第 34 卷    第 6 期                         農(nóng)  業(yè)  工  程  學(xué)  報(bào)                               Vol.34  No.6 2018 年     3月           Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering          Mar. 2018     1 節(jié)能日光溫室蓄熱技術(shù)研究進(jìn)展鮑恩財(cái)，曹晏飛，鄒志榮，申婷婷，張   勇  （西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌  712100）  摘   要： 節(jié)能日光溫室起源于中國遼南地區(qū)，具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，在中國設(shè)施園藝的發(fā)展過程中起到了重要的作用。節(jié)能日光溫室的高效蓄熱性能是其與普通日光溫室的最主要的區(qū)別，節(jié)能日光溫室的蓄熱是通過結(jié)構(gòu)、材料、設(shè)備的單一或協(xié)同應(yīng)用來最大化利用太陽能為室內(nèi)提供熱能，有被動(dòng)蓄熱和主動(dòng)蓄熱 2 種形式。目前的形式主要包括主動(dòng)采光蓄熱、空氣循環(huán)蓄熱、水循環(huán)蓄熱、相變材料蓄熱、卵石蓄熱、熱泵蓄熱、聯(lián)合方式蓄熱。該文綜述了節(jié)能日光溫室蓄熱技術(shù)的相關(guān)研究成果，分析了主要技術(shù)問題及研究重點(diǎn)，從傳統(tǒng)日光溫室節(jié)能化改造、節(jié)能日光溫室新結(jié)構(gòu)發(fā)展、蓄熱技術(shù)研究方法集成及市場化推廣應(yīng)用 4 個(gè)方面進(jìn)行未來發(fā)展方向和研究內(nèi)容的展望，為國內(nèi)開展節(jié)能日光溫室蓄熱技術(shù)研究提供參考。  關(guān)鍵詞： 太陽能；傳熱；相變材料；蓄熱；節(jié)能日光溫室；研究現(xiàn)狀；發(fā)展方向  doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.06.001 中圖分類號： S625.1； S26+1           文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A           文章編號： 1002-6819(2018)-06-0001-14 鮑恩財(cái)，曹晏飛，鄒志榮，申婷婷，張   勇 . 節(jié)能日光溫室蓄熱技術(shù)研究進(jìn)展J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(6)：114.    doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.06.001    http:/www.tcsae.org Bao Encai, Cao Yanfei, Zou Zhirong, Shen Tingting, Zhang Yong. Research progress of thermal storage technology in energy-saving solar greenhouseJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(6): 1 14. (in Chinese with English abstract)    doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.06.001    http:/www.tcsae.org 0  引  言日光溫室在中國設(shè)施園藝的發(fā)展過程中起到了重要的作用。從上世紀(jì)初即開始初期發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了冬春季節(jié)北方栽培的突破， 80 年代進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展階段， 2015 年日光溫室總面積為 97.42 萬 hm2，全國占比從 2010 年的20 %提高到 25.2%，目前技術(shù)日臻完善，其意義及優(yōu)越性進(jìn)一步顯現(xiàn)1-4。中國 2/3 的日光溫室集中在北方寒區(qū)，成為北方乃至全國“菜籃子工程”供應(yīng)的重要手段、農(nóng)民增收的重要途徑和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和新農(nóng)村建設(shè)的重要內(nèi)容，其節(jié)能減排效果顯著，為提高城鄉(xiāng)居民的生活水平、穩(wěn)定社會(huì)做出了歷史性貢獻(xiàn)5-6。其優(yōu)越性也受到國外的高度關(guān)注， 2017 年 4 月 12 日，荷蘭的第 1 座中國節(jié)能型日光溫室正式開放，該日光溫室位于瓦格寧根大學(xué)研究基地，結(jié)合應(yīng)用了荷蘭先進(jìn)的生產(chǎn)管理技術(shù)7。  日光溫室的研究內(nèi)容主要集中于保溫蓄熱機(jī)理與實(shí)現(xiàn)方式1，其中，節(jié)能日光溫室的蓄熱技術(shù)一直是國內(nèi)外學(xué)者研究日光溫室最重要、最集中的內(nèi)容之一。本文分析了日光溫室的研究現(xiàn)狀，綜述了國內(nèi)外關(guān)于節(jié)能日光溫室蓄熱技術(shù)的相關(guān)研究，進(jìn)行總結(jié)并展望其未來發(fā)展收稿日期： 2017-12-14    修訂日期： 2018-01-12 基金項(xiàng)目：寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大項(xiàng)目（ 2016BZ0901） ；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項(xiàng)目（ 2016KTCL02-02） 作者簡介：鮑恩財(cái)，男，安徽合肥人，博士生，主要從事設(shè)施園藝工程方面的研究。 