太陽能輔助加溫系統(tǒng)對(duì)日光溫室內(nèi)溫度的影響

劉文合　蓋世臣

摘要：生態(tài)日光溫室是1種集太陽能輔助加溫、燃池輔助加溫、雨水回收利用、沼氣綜合利用等多位一體的新型現(xiàn)代化溫室。研究的生態(tài)日光溫室以合理的日光溫室結(jié)構(gòu)為主體，利用太陽能集熱器加熱水，并在地下散熱水管中循環(huán)散熱直接對(duì)溫室內(nèi)土壤進(jìn)行加熱，以達(dá)到降低耗能量、提高溫室內(nèi)溫度的目的。根據(jù)日光溫室的結(jié)構(gòu)和傳熱特點(diǎn)，利用穩(wěn)態(tài)傳熱理論和室內(nèi)熱量收支平衡原理，對(duì)溫室的熱量平衡進(jìn)行建模計(jì)算，通過計(jì)算機(jī)編程解算平衡方程，分析太陽能輔助加溫系統(tǒng)對(duì)日光溫室內(nèi)溫度的影響；經(jīng)連續(xù)試驗(yàn)，應(yīng)用面積為20m2集熱器可提高室內(nèi)溫度1.68 ℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，太陽能輔助加溫系統(tǒng)具有明顯增加室溫的效果。

關(guān)鍵詞：生態(tài)日光溫室；熱平衡；數(shù)值模擬；室內(nèi)溫度

中圖分類號(hào)： S625.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）03-0338-03

隨著世界常規(guī)能源減少，碳排放量減排要求增加，生態(tài)日光溫室的優(yōu)勢(shì)日益凸顯[1]。目前國內(nèi)主要通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)改進(jìn)和提高其保溫性、采光性[2]以及在土壤中添加有機(jī)釀熱物、地下熱交換[3]、電加熱[4]、太陽能加熱等方式提高日光溫室地溫以及室內(nèi)溫度。國外也有利用太陽能增加溫室地溫的研究，但他們研究的對(duì)象皆是大型溫室，與我國日光溫室性能差異很大[5-6]。本研究的生態(tài)日光溫室以水作為載熱和蓄熱介質(zhì)，白天利用太陽能集熱器加熱水，熱水經(jīng)管道儲(chǔ)存到保溫水箱內(nèi)，夜間經(jīng)由管道將保溫水箱內(nèi)的熱水循環(huán)至地下400 mm處管道，直接對(duì)溫室內(nèi)土壤進(jìn)行加熱，以提高溫室內(nèi)溫度。

1 生態(tài)日光溫室工程熱力學(xué)計(jì)算數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 熱平衡方程的建立

溫室是1個(gè)半封閉的熱力系統(tǒng)，它隨時(shí)受到室內(nèi)外諸多擾量的影響。其中室外擾量有室外空氣溫度、濕度、太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向等；室內(nèi)擾量包括采暖系統(tǒng)、照明及其他設(shè)備的散熱，作物及土壤散熱、散濕等。在這些擾量作用下，溫室內(nèi)的空氣始終保持著動(dòng)態(tài)熱平衡[7]。日光溫室日熱平衡應(yīng)為非穩(wěn)態(tài)，本研究關(guān)注的是月熱平衡，熱能流動(dòng)隨時(shí)間變化很小，因此可以采用穩(wěn)態(tài)。日光溫室白天利用太陽能采暖，夜間通過各種圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱。根據(jù)能量守恒定律，日光溫室的熱平衡為得熱量等于失熱量，其中作物在生產(chǎn)進(jìn)程中產(chǎn)生的熱量、設(shè)備發(fā)熱量忽略不計(jì)[8]。相關(guān)方程為：

2 試驗(yàn)方案

2.1 編程建模

通過制作腳本將熱平衡方程及相關(guān)公式編入程序內(nèi)，只須輸入溫室的幾何參數(shù)即可讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行一系列計(jì)算。軟件流程、操作界面分別如圖1、圖2所示。

2.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證平衡方程的正確性及所編軟件的可靠性，利用沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工廠化中心的遼沈Ⅰ型9#溫室的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。該溫室東西各長(zhǎng)50 m，方位為南偏西5°，剖面幾何參數(shù)如圖3所示。沈陽地區(qū)太陽輻射日平均輻射量 10 500 kJ/d[9]，測(cè)試期間前坡膜已使用2年，測(cè)試的透光率日均值約為50%[10]，換氣頻率為0.8次/h[11]，室外空氣的密度隨室外溫度而變，可以查熱力學(xué)表得到[12]，太陽能集熱系統(tǒng)熱效率根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取50%[1]。

墻體做法（由內(nèi)至外）：240 mm黏土磚+90 mm聚苯板+120 mm黏土磚。

后坡做法：20 mm厚木板+體積比1 ∶5白灰爐渣找坡（平均厚度80 mm）+25 mm厚度體積比1 ∶3水泥砂漿抹面+苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）防水材料。

