日光溫室主動蓄放熱系統熱過程模擬與參數優化研究

毛爾曄,張瀟丹,頡建明,馬 寧,常有麟,胡世蓮

(甘肅農業大學 園藝學院,甘肅 蘭州 730070)

日光溫室具有經濟效益高、土地利用率高、節水省肥和作物栽培環境可控等特點,備受生產者歡迎[1-2]。日光溫室獨特的北墻結構是其區別于其他溫室類型的主要特征之一,它通過白天蓄積溫室中富余的能量,夜間向室內釋放熱量,維持溫室溫度,為作物生長創造適宜的溫度條件[3-4]。

然而,由于設計參數、墻體材料及結構、建造方式、使用年限等原因,一些日光溫室的墻體蓄放熱能力十分有限,墻體在白天蓄積的熱量無法滿足夜間作物正常生長的溫度要求,許多溫室存在夜間低溫冷害,甚至凍害的問題[5-7]。為日光溫室設計配套的夜間加溫設備有助于其向寒冷地區的推廣應用。利用太陽能為日光溫室進行加溫是近幾年的一個研究熱點。冬季北方地區到達日光溫室北墻表面的太陽輻射能僅有約20%～30%可以被墻體吸收并有效地釋放回溫室中[8]。提高溫室對太陽能的利用效率,利用太陽能為日光溫室進行夜間加溫有廣闊的研究和應用前景。水是自然界比熱容較大的物質,具有廉價易得、安全環保、物理化學性質穩定的優點,是能滿足太陽能熱儲存一般要求的最佳液體材料[9]。有學者將太陽能和水結合,研制出了用于冬季夜間為日光溫室加熱的主動式水循環蓄放熱系統。張義等[10]設計了一種三層膜水幕簾太陽能主動蓄放熱系統,當外界氣溫低至-12 ℃時,該裝置仍可保證溫室氣溫高于16.3 ℃。方慧等[11-12]研究了使用雙黑膜PE板和金屬膜作為系統集熱器時水循環系統的加熱效果,結果表明,金屬膜集/放熱裝置性能最優,可提高夜間溫室最低溫度2.4 ℃,相比電加熱節能72.6%。李一明等[13]對比了太陽能水介質蓄放熱系統、傳統磚墻和空苯板箱的蓄放熱性能,發現水介質蓄放熱系統建造成本低,運行效果好,可以顯著改變溫室內作物生長環境。艾則麥提·圖爾洪等[14]研究了網狀集散熱水循環系統加熱對溫室溫度變化的影響,結果表明,晴天水循環系統可提高溫室夜間平均溫度1.7～2.1 ℃,且相比燃煤熱風爐加熱年節約成本11 914.13元。太陽能主動蓄放熱加溫方式可以充分利用太陽能資源,有助于提高太陽能利用效率、發揮日光溫室節能特征、提升日光溫室綜合生產性能[15]。然而,現有關于日光溫室太陽能主動式水循環蓄放熱系統的研究,其初始設計參數大多基于簡單計算確定。儲熱裝置的體積和循環水泵的流量依據溫室對熱量的需求和集放熱裝置對水量的需求估算確定,導致初代系統對太陽能的利用率較低。

本文設計了一種簡易的主動式水循環蓄放熱系統,設計了系統單元運行試驗,通過模擬其運行時熱量的轉移過程構建了數學模型。利用模型,基于蘭州地區日光溫室冬季生產環境條件,優化了系統的設計參數,提升了系統集放熱效率,為蘭州地區EPS裝配式日光溫室冬季夜間輔助加溫系統設計參數的確定提供了數據參考。

1 材料與方法

1.1 主動蓄放熱系統設計及工作原理

試驗設計的太陽能主動蓄放熱系統由集/放熱器、供回水管路(主、支管)、蓄熱水箱、循環水泵、控制器組成。系統基本工作原理為:日間,水循環系統與太陽能集熱器進行能量交換,將太陽能以熱能的形式儲存于蓄熱水箱;夜間,儲存的熱能通過循環水從蓄熱水箱送至放熱器,進行溫室加溫。

系統結構如圖1、圖2所示。集/放熱器采用不銹鋼材料,集/放熱單元面積為2.27 m2。蓄熱水箱有效體積為0.288 m3,外表面使用10 cm厚聚苯板包裹做保溫隔熱處理。供回水管道采用PVC管件,主管、支管管徑分別為30 mm和16 mm,管道均做隔熱處理。循環水泵功率為0.37 kW,額定流量1 m3·h-1,使用控制器控制循環水流量。