Email： baoencai1990163.com 通信作者：鄒志榮，男，陜西延安人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事設(shè)施園藝方面的研究。 Email： zouzhirong2005163.com 方向，以期為國內(nèi)開展節(jié)能日光溫室蓄熱技術(shù)研究提供參考。  1  節(jié)能日光溫室研究現(xiàn)狀 節(jié)能日光溫室起源于中國遼南地區(qū)，具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，但作為一種溫室形式，日光溫室并不屬中國獨(dú)有。 從 2 000 多年前開始的世界范圍內(nèi)的溫室形式演變史來看，早期依墻而建的單屋面溫室就是目前日光溫室的雛形1,8，國外學(xué)者對該類溫室的光熱環(huán)境、覆蓋材料開展了部分研究9-11。隨著歐美日等發(fā)達(dá)國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，這種土地使用率較低的溫室類型逐漸被淘汰，并轉(zhuǎn)向全光型溫室1。 近年來， 中國節(jié)能日光溫室的發(fā)展迅速，其優(yōu)良的保溫蓄熱性能得到國外學(xué)者的高度關(guān)注和研究，印度學(xué)者 Sethi 等12總結(jié)溫室蓄熱性能時(shí)，從節(jié)能角度考慮，借鑒了日光溫室的蓄熱原理，在溫室北面砌墻并采用厚重材料作為蓄熱體從而減少熱量損失； Nayak等13進(jìn)行光伏 /光熱與溫室結(jié)合的試驗(yàn)時(shí)，采用的溫室即為帶后墻的類似中國日光溫室的結(jié)構(gòu)形式。土耳其學(xué)者Ucar 等14分析了建筑物外墻采用 4 種不同絕熱材料的效果，并認(rèn)為可以作為溫室外墻使用。伊朗學(xué)者 Mobtaker等15從能源需求的角度對當(dāng)?shù)?6 種溫室類型進(jìn)行了比較，分析計(jì)算了維持植物理想溫度所需的總能量并建立了數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明，東西走向、北側(cè)為磚墻的溫室中所需的額外能量最低，可節(jié)能 31.7%。加拿大學(xué)者為降低冬季溫室加溫的能源消耗，早在 2005 年就引入了中國日光溫室建造于 Manitoba 地區(qū)（ 50 N， 97 W） ，并測試該溫室在冬季的保溫情況，結(jié)果表明在當(dāng)?shù)刈罾涞?2 月份，c綜合研究 c農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（ http:/www.tcsae.org）                                 2018 年    2室外平均氣溫為 13.1 ，室內(nèi)夜間平均氣溫為 2.4 ，后墻的日均蓄、放熱量分別為 166、 159 MJ，為維持室內(nèi)不低于 10 的氣溫， 日均加溫時(shí)長為 19 h16； Mahmood等17在日光溫室內(nèi)采用地下卵石床蓄熱，并將豬舍的廢氣通過凈化后通往室內(nèi)供應(yīng) CO2，以促進(jìn)植物生長；Ahamed 等18建立了日光溫室的熱環(huán)境數(shù)學(xué)模型。 日本學(xué)者畔柳武司19提出了日光溫室熱環(huán)境模型的研究。韓國學(xué)者 Kwon 等20針對沿海地區(qū)風(fēng)載較大的問題，設(shè)計(jì)了類似日光溫室結(jié)構(gòu)形式的塑料大棚。中國學(xué)者總結(jié)了日光溫室的發(fā)展由來、建筑結(jié)構(gòu)形式、光熱環(huán)境與氣候適應(yīng)性、歷史性貢獻(xiàn)、存在問題及產(chǎn)業(yè)前景，認(rèn)為日光溫室作為具有典型中國特色、規(guī)模巨大的設(shè)施類型，一直是中國溫室園藝裝備升級的重點(diǎn)6,21-22，并對日光溫室的覆蓋材料23-25、建筑結(jié)構(gòu)及材料8,26-28、設(shè)施與裝備29-32、保溫蓄熱性能33-36、 環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)37-40等進(jìn)行了詳細(xì)的研究。  2  蓄熱技術(shù)研究現(xiàn)狀 節(jié)能日光溫室的蓄放熱示意圖如圖 1 所示，可實(shí)現(xiàn)白天蓄熱、夜間放熱功能的結(jié)構(gòu)有土壤、墻體和骨架，但普通骨架結(jié)構(gòu)自身的儲熱量很小，一般忽略不計(jì)。節(jié)能日光溫室的蓄熱是通過結(jié)構(gòu)、材料、設(shè)備的單一或協(xié)同應(yīng)用來最大化利用太陽能為室內(nèi)提供熱能。蓄熱有被動(dòng)蓄熱和主動(dòng)蓄熱 2 種形式，主動(dòng)蓄熱是以太陽能為能量來源，以機(jī)械動(dòng)力設(shè)備為手段，利用室內(nèi)土壤、墻體、骨架結(jié)構(gòu)以及相變材料為熱量吸收介質(zhì)的一種熱量蓄積方式；反之則為被動(dòng)蓄熱。主動(dòng)蓄熱與被動(dòng)蓄熱的能量均來源于太陽，利用途徑有 2 種，一是最大化利用室內(nèi)截獲的太陽能或室內(nèi)富余熱量，一是利用室外的太陽能。  圖 1  日光溫室蓄放熱示意圖  Fig.1  Schematic diagram of heat storage-release  in solar greenhouse 2.1  主動(dòng)采光蓄熱  日光溫室的前屋面以平面為最佳，采光量最大，而且光照分布最均勻41。為了使日光溫室室內(nèi)獲得更多的能量，張真和42通過綜合分析農(nóng)業(yè)氣象學(xué)和光學(xué)的研究成果，確定了冬至日正午時(shí)太陽光線投射角度為 50時(shí)的采光屋面角度是合理的采光屋面角度。