太陽能輔助加溫系統(tǒng)對日光溫室內(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)散熱直接對溫室內(nèi)土壤進行加熱，以達到降低耗能量、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，利用穩(wěn)態(tài)傳熱理論和室內(nèi)熱量收支平衡原理，對溫室的熱量平衡進行建模計算，通過計算機編程解算平衡方程，分析太陽能輔助加溫系統(tǒng)對日光溫室內(nèi)溫度的影響；經(jīng)連續(xù)試驗，應用面積為20m2集熱器可提高室內(nèi)溫度1.68 ℃。試驗結(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： S625.4 文獻標志碼： A

文章編號：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)勢日益凸顯[1]。目前國內(nèi)主要通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)改進和提高其保溫性、采光性[2]以及在土壤中添加有機釀熱物、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，直接對溫室內(nèi)土壤進行加熱，以提高溫室內(nèi)溫度。

1 生態(tài)日光溫室工程熱力學計算數(shù)學模型的建立

1.1 熱平衡方程的建立

溫室是1個半封閉的熱力系統(tǒng)，它隨時受到室內(nèi)外諸多擾量的影響。其中室外擾量有室外空氣溫度、濕度、太陽輻射強度、風速、風向等；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態(tài)熱平衡[7]。日光溫室日熱平衡應為非穩(wěn)態(tài)，本研究關(guān)注的是月熱平衡，熱能流動隨時間變化很小，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)進程中產(chǎn)生的熱量、設(shè)備發(fā)熱量忽略不計[8]。相關(guān)方程為：

2 試驗方案

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)即可讓計算機自動執(zhí)行一系列計算。軟件流程、操作界面分別如圖1、圖2所示。

2.2 模型驗證

為驗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)大學工廠化中心的遼沈Ⅰ型9#溫室的實測數(shù)據(jù)進行驗證。該溫室東西各長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]，測試期間前坡膜已使用2年，測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，可以查熱力學表得到[12]，太陽能集熱系統(tǒng)熱效率根據(jù)經(jīng)驗取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，對本程序進行了連續(xù)的試驗，采用儀器HN-CHTR采集。Chino HN- CH 具有數(shù)據(jù)存儲功能，Chino HN-CH 與計算機之間通過 RS-232C+RS-485 進行數(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。由于試驗是在完全動態(tài)的情況下進行的，在不同的室外溫度環(huán)境和太陽輻射情況下，每天測量的數(shù)據(jù)也不同，但是總體趨勢是不變的。為了驗證不同天氣條件下平衡方程的準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)，將測量的數(shù)據(jù)作為代表，驗證平衡方程，并就太陽能輔助加溫系統(tǒng)對溫室內(nèi)溫度的影響進行討論。

3 結(jié)果與分析

3.1 平衡方程的準確性

由圖4、圖5可看出，2013年12月，實測室外平均溫度為-8.03 ℃，模擬室內(nèi)平均溫度為18.21 ℃，實測的室內(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，實測室外平均溫度為-9.02 ℃，模擬室內(nèi)平均溫度為18.67 ℃，實測的室內(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組試驗的對比，可以看出模擬值與實測值基本吻合，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，實測室外平均溫度為-8.03 ℃，太陽能集熱器面積為20 m2時，模擬室內(nèi)平均溫度為19.55 ℃；太陽能集熱器面積為0 m2時，模擬室內(nèi)平均溫度為18.21 ℃；太陽能集熱器面積為0m2時，實測的室內(nèi)平均溫度為16.92 ℃。2014年1月，實測室外平均溫度為 -9.02 ℃，太陽能集熱器面積為20m2時，模擬室內(nèi)平均溫度為18.67 ℃；太陽能集熱器面積為0 m2時，模擬室內(nèi)平均溫度為17.23 ℃；太陽能集熱器面積為20m2時，實測的室內(nèi)平均溫度為17.61 ℃。通過對比，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 計算機軟件的推廣應用

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

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算，簡化了計算過程，使計算量大幅度降低。

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，而通過本模型的模擬及實測驗證了太陽能輔助加溫系統(tǒng)的加熱效果，同時可準確計算出滿足溫室內(nèi)溫度要求時太陽能集熱器的面積、溫室的幾何參數(shù)。這對溫室室內(nèi)溫度預測、溫室的設(shè)計建造具有重要意義。

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

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