1,集/放熱裝置;2,蓄熱裝置;3,供水管路;4,回水管路;5,支管;6,水閥;7,水泵;8,出水孔;9,水流;10,擋板。1, Heat collector/releaser; 2, Heat storage device; 3, Water pipes; 4, Return line; 5, Branch pipe; 6, Water valve; 7, Water pump; 8, Water outlet; 9, Water flow; 10, Baffle.圖1 主動式水循環蓄放熱系統結構圖Fig.1 Structure of the active water circulation heat storage and discharge system

圖2 主動蓄放熱系統單元實物圖Fig.2 Physical picture of the active heat storage and discharge system unit

該水循環蓄放熱系統的簡易性體現于集/放熱單元為不銹鋼金屬扁盒,高度2.05 m,寬度1.105 m,厚度3 cm。應用于日光溫室時,集/放熱器安裝于溫室后墻內表面,用于集取/釋放太陽能的集/放熱表面為金屬盒暴露于室內空氣中的南向表面。集/放熱表面外側噴涂黑色亞光油漆。其他表面包裹10 cm厚聚苯板作隔熱處理。此時,除集/放熱表面,其他表面均可視為絕熱表面。

供水支管貫通金屬盒頂部,支管上間隔2 cm排列孔徑1 mm的小孔,通過循環水泵運轉使各小孔形成向下30°的均勻射流,噴射至集/放熱表面內側,射流與集/放熱表面形成60°夾角。為保證多股射流在集/放熱表面內側形成均勻水膜,在盒內供水支管下方1 cm設置一道與集放熱表面呈60°夾角的金屬擋板,擋板上側固定于金屬盒絕熱表面,下側邊緣與集放熱表面間距1 mm,擋板、支管,及集/放熱金屬盒相對位置如圖1-B、C所示。

1.2 主動蓄放熱系統運行模型構建

太陽能主動蓄放熱系統通過水循環實現能量時空轉移。水循環過程涉及集/放熱器、供回水管路及蓄熱水箱3個模塊。由于供回水管路均做隔熱處理,水對能量的集取與耗散發生于集/放熱器和蓄熱水箱,因此,該太陽能主動蓄放熱系統運行模型由集/放熱器能量收支方程與蓄熱水箱能量收支方程組成。

金屬盒集/放熱器內部的水通過對流與集熱表面內側進行熱交換,這部分熱量來源于集熱表面外側的綜合得熱,包括太陽輻射的熱、長波輻射的熱及集熱表面與外界空間之間的對流換熱。因此,一段時間Δt內,集/放熱器的能量收支可以表述為:

(1)

對于蓄熱水箱,能量發生變化的途徑是循環水的流入和流出,在宏觀上體現為箱內水溫的變化,因此,Δt內水箱的能量收支可以表述為:

(2)

式(2)中:Ttank,out,(t+Δt)為(t+Δt)時刻從集熱器流入蓄熱水箱的水的溫度,℃;Ttank,in,t為t時刻蓄水箱中的進水溫度,℃;Mtank為蓄熱水箱中水的總質量,kg;Ttank,t為t時刻蓄熱水箱內的水溫,℃。由于供回水管路均隔熱良好,因此,一次循環中,水箱的進水溫度和出水溫度分別等于集放熱器的出水溫度和進水溫度。

對于集放熱表面,由于其厚度僅為0.7 mm,且不銹鋼材料具有較大導熱系數(16.2 W·m-1· ℃-1),因此可忽略其儲能作用。在此情況下,集/放熱表面始終處于能量平衡,其溫度可通過外界環境因子和集熱器內部循環水熱狀況計算[18]:

(3)

式(3)中:It為t時刻垂直到達集/放熱表面的太陽輻射強度,W·m-2;Tin,t為t時刻系統周圍環境溫度,℃;Tp,in,t和Tp,out,t分別為t時刻集/放熱器的進水溫度和出水溫度,℃;hin為集/放熱表面內側傳熱系數,可通過下式計算:

(4)

式(4)中:kw為水的導熱系數,W·m-1·℃-1;L為集/放熱單元的高度,;Nu為集/放熱表面內側水層的努塞爾數[19-20]:

