日光温室水幕帘蓄放热系统增温效应试验研究
<p>第 28 卷 第 4 期 农 业 工 程 学 报 Vol.28 No.4 188 2012 年 2月 Transactions of the CSAE Feb. 2012 日光温室水幕帘蓄放热系统增温效应试验研究张 义1,2，杨其长1,2，方 慧1,2（ 1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081； 2. 农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081） 摘 要： 针对日光温室夜间温度过低，难以满足作物生长需求这一问题。设计了一种水幕帘蓄放热系统，该系统以日光温室墙体结构为依托，以水为介质进行热量的蓄积与释放，白天利用水循环通过水幕帘吸收太阳能，同时将能量储存在水池中，夜晚利用水循环通过水幕帘释放热量，以提高日光温室内温度。试验测试结果表明，应用该水幕帘蓄放热系统可将温室内夜间温度提高 5.4以上，可将作物根际温度提高 1.6以上；该系统夜间通过水幕帘的放热量达到 4.9 5.6 MJ/m2；日光温室蓄放热量的增加，实现了西红柿的安全过冬生产，同时将西红柿的上市时间至少提前 20 d。该研究成果对日光温室结构的改进、温度调控有较大的科学意义。 关键词： 温室，温度，墙体，日光温室，水幕帘，蓄能，增温 doi： 10.3969/j.issn.1002-6819.2012.04.031 中图分类号： S625.4 文献标志码： A 文章编号： 1002-6819(2012)-04-0188-06 张 义，杨其长，方 慧. 日光温室水幕帘蓄放热系统增温效应试验研究J. 农业工程学报，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 言日光温室中能量的获得主要来自太阳辐射。白天，太阳光进入温室后，即以热量的形式存储在墙体和土壤中；夜晚，当室内气温下降时，墙体和土壤中蓄积的热量又源源不断地向温室供应1-20。但在极端低温情况下，日光温室后半夜温度往往比较低，因此研究者们做了不少研究，以增加日光温室蓄热量，提高温室内夜间气温。一种是进行以提高日光温室北墙蓄热保温性能的研究，佟国红等对不同材料组成的 600 mm 厚墙体的传热特性分析表明：在同一温室内，复合异质墙体（红砖与聚苯乙烯泡沫塑料板组合）夜间内表而温度比纯砖墙内表而温度平均提高 3.7；在相同室外温度环境条件下，复合异质墙体温室内夜间空气温度比夯实土墙温室的室内温度平均提高 3.0；聚苯乙烯泡沫塑料板作为墙体的隔热材料、红砖作为墙体的蓄热材料是合理的4。马承伟等建立了日光温室墙体传热的数值模拟方法，通过模拟分析可以获得墙体任意点和任意时刻的温度以及热流量等数据信息，红砖墙体日光温室墙体晴天夜间累计自然散热量 1.06 MJ/m26-7。一种是进行以提高日光温室光、热利用效率，增加蓄热量的研究，张海莲等利用太阳能集热收稿日期： 2010-07-28 修订日期： 2010-11-03 基金项目：国家自然科学基金资助项目（ 31071833） ；国家科技支撑计划（ 2011BAE01B00） ；北京市科委重点项目（ D111100000811001） 作者简介：张义（ 1981） ，女，吉林，博士，主要从事设施园艺环境工程研究。北京 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所， 100081。 Email： xingfu_536163.com 通信作者：杨其长（ 1963） ，男，安徽，博士，研究员，博士生导师，主要从事设施园艺环境工程研究。 北京 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所， 100081。 Email： yangqieda.org.cn 器提高蔬菜温室气温，但是由于没有辅助加热设备，不适合连阴天的使用8。刘圣勇等采用太阳能真空管集热器、保温蓄热水箱、循环水泵和地下散热器等部件构成了太阳能地下加热系统用以提高地温，可将 10 cm 深度处的平均地温提高 3.4，但系统对日光温室气温的提升效果不明显9。 王奉钦等设计了一套太阳能集热器辅助加热系统，在室外平均温度为 -1的情况下，该系统能够提高根区土壤温度 2.210。