溫室水循環(huán)太陽(yáng)能利用系統(tǒng)高效節(jié)能控制策略

徐微微，馬承偉，孫 昊，劉藝偉，程瑞鋒，張 義

溫室水循環(huán)太陽(yáng)能利用系統(tǒng)高效節(jié)能控制策略

徐微微1，馬承偉2，孫 昊3，劉藝偉4，程瑞鋒1，張 義1※

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；3. 深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，深圳 518060；4. 北京易華錄信息技術(shù)股份有限公司，北京 100043）

針對(duì)目前溫室水循環(huán)太陽(yáng)能利用系統(tǒng)無法在合理時(shí)間集熱的問題，該研究開發(fā)模面裝置，基于其表面綜合溫度提出高效節(jié)能控制策略。理論分析表明，日間表面綜合溫度反映集熱器表面可集太陽(yáng)余熱，利用該溫度與蓄熱水池內(nèi)水溫之間的差值可較準(zhǔn)確地判斷集熱時(shí)機(jī)；夜間表面綜合溫度接近于室內(nèi)氣溫，利用該溫度進(jìn)行放熱控制的方式實(shí)質(zhì)上就是利用室內(nèi)氣溫的方式。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試提出的控制策略下實(shí)現(xiàn)的中空板水循環(huán)太陽(yáng)能利用系統(tǒng)的集放熱效果，并與現(xiàn)有的基于設(shè)定時(shí)間點(diǎn)或室內(nèi)氣溫的控制方式的能力進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明中空板系統(tǒng)在提出的集熱控制策略下獲得的晴天的集熱量（404.1 MJ）與多云天和陰天的集熱量（分別為225.9和62.7 MJ）差異明顯。而設(shè)定時(shí)間點(diǎn)控制集熱，導(dǎo)致少集熱（1.4 h）、無效運(yùn)行（1.7 h）等問題?；谑覂?nèi)氣溫方式浪費(fèi)集熱時(shí)機(jī)：集熱初期，太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，系統(tǒng)本可集熱（31.8 MJ），且集熱量遠(yuǎn)大于能耗，集熱COP（Coefficient of Performance）達(dá)20.2，但因氣溫低，系統(tǒng)并不運(yùn)行；集熱末期，還出現(xiàn)短期無效運(yùn)行（多云天為0.7 h；陰天為2.4 h）。該研究提出的集熱控制策略能以更低能耗實(shí)現(xiàn)更高集熱量；放熱控制方式也具有一定優(yōu)勢(shì)。

太陽(yáng)能；溫室；集熱器；控制策略；表面綜合溫度；太陽(yáng)余熱

0 引 言

在寒冷天氣，溫室必須進(jìn)行加溫以維持適宜于作物生長(zhǎng)的室內(nèi)小氣候[1]。利用水作為熱傳輸和儲(chǔ)存介質(zhì)進(jìn)行室內(nèi)太陽(yáng)能熱量的收集、儲(chǔ)存和釋放以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的提升是一種有效、價(jià)廉且環(huán)保的溫室加溫方式，已相繼開發(fā)出多種內(nèi)置式水循環(huán)太陽(yáng)能利用系統(tǒng)，包括水幕簾系統(tǒng)[2]、雙黑膜系統(tǒng)[3-5]、金屬膜系統(tǒng)[6]、陽(yáng)光板系統(tǒng)[7-8]、鋁合金集熱板系統(tǒng)[9]、磁控濺射板系統(tǒng)[10-11]、毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)[12]、屋架管網(wǎng)系統(tǒng)[13]等。這些系統(tǒng)可根據(jù)各自集熱器的構(gòu)造形式配置于不同類型溫室中，包括傳統(tǒng)日光溫室、新型滑蓋式日光溫室[14]、連棟玻璃溫室[15]和大跨度外保溫型塑料大棚[16-17]等，并顯示出良好的加溫效果。水循環(huán)系統(tǒng)已在溫室加溫領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和推廣。

目前，水循環(huán)系統(tǒng)采用的運(yùn)行控制模式主要包括3種：1）根據(jù)設(shè)定時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行控制[2,5,7,9,18]，如陽(yáng)光板系統(tǒng)的集放熱時(shí)間分別設(shè)置為10:00-15:00和00:30-06:30[7]；2）根據(jù)室內(nèi)氣溫進(jìn)行控制，如屋架管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行模式為：在日間，當(dāng)室內(nèi)氣溫升至設(shè)定值（20～22 ℃）時(shí)，啟動(dòng)集熱，在夜間，當(dāng)室內(nèi)氣溫降至設(shè)定值（8～10 ℃）時(shí)，啟動(dòng)放熱[13]；3）結(jié)合設(shè)定時(shí)間點(diǎn)和室內(nèi)氣溫進(jìn)行控制[3-4,6,12,16-17]，如金屬膜系統(tǒng)的運(yùn)行模式為：在日間，當(dāng)日光溫室保溫被開啟時(shí)，啟動(dòng)集熱，保溫被覆蓋時(shí)，停止集熱，在夜間，當(dāng)室內(nèi)氣溫低于10 ℃時(shí)，啟動(dòng)放熱[6]。

這些方式初步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集放熱過程的自動(dòng)化，運(yùn)行管理簡(jiǎn)單，但也存在一些問題。設(shè)定時(shí)間點(diǎn)的控制方式無法控制系統(tǒng)在合適時(shí)機(jī)進(jìn)行集熱，因?yàn)樵诓煌鞖鈼l件下，適于集熱的時(shí)間差異很大，若按固定時(shí)刻啟、停系統(tǒng)，可能會(huì)出現(xiàn)無效運(yùn)行、集熱時(shí)間偏短等問題?；谑覂?nèi)氣溫的控制方式同樣也無法控制系統(tǒng)在合理時(shí)間進(jìn)行集熱，因?yàn)闅鉁氐母叩团c集熱器表面可集太陽(yáng)余熱的大小，雖有相關(guān)關(guān)系，但并不完全一致。僅憑氣溫?zé)o法準(zhǔn)確、直接地判定集熱器表面是否有可集太陽(yáng)余熱。另外，無論是根據(jù)設(shè)定時(shí)間點(diǎn)還是室內(nèi)氣溫的控制方式，均未考慮系統(tǒng)內(nèi)的水溫，合理的運(yùn)行控制方式應(yīng)參考水溫的高低。因此，這些控制方式均不是最佳的集熱控制方式，無法以盡可能小的能耗實(shí)現(xiàn)盡可能大的集熱量。

為探索并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效節(jié)能運(yùn)行，本文開發(fā)一種太陽(yáng)能集放熱智能控制裝置——模面裝置，基于其表面綜合溫度提出溫室水循環(huán)太陽(yáng)能利用系統(tǒng)高效節(jié)能控制策略。通過理論分析，揭示模面裝置表面綜合溫度的含義及控制策略的原理，以論證該策略的合理性；通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)比分析不同控制策略下實(shí)現(xiàn)的太陽(yáng)能集放熱效果，以評(píng)估該控制策略的效能。

