基于主動蓄熱循環系統的溫室性能試驗研究

王思文， 王文琪， 侯 靜

(內蒙古建筑職業技術學院機電與暖通工程學院，內蒙古呼和浩特 010070)

過去30年來，溫室在農業生產中的使用大幅增加。使用溫室的主要目的是延長栽培季節并獲得高產優質農產品。只有當室內溫度控制在最佳范圍內時，這些目標才有可能實現。加熱是在寒冷天氣條件下維持溫室氣溫的重要措施[1-3]。為了減少溫室供熱的能源消耗(尤其是化石燃料的使用)，并提高作物生長的可持續性，人們相當重視新型和可再生能源作為溫室取暖的替代手段。此外，從節能角度來看，經濟型儲熱系統及相關設備的高效開發與新型可再生能源的開發同樣重要。對于采用傳統燃料的封閉式供熱應用來說，后墻主動蓄熱是一種有吸引力且價格較低的替代方案。

傳統的日光溫室是一種被動的太陽能圍護系統，對加熱過程幾乎沒有人為干預。這種溫室中的所有傳熱過程都是自我調節的。與被動加熱相比，主動蓄能，再利用機械裝置(循環泵、風扇等)和材料(制冷劑、水、空氣、礫石等熱介質)改變傳熱和捕集過程可以提高能源利用率。我國太陽能溫室主要位于北方(32°N～41°N)。大多數溫室均是采用被動能量儲存和釋放的機制，其中北墻在白天攔截輻射能量并儲存溫室內部搜集的能量，并在夜晚進行釋放。通過這種被動能量傳輸和夜間高絕緣的溫度特性，即使在室外溫度為 -20 ℃ 的寒冷夜晚，溫室也不會結霜，但夜間溫室氣溫將下降至6～10 ℃[4-5]。荷蘭高產番茄生產要求夜間溫度不低于 18 ℃[6-8]，但在沒有任何輔助供暖系統的情況下，大多數中國種植者推薦8 ℃作為臨界夜溫用于溫室中的番茄種植。由于溫室的氣候控制能力有限，特別是在寒冷的冬季夜晚，要滿足水果、蔬菜和花卉生產的最佳溫度要求是不可能的[9-11]。

為了改善收集和釋放熱量結果，開發了一種低價格的主動儲熱系統，并研究了利用該系統的溫室熱性能。主動蓄熱系統的主要組件是后墻蓄熱體以及風機，作為傳熱介質的空氣能夠通過風機在溫室內與蓄熱后墻之間循環。

1 材料與方法

1.1 溫室和主動太陽能熱儲存釋放

選取呼和浩特市(40°N，111°E)進行溫室試驗研究，以確定主動蓄熱系統對溫室的影響。溫室東西向，長34 m，寬 8 m。脊高為3.8 m，北壁的高度為 2.6 m。北墻作為主動蓄熱墻。在試驗期間種植番茄。表1給出了溫室的結構參數。

表1 溫室結構參數

當主動蓄熱系統在夜晚工作時，由4個風機組成的送風系統，強制將蓄熱墻體內部與溫室空氣進行熱交換，白天將溫室熱量蓄入墻體中，晚上墻體中的熱量加熱溫室空氣[12-14]。

使用T型熱電偶測量溫度(精度為±0.2 ℃)。將3個受蓄熱墻體輻射的空氣溫度傳感器放置在距離北墻2、4、6 m、高度1.5 m的溫室中間。采用型號為CMP3、測量范圍為0～2 000 W/m2、光譜范圍300～2 800 nm、精度±0.5%的輻照表，測量與北墻垂直的太陽輻射，高度為1.5 m。所有溫度和太陽輻射水平均使用CR1000數據記錄器以10 min的間隔記錄。 使用環境傳感器(準確度：±0.2℃，RH：±2.5%)測量室外空氣溫度。使用電能表來測量水泵的電力消耗。

1.2 測試方法

在0、10、20、30、40 ℃的溫度下，使用低溫罐校準熱電偶。環境傳感器在空氣溫度為-20、-10、0、10、20、30、40 ℃時使用Assmann吸氣干濕表。

在特定時刻溫室收集的熱量由下式給出：

Qc=ρwCwvw(To-Ti)。

(1)

式中：Qc是收集的瞬時熱量，W；ρw是水的密度，kg/m3；Cw是水的比熱，J/(kg·K)；vw是系統的風機流量，m3/s；Ti和To分別是主動蓄熱系統的入口和出口處的溫度，℃。

在時間段τ期間溫室收集的總能量Ec(J)是：

(2)

瞬時釋放的能量Qr(W)是：

Qr=ρwvwCw(Ti-To)。

(3)

期間τ釋放的總熱量Er(J)為：

(4)

主動蓄熱系統的瞬時熱效率被定義為即時收集的熱能與可用太陽輻射的比率：

(5)

