太陽能結(jié)合溫室栽培床智能加溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)全天供熱、變溫管理和節(jié)能的目的，結(jié)合大型玻璃溫室和無土栽培技術(shù)要求，確定了總體加溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和工作原理，對(duì)主要裝置集熱器進(jìn)行選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；利用Solidworks三維建模對(duì)太陽能板的安裝和排布進(jìn)行說明和分析，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料對(duì)單位面積的集熱效率進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，考慮太陽能的不穩(wěn)定因素，分別設(shè)計(jì)了主加熱及輔助加熱系統(tǒng)。結(jié)果表明，對(duì)太陽能集熱的設(shè)計(jì)和科學(xué)的安置有效地提高了太陽能的利用率；與傳統(tǒng)電加溫進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，在20年內(nèi)單位面積可節(jié)約能源12 942.46 kW·h，為我國現(xiàn)代化溫室加溫系統(tǒng)的研究提供了參考。

關(guān)鍵詞：溫室采暖方式；溫室采暖原理；太陽能加溫；變溫管理

中圖分類號(hào)：S625 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）06-1479-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.06.051

Abstract： In order to provide heating all day， manage variable temperatures， and save energy in greenhouse， the heating system of greenhouse was designed based on solar energy and cultivation bed. The overall project， operating principles and critical components of energy collection were designed according to the large automatic greenhouses and the technical requirement of soilless cultivation. The setup and assignment of solar panels was described and analyzed by using solidworks modeling operations. The heating efficiency in per unit area was analyzed based on the local meteorological data. Considering the unstable factors of solar energy， the heating system contained main heating and auxiliary system. The reasonable assignment and design of solar collector enhanced the heating efficiency. Comparing with traditional electric heating， the energy was saved 12 942.46 kW·h in per unit area. It will provide reference for heating of modern greenhouse in China.

Key words： greenhouse heating； cultivation bed； solar energy； variable temperature management

溫室采暖方式根據(jù)設(shè)施種類、規(guī)模、栽培品種與方式、氣候和燃料等條件的不同而分類復(fù)雜，而目前常用的采暖方式有煙道加溫、熱水加溫、蒸汽加溫、熱風(fēng)加溫、電加溫等。節(jié)能環(huán)保溫室采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建立了溫室供熱負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型，并提出了地下蓄熱加溫系統(tǒng)[1]。在玻璃鋼架水暖溫室結(jié)構(gòu)的研究中，著重對(duì)玻璃溫室內(nèi)的分布和安排進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[2]。傳統(tǒng)的加溫方式普遍存在熱力供應(yīng)量小、預(yù)熱時(shí)間較長、燃料費(fèi)用較高、溫度波動(dòng)較大、耗能多等缺點(diǎn)，不適合現(xiàn)代大型溫室節(jié)能智能化管理等要求。

太陽能資源清潔無污染，而且取之不竭、用之不盡[3-5]。某賓館太陽能預(yù)加熱熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究對(duì)合理有效地利用太陽能進(jìn)行了科學(xué)的計(jì)算[6]。太陽能跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了如何最大限度地吸收太陽能設(shè)計(jì)方案，通過電子系統(tǒng)的融入使太陽能利用更加智能化[7]。將太陽能合理利用到溫室加溫系統(tǒng)中，結(jié)合大型溫室栽培床生長模式，利用單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控、調(diào)整翻轉(zhuǎn)集熱器角度的管理系統(tǒng)，以期為我國溫室智能化管理及太陽能在溫室中的利用提供參考。

1 工作原理及裝置組成

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

大型玻璃溫室透光性強(qiáng)、空間大，便于種植操作，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的一種產(chǎn)物[8，9]?；|(zhì)栽培和營養(yǎng)液栽培均在大型玻璃溫室中得到大力的推廣和應(yīng)用，這不但解決了溫室的連作障礙和空間的有效利用，而且提高了溫室的經(jīng)濟(jì)效益，以及便于操作[10，11]。