1 控制策略的理論分析

1.1 模面裝置表面綜合溫度的含義

模面裝置是一種模擬不受水流影響的水循環(huán)太陽(yáng)能集熱器（兼作散熱器）表面外形與狀況的裝置，其通常采用集熱器所用的材料進(jìn)行構(gòu)造，朝向與集熱器相同[19]。本文以中空板水循環(huán)太陽(yáng)能利用系統(tǒng)[20-22]構(gòu)造的模面裝置（圖1）為例，從理論上分析其表面綜合溫度的含義。

由于模面裝置朝陽(yáng)壁的壁面較薄（0.5 mm），熱慣性很小，因此，其傳熱過程可視為穩(wěn)態(tài)過程。以模面裝置朝陽(yáng)壁的外壁面為對(duì)象建立能量平衡方程：

式中Is為外壁面接收的太陽(yáng)輻射照度，W/m2；αs為外壁面的太陽(yáng)輻射吸收率；tsd為外壁面溫度，即模面裝置表面綜合溫度，℃；ta為溫室內(nèi)氣溫，℃；tsdi為內(nèi)壁面溫度，℃；tai為模面裝置內(nèi)部空間溫度，℃；ht為外壁面與溫室內(nèi)環(huán)境之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，取8.7 W/(m2·℃)[23]；hti為內(nèi)壁面與內(nèi)部環(huán)境之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·℃)。

朝陽(yáng)壁的壁面較?。?.5 mm），導(dǎo)熱熱阻小（0.002 5 m2·℃/W），其表面綜合溫度與內(nèi)壁面溫度接近（平均溫差約為0.6 ℃，啟停階段的溫差約為0.25 ℃）。假設(shè)模面裝置內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相等，內(nèi)部空間溫度與溫室內(nèi)氣溫相等，由此可得出模面裝置表面綜合溫度為

分析式（2）可知，在日間，模面裝置表面綜合溫度（圖1）是其表面吸收的太陽(yáng)輻射熱量及表面的換熱量之間達(dá)到平衡所取得的溫度，它實(shí)質(zhì)上就是室內(nèi)氣溫與另一附加溫度的總和，這一附加溫度與模面裝置表面的太陽(yáng)輻射具有相同的效果。在夜間，由于模面裝置表面未接收到太陽(yáng)輻射照度，其表面綜合溫度接近于室內(nèi)氣溫。

1.2 控制策略原理

本文提出的控制策略為利用模面裝置表面綜合溫度與蓄熱水池內(nèi)水溫之間的差值控制日間集熱運(yùn)行，利用表面綜合溫度控制夜間放熱運(yùn)行。

集熱控制策略可表示為

式中wt為蓄熱水池內(nèi)水溫，℃；c為某一設(shè)定的集熱啟動(dòng)時(shí)模面裝置表面綜合溫度與蓄熱水池內(nèi)水溫之間的差值，正值，℃。

由于中空板集熱器壁面較?。?.5 mm），熱慣性很小，因此，其集熱運(yùn)行可視為穩(wěn)態(tài)過程根據(jù)能量平衡可知，中空板集熱器輸出的熱量（系統(tǒng)的集熱量）等于集熱面吸收的太陽(yáng)輻射熱量減去通過集熱面和朝墻側(cè)壁面向周圍環(huán)境的散熱量，即

式中c為中空板系統(tǒng)的集熱流密度，W/m2；c為中空板表面溫度，℃；cb為中空板朝墻側(cè)壁面的外壁溫度，℃；ab為中空板保溫面與北墻之間的氣溫，℃；b為保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)，橡塑海綿保溫板導(dǎo)熱系數(shù)取0.034 W/(m·℃)；b為保溫板厚度，m。

中空板壁面較?。?.5 mm），導(dǎo)熱熱阻?。?.002 5 m2·℃/W），且板內(nèi)表面與水之間的對(duì)流換熱系數(shù)較大（227.4 W/(m2·℃)[24]），因此，可用板內(nèi)水溫代替板集熱面和朝墻側(cè)壁面的外壁面溫度。另外，假設(shè)板后氣溫與室內(nèi)氣溫相等。由此可得出集熱流密度為

式中cw為中空板內(nèi)水溫，℃。

對(duì)比分析式（2）和（5）可知，模面裝置表面綜合溫度略低于中空板集熱器表面綜合溫度，這主要是由中空板集熱器朝墻側(cè)的保溫板的熱阻（10 mm厚橡塑海綿保溫板的導(dǎo)熱熱阻為0.294 1 m2·℃/W）導(dǎo)致的。若朝墻側(cè)的壁面未覆蓋保溫板，則二者相等。因此，模面裝置表面綜合溫度基本能夠表征水循環(huán)太陽(yáng)能集熱器的表面綜合溫度，從而，反映出其表面的可集太陽(yáng)余熱。

對(duì)比分析式（3）和（5）可知，模面裝置表面綜合溫度與蓄熱水池內(nèi)水溫之間的差值接近于中空板集熱器表面綜合溫度與板內(nèi)水溫之間的差值，因此，提出的集熱控制策略較為合理，利用該控制策略可使水循環(huán)太陽(yáng)能利用系統(tǒng)在合適時(shí)機(jī)集熱。

在集熱啟動(dòng)時(shí)機(jī)的選擇即溫差設(shè)置上，需要考慮3方面因素：1）必須保證進(jìn)入集熱器的水流能夠吸熱，即集熱器內(nèi)水溫低于集熱器表面綜合溫度，因此，需要考慮集熱器內(nèi)水溫與蓄熱水池內(nèi)水溫之間的差異、以及模面裝置表面綜合溫度與集熱器表面綜合溫度之間的差異所帶來的影響；2）必須保證系統(tǒng)集熱量大于水泵能耗，差值越大，集熱能效比（Coefficient Of Performance，COP）越高，節(jié)能性越好；3）還應(yīng)該考慮集熱器表面與模面裝置表面接收的太陽(yáng)輻射照度之間的差異所帶來的影響。這種差異體現(xiàn)在兩方面：首先，由于集熱器表面不同位置（尤其是沿高度方向）接收的太陽(yáng)輻射照度存在差異，其表面綜合溫度也必然存在差異，而模面裝置面積較?。▓D1），其表面綜合溫度無法反映出這種差異；其次，集熱器表面的部分區(qū)域受到各種物體的遮陰影響，尤其當(dāng)集熱器安裝在果菜栽培溫室內(nèi)，其表面不可避免地被植株嚴(yán)重遮陰，遮陰區(qū)域接收的太陽(yáng)輻射照度將顯著降低，這將導(dǎo)致這些區(qū)域的綜合溫度遠(yuǎn)低于模面裝置表面綜合溫度。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)探索設(shè)置一個(gè)適當(dāng)高的模面裝置表面綜合溫度與蓄熱水池內(nèi)水溫之間的差值，以兼顧集熱、能耗和遮陰等因素，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在日間運(yùn)行階段一直處于熱量收集狀態(tài)，且具有較好的節(jié)能性。