Ac表示溫室系統的有效集熱面積，m2；Ic表示與北墻表面垂直的太陽輻射強度，W/m2。由于收集的能量等于從收集器到溫室的熱損失中減去吸收的輻射能量，方程(5)可寫為：

(6)

式中：a是溫室表面圍護結構的吸收率，無量綱；kc是圍護結構與空氣之間的總傳熱系數，W/(m2·K)；Tplate是平均板溫度，℃。

期間τ的平均效率為：

(7)

式中：Es是期間τ達到的太陽能總量(J)。

蓄熱墻的能量平衡由空氣的流入和流出以及熱損失給出：

VρwCw=vwρwCw(To-Tw)。

(8)

式中：V是蓄熱墻體積，m3；To是從蓄熱墻入口到出口的平均溫度，℃；Ttank是后墻內部的平均溫度，℃。本研究忽略了良好隔熱水箱的熱損失。

使用歐拉正向方法，可以從時間τ的溫度計算τ+Δτ時刻的后墻內部溫度：

(9)

墻體的能量平衡基于以下等式與溫室頂相關聯：

(10)

1.3 主動蓄熱系統的經濟性能

性能系數(COP)是系統釋放的能量Er與系統的能量消耗Econ(風機耗電)的比值：

(11)

風機的功耗是系統唯一的能源消耗Econ。

Econ=Wpτp。

(12)

式中：Wp是水泵的電功率，W；τp是水泵總運行時間，s。

對主動蓄熱系統的經濟性能進行了分析，并基于與主動蓄熱系統相同的能源投入和試驗期間獲得的當地能源價格(電力、煤炭和天然氣)，與呼和浩特溫室采暖中普遍采用的3種傳統供熱系統進行了比較。主動蓄熱系統和其他供熱系統的采暖成本使用公式(13)、(14)、(15)計算：

(13)

CHx=ExPx；

(14)

(15)

式中：Ex是供熱系統x消耗的等價能量，由于在試驗溫室中為主動蓄熱系統，燃煤供熱系統(CFH)單位為kg，燃氣加熱系統(GFH)單位為m3；Cox是加熱系統x的能量轉換效率，單位為%；CVx是供熱系統x消耗的能源的比熱值，單位為 kJ/(kW·h)，kJ/kg為煤，kJ/m3為天然氣；Px是供熱系統x中能源的單位成本，單位為美元/(kW·h)，煤為美元/kg，天然氣為美元/m3；CHx是采暖成本，單位為美元；CHx,d,A是1 d 1 m2溫室面積的采暖成本，單位為美元/(m2·d)；Ag是試驗溫室面積，單位為m2；D是總加熱時間，單位為d。

2 結果與討論

2.1 試驗條件

本試驗的時間為2017年12月1—7日。通過采集的數據來說明主動蓄熱系統的行為。1 d周期定義為第1天 08：00 至第2天08：00。圖2顯示了室外空氣溫度的變化，北墻表面的太陽輻射和溫室氣體溫度的變化。這7 d包括4個晴天和3個陰天，在試驗期間，北墻表面的每日太陽輻射峰值從 400 W/m2到643 W/m2不等。溫室的透明覆蓋物能夠最大限度地提高太陽直接輻射的透射率。然而，由于存在不透明的北墻和屋頂，同時，冬季的太陽高度角最低，導致透明覆蓋物的熱量較低。這一趨勢表明，溫室內部氣溫主要取決于實時的太陽輻照度。

在08：00，2個溫室內的外部保溫毯被收回，16：00進行屋頂覆蓋。主動蓄熱系統在00：00開啟供暖。圖3顯示了試驗和參考溫室中的氣溫和7 d夜間的室外氣溫。主動蓄熱系統所產生的溫室平均氣溫在10.9～14.8 ℃之間，平均值為 12.09 ℃。參考溫室中的氣溫在3.4～10 ℃之間，平均值為6.5 ℃。在00：00—08：00的放熱期間，室外氣溫范圍為 -14～-5 ℃之間，平均值為-9.8 ℃。平均而言，主動蓄熱系統將夜間平均氣溫提高了5.6 ℃。盡管參考溫室沒有配備主動蓄熱系統，但由于外殼的絕熱以及北壁和土壤釋放的熱量，室內平均溫度仍比室外溫度高約16.3 ℃。

2.2 主動太陽能蓄熱釋放系統的技術性能

圖4顯示了7 d內蓄熱墻體中達到的溫度情況。墻體內溫度是系統運行情況的重要指標；因此，我們可以從墻體溫度解釋主動蓄熱系統的性能。主動蓄熱系統在16：00自動關閉。可以觀察到，每天的峰值溫度發生在20：00左右，之后蓄熱墻溫度開始下降。這種趨勢表明能量增益被溫室溫度的降低所抵消，并且蓄熱墻的能量含量開始下降。20：00以后，主動蓄熱系統開啟并開始釋放能量，導致蓄熱墻體溫度在7 d內從40 ℃降至21 ℃。

