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三種太陽能溫室水蓄放熱系統的比較分析

來源:沈陽農業大學 作者:李永璽
發布于:2021-04-17 共6618字

  摘    要

  
  日光溫室是高效節能型的園藝設施,其墻體在保溫蓄熱方面起到非常重要的作用,對溫室熱環境有直接的影響。傳統日光溫室的墻體以磚墻、土墻等為主,但是其墻體結構的蓄熱能力有限,夜間放熱量不足,不能夠持續穩定地進行放熱,會影響作物的正常生長發育。由于水作為自然界中比熱容大,且易于流動和傳熱的物質,非常適合作為蓄放熱介質。利用水作為蓄熱系統的儲熱介質進行太陽能的收集,用于提高溫室夜間的氣溫或地溫是具有重要意義的。



三種太陽能溫室水蓄放熱系統的比較分析
 

  
  本研究通過對比三種水蓄放熱系統(太陽能集熱板水循環蓄放熱系統、太陽能水管水循環蓄放熱系統、太陽能水箱蓄放熱系統)與傳統磚墻蓄放熱系統之間以及對比不同水蓄放熱系統之間的蓄放熱性能,來明晰水蓄放熱系統對溫室內部環境的作用效果與作用規律。在不同的天氣情況條件下(晴天、陰天),對比水蓄放熱系統與傳統磚墻蓄放熱系統的蓄放熱性能,明晰水蓄放熱系統與傳統磚墻蓄放熱系統的差異;在典型晴天和典型陰天的條件下,對不同的水蓄放熱系統進行對比,明晰哪種水蓄放熱系統性能更佳。
  
  根據以上試驗,得出以下主要結論:
  
 。1)水蓄放熱系統的集放熱能力優于傳統磚墻的集放熱能力。
  
 。2)在典型晴天和陰天的條件下,太陽能集熱板水循環蓄放熱系統的集放熱性能都是最佳的。
  
 。3)太陽能集熱板在晴天條件下,集熱性能可達到1.19 MJ·m-2h-1,放熱性能0.6 MJ·m-2h-1,在陰天條件下,集熱性能0.55 MJ·m-2h-1,放熱性能0.26 MJ·m-2h-1。
  
 。4)設計了一套水循環蓄放熱系統,以期為水蓄放熱系統的設計以及仿真建模提供理論依據。
  
  關鍵字:    日光溫室;太陽能;水蓄放熱系統;性能分析 。
  

  Abstract

  
  Chinese solar greenhouse is an efficient and energy-saving horticultural facility. Its walls play  a  very  important  role  in  heat  preservation  and  storage  and  have  a  direct  impact  on  the greenhouse thermal environment. The wall of the traditional solar greenhouse is mainly brick wall,  earth  wall,  etc.,  but  its  wall  structure  has  limited  heat  storage  capacity  and  insufficient heat  release  at  night,  so it  cannot  continuously  and  stably  release  heat,  which  will  affect  the normal growth and development of crops. As a material with large specific heat capacity and easy flow and heat transfer in nature, water is very suitable for heat storage and release. It isof  great  significance  to  use  water  as  the  heat  storage  medium  of  the  heat  storage  system  to collect  solar  energy  and  improve  the  temperature  or  ground  temperature  at  night  in  the greenhouse.
  
  This  study  by  comparing  three  kinds  of  heating  water  thermal  storage  system  (solar panels, water storage and solar water heating system water cycle regenerative heating system, solar  water  heating  system  storage)  and  traditional  brick  wall  heat  storage  system  and  the contrast  between  different  heat  storage  performance  of  regenerative  heat  system  between water,  clear  water  heat  storage  system  to  law  of  greenhouse  effects  and  roles  of  internal environment.  Under  different  weather  conditions  (sunny  days  and  cloudy  days),  the  heat storage  and  release  performance  of  the  water  storage  and  release  system  and  the  traditionalbrick wall storage and release system are compared to clarify the difference between the water storage  and  release  system  and  the  traditional  brick  wall  storage  and  release  system.  Under the  condition  of  typical  sunny  day  and  typical  cloudy  day,  different  water  storage  and  heat release  systems  are  compared  to  clarify  which  water  storage  and  heat  release  system  has better performance.
  