放熱控制策略可表達(dá)為

式中rs為某一設(shè)定的放熱啟動(dòng)時(shí)的模面裝置表面綜合溫度值，正值，℃；r為某一設(shè)定的放熱啟動(dòng)時(shí)的模面裝置表面綜合溫度與蓄熱水池內(nèi)水溫之間的差值，負(fù)值，℃。

放熱控制策略實(shí)質(zhì)上是利用夜間模面裝置表面綜合溫度表征室內(nèi)氣溫，從而，根據(jù)室內(nèi)氣溫控制系統(tǒng)的放熱運(yùn)行。在運(yùn)行中，蓄熱水池內(nèi)水溫必須高于模面裝置表面綜合溫度，以避免出現(xiàn)系統(tǒng)從溫室內(nèi)吸收熱量的情況。

2 系統(tǒng)運(yùn)行控制程序

利用模面裝置表面綜合溫度實(shí)現(xiàn)溫室水循環(huán)太陽(yáng)能利用系統(tǒng)高效節(jié)能運(yùn)行的控制程序，如圖2所示。

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，設(shè)置某一綜合溫度與水溫的差值（c，設(shè)置為正）作為集熱啟動(dòng)條件，設(shè)置某一綜合溫度值（rs）及某一綜合溫度與水溫的差值（r，設(shè)置為負(fù)）作為放熱啟動(dòng)條件。另外，可設(shè)置雙邊控制精度，以保持集放熱運(yùn)行的穩(wěn)定。

當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到綜合溫度與水溫之間的差值達(dá)到或超過設(shè)置的溫差值的高值（ch），或監(jiān)測(cè)到綜合溫度等于或低于設(shè)置的綜合溫度值的低值（rsl）且綜合溫度與水溫之間的差值等于或低于設(shè)置的溫差值的低值（rl），控制水泵啟動(dòng)運(yùn)行，使蓄熱水池內(nèi)的水不斷流過集熱器，進(jìn)行熱量的收集或釋放。

注：Tch和Tcl分別為集熱設(shè)置的綜合溫度與水溫之間差值的高值和低值；Trsh和Trsl分別為放熱設(shè)置的綜合溫度的高值和低值；Trh和Trl分別為放熱設(shè)置的綜合溫度與水溫之間差值的高值和低值。

當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到綜合溫度與水溫之間的差值低于設(shè)置的溫差值的低值（cl），或監(jiān)測(cè)到綜合溫度高于設(shè)置的綜合溫度值的高值（rsh），或綜合溫度與水溫之間的差值高于設(shè)置的溫差值的高值（rh），關(guān)停水泵，結(jié)束集熱或放熱。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)測(cè)試所用的中空板系統(tǒng)[20-22]安裝在一棟位于北京郊區(qū)的日光溫室內(nèi)（溫室詳情見文獻(xiàn)[20-22]）。系統(tǒng)主要包括中空PC板（集熱器核心部件）、蓄熱水池、模面裝置、模面溫度傳感器（監(jiān)測(cè)模面裝置表面綜合溫度）、水溫傳感器（監(jiān)測(cè)蓄熱水池內(nèi)水溫）、潛水泵和自動(dòng)控制系統(tǒng)。20塊雙層結(jié)構(gòu)的中空PC板安裝于北墻內(nèi)表面，板高2.11 m，寬2.00 m，厚10 mm。朝陽(yáng)面涂抹黑色水性調(diào)和漆；朝向北墻的表面粘貼10 mm厚橡塑海綿保溫板。蓄熱水池使用黏土磚砌于溫室內(nèi)部地下，水池體積為15.40 m3（4.26 m×2.26 m×1.60 m），有效容積為13.48 m3。水池內(nèi)放置額定流量為10 m3/h，額定功率為750 W的潛水泵。模面裝置（0.40 m×0.25 m）固定于北墻內(nèi)表面沿中空板集熱器高度方向的中部位置（圖1），其表面綜合溫度采用1根T型熱電偶（上海南浦儀表廠，精度：±0.5 ℃）測(cè)定。蓄熱水池內(nèi)水溫同樣采用1根T型熱電偶測(cè)定，其端部做防水處理，布置在水池井口附近的垂直方向上，從水池液面到池底的中部位置。2根熱電偶和潛水泵均連接到自動(dòng)控制系統(tǒng)，形成一套自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)。

3.2 運(yùn)行設(shè)置

試驗(yàn)時(shí)間為2018年2月1-22日。本研究中，定義從09:00到次日09:00為1 d，因?yàn)橐粋€(gè)完整的中空板系統(tǒng)集放熱周期涉及系統(tǒng)在日間收集并存儲(chǔ)室內(nèi)太陽(yáng)能熱量，在夜間到次日早晨將日間集熱量釋放到溫室內(nèi)的全過程。為對(duì)比分析不同控制策略下的太陽(yáng)能集放熱效果，選取典型的晴天、多云天和陰天（2月3日、8日和17日），且系統(tǒng)處于典型工作狀態(tài)（初始集熱水溫：19或20 ℃）下收集的數(shù)據(jù)，開展系統(tǒng)熱性能分析。在此期間，系統(tǒng)的運(yùn)行控制模式：在日間，當(dāng)模面裝置表面綜合溫度與水溫之間的差值達(dá)到或超過5 ℃時(shí)，啟動(dòng)集熱；在夜間，當(dāng)模面裝置表面綜合溫度降至15 ℃，且低于水溫2 ℃及以上時(shí)，啟動(dòng)放熱。為使放熱加溫過程穩(wěn)定，設(shè)置綜合溫度控制精度為0.4 ℃，即在綜合溫度降至14.6 ℃時(shí)，啟動(dòng)放熱，直至綜合溫度升至15.4 ℃時(shí)，結(jié)束放熱。

4 測(cè)試方法與數(shù)據(jù)分析

中空板集熱器接收的太陽(yáng)輻射照度采用4臺(tái)太陽(yáng)總輻射傳感器（CMP3，Kipp & Zonen，荷蘭，精度：±15 W/m2；HOBO S-LIB-M003，Onset Computer Corp.，美國(guó)，精度：±10 W/m2）測(cè)定，其均安裝于溫室北墻內(nèi)表面，輻射感受平面平行于集熱器表面。系統(tǒng)內(nèi)水溫均采用端部做防水處理的熱電偶測(cè)定。其中，蓄熱水池內(nèi)水溫采用5根熱電偶測(cè)定；進(jìn)水溫度采用2根布置于供水總管內(nèi)的熱電偶測(cè)定，回水溫度采用2根布置于回水總管內(nèi)的熱電偶測(cè)定。溫室內(nèi)氣溫采用10根T型熱電偶測(cè)定，加裝傳感器的位置，如圖3所示。CMP3太陽(yáng)總輻射傳感器和熱電偶連接到2臺(tái)CR1000數(shù)據(jù)采集器（Campbell Scientific，Inc.，美國(guó)），采集器以10 s時(shí)間間隔采集數(shù)據(jù)并記錄每60 s的平均值。HOBO太陽(yáng)總輻射傳感器連接到1臺(tái)HOBO小氣象站數(shù)據(jù)記錄器（H21-002），采樣間隔和記錄間隔設(shè)置與CR1000數(shù)據(jù)采集器的相同。模面裝置表面的熱圖像采用紅外熱像儀（Testo 872，Testo SE & Co. KGaA，德國(guó)，精度：±2 ℃）拍攝。

