节能日光温室蓄热技术研究进展

第 34 卷    第 6 期                         农  业  工  程  学  报                               Vol.34  No.6 2018 年     3月           Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering          Mar. 2018     1 节能日光温室蓄热技术研究进展鲍恩财，曹晏飞，邹志荣，申婷婷，张   勇  （西北农林科技大学园艺学院，农业部西北设施园艺工程重点实验室，杨凌  712100）  摘   要： 节能日光温室起源于中国辽南地区，具有完全的自主知识产权，在中国设施园艺的发展过程中起到了重要的作用。节能日光温室的高效蓄热性能是其与普通日光温室的最主要的区别，节能日光温室的蓄热是通过结构、材料、设备的单一或协同应用来最大化利用太阳能为室内提供热能，有被动蓄热和主动蓄热 2 种形式。目前的形式主要包括主动采光蓄热、空气循环蓄热、水循环蓄热、相变材料蓄热、卵石蓄热、热泵蓄热、联合方式蓄热。该文综述了节能日光温室蓄热技术的相关研究成果，分析了主要技术问题及研究重点，从传统日光温室节能化改造、节能日光温室新结构发展、蓄热技术研究方法集成及市场化推广应用 4 个方面进行未来发展方向和研究内容的展望，为国内开展节能日光温室蓄热技术研究提供参考。  关键词： 太阳能；传热；相变材料；蓄热；节能日光温室；研究现状；发展方向  doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.06.001 中图分类号： S625.1； S26+1           文献标志码： A           文章编号： 1002-6819(2018)-06-0001-14 鲍恩财，曹晏飞，邹志荣，申婷婷，张   勇 . 节能日光温室蓄热技术研究进展J. 农业工程学报，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  言日光温室在中国设施园艺的发展过程中起到了重要的作用。从上世纪初即开始初期发展，实现了冬春季节北方栽培的突破， 80 年代进入大规模发展阶段， 2015 年日光温室总面积为 97.42 万 hm2，全国占比从 2010 年的20 %提高到 25.2%，目前技术日臻完善，其意义及优越性进一步显现1-4。中国 2/3 的日光温室集中在北方寒区，成为北方乃至全国“菜篮子工程”供应的重要手段、农民增收的重要途径和农业产业结构调整、农业现代化和新农村建设的重要内容，其节能减排效果显著，为提高城乡居民的生活水平、稳定社会做出了历史性贡献5-6。其优越性也受到国外的高度关注， 2017 年 4 月 12 日，荷兰的第 1 座中国节能型日光温室正式开放，该日光温室位于瓦格宁根大学研究基地，结合应用了荷兰先进的生产管理技术7。  日光温室的研究内容主要集中于保温蓄热机理与实现方式1，其中，节能日光温室的蓄热技术一直是国内外学者研究日光温室最重要、最集中的内容之一。本文分析了日光温室的研究现状，综述了国内外关于节能日光温室蓄热技术的相关研究，进行总结并展望其未来发展收稿日期： 2017-12-14    修订日期： 2018-01-12 基金项目：宁夏回族自治区重点研发计划重大项目（ 2016BZ0901） ；陕西省科技统筹创新工程项目（ 2016KTCL02-02） 作者简介：鲍恩财，男，安徽合肥人，博士生，主要从事设施园艺工程方面的研究。 Email： baoencai1990163.com 通信作者：邹志荣，男，陕西延安人，教授，博士，博士生导师，主要从事设施园艺方面的研究。 Email： zouzhirong2005163.com 方向，以期为国内开展节能日光温室蓄热技术研究提供参考。  1  节能日光温室研究现状 节能日光温室起源于中国辽南地区，具有完全的自主知识产权，但作为一种温室形式，日光温室并不属中国独有。 