前屋面覆蓋物采用保溫被。

2.3 溫室室內(nèi)外溫度采集

2013年12月至2014年1月，對(duì)本程序進(jìn)行了連續(xù)的試驗(yàn)，采用儀器HN-CHTR采集。Chino HN- CH 具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，Chino HN-CH 與計(jì)算機(jī)之間通過 RS-232C+RS-485 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。全天24h不間斷采集，采集到的數(shù)據(jù)為每隔1 h 1次的室內(nèi)外氣溫，通過整理數(shù)據(jù)得出全天的平均氣溫。由于試驗(yàn)是在完全動(dòng)態(tài)的情況下進(jìn)行的，在不同的室外溫度環(huán)境和太陽輻射情況下，每天測(cè)量的數(shù)據(jù)也不同，但是總體趨勢(shì)是不變的。為了驗(yàn)證不同天氣條件下平衡方程的準(zhǔn)確性及太陽能輔助加溫系統(tǒng)的加溫效果，本研究在2013年12月關(guān)閉太陽能輔助加溫系統(tǒng)，2014年1月開啟太陽能輔助加溫系統(tǒng)，將測(cè)量的數(shù)據(jù)作為代表，驗(yàn)證平衡方程，并就太陽能輔助加溫系統(tǒng)對(duì)溫室內(nèi)溫度的影響進(jìn)行討論。

3 結(jié)果與分析

3.1 平衡方程的準(zhǔn)確性

由圖4、圖5可看出，2013年12月，實(shí)測(cè)室外平均溫度為-8.03 ℃，模擬室內(nèi)平均溫度為18.21 ℃，實(shí)測(cè)的室內(nèi)平均溫度為16.92 ℃，每天平均氣溫的最大誤差為2.69 ℃，整月平均溫度誤差為1.3 ℃。2014年1月，實(shí)測(cè)室外平均溫度為-9.02 ℃，模擬室內(nèi)平均溫度為18.67 ℃，實(shí)測(cè)的室內(nèi)平均溫度為17.61 ℃，每天平均氣溫的最大誤差為1.39 ℃，整月平均溫度誤差為1.06 ℃。經(jīng)過2組試驗(yàn)的對(duì)比，可以看出模擬值與實(shí)測(cè)值基本吻合，所以本平衡方程的模擬結(jié)果是可信的，可以用來分析生態(tài)日光溫室內(nèi)溫度的變化規(guī)律，程序可以推廣應(yīng)用。

3.2 太陽能輔助加溫系統(tǒng)加溫效果

由圖4、圖5可看出，2013年12月，實(shí)測(cè)室外平均溫度為-8.03 ℃，太陽能集熱器面積為20 m2時(shí)，模擬室內(nèi)平均溫度為19.55 ℃；太陽能集熱器面積為0 m2時(shí)，模擬室內(nèi)平均溫度為18.21 ℃；太陽能集熱器面積為0m2時(shí)，實(shí)測(cè)的室內(nèi)平均溫度為16.92 ℃。2014年1月，實(shí)測(cè)室外平均溫度為 -9.02 ℃，太陽能集熱器面積為20m2時(shí)，模擬室內(nèi)平均溫度為18.67 ℃；太陽能集熱器面積為0 m2時(shí)，模擬室內(nèi)平均溫度為17.23 ℃；太陽能集熱器面積為20m2時(shí)，實(shí)測(cè)的室內(nèi)平均溫度為17.61 ℃。通過對(duì)比，2014年1月室外平均溫度比2013年12月室外平均溫度低0.99 ℃，但由于輔助加溫系統(tǒng)，室內(nèi)平均溫度卻高0.69 ℃，可見20 m2的太陽能集熱器可提高室內(nèi)溫度1.68 ℃。endprint

3.3 計(jì)算機(jī)軟件的推廣應(yīng)用

2014年1月，模擬室內(nèi)平均溫度比實(shí)測(cè)的室內(nèi)平均溫度高近1 ℃，誤差在合理范圍內(nèi)。因此，在設(shè)計(jì)建造溫室時(shí)，可以通過軟件計(jì)算出滿足溫室內(nèi)溫度要求時(shí)太陽能集熱器的面積，即輸入溫室的幾何參數(shù)及給定的室內(nèi)、外平均溫度便可計(jì)算出太陽能集熱器的面積。同時(shí)，當(dāng)太陽能集熱器的面積與溫室室內(nèi)、外平均溫度給定時(shí)，可計(jì)算出溫室的長(zhǎng)度、跨度、脊高等幾何參數(shù)，為溫室設(shè)計(jì)建造提供理論幫助。

4 結(jié)論與討論

利用太陽能輔助加溫系統(tǒng)可使溫室平均氣溫提高1.68 ℃，表明了該系統(tǒng)增溫效果是可行的。

本模型的建立可以估算生態(tài)日光溫室室內(nèi)平均溫度，輸入溫室及太陽能輔助加溫系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)及室外平均溫度即可得出室內(nèi)平均溫度，該方法方便可行，避免了大量的方程計(jì)算，簡(jiǎn)化了計(jì)算過程，使計(jì)算量大幅度降低。

太陽能輔助加溫系統(tǒng)的加熱效果與常規(guī)加熱系統(tǒng)相比具有節(jié)能、環(huán)保、生態(tài)的優(yōu)勢(shì)，而通過本模型的模擬及實(shí)測(cè)驗(yàn)證了太陽能輔助加溫系統(tǒng)的加熱效果，同時(shí)可準(zhǔn)確計(jì)算出滿足溫室內(nèi)溫度要求時(shí)太陽能集熱器的面積、溫室的幾何參數(shù)。這對(duì)溫室室內(nèi)溫度預(yù)測(cè)、溫室的設(shè)計(jì)建造具有重要意義。

在設(shè)計(jì)建造溫室時(shí)，應(yīng)抓住影響溫室環(huán)境的主要數(shù)據(jù)因素，通過溫室各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)整，滿足溫室的空間、溫度。

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