系統(tǒng)的集熱量和集熱階段的COP的計(jì)算式為

式中c為系統(tǒng)的集熱量，J；COPc為系統(tǒng)在集熱階段的能效比；Δw為蓄熱水池內(nèi)水溫的變化量，℃；w為蓄熱水池的有效容積，m3；w為水的比熱容，取4 187 J/(kg·℃)；w為水的密度，取1 000 kg/m3；wp為潛水泵功率，W；Δc為集熱時(shí)長(zhǎng)，s。

注：Is1～I(xiàn)s4為集熱器表面不同位置接收的太陽(yáng)輻射照度，W·m-2；taw1～taw5和tae1～tae5分別為東、西側(cè)溫室不同位置的氣溫，℃；twt1～twt5為蓄熱水池內(nèi)不同位置的水溫，℃。集熱器表面的太陽(yáng)輻射照度利用Is1～I(xiàn)s4求取平均值獲得（Is1～I(xiàn)s3采用3臺(tái)CMP3太陽(yáng)總輻射傳感器測(cè)量，Is4采用1臺(tái)HOBO太陽(yáng)總輻射傳感器測(cè)量）；溫室內(nèi)氣溫利用tae1～tae5和taw1～taw5求取平均值獲得；蓄熱水池內(nèi)水溫利用twt1～twt5求取平均值獲得。

中空板集熱器接收的太陽(yáng)輻射總量s（J）為

式中s,i為中空板集熱器在第時(shí)刻接收的太陽(yáng)輻射照度，W/m2；c為中空板面積，m2；0為集熱起始時(shí)刻，s；τ為集熱結(jié)束時(shí)刻，s；Δτ為數(shù)據(jù)采集器記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，s。

5 結(jié)果與分析

5.1 集熱控制策略對(duì)比分析

在日間，天氣條件對(duì)模面裝置表面綜合溫度影響顯著。同一時(shí)刻下，晴天綜合溫度（圖4a）明顯超過多云天（圖4b）和陰天綜合溫度（圖4c）。晴天最高綜合溫度達(dá)到59.9 ℃，遠(yuǎn)超過多云天和陰天的最高綜合溫度（分別為47.2和35.0 ℃）（表1）。這說明不同天氣條件下集熱器表面的熱狀況差異顯著。集熱期間，晴天中空板集熱器接收的太陽(yáng)輻射總量（577.6 MJ）是多云天的2.0倍（294.0 MJ）、陰天的6.4倍（90.2 MJ）；晴天的集熱量（404.1 MJ）是多云天的1.8倍（225.9 MJ）、陰天的6.4倍（62.7 MJ）。

注：ta為溫室內(nèi)氣溫，℃；tsd為模面裝置表面綜合溫度，℃；twt為蓄熱水池內(nèi)水溫，℃；Is為集熱器表面的太陽(yáng)輻射照度，W·m-2。在圖b中，系統(tǒng)于08:24被手動(dòng)關(guān)停，以節(jié)省能源。

理想的集熱控制策略應(yīng)該考慮天氣因素。設(shè)定時(shí)間點(diǎn)的控制方式顯然不夠理想，因?yàn)椴煌鞖鈼l件下，集熱時(shí)間差異很大。在晴天，太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，可集太陽(yáng)余熱通常出現(xiàn)得較早，若按固定時(shí)刻啟動(dòng)系統(tǒng)，極易出現(xiàn)過晚啟動(dòng)的問題。當(dāng)然，若啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置得過早，也會(huì)出現(xiàn)過早啟動(dòng)的情況。另一方面，由于晴天太陽(yáng)輻射條件較好，蓄熱水池內(nèi)的水溫通常上升較快，尤其在初始水溫較低時(shí)，溫升速率更大，因?yàn)榈蜏氐乃仗?yáng)輻射熱量外還可從室內(nèi)空氣中吸收大量的對(duì)流熱量。所以，晴天的集熱結(jié)束時(shí)間不僅與太陽(yáng)輻射有關(guān)，還與初始的蓄熱水池內(nèi)水溫密切相關(guān)。若按固定時(shí)刻關(guān)停系統(tǒng)，會(huì)因?yàn)槌跏妓疁氐母叩投霈F(xiàn)結(jié)束過晚或過早這兩方面的問題。中空板系統(tǒng)在晴天（集熱期間的平均太陽(yáng)輻射照度：297 W/m2）且初始水溫為19.3 ℃的條件下集熱時(shí)間段為08:55-15:19（表1）。若系統(tǒng)在鋁合金集熱板系統(tǒng)[9]采用的09:00-16:00內(nèi)運(yùn)行，則會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)略遲、結(jié)束較遲的問題；在陽(yáng)光板系統(tǒng)[7]采用的10:00-15:00內(nèi)運(yùn)行，則會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)過遲、結(jié)束略早的問題（少集熱1.4 h）；在金屬膜系統(tǒng)[6]采用的保溫被打開到關(guān)閉的時(shí)間內(nèi)（2月3日試驗(yàn)溫室保溫被卷放時(shí)間：08:05-16:11）運(yùn)行，則會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)過早、結(jié)束過晚的問題（無效運(yùn)行1.7 h）。顯然，在晴天，設(shè)定時(shí)間點(diǎn)控制系統(tǒng)的集熱，不利于集熱量的提高。

表1 中空板系統(tǒng)逐日集熱性能統(tǒng)計(jì)

注：Δc為集熱時(shí)長(zhǎng)，min；s為集熱器接收的太陽(yáng)輻射總量，MJ；c為系統(tǒng)的集熱量，MJ。

Note: Δcis the time duration of heat collection, min;sis the total quantity of solar radiation received by the collector, MJ; andcis the quantity of collected heat, MJ.

