日光温室主动蓄放热系统优化.pdf

第36 卷 第17 期 农 业 工 程 学 报 Vol 36 No 17 234 2020 年 9 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep 2020 日光温室主动蓄放热系统优化 骆乾亮 1 程瑞锋 1 张 义 1 方 慧 1 李 冬 2 张晋芳 3 宋国祥 3 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 北川羌族自治县农业农村局 绵阳 622750 3 山东寿光蔬菜种业集团有限公司 潍坊 262700 摘 要 为了提高日光温室主动蓄放热系统运行的稳定性和可靠性 该研究在第六代主动蓄放热系统的基础上 对主动 蓄放热系统的循环管路 供水方式和集放热板进行优化改进 并对系统的加温效果和性能进行探究 研究结果表明 在 3 种不同的太阳辐射强度天气条件下 试验区的平均气温比对照区分别高2 7 2 2和1 9 单位面积集热量分别为4 6 3 7和2 6 MJ m 2 单位面积放热量分别为4 1 3 4和3 1 MJ m 2 平均集热功率分别为183 1 146 5 和105 0 W m 2 平均 放热功率分别为163 2 134 0 和121 1 W m 2 平均集热效率分别为56 5 68 2 和73 8 平均性能系数分别为3 8 3 1和2 8 与电加热相比 平均节能率分别为73 5 67 1 和63 0 在主动蓄放热系统加温期间 在不同太阳辐射强 度天气条件下 试验区南北温差较大 植株群体内部南北最大平均气温分别相差2 8 2 6 和2 4 研究结果可为主动 蓄放热系统的推广应用提供理论基础和数据支撑 关键词 温室 温度 环境调控 主动蓄放热系统 节能 控制策略 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 17 028 中图分类号 S214 3 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2020 17 0234 08 骆乾亮 程瑞锋 张义 等 日光温室主动蓄放热系统优化 J 农业工程学报 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 日光温室是中国目前应用最广泛的园艺设施 1 随着 现代化农业种植技术的不断提高 日光温室蔬菜栽培逐 渐在中国发展起来 成为现代化农业生产的重要组成部 分 2 温度是日光温室室内环境中非常重要的影响因子 其高低状况往往成为决定温室生产成败的决定因素 因 此 日光温室内温度的变化规律及其调节技术一直受到 研究学者的重视 尤其是对冬季夜间温室增温的调节 充分利用太阳能热转换进行日光温室加温一直是研 究的热点 相变材料在日光温室的研究方面 国内外学 者主要对相变材料的筛选制备 封装和与温室的结合方 面进行了大量的研究 3 11 王宏丽等 12 对相变蓄热砌块墙 体在日光温室的加温效果进行研究 结果表明 日光温 室内的气温提升 1 7 2 4 管勇等 13 提出的日光温室 三重结构相变蓄热墙体的构建方法能明显的提升墙体的 有效蓄热量和供热量 虽然利用相变材料蓄热能有效的 提高日光温室内的空气温度 但是由于其蓄热方式是被 动的 不利于热量的有效控制 张勇等 14 设计了一种可 用于日光温室的空气循环式主动蓄热后墙 并对主动蓄 收稿日期 2020 05 04 修订日期 2020 06 01 基金项目 国家自然科学基金项目 31901421 作者简介 骆乾亮 主要从事温室太阳能热利用研究 Email 1694875741 通信作者 张义 博士 副研究员 主要从事设施园艺环境工程等方面研 究 Email zhangyi03 热后墙日光温室的室内温度和通风蓄热风道蓄热特性进 行理论分析和试验 15 王双喜等 16 和王顺生等 17 以土壤 为蓄热体 利用太阳能热水器作为吸热体 方慧等 18 利 用换热管道收集太阳能 将热量储存在浅层土壤中 夜 晚再通过浅层土壤的自然释放 加温温室 结果表明 与对照区相比 平均气温提高4 上述研究为日光温室内太阳能的利用提供了基本的 