陳端生等43利用數(shù)學(xué)方法模擬溫室的采光屋面，得出了溫室的采光屋面最佳的坡度并不是一個(gè)定值，而應(yīng)該隨太陽高度角的變化進(jìn)行調(diào)整。  基于上述研究，張勇等44-46設(shè)計(jì)了一種可變采光傾角日光溫室實(shí)現(xiàn)主動(dòng)采光蓄熱（如圖 2 所示） ，并對其溫光性能進(jìn)行了研究，與固定采光傾角日光溫室相比，典型晴、陰天時(shí)可變采光傾角日光溫室內(nèi)的平均光照度分別提高 29.00%、 22.27%，平均溫度分別提高 4.3、 2.9 ；與傳統(tǒng) 8、 9 m 跨的弧形采光屋面日光溫室分別進(jìn)行對比分析，在晴天和多云采光天氣條件下，傾轉(zhuǎn)屋面日光溫室室內(nèi)的整體采光率分別較傳統(tǒng) 8、 9 m 跨固定采光面日光溫室提高 41.75%、 25.05%，對應(yīng)的室內(nèi)輻照度平均增加 69.54、 38.99 W/m2，故表現(xiàn)為室內(nèi)氣溫整體水平提高。張勇等47還從經(jīng)典光學(xué)理論出發(fā)，結(jié)合理論計(jì)算和試驗(yàn)測試的方法，詳細(xì)分析了溫室采光面在小幅調(diào)整條件下自然光的透過率以及溫室采光面角度調(diào)整與室內(nèi)光照強(qiáng)度透過率的增加之間的定量關(guān)系。  1. 活動(dòng)屋面   2. 固定屋面   3. 軸流風(fēng)機(jī)   4. 后墻蓄熱風(fēng)道  1. Activity roof  2. Fixed roof  3. Axial flow fan  4. Thermal storage tunnel located in back-wall 圖 2  主動(dòng)采光蓄熱日光溫室結(jié)構(gòu)46Fig.2  Structure of active lighting and heating  storage type solar greenhouse 上述研究表明通過主動(dòng)地改變?nèi)展鉁厥仪拔菝鎯A角的形式可以提高采光面透光率，進(jìn)而提高室內(nèi)光輻射照度，解決了能量“多進(jìn)”的問題。但室內(nèi)墻體和土壤等蓄熱體仍然為被動(dòng)蓄熱，被動(dòng)蓄熱的墻體和土壤的蓄熱深度有限，未得到利用的室內(nèi)富余熱量仍會(huì)隨著冷風(fēng)滲透、地中傳熱、通風(fēng)等途徑被釋放至室外，未實(shí)現(xiàn)能量在室內(nèi)“多存”。因此，主動(dòng)采光蓄熱需要和其他室內(nèi)主動(dòng)蓄熱設(shè)備或材料聯(lián)合使用才能更好的發(fā)揮其效果。  2.2  空氣循環(huán)蓄熱  2.2.1  地下空氣循環(huán)蓄熱 地下空氣循環(huán)蓄熱在園藝設(shè)施的土壤中應(yīng)用較早，馬承偉48-49研究了塑料大棚的地 氣熱交換系統(tǒng)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效地貯存太陽能并用于夜間加溫，能使塑料大棚在不加溫條件下在夜間維持 10 左右的棚內(nèi)外氣溫差。孫忠富50的研究結(jié)果表明，地 氣熱交換系統(tǒng)可使塑料大棚白天降溫 2.5 6.5 ，夜間升溫 2.04.4 。袁巧霞51-52設(shè)計(jì)了一種半被動(dòng)式塑料大棚地下熱交換系統(tǒng)，試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可在夜間維持 8 9 的棚內(nèi)外氣溫差， 同時(shí)棚內(nèi)地溫可提高 10 左右。 Santamouris等53利用地下熱交換系統(tǒng)對 1 000 m2的玻璃溫室進(jìn)行蓄熱，結(jié)果表明具有良好的白天降溫、夜間增溫的效果。吳德讓等54-55運(yùn)用傳熱學(xué)的基本理論，建立了日光溫室地下熱交換系統(tǒng)土壤溫度場的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)通過試驗(yàn)第 6 期  鮑恩財(cái)?shù)龋汗?jié)能日光溫室蓄熱技術(shù)研究進(jìn)展  3 研究了日光溫室采用地下熱交換系統(tǒng)在冬季生產(chǎn)喜溫蔬菜的可行性和實(shí)用性，結(jié)果顯示， 300 m2的日光溫室采用地下熱交換系統(tǒng)的整個(gè)冬季放熱量為 1.575106 kJ、節(jié)煤量達(dá) 1 950 kg。 孫周平等56在彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室室內(nèi)地下 0.5 m 位置設(shè)計(jì)安裝了空氣 地中熱交換系統(tǒng)進(jìn)行蓄熱，整個(gè)冬季的試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的蓄熱效果，與溫室水循環(huán)蓄熱系統(tǒng)結(jié)合可確保試驗(yàn)溫室內(nèi)熱環(huán)境滿足番茄生長所需。  2.2.2  墻體空氣循環(huán)蓄熱 張勇等57-58設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)滋旄挥嗄芰窟M(jìn)行有效存儲的日光溫室空氣循環(huán)式主動(dòng)蓄熱后墻（如圖 2 所示的后墻結(jié)構(gòu)） ，在墻體內(nèi)部分層安裝蓄熱風(fēng)道，墻體表面安裝有軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)將室內(nèi)熱空氣抽入后墻蓄熱風(fēng)道， 經(jīng)過熱交換， 熱量蓄積入墻體內(nèi)蓄熱體中， 與傳統(tǒng) 9 m跨的普通磚墻日光溫室進(jìn)行了對比分析表明，在晴天、多云天夜間保溫時(shí)段（ 16:00次日 09:00） ，主動(dòng)蓄熱后墻日光溫室溫度較 9 m 跨普通磚墻日光溫室分別提高1.8 2.8、 1.6 4.2 。