从 2 000 多年前开始的世界范围内的温室形式演变史来看，早期依墙而建的单屋面温室就是目前日光温室的雏形1,8，国外学者对该类温室的光热环境、覆盖材料开展了部分研究9-11。随着欧美日等发达国家的经济发展，这种土地使用率较低的温室类型逐渐被淘汰，并转向全光型温室1。 近年来， 中国节能日光温室的发展迅速，其优良的保温蓄热性能得到国外学者的高度关注和研究，印度学者 Sethi 等12总结温室蓄热性能时，从节能角度考虑，借鉴了日光温室的蓄热原理，在温室北面砌墙并采用厚重材料作为蓄热体从而减少热量损失； Nayak等13进行光伏 /光热与温室结合的试验时，采用的温室即为带后墙的类似中国日光温室的结构形式。土耳其学者Ucar 等14分析了建筑物外墙采用 4 种不同绝热材料的效果，并认为可以作为温室外墙使用。伊朗学者 Mobtaker等15从能源需求的角度对当地 6 种温室类型进行了比较，分析计算了维持植物理想温度所需的总能量并建立了数学模型，结果表明，东西走向、北侧为砖墙的温室中所需的额外能量最低，可节能 31.7%。加拿大学者为降低冬季温室加温的能源消耗，早在 2005 年就引入了中国日光温室建造于 Manitoba 地区（ 50 N， 97 W） ，并测试该温室在冬季的保温情况，结果表明在当地最冷的 2 月份，c综合研究 c农业工程学报（ http:/www.tcsae.org）                                 2018 年    2室外平均气温为 13.1 ，室内夜间平均气温为 2.4 ，后墙的日均蓄、放热量分别为 166、 159 MJ，为维持室内不低于 10 的气温， 日均加温时长为 19 h16； Mahmood等17在日光温室内采用地下卵石床蓄热，并将猪舍的废气通过净化后通往室内供应 CO2，以促进植物生长；Ahamed 等18建立了日光温室的热环境数学模型。 日本学者畔柳武司19提出了日光温室热环境模型的研究。韩国学者 Kwon 等20针对沿海地区风载较大的问题，设计了类似日光温室结构形式的塑料大棚。中国学者总结了日光温室的发展由来、建筑结构形式、光热环境与气候适应性、历史性贡献、存在问题及产业前景，认为日光温室作为具有典型中国特色、规模巨大的设施类型，一直是中国温室园艺装备升级的重点6,21-22，并对日光温室的覆盖材料23-25、建筑结构及材料8,26-28、设施与装备29-32、保温蓄热性能33-36、 环境监测及控制系统37-40等进行了详细的研究。  2  蓄热技术研究现状 节能日光温室的蓄放热示意图如图 1 所示，可实现白天蓄热、夜间放热功能的结构有土壤、墙体和骨架，但普通骨架结构自身的储热量很小，一般忽略不计。节能日光温室的蓄热是通过结构、材料、设备的单一或协同应用来最大化利用太阳能为室内提供热能。蓄热有被动蓄热和主动蓄热 2 种形式，主动蓄热是以太阳能为能量来源，以机械动力设备为手段，利用室内土壤、墙体、骨架结构以及相变材料为热量吸收介质的一种热量蓄积方式；反之则为被动蓄热。主动蓄热与被动蓄热的能量均来源于太阳，利用途径有 2 种，一是最大化利用室内截获的太阳能或室内富余热量，一是利用室外的太阳能。  图 1  日光温室蓄放热示意图  Fig.1  Schematic diagram of heat storage-release  in solar greenhouse 2.1  主动采光蓄热  日光温室的前屋面以平面为最佳，采光量最大，而且光照分布最均匀41。为了使日光温室室内获得更多的能量，张真和42通过综合分析农业气象学和光学的研究成果，确定了冬至日正午时太阳光线投射角度为 50时的采光屋面角度是合理的采光屋面角度。陈端生等43利用数学方法模拟温室的采光屋面，得出了温室的采光屋面最佳的坡度并不是一个定值，而应该随太阳高度角的变化进行调整。  