白义奎等开发设计了由燃池、地中热交换系统、循环及控制系统组成的燃池 -地中热交换系统，使用该系统对提高土壤温度、温室内气温均具有较好的效果11-12。王顺生等在后墙内侧安装太阳辐射集热调温装置，在冬季晴天能将集热器中的水温提高20，并利用该热水加热土壤，可使地温提高 3.23.813。张峰等建成了带有卵石床地下蓄热装置的示范温室，该日光温室夜间最低温度比无蓄热装置的对照温室提高了 5 814。李炳海等采用自主研发的太阳能地热加温系统，在 16： 00 20： 00 对辽沈型日光温室土壤进行加温，结果表明：使用地热加温系统后，日光温室内 15 cm 深处土温在晴天时平均比不加温的高 2.94，阴天提高 2.56， 15 cm 深处最低土温由 11.0提高到13.915-16。 戴巧利等试验研究了一套太阳能塑料大棚增温系统，系统以空气为载热介质，土壤为蓄热介质，白天利用太阳能空气集热器加热空气，由风机把热空气抽入地下，通过地下管道与土壤的热交换，将热量传给土壤储存。夜间热量缓慢上升至地表，从而使土壤保持恒温。大棚夜间气温平均升高 3.8，地温平均升高 2.3，系统蓄热量可达 228.9 319.1 MJ17。虽然目前的研究已经提出了一些增加日光温室蓄热量的方法，但由于一些装置成本高、 工程施工量大，在日光温室中应用推广难度第 4 期 张 义等：日光温室水幕帘蓄放热系统增温效应试验研究 189 很大。本课题组的研究人员方慧等以太阳能为热源，以水为蓄热介质，以温室浅层土壤为蓄热体，白天通过水的循环将热量收集并储存到温室浅层土壤中，夜间通过土壤的自然放热将热量释放到温室中，提高温室夜间温度18。 本文作者在此研究基础上，通过改进集热装置、储热装置、热量释放装置，提高太阳能综合利用效率，设计出了一种水幕帘蓄放热装置，该装置以墙体结构为依托，以水为介质进行热量的蓄积与释放，白天利用水循环通过水幕帘吸收太阳能，同时将能量储存在水池中，夜晚利用水循环通过水幕帘释放热量，以提高温室内温度，减少作物冻害的发生率，实现作物的安全越冬生产。 1 材料与方法 1.1 试验温室概况 试验温室位于中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所通州设施农业示范基地内，温室东西走向，长度 80 m，跨度 8 m，脊高 3.8 m，后墙高 2.8 m，采用全钢装配式骨架结构，温室北墙、后坡、山墙为组装式聚苯乙烯泡沫板（厚度 15 cm），表面喷涂抗裂砂浆（厚度3 mm）。 2010 年 12 月 24 日温室内定植番茄苗， 2011 年3 月 9 日开始采收。试验测试时间开始于 2010 年 12 月15 日，结束于 2011 年 2 月 15 日。 1.2 水幕帘蓄放热系统原理及设计 水幕帘蓄放热系统主要由水幕帘、蓄热水池、水泵及管道等组成。水幕帘是由 3 层薄膜组成的密闭空间， 3层薄膜均匀紧密贴合，外层及内层为透明塑料薄膜，中间层为黑色薄膜，水沿着黑色薄膜流下，形成水流均匀的水幕。蓄热水池由聚酯硬质板焊接而成，水池四周外表面设置聚苯乙烯泡沫板保温层（厚度 10 cm），水箱体积 4 m3。水泵选用单相潜水电泵，功率 0.37 kW，循环水量 3 m3/h。水幕帘蓄放热系统以墙体结构为依托，白天利用水流循环吸收到达墙体表面的太阳辐射热量，同时将热量储存在带有保温层的水池中；夜晚当温室内气温降低到一定程度时，开启循环水泵，通过水幕帘将水池中的热量释放到温室中。系统示意图如图 1 所示。 水幕帘蓄放热系统控制模式：该系统为自动控制系统，早上卷起保温被时开启系统，开始集热并蓄热，系统一直运行，系统会在某一时刻由蓄热转为放热，当蓄热水池中水温低于温室内空气温度时，系统自动停止运行，次日 09:00 将自动开启运行（也可根据保温被卷起时间，人工手动开启）。 图 1 水幕帘系统示意图 Fig.1 Schematic diagram of water curtain system 1.3 试验方法与测量 将温室从东向西方向等距划分为 4 个区域，中间用双层塑料薄膜（ PE 膜）分隔，从东向西依次称为 1、 2、 3、4 区，选择 1 区安装水幕帘蓄放热系统，作为试验区， 3区作为试验对照区。