太陽能栽培床加溫系統(tǒng)是指利用源源不斷的太陽能作為溫室的熱源，通過集熱片對(duì)比熱容最高的水加熱，然后通過循環(huán)管道輸送給栽培床下部加溫管道，利用管道散熱給溫室加熱，循環(huán)泵加壓使水以一定的速度流動(dòng)保持溫室內(nèi)溫度。

1.2 主要裝置

由圖1可以看出，太陽能結(jié)合溫室栽培床加溫系統(tǒng)主要裝置有集熱系統(tǒng)（平板集熱器、集熱控制器）；控制系統(tǒng)（單片機(jī)控制器、伺服電機(jī)）；主副加熱系統(tǒng)（水箱、保溫箱、電磁閥、循環(huán)泵、吸水泵、進(jìn)出水管）。栽培床下部管道蓄熱系統(tǒng)各參數(shù)根據(jù)溫室系統(tǒng)的熱容量、供熱量和栽培床形狀及體積等溫室加溫系統(tǒng)要求確定，從而進(jìn)一步確定太陽能集熱片數(shù)量和面積、水箱體積、進(jìn)水管道、加熱管道型號(hào)、管道布置、循環(huán)泵、電磁閥等各個(gè)設(shè)備參數(shù)。

1.3 工作原理

熱水進(jìn)入進(jìn)水管后通過循環(huán)泵送往各個(gè)加熱栽培床，提高溫室種植區(qū)域的空氣溫度，最后循環(huán)流動(dòng)到出水管被吸水泵又運(yùn)送到水箱里通過太陽能循環(huán)加熱，電磁閥能精確控制水流的每個(gè)去向和控制區(qū)域，保證植物的最佳生長狀態(tài)。因考慮夜間、陰天或雨天等自然因素，設(shè)計(jì)了輔助加熱系統(tǒng)，輔助加熱系統(tǒng)包括兩個(gè)，一個(gè)是由集熱片加熱過的部分高于循環(huán)流動(dòng)的熱水貯存于保溫箱，夜間開啟保溫箱中的熱水以一定的速度流動(dòng)維持植物夜間生長所需的最低熱量；另一個(gè)是通過鍋爐輔助加熱，在遇到陰天或雨、雪天開啟鍋爐加熱系統(tǒng)。太陽能集熱系統(tǒng)通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)工作時(shí)間內(nèi)全程跟蹤太陽運(yùn)行輻射，以保證太陽光與集熱器之間的最大輻射角不變，提高太陽能利用率。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 集熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)的集熱器存在腐蝕、泄露、結(jié)冰等缺點(diǎn)，為了提高溫室加溫系統(tǒng)的使用壽命，集熱器選擇蛇形太陽能集熱器，其屬于平板非滲透太陽能集熱器。集熱器主要由透光蓋板、吸熱板、保溫層和邊框等組成，為了提高集熱器的集熱性能，中間需安裝隔板和導(dǎo)流板[12]，蛇形太陽能平板集熱器如圖2所示。集熱器作為加溫的核心部件，多在戶外運(yùn)行，所以應(yīng)設(shè)計(jì)除塵裝置，將透光蓋板設(shè)計(jì)成可拆卸的組件，方便裝卸和清洗。集熱器的合理設(shè)計(jì)可以有效地提高其使用效率，并且能夠在夜間保持植物溫度，保溫層的材料和排布也極其重要，集熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)具體如圖3所示。

利用Solidworks對(duì)太陽能板的安置進(jìn)行三維建模，其效果圖如圖4所示。太陽能板在安裝架上采用串聯(lián)方式安裝，冷水從進(jìn)水口進(jìn)入，逐級(jí)經(jīng)過太陽能板加熱，最后通過出水口輸送到溫室各個(gè)加溫管道中。為了最大限度地吸收太陽輻射量，因此設(shè)計(jì)太陽能板時(shí)要根據(jù)太陽輻射角的變化而變化，固定架分為前后兩個(gè)支架，后固定架配有十字軸承，所以調(diào)動(dòng)時(shí)可以任何角度、上下轉(zhuǎn)換，并起到支撐作用，前固定架兩邊液壓系統(tǒng)1的作用是上下升降，液壓系統(tǒng)2的作用是通過拉桿作用調(diào)整角度，這樣可以完成太陽板無死角的調(diào)整。