基于上述研究，张勇等44-46设计了一种可变采光倾角日光温室实现主动采光蓄热（如图 2 所示） ，并对其温光性能进行了研究，与固定采光倾角日光温室相比，典型晴、阴天时可变采光倾角日光温室内的平均光照度分别提高 29.00%、 22.27%，平均温度分别提高 4.3、 2.9 ；与传统 8、 9 m 跨的弧形采光屋面日光温室分别进行对比分析，在晴天和多云采光天气条件下，倾转屋面日光温室室内的整体采光率分别较传统 8、 9 m 跨固定采光面日光温室提高 41.75%、 25.05%，对应的室内辐照度平均增加 69.54、 38.99 W/m2，故表现为室内气温整体水平提高。张勇等47还从经典光学理论出发，结合理论计算和试验测试的方法，详细分析了温室采光面在小幅调整条件下自然光的透过率以及温室采光面角度调整与室内光照强度透过率的增加之间的定量关系。  1. 活动屋面   2. 固定屋面   3. 轴流风机   4. 后墙蓄热风道  1. Activity roof  2. Fixed roof  3. Axial flow fan  4. Thermal storage tunnel located in back-wall 图 2  主动采光蓄热日光温室结构46Fig.2  Structure of active lighting and heating  storage type solar greenhouse 上述研究表明通过主动地改变日光温室前屋面倾角的形式可以提高采光面透光率，进而提高室内光辐射照度，解决了能量“多进”的问题。但室内墙体和土壤等蓄热体仍然为被动蓄热，被动蓄热的墙体和土壤的蓄热深度有限，未得到利用的室内富余热量仍会随着冷风渗透、地中传热、通风等途径被释放至室外，未实现能量在室内“多存”。因此，主动采光蓄热需要和其他室内主动蓄热设备或材料联合使用才能更好的发挥其效果。  2.2  空气循环蓄热  2.2.1  地下空气循环蓄热 地下空气循环蓄热在园艺设施的土壤中应用较早，马承伟48-49研究了塑料大棚的地 气热交换系统，结果表明，该系统可有效地贮存太阳能并用于夜间加温，能使塑料大棚在不加温条件下在夜间维持 10 左右的棚内外气温差。孙忠富50的研究结果表明，地 气热交换系统可使塑料大棚白天降温 2.5 6.5 ，夜间升温 2.04.4 。袁巧霞51-52设计了一种半被动式塑料大棚地下热交换系统，试验表明，该系统可在夜间维持 8 9 的棚内外气温差， 同时棚内地温可提高 10 左右。 Santamouris等53利用地下热交换系统对 1 000 m2的玻璃温室进行蓄热，结果表明具有良好的白天降温、夜间增温的效果。吴德让等54-55运用传热学的基本理论，建立了日光温室地下热交换系统土壤温度场的数学模型，同时通过试验第 6 期  鲍恩财等：节能日光温室蓄热技术研究进展  3 研究了日光温室采用地下热交换系统在冬季生产喜温蔬菜的可行性和实用性，结果显示， 300 m2的日光温室采用地下热交换系统的整个冬季放热量为 1.575106 kJ、节煤量达 1 950 kg。 孙周平等56在彩钢板保温装配式节能日光温室室内地下 0.5 m 位置设计安装了空气 地中热交换系统进行蓄热，整个冬季的试验结果表明，该系统具有良好的蓄热效果，与温室水循环蓄热系统结合可确保试验温室内热环境满足番茄生长所需。  2.2.2  墙体空气循环蓄热 张勇等57-58设计了一种能够将白天富余能量进行有效存储的日光温室空气循环式主动蓄热后墙（如图 2 所示的后墙结构） ，在墙体内部分层安装蓄热风道，墙体表面安装有轴流风机，风机将室内热空气抽入后墙蓄热风道， 经过热交换， 热量蓄积入墙体内蓄热体中， 与传统 9 m跨的普通砖墙日光温室进行了对比分析表明，在晴天、多云天夜间保温时段（ 16:00次日 09:00） ，主动蓄热后墙日光温室温度较 9 m 跨普通砖墙日光温室分别提高1.8 2.8、 1.6 4.2 。