  Based on the above tests, the following conclusions can be drawn:
  
  (1) The heat collection and release capacity of water storage and release system is better than that of traditional brick wall.
  
  (2)  Under  different  weather  conditions,  the  collection  and  heat  release  performance  of the water circulation storage and heat release system of solar panels is the best.
  
  (3)  The  solar  thermal  collector  can  achieve  1.19MJ·m-2h-1  heat  collection  performance and  0.6MJ·m-2h-1  heat  release  performance  under  sunny  conditions,  and  0.55MJ·m-2h-1  heat collection performance and 0.26MJ·m-2h-1 heat release performance under cloudy conditions.
  
  (4) A set of water cycle heat storage and release system is designed in order to provide a theoretical  basis  for  the  design  and  simulation  modeling  of  water  heat  storage  and  release system.
  
  Keywords:    solar greenhouse; solar energy; water storage and heat release system; performance analysis。
  

  1、前言
 

  
  1.1、研究背景。
  

  自20世紀80年代起,日光溫室作為一種作物栽培設施在我國北方寒冷地區迅速發展。因其打破了傳統農業地域和季節的自然限制,可以為作物全年正常生產提供必要的條件,并且可以滿足農業作物在正常生長發育條件下的所需外界氣候環境條件(劉志杰,2007)。在我國設施園藝的發展過程中,日光溫室起到了非常關鍵的作用,已經發展成為我國北方寒冷地區最為重要的園藝設施。由于其具有高效、節能和低成本等特點,規模逐年擴大,尤其是在近幾年內,建筑面積呈現出快速增長的趨勢(劉博文,2018)。
  
  截至到2018年,我國日光溫室的土地建筑面積已經達到95.8萬hm2(束勝,2018)。伴隨著社會的發展,為了能夠適應中國社會經濟的需要和農業資源的短缺,日光溫室的產業逐步發展,使其在農業資源上可以最大化地合理利用,并且在很大程度上能夠彌補我國農業資源匱乏的難題。不但加快了我國農業產業結構的調整,而且解決了長期困擾我國北方地區冬季蔬菜供應難的問題,既避免了溫室效應造成的環境污染,又能實現高效節能,并且取得了巨大的經濟效益,已經成為解決“三農問題”的支柱產業之一(李天來,2005,2013;鐘鋼,2013)。
  
  日光溫室里最重要的能量來源是來自太陽的輻射。在白天,太陽光照射進日光溫室后,光能轉換成熱能,太陽能以熱量的方式存儲在溫室的土壤和墻體中;夜間,當溫室內氣溫降低時,存儲在溫室墻體和土壤中的熱量釋放到溫室內,對溫室提供熱量(張義,2012)。但是,傳統日光溫室主要是以土墻、磚墻等墻體以及地面土壤為主要的蓄熱體,在冬季晴天天氣條件下磚墻、土壤蓄積和釋放的熱量是有限的,而且不能夠持續穩定地進行放熱,會影響作物的正常生長發育。在冬季夜間的前半夜,土墻、磚墻等墻體及地面土壤釋放熱量較快,而由于其蓄熱量有限,導致在冬季夜間后半夜其釋放的熱量不足,從而致使冬季夜間凌晨之后的時段經常出現低溫現象,溫室內氣溫低容易致使作物發生凍害。而且在冬季連續陰天的極端天氣條件下,太陽的輻射量過低,導致夜間溫室內溫度不能夠滿足作物的正常生長的條件,可能會使栽培作物的生長受到抑制甚至會導致作物死亡(郭建業,2016)。而且傳統日光溫室還存在其他諸多問題,例如:破壞耕層結構、建造與維護成本高、不方便拆裝等等問題(李星,2018)。
  