鮑恩財(cái)?shù)?9改進(jìn)了原有的后墻空氣循環(huán)蓄熱系統(tǒng)，將原有進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口之間的距離由80 m 縮短至 40 m，并利用試驗(yàn)地（內(nèi)蒙古烏海地區(qū)）豐富的沙土作為后墻蓄熱體的一部分，實(shí)測結(jié)果表明，典型晴天條件下，固化沙主動(dòng)蓄熱后墻日光溫室室內(nèi)日平均氣溫較固化沙被動(dòng)蓄熱后墻日光溫室和普通磚墻日光溫室分別高 3.3、 3.6 ， 典型陰天的夜間氣溫分別高 3.2、3.8 ；固化沙主動(dòng)蓄熱后墻溫室的墻體內(nèi)部恒定溫度區(qū)域處于 740 1 000 mm 之間，蓄熱體厚度超過 740 mm，其中固化沙蓄熱厚度超過 620 mm，蓄熱風(fēng)道上下表面各200 mm 的高度范圍內(nèi)均屬于蓄熱體。王昭等60測試了基于太陽能光伏板提供電能的后墻主動(dòng)蓄熱日光溫室，與當(dāng)?shù)仄胀ㄈ展鉁厥覍Ρ劝l(fā)現(xiàn)，后墻主動(dòng)蓄熱日光溫室較普通日光溫室晴、陰天夜間平均溫度分別高 2.1、 0.9 ，試驗(yàn)溫室蓄熱體厚度為 320 520 mm，番茄采收期產(chǎn)量提高 17.8%。  王慶榮等61設(shè)計(jì)了一種中空墻體，該墻體可實(shí)現(xiàn)與室內(nèi)空氣的自然對流循環(huán)蓄熱，通過測試及 Fluent 軟件模擬分析，發(fā)現(xiàn)墻體構(gòu)造所形成的循環(huán)氣流可以在一定程度上擾動(dòng)室內(nèi)空氣，進(jìn)而在溫室內(nèi)走道和作物栽培行間等位置形成氣流，其中溫室跨中栽培行間的下部平均氣流速度可達(dá) 0.25 m/s， 對日光溫室冬季封閉栽培條件下的氣流環(huán)境有一定的改善作用。任曉萌等62測試了該墻體的蓄放熱效果，在晴天白天，內(nèi)部中空層兩側(cè)墻體表面的溫度高于相鄰實(shí)心構(gòu)造部分，但比中空層空氣溫度的 19.2 分別低 2.2、 3.7 ，表明墻體深處處于蓄熱狀態(tài)；清晨，中空層兩側(cè)表面溫度分別比其中空層空氣溫度的 11.7 高 1.3、 0.8 ，表明墻體內(nèi)部直至清晨仍處于放熱階段。  上述研究表明可以通過強(qiáng)迫對流或自然對流的方式將室內(nèi)富余熱量蓄積進(jìn)入較深層的土壤或墻體內(nèi)儲存起來，對室內(nèi)氣溫的提高具有一定的效果。強(qiáng)迫對流需要增加通風(fēng)管道、風(fēng)機(jī)等設(shè)備投入，且運(yùn)行過程消耗電能，因此，在安裝制作之前，需要計(jì)算土壤或墻體可蓄積的能量與電能消耗量，并確定是否具有節(jié)能性；自然對流依靠溫差形成氣流，故氣流速度較小，為最大化利用墻體的蓄放熱潛力，可通過增加變頻風(fēng)機(jī)繼續(xù)研究不同流速對蓄放熱量的影響，進(jìn)而分析得到最佳風(fēng)速及其控制策略。氣流運(yùn)動(dòng)對室內(nèi)溫度場、濕度場、氣體濃度場均會(huì)產(chǎn)生影響，今后在氣流運(yùn)動(dòng)均勻性方面需加強(qiáng)研究。  2.3  水循環(huán)蓄熱  水的比熱容較大且易于流動(dòng)，適于作為熱能的貯存和傳遞介質(zhì)，國內(nèi)外學(xué)者均有將水作為蓄熱體為溫室供熱的研究報(bào)道63-65。 Zaragoza 等66介紹了熱水供暖在農(nóng)業(yè)建筑（包含溫室）上的應(yīng)用前景及趨勢； Sethi 等67采用地下水（ 24 ）對溫室開展冬季供暖及夏季降溫試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)冬季可提高室內(nèi)氣溫 7 9 ； Attar 等68-69使用太陽能熱水加溫系統(tǒng)對溫室加熱，將毛細(xì)熱交換管布置在地下作物根部附近，并使用 TRNSYS 軟件模擬了毛細(xì)熱交換管的適宜長度和水流速度。  2.3.1  水幕簾蓄放熱系統(tǒng) 張義等70設(shè)計(jì)了一種水幕簾蓄放熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)以日光溫室墻體結(jié)構(gòu)為依托，以水為介質(zhì)進(jìn)行熱量的蓄積與釋放，白天利用水循環(huán)通過水幕簾吸收太陽能，同時(shí)將能量儲存在水池中，夜晚利用水循環(huán)通過水幕簾釋放熱量，該水幕簾蓄放熱系統(tǒng)可使溫室內(nèi)夜間氣溫提高 5.4 以上，作物根際溫度提高 1.6 以上。 Fang 等71-74利用不同材質(zhì)和顏色的封裝膜改進(jìn)了該水幕簾蓄放熱系統(tǒng)，如圖 3 所示。測試結(jié)果表明，晴、陰天時(shí)采用雙黑膜封裝的蓄放熱裝置能將溫室夜間平均氣溫分別提高4.6、 4.5 ，與電加熱方式相比該系統(tǒng)的節(jié)能率超過51.1%；采用金屬膜封裝的蓄放熱裝置集熱效率達(dá)到了83%，對太陽輻射的吸收率為 0.81，優(yōu)于雙黑膜封裝的蓄放熱裝置。孫維拓等75-78進(jìn)一步拓展了水幕簾蓄放熱系統(tǒng)的應(yīng)用，或?qū)⑵渑c熱泵結(jié)合使用提高蓄放熱性能，或應(yīng)用于大跨度日光溫室中。  圖 3  水幕簾系統(tǒng)示意圖73Fig.3  Schematic diagram of water curtain system 2.3.2  管道水循環(huán)蓄熱 一些學(xué)者將太陽能熱水系統(tǒng)引入日光溫室中，如方農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（ http:/www.tcsae.org）                                 2018 年    4慧等79以溫室淺層土壤為蓄熱體，白天將后墻集熱器獲得的熱量收集并儲存到溫室淺層土壤中，夜間通過土壤的自然放熱將熱量釋放到溫室中，與對照相比夜間平均氣溫差為 4.0 ； 王雙喜等80-81在日光溫室的后墻頂部安裝太陽能熱水器， 熱水管道埋置于室內(nèi)土壤中； 余學(xué)江82將加熱盤管在靠近地面位置進(jìn)行迂回鋪設(shè)；于威等83-84利用 ANSYS 軟件分析了日光溫室地中埋熱水管對土壤加溫效果的影響，結(jié)果表明，水溫對地表溫度影響顯著，管道內(nèi)水流速 0.10 m/s 時(shí)地表溫度變化不大， 在長期平穩(wěn)條件下，埋管深度、管徑對地表溫度影響不大，而管間距對土壤溫度分布影響顯著，篩選出適宜管間距200 mm、管徑 25 mm。  