鲍恩财等59改进了原有的后墙空气循环蓄热系统，将原有进风口和出风口之间的距离由80 m 缩短至 40 m，并利用试验地（内蒙古乌海地区）丰富的沙土作为后墙蓄热体的一部分，实测结果表明，典型晴天条件下，固化沙主动蓄热后墙日光温室室内日平均气温较固化沙被动蓄热后墙日光温室和普通砖墙日光温室分别高 3.3、 3.6 ， 典型阴天的夜间气温分别高 3.2、3.8 ；固化沙主动蓄热后墙温室的墙体内部恒定温度区域处于 740 1 000 mm 之间，蓄热体厚度超过 740 mm，其中固化沙蓄热厚度超过 620 mm，蓄热风道上下表面各200 mm 的高度范围内均属于蓄热体。王昭等60测试了基于太阳能光伏板提供电能的后墙主动蓄热日光温室，与当地普通日光温室对比发现，后墙主动蓄热日光温室较普通日光温室晴、阴天夜间平均温度分别高 2.1、 0.9 ，试验温室蓄热体厚度为 320 520 mm，番茄采收期产量提高 17.8%。  王庆荣等61设计了一种中空墙体，该墙体可实现与室内空气的自然对流循环蓄热，通过测试及 Fluent 软件模拟分析，发现墙体构造所形成的循环气流可以在一定程度上扰动室内空气，进而在温室内走道和作物栽培行间等位置形成气流，其中温室跨中栽培行间的下部平均气流速度可达 0.25 m/s， 对日光温室冬季封闭栽培条件下的气流环境有一定的改善作用。任晓萌等62测试了该墙体的蓄放热效果，在晴天白天，内部中空层两侧墙体表面的温度高于相邻实心构造部分，但比中空层空气温度的 19.2 分别低 2.2、 3.7 ，表明墙体深处处于蓄热状态；清晨，中空层两侧表面温度分别比其中空层空气温度的 11.7 高 1.3、 0.8 ，表明墙体内部直至清晨仍处于放热阶段。  上述研究表明可以通过强迫对流或自然对流的方式将室内富余热量蓄积进入较深层的土壤或墙体内储存起来，对室内气温的提高具有一定的效果。强迫对流需要增加通风管道、风机等设备投入，且运行过程消耗电能，因此，在安装制作之前，需要计算土壤或墙体可蓄积的能量与电能消耗量，并确定是否具有节能性；自然对流依靠温差形成气流，故气流速度较小，为最大化利用墙体的蓄放热潜力，可通过增加变频风机继续研究不同流速对蓄放热量的影响，进而分析得到最佳风速及其控制策略。气流运动对室内温度场、湿度场、气体浓度场均会产生影响，今后在气流运动均匀性方面需加强研究。  2.3  水循环蓄热  水的比热容较大且易于流动，适于作为热能的贮存和传递介质，国内外学者均有将水作为蓄热体为温室供热的研究报道63-65。 Zaragoza 等66介绍了热水供暖在农业建筑（包含温室）上的应用前景及趋势； Sethi 等67采用地下水（ 24 ）对温室开展冬季供暖及夏季降温试验研究，发现冬季可提高室内气温 7 9 ； Attar 等68-69使用太阳能热水加温系统对温室加热，将毛细热交换管布置在地下作物根部附近，并使用 TRNSYS 软件模拟了毛细热交换管的适宜长度和水流速度。  2.3.1  水幕帘蓄放热系统 张义等70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，该水幕帘蓄放热系统可使温室内夜间气温提高 5.4 以上，作物根际温度提高 1.6 以上。 Fang 等71-74利用不同材质和颜色的封装膜改进了该水幕帘蓄放热系统，如图 3 所示。测试结果表明，晴、阴天时采用双黑膜封装的蓄放热装置能将温室夜间平均气温分别提高4.6、 4.5 ，与电加热方式相比该系统的节能率超过51.1%；采用金属膜封装的蓄放热装置集热效率达到了83%，对太阳辐射的吸收率为 0.81，优于双黑膜封装的蓄放热装置。孙维拓等75-78进一步拓展了水幕帘蓄放热系统的应用，或将其与热泵结合使用提高蓄放热性能，或应用于大跨度日光温室中。  图 3  水幕帘系统示意图73Fig.3  Schematic diagram of water curtain system 2.3.2  管道水循环蓄热 一些学者将太阳能热水系统引入日光温室中，如方农业工程学报（ http:/www.tcsae.org）                                 2018 年    4慧等79以温室浅层土壤为蓄热体，白天将后墙集热器获得的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，与对照相比夜间平均气温差为 4.0 ； 王双喜等80-81在日光温室的后墙顶部安装太阳能热水器， 热水管道埋置于室内土壤中； 余学江82将加热盘管在靠近地面位置进行迂回铺设；于威等83-84利用 ANSYS 软件分析了日光温室地中埋热水管对土壤加温效果的影响，结果表明，水温对地表温度影响显著，管道内水流速 0.10 m/s 时地表温度变化不大， 在长期平稳条件下，埋管深度、管径对地表温度影响不大，而管间距对土壤温度分布影响显著，筛选出适宜管间距200 mm、管径 25 mm。  