(5)

式(5)中:vf為水幕流速,m·s-1;ρ為水密度,kg·m-3;u0為水動力黏度,pa·s;Pr為普朗特數。

已知系統配備的循環水泵流量(集/放熱器循環水的體積流率),可推出集熱器內的水幕流速和質量流率:

(6)

(7)

式(6)、(7)中:V為集/放熱器中循環水的體積流量,m3·s-1;w為集/放熱器的寬度,m;d為集/放熱器內表面水幕的厚度,m。

以一天內外界氣溫與太陽輻射作為周期性邊界條件,假設主動式蓄放熱系統的初始水溫為10 ℃,以Δt=30 s為時間步長進行迭代,確定若干個周期內系統水溫變化。當相鄰周期的蓄熱水箱內水溫差值小于0.001 ℃時,可認為模型模擬結果與實際水溫變化情況一致。

2 主動蓄放熱系統運行模型驗證與參數優化設計

2.1 系統模型驗證

2.1.1 系統單元運行試驗及數據測定

系統單元運行試驗于2021年8月1日至2021年9月20日開展,測試單元搭建于蘭州市安寧區甘肅農業大學,試驗場所采光條件較好,除天氣變化外無其他因素影響試驗光照條件。

系統搭建過程中發現:當集/放熱裝置中循環水流量過小時,從支管小孔中噴射的水流將匯聚成股流下,集/放熱表面內側無法形成均勻水幕,導致太陽能利用效率降低。通過調節流量,確定使集/放熱單元形成均勻水層的最小流量為0.23 m3·h-1。

采用Lascar Electronics公司生產的EL-USB-1-PRO 型溫度數據自記儀測定蓄熱水箱水溫,EL-USB-2溫濕度記錄儀測定試驗場所周圍環境氣溫,測試時間間隔為5 min。使用LI-6400便攜式光合測定分析儀測量垂直到達集/放熱器表面的太陽輻射值,測試時間間隔為30 min。

2.1.2 模型驗證

采用2022年8月26日(晴天)的測試數據驗證主動蓄放熱系統運行模型的準確性。圖3為一天內蓄熱水箱中水溫變化的實測結果和模擬結果。預測值與實測值吻合良好,均方根誤差(RMSE)、平均絕對誤差(MAPE)和決定系數(R2)分別為2.24 ℃、0.17%、0.88。本研究所建模型能夠準確預測主動式水循環蓄放熱系統運行過程中水溫的變化情況。

圖3 蓄熱水箱水溫實測值和預測值隨時間變化曲線Fig.3 The curves of the measured and predicted water temperature of the hot water storage tank with time

2.2 系統參數優化

根據所建模型可知,蓄熱水箱體積影響主動蓄放熱系統的儲熱能力,而集/放熱器內循環水的流速影響能量的汲取和釋放速率。本研究初步設置的系統參數均是基于經驗和簡單計算確定[11],為了進一步提高太陽能利用效率,提升系統性能,利用所建模型,基于蘭州地區冬春季節日光溫室生產條件對系統蓄熱水箱體積和循環水流量參數進行優化。

日光溫室夜間低溫階段,主動蓄放熱系統利用循環水泵將蓄熱水箱中的熱水運輸至集熱板,通過對流、輻射方式向溫室空間供暖。當溫室內夜間氣溫不低于10 ℃時,園藝作物可正常生長發育。同時,利用日光溫室光環境模型計算蘭州地區極端低溫日(2022年1月31日)的日光溫室室內太陽輻射[21-22],如圖4為當日太陽輻射強度和氣溫變化情況,氣溫數據為實測數據,使用Lascar Electronics公司生產的EL-USB-2型溫濕度數據自記儀測定。

圖4 EPS日光溫室室外氣溫和太陽輻射強度隨時間變化曲線Fig.4 EPS solar greenhouse outdoor air temperature and solar radiation intensity with time curve

系統循環水流量和蓄熱水箱體積是影響系統向溫室空間放熱的兩個重要參數:系統循環水流量越大,夜間時段系統通過放熱裝置向溫室空間釋放熱量的速度越快,即熱流密度越高;而蓄熱水箱體積的大小影響系統儲存熱量的多少。因此,基于上述環境條件,開展主動式水循環蓄放熱系統模擬運行可以優化系統初始設計的經驗參數。利用模型預測得到的集/放熱裝置表面溫度,可計算該系統向溫室空間放熱的熱流密度q:

q=hout(TS-Tin)。

(8)