试验区和对照区的空气及土壤温度测点布置：空气温度测点布置在区域的几何中心点，高度1 m，土壤测点分别布置在该区域距离温室南底角 2、 4 和6 m，距离东边区域边缘 5、 10 和 15 m 的位置 0、 10、 20、40 和 50 cm 深度处， 在试验区水幕帘蓄放热系统中布置水池内水温测点、 帘幕进水口水温测点、 回水温度 3 个测点。室内温度数据测试采用铜 -康铜 T 型热电偶， 传感器探头做防辐射处理，水中传感器探头做防锈处理。传感器接到数据采集仪（安捷伦， Agilent34970A； EKO， CADAC21）上进行数据采集、存储，数据采集时间间隔 10 min。室外气象数据采集使用 HOBO 气象站，数据采集时间间隔10 min。试验时间段内， 08:30 开启外保温被， 04:30 覆盖外保温被，通风口在 12:00 至 13:00 人工手动开启。 2 结果与分析 2.1 温室内气温变化 温室试验区与对照区的气温变化如图 2所示。 在 2011年 1 月 18 日到 21 日连续 3 d 的测试中， 试验区与对照区的白天气温无明显差异，夜间平均气温差分别为 5.4、 5.7和 5.5；当室外最低气温在 1 月 20 日 07:30 达到 -12的低温时，试验区的气温为 16.3，对照区的气温为10.0；水幕帘蓄放热系统对温室的增温效果明显。 图 2 试验区及对照区的气温变化 Fig.2 Air temperature changes in test and control area 农业工程学报 2012 年 190 2.2 温室内地温分布 在温室试验区内，土壤表面温度（图 3）随太阳辐射照度的变化明显，越深层的土壤温度波动越小，在 20 cm深度以下，土壤温度几乎没有波动，可称为恒温层。深度 40 cm 处，土壤温度可维持在 17.5以上，深度 50 cm处，土壤温度可维持在 16.7以上，较高的作物根际温度非常有利于作物的生长。 图 3 温室试验区不同深度土壤温度日变化 Fig.3 Diurnal change of soil temperature with different depths in test area 温室试验区南北方向土壤温度分布的测试结果如图 4 所示，在土壤深度 10 cm 处，因土壤的热容量较大，土壤温度在 20:30 左右达到最大值，温室南边土壤 10 cm 深度处温度波动值为 1.7，温室中部土壤10 cm 深度处温度波动值为 1.2，温室北边土壤10 cm 深度处温度波动值为 0.9，由此可见北边土壤温度的波动明显小于南边及中部。同时夜间因温室南边散热量较大，其最低温度要低于中部及北边。在土壤深度 40 cm 处，全天的土壤温度波动不大，中部及北边的测点温度没有显著差异，而南边的测点要比这两点低 0.7。由以上分析可以看出，日光温室南底角处的土壤散热量较大，因此在南侧土壤中做防寒处理非常必要。北侧土壤因有蓄热水池与外界隔离，减少了土壤热损失量，因此将系统的水池安置在温室北墙或山墙的附近，有利于温室保温。 比较温室试验区与对照区不同土壤深度的温度（图5）可知，试验区的土壤温度高于对照区，在 2 区 10、 20、40 cm 深度处夜间土壤平均温差分别为 1.8、 2.0 和 1.6。 a. 土壤深度 10 cm b. 土壤深度 40 cm 图 4 试验区土壤温度南北向分布 Fig.4 Distribution of soil temperature from south to north in test area 2.3 水幕帘蓄放热系统蓄放热量分析 试验中测试了水幕帘蓄放热系统中墙上回水的水温、水池的水温等参数，测试结果如图 6 所示，在 2011年 1 月 18 日到 21 日连续 4 d 的测试中， 水池温升分别为12.3、 13.1、 12.3 和 12.4，水幕帘蓄放热系统白天集热时间分别为 7、 7.5、 6 和 7.5 h。 通过公式（ 1）计算系统的蓄热量、放热量以及集热功率，结果见表 1。 wwwwQcVt （ 1） 式中： Qw为水池蓄热量， J； cw为水的比热容， J/kg·；w为水的密度， kg/m3； Vw为水池容积， m3； t 为水池温升，。 a. 土壤深度 10 cm 第 4 期 张 义等：日光温室水幕帘蓄放热系统增温效应试验研究 191 b. 土壤深度 20 cm c. 