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三种太阳能温室水蓄放热系统的比较分析

来源: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施,其墙体在保温蓄热方面起到非常重要的作用,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,但是其墙体结构的蓄热能力有限,夜间放热量不足,不能够持续稳定地进行放热,会影响作物的正常生长发育。由于水作为自然界中比热容大,且易于流动和传热的物质,非常适合作为蓄放热介质。利用水作为蓄热系统的储热介质进行太阳能的收集,用于提高温室夜间的气温或地温是具有重要意义的。



三种太阳能温室水蓄放热系统的比较分析
 

  
  本研究通过对比三种水蓄放热系统(太阳能集热板水循环蓄放热系统、太阳能水管水循环蓄放热系统、太阳能水箱蓄放热系统)与传统砖墙蓄放热系统之间以及对比不同水蓄放热系统之间的蓄放热性能,来明晰水蓄放热系统对温室内部环境的作用效果与作用规律。在不同的天气情况条件下(晴天、阴天),对比水蓄放热系统与传统砖墙蓄放热系统的蓄放热性能,明晰水蓄放热系统与传统砖墙蓄放热系统的差异;在典型晴天和典型阴天的条件下,对不同的水蓄放热系统进行对比,明晰哪种水蓄放热系统性能更佳。
  
  根据以上试验,得出以下主要结论:
  
  (1)水蓄放热系统的集放热能力优于传统砖墙的集放热能力。
  
  (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系统的集放热性能都是最佳的。
  
  (3)太阳能集热板在晴天条件下,集热性能可达到1.19 MJ·m-2h-1,放热性能0.6 MJ·m-2h-1,在阴天条件下,集热性能0.55 MJ·m-2h-1,放热性能0.26 MJ·m-2h-1。
  
  (4)设计了一套水循环蓄放热系统,以期为水蓄放热系统的设计以及仿真建模提供理论依据。
  
  关键字:    日光温室;太阳能;水蓄放热系统;性能分析 。
  

  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、前言
 

  
  1.1、研究背景。
  

  自20世纪80年代起,日光温室作为一种作物栽培设施在我国北方寒冷地区迅速发展。因其打破了传统农业地域和季节的自然限制,可以为作物全年正常生产提供必要的条件,并且可以满足农业作物在正常生长发育条件下的所需外界气候环境条件(刘志杰,2007)。在我国设施园艺的发展过程中,日光温室起到了非常关键的作用,已经发展成为我国北方寒冷地区最为重要的园艺设施。由于其具有高效、节能和低成本等特点,规模逐年扩大,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)。
  
  截至到2018年,我国日光温室的土地建筑面积已经达到95.8万hm2(束胜,2018)。伴随着社会的发展,为了能够适应中国社会经济的需要和农业资源的短缺,日光温室的产业逐步发展,使其在农业资源上可以最大化地合理利用,并且在很大程度上能够弥补我国农业资源匮乏的难题。不但加快了我国农业产业结构的调整,而且解决了长期困扰我国北方地区冬季蔬菜供应难的问题,既避免了温室效应造成的环境污染,又能实现高效节能,并且取得了巨大的经济效益,已经成为解决“三农问题”的支柱产业之一(李天来,2005,2013;钟钢,2013)。
  
  日光温室里最重要的能量来源是来自太阳的辐射。在白天,太阳光照射进日光温室后,光能转换成热能,太阳能以热量的方式存储在温室的土壤和墙体中;夜间,当温室内气温降低时,存储在温室墙体和土壤中的热量释放到温室内,对温室提供热量(张义,2012)。但是,传统日光温室主要是以土墙、砖墙等墙体以及地面土壤为主要的蓄热体,在冬季晴天天气条件下砖墙、土壤蓄积和释放的热量是有限的,而且不能够持续稳定地进行放热,会影响作物的正常生长发育。在冬季夜间的前半夜,土墙、砖墙等墙体及地面土壤释放热量较快,而由于其蓄热量有限,导致在冬季夜间后半夜其释放的热量不足,从而致使冬季夜间凌晨之后的时段经常出现低温现象,温室内气温低容易致使作物发生冻害。而且在冬季连续阴天的极端天气条件下,太阳的辐射量过低,导致夜间温室内温度不能够满足作物的正常生长的条件,可能会使栽培作物的生长受到抑制甚至会导致作物死亡(郭建业,2016)。而且传统日光温室还存在其他诸多问题,例如:破坏耕层结构、建造与维护成本高、不方便拆装等等问题(李星,2018)。
  