系統以初始設計的經驗參數運行時,夜間放熱階段集/放熱器平均熱流密度為229.11 W·m-2。改變初始設計的蓄熱水箱體積(0.288 m3)開展模擬運行。圖5-A為不同蓄熱水箱體積下夜間時段集/放熱器的平均熱流密度。由圖可知,當蓄熱水箱的體積為0.13 m3時,集/放熱器的熱流密度最大,為237.84 W·m-2,即蓄熱水箱最佳體積為0.13 m3。

圖5 蓄熱水箱體積(A)和系統循環水流量(B)對集/放熱器放熱階段熱流密度的影響Fig.5 Effect of hot water storage tank volume (A) and system circulating water flow rate (B) on heat flow density in the exothermic phase of the heat collector

蓄熱水箱體積為0.13 m3時,改變初始設計的系統循環水流量0.23 m3·h-1,開展模擬運行。圖5-B為不同循環水流量下夜間時段集/放熱器的平均熱流密度變化情況。由圖可知,系統夜間平均放熱密度隨循環水流量增大而增大,且增大趨勢逐漸變緩。系統循環水流量每增加0.1 m3·h-1,集/放熱器平均熱流密度只能增加0.22～0.38 W·m-2,增大循環水流量對集/放熱器熱流密度的影響較小,考慮到在實際生產應用中,循環水流量增大會導致系統日常運行成本增加,取0.23 m3·h-1為最佳流量。即當蓄熱水箱體積為0.13 m3,系統循環水流量為0.23 m3·h-1時,系統性能最佳,夜間集/放熱器平均熱流密度為237.84 W·m-2,較初始設計增加3.81%。

2.3 系統性能分析

定義系統運行時白天蓄熱水箱內儲存的熱能Q蓄和到達集/放熱表面的太陽輻射能Q日之比為系統集熱效率η集熱:

(9)

式(9)中:ΔT升為一天內集熱階段水箱內水溫的上升值,℃。

系統在夜間向溫室空間釋放的熱能Q放和白天蓄熱水箱中蓄積的熱能Q蓄之比為系統的放熱效率η放熱:

(10)

式(10)中:ΔT降為一天內系統放熱階段蓄熱水箱內水溫的下降值,℃。

表1為優化前后主動式水循環蓄放熱系統的集放熱效率計算結果。由表可知,優化后系統蓄熱效率為70.62%,放熱效率為98.38%,較基于經驗設計的系統的效率分別提高了4.29百分點和6.17百分點。

表1 優化前后集放熱系統蓄放熱性能對比Table 1 Comparison of heat storage and discharge performance before and after optimization of heat collection and discharge system %

3 EPS裝配式日光溫室加溫方案設計

3.1 EPS裝配式日光溫室結構

EPS裝配式日光溫室具有易裝配、低成本、建造周期短的優點,但蓄熱保溫性能較差,無法應對西北地區冬春季日光溫室生產環境。利用所建模型,為EPS裝配式日光溫室設計主動式水循環蓄放熱系統。EPS裝配式日光溫室位于甘肅省蘭州市蘭州新區農投集團蔬菜生產園區(36.73°N,103.27°E)。溫室坐北朝南,長80 m,脊高4.6 m,跨度10 m,北墻高3.6 m,前屋面覆蓋0.10 mm厚PO膜和5 cm厚保溫被,保溫被由防水防曬牛津布制作,外層為強拉力氈,內層為纖維頭混紡保溫氈,北墻和山墻使用50 mm聚苯乙烯泡沫板+150 mm混凝土+50 mm聚苯乙烯泡沫板建造,后屋面建筑材料使用150 mm厚聚苯乙烯泡沫板。該溫室栽培模式為基質無土栽培,地面鋪設20 cm厚蛭石。

3.2 溫室熱負荷及加溫裝置設計參數計算

日光溫室的熱量損失主要由冷風滲透熱損失、圍護結構熱損失和地面熱損失三部分構成,溫室加溫熱負荷Q計算式如下[23-24]:

Q=Q1+Q2+Q3。

(11)