佟雪姣等85-86采用聚乙烯（ polyethylene， PE）软管为输水管道，以聚碳酸酯（ polycarbonate， PC）板为集 /散热装置，研究日光温室太阳能水循环系统冬季的蓄热增温效果，对 PC 板的不同颜色、厚度、黑膜添加方式及水的不同流量开展了研究，试验结果表明，同等条件下褐色、 8 mm 厚的 PC 板的蓄热量最多，透明阳光板内外侧均添加黑膜后蓄热量增加 20%，当流量为 4.4 4.5 L/h时， 8 mm 的透明阳光板蓄热效果最好；冬季晴天，日光温室内光照条件好，水循环系统日蓄热量为 159.8 MJ，可将温室内夜间温度提高 3 5 ，集热效率为 54.5%，蓄热增温效果明显。马承伟等87研究了日光温室钢管屋架管网水循环集放热系统（图 4），理论计算表明，在屋架间距为 1 m， 上、 下弦杆件均为外径 33.5 mm 的圆管时，系统的太阳能截获率可达 7% 8%；测试结果表明，与对照日光温室相比，平均提高夜间室内最低气温 2.4 ，容积为 8.6 m3的蓄热水体白昼日平均蓄热温升 4.7 ， 平均蓄热量为 149 MJ，夜间水体日平均放热温降 2.5 ，平均放热量为 78.9 MJ。  1. 上弦  2. 下弦  3. 供水干管  4. 回水干管  5. 水池  6. 潜水泵  7. 排污阀  8. 浮球阀  9. 自动控制箱  10. 室内气温传感器  11. 流量计  12. 水压力表  13. 供水温度计  14. 回水温度计  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 图 4  钢管屋架管网水循环集放热系统87Fig.4  Water circulation system of steel pipe network formed by roof truss for heat collection and release 水循环蓄热的效果较为明显，水流的均匀性较好，但缺点也较为明显，即对循环管道的密闭性和抗腐蚀性要求较为严格，且施工过程增加了水池、管道、水泵等设备，故施工工艺要求较高。在原有后墙南侧安装水循环蓄热的集 /放热装置会削减后墙的蓄放热效果，应分析水循环蓄热与原有墙体蓄热之间的“竞争”关系并量化，在维持室内作物生产适宜热环境的基础上，可适当降低后墙蓄热结构部分的厚度或减少水循环蓄热的投入以达到最佳投入。  2.4  相变材料蓄热  相变材料在日光温室中具有白天“削峰” 、夜间“填谷”的作用，国内外学者主要从相变材料的筛选制备88-97、封装89-90,93-98、与温室的结合方式92,98-101等方面进行了大量研究。主要筛选的材料有石蜡89,93、芒硝基89、 Na2SO410H2O90,93-94、 CaCl26H2O91-92、Na2HPO412H2O95,97、脂 肪 酸 类96等。采用的封装方式有共混浸泡93、砌块封装93、稻壳吸附94,98、石墨吸附96等，制备成微胶囊89、板材90,93,95-97、砌块93-94,98。与温室的结合方式主要是将封装之后的相变材料放置在温室的北墙92,99， 或利用板材或砌块直接砌筑在日光温室后墙内侧98,100-101。  