在多云天和陰天，設(shè)定時(shí)間點(diǎn)的控制方式將會(huì)出現(xiàn)更多的問題。尤其在陰天，太陽(yáng)輻射很弱，集熱時(shí)間很短（2.5 h，見圖4c和表1），甚至出現(xiàn)無法集熱的情況[22]，無論設(shè)定何種時(shí)間點(diǎn)控制系統(tǒng)的集熱，都將導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的無效運(yùn)行，存在嚴(yán)重的電能浪費(fèi)，甚至損失系統(tǒng)中原蓄積的熱量?？滦辛值萚18]也指出設(shè)定時(shí)間點(diǎn)控制集熱的方式導(dǎo)致雙黑膜系統(tǒng)在陰天出現(xiàn)日間放熱的現(xiàn)象，這是因?yàn)殛幪鞙厥覂?nèi)氣溫較低，出現(xiàn)水溫高于氣溫的情況。

利用溫度進(jìn)行集熱時(shí)機(jī)的判斷顯然更加合理，但是，基于室內(nèi)氣溫的集熱控制方式，雖然考慮了天氣條件的因素，但是，會(huì)因?yàn)槭覂?nèi)氣溫與集熱器表面的可集太陽(yáng)余熱之間的不同步而使系統(tǒng)浪費(fèi)一些集熱時(shí)機(jī)。在集熱初始階段，有時(shí)，室內(nèi)氣溫雖較低，但集熱器表面已有較強(qiáng)的太陽(yáng)輻射照度，如根據(jù)氣溫判斷，系統(tǒng)的運(yùn)行將推遲，不利于集熱量的提高。由圖4和表1可知，無論是晴天、多云天還是陰天，在集熱初期，室內(nèi)氣溫均較低，遠(yuǎn)沒有達(dá)到屋架管網(wǎng)系統(tǒng)[13]設(shè)定的20～22 ℃的啟動(dòng)值，但是，采用基于模面裝置表面綜合溫度的控制策略，中空板系統(tǒng)卻處于集熱階段。根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)回水溫度分析可知，在該時(shí)間段內(nèi)，回水溫度一直高于進(jìn)水溫度，即系統(tǒng)處于集熱狀態(tài)。以晴天的集熱初期為例，假設(shè)集熱啟動(dòng)氣溫設(shè)置為20 ℃，則在08:55-09:30時(shí)間段內(nèi)，室內(nèi)氣溫在14.6～19.8 ℃之間，系統(tǒng)并不運(yùn)行。而事實(shí)上，在此期間，集熱器表面的太陽(yáng)輻射照度已較高（193～339 W/m2），系統(tǒng)不僅能夠收集熱量（31.8 MJ），而且，集熱量遠(yuǎn)大于能耗，集熱COP達(dá)20.2。

基于室內(nèi)氣溫的集熱控制方式，還會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)無效運(yùn)行而浪費(fèi)電能的情況。在集熱末期，有時(shí)室內(nèi)氣溫雖較高，但集熱器表面的太陽(yáng)輻射照度已較弱，如根據(jù)氣溫判斷，系統(tǒng)的停止將推遲，導(dǎo)致無效的運(yùn)行與能耗。當(dāng)中空板系統(tǒng)在多云天和陰天結(jié)束運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)氣溫仍較高（分別為23.7和21.8 ℃），但是，集熱器表面的太陽(yáng)輻射照度已較低（分別為47和45 W/m2）。若采用屋架管網(wǎng)系統(tǒng)[13]設(shè)定的20 ℃集熱運(yùn)行氣溫，系統(tǒng)仍將無效運(yùn)行一段時(shí)間：多云天為0.7 h（結(jié)束時(shí)刻：15:06；太陽(yáng)輻射照度：18 W/m2）、陰天為2.4 h（結(jié)束時(shí)刻：15:16；太陽(yáng)輻射照度：34 W/m2）。另外，在陰天的集熱中期，系統(tǒng)也可能出現(xiàn)無效運(yùn)行的問題，因?yàn)樵陉幪鞐l件下，集熱器表面有時(shí)受到云層嚴(yán)重遮擋，導(dǎo)致其接收的太陽(yáng)輻射照度劇烈地下降，系統(tǒng)出現(xiàn)間斷集熱的情況（圖4c），而期間的室內(nèi)氣溫則變化幅度較小，若采用氣溫的控制方式，系統(tǒng)將處于運(yùn)行狀態(tài)。

分析式（2）可知，相比于利用室內(nèi)氣溫的控制方式，利用模面裝置表面綜合溫度的集熱控制方式實(shí)質(zhì)上就是將太陽(yáng)輻射引起的附加溫度考慮到集熱控制中。這種控制方式能夠更準(zhǔn)確地反映出集熱器表面的熱狀況。

此外，相比于氣溫和時(shí)間控制方式，本文提出的集熱控制策略的優(yōu)越性還體現(xiàn)在對(duì)水溫因素的考慮上：在水溫較低時(shí)，提早啟動(dòng)系統(tǒng)的集熱運(yùn)行，在水溫較高時(shí)，提前結(jié)束系統(tǒng)的集熱運(yùn)行，以避免因?yàn)樗疁氐母叩投瓜到y(tǒng)產(chǎn)生集熱不充分或無效運(yùn)行這兩方面的問題。由圖 4a可知，在中空板系統(tǒng)在晴天結(jié)束集熱時(shí)，雖然集熱器表面還有較高的太陽(yáng)輻射照度（78 W/m2），其遠(yuǎn)高于多云天和陰天結(jié)束集熱時(shí)的太陽(yáng)輻射照度（分別為47和45 W/m2），但是，由于此時(shí)的水溫已較高（26.4 ℃），其與模面裝置表面綜合溫度（31.3 ℃）之間的差值已經(jīng)無法滿足集熱運(yùn)行設(shè)置的條件，系統(tǒng)將提前結(jié)束集熱。

綜上分析可知，本文提出的集熱控制策略，即利用模面裝置表面綜合溫度與蓄熱水池內(nèi)水溫之間的差值控制水循環(huán)系統(tǒng)，與現(xiàn)有的基于設(shè)定時(shí)間點(diǎn)或室內(nèi)氣溫的控制方式相比，能夠更準(zhǔn)確地判斷集熱時(shí)機(jī)，從而，以更低的能耗實(shí)現(xiàn)更高的集熱量。

5.2 放熱控制策略對(duì)比分析

對(duì)于溫室空間加溫來說，利用室內(nèi)氣溫控制系統(tǒng)的放熱運(yùn)行顯然比設(shè)置時(shí)間點(diǎn)更合理。根據(jù)理論分析，模面裝置表面綜合溫度在夜間與室內(nèi)氣溫接近。利用模面裝置表面綜合溫度的放熱控制方式與利用室內(nèi)氣溫的方式本質(zhì)上是相同的放熱控制策略。但是，其表面綜合溫度略高于室內(nèi)平均氣溫（圖4），這主要是由于日光溫室在跨度方向存在一定的溫差，北墻附近的氣溫會(huì)略高，而由于模面裝置安裝于北墻上，其夜間的表面綜合溫度接近于北墻附近的氣溫。在設(shè)置放熱啟動(dòng)溫度時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高溫度值，以獲得更理想的室內(nèi)整體氣溫水平。