方法和思路 但无论是以相变材料还是以土壤作为蓄热 体 其蓄热能力都受到了较大的限制 张义等 19 设计了 一种水幕帘蓄放热系统 以水作为蓄热介质 白天利用 水的循环吸收太阳能 将热量储存在水池里 夜晚再通 过水的循环将热量释放出来 由于水的比热容较大 大 大提高了其蓄热能力 并且实现了蓄热和放热的自动控 制 可以在最合适的时间段进行热量的收集和释放 大 大提高了日光温室内热量的有效控制 梁浩等 20 在水幕 帘蓄放热系统的基础上 将吸热层由水幕帘更改为双黑 膜结构 李文等 21 对其集放热装置和循环系统进行改进 方慧等 22 将吸热层由双黑膜结构更改为金属膜 孙维拓 等 23 和Zhou 等 24 将主动蓄放热系统 Active Heat Storage and release System AHS 与热泵结合应用于温室中 周 升等 25 对安装有主动蓄放热系统的日光温室进行温湿环 境监测及节能保温性能评价 Fang 等 26 对影响主动蓄放 热系统集热和放热的环境因素进行探究 Lu 等 27 对主动 蓄放热的热环境进行建模 马前磊等 28 对主动蓄放热系 统对作物冠层的影响进行探究 主动蓄放热系统经过多第17 期 骆乾亮等 日光温室主动蓄放热系统优化 235 年的发展 技术方法已经较为成熟 装备日益完善 柯 行林等 29 30 在第四代主动蓄放热系统的基础上 研发了 第六代主动蓄放热系统 将集放热板的主体材料由吹塑 成型的PE 空腔板 更改为铝合金材质的集放热板 水流 进入集放热板的方式由上进下回式更改为下进上回式 增加了集热效率并解决了集放热板漏水等问题 但是其 系统的稳定性仍较差 水流不均匀 运行一段时间后 常常出现接近一半的集放热板没有水流的情况 本研究在上述基础上进一步优化主动蓄放热系统 水循环系统由开式系统更改为闭式系统 供水方式由之 前的异程供水替换为同程供水 将每一块集放热板的铝 合金翅片由6 块增加到7 块 并开展温室现场试验研究 对主动蓄放热系统的加温效果 系统性能 控制系统的 控制策略和典型天气下加温过程中室内气温的分布进行 探究 以期为主动蓄放热系统的推广应用提供理论基础 和数据支撑 1 材料与方法 1 1 主动蓄放热系统优化 在第六代主动蓄放热系统的基础上 本试验的主动 蓄放热系统主要作了如下改进 1 将水循环系统由开式 循环系统更改为闭式循环系统 闭式循环系统由供回水 管 集放热板和潜水泵组成 水流由位于蓄热水桶底部 的潜水泵抽出 由下而上流经集放热板 经回水管流回 蓄热水桶 整个系统不与外界直接接触 水流的运行都 在系统内部进行 这样做的优势在于 水质无污染 外 界的杂质不会进到系统内造成污染 堵塞等情况 节 能 当系统停止工作时 系统内部的水流仍然会停留在 系统内 再次开启系统时 系统马上就能开始集热或者 放热 而对于开式循环系统 当系统停止后 水流就会 全部流入到蓄热水桶内 再次启动系统时 需要水流灌 满系统才能开始正常集热或者放热 耗电量较大 相对 于开式循环系统 闭式循环系统更节能 2 供水方式由 异程供水改为同程供水 同程供水即对于任意一块铝合 金集放热板 其回水管和供水管的总长度相等 这样能 保证每一块集放热板进口处的水压都是相等的 从而使 流经每一块集放热板的水流更加均匀 发挥每一块集放 热板的功能 解决了之前部分集放热板没有水流的情况 3 每一块集放热板由6 块铝合金翅片更改为由7 块铝合 金翅片组成 因为采用闭式系统后 系统承压能力降低 潜水泵的功率由1 1 kW 更改为750 W 优化后的主动蓄放热系统的结构如图1 所示 主要 由集放热板 蓄热水桶 潜水泵和供回水管路等组成 集放热板为铝合金材质 表面亚光黑色喷塑 宽1 m 高 1 8 m 一套系统共有26 块集放热板 每块集放热板又由 7 小块铝合金翅片拼接而成 每块铝合金翅片厚度 1 4 mm 宽124 mm 高1 8 m 在宽度方向上 距离边 缘30 mm 和94 mm 处分别有一个直径5 25 mm 高1 8 m 的管道 用于流通水流 蓄热水桶的有效体积4 3 m 3 位 于温室的中部 埋于地下 底部由厚度40 mm 的保温板 铺垫 四周使用挤塑板保温层包裹 最外侧用普通黏土砖 进行砌筑 潜水泵的功率750 W 