近年来， 也有学者91,102-104将相变材料与太阳能集热器结合应用于温室中，并取得了一定的效果，如 Benli等91利用相变材料与太阳能平板集热器为温室供热，测试发现该系统为试验温室提供了每日热能需求量的 1823%，闫彦涛104分析得到太阳能相变蓄热器单位面积放热量为 4.05 MJ/m2；凌浩恕等105-107将多曲面槽式空气集热器结合相变材料应用于带竖向风道的日光温室后墙  （图 5），研究发现，当墙体内竖向空气通道间距为400 mm、空气通道内空气速度为 0.26 m/s、空气流动方向为上进下出时，相变蓄热墙体换热效率为 66.2%，主动蓄热量约为 9.43 MJ/m3。  图 5  带竖向空气通道的太阳能相变蓄热墙体体系105Fig.5  Phase change material wall with vertical air channels integrating solar concentrators 相变材料种类繁多，但真正被研究者系统研究过的第 6 期  鲍恩财等：节能日光温室蓄热技术研究进展  5 种类却屈指可数，且需要契合日光温室冬季室内温度环境；相变材料在使用过程中体积变化率大，对封装密闭性的要求较高，目前的封装方式都有不同程度的泄露问题，有一定的环境污染风险。因此，需要进一步筛选适宜日光温室使用的材料种类及混合配比，并在封装技术上加强研究。  2.5  卵石蓄热  卵石是良好的显热储能材料，国外一般在温室中部的地下土壤中埋置卵石床， ztrk 等108利用卵石床结合太阳能空气集热器为 120 m2的塑料大棚供热，卵石床面积为 6 m2 m，深 0.6 m，研究发现卵石床的平均日蓄热量为 1 242 W，夜间放热量为 601.3 W，可提供室内总需热量的 18.9%； Krkl 等109以 2 座面积均为 15 m2的塑料大棚为试验对象，其中 1 座埋置有卵石床， PVC 管道穿过卵石床， 采用流量 1 100 m3/h 的风机强制将室内空气通过管道流经卵石床，测试发现试验温室夜间气温比对照温室提高约 10 ， 卵石蓄热系统的能量吸收及释放效率均超过 80%。国内将卵石作为日光温室蓄热材料有 2种形式，一种是直接作为墙体材料；一种是作为蓄热床。张洁等110以铅丝网笼装填卵石作为墙体主要材料，认为卵石之间的缝隙可以加强热空气的流动，从而增强墙体的蓄热性能，与普通砖墙日光温室相比，卵石墙体温室内平均气温在典型晴天高 4.0 。 Chen 等111将卵石床铺在室内土壤表面，研究发现卵石孔隙率一定时，应适当增大卵石床的粒径，当卵石粒径大于一定值时，适当增加卵石床孔隙率可以增强卵石床与温室气流，以及卵石床内部的对流换热。张峰等112测试发现卵石床地下蓄热系统的蓄热功率约为 94 W/m2，大于地下埋管蓄热系统（蓄热功率约为 76 W/m2） ，该日光温室的夜间最低温度比无蓄热装置的对照温室提高了 5 8 。  卵石的传热速率较快，卵石之间的孔隙也有利于对流传热，但在冬季夜间卵石放热过快会导致前半夜室内气温较高、后半夜室内气温偏低。因此，需要研究如何减缓卵石所蓄积热量的释放，或将卵石所蓄积热量传导至其他材料中储存起来。  2.6  热泵蓄热  热泵根据所利用热源的不同主要分为水源热泵、空气源热泵和土壤源热泵 3 类。国外学者将热泵应用到温室中较早， Marsh 等113采用生命周期成本分析法（ life cycle costing， LCC）分析了利用热泵将矿井中的恒温空气作为空气源对温室进行加温的可行性； Bot 等114分析了利用热泵夏季储热为冬季供热的温室节能模式，预计节能率超过 60%； Ozgener 等115测试得到土壤源热泵为温室供热的性能系数（ coefficient of performance， COP）为 2.13（多云天） 2.84（晴天） ； Yang 等116-117利用空气源热泵对温室进行冬季加温、夏季降温，均取得了良好的节能效果。  进入 21 世纪，国内学者开始探索热泵在日光温室上的应用，柴立龙等118-119采用地下水作为热源的热泵系统对北京地区日光温室进行了供暖试验研究，结果表明，整个供暖期（ 2007-10-15 2008-03-10）热泵的 COP 为3.83，与燃煤热水采暖相比，可节约 42%的能源消耗。