溫室太陽能熱水系統夏季調溫性能的研究

■ 王春彥 張洪海 彭爾瑞

溫度是動植物生長的重要生態條件之一，為了獲得最佳的作物生長溫度，抵御室外的極端氣候條件，溫室必須配備合適的增溫和降溫系統。對大多數溫室來說，夏季白天采用換氣、遮光、灑水、室內噴霧就可以降溫[1]。農業溫室增溫和降溫消耗的能源接近歐洲能源總預算的1.5%，在南歐國家，增溫消耗占溫室總運行費用的30%[2]。近十年來，采用太陽能替代常規能源為溫室加熱，已開始進入商業化階段[3]。然而，由于栽培或養殖對象生長條件各不相同，并且各地氣候、土壤、水分等自然條件及社會經濟狀況千差萬別，難以找到一種普遍有效的太陽能增溫模式和方法。太陽能的不穩定性、增溫系統的經濟性、低溫供熱的局限性及耕作習慣等使得太陽能增溫尚未引起國內研究人員的重視。

一 材料與方法

1 溫室特征

溫室為南北向，設立在一幢二層鋼筋混凝土樓房的二樓某一屋面上，南北長10.34m，東西長4～4.67m，凈面積45.09 m2，東、西、南、頂四面為玻璃鋁合金結構，北面為磚墻，屋頂傾角25?。南側24.14 m2為養殖溫室，北側20.95 m2為育苗溫室，養殖溫室的溫度比種植溫室的低1.20℃。

2 太陽能熱水系統特征

太陽能熱水調溫系統采用實用新型專利全方位立體面透光太陽能熱水器[4](專利號ZL 93212192.6，設計人劉群生，王廷漢)組成，是一種由透明玻璃材料和底座組成的，能全方位呈立體面接收太陽入射光的悶曬式太陽能熱水器。占地0.23m2的太陽能熱水器，日產熱水30～35kg，取太陽入射角為0時的最大投影面積為采光面積測試得到熱水器的平均日效率d = 59.92%，平均熱損系數UL=35.16W/(m2·℃)[5]。

3 方法

在溫室內布置4臺全方位立體面透光太陽能熱水器，每臺容水133kg，太陽能熱水器布置在北墻一側地面上和溫室中央槽鋼支柱之間的地面上。實驗時間為某年4月1日～5月17日，主要儀器有標準溫度計、TBQ-2-總輻射表、RYJ12日射記錄儀、WXY-1A溫度巡檢儀及其他輔助器材。

二 太陽能熱水系統夏季調溫性能

1 夏季白天的降溫潛力

由于未建設對比溫室，實驗采用遮蓋室內熱水器的辦法對比考查增溫系統的降溫潛力。處理數據時，一是綜合分析白天室內溫度的變化趨勢；二是將室內中央的測試點與熱水器附近測試點處的溫度進行對比；三是選用實驗條件相同——關閉全部門窗，室外溫度和太陽輻照度近似相等的數據點進行對比。實驗中，溫室每平方米占地面積平均占有1.17m3空間，每平方米溫室配置13.27kg熱水。經測試，室內白天的最高氣溫推遲2～3小時，室內氣溫的最高值降低2℃～3℃，室內的平均氣溫降低1℃～3℃(見表1)，降溫效果更加明顯。

2 太陽能熱水調溫系統夏季夜間的增溫效果

表1 遮蓋與采用太陽能熱水系統時溫室內溫度對比

對溫室太陽能熱水系統調穩性能的研究，主要是研究增溫系統夜間的增溫效果。經過一個多月的測試，夜間存在局部通風換氣時，室內溫度比室外溫度高2℃～4℃；使用聚苯乙烯泡沫密封通風孔和間隙時，夜間室內氣溫比室外高3℃～7℃。圖1表示5月某天溫室內平均溫度、室外環境氣溫在一天中的變化。

實驗表明：夜間20時以后至次日晨6時30分以前，室內局部氣溫比室外溫度高2℃～7℃，室內平均氣溫比室外溫度高出2.91℃～5.38℃，室內氣溫比室外最低氣溫高4.68℃。由于實驗溫室地面為鋼筋混凝土，貯熱性能遠不如土壤，通過估算，適當增加熱水量，輔以地下埋管提高地溫，一部分夜間提高室溫，一部分夜間提高土壤溫度，有望提供80%以上熱負荷需求。

三 結論與討論

1 全方位立體面透光太陽能熱水器平均日達60%左右，高于一般平板型熱水器(不低于45%)，平均熱損系數在30～40W/(m2·℃)，大于一般悶曬式熱水器(不高于13.0W/(m2·℃)。白天熱效率高，夜間散熱快，用于被動式太陽能溫室貯熱調溫，可充分發揮低溫熱水調溫的優勢。

2 太陽能增溫系統白天的降溫效果主要體現在三方面：一是使全方位立體面透光太陽能熱水器周圍的氣溫明顯降低，主要表現為熱水器附近的測試點處白天溫度低于距熱水器遠一些的測溫點處的溫度；二是使溫室內平均氣溫的最高值由下午2～3時推遲到下午4～6時；三是通過相同實驗條件、相似氣象條件下遮蓋熱水系統與使用熱水系統兩種情況對比，采用熱水系統可使室內氣溫降低1℃～3℃。

3 根據M.Santamouris el at.1994年[2]對歐共體內95間被動式溫室太陽能增溫系統的統計研究表明：采用透明水袋貯熱時，按0.23～0.46m3/m2水量配備，室內氣溫比室外高2℃～15℃[6]。而實驗中采用熱水系統調溫，以0.01327m3/m2的水量配備，獲得比室外環境溫度高3℃～7℃的增溫效果。顯然，實驗中的太陽能熱水系統夜間的增溫效果是十分理想的。

4 由于實驗條件的限制，太陽能熱水系統冬春季節的調溫效果，尤其是冬春季節的太陽能供暖率，尚有待進一步研究。然而，在云南冬春季集熱條件比夏季優越，加之室外環境溫度低，增溫系統的初水溫相對較低，集熱效果更好。由于云南山地占94%，地勢起伏大，機械耕作和交通不便，現代化的連棟智能溫室[7]應用推廣難度大。通過進一步的研究和優化設計，有望提出一種適合云南及我國南方地區推廣使用的溫室太陽能調溫模式。

[1] 翁瑞光.溫室栽培技術中熱能的應用[J].農業與技術，2012，32（6）：178－179.

[2] 被動式太陽能溫室技術和系統的分類及評價[J].新能源，1996，19（1）：13－25.

[3] R.T.Fuller.Heating commercial greenhouses with solar energy[M].Australia: Agricultural Engineering Center Department of Agriculture and Rural Affairs, 1990.

[4] 劉群生.一種改進型全方位立體面透光太陽能熱水器[P].中國：97203882.5，1997.

[5] 王春彥.玻璃溫室新型太陽能集熱調溫系統的實驗研究[D].昆明：云南師范大學，1999：10－11.

[6]M.Santamouris, C.A.Balaras, E.Dascalaki, and M.Vallindras.Passive solar agricultural greenhouses: a world classification and evaluation of technologies and systems used for heating purposes[J].Solar Energy, 1994, 53 (5): 411－426.

[7] 蔡龍俊，馮哲雋.連棟溫室熱水供熱系統散熱管道傳熱系數的計算與測試[J].農業工程學報，2003，19(3)：196－199.