  特別是在我國北方寒冷地區,在早春季節以及冬季溫室的外界環境氣候寒冷,室外氣溫較低且晝夜溫差明顯,在不使用任何加熱方式的條件下,會導致溫室內夜間的氣溫較低,并且很難滿足溫室內作物正常生長發育的需求(陳杰,2005)。而溫室內傳統的加熱方式都需要使用大量不可再生的化石燃料等材料,在冬季持續供暖的過程當中,會釋放出大量的有害氣體,從而會導致比較嚴重的環境污染,與此同時,也不利于作物的正常生長發育(盛國成,2007)。為了解決以上問題,相關專家學者利用水作為蓄熱系統的儲熱介質對太陽能進行收集。利用太陽能是自然界中一種具有高價值的清潔能源,對太陽能的有效利用,不但可以提高溫室內墻體溫度和地溫,而且有效地解決了溫室傳統的加熱方式所存在的問題,可以對溫室作物實現高產、優質的效果(李洵,1997;張海蓮,1997)。目前應用于日光溫室的太陽能集熱裝置主要包括空氣—地中熱交換系統、光伏太陽能技術、相變材料、太陽能水蓄熱裝置等等。其中,墻體、空氣和土壤的導熱性能和傳熱能力遠不如水,其導熱能力和蓄熱能力要遠大于墻體、空氣和土壤,水更適合作為傳熱和蓄熱介質。相變材料種類繁多,而且在使用相變材料過程中,要求其具有較高的密閉性。光伏太陽能因為其造價昂貴,難以進行實質性地推廣,無法快速投入生產。而水是大自然中比熱容最大的物質,可以吸取和存儲更多的熱量(佟雪嬌,2016)。
  
  因此,以太陽輻射為熱源、以水為介質的蓄放熱系統的研究對提高日光溫室冬季夜間溫度的作用是有著明顯效果的,對日光溫室蓄熱技術的發展有著極其重要的意義。
  
  1.2、日光溫室主要蓄熱技術的研究進展。
  
  目前應用在日光溫室的蓄熱技術主要分為空氣循環蓄熱、熱泵蓄熱、相變材料等。對空氣循環蓄熱技術的研究較早,早期的研究都應用在日光溫室的土壤上,現在根據其形式和位置可分為2種形式,分別為地下空氣循環蓄熱和墻體空氣循環蓄熱。在地下空氣循環蓄熱上,早在上個世紀八十年代國內就已有研究,馬承偉等(1984;1985)通過對塑料大棚的地?氣熱交換系統的研究,發現其系統儲存太陽能效果顯著,并且可以在夜間維持塑料大棚的氣溫。結果表明,在夜間塑料大棚不主動加溫的條件下,能使塑料大棚內的氣溫比外界高差10℃左右。袁巧霞等(1995;1997)設計了一種半被動式塑料大棚地下熱交換系統,通過對所設計的塑料大棚的研究,表明棚內的地下熱交換系統可以維持塑料大棚在夜間溫室內外的氣溫差值達到8~9℃,同時可以提高棚內地面溫度高達10℃左右。孫周平等(2013)設計了一種彩鋼板保溫采光裝配式節能日光溫室,并把空氣—地中熱交換系統安裝在其溫室內地下0.5m的位置。并在冬季對其進行蓄放熱性能試驗,試驗結果表明,空氣—地中熱交換系統的蓄熱效果明顯,而且測試了再與溫室水循環蓄放熱系統結合使用的效果,結果表明兩種系統提供的熱量可以確保試驗溫室內番茄生長的熱環境,滿足在冬季溫室內番茄正常生長的需要。Ntinas等(2014)測試了溫室內太陽能空氣集熱系統,并明確了對溫室中的栽培作物根部加溫的效果,測試結果表示太陽能空氣集熱系統在對溫室供暖時可以節能23%。Benli等(2009)為了改善儲熱技術的應用,將地源熱泵和相變材料儲熱技術相結合,用于溫室供暖,可為溫室提供每日熱量需求的18%至23%?諝庋h蓄熱系統需要在溫室后墻額外裝備通風管道、風機等專業設備,而且在運行過程中需要消耗大量的電能,容易造成施工不方便且投入大,節能效果不佳。
  