  特别是在我国北方寒冷地区,在早春季节以及冬季温室的外界环境气候寒冷,室外气温较低且昼夜温差明显,在不使用任何加热方式的条件下,会导致温室内夜间的气温较低,并且很难满足温室内作物正常生长发育的需求(陈杰,2005)。而温室内传统的加热方式都需要使用大量不可再生的化石燃料等材料,在冬季持续供暖的过程当中,会释放出大量的有害气体,从而会导致比较严重的环境污染,与此同时,也不利于作物的正常生长发育(盛国成,2007)。为了解决以上问题,相关专家学者利用水作为蓄热系统的储热介质对太阳能进行收集。利用太阳能是自然界中一种具有高价值的清洁能源,对太阳能的有效利用,不但可以提高温室内墙体温度和地温,而且有效地解决了温室传统的加热方式所存在的问题,可以对温室作物实现高产、优质的效果(李洵,1997;张海莲,1997)。目前应用于日光温室的太阳能集热装置主要包括空气—地中热交换系统、光伏太阳能技术、相变材料、太阳能水蓄热装置等等。其中,墙体、空气和土壤的导热性能和传热能力远不如水,其导热能力和蓄热能力要远大于墙体、空气和土壤,水更适合作为传热和蓄热介质。相变材料种类繁多,而且在使用相变材料过程中,要求其具有较高的密闭性。光伏太阳能因为其造价昂贵,难以进行实质性地推广,无法快速投入生产。而水是大自然中比热容最大的物质,可以吸取和存储更多的热量(佟雪娇,2016)。
  
  因此,以太阳辐射为热源、以水为介质的蓄放热系统的研究对提高日光温室冬季夜间温度的作用是有着明显效果的,对日光温室蓄热技术的发展有着极其重要的意义。
  
  1.2、日光温室主要蓄热技术的研究进展。
  
  目前应用在日光温室的蓄热技术主要分为空气循环蓄热、热泵蓄热、相变材料等。对空气循环蓄热技术的研究较早,早期的研究都应用在日光温室的土壤上,现在根据其形式和位置可分为2种形式,分别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究,马承伟等(1984;1985)通过对塑料大棚的地?气热交换系统的研究,发现其系统储存太阳能效果显着,并且可以在夜间维持塑料大棚的气温。结果表明,在夜间塑料大棚不主动加温的条件下,能使塑料大棚内的气温比外界高差10℃左右。袁巧霞等(1995;1997)设计了一种半被动式塑料大棚地下热交换系统,通过对所设计的塑料大棚的研究,表明棚内的地下热交换系统可以维持塑料大棚在夜间温室内外的气温差值达到8~9℃,同时可以提高棚内地面温度高达10℃左右。孙周平等(2013)设计了一种彩钢板保温采光装配式节能日光温室,并把空气—地中热交换系统安装在其温室内地下0.5m的位置。并在冬季对其进行蓄放热性能试验,试验结果表明,空气—地中热交换系统的蓄热效果明显,而且测试了再与温室水循环蓄放热系统结合使用的效果,结果表明两种系统提供的热量可以确保试验温室内番茄生长的热环境,满足在冬季温室内番茄正常生长的需要。Ntinas等(2014)测试了温室内太阳能空气集热系统,并明确了对温室中的栽培作物根部加温的效果,测试结果表示太阳能空气集热系统在对温室供暖时可以节能23%。Benli等(2009)为了改善储热技术的应用,将地源热泵和相变材料储热技术相结合,用于温室供暖,可为温室提供每日热量需求的18%至23%。空气循环蓄热系统需要在温室后墙额外装备通风管道、风机等专业设备,而且在运行过程中需要消耗大量的电能,容易造成施工不方便且投入大,节能效果不佳。
  
  热泵蓄热的方式是根据其利用热源的不同而划分的,主要分为空气源热泵、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术应用到温室中较早,Bot等(2005)根据荷兰本地的情况,通过使用热泵储存夏季热能,在冬季用于对温室供暖,预计节能率有望超过60%。Attar等(2014)利用空气源热泵技术,对温室进行冬季加温和夏季降温的试验,结果表明无论是冬季加温还是夏季降温,其都具有良好的节能效果。S.Awani等(2015)研究了水源热泵和空气热泵结合的系统在温室中的应用效果,该系统由平板集热器、热泵系统和立式热交换器组成,建立了数学模型对供热系统进行分析,分析得到了影响该系统加温效果的因素,影响其效果的重要因素主要有获取太阳能和地热能源效率低和温室系统的负载过大。还有学者将热泵技术于其他技术相结合,Anifantis等(2017)利用地源热泵技术与光伏制氢技术相结合的系统,对温室进行供暖。白天,利用光伏板的电解作用生产氢气,并在压力罐中储存氢气;到了夜间,通过燃料电池把氢气转化为电能,以此来为地源热泵系统提供动力,从而达到为温室供暖的效果。Ozgener等(2005)确定了土壤源热泵向温室土壤供热的性能系数(coefficient of performance,COP)在2.13(阴天)到2.84(晴天)。Yang等(2013)研究发现空气源热泵在冬天用于温室大棚,在夏天用于降低温室温度,两者均具有良好的节能效果。Chai等(2012)在中国北方的日光温室中应用了水源热泵技术,并在冬季对其进行了试验测试,试验结果显示连栋玻璃温室和日光温室中的热泵COP分别是3.91和3.83,采暖成本的费用分别比燃气采暖系统低了8.9%,但比燃煤采暖系统的费用高了16.5%。因此,中国的日光温室在经济和环境方面的表现要比连栋玻璃温室更好。通过热泵蓄热技术对温室进行加温效果好,若结合其他蓄热方式,会有更好的效果。但该系统结构复杂,施工工艺复杂,初始投资较高,成本大。
  
