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三种太阳能温室水蓄放热体系的比较剖析

来历:沈阳农业大学 作者:李永玺
发布于:2021-04-17 共6618字

  摘    要

  
  日光温室是高效节能型的园艺设备,其墙体在保温蓄热方面起到十分重要的作用,对温室热环境有直接的影响。传统日光温室的墙体以砖墙、土墙等为主,可是其墙体结构的蓄热才能有限,夜间放热量缺乏,不行以继续稳定地进行放热,会影响作物的正常成长发育。因为水作为天然界中比热容大,且易于活动和传热的物质,十分合适作为蓄放热介质。运用水作为蓄热体系的储热介质进行太阳能的搜集,用于进步温室夜间的气温或地温是具有重要含义的。



三种太阳能温室水蓄放热体系的比较剖析
 

  
  本研讨经过比照三种水蓄放热体系(太阳能集热板水循环蓄放热体系、太阳能水管水循环蓄放热体系、太阳能水箱蓄放热体系)与传统砖墙蓄放热体系之间以及比照不同水蓄放热体系之间的蓄放热功能,来清楚水蓄放热体系对温室内部环境的作用作用与作用规则。在不同的气候状况条件下(晴天、阴天),比照水蓄放热体系与传统砖墙蓄放热体系的蓄放热功能,清楚水蓄放热体系与传统砖墙蓄放热体系的差异;在典型晴天和典型阴天的条件下,对不同的水蓄放热体系进行比照,清楚哪种水蓄放热体系功能更佳。
  
  依据以上实验,得出以下首要定论:
  
  (1)水蓄放热体系的集放热才能优于传统砖墙的集放热才能。
  
  (2)在典型晴天和阴天的条件下,太阳能集热板水循环蓄放热体系的集放热功能都是最佳的。
  
  (3)太阳能集热板在晴天条件下,集热功能可到达1.19 MJ·m-2h-1,放热功能0.6 MJ·m-2h-1,在阴天条件下,集热功能0.55 MJ·m-2h-1,放热功能0.26 MJ·m-2h-1。
  
  (4)规划了一套水循环蓄放热体系,以期为水蓄放热体系的规划以及仿真建模供给理论依据。
  
  要害字:    日光温室;太阳能;水蓄放热体系;功能剖析 。
  

  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、前语
 

  
  1.1、研讨布景。
  

  自20世纪80年代起,日光温室作为一种作物培养设备在我国北方冰冷区域迅速开展。因其打破了传统农业地域和时节的天然约束,可认为作物全年正常出产供给必要的条件,并且能够满意农业作物在正常成长发育条件下的所需外界气候环境条件(刘志杰,2007)。在我国设备园艺的开展进程中,日光温室起到了十分要害的作用,现已开展成为我国北方冰冷区域最为重要的园艺设备。因为其具有高效、节能和低本钱等特色,规划逐年扩展,尤其是在近几年内,建筑面积呈现出快速增长的趋势(刘博文,2018)。
  
  到到2018年,我国日光温室的土地建筑面积现已到达95.8万hm2(束胜,2018)。伴随着社会的开展,为了能够习惯我国社会经济的需求和农业资源的缺少,日光温室的工业逐渐开展,使其在农业资源上能够最大化地合理运用,并且在很大程度上能够补偿我国农业资源匮乏的难题。不光加快了我国农业工业结构的调整,并且处理了长时间困扰我国北方区域冬天蔬菜供给难的问题,既避免了温室效应形成的环境污染,又能完成高效节能,并且取得了巨大的经济效益,现已成为处理“三农问题”的支柱工业之一(李天来,2005,2013;钟钢,2013)。
  
