日光溫室水幕簾蓄放熱系統(tǒng)增溫效應(yīng)試驗研究
第 28 卷 第 4 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 Vol.28 No.4 188 2012 年 2月 Transactions of the CSAE Feb. 2012 日光溫室水幕簾蓄放熱系統(tǒng)增溫效應(yīng)試驗研究張 義1,2,楊其長1,2,方 慧1,2( 1. 中國農(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實驗室,北京 100081) 摘 要: 針對日光溫室夜間溫度過低,難以滿足作物生長需求這一問題。設(shè)計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,以提高日光溫室內(nèi)溫度。試驗測試結(jié)果表明,應(yīng)用該水幕簾蓄放熱系統(tǒng)可將溫室內(nèi)夜間溫度提高 5.4以上,可將作物根際溫度提高 1.6以上;該系統(tǒng)夜間通過水幕簾的放熱量達到 4.9 5.6 MJ/m2;日光溫室蓄放熱量的增加,實現(xiàn)了西紅柿的安全過冬生產(chǎn),同時將西紅柿的上市時間至少提前 20 d。該研究成果對日光溫室結(jié)構(gòu)的改進、溫度調(diào)控有較大的科學(xué)意義。 關(guān)鍵詞: 溫室,溫度,墻體,日光溫室,水幕簾,蓄能,增溫 doi: 10.3969/j.issn.1002-6819.2012.04.031 中圖分類號: S625.4 文獻標志碼: A 文章編號: 1002-6819(2012)-04-0188-06 張 義,楊其長,方 慧. 日光溫室水幕簾蓄放熱系統(tǒng)增溫效應(yīng)試驗研究J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(4):1881 93. Zhang Yi, Yang Qichang, Fang Hui. Research on warming effect of water curtain system in Chinese solar greenhouseJ. Transactions of the CSAE, 2012, 28(4): 188 193. (in Chinese with English abstract) 0 引 言日光溫室中能量的獲得主要來自太陽輻射。白天,太陽光進入溫室后,即以熱量的形式存儲在墻體和土壤中;夜晚,當(dāng)室內(nèi)氣溫下降時,墻體和土壤中蓄積的熱量又源源不斷地向溫室供應(yīng)1-20。但在極端低溫情況下,日光溫室后半夜溫度往往比較低,因此研究者們做了不少研究,以增加日光溫室蓄熱量,提高溫室內(nèi)夜間氣溫。一種是進行以提高日光溫室北墻蓄熱保溫性能的研究,佟國紅等對不同材料組成的 600 mm 厚墻體的傳熱特性分析表明:在同一溫室內(nèi),復(fù)合異質(zhì)墻體(紅磚與聚苯乙烯泡沫塑料板組合)夜間內(nèi)表而溫度比純磚墻內(nèi)表而溫度平均提高 3.7;在相同室外溫度環(huán)境條件下,復(fù)合異質(zhì)墻體溫室內(nèi)夜間空氣溫度比夯實土墻溫室的室內(nèi)溫度平均提高 3.0;聚苯乙烯泡沫塑料板作為墻體的隔熱材料、紅磚作為墻體的蓄熱材料是合理的4。馬承偉等建立了日光溫室墻體傳熱的數(shù)值模擬方法,通過模擬分析可以獲得墻體任意點和任意時刻的溫度以及熱流量等數(shù)據(jù)信息,紅磚墻體日光溫室墻體晴天夜間累計自然散熱量 1.06 MJ/m26-7。一種是進行以提高日光溫室光、熱利用效率,增加蓄熱量的研究,張海蓮等利用太陽能集熱收稿日期: 2010-07-28 修訂日期: 2010-11-03 基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目( 31071833) ;國家科技支撐計劃( 2011BAE01B00) ;北京市科委重點項目( D111100000811001) 作者簡介:張義( 1981) ,女,吉林,博士,主要從事設(shè)施園藝環(huán)境工程研究。北京 中國農(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, 100081。 Email: xingfu_536163.com 通信作者:楊其長( 1963) ,男,安徽,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事設(shè)施園藝環(huán)境工程研究。 