duì)試驗(yàn)區(qū)的的加溫效果顯著 2 1 2 系統(tǒng)性能分析 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)在A B C三類(lèi)天氣條件下的單位 面積集熱量和單位面積集熱功率都具有極顯著性差異 P 0 01 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越大 越利于主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng) 的集熱 所以在A B C 3 類(lèi)天氣條件下 單位面積集 熱量和單位面積集熱功率依次遞減 單面面積集熱量分 別為 4 6 3 7 和 2 6 MJ m 2 單位面積集熱功率分別為 183 1 146 5 和105 0 W m 2 表1 對(duì)于平均集熱效率 而言 A 類(lèi)與B 類(lèi)天氣之間差異顯著 P 0 05 與C 類(lèi)天氣之間為極顯著性差異 B 類(lèi) C類(lèi)天氣之間差異不 顯著 在A 類(lèi)天氣下集熱效率為56 5 而B(niǎo) 類(lèi) C 類(lèi) 天氣下 則分別達(dá)到68 2 和73 8 主要原因在于集放 熱板不僅吸收太陽(yáng)輻射 還會(huì)吸收空氣中的熱量 在 C 類(lèi)天氣下 集放熱板吸收空氣的熱量占所吸收熱量總值 的比例最大 B 類(lèi)天氣次之 A類(lèi)天氣最少 而集熱效率 計(jì)算式 4 只考慮了太陽(yáng)輻射的影響 對(duì)于單位面積放 熱量 單位面積放熱功率和平均 C O P A類(lèi)天氣與B 類(lèi) C 類(lèi)天氣之間具有極顯著性差異 B 類(lèi)與C 類(lèi)天氣條件 下差異不顯著 當(dāng)白天集熱量越大時(shí) 蓄熱水桶內(nèi)水溫 也就越高 越利于夜晚主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的放熱 所以對(duì) 于單位面積放熱量 放熱功率 平均COP 和平均節(jié)能率 都出現(xiàn)A B C 3 類(lèi)天氣依次遞減的情況 其單位面積 放熱量分別為 4 1 3 4 和 3 0 MJ m 2 放熱功率分別為 163 2 134 0 和121 1 W m 2 COP 分別為3 8 3 1 和2 8 節(jié)能率分別為73 5 67 1 和63 0 通過(guò)與第六代主 動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)相比 當(dāng)集熱量相近時(shí) 因?yàn)椴捎玫乃?功率較小 日均耗電量降低20 平均節(jié)能率增加6 7 平均COP 增加0 8 由于水流量減少 所以平均集熱效 率降低了10 3 表1 不同天氣條件下主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的性能參數(shù) Table 1 Performance parameters of the active heat storage and release system under different weather conditions 天氣條件 Weather conditions 到達(dá)北墻的平均 太陽(yáng)輻射 Average solar radiation reaching the north wall W m 2 單位面積集熱量 Average heat collection per unit area MJ m 2 單位面積放熱量 Average heat release per unit area MJ m 2 單位面積集熱功率 Average heat collecting power W m 2 單位面積 放熱功率 Average heat releasing power W m 2 平均集熱效率 Average heat collecting efficiency 平均性能系數(shù) Average Coefficient of Performance COP 平均節(jié)能率 Average e nergy saving rate A 326 4 42 0a 4 6 0 8a 4 1 0 4a 183 1 31 1a 163 2 14 2a 56 5 9 8b 3 8 0 3a 73 5 2 3a B 215 0 12 0b 3 7 0 6b 3 4 0 5b 146 5 25 5b 134 0 20 4b 68 2 11 7a 3 1 0 5b 67 1 5 7b C 141 4 21 5c 2 6 0 8c 3 0 0 6b 105 0 30 1c 121 1 25 2b 73 8 15 4a 2 8 0 6b 63 0 8 4c 注 同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著 P 0 05 Note Different lowercase letters in the sane column indicate significant differences P 0 05 2 2 典型天氣條件下主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的加溫特征分析 2 2 1 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)氣溫的變化 選取3個(gè)典型天氣條件下 A類(lèi) 2020年1月14日 B 類(lèi) 2020 年1 月25 日 和C 類(lèi)天氣 2020 年1 月24 日 的試驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 結(jié)果如圖 5 所示 由圖5 