  日光温室里最重要的能量来历是来自太阳的辐射。在白日,太阳光照射进日光温室后,光能转换成热能,太阳能以热量的办法存储在温室的土壤和墙体中;夜间,当温室内气温下降时,存储在温室墙体和土壤中的热量开释到温室内,对温室供给热量(张义,2012)。可是,传统日光温室首要是以土墙、砖墙等墙体以及地上土壤为首要的蓄热体,在冬天晴气候候条件下砖墙、土壤积蓄和开释的热量是有限的,并且不行以继续稳定地进行放热,会影响作物的正常成长发育。在冬天夜间的前半夜,土墙、砖墙等墙体及地上土壤开释热量较快,而因为其蓄热量有限,导致在冬天夜间后半夜其开释的热量缺乏,然后致使冬天夜间清晨之后的时段经常出现低温现象,温室内气温低简略致使作物产生冻害。并且在冬天接连阴天的极点气候条件下,太阳的辐射量过低,导致夜间温室内温度不行以满意作物的正常成长的条件,或许会使培养作物的成长遭到按捺甚至会导致作物逝世(郭建业,2016)。并且传统日光温室还存在其他许多问题,例如:损坏耕层结构、制作与保护本钱高、不方便拆装等等问题(李星,2018)。
  
  特别是在我国北方冰冷区域,在早春时节以及冬天温室的外界环境气候冰冷,室外气温较低且昼夜温差显着,在不运用任何加热办法的条件下,会导致温室内夜间的气温较低,并且很难满意温室内作物正常成长发育的需求(陈杰,2005)。而温室内传统的加热办法都需求运用很多不行再生的化石燃料等资料,在冬天继续供暖的进程傍边,会开释出很多的有害气体,然后会导致比较严重的环境污染,与此一起,也不利于作物的正常成长发育(盛国成,2007)。为了处理以上问题,相关专家学者运用水作为蓄热体系的储热介质对太阳能进行搜集。运用太阳能是天然界中一种具有高价值的清洁动力,对太阳能的有用运用,不光能够进步温室内墙体温度和地温,并且有用地处理了温室传统的加热办法所存在的问题,能够对温室作物完成高产、优质的作用(李洵,1997;张海莲,1997)。现在运用于日光温室的太阳能集热设备首要包含空气—地中热交换体系、光伏太阳能技能、相变资料、太阳能水蓄热设备等等。其间,墙体、空气和土壤的导热功能和传热才能远不如水,其导热才能和蓄热才能要远大于墙体、空气和土壤,水更合适作为传热和蓄热介质。相变资料品种繁复,并且在运用相变资料进程中,要求其具有较高的密闭性。光伏太阳能因为其造价贵重,难以进行本质性地推行,无法快速投入出产。而水是大天然中比热容最大的物质,能够汲取和存储更多的热量(佟雪娇,2016)。
  
  因而,以太阳辐射为热源、以水为介质的蓄放热体系的研讨对进步日光温室冬天夜间温度的作用是有着显着作用的,对日光温室蓄热技能的开展有着极其重要的含义。
  
  1.2、日光温室首要蓄热技能的研讨进展。
  
  现在运用在日光温室的蓄热技能首要分为空气循环蓄热、热泵蓄热、相变资料等。对空气循环蓄热技能的研讨较早,前期的研讨都运用在日光温室的土壤上,现在依据其办法和方位可分为2种办法,别离为地下空气循环蓄热和墙体空气循环蓄热。在地下空气循环蓄热上,早在上个世纪八十年代国内就已有研讨,马承伟等(1984;1985)经过对塑料大棚的地?气热交换体系的研讨,发现其体系贮存太阳能作用显着,并且能够在夜间保持塑料大棚的气温。成果标明,在夜间塑料大棚不自动加温的条件下,能使塑料大棚内的气温比外界高差10℃左右。袁巧霞等(1995;1997)规划了一种半被动式塑料大棚地下热交换体系,经过对所规划的塑料大棚的研讨,标明棚内的地下热交换体系能够保持塑料大棚在夜间温室表里的气温差值到达8~9℃,一起能够进步棚内地上温度高达10℃左右。孙周相等(2013)规划了一种彩钢板保温采光装配式节能日光温室,并把空气—地中热交换体系装置在其温室内地下0.5m的方位。并在冬天对其进行蓄放热功能实验,实验成果标明,空气—地中热交换体系的蓄热作用显着,并且测验了再与温室水循环蓄放热体系结合运用的作用,成果标明两种体系供给的热量能够保证实验温室内西红柿成长的热环境,满意在冬天温室内西红柿正常成长的需求。Ntinas等(2014)测验了温室内太阳能空气集热体系,并清晰了对温室中的培养作物根部加温的作用,测验成果表明太阳能空气集热体系在对温室供暖时能够节能23%。Benli等(2009)为了改善储热技能的运用,将地源热泵和相变资料储热技能相结合,用于温室供暖,可为温室供给每日热量需求的18%至23%。空气循环蓄热体系需求在温室后墙额定配备通风管道、风机等专业设备,并且在运转进程中需求耗费很多的电能,简略形成施工不方便且投入大,节能作用欠安。
  