北京 中國農(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, 100081。 Email: yangqieda.org.cn 器提高蔬菜溫室氣溫,但是由于沒有輔助加熱設(shè)備,不適合連陰天的使用8。劉圣勇等采用太陽能真空管集熱器、保溫蓄熱水箱、循環(huán)水泵和地下散熱器等部件構(gòu)成了太陽能地下加熱系統(tǒng)用以提高地溫,可將 10 cm 深度處的平均地溫提高 3.4,但系統(tǒng)對日光溫室氣溫的提升效果不明顯9。 王奉欽等設(shè)計了一套太陽能集熱器輔助加熱系統(tǒng),在室外平均溫度為 -1的情況下,該系統(tǒng)能夠提高根區(qū)土壤溫度 2.210。白義奎等開發(fā)設(shè)計了由燃池、地中熱交換系統(tǒng)、循環(huán)及控制系統(tǒng)組成的燃池 -地中熱交換系統(tǒng),使用該系統(tǒng)對提高土壤溫度、溫室內(nèi)氣溫均具有較好的效果11-12。王順生等在后墻內(nèi)側(cè)安裝太陽輻射集熱調(diào)溫裝置,在冬季晴天能將集熱器中的水溫提高20,并利用該熱水加熱土壤,可使地溫提高 3.23.813。張峰等建成了帶有卵石床地下蓄熱裝置的示范溫室,該日光溫室夜間最低溫度比無蓄熱裝置的對照溫室提高了 5 814。李炳海等采用自主研發(fā)的太陽能地?zé)峒訙叵到y(tǒng),在 16: 00 20: 00 對遼沈型日光溫室土壤進行加溫,結(jié)果表明:使用地?zé)峒訙叵到y(tǒng)后,日光溫室內(nèi) 15 cm 深處土溫在晴天時平均比不加溫的高 2.94,陰天提高 2.56, 15 cm 深處最低土溫由 11.0提高到13.915-16。 戴巧利等試驗研究了一套太陽能塑料大棚增溫系統(tǒng),系統(tǒng)以空氣為載熱介質(zhì),土壤為蓄熱介質(zhì),白天利用太陽能空氣集熱器加熱空氣,由風(fēng)機把熱空氣抽入地下,通過地下管道與土壤的熱交換,將熱量傳給土壤儲存。夜間熱量緩慢上升至地表,從而使土壤保持恒溫。大棚夜間氣溫平均升高 3.8,地溫平均升高 2.3,系統(tǒng)蓄熱量可達 228.9 319.1 MJ17。雖然目前的研究已經(jīng)提出了一些增加日光溫室蓄熱量的方法,但由于一些裝置成本高、 工程施工量大,在日光溫室中應(yīng)用推廣難度第 4 期 張 義等:日光溫室水幕簾蓄放熱系統(tǒng)增溫效應(yīng)試驗研究 189 很大。本課題組的研究人員方慧等以太陽能為熱源,以水為蓄熱介質(zhì),以溫室淺層土壤為蓄熱體,白天通過水的循環(huán)將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,提高溫室夜間溫度18。 本文作者在此研究基礎(chǔ)上,通過改進集熱裝置、儲熱裝置、熱量釋放裝置,提高太陽能綜合利用效率,設(shè)計出了一種水幕簾蓄放熱裝置,該裝置以墻體結(jié)構(gòu)為依托,以水為介質(zhì)進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,以提高溫室內(nèi)溫度,減少作物凍害的發(fā)生率,實現(xiàn)作物的安全越冬生產(chǎn)。 1 材料與方法 1.1 試驗溫室概況 試驗溫室位于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所通州設(shè)施農(nóng)業(yè)示范基地內(nèi),溫室東西走向,長度 80 m,跨度 8 m,脊高 3.8 m,后墻高 2.8 m,采用全鋼裝配式骨架結(jié)構(gòu),溫室北墻、后坡、山墻為組裝式聚苯乙烯泡沫板(厚度 15 cm),表面噴涂抗裂砂漿(厚度3 mm)。 2010 年 12 月 24 日溫室內(nèi)定植番茄苗, 2011 年3 月 9 日開始采收。試驗測試時間開始于 2010 年 12 月15 日,結(jié)束于 2011 年 2 月 15 日。 1.2 水幕簾蓄放熱系統(tǒng)原理及設(shè)計 水幕簾蓄放熱系統(tǒng)主要由水幕簾、蓄熱水池、水泵及管道等組成。水幕簾是由 3 層薄膜組成的密閉空間, 3層薄膜均勻緊密貼合,外層及內(nèi)層為透明塑料薄膜,中間層為黑色薄膜,水沿著黑色薄膜流下,形成水流均勻的水幕。蓄熱水池由聚酯硬質(zhì)板焊接而成,水池四周外表面設(shè)置聚苯乙烯泡沫板保溫層(厚度 10 cm),水箱體積 4 m3。水泵選用單相潛水電泵,功率 0.37 kW,循環(huán)水量 3 m3/h。