额定流量10 m 3 h 供水 管和回水管的主管道采用的是直径50 mm 的PVC管件 1 排气阀 2 支架 3 集放热板 4 蓄热水桶 5 潜水泵 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 图1 日光温室主动蓄放热系统示意图 Fig 1 Schematic diagram of active heat storage and release system of solar greenhouse 1 2 试验设计 1 2 1 试验温室 试验于2019年11 月24日至2020年2 月29日在北 京市顺义区大孙各庄镇中国农业科学院农业环境与可持 续发展研究所试验基地 40 13 N 116 65 E 内进行 日光温室为东西走向 长60 m 跨度10 m 后墙高2 9 m 温室主钢架由材质为Q235 的扁圆管钢架组成 后墙及山 墙为复合结构 即内外为 8 mm厚的水泥板 中间为 15 6 cm 厚和20 kg m 3 密度的EPS 挤塑板 在温室中间有 一面厚度8 mm 的玻璃墙 将温室分为2 个独立的空间 东边作为对照区 里面没有加温设备 西边作为试验区 运行主动蓄放热系统进行加温试验 试验区和对照区内 种植的作物为西红柿 品种为荷兰瑞克斯旺公司的 72 193A 定植日期为2019年9 月10 日 试验期间利用 吊蔓使植株的平均高度维持在3 m 左右 1 2 2 主动蓄放热系统运行模式 主动蓄放热系统的运行为时间控制的自动运行模 式 集热阶段 开启时间为9 00 关闭时间为16 00 放 热阶段 开启时间为0 00 关闭时间为7 00 如遇连续 阴天 雨天或雪天 则改为手动控制模式 1 2 3 测试仪器与测点布置 对室外 试验区 对照区的空气温度和试验区的太 阳辐射以及试验水温进行测试 温度的测量采用铜 康 铜T 型热电偶 测量精度 0 2 测量空气温度时加装 自然通风防辐射罩 测量水温时 水温传感器探头做防 锈处理 热电偶线做防倒吸处理 使用杭州逸控科技有 限公司生产的型号为R7100 的数据采集器自动记录温度 值 每2 min 采集一次数据 试验数据分析时计算步长为农业工程学报 http www tcsae org 2020 年 236 10 min 因此只采用10 min 的数值 太阳辐射强度的测 试采用美国坎贝尔公司的CMP3 型太阳辐射传感器 使 用CR1000 数据采集仪每10 min 采集一次数据 水泵的 耗电量使用上海人民上联电气股份有限公司生产的 DTS1762 型电能表进行测量 测点布置 在试验区的中间位置 自南向北距离地 面1 5 m 处布置3 个空气温度测量点 用于测量试验区的 空气温度 这3 个点距离北墙的距离分别为2 42 4 84 和7 26 m 对照区空气温度的测量点和试验区完全一致 同时在试验区的中间位置另外设置7 个点 用于测量同 一剖面不同位置的空气温度 其中1 2 3 4 为植株群 体内部的温度 5 6 7 为植株冠层的温度测点 8 9 为植株冠层上方的温度测点 10 为温室内较高处作物群 体外部的温度测点 图2 在室外空旷位置离地1 5 m 高度处布置一个室外温度测量点 注 1 2 3 4表示植株群体内部的温度测点 5 6 7 表示植株冠层的温 度测点 8 9 表示植株冠层上方的温度测点 10 表示温室内较高处作物群 体外部的温度测点 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 图2 日光温室空气温度测点布置示意图 Fig 2 Schematic diagram of air temperature measurement points in solar greenhouse 水温的测量 沿圆柱形蓄热水桶轴心 距离水桶底 部15 92 5 和170 cm 依次布置3 个测点 用于水温测试 在集热系统的进水口和出水口各设置2 个温度传感器 用于测量供水和回水的温度 太阳辐射强度的测量 在试验区内由东向西 分别 布置3 个太阳辐射强度测试点 图3 测点高度不同 可以在一定程度上减弱作物或者温室骨架对太阳辐射传 感器的遮挡 从而减小测量误差 图3 太阳辐射传感器测试位置示意图 