第33卷   第22期                        農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào)                              Vol.33  No.22 224    2017年     11月          Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering        Nov. 2017        主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)與加熱空氣溫室增溫效果對(duì)比 柯行林，楊其長(zhǎng)，張  義，方  慧，和永康，張  晨 （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. 農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081） 摘  要：為進(jìn)一步提高日光溫室內(nèi)主動(dòng)蓄放熱熱能的利用效率，該文以主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)（active heat storage-release substrate warming system, AHSSWS）提升栽培基質(zhì)溫度作為試驗(yàn)組，以主動(dòng)蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)（active heat storage-release air warming system, AHSAWS）提升夜間氣溫處理作為對(duì)照組，比較了2種加溫方式對(duì)基質(zhì)溫度、室內(nèi)氣溫及番茄生長(zhǎng)、產(chǎn)量的影響，并對(duì)2個(gè)系統(tǒng)的能量收支情況、設(shè)備投入、運(yùn)行成本進(jìn)行了比較。試驗(yàn)結(jié)果表明，相比主動(dòng)蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)，主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)可提高基質(zhì)溫度2.55.3 ；與加熱空氣相比，加熱基質(zhì)處理可提高番茄株高及產(chǎn)量（增產(chǎn)43%）。連續(xù)晴天情況下，主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)的 COP（coefficient of performance）為 1.51.9，主動(dòng)蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)的COP為3.04.0；連續(xù)陰天情況下，主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)的COP為0.50.9，主動(dòng)蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)的COP為1.02.2。相對(duì)于主動(dòng)蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)，主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)的集熱效率、節(jié)能率、平均COP略低；但試驗(yàn)組的單位產(chǎn)量耗能量為0.7 kJ/kg，低于對(duì)照組的單位產(chǎn)量耗能量（1.0 kJ/kg），從單產(chǎn)能耗角度來(lái)講，主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)，因此可根據(jù)番茄銷售價(jià)格及當(dāng)?shù)仉妰r(jià)來(lái)選擇相應(yīng)的加溫系統(tǒng)。該文研究結(jié)果為主動(dòng)蓄放熱熱能的高效利用以及主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)在日光溫室冬春季番茄加溫栽培應(yīng)用提供了理論依據(jù)。 關(guān)鍵詞：溫室；溫度；加溫；番茄；加熱設(shè)備；基質(zhì)；蓄熱 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.029 中圖分類號(hào)：S625.4           文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A           文章編號(hào)：1002-6819(2017)-22-0224-09 柯行林，楊其長(zhǎng)，張  義，方  慧，和永康，張  晨. 主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)與加熱空氣溫室增溫效果對(duì)比J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(22)：224232.    doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.029    http:/www.tcsae.org Ke Xinglin, Yang Qichang, Zhang Yi, Fang Hui, He Yongkang, Zhang Chen. Warming effect comparison between substrate warming system and air warming system by active heat storage-release in Chinese solar greenhouseJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(22): 224232. (in Chinese with English abstract)    doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.029    http:/www.tcsae.org 0  引  言  日光溫室是中國(guó)北方蔬菜生產(chǎn)的重要設(shè)施，近年來(lái)節(jié)能環(huán)境調(diào)控技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用受到了越來(lái)越多的關(guān)注。