装配加温除湿系统的轻简装配式日光温室设计及性能试验
第 32 卷 第 11 期 农 业 工 程 学 报 Vol.32 No.11 226 2016年 6 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2016 装配加温除湿系统的轻简装配式日光温室设计及性能试验 周 波1,2，张 义1,2，方 慧1,2，杨其长1,2，敖红达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. 农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081；3. 大连四通农用设施加工有限公司，大连，116000） 摘 要： 针对中国传统日光温室土地利用率低、建设成本高、墙体构造各异及温度和湿度环境难以调控等突出问题，该研究设计出一种轻简装配式日光温室，并配套了基于温室主动蓄放热原理的冬季夜晚加温和除湿系统，其温室骨架可与主动蓄放热系统结合为一体。研究结果表明：相比于传统砖墙日光温室，轻简装配式温室冬季夜晚温度提高 4.5以上；采用基于主动蓄放热系统热能的除湿系统，可将温室夜间相对湿度降低 14%，相对湿度控制在 80%以下；该温室可实现整体式装配安装，大大减少了施工时间和安装成本，温室后墙厚度为 166 mm，与后墙为 600 mm 厚的砖墙温室相比，墙体占地面积减少 72%，显著提高了土地利用率。 关键词：温室；环境调控；轻简装配式；日光温室；加温；除湿 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.11.032 中图分类号：S625.3 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2016) -11-0226-07 周 波，张 义，方 慧，杨其长，敖红达. 装配加温除湿系统的轻简装配式日光温室设计及性能试验J. 农业工程学报，2016，32(11)：226232. doi ：10.11975/j.issn.1002 -6819.2016.11.032 http:/www.tcsae.org Zhou Bo, Zhang Yi, Fang Hui, Yang Qichang, Ao Hongda. Performance experiment and design of simply assembled Chinese solar greenhouse equipped with heating and dehumidification systemJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(11): 226 232. (in Chinese with English abstract) doi ：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.11.032 http:/www.tcsae.org 0 引 言日光温室是中国特有的一种温室结构形式1，为中国北方地区冬季的蔬菜供应、增加农民收入、减少化石能源消耗等做出了巨大贡献2-4。至 2012 年中国日光温室面积已达 92.8 万 hm25。然而，随着日光温室的迅速发展，其自身存在的问题也日益凸显，如日光温室设施装配化、标准化水平低，环境控制能力弱，技术装备参差不齐6，生产技术水平不高，导致农作物产量和质量不高，农民收益受限，已成为限制日光温室产业进一步发展的瓶颈。 在日光温室结构设计方面，目前的研究主要集中在采光面的优化7-8，墙体材料9-11及骨架结构形式12-13的改进。装配式温室已经进入应用阶段，白义奎14等设计了全钢架装配式日光温室，并计算了其承载力，该温室具有施工速度快，承载能力强，耐久性好的优点。 在日光温室温度环境调控方面，主要是通过提高温室蓄热量15-16和增加温室整体保温性能来提高温室冬季收稿日期：2015-10-14 修订日期：2016-01-19 基金项目： 863 计划资助课题（2013AA102407 ）；公益性行业（农业）科研专项（201203002）；基本科研业务费（BSRF201605 ）；国家自然科学基金项目（51508560 ）。 作者简介：周 波，男，山东，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：zhb_nashfoxmail.com 通信作者：张 义，女，吉林，博士，助理研究员，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：zhangyi03caas.cn 夜间温度17，在温室除湿方面，张文艺18等设计了一套基于日光温室湿度模型的热交换除湿系统，可降低相对湿度 4% 7%，除湿效果较好。 