  综上所述,成本小,节能效率高以及施工工艺简单的蓄放热系统成为现在主要的研究目标,那么水作为自然界中比热容最大的物质被研究者们所提出。水易于流动,蓄放热性能极好,其可以对温室内供暖有良好的效果,对于水循环蓄放热系统的研究及其具有意义。
  

  【由于本篇文章为硕士论文,如需全文请点击底部下载全文链接】

  
  1.3 、日光温室水循环蓄热技术的研究进展
  1.3.1、不同集热器水循环蓄放热系统的研究进展.
  1.3.2、太阳能集热器水循环蓄放热系统的研究进展.
  1.4 、研究的目的与意
  1.4.1 、研究目的
  1.4.2、研究意义
  1.5、研究内容.
  
  2、材料与方法.
  
  2.1、试验环境.
  2.1.1、试验温室
  2.1.2、苯板箱体,
  2.2、蓄放热系统结构及工作原理
  2.2.1、不同蓄放热系统结构组成.
  2.2.2、不同蓄放热系统工作原理概述
  2.3、试验方法与试验仪器
  2.3.1、试验方案的设计
  2.3.2、温室内外环境的测定
  2.3.3、苯板箱体内环境的测定
  2.4、数据处理.
  2.4.1、水蓄放热系统蓄放热效率的计算.
  2.4.2、墙体蓄放热系统集放热效率的计算.
  
  3、三种水蓄放热系统与传统砖墙蓄放热系统蓄放热性能对比分析.
  
  3.1、 太阳能集热板水循环蓄放热系统与传统砖墙蓄放热系统蓄放热性能对比分析
  3.1.1、典型晴天条件下结果对比分析.
  3.1.2、典型阴天条件下结果对比分析.
  3.2、太阳能水管水循环蓄放热系统与墙体蓄放热系统蓄放热性能对比分析.
  3.2.1、典型晴天条件下结果对比分析.
  3.2.2、典型阴天条件下结果对比分析.
  3.3、太阳能水箱蓄放热系统与墙体蓄放热系统蓄放热性能对比分析.
  3.3.1、典型晴天条件下结果对比分析.
  3.3.2、典型阴天条件下结果对比分析
  3.4、小结.
  
  4、三种太阳能水蓄放热系统结果对比分析.
  
  4.1、太阳能集热板与太阳能水管水循环蓄放热系统蓄放热性能对比分析.
  4.2、太阳能集热板水循环与太阳能水箱蓄放热系统蓄放热性能对比分析.
  4.3、太阳能水管水循环与太阳能水箱蓄放热系统蓄放热性能对比分析.
  4.4、太阳能集热板水循环蓄放热系统的设.

  5、  结 论

  本文研究了在典型晴天和典型阴天条件下对比了四种蓄放热系统的蓄放热性能,在白天,水和墙体两种蓄热体可以吸收温室内的太阳辐射能,夜间将其释放于苯板箱体内,维持苯板箱体内的气温。研究结果表明,不论是在晴天条件还是在阴天条件下,水蓄放热系统的蓄放热能力都要优于传统砖墙,能够使苯板箱体内部热环境维持在一个较高的水平。通过对典型晴天和典型阴天条件下四种蓄放热系统的蓄放热性能进行对比分析,可以得出以下结论:

  (1)水蓄放热系统的集放热能力是优于传统砖墙的集放热能力。而且太阳能集热板无论是在典型阴天还是典型晴天条件下,集放热性能均是最佳的。

  (2)在集热性能方面,晴天条件下,三种水蓄热系统(太阳能集热板、水管、水箱)的蓄热量分别比传统砖墙高3.70MJ、1.51MJ、0.92MJ;阴天条件下,分别比传统砖墙高2.76MJ、2.17MJ、1.08MJ。

  (3)在放热性能方面,晴天条件下,三种水蓄热系统(太阳能集热板、水管、水箱)的放热量分别比传统砖墙高3.10MJ、1.67MJ、0.83MJ;阴天条件下,分别比传统砖墙高2.15MJ、1.98MJ、0.13MJ。

  (4)在晴天条件下,太阳能集热板蓄热量分别比太阳能水管水循环蓄放热系统和太阳能水箱蓄放热系统高2.19MJ、2.78MJ;放热量多1.43MJ、2.27MJ。在阴天条件下,蓄热量分别多0.59MJ、1.68MJ;放热量分别多0.17MJ、2.02MJ。

  (5)太阳能集热板在晴天条件下,集热性能可达到1.19MJ·m-2h-1,放热性能0.6MJ·m-2h-1,在阴天条件下,集热性能0.55MJ·m-2h-1,放热性能0.26MJ·m-2h-1。并设计了一套水循环蓄放热系统,以此希望为水蓄放热系统的设计以及仿真建模提供理论依据。

  参考文献

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系统性能对比研究[D].沈阳农业大学,2020.
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