溫度作為重要的環(huán)境因子，合理的溫度調(diào)控在日光溫室中尤為重要1-2。日光溫室內(nèi)無(wú)土栽培過(guò)程中對(duì)溫度的調(diào)控可分為基質(zhì)溫度調(diào)控和空氣溫度調(diào)控，其中基質(zhì)溫度主要影響作物的根區(qū)溫度，可調(diào)節(jié)作物的根系生長(zhǎng)、根系呼吸作用、水分及養(yǎng)分的吸收、根系內(nèi)物質(zhì)合成以及根際微生物活性、近根的分生組織生長(zhǎng)分化等3-8?？諝鉁囟韧ㄟ^(guò)改變作物體內(nèi)酶的活性影響作物光合作用、呼吸作用等，也可以調(diào)節(jié)作物的形態(tài)建成和器官分化9-12。但是由于傳統(tǒng)日光溫室的環(huán)境調(diào)控能力弱，冬季日光溫室內(nèi)的基質(zhì)溫度、空氣溫度均較低，低溫脅迫已成為蔬菜生產(chǎn)的重要桎梏。 收稿日期：2017-06-27    修訂日期：2017-11-06 基金項(xiàng)目：863計(jì)劃課題（2013AA102407）；自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51508560)；基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（BSRF201605） 作者簡(jiǎn)介：柯行林，安徽和縣人，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境工程方面研究。Email：kexinglin1992qq.com 通信作者：張  義，吉林，博士，副研究員，主要從事設(shè)施園藝環(huán)境工程研究。Email：xingfu_536163.com 針對(duì)日光溫室內(nèi)冬季夜晚基質(zhì)溫度過(guò)低的問(wèn)題，傅國(guó)海等13研發(fā)了一種新型的栽培方法：起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培（soil ridge substrate-embedded cultivation, SRSC），該方法利用土壟包被基質(zhì)栽培槽，有效地發(fā)揮了無(wú)土栽培的優(yōu)點(diǎn)并利用了土壟良好的蓄熱保溫能力，提高了基質(zhì)溫度14，且建造成本低廉，有一定的推廣價(jià)值。但SRSC方法相對(duì)于土壟栽培僅提升冬季根區(qū)溫度1 左右，增溫幅度有限14，溫度調(diào)節(jié)能力仍有待進(jìn)一步提升。栗亞飛等15提出了根區(qū)局部加熱利于節(jié)能的研究結(jié)論。 目前生產(chǎn)上可以使用的根區(qū)增溫設(shè)備主要有燃煤（油）鍋爐加散熱管道16、地源熱泵17、地下蓄熱系統(tǒng)18、燃池加散熱管道19、電加熱20等。但以上加熱設(shè)備各有不足，以燃煤（油）鍋爐為代表的傳統(tǒng)加熱設(shè)備，通過(guò)燃燒煤（油）加熱循環(huán)水，再通過(guò)地下加熱水管來(lái)提高根區(qū)溫度，該方法雖然可控性強(qiáng)且增溫效果明顯，但由于能耗大、成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重，目前使用化石燃料直接作為加熱熱源的做法已不常見；柴立龍等21使用水源熱泵系統(tǒng)將溫室的平均地面溫度提升至 18.4 ，但是水源熱泵設(shè)備及施工成本高，設(shè)備操作復(fù)雜，推廣難度較大。王永維等18設(shè)計(jì)的溫室地下蓄熱系統(tǒng)將白天溫室內(nèi)的空氣熱能儲(chǔ)存在地下，晚上再釋放出來(lái)加溫，地溫可提高5.5 以上，然而由于其能量不集中，能量利用率第22期 柯行林等：主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)與加熱空氣溫室增溫效果對(duì)比 225 低，能耗大。徐剛毅等16使用電加溫水暖鍋爐供熱，在地下30 cm處布置熱水管道加熱，使地下15 cm處平均溫度達(dá)到 19.8 。趙云龍等20運(yùn)用碳晶電地?zé)嵯到y(tǒng)加溫基質(zhì)，提高基質(zhì)溫度4.7 。電加熱往往通過(guò)電熱元件直接加熱土壤，加溫效果明顯且可控，但電加熱并不節(jié)能，且加熱元件壽命不高，一般用于早熟促成栽培或育苗等對(duì)溫度敏感的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。以上加熱方式中，燃煤（油）鍋爐加散熱管道和電加熱方式能耗大，水源熱泵設(shè)施設(shè)備投入過(guò)大，地下蓄熱系統(tǒng)效率低，難控制，燃池加散熱管道的方式會(huì)產(chǎn)生空氣污染問(wèn)題且該方式受地域地質(zhì)限制。而張義等22提出了日光溫室主動(dòng)蓄放熱思想，即白天利用循環(huán)的流體收集到達(dá)日光溫室后墻的太陽(yáng)輻射能，夜晚低溫時(shí)，通過(guò)流體介質(zhì)循環(huán)釋放能量。主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)在晴天收集的熱量可達(dá)182223 MJ/d22-23，該方法節(jié)能效果明顯，且單位面積裝置成本低24，具有環(huán)?？沙掷m(xù)的特點(diǎn)。 