可知在主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)集熱過(guò)程中 A B C 3 種天氣條件下試驗(yàn)區(qū)的氣溫都始終低于對(duì)照區(qū) 的氣溫 主要原因是1 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的集放熱板吸 收試驗(yàn)區(qū)的太陽(yáng)輻射量轉(zhuǎn)化為水溫的溫升 削減了試驗(yàn) 區(qū)內(nèi)的太陽(yáng)輻射量 從而使室內(nèi)空氣吸收的太陽(yáng)輻射量 減少 2 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的集放熱板與試驗(yàn)區(qū)的空氣進(jìn) 行對(duì)流傳熱 因?yàn)榧艧岚灞砻娴臏囟鹊陀谑覂?nèi)的空氣農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020 年 238 溫度 所以集放熱板吸收空氣中的熱量 降低了試驗(yàn)區(qū) 內(nèi)空氣的溫度 由此可知 白天運(yùn)行主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)對(duì) 日光溫室可以起到一定的降溫效果 當(dāng)主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng) 停止后 對(duì)照區(qū)和試驗(yàn)區(qū)的氣溫繼續(xù)下降 在A B C 三種天氣條件下試驗(yàn)區(qū)的氣溫都比對(duì)照區(qū)的氣溫下降 得緩慢 其主要原因在于 雖然蓄熱水桶的保溫性能較 好 但是水溫與周?chē)耐寥篮褪覂?nèi)空氣存在較大的溫 差 仍然會(huì)向周?chē)寥篮涂諝鈧鬟f熱量 對(duì)試驗(yàn)區(qū)的空 氣溫度造成一定的影響 經(jīng)過(guò)計(jì)算 在16 00 0 00 期 間 在A B C 在三類(lèi)天氣條件下蓄熱水桶的散熱量 分別為19 9 16 9 和14 4 MJ 在0 00 系統(tǒng)啟動(dòng) 主動(dòng) 蓄放熱系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行加溫 試驗(yàn)區(qū)的氣溫開(kāi)始 上升 在A 類(lèi)天氣下 因?yàn)槠涑跏妓疁刈罡?所以加 溫效果最好 相對(duì)于對(duì)照區(qū) 平均氣溫提升2 7 B 類(lèi) C 類(lèi)天氣下則為2 1 和2 而3 種天氣下對(duì)照區(qū) 的氣溫在整個(gè)夜晚都在下降 圖5 不同天氣條件下對(duì)照區(qū)和試驗(yàn)區(qū)室內(nèi)氣溫的變化 Fig 5 Variation of indoor temperature in control area and test area under different weather conditions 2 2 2 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)放熱階段試驗(yàn)區(qū)氣溫分布 圖6 為A B C 三類(lèi)天氣條件下主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng) 加溫過(guò)程中試驗(yàn)區(qū)氣溫分布的情況 在主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng) 夜間加溫過(guò)程中 南北溫差較大 同一高度上離北墻越 近 氣溫越高 越往南氣溫越低 造成這種情況的原因 為1 北墻安裝有主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng) 離主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)越 近 獲得的熱量越多 氣溫越高 2 越靠近南面 越接 近屋頂?shù)母采w薄膜 覆蓋薄膜夜間的溫度較低 周?chē)?氣損失的熱量較大 所以越往南氣溫越低 在A B C 三類(lèi)天氣條件下 在植株群體內(nèi)部 離地1 5 m 北面比 南面的平均氣溫分別高2 8 2 6 和2 4 在植株冠層 頂部 離地3 m 的平均氣溫則分別相差0 9 0 9和0 8 在植株冠層上方 離地3 25 m 的平均氣溫相差不明顯 即距地面越高 南北溫差越小 主要原因在于1 作物對(duì) 熱量傳遞的阻擋 阻礙集放熱板與空氣之間的輻射傳熱 和空氣之間的對(duì)流傳熱 距地面越高 植物的遮擋越少 所以溫差越小 2 溫室跨度的影響 越往上 溫室跨度 越小 熱量傳遞的路程越小 所以溫差越小 對(duì)于屋面周?chē)目諝鉁囟?靠近北側(cè)的空氣溫度要 明顯高于靠近南側(cè)的空氣溫度 主要原因在于 在靠近 北墻的位置有過(guò)道 過(guò)道內(nèi)由于沒(méi)有作物的存在 所以 缺少作物對(duì)熱量傳遞的遮擋 此處熱空氣的上升速率最 快 熱空氣在屋頂聚集 導(dǎo)致靠近北側(cè)屋面周?chē)目諝?溫度較高 在A B C三類(lèi)天氣條件下分別達(dá)到11 3 10 2 和9 6 而南面的屋面則因?yàn)槭軣峥諝馍仙挠?