本研究团队在多年研究的基础上，研制出一种轻简装配式日光温室，在保持传统日光温室优点的基础上，实现墙体 2 种功能的分离，一是蓄放热功能，由基于水媒介质蓄热的主动蓄放热系统来实现，二是保温隔热功能，由预制装配式复合墙体来实现19。预制装配式墙体建筑是农业建筑工业化的一个主要方向20，可大大降低施工成本，同时实现冬季施工；温室骨架采用标准化装配式设计，避免现场焊接而降低使用寿命；根据温室内温度、湿度调控需求设计了基于温室主动蓄放热原理的配套调控设备，并通过冬季试验测试了该系统的加温除湿效果及性能参数。 本研究目的在于构建一种装配式温室，并为该温室配套冬季加温和除湿系统用于环境调控。 1 材料与方法 1.1 温室结构设计 试验日光温室设计以华北地区的典型气候特征为依据，温室前屋面角的设计应保证白天温室内进入足够多的太阳光，根据中国机械行业标准21，前屋面角 应符合 +hmin55 。 （1 ） 式中 hmin为当地冬至日正午太阳高度角， 。 hmin=6634。 （ 2） 农业生物环境与能源工程第 11 期 周 波等：装配加温除湿系统的轻简装配式日光温室设计及性能试验 227 式中 为当地的纬度， 。 温室后墙高度 h 直接影响到温室的蓄热保温性能，温室高度每增加 1 m，可使室内温度降低 12 ，耗热量增加 24%22。根据采光及栽培空间需求，后墙应保证适宜高度，按下列计算方法设计21h=Hbtan。 （3 ） 式中 h 为温室后墙高度，m ；H 为温室脊高， m；b 为后坡水平投影长度， m； 为后坡仰角， ，通常取大于当地冬至日太阳高度角 5 8。 1.2 试验温室主要结构 试验温室为 2 栋轻简装配式日光温室（图 1a），温室跨度 8 m，脊高 3.8 m，后墙高 3.2 m，长度 33 m，前屋面采光角 31，后坡水平投影长 1.4 m。前坡采光面覆盖材料为 0.1 mm 厚聚乙烯（poly ethylene, PE ）膜。试验温室 1 中装有主动蓄放热系统，试验温室 2 中装有主动蓄放热系统和除湿系统。 图 1 轻简装配式日光温室 Fig.1 Assembled Chinese solar greenhouse 温室主体施工分为以下 3 部分： 1）基础施工。温室基础外通常设置防寒沟或保温结构，减少温室土壤向外散热，提高温室冬季保温的能力23。该试验温室，在基础内外两侧安放厚 60 mm， 密度 20 kg/m3的聚苯板，来提高温室保温。基础截面图如图 1b 所示。 2）钢架搭建。试验温室骨架现场安装，采用螺钉螺母链接，可降低施工难度，实现装配化。温室骨架采用整体镀锌工艺，降低焊接造成的腐蚀风险。温室钢架结构由地梁管，前骨架，后骨架，拉筋管，山墙组件，剪刀撑和斜支撑组成。前骨架和后骨架形状如图 1a 所示。地梁管通过基础上预埋件固定，其上装有连接件，固定前骨架和后骨架，前后骨架通过屋顶处三角板连接。拉筋管通过楔形槽固定。温室压膜槽用自攻钉固定。 3）预制装配式复合墙板安装。相比传统日光温室，试验温室采用的预制装配式复合墙板（水泥板 -聚苯板-水泥板复合结构），主要起隔热保温作用，其中水泥板厚 8 mm，聚苯板厚 150 mm（图 1c）， 总热阻为 3.6 m2K/W。安装时用尼龙蘑菇头螺栓与温室骨架拉紧固定。板间隙10 mm，间隙中间填充挤塑板，并喷注发泡胶，避免形成空腔，最后用黑色建筑密封胶对墙板所有缝隙进行勾缝。墙板全部完成后，对温室顶部和后坡形成沟槽用陶粒混凝土浇筑，待凝固干燥后做防水层。 1.3 对照温室主要结构 在本试验中，选用传统砖墙温室作为对照温室，温室跨度 8 m，脊高 3.8 m，后墙高 2.3 m，长度 60 m，温室北墙及山墙结构为 240 mm 红砖+100 mm 聚苯板+240 mm 红砖。温室中配有主动蓄放热系统。 1.4 试验温室配套设备 1.4.1 主动蓄放热系统 试验温室墙体仅具有保温功能，采用复合墙体材料作为后墙、山墙、后坡等围护结构的主材，保温性能优良，采用主动蓄放热系统（ active heat storage-release system， AHS）24-27进行温室内热量的蓄积与释放，该系统主要以循环水为媒介，白天通过集热板内的循环水将进入温室的太阳辐射热进行收集并储存到地下蓄热水池中；夜晚根据室内温度情况，再利用循环水进行热量释放，以提高室内温度。在试验温室 1 及对照温室中，配备主动蓄放热系统，系统白天开启时间为 09:00 16:00，夜晚开启时间为 00:00 8:00。鉴于砖墙温室保温性能比轻简装配式温室保温性能差，对照温室内主动蓄放热系统在夜间提前 1 h 开启。 