佟雪姣等85-86采用聚乙烯（ polyethylene， PE）軟管為輸水管道，以聚碳酸酯（ polycarbonate， PC）板為集 /散熱裝置，研究日光溫室太陽能水循環(huán)系統(tǒng)冬季的蓄熱增溫效果，對 PC 板的不同顏色、厚度、黑膜添加方式及水的不同流量開展了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，同等條件下褐色、 8 mm 厚的 PC 板的蓄熱量最多，透明陽光板內(nèi)外側(cè)均添加黑膜后蓄熱量增加 20%，當(dāng)流量為 4.4 4.5 L/h時(shí)， 8 mm 的透明陽光板蓄熱效果最好；冬季晴天，日光溫室內(nèi)光照條件好，水循環(huán)系統(tǒng)日蓄熱量為 159.8 MJ，可將溫室內(nèi)夜間溫度提高 3 5 ，集熱效率為 54.5%，蓄熱增溫效果明顯。馬承偉等87研究了日光溫室鋼管屋架管網(wǎng)水循環(huán)集放熱系統(tǒng)（圖 4），理論計(jì)算表明，在屋架間距為 1 m， 上、 下弦桿件均為外徑 33.5 mm 的圓管時(shí)，系統(tǒng)的太陽能截獲率可達(dá) 7% 8%；測試結(jié)果表明，與對照日光溫室相比，平均提高夜間室內(nèi)最低氣溫 2.4 ，容積為 8.6 m3的蓄熱水體白晝?nèi)掌骄顭釡厣?4.7 ， 平均蓄熱量為 149 MJ，夜間水體日平均放熱溫降 2.5 ，平均放熱量為 78.9 MJ。  1. 上弦  2. 下弦  3. 供水干管  4. 回水干管  5. 水池  6. 潛水泵  7. 排污閥  8. 浮球閥  9. 自動(dòng)控制箱  10. 室內(nèi)氣溫傳感器  11. 流量計(jì)  12. 水壓力表  13. 供水溫度計(jì)  14. 回水溫度計(jì)  1. Top boom 2. Bottom boom 3. Main pipe for feedwater 4. Main pipe for backwater 5. Water tank 6. Sinking pump 7. Drain valve 8. Ball float valve 9. Control box 10. Indoor temperature sensor 11. Flowmeter 12. Pressure gauge 13. Feedwater thermometer 14. Backwater thermometer 圖 4  鋼管屋架管網(wǎng)水循環(huán)集放熱系統(tǒng)87Fig.4  Water circulation system of steel pipe network formed by roof truss for heat collection and release 水循環(huán)蓄熱的效果較為明顯，水流的均勻性較好，但缺點(diǎn)也較為明顯，即對循環(huán)管道的密閉性和抗腐蝕性要求較為嚴(yán)格，且施工過程增加了水池、管道、水泵等設(shè)備，故施工工藝要求較高。在原有后墻南側(cè)安裝水循環(huán)蓄熱的集 /放熱裝置會(huì)削減后墻的蓄放熱效果，應(yīng)分析水循環(huán)蓄熱與原有墻體蓄熱之間的“競爭”關(guān)系并量化，在維持室內(nèi)作物生產(chǎn)適宜熱環(huán)境的基礎(chǔ)上，可適當(dāng)降低后墻蓄熱結(jié)構(gòu)部分的厚度或減少水循環(huán)蓄熱的投入以達(dá)到最佳投入。  2.4  相變材料蓄熱  相變材料在日光溫室中具有白天“削峰” 、夜間“填谷”的作用，國內(nèi)外學(xué)者主要從相變材料的篩選制備88-97、封裝89-90,93-98、與溫室的結(jié)合方式92,98-101等方面進(jìn)行了大量研究。主要篩選的材料有石蠟89,93、芒硝基89、 Na2SO410H2O90,93-94、 CaCl26H2O91-92、Na2HPO412H2O95,97、脂 肪 酸 類96等。采用的封裝方式有共混浸泡93、砌塊封裝93、稻殼吸附94,98、石墨吸附96等，制備成微膠囊89、板材90,93,95-97、砌塊93-94,98。與溫室的結(jié)合方式主要是將封裝之后的相變材料放置在溫室的北墻92,99， 或利用板材或砌塊直接砌筑在日光溫室后墻內(nèi)側(cè)98,100-101。  近年來， 也有學(xué)者91,102-104將相變材料與太陽能集熱器結(jié)合應(yīng)用于溫室中，并取得了一定的效果，如 Benli等91利用相變材料與太陽能平板集熱器為溫室供熱，測試發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)為試驗(yàn)溫室提供了每日熱能需求量的 1823%，閆彥濤104分析得到太陽能相變蓄熱器單位面積放熱量為 4.05 MJ/m2；凌浩恕等105-107將多曲面槽式空氣集熱器結(jié)合相變材料應(yīng)用于帶豎向風(fēng)道的日光溫室后墻  （圖 5），研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)墻體內(nèi)豎向空氣通道間距為400 mm、空氣通道內(nèi)空氣速度為 0.26 m/s、空氣流動(dòng)方向?yàn)樯线M(jìn)下出時(shí)，相變蓄熱墻體換熱效率為 66.2%，主動(dòng)蓄熱量約為 9.43 MJ/m3。  