日光溫室內(nèi)通過(guò)主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)獲得的熱能是一定的，前人的研究集中于將主動(dòng)蓄放熱用于加熱溫室空氣，為了進(jìn)一步提高熱能的利用效率，本文結(jié)合起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培方式，設(shè)計(jì)了主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)（active heat storage-release substrate warming system, AHSSWS），并以AHSSWS提升溫室內(nèi)基質(zhì)溫度處理作為試驗(yàn)組，以主動(dòng)蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)（active heat storage-release air warming system, AHSAWS）提升夜間溫室內(nèi)氣溫處理作為對(duì)照，比較了 2 種加溫方式對(duì)基質(zhì)溫度、室內(nèi)氣溫及番茄生長(zhǎng)、產(chǎn)量的影響，對(duì) 2 個(gè)系統(tǒng)的能量收支情況、設(shè)備投入、運(yùn)行成本進(jìn)行分析，以期獲得更優(yōu)的主動(dòng)蓄放熱熱能利用方式，為主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。 1  主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)與主動(dòng)蓄放熱加熱空氣系統(tǒng) AHSSWS 的原理是白天利用水流循環(huán)吸收到達(dá)溫室后墻表面的太陽(yáng)輻射熱量，同時(shí)將熱量?jī)?chǔ)存在地下蓄熱水桶中，再通過(guò)基質(zhì)下的加熱管道釋放能量，用于提高基質(zhì)溫度；而AHSAWS是將白天收集的能量再通過(guò)集放熱板釋放，用于提升夜晚氣溫。 1.1  系統(tǒng)組成 試驗(yàn)組的AHSSWS分為4個(gè)部分，如圖1a所示。 1）集熱系統(tǒng)，包括集放熱板、1臺(tái)1.1 kW的潛水泵及配套循環(huán)管道。其中集放熱板主體結(jié)構(gòu)為吹塑成型的PE 空腔板。PE 空腔板正面采用印花蝕刻以提高流水速率，表面配覆單層厚 0.15 mm 的黑色塑料膜。系統(tǒng)包含26塊集放熱板，每個(gè)集熱板的高度為1.8 m，寬度為1.0 m，集放熱板面積占后墻面積的 60%；集放熱板與垂直方向夾角為7，底部距離地面600 mm。 2）地下蓄熱水桶，有效蓄水體積為 4.4 m3，材質(zhì)為PE，四周及底部用40 mm厚的擠塑板進(jìn)行保溫處理，上方設(shè)置一個(gè)深500 mm、直徑為600 mm的工作井，并采用澆筑陶?；炷吝M(jìn)行保溫。 3）基質(zhì)增溫系統(tǒng)，包含 1 臺(tái) 1.1 kW、額定流量為15 m3/h 的潛水泵及基質(zhì)加熱管道。其中基質(zhì)加熱管道選用外徑為20 mm的PPR給水管，布置于土壟內(nèi)的基質(zhì)袋下，基質(zhì)加熱管道采用同程式管道布置，各并聯(lián)的加熱管道水路流程相等，流量分配較均衡。 對(duì)照組的AHSAWS分成2部分，如圖1b所示，1）集熱系統(tǒng)；2）地下蓄熱水桶。其規(guī)格、安裝方式與試驗(yàn)組相同。白天集熱系統(tǒng)通過(guò)集放熱板收集熱量，夜晚再將吸收的熱量通過(guò)集放熱板釋放到空氣中20。 a. 主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng) a. Active heat storage-release substrate warming system (AHSSWS) b. 主動(dòng)蓄放熱加熱空氣系統(tǒng) b. Active heat storage-release air warming system (AHSAWS) 圖1  主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)與和 主動(dòng)蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)示意圖 Fig.1  Schematic diagram of AHSSWS and AHSAWS  1.2  系統(tǒng)運(yùn)行模式 兩個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間均為2016年11月16日2017年2月16日。運(yùn)行模式為：1）AHSSWS與AHSAWS的集熱時(shí)間一致，即09:0015:00，系統(tǒng)運(yùn)行，集放熱板開始集熱，將熱量?jī)?chǔ)存于蓄熱水桶中。2）根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，12:0015:00基質(zhì)溫度與蓄水池內(nèi)水溫平均溫差最大，利于放熱，故AHSSWS的基質(zhì)增溫系統(tǒng)于12:0015:00運(yùn)行，將熱量蓄積于土壟與基質(zhì)中，而且此時(shí)作物光合作用強(qiáng)度較大，適當(dāng)?shù)奶岣呋|(zhì)溫度利于光合作用。3）夜晚00:0008:00，AHSSWS 基質(zhì)增溫系統(tǒng)運(yùn)行，向基質(zhì)及土壟放熱；對(duì)照組AHSAWS運(yùn)行，向溫室空氣放熱。 2  試驗(yàn)方案 試驗(yàn)日光溫室位于北京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)中國(guó)農(nóng)農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org）                                2017年   226 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（4013N，11665E）。溫室跨度為10 m，脊高 4.5 m，后墻凈高3 m，長(zhǎng)度60 m，相較傳統(tǒng)日光溫室，栽培空間有所擴(kuò)展25。溫室墻體采用預(yù)制裝配式復(fù)合墻板（水泥板-聚苯板-水泥板復(fù)合結(jié)構(gòu)），溫室基礎(chǔ)內(nèi)外設(shè)置聚苯板等保溫結(jié)構(gòu)，冬季保溫效果較好26。將該日光溫室分為 2 個(gè)區(qū)域，溫室中部用鋼化玻璃墻分隔，試驗(yàn)組位于溫室的西側(cè)，主動(dòng)蓄放熱用于加熱基質(zhì)，對(duì)照組位于溫室的東側(cè)，主動(dòng)蓄放熱用于加熱空氣。