孙维拓等75,120设计了一套日光温室水循环主动蓄放热与热泵联合加温系统（如图 6 所示），主动蓄放热系统为热泵机组提供热源，与对照温室相比，试验温室夜间气温高出 5.26 6.64 ，系统集热效率达到了 72.32%83.62%，总体 COP 值达 5.59，而单纯使用热泵制热的COP 为 4.38 5.17。孙维拓等121还设计了一套日光温室空气余热热泵加温系统，白天适时运行系统，将日光温室内富余空气热能泵取并储存于蓄热水池中；夜间室内气温较低时，首先开启风机和水泵，当蓄热水池水温降至一定温度，逆向运行热泵系统强制放热；与对照温室相比，试验温室白天平均气温降低 3.7 5.2 ，相对湿度降低 12.3% 16.5%；夜间平均气温高出 2.8 4.4 ，相对湿度降低 8.0% 11.5%。孙先鹏等122-123采用太阳能联合空气源热泵供热系统为日光温室供热，在西安地区 6 10 冬季气温条件下开展了试验研究，结果表明，在试验天气条件下，热泵单独供热时系统的 COP 在2.09 2.45 之间，太阳能联合空气源热泵供热时系统的COP 在 3.45 5.56 之间，具有显著的节能减排效果。  1. 主动蓄放热装置  2. 循环管道  3. 循环水泵  4. 蓄水箱  5. 蓄水箱   6. 电磁阀 1  7. 电磁阀 2  8. 电磁阀 3  9. PLC 控制系统   10. 压缩机   11. 膨胀阀   12. 过滤器   13. 冷凝器   14. 蒸发器   15. T 型热电偶  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 为主动蓄放热循环管道各节点， D G 为热泵循环各节点。  Note: A C are circulating pipe nodes of the active heat storage-release; D G are nodes of the heat pump cycle. 图 6  温室主动蓄放热热泵联合加温系统原理图120Fig.6  Principle diagram of active heat storage release associated with heat pump heating system in greenhouse 热泵系统具有节能环保、供热稳定的优点，但设备投资较高、运行耗电量较大，在日光温室中的应用研究还处于初级阶段，其系统参数配置、加工工艺等还有待优化。在使用热泵蓄热时，对日光温室的蓄热性能要求降低，因此可适当减少温室蓄热墙体结构的投入，同时在运行时间上与峰谷电价相结合，可降低部分运行成本。  2.7  联合方式蓄热  为了提高蓄热技术的应用效果，部分学者将 2 项或以上蓄热方式结合应用到日光温室中， 如 Benli124将地源热泵与相变材料蓄热技术结合应用于温室采暖；孙周平农业工程学报（ http:/www.tcsae.org）                                 2018 年    6等56在大跨度日光温室中将空气 地中热交换系统与水循环蓄热系统结合使用可代替传统土墙的蓄热能力，经过整个冬季的测试发现，该联合系统可以确保日光温室冬季的热环境满足作物所需；凌浩恕等105-107将相变材料、带空气通道的后墙与太阳能空气集热器结合构建带竖向空气通道的太阳能相变蓄热墙体体系； Krkl 等109将卵石蓄热与地下空气循环蓄热结合应用；孙维拓等120将水循环主动蓄放热系统与热泵机组联合使用，测试发现，联合系统的效果大于单一使用热泵的效果，也远高于传统太阳能热水系统以及地源热泵，节能效果显著；高文波等125将主动采光与墙体空气循环主动蓄热结合，典型晴天、多云天主动采光蓄热型日光温室室内平均光照度分别提高了 21.28%、 11.73%，平均气温分别提高了5.6、 2.1 。  除此之外，部分学者还就温室蓄热相关技术做了前言探索性研究，如 Liu 等126开发了一种新型的由乙烯 四氟乙烯（ ETFE）膜和相变材料 RT28 组成的温室薄膜，对该薄膜的光学性能进行了试验研究，结果表明，相变材料在液态下，薄膜的透射率高于固态，此外，透光率与相变材料的温度有关。 