  熱泵蓄熱的方式是根據其利用熱源的不同而劃分的,主要分為空氣源熱泵、土壤源熱泵和水源熱泵3類(Chua et al. 2010;Kelly and Cockroft .2011)。國外學者將熱泵蓄熱技術應用到溫室中較早,Bot等(2005)根據荷蘭本地的情況,通過使用熱泵儲存夏季熱能,在冬季用于對溫室供暖,預計節能率有望超過60%。Attar等(2014)利用空氣源熱泵技術,對溫室進行冬季加溫和夏季降溫的試驗,結果表明無論是冬季加溫還是夏季降溫,其都具有良好的節能效果。S.Awani等(2015)研究了水源熱泵和空氣熱泵結合的系統在溫室中的應用效果,該系統由平板集熱器、熱泵系統和立式熱交換器組成,建立了數學模型對供熱系統進行分析,分析得到了影響該系統加溫效果的因素,影響其效果的重要因素主要有獲取太陽能和地熱能源效率低和溫室系統的負載過大。還有學者將熱泵技術于其他技術相結合,Anifantis等(2017)利用地源熱泵技術與光伏制氫技術相結合的系統,對溫室進行供暖。白天,利用光伏板的電解作用生產氫氣,并在壓力罐中儲存氫氣;到了夜間,通過燃料電池把氫氣轉化為電能,以此來為地源熱泵系統提供動力,從而達到為溫室供暖的效果。Ozgener等(2005)確定了土壤源熱泵向溫室土壤供熱的性能系數(coefficient of performance,COP)在2.13(陰天)到2.84(晴天)。Yang等(2013)研究發現空氣源熱泵在冬天用于溫室大棚,在夏天用于降低溫室溫度,兩者均具有良好的節能效果。Chai等(2012)在中國北方的日光溫室中應用了水源熱泵技術,并在冬季對其進行了試驗測試,試驗結果顯示連棟玻璃溫室和日光溫室中的熱泵COP分別是3.91和3.83,采暖成本的費用分別比燃氣采暖系統低了8.9%,但比燃煤采暖系統的費用高了16.5%。因此,中國的日光溫室在經濟和環境方面的表現要比連棟玻璃溫室更好。通過熱泵蓄熱技術對溫室進行加溫效果好,若結合其他蓄熱方式,會有更好的效果。但該系統結構復雜,施工工藝復雜,初始投資較高,成本大。
  
  綜上所述,成本小,節能效率高以及施工工藝簡單的蓄放熱系統成為現在主要的研究目標,那么水作為自然界中比熱容最大的物質被研究者們所提出。水易于流動,蓄放熱性能極好,其可以對溫室內供暖有良好的效果,對于水循環蓄放熱系統的研究及其具有意義。
  

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  1.3 、日光溫室水循環蓄熱技術的研究進展
  1.3.1、不同集熱器水循環蓄放熱系統的研究進展.
  1.3.2、太陽能集熱器水循環蓄放熱系統的研究進展.
  1.4 、研究的目的與意
  1.4.1 、研究目的
  1.4.2、研究意義
  1.5、研究內容.
  
  2、材料與方法.
  
  2.1、試驗環境.
  2.1.1、試驗溫室
  2.1.2、苯板箱體,
  2.2、蓄放熱系統結構及工作原理
  2.2.1、不同蓄放熱系統結構組成.
  2.2.2、不同蓄放熱系統工作原理概述
  2.3、試驗方法與試驗儀器
  2.3.1、試驗方案的設計
  2.3.2、溫室內外環境的測定
  2.3.3、苯板箱體內環境的測定
  2.4、數據處理.
  2.4.1、水蓄放熱系統蓄放熱效率的計算.
  2.4.2、墻體蓄放熱系統集放熱效率的計算.
  