耳房位于溫室東側(cè)，系統(tǒng)運(yùn)行期間，溫室耳房門與溫室門不同時(shí)開啟，溫室門除人員通行外處于常閉狀態(tài)，減少其對(duì)室內(nèi)氣溫的影響。 2.1  栽培材料及方法 種植的番茄品種為瑞克斯旺（中國(guó)）公司生產(chǎn)的瑞粉882，2016年10月10日播種育苗，2016年11月3日“兩心一葉”時(shí)按一壟 2 行定植，南北走向，壟型如圖 2所示，壟距為1.55 m，壟高為25 cm，壟上寬為35 cm，下寬為90 cm。內(nèi)嵌基質(zhì)袋長(zhǎng)1 m，寬20 cm，高12 cm。土壟表面覆蓋黑色塑料膜，基質(zhì)袋下方開孔以泄多余的營(yíng)養(yǎng)液，用聚乙烯編織塑料與土壤隔離。每壟放置 7 個(gè)基質(zhì)袋，定植42株苗，每組處理18壟。 圖2  內(nèi)嵌基質(zhì)土壟栽培示意圖 Fig.2  Schematic diagram of soil ridge substrate-embedded cultivation method 2.2  參數(shù)測(cè)定方法 2.2.1  番茄生長(zhǎng)指標(biāo)及產(chǎn)量的測(cè)定 株高：于定植后1個(gè)月，2個(gè)月，3個(gè)月及第1次果實(shí)采收時(shí)以精度為 1 mm 的卷尺測(cè)量基質(zhì)表面距離番茄最頂部葉片葉腋出的長(zhǎng)度，記為株高。 莖粗：于定植后1個(gè)月，2個(gè)月，3個(gè)月及第1次果實(shí)采收時(shí)以精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量第1果穗下方2 cm處測(cè)量直徑，記為莖粗27。 番茄產(chǎn)量：定期采收標(biāo)定行的番茄果實(shí)，使用精度為1 g的磅秤稱得質(zhì)量。 2.2.2  環(huán)境參數(shù)測(cè)定 試驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)的空氣溫度測(cè)試：在試驗(yàn)區(qū)幾何中心所在的南北截面上分別布置 8 個(gè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)距離溫室北墻分別為2、4、6、8 m，距離地面高度為1、2 m，如圖3所示，在對(duì)照區(qū)對(duì)應(yīng)位置也布置8個(gè)點(diǎn)。 室外空氣溫度測(cè)試：在距離試驗(yàn)溫室南面5 m，距地面1.5 m23高度（對(duì)應(yīng)植物冠層）處設(shè)置一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。 試驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)的基質(zhì)溫度及土壤溫度測(cè)試：各區(qū)域內(nèi)從東向西選擇第 5、第 9、第 14 壟作為測(cè)量壟，每壟距北墻2.7，4.7，6.7 m各布置1個(gè)點(diǎn)；試驗(yàn)區(qū)第9壟中部基質(zhì)測(cè)點(diǎn)下方10、20、40、60 cm深布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。 注：“”基質(zhì)及土壤溫度測(cè)點(diǎn)；“”空氣溫度測(cè)點(diǎn)。 Note: “” Temperature measurement point of substrate and soil;  “” Temperature measurement point of air. 圖3  試驗(yàn)區(qū)截面溫度測(cè)點(diǎn)布置圖 Fig.3  Layout of temperature measurement points in section of experimental area 試驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)的水溫測(cè)試：AHSSWS 的蓄熱水桶內(nèi)幾何中心，集熱系統(tǒng)入水口、出水口，基質(zhì)加熱管道入水口、出水口各設(shè)置1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)；AHSAWS的蓄熱水桶內(nèi)幾何中心，集熱系統(tǒng)進(jìn)水口，集熱系統(tǒng)出水口各設(shè)置1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度測(cè)試：于試驗(yàn)組集熱板外表面平行于后墻，距地面1.5 m高度處設(shè)置1個(gè)太陽(yáng)輻射測(cè)點(diǎn)。在距離試驗(yàn)溫室南端5 m，距地面1.5 m高的開闊處設(shè)置一個(gè)太陽(yáng)輻射測(cè)點(diǎn)。 水泵耗電量測(cè)試：每個(gè)水泵開關(guān)處接1個(gè)電能表。 選用銅-康銅T型熱電偶作為溫度傳感器，測(cè)量精度0.2 ，空氣溫度傳感器加裝自然通風(fēng)防輻射罩，水中及基質(zhì)溫度傳感器探頭做防銹處理。太陽(yáng)輻射測(cè)試選用美國(guó)坎貝爾公司的 CMP3 型太陽(yáng)輻射傳感器。數(shù)據(jù)采集儀選用美國(guó)坎貝爾公司生產(chǎn)的CR1000，用于自動(dòng)記錄熱電偶采集的溫度值和輻射傳感器采集的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度值，數(shù)據(jù)采集間隔10 min。水泵耗電量采用電能表讀取。 