圖 5  帶豎向空氣通道的太陽能相變蓄熱墻體體系105Fig.5  Phase change material wall with vertical air channels integrating solar concentrators 相變材料種類繁多，但真正被研究者系統(tǒng)研究過的第 6 期  鮑恩財(cái)?shù)龋汗?jié)能日光溫室蓄熱技術(shù)研究進(jìn)展  5 種類卻屈指可數(shù)，且需要契合日光溫室冬季室內(nèi)溫度環(huán)境；相變材料在使用過程中體積變化率大，對封裝密閉性的要求較高，目前的封裝方式都有不同程度的泄露問題，有一定的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要進(jìn)一步篩選適宜日光溫室使用的材料種類及混合配比，并在封裝技術(shù)上加強(qiáng)研究。  2.5  卵石蓄熱  卵石是良好的顯熱儲能材料，國外一般在溫室中部的地下土壤中埋置卵石床， ztrk 等108利用卵石床結(jié)合太陽能空氣集熱器為 120 m2的塑料大棚供熱，卵石床面積為 6 m2 m，深 0.6 m，研究發(fā)現(xiàn)卵石床的平均日蓄熱量為 1 242 W，夜間放熱量為 601.3 W，可提供室內(nèi)總需熱量的 18.9%； Krkl 等109以 2 座面積均為 15 m2的塑料大棚為試驗(yàn)對象，其中 1 座埋置有卵石床， PVC 管道穿過卵石床， 采用流量 1 100 m3/h 的風(fēng)機(jī)強(qiáng)制將室內(nèi)空氣通過管道流經(jīng)卵石床，測試發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)溫室夜間氣溫比對照溫室提高約 10 ， 卵石蓄熱系統(tǒng)的能量吸收及釋放效率均超過 80%。國內(nèi)將卵石作為日光溫室蓄熱材料有 2種形式，一種是直接作為墻體材料；一種是作為蓄熱床。張潔等110以鉛絲網(wǎng)籠裝填卵石作為墻體主要材料，認(rèn)為卵石之間的縫隙可以加強(qiáng)熱空氣的流動(dòng)，從而增強(qiáng)墻體的蓄熱性能，與普通磚墻日光溫室相比，卵石墻體溫室內(nèi)平均氣溫在典型晴天高 4.0 。 Chen 等111將卵石床鋪在室內(nèi)土壤表面，研究發(fā)現(xiàn)卵石孔隙率一定時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大卵石床的粒徑，當(dāng)卵石粒徑大于一定值時(shí)，適當(dāng)增加卵石床孔隙率可以增強(qiáng)卵石床與溫室氣流，以及卵石床內(nèi)部的對流換熱。張峰等112測試發(fā)現(xiàn)卵石床地下蓄熱系統(tǒng)的蓄熱功率約為 94 W/m2，大于地下埋管蓄熱系統(tǒng)（蓄熱功率約為 76 W/m2） ，該日光溫室的夜間最低溫度比無蓄熱裝置的對照溫室提高了 5 8 。  卵石的傳熱速率較快，卵石之間的孔隙也有利于對流傳熱，但在冬季夜間卵石放熱過快會(huì)導(dǎo)致前半夜室內(nèi)氣溫較高、后半夜室內(nèi)氣溫偏低。因此，需要研究如何減緩卵石所蓄積熱量的釋放，或?qū)⒙咽罘e熱量傳導(dǎo)至其他材料中儲存起來。  2.6  熱泵蓄熱  熱泵根據(jù)所利用熱源的不同主要分為水源熱泵、空氣源熱泵和土壤源熱泵 3 類。國外學(xué)者將熱泵應(yīng)用到溫室中較早， Marsh 等113采用生命周期成本分析法（ life cycle costing， LCC）分析了利用熱泵將礦井中的恒溫空氣作為空氣源對溫室進(jìn)行加溫的可行性； Bot 等114分析了利用熱泵夏季儲熱為冬季供熱的溫室節(jié)能模式，預(yù)計(jì)節(jié)能率超過 60%； Ozgener 等115測試得到土壤源熱泵為溫室供熱的性能系數(shù)（ coefficient of performance， COP）為 2.13（多云天） 2.84（晴天） ； Yang 等116-117利用空氣源熱泵對溫室進(jìn)行冬季加溫、夏季降溫，均取得了良好的節(jié)能效果。  進(jìn)入 21 世紀(jì)，國內(nèi)學(xué)者開始探索熱泵在日光溫室上的應(yīng)用，柴立龍等118-119采用地下水作為熱源的熱泵系統(tǒng)對北京地區(qū)日光溫室進(jìn)行了供暖試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，整個(gè)供暖期（ 2007-10-15 2008-03-10）熱泵的 COP 為3.83，與燃煤熱水采暖相比，可節(jié)約 42%的能源消耗。孫維拓等75,120設(shè)計(jì)了一套日光溫室水循環(huán)主動(dòng)蓄放熱與熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)（如圖 6 所示），主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)為熱泵機(jī)組提供熱源，與對照溫室相比，試驗(yàn)溫室夜間氣溫高出 5.26 6.64 ，系統(tǒng)集熱效率達(dá)到了 72.32%83.62%，總體 COP 值達(dá) 5.59，而單純使用熱泵制熱的COP 為 4.38 5.17。孫維拓等121還設(shè)計(jì)了一套日光溫室空氣余熱熱泵加溫系統(tǒng)，白天適時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)，將日光溫室內(nèi)富余空氣熱能泵取并儲存于蓄熱水池中；夜間室內(nèi)氣溫較低時(shí)，首先開啟風(fēng)機(jī)和水泵，當(dāng)蓄熱水池水溫降至一定溫度，逆向運(yùn)行熱泵系統(tǒng)強(qiáng)制放熱；與對照溫室相比，試驗(yàn)溫室白天平均氣溫降低 3.7 5.2 ，相對濕度降低 12.3% 16.5%；夜間平均氣溫高出 2.8 4.4 ，相對濕度降低 8.0% 11.5%。孫先鵬等122-123采用太陽能聯(lián)合空氣源熱泵供熱系統(tǒng)為日光溫室供熱，在西安地區(qū) 6 10 冬季氣溫條件下開展了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在試驗(yàn)天氣條件下，熱泵單獨(dú)供熱時(shí)系統(tǒng)的 COP 在2.09 2.45 之間，太陽能聯(lián)合空氣源熱泵供熱時(shí)系統(tǒng)的COP 在 3.45 5.56 之間，具有顯著的節(jié)能減排效果。  