Fig 3 Test position diagram of solar radiation sensors 1 3 性能优化分析方法 主动蓄放热系统的集热量 Q c J 和放热量 Q r J 由式 1 和式 2 计算得出 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 为水的比热容 取值4 2 10 3 J kg w 为水 的密度 取值1 0 10 3 kg m 3 V w 为蓄热水桶的体积 取 值4 3 m 3 T c f 为集热结束时蓄热水桶内的水温 T c s 为集热开始时蓄热水桶内的水温 T r f 为放热结束时 蓄热水桶内的水温 T r s 为放热开始时蓄热水桶内的 水温 主动蓄放热系统的单位面积集放热量由式 3 计算 得出 Q q A 3 式中 q 为单位面积集热量或者放热量 J m 2 Q 为集热量 或放热量 J A 为集放热板的总面积 取值40 6 m 2 从早上9 00 开始运行 到下午16 00 关闭系统 这是一个集热过程 其集热效率由式 4 计算得出 end start 100 c c c c c t s c t Q Q E A I 4 式中 c 为系统的集热效率 E s 为白天集热阶段 照 射到集热板上太阳辐射的总量 J t c start t c end 分别为系 统集热起 止时刻 I c 为时间 内照射到集热板上的平 均太阳辐射强度 W m 2 为测试期间数据记录的时间间 隔 取值10 min 试验期间 一天的定义为该日9 00 至次日9 00 性能系数 Coefficient of Performance COP 的定义为一 天内集热板的放热量与系统一天的耗电量的比值 由式 5 计算得出 19 wp COP r Q E 5 式中 E wp 为系统运行一个周期循环水泵的耗电电能 J 由电表测试获取 主动蓄放热系统单位面积的集热功率和放热功率如 式 6 所示 22 Q P tA 6 式中 P 为系统的单位面积集热功率或者放热功率 W m 2 t 为集热或放热的总时间 s 将系统的一天的放热量转化为电加热产生的热量 那主动蓄放热系统的节能率由式 7 计算得出 wp 100 c c Q E R Q 7 式中 R 为系统的节能率 2 结果与分析 系统从2020 年11 月1 日开始试运行 2 月29 日关 闭 选取2019 年11 月24日至2020 年2 月18 日稳定运第17 期 骆乾亮等 日光温室主动蓄放热系统优化 237 行的87 d 试验数据进行分析 以集热阶段太阳辐射强度 的平均值作为分类条件 分为A B C 三类天气 分别 定义为集热阶段到达北墙的平均太阳辐射为 260 180 260 100 180 W m 2 87 d 中A 类天气共33 d B 类天 气共24 d C类天气共11 d 试验期间 3 种天气的室外 平均气温分别为 2 9 0 3 0 2 室外平均太阳辐射 强度为600 6 580 5 539 8 W m 2 主动蓄放热系统集热 的时间是9 00 16 00 放热时间为0 00 7 00 因此将 当日9 00 至次日9 00 作为一个加热周期进行分析 如1 月14 日指1 月14 日9 00至1 月15 日9 00 用电能表测 得主动蓄放热系统每天平均的电消耗为43 9 MJ 2 1 主动蓄放热系统运行的总体性能分析 2 1 1 加温效果 图4 为在A 类 B 类 C 类 3 种天气条件下主动蓄 放热系统对试验区的总体加温效果 注 A B 和C 类天气条件分别表示集热阶段到达北墙的平均太阳辐射为 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 图4 主动蓄放热系统的加温效果 Fig 4 Heating effect of active heat storage and release system 在 A 类天气条件下 试验区的平均气温能达到 10 3 与对照区相比 平均气温提升2 7 在B 类 和C类天气条件下 试验区的平均气温为10 4 和9 9 因为到达北墙的太阳辐射强度比A 类天气下的太阳辐射 强度低 与A类天气的加温效果相比 其加温效果稍差 