2.2.3  系統(tǒng)性能分析方法 AHSSWS 的集熱系統(tǒng)（主要為集放熱板）蓄積的熱量及基質(zhì)增溫管道釋放的熱量通過(guò)下式23計(jì)算： , , ( )o ic w w wQ v C T T        （1） ,end,start,cctc ctE Q               （2） , , ( )i or w w wQ v C T T       （3） ,end,start,rrtr rtE Q               （4） 式中 Qc,為在時(shí)間 內(nèi)集熱系統(tǒng)平均集熱功率，kW；w為水的密度，kg/m3，取值1.0103；vw為集熱裝置循環(huán)水的總體積流量，m3/s；Cw 為水的比熱容，kJ/(kg )，取值4.2； ,i tT 、 ,o tT 分別為在時(shí)間 集熱裝置總進(jìn)水口、出第22期 柯行林等：主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)與加熱空氣溫室增溫效果對(duì)比 227 水口的溫度平均值，；Ec為集熱裝置蓄積的熱量，kJ；,startct 、 ,endct 分別為集熱階段起、止時(shí)刻；為測(cè)試期間記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔取 10 min，即 600s； r,Q 為在時(shí)間 內(nèi)基質(zhì)增溫循環(huán)管道平均放熱功率，kW； wv為基質(zhì)加溫管道循環(huán)水的總體積流量，m3/s； ,iT 、 ,oT 分別為在時(shí)間內(nèi)基質(zhì)加溫系統(tǒng)進(jìn)水口、出水口的溫度平均值，；Er為基質(zhì)增溫循環(huán)管道釋放的能量，kJ；tr,start、tr,end分別為基質(zhì)加溫系統(tǒng)放熱的起、止時(shí)刻。 系統(tǒng)停止運(yùn)行后，因?yàn)樾顭崴安皇墙^熱體，所以蓄積的熱量也會(huì)有損失，熱損失量通過(guò)式（5）計(jì)算。 ( )l w w s tE C T T           （5） 式中 El為系統(tǒng)停止運(yùn)行后到系統(tǒng)再次開始運(yùn)行這段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)損失的熱量，kJ；v為地下蓄熱水桶內(nèi)水的體積，m3，這里取值4.4；Ts為系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)刻的蓄熱水桶內(nèi)幾何中心的水溫，；Tt為系統(tǒng)再次運(yùn)行時(shí)刻的蓄熱水桶內(nèi)幾何中心的水溫，。 集放熱板的瞬時(shí)集熱效率 c 為循環(huán)水獲得的能量與到達(dá)集放熱板表面的太陽(yáng)輻射量的比值 , , ,( )o ic w w wcc c c cQ v C T TA I A I      （6） 式中Ac為集熱面積，m2； ,cI 為時(shí)間 內(nèi)后墻表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的平均值，kW/m2。 運(yùn)行一個(gè)蓄熱周期后，可計(jì)算總的集熱效率 ,totc 。 ,end,start,tot,ccc cctsc ctE EE A I （7） 式中Es為照射到集放熱板上總的太陽(yáng)輻射量，kJ。 對(duì)照組內(nèi)AHSAWS的相關(guān)計(jì)算亦對(duì)照上述公式進(jìn)行。 試驗(yàn)期間，1d定義為從該天的08:30至次日08:30，如2017年1月10日定義為1月10日8:30至1月11日08:30。AHSSWS的COP（coefficient of performance）定義為1 d內(nèi)系統(tǒng)向土壟有效放熱量與系統(tǒng)運(yùn)行1 d的耗電電能比值28；AHSAWS的COP定義為1 d內(nèi)集放裝置放熱量與系統(tǒng)1 d內(nèi)運(yùn)行的耗電電能比值。 wpCOP rEE               （8） 式中 wpE 為系統(tǒng)運(yùn)行一周期循環(huán)水泵的耗電電能，kJ。 若將系統(tǒng)運(yùn)行期間總的放熱量為電加熱產(chǎn)生的熱量，系統(tǒng)節(jié)能率29可根據(jù)式（9）計(jì)算。 ,tot wp,tot,totrrE ERE            （9） 式中 R 為系統(tǒng)加熱的節(jié)能率； ,totrE 為系統(tǒng)運(yùn)行期間總的放熱量，kJ； wp,totE 為系統(tǒng)運(yùn)行期間總的耗電量，kJ。 因兩系統(tǒng)能耗與產(chǎn)量均有差異，可比較兩者單位產(chǎn)量的耗能量Ep，kJ/kg。 wp,totpEEM               （10） 式中M為各試驗(yàn)區(qū)域的采收總產(chǎn)量，kg。 3  結(jié)果與分析 3.1  增溫效果分析 選取2017年1月12日1月17日共6 d的典型室外氣象條件下的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中 1 月 12 日1月14日這3 d為連續(xù)晴天，1月15日1月17日這 3d為連續(xù)陰天，分析這2種工況條件下系統(tǒng)的運(yùn)行情況。 3.1.1  不同天氣條件下試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)的基質(zhì)溫度比較 圖 4 為連續(xù)晴天條件下試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)的基質(zhì)溫度比較，2017年1月12日1月14日為連續(xù)晴天，由圖4知 3 d 中試驗(yàn)區(qū)的全天平均基質(zhì)溫度為 20.5、20.8、20.7 ，對(duì)照區(qū)的平均基質(zhì)溫度為15.8、15.9、16.1 。在12:0015:00 AHSSWS放熱階段，試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)平均基質(zhì)溫差分別為 4.7、5.0、4.8 ；00:0008:00 AHSSWS 放熱階段，試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)平均基質(zhì)溫差分別為5.0、5.3、4.6 。3d內(nèi)試驗(yàn)區(qū)的基質(zhì)溫度均高于18 ，增溫效果明顯。 對(duì)照區(qū)的基質(zhì)最高溫度出現(xiàn)在19:30前后，最低溫度出現(xiàn)在09:3010:00，而董海泉30發(fā)現(xiàn)日光溫室內(nèi)土壤栽培條件下，試驗(yàn)期間 15 cm 深的土壤最高溫度出現(xiàn)在17:00，最低溫度出現(xiàn)在09:30，日溫差為4.5 ，而對(duì)照區(qū)的基質(zhì)平均日溫差為1.9 ，小于深15 cm處的土壤日溫差，說(shuō)明內(nèi)嵌基質(zhì)土壟內(nèi)基質(zhì)溫度較穩(wěn)定。