1.4.2 除湿系统 普通日光温室，以太阳辐射为主要能量来源，利用太阳能进行冬季蔬菜生产，没有额外能量投入。所以普通日光温室只具备能量的自然蓄积与释放功能，而缺乏对于夜间温室湿度的调节。在试验温室 2 中，配用基于主动蓄放热热能的除湿系统，利用主动蓄放热系统存储的太阳能，在夜晚起到温、湿度共同调节的作用。 除湿系统采用主动通风的方法，夜晚强制通风并伴随加热28，除湿过程中热源由主动蓄放热系统提供。图 2为除湿系统原理图，主要包括进风口，出风口，系统加热箱。系统加热箱内有风机，水- 气热交换器，电加热器。进风口处有 2 个电动阀，控制冷风来源，进入加热箱处有一手动阀，控制系统整体风速。出风口为一条贯穿温室东西向的塑料通风管，其上布有均匀小孔。 在系统加热箱内，水 -气热交换器用于通过主动蓄放热系统的热量加热冷空气，电加热器位于水- 气热交换器之后，可以补充主动蓄放热系统热量的不足，并维持室内温度在正常水平。 除湿系统在 18:00 08:30 之间处于工作状态，在这农业工程学报（http:/www.tcsae.org ） 2016 年 228 个时段内，当室内相对湿度超过 85%时，风机和热交换器循环水泵开启，引进室外干冷空气进行除湿。因为长时间温度低于 8 ，不利于西红柿的正常生长29，当室内温度低于 8 时，系统会自动关闭室外进风口，打开室内进风口，进行室内空气循环，维持室内最低温度 8 以上。在除湿过程中，当水池水温低于 25 时，会开启第一个电加热器，低于 20 时，开启第二个电加热器，用于补充额外热量。 1.室内 2. 室外 3. 蓄水池 4. 主动蓄放热系统集放热板 5. 除湿系统加热箱 6.供水管 7. 回水管 8. 水泵 9. 水 -气热交换器 10. 电加热器 11. 通风管道 12. 出气孔 13. 电动风阀 14. 手动风阀 15. 风机 1.Indoor 2.Outdoor 3.Water tank 4.AHS 5.Heating box 6.Supply pipe 7.Return pipe 8.Water pump 9.Water-air heat exchanger 10.Electric heaters 11.Air duct 12.Air outlet 13.Automatic valve 14.Manual valve 15.Ventilator 图 2 除湿系统原理图 Fig.2 Schematic diagram of dehumidification in Chinese solar greenhouse 1.5 测点布置 温室内温度和相对湿度的测量， 采用 HOBO U14-002型（美国 onset 公司生产，精度0.2 ）温湿度自记仪，分别放置于 3 个温室中间位置，距地面高 1.5 m，除湿系统加热箱的进风口和出风口空气温湿度、室外温湿度也采用此传感器测试。太阳辐射传感器（CMP3 ，荷兰）位于温室内后墙表面，垂直放置，距地面 1.5 m27，用于测量主动蓄放热系统集放热板处太阳辐射的强度。热交换器进出口水温的测量采用 T-型热电偶。水池中另一温度测点连接到控制箱，用于控制电加热器的开启。所有热电偶温度传感器和太阳辐射传感器都连接到 CR1000 数据自动采集仪，数据每 10 min 采集一次。管道中装有风速仪（ HYXC-PFSC，精度 0.01 m/s）用于测量进入温室的风速。热交换器的循环管道上装有流量计（ LWGY，精度 0.1 m3/h）用于测试循环水流量。 2 结果与分析 2.1 环境条件 试验时间： 2015 年 1 月 7 日至 2015 年 2 月 7 日。温室中种植西红柿，定植于 2014 年 10 月 20 日。试验期间室外温湿度变化如图 3 所示，温度每天中午达到最高值，随后一直下降，凌晨处于最低值，而相对湿度的变化正好和温度的变化相反。室内北墙垂直面的太阳辐射量如图 4 所示，由于温室骨架的遮挡，在峰值处测量值会产生波动，根据峰值高低可以判断出天气情况。试验期间阴天情况有 5 d。室外平均气温1.9 ，最高气温 14.4 ，夜间最低气温 13.8 。 图 3 2015 年 1 月 7 日到 2 月 7 日的室外温湿度 Fig.3 Relative humidity and temperature outside greenhouse between Jan. 7 and Feb. 7, 2015 图 4 2015 年 1 月 7 日到 2 月 7 日试验温室 2 后墙垂直面太阳辐射量 Fig.4 Indoor irradiation intensity on vertical surface of north wall near the AHS in experimental greenhouse 2 between Jan. 7 and Feb. 7, 2015 2.2 室内环境 试验温室 1 和对照温室内温度如图 5a 所示，试验温室内主动蓄放热系统一直运行，可以看出 2 温室白天温度基本一致，夜间，对照温室内温度低于试验温室 1。