冬季日光溫室電熱膜和風機組合增溫性能研究

范奧華，楊有剛，裴 雪，王孝龍，張彥欽

(1.西北農(nóng)林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊陵 712100；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點實驗室，陜西 楊陵 712100)

0 引言

農(nóng)業(yè)設施溫室的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地域和時空的限制，制造一個不受時節(jié)、氣候及地域影響的半隔絕環(huán)境，從而實現(xiàn)了全年不間斷生產(chǎn)，給人們的全年蔬菜不間斷供應提供了的可能[1]。在我國北方，日光溫室是設施溫室最主要的存在形式，其向陽面主要由PVC類透光薄膜和保溫棉被組成，這種成本低、保溫性能好的溫室在北方得以廣泛推廣。日光溫室在一般情況不需要額外加熱即可滿足正常的生產(chǎn)需求[2]；但在極端天氣的條件下(如雨雪天氣或連續(xù)陰雨天氣等)，室內(nèi)的溫度可能會過低而出現(xiàn)凍害現(xiàn)象，甚至造成重大經(jīng)濟損失。目前，主要的加熱方式可分為熱水和熱風供暖，分別以水和空氣為介質(zhì)。前者熱容量大，熱穩(wěn)定性好，但增溫慢，且二者的熱源大多為化學燃料，易造成空氣污染，不宜廣泛采用；而電熱膜供暖方式，以空氣作為介質(zhì)，電能為能量來源，加熱快、無污染，但僅靠封閉室內(nèi)空氣的自然對流，對整個溫室完成加溫將耗電量巨大。因此，一般選擇電熱線加熱作物苗床，對溫室育苗過程中的地溫提高較為常用[3]。

通過人為擾動空氣來組織適當?shù)臍饬?，提高環(huán)境的均勻性，是改善日光溫室環(huán)境的重要途徑[4]。研究表明：使用風機進行強制通風可以獲得良好的氣流組織，因為溫度等的分布主要取決于溫室內(nèi)部氣流的運動形式[5]，可以為作物的生長提供相對均勻的環(huán)境，如提高溫度和CO2濃度的均勻性，促進作物對CO2的高效利用[6-7]，改善溫室環(huán)境，提高作物產(chǎn)量[8]。據(jù)此，本文采用軸流風機來加速室內(nèi)空氣循環(huán)，不僅實現(xiàn)了定向增溫，而且節(jié)省了能耗，并在冬季不同天氣條件下進行了試驗來測試其增溫性能，以及不同加熱方式與不同風機臺數(shù)的組合加熱效果，旨在給實際生產(chǎn)活動提供指導。

1 試驗材料及方法

1.1 能量計算與分析

自然狀態(tài)下，溫室內(nèi)的能量來自于外部太陽能的補充，主要影響因素有外部太陽輻射的大小、接收太陽輻射的有效面積及太陽的照射時間等；而內(nèi)部能量的散失主要包括通過薄膜和墻體向外散熱，主要以傳熱和輻射兩種方式進行。由于材料保溫性能的原因，尤以透光薄膜的散熱性能最強。影響散熱的因素主要有材料的熱阻和室內(nèi)外的溫差等，則室內(nèi)的凈熱量計算公式為

(1)

其中，Q1為輸入的太陽能；R1和R2分別為透光薄膜和壁面的熱阻；ΔT為溫差。在夜間時Q1=0，則只有熱量的散失，不過由于覆蓋的卷簾棉被而使透光薄膜的熱阻變大。在北方的冬季，極端天氣情況就需要額外實施增溫措施。實驗溫室體積約為960m2，而鋪設的電熱膜的總功率為25kW，則將室內(nèi)空氣加熱1℃所需的能量為

Q2=cmΔt=cρVΔt

(2)

其中，V為溫室體積，空氣比熱容c=1.01kj/(kg·℃)，空氣密度ρ=1.205kg/m3，目標溫升Δt=1℃，則理想情況下需要加溫的時間為

t=Q2/P

(3)

其中，P為加熱設備的功率，代入數(shù)據(jù)得加溫時長為0.78min。在實際中有能量轉化率的因素，再加上通過墻壁、地面以及卷簾棉被向外擴散的能量損失，事實上需要加溫的時長遠大于這個值，目前并沒有這方面的報道。因此，根據(jù)預試驗中的數(shù)據(jù)分析，加熱8～9min時才能夠?qū)厥疑蠈泳奂母邷乜諝廪D移至溫室南側，使室內(nèi)的溫度提升1～2℃左右，故本試驗選擇擬加溫時長為10min。