雖然這兩種方式本質(zhì)上是相同的放熱控制策略，但是，相比之下，利用表面綜合溫度的控制方式仍然具有一定優(yōu)勢(shì)。上午，在保溫被打開后，室外氣溫較低，且太陽(yáng)輻射較弱，室內(nèi)氣溫通常出現(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)的持續(xù)下降，無論是采用表面綜合溫度或是室內(nèi)氣溫的控制方式，系統(tǒng)都會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的無效放熱運(yùn)行。但是，由于表面綜合溫度受太陽(yáng)輻射直接影響，其能夠快速地響應(yīng)太陽(yáng)熱能的變化而升高較快，而室內(nèi)氣溫則因?yàn)閷?duì)太陽(yáng)熱能變化響應(yīng)較慢而升高較慢（圖4），利用室內(nèi)氣溫的放熱控制方式會(huì)使系統(tǒng)存在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的無效運(yùn)行和熱量浪費(fèi)。如在晴天，保溫被打開時(shí)間為08:04，合理的放熱控制策略應(yīng)在此時(shí)停止中空板系統(tǒng)的放熱運(yùn)行，以避免熱量浪費(fèi)，而采用表面綜合溫度放熱控制策略下的系統(tǒng)停止時(shí)間為08:17。若采用室內(nèi)氣溫控制方式的話，則系統(tǒng)停止時(shí)間為09:01。系統(tǒng)在利用氣溫控制方式下比利用表面綜合溫度控制方式多無效運(yùn)行0.7 h。盡管如此，系統(tǒng)的無效運(yùn)行仍未完全避免。下一步研究中，應(yīng)在放熱結(jié)束時(shí)間的確定上考慮保溫被的打開時(shí)間：在保溫被打開后，及時(shí)關(guān)停系統(tǒng)，以避免不必要的熱量浪費(fèi)和電能消耗。

6 討 論

理論分析和試驗(yàn)結(jié)果均表明將提出的集放熱控制策略運(yùn)用到中空板水循環(huán)太陽(yáng)能集放熱系統(tǒng)中能夠更準(zhǔn)確地判斷運(yùn)行時(shí)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)良好的太陽(yáng)能利用效果，這主要是由于該控制方式綜合考慮了太陽(yáng)輻射、室內(nèi)氣溫和系統(tǒng)內(nèi)水溫等因素。系統(tǒng)在不同天氣條件下均顯示出高效收集太陽(yáng)能的能力，并且，在集熱期間，還有效地避免了無效運(yùn)行和能量浪費(fèi)，而系統(tǒng)無論是采用時(shí)間控制還是室內(nèi)氣溫控制都存在日間開啟時(shí)放熱的現(xiàn)象[9]。因此，將提出的模面裝置及利用模面裝置表面綜合溫度實(shí)現(xiàn)的集放熱控制策略運(yùn)用到同類型系統(tǒng)中，預(yù)計(jì)可進(jìn)一步挖掘這些系統(tǒng)在利用太陽(yáng)能和節(jié)約能源方面的潛力，實(shí)現(xiàn)更好的技術(shù)性能。另外，集熱控制策略也適用于強(qiáng)迫循環(huán)型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。

但是，目前的控制策略仍存在一些不足之處，有待進(jìn)一步優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更理想的集放熱性能。在集熱控制策略方面，本文方案下實(shí)現(xiàn)的模面裝置日間表面綜合溫度與運(yùn)行中的集熱器表面綜合溫度仍然存在一定的差異。下一步研究中，可考慮對(duì)模面裝置進(jìn)行改造：僅保留模面裝置涂黑的單壁面，并在壁面朝墻側(cè)粘貼與集熱器使用的材質(zhì)及厚度相同的保溫材料，且將新模面裝置懸掛于北墻內(nèi)表面沿集熱器高度方向的中部位置。根據(jù)理論分析可知，此改造方案下獲得的模面裝置表面綜合溫度將更接近于中空板集熱器表面綜合溫度，從而能夠更加合理、更加有效地利用模面裝置表面綜合溫度來控制系統(tǒng)的集熱運(yùn)行。在其他系統(tǒng)的模面裝置的構(gòu)造方案及安裝方式上，也應(yīng)盡可能地貼近于集熱器的形式，從而，讓模面裝置能夠更準(zhǔn)確地反映出集熱器表面熱狀況，即實(shí)現(xiàn)模面裝置表面綜合溫度更加接近于集熱器表面綜合溫度，以此實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的系統(tǒng)集熱性能。

在放熱控制策略方面，目前采用的是在夜間設(shè)置恒定溫度對(duì)溫室進(jìn)行放熱加溫。這種控制方式存在兩方面的不利影響。首先，從作物對(duì)夜間溫度需求的角度來說，前半夜為促進(jìn)同化產(chǎn)物的運(yùn)轉(zhuǎn)速度需要稍高的溫度，而后半夜為抑制呼吸作用的消耗需要稍低的溫度。顯然，采用恒溫管理方式不利于作物的生長(zhǎng)。未來可考慮在放熱中采用變溫管理：前半夜設(shè)置稍高的加溫溫度，后半夜設(shè)置稍低的加溫溫度，從而，為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造出更適宜的溫度環(huán)境。另外，從太陽(yáng)能熱量利用角度來說，由于太陽(yáng)能的能流密度較低，同時(shí)其還具有間歇性和不穩(wěn)定性，太陽(yáng)能系統(tǒng)，與化石燃料燃燒系統(tǒng)相比，產(chǎn)熱量不高，且受天氣條件影響大。收集的太陽(yáng)能熱量很難在整夜維持較高的恒定的室內(nèi)溫度。尤其在遇到連陰數(shù)天后，系統(tǒng)中蓄積的熱量通常都難以維持作物生長(zhǎng)所需的最低溫度。若在夜間采用變溫方式進(jìn)行放熱管理，不僅比恒溫方式節(jié)約能量，而且能夠更加合理地利用太陽(yáng)能熱量，讓收集的有限的熱量得到高效利用。下一步研究中，需要結(jié)合不同作物的夜間溫度需求開發(fā)更理想的放熱控制策略。

7 結(jié) 論

1）針對(duì)目前溫室水循環(huán)太陽(yáng)能利用系統(tǒng)無法在合適時(shí)機(jī)集熱的問題，開發(fā)模面裝置，基于其表面綜合溫度提出高效節(jié)能控制策略。理論分析表明，其日間表面綜合溫度是表面吸收的太陽(yáng)輻射熱量及表面的換熱量之間達(dá)到平衡所取得的溫度，它能夠反映集熱器表面的可集太陽(yáng)余熱。利用該溫度與蓄熱水池內(nèi)水溫之間的差值可較準(zhǔn)確地判斷水循環(huán)系統(tǒng)的集熱時(shí)機(jī)。夜間表面綜合溫度接近于室內(nèi)氣溫，利用該溫度進(jìn)行放熱控制的方式實(shí)質(zhì)上就是利用室內(nèi)氣溫的方式。