图5b为 1月 11 12日晴天条件下 2个温室内温度变化曲线，试验温室 1 开启主动蓄放热系统，而对照温室不开启主动蓄放热系统。对照温室夜间室内气温度持续下降，夜间最低温度在 10 以下，而试验温室 1 内主动蓄放热系统在开启后，温度显著升高，加温时间段内，最高温度为 13.6 ，最低温度 12.1 ，比对照温室夜间温度平均高出 4.5 。图 5c为 2 月 12 日晴天条件下试验温室 1 与对照温室温度变化曲线， 2 个温室夜间均开启主动蓄放热系统。 2 个温室内温度在主动蓄放热系统开启之后都明显升高，试验温室 1 内温度比对照温室平均高 1.3 ，这主要是因为装配式复合墙体的保温性能优于砖墙，夜间热量损失小。图5d 为 1 月 15-16 日连阴天条件下，2 个温室内的温度变化曲线， 2 个温室内主动蓄放热系统都开启。 1 月 15 日白天太阳辐射值低，室内总体温度较低，对照温室内最高温度15.3 ，最低温度 5.3 ，试验温室内最高温度 15.5 ，最低温度 6.1 ，夜间主动蓄放热系统开启后，温度升高，比对照温室平均高 1.1 。轻简装配式日光温室配套主动蓄放热系统，比传统砖墙日光温室保温蓄热能力强。 图 6a 和 6b 为试验温室 2 和对照温室内温度、相对湿度变化曲 线。 试验温室 2 内配套有主动蓄放热系统和除湿系统，试验期间 2 个系统一直运行。从图中可看出，第 5 天当对照温室内主动蓄放热系统不运行时，试验温室 2 内夜间温度仍明显高于对照。对照温室夜晚相对湿度高于 90%，而试验温室 2 内除湿系统开启后，夜间相对湿度维持在 80%以下。图 6c 为 2 月 12 日 2 个温室第 11 期 周 波等：装配加温除湿系统的轻简装配式日光温室设计及性能试验 229 内温度变化曲线， 2 个温室夜晚都开启主动蓄放热系统，夜间主动蓄放热系统开启后，温度有所升高，但试验温室 2 内主动蓄放热系统的热量一部分用于除湿，所以夜间温度比对照温室平均低 0.5， 04:00 左右当除湿系统开启内循环之后，试验温室 2 温度略有升高。图 6d 为 2月 1 2 日 2 个温室内相对湿度曲线图。对照温室内，夜间相对湿度随着温度降低而升高，最高相对湿度 96%，当主动蓄放热系统开启后，室内温度升高，相对湿度可降低 2%。而试验温室 2 内，夜间开启除湿系统时，相对湿度一直处于 80%以下，当室内温度降低后，开启内循环，室内相对湿度升高，最高相对湿度 82%。相比对照温室，试验温室 2 内相对湿度降低了 14%。 图 5 试验温室 1 和对照温室内温度变化 Fig.5 Temperature in experiment greenhouse 1 and reference greenhouse 图 6 试验温室 2 和对照温室内温度及相对湿度 Fig.6 Temperature and relative humidity in experiment greenhouse 2 and reference greenhouse 2.3 加温除湿系统性能分析 表 1 列出了除湿系统中每个设备的工作时间，能量消耗和运行费用，表 2 列出了除湿过程中的能量来源。在整个试验阶段，水泵和风机每天的能耗为 218.3 kJ/m2，假设电加热器的效率为 100%，试验期间电加热器每天可以提供的能量为 643.6 kJ/m2，主动蓄放热系统每天可以提供的能量为 639.4 kJ/m2，而其循环动力的能耗每天为153.4 kJ/m2。所以，主动蓄放热系统用于除湿的过程中，每天有 643.6 kJ/m2能量的欠缺。 表 1 除湿系统每个设备的工作时间，能量消耗和运行费用 Table 1 Operating hours, energy consumption and costs per day of dehumidification system 设备 Equipment 功率 Power rating/kW平均每天工作时间 Average working hours per day/h 每天能耗 Energy consumption per day/(kJm-2)每天运行费用 Costs per day/yuan风机 Ventilator 0.37 14.3 72.1 2.6 水泵 Water pump 0.75 14.3 146.2 5.4 加热器 1 Heater 1 2.00 13.8 376.4 13.8 加热器 2 Heater 2 2.00 9.8 267.3 9.8 主动蓄放热系统Active heat storage-release system 0.75 15 153.4 5.6 合计 Total - - 1015.4 37.2 注：运行费用的计算中取电价 0.5 元/ 度。 