1.2 試驗材料

1.2.1 試驗溫室

本試驗在陜西省西安市閻良區(qū)西北農(nóng)林科技大學蔬菜基地2號日光溫室(34.65°N，109.23°E)內(nèi)進行，溫室為北方典型熱鍍鋅鋼管結構日光溫室，結構參數(shù)如表1所示。電熱膜為韓國瑞斯博(RexVa)公司研發(fā)的XICA電熱膜，因采用了高效輻射導熱方式，加熱快且降低能耗；選用的型號為XT-308，寬度為0.8m，單位長度的耗電量180W，鋪設長度140m，總功率25KW；本試驗中電熱膜覆蓋于溫室內(nèi)后墻和后坡表面，覆蓋占比約為62.5%；選用的風機型號是軸流風機T35-11-5.6，主軸轉速960r/min，功率0.37kW，共4臺，沿溫室長度方向均勻懸掛在溫室頂梁鋼管上。風機的高度被證明在作物冠層以上1.0～1.5m高度時冠層空間獲得較好的效果[8]。本研究中，溫室內(nèi)的作物為黃瓜，平均高度為1.50m，冠層高度在1.40m左右，故將風機放置在距后墻2.7m、高2.4m的位置，風

向由北向南，懸掛方式如圖1所示。

表1 試驗溫室結構參數(shù)

1.電熱膜 2.軸流風機 3.控制柜

1.2.2 溫度監(jiān)測節(jié)點的布置

為了對溫室內(nèi)的溫度分布情況和溫度變化情況進行精確的監(jiān)測，采用室內(nèi)分布式溫度遠程監(jiān)測系統(tǒng)，以STC89C52單片機為核心處理器，傳感器采用Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，監(jiān)測節(jié)點數(shù)多達128個，成本低，穩(wěn)定性好，精度高，且融合了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程實時監(jiān)測，為溫室的調(diào)控提供了極大的方便，可以滿足要求。結合各節(jié)點之間布線的實際情況和實際需要的溫度情況，將節(jié)點分別放置在沿東西方向的8個截面上，截面分布如圖2(a)所示；中間的4個截面沿東西方向均勻布置測點密度較高，如圖2(b)所示；而接近東西山墻的監(jiān)測截面放置密度可以適當降低，如圖2(c)所示。

圖2 監(jiān)測節(jié)點布置示意圖

1.3 試驗方法

加熱設備的加熱效率主要由加熱速度和溫升幅度來衡量。較高的加熱效率意味著其在較短的時間內(nèi)就能達到較大幅度的溫升，其與加熱時長的長短和能耗高低直接相關，即為控制加熱成本的主要因素；而溫升的幅度是衡量加熱效果的直觀表征。在試驗前的測試過程中，大量數(shù)據(jù)表明在30min內(nèi)加熱10min左右時，溫度的變化情況較為完整，有溫度上升和下降的主要變化趨勢，最終溫度基本趨于平穩(wěn)。因此，本試驗以30min為1個試驗周期，測試不同加熱策略下的溫度變化情況。

根據(jù)上述的分析，為了測試溫度加熱的時間和加熱的方式對室內(nèi)溫度的影響，本試驗選擇的策略有3種：①連續(xù)加熱前5min；②連續(xù)加熱前10min；③先加熱前5min，停止10min后再加熱5min，即間隔加熱10min。

前兩種策略測試不同的加熱時長的影響，而后兩種策略測試相同加熱時長不同加熱方式的影響，第3種方式亦可當做第1種方式的升級，再結合不同的風機數(shù)量對室內(nèi)冠層溫度分布情況進行綜合試驗。根據(jù)上述試驗方法的描述，本試驗對電熱膜不同的加熱策略和不同風機臺數(shù)在晴天、陰天和雨天分別進行了相關的試驗，之后利用MatLab進行數(shù)據(jù)處理，利用Origin軟件繪制趨勢圖，并對結果進行對比分析。

2 試驗結果分析

2.1 預試驗

在進行試驗之前首先進行預試驗，在實驗溫室內(nèi)連續(xù)監(jiān)測室內(nèi)個監(jiān)測節(jié)點的溫度和室外的環(huán)境信息。以2017年1月14日(多云)為例，作為空白對照組，預試驗期間不加熱、不開風機、不開卷簾棉被，監(jiān)測同等情況下的室內(nèi)外溫度等環(huán)境參數(shù)的變化趨勢，結果如圖3所示。