如圖 4 所示，試驗(yàn)區(qū)基質(zhì)溫度每天出現(xiàn)2次波峰、2次波谷。第1次波谷出現(xiàn)在12:0012:10，此時(shí)為第1次加熱開始后的10 min 內(nèi)，此后的 3 h 基質(zhì)溫度上升，平均增溫速率為1.1 /h，第1次波峰出現(xiàn)于15:20，即停止加熱后20 min，一是由于熱量在基質(zhì)中傳遞需要時(shí)間，二是由于系統(tǒng)關(guān)閉后，加熱管內(nèi)仍然存有熱水，繼續(xù)傳遞熱量；第2次波谷出現(xiàn) 00:10，這是第 2 次加熱開始后 10 min，此后在整個(gè)加熱階段基質(zhì)溫度先升后降，第2次波峰較第1次波峰平緩，出現(xiàn)于 03:0004:00，該段時(shí)間基質(zhì)加熱管釋放的能量與基質(zhì)散失的熱量相當(dāng)，基質(zhì)溫度基本不變，而此時(shí)對(duì)照區(qū)的基質(zhì)溫度持續(xù)降低。08:10 以后試驗(yàn)區(qū)基質(zhì)溫度下降速率大于對(duì)照區(qū)，這是由于此時(shí)試驗(yàn)區(qū)基質(zhì)溫度較高，試驗(yàn)區(qū)基質(zhì)溫度與其室溫溫差大，散熱速率較高。 圖4  連續(xù)晴天條件下試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)的基質(zhì)溫度比較 （2017年1月12日1月14日） Fig.4  Substrate temperature comparison between experimental and control area under continual sunny days (Jan.12-Jan.14, 2017) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org）                                2017年   228 圖 5 為連續(xù)陰天條件下試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)的基質(zhì)溫度比較，2017年1月15日多云、1月16日小雪轉(zhuǎn)多云、1月17日霾（中度污染，空氣污染指數(shù)255），由圖5 知3d中試驗(yàn)區(qū)的平均基質(zhì)溫度分別為18.4、17.0、16.7 ，對(duì)照區(qū)的平均基質(zhì)溫度為 15.1、14.4、14.1 。在12:0015:00 AHSSWS放熱階段，試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)平均基質(zhì)溫差分別為3.6、2.8、2.5 ；00:0008:00 AHSSWS放熱階段，試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)平均基質(zhì)溫差分別為3.4、2.7、2.9 。15 日早上 09:00 試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)蓄熱水桶水溫分別為31.9、27.7 ，溫度較高，所以15日試驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)平均基質(zhì)溫差高于17日和18日。17日和18日兩區(qū)基質(zhì)溫差逐漸減小，這是由于陰天條件下集熱板收集的熱量減少，水溫也逐漸降低，AHSSWS向基質(zhì)中傳熱量逐漸減少。 圖5  連續(xù)陰天條件下試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)的基質(zhì)溫度比較 （2017年1月15日-1月17日） Fig.5  Substrate temperature comparison between experimental and control area under continual overcast days  (Jan.15-Jan.17, 2017) 由圖 5 可知，一天中對(duì)照區(qū)的基質(zhì)最高溫度出現(xiàn)在17:3018:30，最低溫度出現(xiàn)在 11:0011:30，相較于連續(xù)晴天下對(duì)照區(qū)的基質(zhì)溫度，其最高溫度出現(xiàn)時(shí)間提前而最低溫度出現(xiàn)時(shí)間延遲。3d 內(nèi)基質(zhì)的溫度變化幅度分別為 0.4、0.7、1.0 ，相較于連續(xù)晴天條件下其日變化幅度較小。如圖 5 所示，試驗(yàn)區(qū)基質(zhì)溫度每天出現(xiàn) 2 次波峰、2次波谷。波峰波谷出現(xiàn)的時(shí)間與連續(xù)晴天狀況下一致，第1次波谷出現(xiàn)在12:0012:10，此后的3h基質(zhì)溫度上升，平均增溫速率為0.4 /h，低于連續(xù)晴天狀況下的平均增溫速率，第1次波峰出現(xiàn)于15:20前后；第2次波谷出現(xiàn)00:10前后，即AHSSWS第2次開啟后10 min前后，此后在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)基質(zhì)溫度先升后降，第 2次波峰較第1次波峰平緩，出現(xiàn)于03:0004:00。 3.1.2  不同天氣狀況下試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)空氣溫度比較 圖 6 為連續(xù)晴天條件下試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)的空氣溫度比較，如圖 6 所示，正午時(shí)溫室內(nèi)溫度較高，種植人員打開上通風(fēng)口，受室外氣流的影響，室內(nèi)氣溫變動(dòng)幅度較大，09:00-15:00期間試驗(yàn)區(qū)平均氣溫比對(duì)照區(qū)高1.5、3.5、1.2 ，這可能是由于12:00-15:00試驗(yàn)區(qū)內(nèi)AHSSWS向基質(zhì)放熱時(shí)，間接提高了其空氣溫度。