水幕簾蓄放熱系統(tǒng)以墻體結(jié)構(gòu)為依托,白天利用水流循環(huán)吸收到達墻體表面的太陽輻射熱量,同時將熱量儲存在帶有保溫層的水池中;夜晚當(dāng)溫室內(nèi)氣溫降低到一定程度時,開啟循環(huán)水泵,通過水幕簾將水池中的熱量釋放到溫室中。系統(tǒng)示意圖如圖 1 所示。 水幕簾蓄放熱系統(tǒng)控制模式:該系統(tǒng)為自動控制系統(tǒng),早上卷起保溫被時開啟系統(tǒng),開始集熱并蓄熱,系統(tǒng)一直運行,系統(tǒng)會在某一時刻由蓄熱轉(zhuǎn)為放熱,當(dāng)蓄熱水池中水溫低于溫室內(nèi)空氣溫度時,系統(tǒng)自動停止運行,次日 09:00 將自動開啟運行(也可根據(jù)保溫被卷起時間,人工手動開啟)。 圖 1 水幕簾系統(tǒng)示意圖 Fig.1 Schematic diagram of water curtain system 1.3 試驗方法與測量 將溫室從東向西方向等距劃分為 4 個區(qū)域,中間用雙層塑料薄膜( PE 膜)分隔,從東向西依次稱為 1、 2、 3、4 區(qū),選擇 1 區(qū)安裝水幕簾蓄放熱系統(tǒng),作為試驗區(qū), 3區(qū)作為試驗對照區(qū)。試驗區(qū)和對照區(qū)的空氣及土壤溫度測點布置:空氣溫度測點布置在區(qū)域的幾何中心點,高度1 m,土壤測點分別布置在該區(qū)域距離溫室南底角 2、 4 和6 m,距離東邊區(qū)域邊緣 5、 10 和 15 m 的位置 0、 10、 20、40 和 50 cm 深度處, 在試驗區(qū)水幕簾蓄放熱系統(tǒng)中布置水池內(nèi)水溫測點、 簾幕進水口水溫測點、 回水溫度 3 個測點。室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)測試采用銅 -康銅 T 型熱電偶, 傳感器探頭做防輻射處理,水中傳感器探頭做防銹處理。傳感器接到數(shù)據(jù)采集儀(安捷倫, Agilent34970A; EKO, CADAC21)上進行數(shù)據(jù)采集、存儲,數(shù)據(jù)采集時間間隔 10 min。室外氣象數(shù)據(jù)采集使用 HOBO 氣象站,數(shù)據(jù)采集時間間隔10 min。試驗時間段內(nèi), 08:30 開啟外保溫被, 04:30 覆蓋外保溫被,通風(fēng)口在 12:00 至 13:00 人工手動開啟。 2 結(jié)果與分析 2.1 溫室內(nèi)氣溫變化 溫室試驗區(qū)與對照區(qū)的氣溫變化如圖 2所示。 在 2011年 1 月 18 日到 21 日連續(xù) 3 d 的測試中, 試驗區(qū)與對照區(qū)的白天氣溫?zé)o明顯差異,夜間平均氣溫差分別為 5.4、 5.7和 5.5;當(dāng)室外最低氣溫在 1 月 20 日 07:30 達到 -12的低溫時,試驗區(qū)的氣溫為 16.3,對照區(qū)的氣溫為10.0;水幕簾蓄放熱系統(tǒng)對溫室的增溫效果明顯。 圖 2 試驗區(qū)及對照區(qū)的氣溫變化 Fig.2 Air temperature changes in test and control area 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2012 年 190 2.2 溫室內(nèi)地溫分布 在溫室試驗區(qū)內(nèi),土壤表面溫度(圖 3)隨太陽輻射照度的變化明顯,越深層的土壤溫度波動越小,在 20 cm深度以下,土壤溫度幾乎沒有波動,可稱為恒溫層。深度 40 cm 處,土壤溫度可維持在 17.5以上,深度 50 cm處,土壤溫度可維持在 16.7以上,較高的作物根際溫度非常有利于作物的生長。 圖 3 溫室試驗區(qū)不同深度土壤溫度日變化 Fig.3 Diurnal change of soil temperature with different depths in test area 溫室試驗區(qū)南北方向土壤溫度分布的測試結(jié)果如圖 4 所示,在土壤深度 10 cm 處,因土壤的熱容量較大,土壤溫度在 20:30 左右達到最大值,溫室南邊土壤 10 cm 深度處溫度波動值為 1.7,溫室中部土壤10 cm 深度處溫度波動值為 1.2,溫室北邊土壤10 cm 深度處溫度波動值為 0.9,由此可見北邊土壤溫度的波動明顯小于南邊及中部。同時夜間因溫室南邊散熱量較大,其最低溫度要低于中部及北邊。在土壤深度 40 cm 處,全天的土壤溫度波動不大,中部及北邊的測點溫度沒有顯著差異,而南邊的測點要比這兩點低 0.7。由以上分析可以看出,日光溫室南底角處的土壤散熱量較大,因此在南側(cè)土壤中做防寒處理非常必要。