1. 主動(dòng)蓄放熱裝置  2. 循環(huán)管道  3. 循環(huán)水泵  4. 蓄水箱  5. 蓄水箱   6. 電磁閥 1  7. 電磁閥 2  8. 電磁閥 3  9. PLC 控制系統(tǒng)   10. 壓縮機(jī)   11. 膨脹閥   12. 過濾器   13. 冷凝器   14. 蒸發(fā)器   15. T 型熱電偶  1. Active heat storage-release device 2. Circulating pipe 3. Circulating water pump 4. Water tank  5. Water tank  6. Solenoid valve 1 7. Solenoid valve 2 8. Solenoid valve 3 9. PLC control system 10. Compressor 11. Expansion valve 12. Filter 13. Condenser 14. Evaporator 15. T-type thermocouple 注： A C 為主動(dòng)蓄放熱循環(huán)管道各節(jié)點(diǎn)， D G 為熱泵循環(huán)各節(jié)點(diǎn)。  Note: A C are circulating pipe nodes of the active heat storage-release; D G are nodes of the heat pump cycle. 圖 6  溫室主動(dòng)蓄放熱熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)原理圖120Fig.6  Principle diagram of active heat storage release associated with heat pump heating system in greenhouse 熱泵系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保、供熱穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備投資較高、運(yùn)行耗電量較大，在日光溫室中的應(yīng)用研究還處于初級階段，其系統(tǒng)參數(shù)配置、加工工藝等還有待優(yōu)化。在使用熱泵蓄熱時(shí)，對日光溫室的蓄熱性能要求降低，因此可適當(dāng)減少溫室蓄熱墻體結(jié)構(gòu)的投入，同時(shí)在運(yùn)行時(shí)間上與峰谷電價(jià)相結(jié)合，可降低部分運(yùn)行成本。  2.7  聯(lián)合方式蓄熱  為了提高蓄熱技術(shù)的應(yīng)用效果，部分學(xué)者將 2 項(xiàng)或以上蓄熱方式結(jié)合應(yīng)用到日光溫室中， 如 Benli124將地源熱泵與相變材料蓄熱技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于溫室采暖；孫周平農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（ http:/www.tcsae.org）                                 2018 年    6等56在大跨度日光溫室中將空氣 地中熱交換系統(tǒng)與水循環(huán)蓄熱系統(tǒng)結(jié)合使用可代替?zhèn)鹘y(tǒng)土墻的蓄熱能力，經(jīng)過整個(gè)冬季的測試發(fā)現(xiàn)，該聯(lián)合系統(tǒng)可以確保日光溫室冬季的熱環(huán)境滿足作物所需；凌浩恕等105-107將相變材料、帶空氣通道的后墻與太陽能空氣集熱器結(jié)合構(gòu)建帶豎向空氣通道的太陽能相變蓄熱墻體體系； Krkl 等109將卵石蓄熱與地下空氣循環(huán)蓄熱結(jié)合應(yīng)用；孫維拓等120將水循環(huán)主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)與熱泵機(jī)組聯(lián)合使用，測試發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合系統(tǒng)的效果大于單一使用熱泵的效果，也遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)太陽能熱水系統(tǒng)以及地源熱泵，節(jié)能效果顯著；高文波等125將主動(dòng)采光與墻體空氣循環(huán)主動(dòng)蓄熱結(jié)合，典型晴天、多云天主動(dòng)采光蓄熱型日光溫室室內(nèi)平均光照度分別提高了 21.28%、 11.73%，平均氣溫分別提高了5.6、 2.1 。  除此之外，部分學(xué)者還就溫室蓄熱相關(guān)技術(shù)做了前言探索性研究，如 Liu 等126開發(fā)了一種新型的由乙烯 四氟乙烯（ ETFE）膜和相變材料 RT28 組成的溫室薄膜，對該薄膜的光學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，相變材料在液態(tài)下，薄膜的透射率高于固態(tài)，此外，透光率與相變材料的溫度有關(guān)。 Anifantis 等127結(jié)合光伏制氫技術(shù)與地源熱泵技術(shù)為溫室供暖，白天通過光伏板電解產(chǎn)生 H2，然后將其儲存在壓力罐中，夜間 H2通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電力，為地源熱泵供電，從而為溫室供暖。  上述研究表明，從目前聯(lián)合方式蓄熱的發(fā)展現(xiàn)狀來看，國內(nèi)較國外的技術(shù)更加成熟和豐富，盡管國外的前沿性研究較多，但仍處于初期階段。要實(shí)現(xiàn)蓄熱技術(shù)在日光溫室上的推廣應(yīng)用，除技術(shù)先進(jìn)、符合科技發(fā)展趨勢外，也要滿足市場現(xiàn)狀。