由圖3可以看出：室外溫度在日出前處于較低的水平，隨著8:00太陽輻射的增大逐漸升高，且趨勢基本一致，室外風速在溫度和光照達到一定程度時逐漸增大；室內(nèi)的溫度在太陽輻射為零時一直處于降低的趨勢，因為沒有外界能量的輸入，且室內(nèi)溫度高于室外，室內(nèi)熱量會向外擴散；而當室外溫度和光照的增加時，室內(nèi)溫度就會逐漸增加，此時在卷簾棉被覆蓋狀態(tài)，熱量主要靠熱傳導方式進入室內(nèi)。試驗中，溫度的均方差值一直處于0.1附近，說明自然狀態(tài)下室內(nèi)的溫度均勻性較好。由于室內(nèi)空氣流動較小，溫度分布基本處于平衡的動態(tài)狀態(tài)。

2.2 晴天

晴天情況下，以2017年1月12日進行分析。室外溫度-2～8℃，最大光照輻射值在出現(xiàn)在中午13:00前后達到540W/m2，在上午07:00-07:30和07:30-08:00的兩個測試周期內(nèi)測試間隔加熱10min的加熱策略，在08:00-08:30和08:30-09:00的兩個測試周期內(nèi)測試連續(xù)加熱前10min的加熱策略，在09:00-09:30和09:00-10:00的兩個測試周期內(nèi)測試連續(xù)加熱前5min的加熱策略。其中，每種加熱策略的兩個周期內(nèi)的第1個周期內(nèi)只開中間2臺風機，第2個周期內(nèi)開全部4臺風機，具體流程如下表2所示。

測試過程中室外的溫度和光照變化情況如圖4所示。

圖4 晴天室外環(huán)境參數(shù)

在上午8:50之前，室外溫度較低，都在0℃以下，光照也較弱，光輻射值在50W/m2以下；之后開始迅速增強，室外的溫度也在光照變強的同時逐漸變大。在每個加熱測試周期內(nèi)，溫室內(nèi)作物冠層平面溫度的最大值、均值、最小值和溫度均方差的變化情況分別如圖5所示。由圖5可以看出：各種加熱策略的測試期末相對于測試期伊始都具有不同程度的升溫，且溫度的均方差值都處于較低的水平，表明溫度在上升的同時均勻性也得到了保證。當間隔加熱10min時，室內(nèi)外溫差起始為7.44℃，風機2臺和4臺的溫度均值分別增

加1.1℃和0.38℃，增幅分別為18.5%和5.4%，說明在2臺風機時增溫的效果更好。對比發(fā)現(xiàn)：4臺風機時，溫度均方差值一直在0.2以內(nèi)，一直低于2臺風機的情況，表明4臺風機時溫度的均勻性更好，但最終都處于0.1附近，表示二者均達到較好的均勻性；當連續(xù)加熱10min時，室內(nèi)外溫差起始時為8.97℃，風機2臺和4臺的溫度均值分別增加0.02℃和0.63℃，增幅分別為0.3%和8.6%，表示4臺風機時加溫效果較好。溫度的均方差值在10:00時有所劇烈升高，是因為加熱導致溫度均勻性變差，打破了之前的平衡，且4臺風機時溫度均方差值明顯小于2臺風機時的情況，再次印證了4臺風機的均勻效果優(yōu)于2臺風機時。當連續(xù)加熱5min時，室內(nèi)外溫差在7.48℃，風機2臺和4臺的溫度分別增加1.37℃和1.35℃，增幅分別為17.2%和14.4%，明顯優(yōu)于連續(xù)加熱10min時的情況，與客觀條件不符。筆者分析認為是由于室外的強光照所引起的，即使沒有打開卷簾棉被也有能量的輸入，在9:00前后室外光照已經(jīng)達到200W/m2，在連續(xù)加熱5min并配合4臺風機時的20～30min時間段數(shù)據(jù)表現(xiàn)最為明顯，溫度的均方差值的反常提高表示有能量的變化，即太陽能的輸入破壞了原有的平衡，降低了溫度的均勻性。

圖5 晴天試驗溫度變化情況

2.3 陰天

在陰天情況下，以2017年1月5日進行分析，室外溫度0～6℃，最大光輻射值為110W/m2，試驗方法和步驟與晴天時類似，具體流程如下表3所示。

表3 陰天測試策略

測試階段內(nèi)室外環(huán)境的空氣溫度、光輻射和風速隨時間的變化情況如圖6所示。

圖6 陰天室外環(huán)境參數(shù)