  热泵蓄热的办法是依据其运用热源的不同而区分的,首要分为空气源热泵、土壤源热泵和水源热泵3类(Chua et al. 2010;Kelly and Cockroft .2011)。国外学者将热泵蓄热技能运用到温室中较早,Bot等(2005)依据荷兰本地的状况,经过运用热泵贮存夏日热能,在冬天用于对温室供暖,估计节能率有望超越60%。Attar等(2014)运用空气源热泵技能,对温室进行冬天加温文夏日降温的实验,成果标明无论是冬天加温仍是夏日降温,其都具有杰出的节能作用。S.Awani等(2015)研讨了水源热泵和空气热泵结合的体系在温室中的运用作用,该体系由平板集热器、热泵体系和立式热交换器组成,建立了数学模型对供热体系进行剖析,剖析得到了影响该体系加温作用的要素,影响其作用的重要要素首要有获取太阳能和地热动力功率低和温室体系的负载过大。还有学者将热泵技能于其他技能相结合,Anifantis等(2017)运用地源热泵技能与光伏制氢技能相结合的体系,对温室进行供暖。白日,运用光伏板的电解作用出产氢气,并在压力罐中贮存氢气;到了夜间,经过燃料电池把氢气转化为电能,以此来为地源热泵体系供给动力,然后到达为温室供暖的作用。Ozgener等(2005)确认了土壤源热泵向温室土壤供热的功能系数(coefficient of performance,COP)在2.13(阴天)到2.84(晴天)。Yang等(2013)研讨发现空气源热泵在冬天用于温室大棚,在夏天用于下降温室温度,两者均具有杰出的节能作用。Chai等(2012)在我国北方的日光温室中运用了水源热泵技能,并在冬天对其进行了实验测验,实验成果显现连栋玻璃温室和日光温室中的热泵COP别离是3.91和3.83,采暖本钱的费用别离比燃气采暖体系低了8.9%,但比燃煤采暖体系的费用高了16.5%。因而,我国的日光温室在经济和环境方面的体现要比连栋玻璃温室更好。经过热泵蓄热技能对温室进行加温作用好,若结合其他蓄热办法,会有更好的作用。但该体系结构杂乱,施工工艺杂乱,初始出资较高,本钱大。
  
  综上所述,本钱小,节能功率高以及施工工艺简略的蓄放热体系成为现在首要的研讨方针,那么水作为天然界中比热容最大的物质被研讨者们所提出。水易于活动,蓄放热功能极好,其能够对温室内供暖有杰出的作用,关于水循环蓄放热体系的研讨及其具有含义。
  

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  1.3 、日光温室水循环蓄热技能的研讨进展
  1.3.1、不同集热器水循环蓄放热体系的研讨进展.
  1.3.2、太阳能集热器水循环蓄放热体系的研讨进展.
  1.4 、研讨的意图与意
  1.4.1 、研讨意图
  1.4.2、研讨含义
  1.5、研讨内容.
  
  2、资料与办法.
  