Anifantis 等127结合光伏制氢技术与地源热泵技术为温室供暖，白天通过光伏板电解产生 H2，然后将其储存在压力罐中，夜间 H2通过燃料电池转化为电力，为地源热泵供电，从而为温室供暖。  上述研究表明，从目前联合方式蓄热的发展现状来看，国内较国外的技术更加成熟和丰富，尽管国外的前沿性研究较多，但仍处于初期阶段。要实现蓄热技术在日光温室上的推广应用，除技术先进、符合科技发展趋势外，也要满足市场现状。因此，应加强对蓄热技术的技术经济性指标分析。  3  讨  论 本文总结了目前节能日光温室蓄热技术的主要形式，包括主动采光蓄热、空气循环蓄热、水循环蓄热、相变材料蓄热、卵石蓄热、热泵蓄热、联合方式蓄热，均为结构、材料、设备 3 个方面的单一或协同应用，如主动采光蓄热通过温室前屋面结构的角度转变实现光能的主动利用，但蓄热体未变；空气循环蓄热通过空气循环将室内多余热量存储进入地下土壤或墙体内；水循环蓄热是通过设备将水循环蓄热，以水为主要蓄热体；相变材料蓄热与卵石蓄热严格意义来说包括主动蓄热和被动蓄热 2 种形式，如与太阳能集热器结合应用的相变材料蓄热属于主动蓄热，而单纯的利用材料改变来蓄热集热是被动的热量蓄积；热泵蓄热通过消耗电能提取空气、水或土壤中的低温热源的热能将其转移到室内；联合方式蓄热通过以上 2 种或以上蓄热技术结合应用。  3.1  主要技术问题  国外对现代日光温室的研究较少，中国在日光温室节能设计基础理论及应用上始终处于领先地位128。日光温室蓄热技术亦属于节能设计之一，国内学者对此做了大量的研究与改进。这些技术对改善室内环境均具有一定的效果，但也存在一些缺点与不足之处，因此研发应用蓄热技术为日光温室供热时需要重点考虑以下问题：1）主动采光蓄热具有明显提高室内光温环境的效果，但是没有良好的蓄热系统，热量得不到存储，白天过多的热量易对作物形成热害，只能随着通风被排出去造成热量浪费； 2）强迫对流式空气循环蓄热主要是将传热风道埋置于日光温室的墙体或土壤中，建成后整个系统只有风机消耗电能，对温室增温具有一定的效果，在安装制作之前，需要计算墙体或土壤可蓄积的能量与电能消耗量，并确定是否具有节能性。自然对流式空气循环蓄热依靠温差形成气流，故气流速度较小； 3）水循环蓄热和相变材料蓄热都是因其热容较大，可尽量多的将热量存储起来，但是水和相变材料的封装均需要良好的封闭性，否则容易泄露； 4）卵石的传热速率较快，往往前半夜放热量较多，导致温室内后半夜的温度较低； 5）热泵蓄热的 COP 一般都在 2 以上，避免了环境污染、节能效果显著，但该系统结构复杂，初始投资较高，系统性能的可靠性、稳定性有待于进一步验证129； 6）通过结合 2 项或以上蓄热方式联合应用于日光温室中，效果具有累加效应，但成本更高。  3.2  研究重点  基于以上节能日光温室蓄热技术存在的问题，当前研究的重点是： 1）将主动采光技术与其他蓄热技术结合应用，形成主动采光蓄热联合技术，实现温室内太阳能的“多进多存”； 2）除管道连接处的密闭性外，强迫对流式空气循环蓄热应考虑风机的风速、流量与管道的直径、材质、长度等条件耦合，不同地区还应结合土壤的蓄热系数来合理布置管道，在墙体中埋置时还应考虑适当的分层及施工工艺的简易化。自然对流式空气循环蓄热可与强迫对流相结合，研究适宜的风速指标及气流运动的调控以实现最大化蓄热； 3）水在蓄放热的过程中需要流动，而相变材料在蓄放热的过程中会部分发生相变，因此，水循环蓄热和相变材料蓄热的循环管道、封装材料应做到密闭、抗腐蚀； 4）卵石的传热较快，可增加热阻帘人为地延缓放热时间，也可与其他储热介质结合应用，如作为墙体的吸热层，或在其孔隙内填充储热材料； 5）热泵蓄热结合其他蓄热方式应用较单一应用的效果会有所提高，冬季供暖中具有良好的应用前景，如何进一步合理利用、合理配置温室地源热泵系统，完善相关技术，降低其建设费用、运行能耗和费用，也是今后应着重研究解决的问题； 6）从蓄热的 2 种热量利用途径来看，因日光温室原本就具有土壤和墙体蓄热的优势，在利用室内截获的太阳能进行主动蓄热时应避免