平均气温提升2 2 和1 9 由此可知 主动蓄放热系统 对试验区的的加温效果显著 2 1 2 系统性能分析 主动蓄放热系统在A B C三类天气条件下的单位 面积集热量和单位面积集热功率都具有极显著性差异 P 0 01 太阳辐射强度越大 越利于主动蓄放热系统 的集热 所以在A B C 3 类天气条件下 单位面积集 热量和单位面积集热功率依次递减 单面面积集热量分 别为 4 6 3 7 和 2 6 MJ m 2 单位面积集热功率分别为 183 1 146 5 和105 0 W m 2 表1 对于平均集热效率 而言 A 类与B 类天气之间差异显著 P 0 05 与C 类天气之间为极显著性差异 B 类 C类天气之间差异不 显著 在A 类天气下集热效率为56 5 而B 类 C 类 天气下 则分别达到68 2 和73 8 主要原因在于集放 热板不仅吸收太阳辐射 还会吸收空气中的热量 在 C 类天气下 集放热板吸收空气的热量占所吸收热量总值 的比例最大 B 类天气次之 A类天气最少 而集热效率 计算式 4 只考虑了太阳辐射的影响 对于单位面积放 热量 单位面积放热功率和平均 C O P A类天气与B 类 C 类天气之间具有极显著性差异 B 类与C 类天气条件 下差异不显著 当白天集热量越大时 蓄热水桶内水温 也就越高 越利于夜晚主动蓄放热系统的放热 所以对 于单位面积放热量 放热功率 平均COP 和平均节能率 都出现A B C 3 类天气依次递减的情况 其单位面积 放热量分别为 4 1 3 4 和 3 0 MJ m 2 放热功率分别为 163 2 134 0 和121 1 W m 2 COP 分别为3 8 3 1 和2 8 节能率分别为73 5 67 1 和63 0 通过与第六代主 动蓄放热系统相比 当集热量相近时 因为采用的水泵 功率较小 日均耗电量降低20 平均节能率增加6 7 平均COP 增加0 8 由于水流量减少 所以平均集热效 率降低了10 3 表1 不同天气条件下主动蓄放热系统的性能参数 Table 1 Performance parameters of the active heat storage and release system under different weather conditions 天气条件 Weather conditions 到达北墙的平均 太阳辐射 Average solar radiation reaching the north wall W m 2 单位面积集热量 Average heat collection per unit area MJ m 2 单位面积放热量 Average heat release per unit area MJ m 2 单位面积集热功率 Average heat collecting power W m 2 单位面积 放热功率 Average heat releasing power W m 2 平均集热效率 Average heat collecting efficiency 平均性能系数 Average Coefficient of Performance COP 平均节能率 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 同列不同小写字母表示差异显著 P 0 05 Note Different lowercase letters in the sane column indicate significant differences P 0 05 2 2 典型天气条件下主动蓄放热系统的加温特征分析 2 2 1 主动蓄放热系统试验区与对照区气温的变化 选取3个典型天气条件下 A类 2020年1月14日 B 类 2020 年1 月25 日 和C 类天气 2020 年1 月24 日 的试验区和对照区的数据进行分析 结果如图 5 所示 由图5 可知在主动蓄放热系统集热过程中 A B C 3 种天气条件下试验区的气温都始终低于对照区 的气温 主要原因是1 主动蓄放热系统的集放热板吸 收试验区的太阳辐射量转化为水温的温升 削减了试验 区内的太阳辐射量 从而使室内空气吸收的太阳辐射量 减少 2 