圖6中，室外的溫度、光輻射和風速均處于較低的水平。

每個測試階段室內(nèi)冠層平面溫度的最大值、均值、最小值和溫度均方差值的變化情況分別如圖7所示。除了連續(xù)加熱5min的情況，在測試期末溫度幾乎回到初始狀態(tài)外，其他的加熱策略在最終幾乎都能在初始狀態(tài)的基礎上有一定的增溫， 說明在陰天情況下每個周期內(nèi)加熱5min是不夠的。經(jīng)過對比分析，每種加熱策略在4臺風機時的溫度均方差值都要小于2臺風機時的情況，說明4臺風機時的溫度均勻性更好。這是因為風機越多，室內(nèi)氣體的流速越大，能量的流動也更多，使溫度更加均勻。連續(xù)加熱10min情況下，2臺風機時溫度均值增加1.03℃，增幅為15.0%，4臺風機時溫度均值增加0.47℃，增幅為5.9%，2臺風機時的溫度增幅更大；且在間隔加熱10分鐘情況下，2臺風機時溫度均值增加0.59℃，增幅為7.0%，4臺風機時溫度均值增加0.34℃，增幅為3.8%，同樣是2臺風機時的溫度增幅大。這說明，在陰天時打開4臺風機雖然可使冠層溫度均勻性更好，但同樣在薄膜、墻壁或者地面等交界面造成更劇烈的熱交換，加速了內(nèi)部能量向溫室外部的流失，使溫度的增幅降低。

圖7 晴天試驗溫度變化情況

2.4 雨天

在雨天情況下，以2017年1月6日進行分析，室外溫度2～5℃，最大光輻射值為60 W/m2，試驗方法和步驟同樣類似于晴天和陰天，具體流程如表4所示。

表4 雨天測試策略

測試階段內(nèi)室外環(huán)境參數(shù)的變化情況如圖8所示。由圖8可以看出：雨天室外溫度較晴天時高，室內(nèi)外溫差在5℃左右，光輻射處于較低的水平，但外界的平均風速較大。

每個測試階段室內(nèi)冠層平面溫度的最大值、均值、最小值和溫度均方差值的變化情況分別如圖9所示。從圖9可以看出：風機2臺和4臺時的溫度均方差值并沒有很大的區(qū)別，甚至在連續(xù)加熱5min和連續(xù)加熱10min時4臺風機時的均方差值更大，這和晴天、陰天的情況不同；但是與陰天情況類似的是，在連續(xù)加熱5min時，不同的風機數(shù)量下溫度均值幾乎不變甚至有所下降，說明加熱5min并不能滿足增溫要求；而連續(xù)加熱10min時，2臺風機和4臺風機的溫度均值的增加量分別為-0.24℃和0.32℃，增幅分別為-2.5%和3.4%，間隔加熱10min時2臺風機和4臺風機的溫度均值分別增加0.37℃和0.12℃，增幅分別為3.9%和1.2%，與晴天和陰天增溫效果相差較大。分析室內(nèi)外環(huán)境信息后，猜測是由于室外風速較大引起的，在07:44～09:44期間內(nèi)平均風速為1.8m/s左右，風速大(即空氣流速大)加速了起室內(nèi)外的熱交換(即加熱的熱量很快傳導到室外)，從而導致風機數(shù)量越多溫度增幅越小，故雨天增溫風機數(shù)量不宜過多。

圖8 雨天室外環(huán)境參數(shù)

圖9 晴天試驗溫度變化情況

3 結論

1)晴天時，當室內(nèi)外溫差為7.44℃時，間隔加熱10min的加熱策略在2臺風機時不僅能獲得較大的溫度增幅，且能獲得良好的均勻性；而連續(xù)加熱10min時，4臺風機情況下的溫度增幅和均勻性都較好。綜合考慮風機的能耗，宜選擇間隔加熱10min、2臺風機的加熱策略；而連續(xù)加熱5min的情況時，與1月6日數(shù)據(jù)進行對比，室內(nèi)外溫差和風速均相差較小，唯一不同的是外部光照輻射(即影響增溫的因素)，說明太陽輻射隔著卷簾棉被仍能給室內(nèi)增溫。

2)陰天時，室內(nèi)外溫差為7.6℃左右時，連續(xù)加熱5min不能夠滿足增溫的需求；溫差在8℃左右時，連續(xù)加熱10min和間隔加熱10min的加熱策略下，風機2臺對冠層的溫度增幅比4臺風機時的大，溫度的均勻性也較好，適合選擇連續(xù)加熱10min、2臺風機的加熱策略。

3)雨天時，連續(xù)加熱5min仍不能滿足加熱需求，外界風速較大導致室內(nèi)熱量散失較快，根據(jù)數(shù)據(jù)分析出更適合使用2臺風機的方式，宜選擇間隔加熱10min、2臺風機的加熱策略。

在分析室內(nèi)溫度場的分布時，室內(nèi)的作物會通過影響氣流的流動而對增溫效果有一定的影響，且作物本身也影響溫度的分布，因此溫度場分布的數(shù)據(jù)具有一定的局限性。為了對日光溫室的增溫效果進行詳細分析，還需進一步更加深入的研究。