2）試驗(yàn)結(jié)果表明，在日間，天氣條件對(duì)模面裝置表面綜合溫度影響顯著。中空板水循環(huán)太陽(yáng)能利用系統(tǒng)在晴天的模面裝置表面綜合溫度最高達(dá)到59.9 ℃，遠(yuǎn)超過在多云天和陰天的最高綜合溫度（分別為47.2和35.0 ℃）。系統(tǒng)在基于綜合溫度提出的集熱控制策略下獲得的晴天的集熱量（404.1 MJ）也遠(yuǎn)超過多云天和陰天的集熱量（分別為225.9和62.7 MJ）。而根據(jù)設(shè)定時(shí)間點(diǎn)控制系統(tǒng)的集熱運(yùn)行，在晴天，出現(xiàn)少集熱（1.4 h）或無效運(yùn)行（1.7 h）等問題，在多云天和陰天，出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的無效運(yùn)行。根據(jù)室內(nèi)氣溫進(jìn)行控制，浪費(fèi)集熱時(shí)機(jī)：集熱初期，太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，系統(tǒng)本可收集熱量（31.8 MJ），且集熱量遠(yuǎn)大于能耗，集熱COP達(dá)20.2，但由于室內(nèi)氣溫較低，并不運(yùn)行；集熱末期，還出現(xiàn)短期無效運(yùn)行（多云天為0.7 h；陰天為2.4 h）。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，本研究提出的集熱控制策略更加高效節(jié)能。另外，基于表面綜合溫度的放熱控制也由于綜合溫度能夠快速地響應(yīng)太陽(yáng)熱能的變化而縮短系統(tǒng)無效運(yùn)行時(shí)間。將該控制策略運(yùn)用到同類型系統(tǒng)中，可進(jìn)一步挖掘這些系統(tǒng)在太陽(yáng)能利用和節(jié)能方面的潛力，實(shí)現(xiàn)更好的技術(shù)性能。

進(jìn)一步優(yōu)化控制策略以實(shí)現(xiàn)更理想的集放熱性能：改進(jìn)模面裝置的構(gòu)造及安裝以更準(zhǔn)確地反映集熱器表面的熱狀況；探索基于作物生長(zhǎng)所需的適宜溫度環(huán)境進(jìn)行變溫管理的放熱控制策略，實(shí)現(xiàn)熱量的高效利用。

[1] Sethi V P, Sumathy K, Lee Chiwon, et al. Thermal modeling aspects of solar greenhouse microclimate control: A review on heating technologies[J]. Solar Energy, 2013, 96: 56-82.

[2] 張義，楊其長(zhǎng)，方慧. 日光溫室水幕簾蓄放熱系統(tǒng)增溫效應(yīng)試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(4)：188-193.

Zhang Yi, Yang Qichang, Fang Hui. Research on warming effect of water curtain system in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(4): 188-193. (in Chinese with English abstract)

[3] 梁浩，方慧，楊其長(zhǎng)，等. 日光溫室后墻蓄放熱簾增溫效果的性能測(cè)試[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(12)：187-193.

Liang Hao, Fang Hui, Yang Qichang, et al. Performance testing on warming effect of heat storage-release curtain of back wall in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(12): 187-193. (in Chinese with English abstract)

[4] Fang H, Yang Q C, Zhang Y, et al. Performance of a solar heat collection and release system for improving night temperature in a Chinese solar greenhouse[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2015, 31(2): 283-289.

[5] Lu W, Zhang Y, Fang H, et al. Modelling and experimental verification of the thermal performance of an active solar heat storage-release system in a Chinese solar greenhouse[J]. Biosystems Engineering, 2017, 160: 12-24.

[6] 方慧，張義，楊其長(zhǎng)，等. 日光溫室金屬膜集放熱裝置增溫效果的性能測(cè)試[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(15)：177-182.

Fang Hui, Zhang Yi, Yang Qichang, et al. Performance testing on warming effect of heat storage-release metal film in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(15): 177-182. (in Chinese with English abstract)

[7] 佟雪姣，孫周平，李天來，等. 日光溫室太陽(yáng)能水循環(huán)系統(tǒng)冬季與夏季試驗(yàn)效果[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2016，37(9)：2306-2313.

Tong Xuejiao, Sun Zhouping, Li Tianlai, et al. Experimental effects of solar energy water-cycling system for solar greenhouse in winter and summer[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2016, 37(9): 2306-2313. (in Chinese with English abstract)

[8] 佟雪姣，孫周平，李天來，等. 溫室太陽(yáng)能水循環(huán)集熱裝置的蓄熱性能研究[J]. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，47(1)：92-96.

Tong Xuejiao, Sun Zhouping, Li Tianlai, et al. Heating performance of heating device of the solar energy water-cycling system in greenhouse[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2016, 47(1): 92-96. (in Chinese with English abstract)

[9] 駱乾亮，程瑞鋒，張義，等. 日光溫室主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(17)：234-241.

Luo Qianliang, Cheng Ruifeng, Zhang Yi, et al. Optimization of active heat storage and release system in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(17): 234-241. (in Chinese with English abstract)

[10] Xia T Y, Li Y M, Wu X Y, et al. Performance of a new active solar heat storage-release system for Chinese assembled solar greenhouses used in high latitudes and cold regions[J]. Energy Reports, 2022, 8: 784-797.

[11] Liu X A, Wu X Y, Xia T Y, et al. New insights of designing thermal insulation and heat storage of Chinese solar greenhouse in high latitudes and cold regions[J]. Energy, 2022, 242: 122953.

[12] 李明，李涵，宋衛(wèi)堂，等. 基于毛細(xì)管網(wǎng)的日光溫室主動(dòng)式集放熱系統(tǒng)研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2019，50(11)：341-349.

Li Ming, Li Han, Song Weitang, et al. Application of active heat system developed with capillary tube mates in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(11): 341-349. (in Chinese with English abstract)

[13] 馬承偉，姜宜琛，程杰宇，等. 日光溫室鋼管屋架管網(wǎng)水循環(huán)集放熱系統(tǒng)的性能分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(21)：209-216.

Ma Chengwei, Jiang Yichen, Cheng Jieyu, et al. Analysis and experiment of performance on water circulation system of steel pipe network formed by roof truss for heat collection and release in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(21): 209-216. (in Chinese with English abstract)

[14] Tong X J, Sun Z P, Sigrimis N, et al. Energy sustainability performance of a sliding cover solar greenhouse: Solar energy capture aspects[J]. Biosystems Engineering, 2018, 176: 88-102.

[15] 孫維拓，張義，楊其長(zhǎng)，等. 溫室主動(dòng)蓄放熱-熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)熱力學(xué)分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(14)：179-188.