主动蓄放热系统的集放热板与试验区的空气进 行对流传热 因为集放热板表面的温度低于室内的空气农业工程学报 http www tcsae org 2020 年 238 温度 所以集放热板吸收空气中的热量 降低了试验区 内空气的温度 由此可知 白天运行主动蓄放热系统对 日光温室可以起到一定的降温效果 当主动蓄放热系统 停止后 对照区和试验区的气温继续下降 在A B C 三种天气条件下试验区的气温都比对照区的气温下降 得缓慢 其主要原因在于 虽然蓄热水桶的保温性能较 好 但是水温与周围的土壤和室内空气存在较大的温 差 仍然会向周围土壤和空气传递热量 对试验区的空 气温度造成一定的影响 经过计算 在16 00 0 00 期 间 在A B C 在三类天气条件下蓄热水桶的散热量 分别为19 9 16 9 和14 4 MJ 在0 00 系统启动 主动 蓄放热系统开始对试验区进行加温 试验区的气温开始 上升 在A 类天气下 因为其初始水温最高 所以加 温效果最好 相对于对照区 平均气温提升2 7 B 类 C 类天气下则为2 1 和2 而3 种天气下对照区 的气温在整个夜晚都在下降 图5 不同天气条件下对照区和试验区室内气温的变化 Fig 5 Variation of indoor temperature in control area and test area under different weather conditions 2 2 2 主动蓄放热系统放热阶段试验区气温分布 图6 为A B C 三类天气条件下主动蓄放热系统 加温过程中试验区气温分布的情况 在主动蓄放热系统 夜间加温过程中 南北温差较大 同一高度上离北墙越 近 气温越高 越往南气温越低 造成这种情况的原因 为1 北墙安装有主动蓄放热系统 离主动蓄放热系统越 近 获得的热量越多 气温越高 2 越靠近南面 越接 近屋顶的覆盖薄膜 覆盖薄膜夜间的温度较低 周围空 气损失的热量较大 所以越往南气温越低 在A B C 三类天气条件下 在植株群体内部 离地1 5 m 北面比 南面的平均气温分别高2 8 2 6 和2 4 在植株冠层 顶部 离地3 m 的平均气温则分别相差0 9 0 9和0 8 在植株冠层上方 离地3 25 m 的平均气温相差不明显 即距地面越高 南北温差越小 主要原因在于1 作物对 热量传递的阻挡 阻碍集放热板与空气之间的辐射传热 和空气之间的对流传热 距地面越高 植物的遮挡越少 所以温差越小 2 温室跨度的影响 越往上 温室跨度 越小 热量传递的路程越小 所以温差越小 对于屋面周围的空气温度 靠近北侧的空气温度要 明显高于靠近南侧的空气温度 主要原因在于 在靠近 北墙的位置有过道 过道内由于没有作物的存在 所以 缺少作物对热量传递的遮挡 此处热空气的上升速率最 快 热空气在屋顶聚集 导致靠近北侧屋面周围的空气 温度较高 在A B C三类天气条件下分别达到11 3 10 2 和9 6 而南面的屋面则因为受热空气上升的影 响很小 所以其温度仅为9 9 9 2 和8 8 图6 不同天气条件下主动蓄放热系统夜间加温期间试验区气温分布云图 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 主动蓄放热系统供回水温度变化 图7 为2020 年1 月14 日主动蓄放热系统集热阶段 供回水温度的变化图 试验期间保温被的开启时间是 8 30 当保温被开启时 停留在集放热板内的水吸收太阳 辐射 温度上升 因为是密闭系统 水流会带动主动蓄 放热系统以缓慢速度开始集热 所以在 9 00 系统刚开 启时 回水水温就大于进水水温 随着太阳辐射强度和 室内空气温度的增加 供回水的温差逐渐扩大 在12 40 达到最大值 为4 2 此时太阳辐射强度为452 6 W m 2 空气温度为34 9 回水水温为28 0 此时由于室第17 期 骆乾亮等 日光温室主动蓄放热系统优化 239 内空气温度较高 所以开启通风口对试验区进行降温 可以明显看出试验区的空气温度在下降 虽然此时的太 阳辐射强度在增加 但是由于室内空气的温度大幅度下 降 与供水水温的差值减少 导致集放热板与空气的对 流换热量减少 减少的幅度大于集热放热板吸收增加的 太阳辐射的幅度 