響很小 所以其溫度僅為9 9 9 2 和8 8 圖6 不同天氣條件下主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)夜間加溫期間試驗(yàn)區(qū)氣溫分布云圖 Fig 6 Cloud image of air temperature distribution in the experimental area during night heating of the active heat storage and release system under different weather conditions 2 2 3 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)供回水溫度變化 圖7 為2020 年1 月14 日主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)集熱階段 供回水溫度的變化圖 試驗(yàn)期間保溫被的開(kāi)啟時(shí)間是 8 30 當(dāng)保溫被開(kāi)啟時(shí) 停留在集放熱板內(nèi)的水吸收太陽(yáng) 輻射 溫度上升 因?yàn)槭敲荛]系統(tǒng) 水流會(huì)帶動(dòng)主動(dòng)蓄 放熱系統(tǒng)以緩慢速度開(kāi)始集熱 所以在 9 00 系統(tǒng)剛開(kāi) 啟時(shí) 回水水溫就大于進(jìn)水水溫 隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和 室內(nèi)空氣溫度的增加 供回水的溫差逐漸擴(kuò)大 在12 40 達(dá)到最大值 為4 2 此時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為452 6 W m 2 空氣溫度為34 9 回水水溫為28 0 此時(shí)由于室第17 期 駱乾亮等 日光溫室主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)優(yōu)化 239 內(nèi)空氣溫度較高 所以開(kāi)啟通風(fēng)口對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行降溫 可以明顯看出試驗(yàn)區(qū)的空氣溫度在下降 雖然此時(shí)的太 陽(yáng)輻射強(qiáng)度在增加 但是由于室內(nèi)空氣的溫度大幅度下 降 與供水水溫的差值減少 導(dǎo)致集放熱板與空氣的對(duì) 流換熱量減少 減少的幅度大于集熱放熱板吸收增加的 太陽(yáng)輻射的幅度 所以供水水溫和回水水溫的溫差在減 少 此后隨著蓄熱水桶內(nèi)水溫的增加 供水溫度在增加 與室內(nèi)空氣溫度的差值進(jìn)一步減少 瞬時(shí)集熱量在持續(xù) 下降 隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和室內(nèi)空氣的持續(xù)下降 供回 水溫差一直在降低 在15 30 時(shí) 供水水溫和回水水溫相 等 表示集放熱板與太陽(yáng)輻射和室內(nèi)空氣的換熱達(dá)到平 衡狀態(tài) 此后 集放熱板向室內(nèi)散發(fā)的熱量大于吸收的太 陽(yáng)輻射的和室內(nèi)空氣的熱量之和 集放熱板向溫室散發(fā)熱 量 一直到16 00系統(tǒng)關(guān)閉 供水水溫都大于回水水溫 由分析可以知 系統(tǒng)是否集熱 取決于集放熱板與 太陽(yáng)的輻射換熱和與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱 通過(guò)供回水 的溫差表現(xiàn)出來(lái) 當(dāng)供回水溫差大于 0 時(shí) 表示系統(tǒng)在 集熱 當(dāng)供回水溫差小于 0 時(shí) 表示系統(tǒng)在放熱 所以 可以考慮將供回水的溫差作為系統(tǒng)停止的條件 當(dāng)供回 水溫差小于 0 時(shí) 關(guān)閉系統(tǒng) 一方面減少潛水泵的電能 消耗 另一方面減少系統(tǒng)的熱損失 圖7 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)集熱階段供回水溫度變化曲線 Fig 7 Supply and return water temperature curves of active heat storage and release system during heat collecting period 3 結(jié) 論 本研究中 白天利用主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)吸收日光溫室 內(nèi)的太陽(yáng)能 用于夜間加溫 對(duì)其加溫效果 系統(tǒng)性能 和加溫過(guò)程中試驗(yàn)區(qū)氣溫的分布進(jìn)行探究 并提出對(duì)主 動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的改進(jìn)意見(jiàn) 得出以下結(jié)論 1 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的性能優(yōu)越 夜間運(yùn)行主動(dòng)蓄放 熱系統(tǒng)能明顯的提升試驗(yàn)區(qū)的空氣溫度 在3 種不同的 天氣條件下 其單位面積集熱量分別為 4 6 3 7 和 2 6 MJ m 2 單位面積放熱量分別為4 1 3 4 和3 1 MJ m 2 平均集熱功率為183 1 146 5 和105 W m 2 平均放熱功 率為163 2 134 0 和121 1 W m 2 性能系數(shù) Coefficient Of Performance COP 為3 8 3 1 和2 8 與對(duì)照區(qū)相比 可將日光溫室的夜間平均氣溫提升2 7 2 2 和1 9 2 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的節(jié)能效果明顯 在不同的天氣 條件下 與電加熱相比 節(jié)能率分別達(dá)到73 5 67 1 和63 0 本研究所采用的主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)比第六代主動(dòng) 蓄放熱系統(tǒng)更節(jié)能 當(dāng)集熱量相近時(shí) 與第六代主動(dòng)蓄 放熱系統(tǒng)相比 日均耗電量降低 20 平均節(jié)能率增加 6 7 平均能效比增加 0 8 但是平均集熱效率降低了 10 3 3 在夜間加溫期間 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)區(qū)氣溫 分布的影響顯著 因集放熱板位于北墻 日光溫室內(nèi)南 北溫差較大 不同天氣條件下在植株群體內(nèi)部南北最大 平均氣溫分別相差2 8 2 6 和2 4 因?yàn)槭軣峥諝馍?