Note: The costs per day are based on the electric charge of 0.5 yuan/kWh. 农业工程学报（http:/www.tcsae.org ） 2016 年 230 表 2 除湿过程中能量来源 Table 2 Energy source of dehumidification system 能量来源 Source 每天能量供应 Energy per day/(kJm-2) 电加热器 Electric heaters 643.6 主动蓄放热系统 AHS 639.4 电加热器消耗了近 60%的运行能耗和运行费用，在本试验中选用电加热是因为安装简便且容易获得除湿系统的热量欠缺数据。未来将这套除湿系统在商用温室中使用，应尽可能提高主动蓄放热系统的性能，减少额外能量投入，才具有更好的应用价值。在连阴天情况下，可以选择更加节能的辅助加热手段。 2.4 经济性分析 表 3 为砖墙日光温室和轻简装配式日光温室建筑成本比较。传统的砖墙日光温室配主动蓄放热系统，每平方米造价 491.7 元， 而轻简装配式日光温室配上主动蓄放热系统和除湿系统， 每平方米造价 334.5 元，减少了 157.2元，建筑成本下降显著。砖墙日光温室成本主要集中在墙体造价上，其温室墙体由 240 mm 红砖 +100 mm 聚苯板+240 mm 红砖组成，增加了材料成本和人力成本，占用了大量土地面积。而轻简装配式日光温室墙体采用厚度为 166 mm 的水泥板 -聚苯板- 水泥板复合结构，其单张板规格为 2 400 mm1 200 mm，单价 230 元，材料经济，施工方便，是温室造价下降的主要原因。轻简装配式日光温室后墙较薄，相比后墙厚度为 600 mm 的砖墙温室，墙体占地面积减少 72%，提高了土地利用率。 表 3 砖墙日光温室和轻简装配型日光温室建筑成本 Table 3 Costs of brick wall solar greenhouse and simply assembled solar greenhouse 名称 Name 砖墙日光温室 Brick wall solar greenhouse/(yuanm-2) 轻简装配式日光温室Simply assembled solar greenhouse/(yuanm-2）温室钢骨架 Steel frame 80.4 70.1 温室基础 Foundation 41.7 43.9 温室墙体 Wall 249.8 90.9 温室覆盖、保温材料及 控制系统 Plastic film and thermal insulation quilt with control system 63.3 43.6 其他费用 Others 16.5 11.0 主动蓄放热系统 AHS 40.0 40.0 除湿系统 Dehumidification system 0.0 35.0 合计 Total 491.7 334.5 3 结 论 轻简装配式日光温室在传统日光温室建筑结构的基础上进行了优化，墙体为预制装配式复合墙体，采用整体装配式钢架结构，便于主动蓄放热系统的安装。相比于传统砖墙日光温室，该温室可实现整体式装配安装，大大减少了建设安装成本；后墙厚度为 166 mm，与 600 mm厚的砖墙温室相比，墙体占地面积减少 72%，显著提高了土地利用效率；温室冬季夜晚温度高于传统砖墙温室4.5 以上；与装有主动蓄放热系统的砖墙温室相比，其整体保温性能较好，夜晚温度平均高出 1.1 ；配套基于主动蓄放热热能的除湿系统，可将温室夜间相对湿度降低 14%，控制在 80%以下。基于日光温室结构轻简化需求，未来将重点研发系列标准化温室结构，进一步减少钢材用量与温室建设用工量。 参 考 文 献 1 周长吉，杨振声. 准确统一“日光温室”定义的商榷J. 农业工程学报，2002，18(6)：200202. 2 李天来 . 我国日光温室产业发展现状与前景J. 沈阳农业大学学报，2005，36(2)：131138. 3 白义奎，李天来，王铁良，等. 辽宁日光温室结构研究进展J. 北方园艺，2011(1)：6267. 4 葛一洪，王惠生，王清，等. 北方“四位一体”模式中日光温室结构的优化J. 西北农业学报， 2011， 20(5)： 172175. 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