  3、三種水蓄放熱系統與傳統磚墻蓄放熱系統蓄放熱性能對比分析.
  
  3.1、 太陽能集熱板水循環蓄放熱系統與傳統磚墻蓄放熱系統蓄放熱性能對比分析
  3.1.1、典型晴天條件下結果對比分析.
  3.1.2、典型陰天條件下結果對比分析.
  3.2、太陽能水管水循環蓄放熱系統與墻體蓄放熱系統蓄放熱性能對比分析.
  3.2.1、典型晴天條件下結果對比分析.
  3.2.2、典型陰天條件下結果對比分析.
  3.3、太陽能水箱蓄放熱系統與墻體蓄放熱系統蓄放熱性能對比分析.
  3.3.1、典型晴天條件下結果對比分析.
  3.3.2、典型陰天條件下結果對比分析
  3.4、小結.
  
  4、三種太陽能水蓄放熱系統結果對比分析.
  
  4.1、太陽能集熱板與太陽能水管水循環蓄放熱系統蓄放熱性能對比分析.
  4.2、太陽能集熱板水循環與太陽能水箱蓄放熱系統蓄放熱性能對比分析.
  4.3、太陽能水管水循環與太陽能水箱蓄放熱系統蓄放熱性能對比分析.
  4.4、太陽能集熱板水循環蓄放熱系統的設.

  5、  結 論

  本文研究了在典型晴天和典型陰天條件下對比了四種蓄放熱系統的蓄放熱性能,在白天,水和墻體兩種蓄熱體可以吸收溫室內的太陽輻射能,夜間將其釋放于苯板箱體內,維持苯板箱體內的氣溫。研究結果表明,不論是在晴天條件還是在陰天條件下,水蓄放熱系統的蓄放熱能力都要優于傳統磚墻,能夠使苯板箱體內部熱環境維持在一個較高的水平。通過對典型晴天和典型陰天條件下四種蓄放熱系統的蓄放熱性能進行對比分析,可以得出以下結論:

 。1)水蓄放熱系統的集放熱能力是優于傳統磚墻的集放熱能力。而且太陽能集熱板無論是在典型陰天還是典型晴天條件下,集放熱性能均是最佳的。

 。2)在集熱性能方面,晴天條件下,三種水蓄熱系統(太陽能集熱板、水管、水箱)的蓄熱量分別比傳統磚墻高3.70MJ、1.51MJ、0.92MJ;陰天條件下,分別比傳統磚墻高2.76MJ、2.17MJ、1.08MJ。

 。3)在放熱性能方面,晴天條件下,三種水蓄熱系統(太陽能集熱板、水管、水箱)的放熱量分別比傳統磚墻高3.10MJ、1.67MJ、0.83MJ;陰天條件下,分別比傳統磚墻高2.15MJ、1.98MJ、0.13MJ。

 。4)在晴天條件下,太陽能集熱板蓄熱量分別比太陽能水管水循環蓄放熱系統和太陽能水箱蓄放熱系統高2.19MJ、2.78MJ;放熱量多1.43MJ、2.27MJ。在陰天條件下,蓄熱量分別多0.59MJ、1.68MJ;放熱量分別多0.17MJ、2.02MJ。

 。5)太陽能集熱板在晴天條件下,集熱性能可達到1.19MJ·m-2h-1,放熱性能0.6MJ·m-2h-1,在陰天條件下,集熱性能0.55MJ·m-2h-1,放熱性能0.26MJ·m-2h-1。并設計了一套水循環蓄放熱系統,以此希望為水蓄放熱系統的設計以及仿真建模提供理論依據。

  參考文獻

作者單位:沈陽農業大學
原文出處:李永璽. 節能日光溫室水蓄放熱系統性能對比研究[D].沈陽農業大學,2020.
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