夜晚，AHSAWS的集放熱板向溫室空氣放熱，00:0008:00放熱階段，對(duì)照區(qū)平均氣溫比試驗(yàn)區(qū)高出 1.2、1.2、1.8 。當(dāng) 08:00系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的水還會(huì)短暫放熱，溫度傳感器設(shè)置于溫室中部，熱量從溫室北側(cè)集放熱板到達(dá)溫室中部需要一段時(shí)間，故平均溫差最大值出現(xiàn)時(shí)間晚于 08:00。兩區(qū)空氣溫差不大的原因可能是：溫室保溫被保溫性能較差，室內(nèi)熱量散失較多；加熱基質(zhì)過(guò)程中一部分熱量通過(guò)基質(zhì)間接加熱室內(nèi)空氣。 圖6  連續(xù)晴天條件下試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)的空氣溫度比較 （2017年1月12日-1月14日） Fig.6  Air temperature comparison between experimental and control area under continual sunny days (Jan.12-Jan.14, 2017) 圖 7 為連續(xù)陰天條件下試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)的空氣溫度比較，如圖 7 所示，09:00-15:00 期間試驗(yàn)區(qū)平均氣溫高于對(duì)照區(qū)，特別是1月17日白天蓄熱階段試驗(yàn)區(qū)平均氣溫比對(duì)照區(qū)高2.1 。夜晚，對(duì)照區(qū)的集放熱板向溫室空氣放熱，00:0008:00放熱階段對(duì)照區(qū)的平均氣溫分別為10.8、10.4、8.3 ，而試驗(yàn)區(qū)的平均氣溫分別為 10.4、10.2、7.9 ，此時(shí)段對(duì)照區(qū)平均空氣溫度比試驗(yàn)區(qū)高出0.4、0.2、0.4 ，相較于晴天，連續(xù)陰天致使集熱量減少，水溫較低，加熱效果不理想。 圖7  連續(xù)陰天條件下試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)的空氣溫度比較 （2017年1月15日-1月17日） Fig.7  Air temperature comparison between experimental and control area under continual overcast days (Jan.15-Jan.17, 2017) 3.2  兩系統(tǒng)能量與節(jié)能效果分析 AHSSWS 的集熱時(shí)段是白天 9:0015:00，集熱量Ec通過(guò)式（1）和式（2）計(jì)算，而 12:0015:00、00:0008:00 基質(zhì)增溫管道向基質(zhì)放熱，不同時(shí)段的放熱量 Er均通過(guò)式（3）和式（4）計(jì)算。白天 09:0015:00 是對(duì)照組的AHSAWS的集熱階段，00:0008:00為其放熱時(shí)段，集熱量計(jì)算參照式（1）和式（2），放熱量計(jì)算參照式（3）和式（4）。 3.2.1  連續(xù)晴天狀況下兩系統(tǒng)集放熱性能分析 將連續(xù)晴天2017年1月12日1月14日各系統(tǒng)蓄第22期 柯行林等：主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)與加熱空氣溫室增溫效果對(duì)比 229 熱量、釋放熱量和集放熱板表面太陽(yáng)總輻射量統(tǒng)計(jì)如表1所示。各系統(tǒng)對(duì)能量的利用效率可通過(guò) Er/Ec計(jì)算。由表1 可知，連續(xù)晴天狀況下試驗(yàn)組的平均能量利用率為65.3%，通過(guò)式（5）計(jì)算得到 15:0000:00 系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)間內(nèi)蓄水池能量散失平均值為20.6 MJ，散失總量占總蓄熱量的 8.0%，可見蓄熱水桶的保溫性能有待提高。連續(xù)晴天狀況下試驗(yàn)組的集放熱板平均集熱效率為56.3%，對(duì)照組的平均集熱效率為84.7%，本試驗(yàn)中使用的集放熱板就集熱效率方面優(yōu)于金屬膜集放熱裝置22。6d 內(nèi)試驗(yàn)組的平均COP為1.51.9，低于對(duì)照組的平均COP（3.04.0）。試驗(yàn)組的平均能量利用率和COP較低的原因是，夜晚系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)段基質(zhì)與循環(huán)水的溫差小于空氣與循環(huán)水的溫差，且加熱管與基質(zhì)的換熱系數(shù)小于集放熱板與空氣的換熱系數(shù)。由于釋放熱量較少，08:00放熱結(jié)束后，試驗(yàn)組的蓄水桶水溫高于對(duì)照組。 3.2.2  連續(xù)陰天狀況下兩系統(tǒng)集放熱性能分析 如表 1 所示，從晴天轉(zhuǎn)向陰天時(shí)，陰天早上的水溫較高，而陰天室內(nèi)空氣溫度較低，出現(xiàn)水溫高于集熱階段室內(nèi)空氣溫度的情況，所以15日、16日集放熱板在集熱階段放熱。許多熱量沒(méi)有用于夜晚加溫，而是在白天就釋放到空氣中。此時(shí)有效放熱量不及晴天條件下的一半，系統(tǒng)性能系數(shù)COP很低，試驗(yàn)組的COP僅為0.9、0.5、0.7，部分能量沒(méi)有用于有效加溫，這也是試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)3d空氣溫度相差不多的主要原因。 