太陽能結(jié)合栽培床加溫系統(tǒng)將太陽輻射的能量轉(zhuǎn)換成水的熱能，傳送到溫室內(nèi)栽培床底下。其熱效率是衡量集熱器性能的主要指標(biāo)，合理有效地使用太陽能板可以很大程度上提高植物產(chǎn)量和降低傳統(tǒng)加溫設(shè)備所耗能量。太陽能板的集熱效率用公式（1）至公式（4）進(jìn)行了理論分析，在設(shè)計(jì)和安裝太陽能板的角度時(shí)可作為參考依據(jù)。

集熱器輸出的能量用QU表示[13]，則：

式中，m為水的流量，kg/s；Cf為集熱器內(nèi)水平均溫度條件下的比熱容，J/（kg·℃）；ΔT為集熱器進(jìn)、出口水的溫差，℃；t0為集熱器出口溫度，℃；ti為集熱器進(jìn)口溫度，℃。

太陽輻射在集熱器釆光面積上的能量用QA表示：

式中，AC為太陽能空氣集熱器的采光面積，m2；G為太陽輻射照度，W/m2。由公式（1）和（3）可得，集熱器的瞬時(shí)熱效率為η：

2.2 智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由溫度采集模塊（溫度傳感器）、驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行模塊（液壓伺服電機(jī)）、上位機(jī)管理系統(tǒng)模塊等組成。單片機(jī)是智能控制系統(tǒng)的核心，主要用于現(xiàn)場實(shí)地檢測及控制，完成數(shù)據(jù)處理[13]。本系統(tǒng)采用RS-485總線來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信，一般PC機(jī)只有RS-232接口，若實(shí)現(xiàn)RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口通信必須采用RS-232/485轉(zhuǎn)換器，具體如圖5所示。

在進(jìn)行單片機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)時(shí)，使用C#語言編寫和調(diào)試。整體上軟件程序主要有遠(yuǎn)程信號(hào)采集運(yùn)算、實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示、通信、參數(shù)設(shè)定、聲光報(bào)警等功能，包括主循環(huán)程序模塊、信號(hào)采集和處理模塊、實(shí)時(shí)控制模塊、采樣模塊、串行通信模塊、鍵盤輸入和顯示輸出模塊等，且模塊之間通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)[14]，系統(tǒng)界面框架如圖6所示。

3 系統(tǒng)管理與節(jié)能分析

3.1 生育適溫與變溫管理

日間溫度管理的目的就是要增加光合作用產(chǎn)物及促進(jìn)產(chǎn)物的輸送、貯藏和有效分配，抑制不必要的呼吸消耗[15]。據(jù)研究，上午的光合產(chǎn)物約占全天的3/4，下午約占1/4；白天輸送的光合產(chǎn)物約占全天的3/4，前半夜僅占1/4。上午采用適當(dāng)高于白天適溫以促進(jìn)光合產(chǎn)物的形成，下午適當(dāng)?shù)陀诎滋斓倪m溫，以一定的光合強(qiáng)度及產(chǎn)物輸送；前半夜適當(dāng)高于夜間的適溫以促進(jìn)光合產(chǎn)物的輸送和分配，后半夜在適當(dāng)?shù)陀谝归g適溫以抑制呼吸消耗[16]。