所以供水水温和回水水温的温差在减 少 此后随着蓄热水桶内水温的增加 供水温度在增加 与室内空气温度的差值进一步减少 瞬时集热量在持续 下降 随着太阳辐射强度和室内空气的持续下降 供回 水温差一直在降低 在15 30 时 供水水温和回水水温相 等 表示集放热板与太阳辐射和室内空气的换热达到平 衡状态 此后 集放热板向室内散发的热量大于吸收的太 阳辐射的和室内空气的热量之和 集放热板向温室散发热 量 一直到16 00系统关闭 供水水温都大于回水水温 由分析可以知 系统是否集热 取决于集放热板与 太阳的辐射换热和与室内空气的对流换热 通过供回水 的温差表现出来 当供回水温差大于 0 时 表示系统在 集热 当供回水温差小于 0 时 表示系统在放热 所以 可以考虑将供回水的温差作为系统停止的条件 当供回 水温差小于 0 时 关闭系统 一方面减少潜水泵的电能 消耗 另一方面减少系统的热损失 图7 主动蓄放热系统集热阶段供回水温度变化曲线 Fig 7 Supply and return water temperature curves of active heat storage and release system during heat collecting period 3 结 论 本研究中 白天利用主动蓄放热系统吸收日光温室 内的太阳能 用于夜间加温 对其加温效果 系统性能 和加温过程中试验区气温的分布进行探究 并提出对主 动蓄放热系统的改进意见 得出以下结论 1 主动蓄放热系统的性能优越 夜间运行主动蓄放 热系统能明显的提升试验区的空气温度 在3 种不同的 天气条件下 其单位面积集热量分别为 4 6 3 7 和 2 6 MJ m 2 单位面积放热量分别为4 1 3 4 和3 1 MJ m 2 平均集热功率为183 1 146 5 和105 W m 2 平均放热功 率为163 2 134 0 和121 1 W m 2 性能系数 Coefficient Of Performance COP 为3 8 3 1 和2 8 与对照区相比 可将日光温室的夜间平均气温提升2 7 2 2 和1 9 2 主动蓄放热系统的节能效果明显 在不同的天气 条件下 与电加热相比 节能率分别达到73 5 67 1 和63 0 本研究所采用的主动蓄放热系统比第六代主动 蓄放热系统更节能 当集热量相近时 与第六代主动蓄 放热系统相比 日均耗电量降低 20 平均节能率增加 6 7 平均能效比增加 0 8 但是平均集热效率降低了 10 3 3 在夜间加温期间 主动蓄放热系统对试验区气温 分布的影响显著 因集放热板位于北墙 日光温室内南 北温差较大 不同天气条件下在植株群体内部南北最大 平均气温分别相差2 8 2 6 和2 4 因为受热空气上 升的影响 北侧屋面周围空气温度大于南侧屋面周围的 空气温度 通过试验研究 对主动蓄放热的改进提出以下建议 1 增加水流量可以提高系统集热量 因此可以考虑 加大铝合金翅片管道的直径 并与水泵流量匹配 提高 主动蓄放热系统的集热效率 2 将集热和放热装置分开 集热用铝合金集热板集 热 放热则另外使用加温管道进行放热 降低南北温差 使夜间温度分布更加均匀 3 主动蓄放热系统无论是采用温度控制还是时间控 制 都存在白天系统开启时放热的现象 建议可采用以 下2 种控制方法 时间 温度的组合控制 分时段内根据 气温 水温协同控制 使用供回水温差作为系统集热阶 段系统关闭的条件 即供水水温大于回水水温时 系统 关闭 参 考 文 献 1 佟国红 日光温室墙体蓄放热层温度变化规律研究 J 农 业工程学报 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 王伟 王健君 肖雨 高效节能日光温室蔬菜栽培技术 J 现代园艺 2018 10 38 Wang Wei Wang Jianjun Xiao Yu Technology of vegetable cultivation in solar greenhouse with high efficiency and energy saving J Xiandai 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