北側(cè)土壤因有蓄熱水池與外界隔離,減少了土壤熱損失量,因此將系統(tǒng)的水池安置在溫室北墻或山墻的附近,有利于溫室保溫。 比較溫室試驗區(qū)與對照區(qū)不同土壤深度的溫度(圖5)可知,試驗區(qū)的土壤溫度高于對照區(qū),在 2 區(qū) 10、 20、40 cm 深度處夜間土壤平均溫差分別為 1.8、 2.0 和 1.6。 a. 土壤深度 10 cm b. 土壤深度 40 cm 圖 4 試驗區(qū)土壤溫度南北向分布 Fig.4 Distribution of soil temperature from south to north in test area 2.3 水幕簾蓄放熱系統(tǒng)蓄放熱量分析 試驗中測試了水幕簾蓄放熱系統(tǒng)中墻上回水的水溫、水池的水溫等參數(shù),測試結(jié)果如圖 6 所示,在 2011年 1 月 18 日到 21 日連續(xù) 4 d 的測試中, 水池溫升分別為12.3、 13.1、 12.3 和 12.4,水幕簾蓄放熱系統(tǒng)白天集熱時間分別為 7、 7.5、 6 和 7.5 h。 通過公式( 1)計算系統(tǒng)的蓄熱量、放熱量以及集熱功率,結(jié)果見表 1。 wwwwQcVt ( 1) 式中: Qw為水池蓄熱量, J; cw為水的比熱容, J/kg;w為水的密度, kg/m3; Vw為水池容積, m3; t 為水池溫升,。 a. 土壤深度 10 cm 第 4 期 張 義等:日光溫室水幕簾蓄放熱系統(tǒng)增溫效應(yīng)試驗研究 191 b. 土壤深度 20 cm c. 土壤深度 40 cm 圖 5 試驗區(qū)及對照區(qū)的土壤溫度分布 Fig.5 Soil temperature in test and control area 圖 6 水幕簾蓄放熱系統(tǒng)中墻上回水的溫度、水池水溫試驗區(qū)溫度 Fig.6 Water temperature of backwater on wall and pool in water curtain system and air temperature in test area 表 1 水幕簾蓄放熱系統(tǒng)蓄放熱量 Table 1 Heat got and released from water curtain system 試驗日期 水幕簾白天蓄熱量 /MJ 水幕簾夜晚放熱量 /MJ 單位面積水幕簾夜晚放熱量 /MJm-2系統(tǒng)平均集熱功率 /Wm-22011-01-18 196.8 223.6 5.6 228.3 2011-01-19 209.6 212.4 5.3 226.9 2011-01-20 196.5 207.5 5.2 266.0 2011-01-21 197.6 198.1 4.9 213.9 在夜間,系統(tǒng)通過水幕簾的放熱量在 4.9 5.6 MJ/m2,而一般日光溫室夜間北墻自然散熱量為0.35 2.5 MJ/m219-20, 可見該系統(tǒng)的散熱量遠遠大于普通日光溫室北墻的散熱量。 2.4 溫室內(nèi)番茄生長狀況形態(tài)參數(shù)對比 在溫室試驗區(qū)及對照區(qū), 于 2010年 12月 24日定植番茄,2011 年 2 月 18 日采集作物生長狀況參數(shù)數(shù)據(jù)(表 2)。 2 區(qū)域內(nèi)番茄的株高、葉片數(shù)、果數(shù)、花數(shù)有顯著差別( 0.01 P 0.05),采用水幕簾蓄放熱系統(tǒng)的試驗區(qū)作物生長狀況明顯優(yōu)于對照區(qū)。試驗區(qū)的番茄不僅可以安全過冬,而且已經(jīng)在 2011 年 3 月 9 日開始采摘,首次采摘 10 kg,而對照區(qū)的番茄還未成熟,采用該系統(tǒng)至少可將番茄提前上市 20 d。 表 2 不同區(qū)域內(nèi)番茄生長狀況( 2011-02-18) Table2 Morphological parameters of cherry tomato in test and control area 區(qū)域 株高 /cm 節(jié)間 /cm 葉片數(shù) 花穗數(shù) 果數(shù) 花數(shù) 試驗區(qū) 114.96.93a 7.7 2.5a 16.91.36a 4.1 0.57a 17 3.8a 12.9 3.0a對照區(qū) 96.3 7.11b 5.9 2.1ab 14.91.13b 3.50.53ab 12.53.7b 11.42.3b 3 結(jié)論與討論 應(yīng)用水幕簾蓄放熱系統(tǒng)提高日光溫室夜間溫度是可行的,通過本試驗測試,可得出以下結(jié)論: 1)應(yīng)用該系統(tǒng)可將溫室內(nèi)夜間溫度提高 5.4以上,可將作物根際溫度提高 1.6以上,當(dāng)室外最低氣溫下降到 -12時,試驗區(qū)的氣溫仍維持在 16.3以上,作物根際溫度維持在 16.7以上; 2)在夜間,水幕簾蓄放熱系統(tǒng)通過水幕簾的放熱量在 4.9 5.6 MJ/m2,該系統(tǒng)的平均集熱功率為 213.9266.0W/m2; 3)在日光溫室中應(yīng)用該系統(tǒng)后,由于蓄放熱量的增加,溫室內(nèi)溫度有保證,可實現(xiàn)喜溫果菜(如番茄)的安全過冬生產(chǎn),同時可將番茄的上市時間至少提前 20 d。 