表1   AHSSWS和AHSAWS的蓄放熱參數(shù)及能效比 Table 1  Parameters about heat storage-release and COP of AHSSWS and AHSAWS 日期 Date 系統(tǒng) Systems 集放熱板表面 太陽(yáng)總輻射量 Total quantity of solar radiation on surface of heat storage-release plates Es/MJ 集放熱板收集的熱量Collected heat capacity of heat storage-release plates Ec/MJ 集放熱板集熱效率 Heat collecting efficiency of heat storage-release plates Ec/Es/% 系統(tǒng)釋放的熱量 Released heat capacity of system Er/MJ 能量利用效率 Utilization ratio of collected heat Er/Ec/% COP AHSSWS 155 55 114 74 1.7 2017-01-12 AHSAWS 283 245 86 223 91 4.0 AHSSWS 186 58 125 68 1.9 2017-01-13 AHSAWS 318 243 77 211 87 3.8 AHSSWS 178 56 98 55 1.5 2017-01-14 AHSAWS 316 287 91 165 58 3.0 AHSSWS -72 62 0.9 2017-01-15 AHSAWS 87 -47 119 2.2 AHSSWS -19 33 0.5 2017-01-16 AHSAWS 93 15 16 56 1.0 AHSSWS 57 40 47 82 0.7 2017-01-17 AHSAWS 141 99 70 110 2.0 3.2.3  主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)能耗及節(jié)能效果分析 AHSSWS有2個(gè)放熱階段，分別是12:0015:00和次日的00:0008:00，連續(xù)晴天狀況下2個(gè)階段AHSSWS釋放的熱量、功率如表2所示。 表2  連續(xù)晴天狀況下主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)不同放熱階段的放熱量 Table 2  Heat released of AHSSWS in different heat release period under continual sunny days 日期 Date 放熱時(shí)間段 Heat release periods 放熱功率 Heat release power/kW 放熱總量 Heat release capacity/MJ 12:00-15:00 2.0 22 2017-01-12 00:00-08:00 3.2 92 12:00-15:00 2.2 24 2017-01-13 00:00-08:00 3.5 102 12:00-15:00 2.1 23 2017-01-14 00:00-08:00 2.6 75 不同階段放熱功率不同，如表2所示，12:0015:00時(shí)段平均放熱功率為 2.1 kW，00:0008:00 時(shí)段的平均放熱功率為 3.1 kW。12:0015:00 時(shí)段外界氣溫較高，基質(zhì)溫度也在上升，隨著基質(zhì)溫度增加，基質(zhì)與水溫的差值越來(lái)越小，所以系統(tǒng)的放熱量有所減少。而00:0008:00時(shí)段，室內(nèi)空氣溫度較低，此時(shí)基質(zhì)與土壟向空氣傳熱，因此系統(tǒng)放熱功率較12:0015:00時(shí)段要大。 連續(xù)晴天條件下2個(gè)系統(tǒng)節(jié)能率通過(guò)式（9）計(jì)算，3d中AHSSWS日均消耗電能67 MJ，AHSSWS釋放出的熱量分別為114、125、98 MJ，由式（9）得其節(jié)能率分別為 41.2%、46.4%、31.6%，節(jié)能效果明顯。AHSAWS日均消耗電能55 MJ，其在夜間向溫室中釋放的熱量分別為223、211、165 MJ，由式（9）得其節(jié)能率分別為75.3%、73.9%、66.7%，AHSAWS節(jié)能效果更加明顯。 3.3  不同加溫方法對(duì)番茄生長(zhǎng)、產(chǎn)量的影響 試驗(yàn)區(qū)的基質(zhì)溫度明顯高于對(duì)照區(qū)，但是加熱階段對(duì)照區(qū)的夜間平均氣溫比試驗(yàn)組高 1.22.0 ，所以通過(guò)比較兩組番茄生長(zhǎng)狀況31對(duì)于說(shuō)明主動(dòng)蓄放熱熱能的不同應(yīng)用方式所產(chǎn)生的效果更有實(shí)際意義。 不同時(shí)期試驗(yàn)組與對(duì)照組番茄株高、莖粗如表 3 所示，可以看出不同時(shí)期試驗(yàn)組的番茄株高均高于對(duì)照組，兩者差距隨時(shí)間先變大后變小，這是因?yàn)榈搅嗽囼?yàn)后期，溫室基礎(chǔ)空氣溫度較高，主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)增溫對(duì)作物生長(zhǎng)的影響日漸減少。而對(duì)照組的莖粗較試驗(yàn)組顯著增加，這可能是由于白天對(duì)照組的平均氣溫低于試驗(yàn)組，而且試驗(yàn)組植株生長(zhǎng)較對(duì)照組均勻，組內(nèi)植株株高差異小。 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org）                                2017年   230 表3  不同時(shí)期2種加溫方式下的番茄株高和莖粗 Table 3  Plant height and stem diameter of tomato under two different heating ways in different period 時(shí)間 Date 系統(tǒng) Systems 株高 Plant height/cm 莖粗 Stem diameter/mm AHSSWS 32.74.8a 7.380.43a 2016-12-03 AHSAWS 29.62.9a 7.940.92a AHSSWS 101.19.7a 11.490.83b 2017-01-03 AHSAWS 81.66.6b 12.230.97a AHSSWS 147.47.6a 12.200.96b 2017-02-03 AHSAWS 117.811.1b 13.101.03a 2017年3月31日第一次采收番茄，直至5月12日，共采收5次，采收期間試驗(yàn)組采收果實(shí)數(shù)量為43個(gè)/m2，采收番茄質(zhì)量為6.73 kg/m2，對(duì)照組為25個(gè)/m2，采收番茄質(zhì)量為3.83 k