升的影響 北側(cè)屋面周?chē)諝鉁囟却笥谀蟼?cè)屋面周?chē)?空氣溫度 通過(guò)試驗(yàn)研究 對(duì)主動(dòng)蓄放熱的改進(jìn)提出以下建議 1 增加水流量可以提高系統(tǒng)集熱量 因此可以考慮 加大鋁合金翅片管道的直徑 并與水泵流量匹配 提高 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的集熱效率 2 將集熱和放熱裝置分開(kāi) 集熱用鋁合金集熱板集 熱 放熱則另外使用加溫管道進(jìn)行放熱 降低南北溫差 使夜間溫度分布更加均勻 3 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)無(wú)論是采用溫度控制還是時(shí)間控 制 都存在白天系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)放熱的現(xiàn)象 建議可采用以 下2 種控制方法 時(shí)間 溫度的組合控制 分時(shí)段內(nèi)根據(jù) 氣溫 水溫協(xié)同控制 使用供回水溫差作為系統(tǒng)集熱階 段系統(tǒng)關(guān)閉的條件 即供水水溫大于回水水溫時(shí) 系統(tǒng) 關(guān)閉 參 考 文 獻(xiàn) 1 佟國(guó)紅 日光溫室墻體蓄放熱層溫度變化規(guī)律研究 J 農(nóng) 業(yè)工程學(xué)報(bào) 2019 35 7 170 177 Tong Guohong Temperature variations in energy storage layers in Chinese solar greenhouse walls J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2019 35 7 170 177 in Chinese with English abstract 2 王偉 王健君 肖雨 高效節(jié)能日光溫室蔬菜栽培技術(shù) J 現(xiàn)代園藝 2018 10 38 Wang Wei Wang Jianjun Xiao Yu Technology of vegetable cultivation in solar greenhouse with high efficiency and energy saving J Xiandai Horticulture 2018 10 38 in Chinese with English abstract 3 王宇欣 劉爽 王平智 等 溫室蓄熱微膠囊相變材料制 備篩選與性能表征 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2016 47 9 348 358 Wang Yuxin Liu Shuang Wang Pingzhi et al Preparation and characterization of microencapsulated phase change materials for greenhouse application J Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery 2016 47 9 348 358 in Chinese with English abstract 4 蔣自鵬 鐵生年 芒硝基相變材料性能及其在簡(jiǎn)易溫室中 升溫效果試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2016 32 20 209 216 Jiang Zipeng Tie Shengnian Property and heat storage performances of Glauber s salt based phase change materials for solar greenhouse in Qinghai Tibet Plateau J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2016 32 20 209 216 in Chinese with English abstract 5 Benli H Durmu A Performance analysis of a latent heat storage system with phase change material for new designed 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020 年 240 solar collectors in greenhouse heating J Solar Energy 2009 83 12 2109 2119 6 Berroug F Lakhal E K Elomari M et al Thermal performance of a greenhouse with a phase change material north wa