Sun Weituo, Zhang Yi, Yang Qichang, et al. Thermodynamic analysis of active heat storage-release associated with heat pump heating system in greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(14): 179-188. (in Chinese with English abstract)

[16] 周升，張義，程瑞鋒，等. 大跨度主動(dòng)蓄能型溫室溫濕環(huán)境監(jiān)測(cè)及節(jié)能保溫性能評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(6)：218-225.

Zhou Sheng, Zhang Yi, Cheng Ruifeng, et al. Evaluation on heat preservation effects in micro-environment of large-scale greenhouse with active heat storage system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(6): 218-225. (in Chinese with English abstract)

[17] Zhou S, Zhang Y, Yang Q C, et al. Performance of active heat storage-release unit assisted with a heat pump in a new type of Chinese solar greenhouse[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2016, 32(5): 641-650.

[18] 柯行林，楊其長(zhǎng)，張義，等. 主動(dòng)蓄放熱加熱基質(zhì)與加熱空氣溫室增溫效果對(duì)比[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(22)：224-232.

Ke Xinglin, Yang Qichang, Zhang Yi, et al. Warming effect comparison between substrate warming system and air warming system by active heat storage-release in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(22): 224-232. (in Chinese with English abstract)

[19] 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué). 一種溫室集放熱智能控制裝置與高效控制方法：201810349215.2[P]. 2020-05-22.

[20] 徐微微，馬承偉，宋衛(wèi)堂，等. 日光溫室中空板水循環(huán)集放熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集熱性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49(7)：326-334.

Xu Weiwei, Ma Chengwei, Song Weitang, et al. Test on heat-collecting performance of solar heat collection and release system with water cycling inside hollow plates in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(7): 326-334. (in Chinese with English abstract)

[21] Xu W W, Song W T, Ma C W. Performance of a water-circulating solar heat collection and release system for greenhouse heating using an indoor collector constructed of hollow polycarbonate sheets[J]. Journal of Cleaner Production, 2020, 253: 119918.

[22] Xu W, Guo H Q, Ma C W. An active solar water wall for passive solar greenhouse heating[J]. Applied Energy, 2022, 308: 118270.

[23] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50176-2016，民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.

[24] 徐微微. 日光溫室中空板水循環(huán)太陽(yáng)能集放熱系統(tǒng)性能與模擬[D]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2020.

Xu Weiwei. Performance and Simulation of a Water-circulating Solar Heat Collection and Release System for Heating the Chinese Solar Greenhouse Using an Indoor Collector Constructed of Hollow Polycarbonate Sheets[D]. Beijing: China Agricultural University, 2020. (in Chinese with English abstract)

High-efficiency and energy-saving control strategy for the water-circulating solar energy system in the greenhouse

Xu Weiwei1, Ma Chengwei2, Sun Hao3, Liu Yiwei4, Cheng Ruifeng1, Zhang Yi1※

(1.,,100081,;2.,,100083,;3.,,518060,;4..,.,100043,)

A water-circulating solar energy system has been widely used in the field of greenhouse heating. But, real-time heat harvesting is still lacking in the arrangement of time points or indoor air temperature. It is a high demand to consider the thermal condition of the collector surface in the current operation control system. This study aims to explore the high-efficiency and energy-saving operating system. An intelligent control device was first developed for solar heat collection and release. A simulation was then performed on the appearance and condition of the water-circulating solar collector (also as the heating radiator) without the impact of water flow. A new control strategy was finally proposed using the simulating device. Specifically, the difference between the surface sol-air temperature and the tank water temperature was utilized to control the daytime heat collection, whereas, the surface sol-air temperature was to control the nighttime heat release. A theoretical analysis was also implemented to verify the control strategy. The surface sol-air temperature of the device surface in the daytime was used to reveal the collectible excess solar heat on the collector surface. As a result, the balance was achieved between the solar radiant heat absorbed by the surface and the heat exchanged between the surface and the internal environment, and between the surface and the greenhouse environment. Thereby, the control strategy accurately enables heat collection at the right time. The sol-air surface temperature at night was closely related to the indoor air temperature. Correspondingly, heat-releasing control was essential using indoor air temperature. The field tests were carried out to investigate the solar heat collection and release effect of the control strategy applied to the water-circulating solar energy system with an indoor collector (as a heating radiator during nighttime) constructed of hollow polycarbonate sheets. And a comparison was also made with the existing control strategy capability. During daytime, weather conditions had significant influence on the surface sol-air temperature. The maximum temperature reached 59.9 ℃on a sunny day, much higher than those on cloudy and overcast days (47.2 and 35.0 ℃, respectively). The heat collection on a sunny day (404.1 MJ) was also much higher than those on cloudy and overcast days (225.9 and 62.7 MJ, respectively). Obviously, the setting time points led to some issues for the heat collection control, such as less heat collection (1.4 h) or ineffective operation (1.7 h) on a sunny day, and long-term ineffective operation on cloudy and overcast days. The control system of indoor air temperature also missed some heat collection opportunities, due to the low air temperature. Particularly, the heat (31.8 MJ) needed to be collected for a significant energy saving (coefficient of performance: 20.2) in the early stage of heat collection with the strong solar radiation. Besides, the short-term ineffective operation often occurred (0.7 and 2.4 h on cloudy and overcast days, respectively). By contrast, the new control strategy of heat collection was achieved in the higher heat collection with the lower energy consumption. The heat release control also performed better to reduce the ineffective operation time, due to the rapid response of surface sol-air temperature to exchange in solar thermal energy. The control strategy was also applied in the water circulation systems, in order to tap the harnessing potential of solar energy and saving energy. Besides, the heat collection control strategy can be expected to apply in forced-circulation solar water heating systems. The control strategy can be further optimized for the more ideal heat collection and release. The finding can provide the technical reference to improve the structure and installation of the simulating device in the temperature change management of heat release.

solar energy; greenhouse; solar collector; control strategy; surface sol-air temperature; excess solar heat

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.016

S214.3；S625.4

A

1002-6819(2022)-22-0149-09

徐微微，馬承偉，孫昊，等. 溫室水循環(huán)太陽(yáng)能利用系統(tǒng)高效節(jié)能控制策略[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(22)：149-157.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.016 http://www.tcsae.org

Xu Weiwei, Ma Chengwei, Sun Hao, et al. High-efficiency and energy-saving control strategy for the water-circulating solar energy system in the greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(22): 149-157. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.016 http://www.tcsae.org

2022-08-29

2022-11-09

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃戰(zhàn)略性科技創(chuàng)新合作專項(xiàng)（2020YFE0203600）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（Y2021PT04）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31901421）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（CARS-23-D02）

徐微微，博士，研究方向?yàn)闇厥姨?yáng)能熱利用技術(shù)與裝備。Email：xuweiweilaugh@126.com

張義，博士，研究員，研究方向?yàn)樵O(shè)施園藝環(huán)境工程。Email：zhangyi03@caas.cn