  2.1、实验环境.
  2.1.1、实验温室
  2.1.2、苯板箱体,
  2.2、蓄放热体系结构及作业原理
  2.2.1、不同蓄放热体系结构组成.
  2.2.2、不同蓄放热体系作业原理概述
  2.3、实验办法与实验仪器
  2.3.1、实验计划的规划
  2.3.2、温室表里环境的测定
  2.3.3、苯板箱体内环境的测定
  2.4、数据处理.
  2.4.1、水蓄放热体系蓄放热功率的核算.
  2.4.2、墙体蓄放热体系集放热功率的核算.
  
  3、三种水蓄放热体系与传统砖墙蓄放热体系蓄放热功能比照剖析.
  
  3.1、 太阳能集热板水循环蓄放热体系与传统砖墙蓄放热体系蓄放热功能比照剖析
  3.1.1、典型晴天条件下成果比照剖析.
  3.1.2、典型阴天条件下成果比照剖析.
  3.2、太阳能水管水循环蓄放热体系与墙体蓄放热体系蓄放热功能比照剖析.
  3.2.1、典型晴天条件下成果比照剖析.
  3.2.2、典型阴天条件下成果比照剖析.
  3.3、太阳能水箱蓄放热体系与墙体蓄放热体系蓄放热功能比照剖析.
  3.3.1、典型晴天条件下成果比照剖析.
  3.3.2、典型阴天条件下成果比照剖析
  3.4、小结.
  
  4、三种太阳能水蓄放热体系成果比照剖析.
  
  4.1、太阳能集热板与太阳能水管水循环蓄放热体系蓄放热功能比照剖析.
  4.2、太阳能集热板水循环与太阳能水箱蓄放热体系蓄放热功能比照剖析.
  4.3、太阳能水管水循环与太阳能水箱蓄放热体系蓄放热功能比照剖析.
  4.4、太阳能集热板水循环蓄放热体系的设.

  5、  结 论

  本文研讨了在典型晴天和典型阴天条件下比照了四种蓄放热体系的蓄放热功能,在白日,水和墙体两种蓄热体能够吸收温室内的太阳辐射能,夜间将其开释于苯板箱体内,保持苯板箱体内的气温。研讨成果标明,不论是在晴天条件仍是在阴天条件下,水蓄放热体系的蓄放热才能都要优于传统砖墙,能够使苯板箱体内部热环境保持在一个较高的水平。经过对典型晴天和典型阴天条件下四种蓄放热体系的蓄放热功能进行比照剖析,能够得出以下定论:

  (1)水蓄放热体系的集放热才能是优于传统砖墙的集放热才能。并且太阳能集热板无论是在典型阴天仍是典型晴天条件下,集放热功能均是最佳的。

  (2)在集热功能方面,晴天条件下,三种水蓄热体系(太阳能集热板、水管、水箱)的蓄热量别离比传统砖墙高3.70MJ、1.51MJ、0.92MJ;阴天条件下,别离比传统砖墙高2.76MJ、2.17MJ、1.08MJ。

  (3)在放热功能方面,晴天条件下,三种水蓄热体系(太阳能集热板、水管、水箱)的放热量别离比传统砖墙高3.10MJ、1.67MJ、0.83MJ;阴天条件下,别离比传统砖墙高2.15MJ、1.98MJ、0.13MJ。

  (4)在晴天条件下,太阳能集热板蓄热量别离比太阳能水管水循环蓄放热体系和太阳能水箱蓄放热体系高2.19MJ、2.78MJ;放热量多1.43MJ、2.27MJ。在阴天条件下,蓄热量别离多0.59MJ、1.68MJ;放热量别离多0.17MJ、2.02MJ。

  (5)太阳能集热板在晴天条件下,集热功能可到达1.19MJ·m-2h-1,放热功能0.6MJ·m-2h-1,在阴天条件下,集热功能0.55MJ·m-2h-1,放热功能0.26MJ·m-2h-1。并规划了一套水循环蓄放热体系,以此期望为水蓄放热体系的规划以及仿真建模供给理论依据。

  参阅文献

作者单位:沈阳农业大学
原文出处:李永玺. 节能日光温室水蓄放热体系功能比照研讨[D].沈阳农业大学,2020.
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