土壤深度 40 cm 图 5 试验区及对照区的土壤温度分布 Fig.5 Soil temperature in test and control area 图 6 水幕帘蓄放热系统中墙上回水的温度、水池水温试验区温度 Fig.6 Water temperature of backwater on wall and pool in water curtain system and air temperature in test area 表 1 水幕帘蓄放热系统蓄放热量 Table 1 Heat got and released from water curtain system 试验日期 水幕帘白天蓄热量 /MJ 水幕帘夜晚放热量 /MJ 单位面积水幕帘夜晚放热量 /MJ·m-2系统平均集热功率 /W·m-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 在夜间，系统通过水幕帘的放热量在 4.9 5.6 MJ/m2，而一般日光温室夜间北墙自然散热量为0.35 2.5 MJ/m219-20， 可见该系统的散热量远远大于普通日光温室北墙的散热量。 2.4 温室内番茄生长状况形态参数对比 在温室试验区及对照区， 于 2010年 12月 24日定植番茄，2011 年 2 月 18 日采集作物生长状况参数数据（表 2）。 2 区域内番茄的株高、叶片数、果数、花数有显著差别（ 0.01 P 0.05），采用水幕帘蓄放热系统的试验区作物生长状况明显优于对照区。试验区的番茄不仅可以安全过冬，而且已经在 2011 年 3 月 9 日开始采摘，首次采摘 10 kg，而对照区的番茄还未成熟，采用该系统至少可将番茄提前上市 20 d。 表 2 不同区域内番茄生长状况（ 2011-02-18） Table2 Morphological parameters of cherry tomato in test and control area 区域 株高 /cm 节间 /cm 叶片数 花穗数 果数 花数 试验区 114.9±6.93a 7.7± 2.5a 16.9±1.36a 4.1± 0.57a 17± 3.8a 12.9± 3.0a对照区 96.3± 7.11b 5.9± 2.1ab 14.9±1.13b 3.5±0.53ab 12.5±3.7b 11.4±2.3b 3 结论与讨论 应用水幕帘蓄放热系统提高日光温室夜间温度是可行的，通过本试验测试，可得出以下结论： 1）应用该系统可将温室内夜间温度提高 5.4以上，可将作物根际温度提高 1.6以上，当室外最低气温下降到 -12时，试验区的气温仍维持在 16.3以上，作物根际温度维持在 16.7以上； 2）在夜间，水幕帘蓄放热系统通过水幕帘的放热量在 4.9 5.6 MJ/m2，该系统的平均集热功率为 213.9266.0W/m2； 3）在日光温室中应用该系统后，由于蓄放热量的增加，温室内温度有保证，可实现喜温果菜（如番茄）的安全过冬生产，同时可将番茄的上市时间至少提前 20 d。 水幕帘蓄放热系统对提高日光温室夜间温度的作用明显，该系统大大增加了日光温室的蓄热量，为日光温室北墙结构的改进提供了一种新的思路，即北墙仅具有较好保温性能即可，蓄放热功能由水幕帘蓄放热系统完成。由于该系统的应用刚刚开始，还处在试验的初级阶段，系统还存在装配简陋、集热效率不高等问题。通过优化系统参数、改进装配及施工工艺，进一步改善该水幕帘蓄放热系统的性能，预计将在中国日光温室生产中有广阔的应用前景。 参 考 文 献 1 陈端生 . 中国节能型日光温室建筑与环境研究进展 J. 农业工程学报， 1994， 10(1)： 123 129. 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In the day, when water circuited and passed water curtain, the solar radiation was absorbed in the system and stored the heat in a water tank simultaneously. 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</p>
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