3.2 經(jīng)濟(jì)與節(jié)能性分析

為了充分利用現(xiàn)有集熱器面積產(chǎn)熱能力，合理確定預(yù)加熱溫度[17]，選擇甘肅省蘭州市氣象局提供的2010年4～10月太陽輻射量的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其各月系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1可以看出，2010年4～10月太陽能集熱器每平方米可為溫室提供2 213.78 MJ的熱量，使用壽命20年內(nèi)則單位面積可集熱44 275.60 MJ的熱量，這部分熱量通過電輔助熱源提供，電加熱效率為95%。經(jīng)過計(jì)算可知，單位面積每年可以減少用電647.12 kW·h，20年共節(jié)電12 942.46 kW·h，按電費(fèi)0.55元/（kW·h）計(jì)，單位面積可節(jié)約能源費(fèi)用約7 118元。由此可見，通過太陽能加熱系統(tǒng)可以產(chǎn)生較好的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。

4 小結(jié)

1）本研究通過設(shè)計(jì)太陽能結(jié)合栽培床的加溫方式，有效地降低了常規(guī)能源、節(jié)約了生產(chǎn)成本?？紤]到太陽能的不穩(wěn)定因素，分析主加熱系統(tǒng)和輔助加熱系統(tǒng)的工作原理，對(duì)太陽能板集熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了單獨(dú)的設(shè)計(jì)，利用三維建?？茖W(xué)地設(shè)計(jì)出太陽能板的布置與角度調(diào)整裝置。

2）從變溫管理角度增強(qiáng)了現(xiàn)代溫室智能控制技術(shù)的要求，利用RS-485總線來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信，信號(hào)轉(zhuǎn)換器選擇RS-232/485轉(zhuǎn)換器。上位機(jī)管理界面采用模塊化管理，本研究提出了系統(tǒng)界面圖為今后管理系統(tǒng)的編程提供參考依據(jù)。

3）利用當(dāng)?shù)貧庀缶痔峁┑奶栞椛淞康葦?shù)據(jù)對(duì)單位面積集熱器集熱效率進(jìn)行計(jì)算，并和傳統(tǒng)電源供熱，在20年內(nèi)單位面積可以節(jié)省約7 118元，其節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉 旭.節(jié)能環(huán)保溫室采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].山東泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[2] 李亞靈，蔣毓隆.璃鋼架水暖溫室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與性能[J].農(nóng)村實(shí)用工程技術(shù)，1996（5）：8.

[3] 孫玉芳，李景明，劉 耕，等.國內(nèi)外可再生能源產(chǎn)業(yè)政策比較分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（S1）：45-47.

[4] 劉圣勇，張百良，袁 超，等.采用太陽能集熱器干燥玉米的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2001，17（6）：93-96.

[5] 楊世昆，杜建強(qiáng).太陽能草捆干燥設(shè)備設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（4）：81-86.

[6] 丁 昀，楊 慶，高孟理，等.某賓館太陽能預(yù)加熱熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究[J].給水排水，2009，35（2）：76-79.

[7] 王 淼，王保利，焦翠坪，等.太陽能跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣技術(shù)， 2009（8）：100-103.

[8] 鄒志榮. 園藝設(shè)施學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2002.

[9] 師惠芬，張志勇.現(xiàn)代化蔬菜溫室[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1986.

[10] 郭世榮.無土栽培學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[11] 鄭甲盛.大棚蔬菜栽培技術(shù)[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社， 1991.133-134.

[12] 馮前前.利用太陽能的干燥設(shè)備設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[13] GB/T4271-2000，平板型太陽能集熱器熱性能試驗(yàn)方法[S].

[14] 李進(jìn)京，劉雪美.華北型日光溫室升溫系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2004（3）：140-142.

[15] 張世全，張華東.棚室“四段變溫”管理抗病效果好[J].云南農(nóng)業(yè)科技，2004（2）：27.

[16] 張 尚.棚菜變溫管理能增效[J].農(nóng)家科技，2010（11）：11.

[17] 楊 慶，侯軍霞，高孟理，等.空氣源熱泵輔助建筑一體化太陽能熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析[J].給水排水，2007，33（11）：193-196.