式(11)中:Q1為日光溫室冷風滲透熱損失,W;Q2為日光溫室圍護結構(墻體、棚膜、保溫被、后屋面等)熱損失,W;Q3為溫室地面熱損失,W。由于溫室地面鋪設20 cm厚的蛭石,蛭石導熱系數為0.16 W·m-1·℃-1,是良好的保溫隔熱材料,因此溫室地面熱損失可忽略不計,即Q3=0。

溫室冷風滲透熱損失可由下式計算:

Q1=0.5KVN(Ti-T0)。

(12)

式(12)中:K為風力因子;V為溫室空氣體積,m3;N為溫室內每小時換氣次數,取0.2次·時-1;Ti為溫室室內設定溫度,℃;T0為溫室室外實測氣溫,℃。

溫室圍護結構熱損失可由下式計算:

(13)

式(13)中:uj為第j種圍護結構的傳熱系數,W·m-2·℃-1;Aj為第j種圍護結構的表面積,m2。

多層復合圍護結構傳熱系數u的計算公式為

(14)

式(14)中:δi為第i層圍護材料的厚度,m;λi為第i層圍護材料的導熱系數,W·m-1·℃-1;Hin為圍護結構內表面的對流換熱系數,取12.96 W·m-2·℃-1;Hout為圍護結構外表面對流換熱系數,取13.76 W·m-2·℃-1[25-26]。表2列出了計算用到的溫室圍護結構熱工性能參數。

表2 溫室圍護結構的熱工性能參數Table 2 Thermal performance parameters of greenhouse enclosure materials

極端低溫日為日光溫室供熱需求最大的一天。2022年1月31日,蘭州地區出現最低溫-21.5 ℃,室外氣溫詳細變化情況如圖4溫度數據所示。為了保證園藝作物的正常生長發育,需通過輔助加溫將溫室內夜間氣溫(16:30—次日10:30)最低保持在10 ℃。在此環境條件下,計算EPS裝配式日光溫室的夜間加溫熱負荷。圖6為極端低溫日溫室夜間逐時熱負荷計算結果,由圖可知,極端低溫日EPS裝配式日光溫室的夜間平均熱負荷為26.7 kW。

圖6 溫室夜間逐時熱負荷變化圖Fig.6 Greenhouse night-time hour-by-hour heat load variation graph

根據優化后的系統參數和EPS裝配式日光溫室熱負荷,可確定溫室加溫裝置的設計參數。當蓄熱水箱體積與循環水流量為0.13 m3和0.23 m3·h-1,系統單元夜間平均放熱密度為237.84 W·m-2。因此,能夠為EPS裝配式日光溫室生產創造適宜溫度環境的集/放熱裝置面積為112.26 m2,集/放熱單元數量為50個,蓄熱水箱體積為6.5 m3,循環水總流量為11.5 m3·h-1。基于經驗確定的系統參數在達到相同加熱效果的情況下,需要的集/放熱裝置面積為116.54 m2,集/放熱單元數量為52個,蓄熱水箱體積為15.0 m3。以優化后的系統參數確定的溫室加溫裝置比優化前減少2個集熱單元,節省蓄熱水箱體積8.5 m3,可至少節省溫室加溫成本2 275元(集/放熱單元220元·m-2,蓄熱水池150元·m-3)。

4 結論

主動式水循環蓄放熱是高效利用太陽能的途徑。本研究通過模擬主動式水循環蓄放熱系統的能量傳遞過程,構建了系統運行模型;對基于經驗設計的水循環蓄放熱系統進行參數優化,提高了系統性能。結論如下:

1)所建模型能夠準確預測主動式水循環蓄放熱系統中水溫變化。預測值與實測值的RMSE值為2.24 ℃,MAPE值為0.17%,R2值為0.88。預測結果與實測結果相符。

2)利用該模型優化主動式水循環蓄放熱裝置運行參數,可使夜間平均放熱速率達237.84 W·m-2,較優化前提高了3.81%;集/放熱效率分別達到70.62%和98.38%,較優化前分別提高了4.29百分點和6.17百分點。

3)為長80 m的EPS裝配式日光溫室設計冬季夜間輔助加溫方案,可以確定能保證溫室夜間平均氣溫不低于10 ℃裝置設計參數為:集/放熱器面積112.26 m2,集放熱單元數量為50個,蓄熱水箱體積6.5 m3,循環水總流量為11.5 m3·h-1。