水幕簾蓄放熱系統(tǒng)對提高日光溫室夜間溫度的作用明顯,該系統(tǒng)大大增加了日光溫室的蓄熱量,為日光溫室北墻結(jié)構(gòu)的改進提供了一種新的思路,即北墻僅具有較好保溫性能即可,蓄放熱功能由水幕簾蓄放熱系統(tǒng)完成。由于該系統(tǒng)的應(yīng)用剛剛開始,還處在試驗的初級階段,系統(tǒng)還存在裝配簡陋、集熱效率不高等問題。通過優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)、改進裝配及施工工藝,進一步改善該水幕簾蓄放熱系統(tǒng)的性能,預(yù)計將在中國日光溫室生產(chǎn)中有廣闊的應(yīng)用前景。 參 考 文 獻 1 陳端生 . 中國節(jié)能型日光溫室建筑與環(huán)境研究進展 J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 1994, 10(1): 123 129. Chen Duansheng. Advance of the research on the architecture and environment of the chinese energy-saving sunlight 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2012 年 192 greenhouseJ. Transactions of the CSAE, 1994, 10(1): 123129. (in Chinese with English abstract) 2 Chen Duansheng. Theory and practice of energy-saving solar greenhouse in ChinaJ. Transactions of the CSAE, 2001, 17(1): 22 26. 3 王靜,崔慶法,林茂茲 . 不同結(jié)構(gòu)日光溫室光環(huán)境及補光研究 J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2002, 18(4): 86 89. Wang Jing, Cui Qingfa, Lin Maozi. Illumination environment of different structural solar greenhouse and their supplement illuminationJ. Transactions of the CSAE, 2002, 18(4): 8689. (in Chinese with English abstract) 4 佟國紅,王鐵良,白義奎,等 . 日光溫室墻體傳熱特性的研究 J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2003, 19(3): 186 189. Tong Guohong, Wang Tieliang, Bai Yikui, et al. Heat transfer property of wall in solar greenhouseJ. Transactions of the CSAE, 2003, 19(3): 186 189. 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At night, when water circuited and passed water curtain, the heat was released to the greenhouse and then the air temperature was increased in the Chinese solar greenhouse. The experiments had in last winter showed that the air temperature at night in greenhouse w