主動蓄熱系統的性能還可以通過熱搜集效率、利用效率和性能系數來評估。7 d的結果列于表2。熱收集效率Ec/Es在7 d內為51%至75%。這個范圍主要取決于2個溫室中的室外風速和通風水平，因為每天手動調整蓋子的開口并且室內空氣流量影響到溫室搜集到的太陽能。在整個測量期間，主動蓄熱系統的平均集熱效率水平達到了62%，這是因為主動蓄熱系統結構得到了改善，并且內部循環空氣變得更加均勻。

表2 累積收集的太陽輻射Es、釋放的能量Ec和風機消耗的電能Er

從溫室失去的能量與主動蓄熱系統釋放的能量來看，墻壁未覆蓋的區域以及地面土壤熱平衡。為了估計它們的相對貢獻，通過應用根據本研究中的絕緣毯(2 cm聚乙烯泡沫)的熱阻計算的恒定kb值[1.85 W/(m2·K)]來計算從溫室向環境損失的能量和南向屋頂內外表面的對流傳熱系數。由此產生的熱流在圖5中示出了2個特征夜。很顯然，由于蓄熱墻溫度降低，主動蓄熱系統釋放的熱量在夜間減少，并且熱量損失在一個恒定水平附近波動。未覆蓋的墻壁和地面土壤釋放的熱量是2條線的差異，它主要取決于風機的能量消耗，這與設備的流動阻力以及風道布置有關。對主動蓄熱系統進行了改進，減小壓力損失。但在實際應用中，風道仍然必須設計得更仔細，以盡量減少風機耗能。

2.3 主動蓄熱釋放系統的經濟性能

自2017年12月1—7日，主動蓄熱系統提供的能量為 2 048 MJ。試驗期間，主動蓄熱系統共消耗了163 kW·h(587 MJ)的電能。在本次研究中，試驗期間的電價高峰期和谷電價格分別為1.4元/(kW·h)和 0.45元/(kW·h)，而電力成本為1.02元/(kW·h)，因為主動蓄熱系統工作時間約為8 h。主動蓄熱溫室地面采暖成本為0.041 3元/(m2·d)。表3還說明了在測試期間的主動蓄熱系統、電力供暖、煤炭供暖和天然氣供暖系統的經濟性能比較結果。電供暖需要相當于596 kW·h的電力，煤炭供暖將消耗348 kg標準煤，而天然氣供暖將消耗203 m3天然氣(1個大氣壓時為249 kg)，以提供與主動蓄熱系統釋放到溫室相同的熱量。以主動蓄熱系統的采暖成本為100%，電力供暖、煤炭供暖和天然氣供暖系統的相對采暖成本分別為368.7%、71.8%、153.6%。電力供暖和天然氣供暖系統供暖成本比主動蓄熱系統分別高267.8%和53.6%，但煤炭供暖成本比主動蓄熱系統低28.2%。

在本研究中，主動蓄熱系統的初始總投資約為64.33元/m2。預計溫室番茄產量增加15%，回收期約為5年。此外，測試期間，種植者支付約0.041 3元/(m2·d)的運行費用，對主動供暖系統進行維護等相關工作，折舊費用可計算為約 0.017 6元/(m2·d)，設計壽命為10年。電力供暖、煤炭供暖和天然氣供暖系統的初始投資分別為 72.226、59.808、60.935元/m2。考慮到人工成本、維護成本和折舊費用等因素，假定電力供暖、煤炭供暖和天然氣供暖系統的指定壽命為15年，主動蓄熱系統、電力供暖、煤炭供暖和天然氣供暖系統的成本分別為 0.140、0.245、0.126、0.154元/(m2·d)。

表3 試驗期間使用不同能源的溫室采暖成本比較

主動蓄熱系統的供熱成本隨能源價格波動而變化，能源價格主要由供需決定，同時還有法規和運輸成本。盡管主動蓄熱系統的采暖成本高于煤炭供暖，但主動蓄熱系統的可再生節能特性和低二氧化碳排放的優勢，使得主動蓄熱系統成為北方地區溫室供暖的更好選擇，此外，主動蓄熱系統與其他傳統供暖系統的經濟比較需要根據與實際溫室供暖有關的投資成本、運營成本、維護成本和人工成本進行更全面的調查和分析，而不是參考住宅建筑。

3 結論

主動蓄熱系統用于在白天儲存太陽能，并在冬季夜間加熱溫室。試驗結果表明，主動蓄熱系統使溫室夜間氣溫平均升高5.6 ℃。主動蓄熱系統所產生的溫室平均氣溫在 10.9～14.8 ℃之間，平均值為12.09 ℃。

電供暖和天然氣供暖系統供暖成本分別比主動蓄熱系統高267.8%和53.6%，而煤炭供暖成本比主動蓄熱系統低28.2%。

主動蓄熱系統能夠較好地替代化石能源供暖的溫室，以實現北方大量溫室的整體能耗，實現綠色生態農業的發展目標。