因此，應(yīng)加強(qiáng)對蓄熱技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分析。  3  討  論 本文總結(jié)了目前節(jié)能日光溫室蓄熱技術(shù)的主要形式，包括主動(dòng)采光蓄熱、空氣循環(huán)蓄熱、水循環(huán)蓄熱、相變材料蓄熱、卵石蓄熱、熱泵蓄熱、聯(lián)合方式蓄熱，均為結(jié)構(gòu)、材料、設(shè)備 3 個(gè)方面的單一或協(xié)同應(yīng)用，如主動(dòng)采光蓄熱通過溫室前屋面結(jié)構(gòu)的角度轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)光能的主動(dòng)利用，但蓄熱體未變；空氣循環(huán)蓄熱通過空氣循環(huán)將室內(nèi)多余熱量存儲進(jìn)入地下土壤或墻體內(nèi)；水循環(huán)蓄熱是通過設(shè)備將水循環(huán)蓄熱，以水為主要蓄熱體；相變材料蓄熱與卵石蓄熱嚴(yán)格意義來說包括主動(dòng)蓄熱和被動(dòng)蓄熱 2 種形式，如與太陽能集熱器結(jié)合應(yīng)用的相變材料蓄熱屬于主動(dòng)蓄熱，而單純的利用材料改變來蓄熱集熱是被動(dòng)的熱量蓄積；熱泵蓄熱通過消耗電能提取空氣、水或土壤中的低溫?zé)嵩吹臒崮軐⑵滢D(zhuǎn)移到室內(nèi)；聯(lián)合方式蓄熱通過以上 2 種或以上蓄熱技術(shù)結(jié)合應(yīng)用。  3.1  主要技術(shù)問題  國外對現(xiàn)代日光溫室的研究較少，中國在日光溫室節(jié)能設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論及應(yīng)用上始終處于領(lǐng)先地位128。日光溫室蓄熱技術(shù)亦屬于節(jié)能設(shè)計(jì)之一，國內(nèi)學(xué)者對此做了大量的研究與改進(jìn)。這些技術(shù)對改善室內(nèi)環(huán)境均具有一定的效果，但也存在一些缺點(diǎn)與不足之處，因此研發(fā)應(yīng)用蓄熱技術(shù)為日光溫室供熱時(shí)需要重點(diǎn)考慮以下問題：1）主動(dòng)采光蓄熱具有明顯提高室內(nèi)光溫環(huán)境的效果，但是沒有良好的蓄熱系統(tǒng)，熱量得不到存儲，白天過多的熱量易對作物形成熱害，只能隨著通風(fēng)被排出去造成熱量浪費(fèi)； 2）強(qiáng)迫對流式空氣循環(huán)蓄熱主要是將傳熱風(fēng)道埋置于日光溫室的墻體或土壤中，建成后整個(gè)系統(tǒng)只有風(fēng)機(jī)消耗電能，對溫室增溫具有一定的效果，在安裝制作之前，需要計(jì)算墻體或土壤可蓄積的能量與電能消耗量，并確定是否具有節(jié)能性。自然對流式空氣循環(huán)蓄熱依靠溫差形成氣流，故氣流速度較小； 3）水循環(huán)蓄熱和相變材料蓄熱都是因其熱容較大，可盡量多的將熱量存儲起來，但是水和相變材料的封裝均需要良好的封閉性，否則容易泄露； 4）卵石的傳熱速率較快，往往前半夜放熱量較多，導(dǎo)致溫室內(nèi)后半夜的溫度較低； 5）熱泵蓄熱的 COP 一般都在 2 以上，避免了環(huán)境污染、節(jié)能效果顯著，但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，初始投資較高，系統(tǒng)性能的可靠性、穩(wěn)定性有待于進(jìn)一步驗(yàn)證129； 6）通過結(jié)合 2 項(xiàng)或以上蓄熱方式聯(lián)合應(yīng)用于日光溫室中，效果具有累加效應(yīng)，但成本更高。  3.2  研究重點(diǎn)  基于以上節(jié)能日光溫室蓄熱技術(shù)存在的問題，當(dāng)前研究的重點(diǎn)是： 1）將主動(dòng)采光技術(shù)與其他蓄熱技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，形成主動(dòng)采光蓄熱聯(lián)合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)太陽能的“多進(jìn)多存”； 2）除管道連接處的密閉性外，強(qiáng)迫對流式空氣循環(huán)蓄熱應(yīng)考慮風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、流量與管道的直徑、材質(zhì)、長度等條件耦合，不同地區(qū)還應(yīng)結(jié)合土壤的蓄熱系數(shù)來合理布置管道，在墻體中埋置時(shí)還應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)姆謱蛹笆┕すに嚨暮喴谆?。自然對流式空氣循環(huán)蓄熱可與強(qiáng)迫對流相結(jié)合，研究適宜的風(fēng)速指標(biāo)及氣流運(yùn)動(dòng)的調(diào)控以實(shí)現(xiàn)最大化蓄熱； 3）水在蓄放熱的過程中需要流動(dòng)，而相變材料在蓄放熱的過程中會(huì)部分發(fā)生相變，因此，水循環(huán)蓄熱和相變材料蓄熱的循環(huán)管道、封裝材料應(yīng)做到密閉、抗腐蝕； 4）卵石的傳熱較快，可增加熱阻簾人為地延緩放熱時(shí)間，也可與其他儲熱介質(zhì)結(jié)合應(yīng)用，如作為墻體的吸熱層，或在其孔隙內(nèi)填充儲熱材料； 5）熱泵蓄熱結(jié)合其他蓄熱方式應(yīng)用較單一應(yīng)用的效果會(huì)有所提高，冬季供暖中具有良好的應(yīng)用前景，如何進(jìn)一步合理利用、合理配置溫室地源熱泵系統(tǒng)，完善相關(guān)技術(shù)，降低其建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)行能耗和費(fèi)用，也是今后應(yīng)著重研究解決的問題； 6）從蓄熱的 2 種熱量利用途徑來看，因日光溫室原本就具有土壤和墻體蓄熱的優(yōu)勢，在利用室內(nèi)截獲的太陽能進(jìn)行主動(dòng)蓄熱時(shí)應(yīng)避免