溫室太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)夏季調(diào)溫性能的研究

■ 王春彥 張洪海 彭爾瑞

溫度是動(dòng)植物生長(zhǎng)的重要生態(tài)條件之一，為了獲得最佳的作物生長(zhǎng)溫度，抵御室外的極端氣候條件，溫室必須配備合適的增溫和降溫系統(tǒng)。對(duì)大多數(shù)溫室來(lái)說(shuō)，夏季白天采用換氣、遮光、灑水、室內(nèi)噴霧就可以降溫[1]。農(nóng)業(yè)溫室增溫和降溫消耗的能源接近歐洲能源總預(yù)算的1.5%，在南歐國(guó)家，增溫消耗占溫室總運(yùn)行費(fèi)用的30%[2]。近十年來(lái)，采用太陽(yáng)能替代常規(guī)能源為溫室加熱，已開(kāi)始進(jìn)入商業(yè)化階段[3]。然而，由于栽培或養(yǎng)殖對(duì)象生長(zhǎng)條件各不相同，并且各地氣候、土壤、水分等自然條件及社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況千差萬(wàn)別，難以找到一種普遍有效的太陽(yáng)能增溫模式和方法。太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性、增溫系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、低溫供熱的局限性及耕作習(xí)慣等使得太陽(yáng)能增溫尚未引起國(guó)內(nèi)研究人員的重視。

一 材料與方法

1 溫室特征

溫室為南北向，設(shè)立在一幢二層鋼筋混凝土樓房的二樓某一屋面上，南北長(zhǎng)10.34m，東西長(zhǎng)4～4.67m，凈面積45.09 m2，東、西、南、頂四面為玻璃鋁合金結(jié)構(gòu)，北面為磚墻，屋頂傾角25?。南側(cè)24.14 m2為養(yǎng)殖溫室，北側(cè)20.95 m2為育苗溫室，養(yǎng)殖溫室的溫度比種植溫室的低1.20℃。

2 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)特征

太陽(yáng)能熱水調(diào)溫系統(tǒng)采用實(shí)用新型專利全方位立體面透光太陽(yáng)能熱水器[4](專利號(hào)ZL 93212192.6，設(shè)計(jì)人劉群生，王廷漢)組成，是一種由透明玻璃材料和底座組成的，能全方位呈立體面接收太陽(yáng)入射光的悶曬式太陽(yáng)能熱水器。占地0.23m2的太陽(yáng)能熱水器，日產(chǎn)熱水30～35kg，取太陽(yáng)入射角為0時(shí)的最大投影面積為采光面積測(cè)試得到熱水器的平均日效率d = 59.92%，平均熱損系數(shù)UL=35.16W/(m2·℃)[5]。

3 方法

在溫室內(nèi)布置4臺(tái)全方位立體面透光太陽(yáng)能熱水器，每臺(tái)容水133kg，太陽(yáng)能熱水器布置在北墻一側(cè)地面上和溫室中央槽鋼支柱之間的地面上。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為某年4月1日～5月17日，主要儀器有標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)、TBQ-2-總輻射表、RYJ12日射記錄儀、WXY-1A溫度巡檢儀及其他輔助器材。

二 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)夏季調(diào)溫性能

1 夏季白天的降溫潛力

由于未建設(shè)對(duì)比溫室，實(shí)驗(yàn)采用遮蓋室內(nèi)熱水器的辦法對(duì)比考查增溫系統(tǒng)的降溫潛力。處理數(shù)據(jù)時(shí)，一是綜合分析白天室內(nèi)溫度的變化趨勢(shì)；二是將室內(nèi)中央的測(cè)試點(diǎn)與熱水器附近測(cè)試點(diǎn)處的溫度進(jìn)行對(duì)比；三是選用實(shí)驗(yàn)條件相同——關(guān)閉全部門(mén)窗，室外溫度和太陽(yáng)輻照度近似相等的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中，溫室每平方米占地面積平均占有1.17m3空間，每平方米溫室配置13.27kg熱水。經(jīng)測(cè)試，室內(nèi)白天的最高氣溫推遲2～3小時(shí)，室內(nèi)氣溫的最高值降低2℃～3℃，室內(nèi)的平均氣溫降低1℃～3℃(見(jiàn)表1)，降溫效果更加明顯。

2 太陽(yáng)能熱水調(diào)溫系統(tǒng)夏季夜間的增溫效果

表1 遮蓋與采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)時(shí)溫室內(nèi)溫度對(duì)比

對(duì)溫室太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)調(diào)穩(wěn)性能的研究，主要是研究增溫系統(tǒng)夜間的增溫效果。經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的測(cè)試，夜間存在局部通風(fēng)換氣時(shí)，室內(nèi)溫度比室外溫度高2℃～4℃；使用聚苯乙烯泡沫密封通風(fēng)孔和間隙時(shí)，夜間室內(nèi)氣溫比室外高3℃～7℃。圖1表示5月某天溫室內(nèi)平均溫度、室外環(huán)境氣溫在一天中的變化。

實(shí)驗(yàn)表明：夜間20時(shí)以后至次日晨6時(shí)30分以前，室內(nèi)局部氣溫比室外溫度高2℃～7℃，室內(nèi)平均氣溫比室外溫度高出2.91℃～5.38℃，室內(nèi)氣溫比室外最低氣溫高4.68℃。由于實(shí)驗(yàn)溫室地面為鋼筋混凝土，貯熱性能遠(yuǎn)不如土壤，通過(guò)估算，適當(dāng)增加熱水量，輔以地下埋管提高地溫，一部分夜間提高室溫，一部分夜間提高土壤溫度，有望提供80%以上熱負(fù)荷需求。

三 結(jié)論與討論

1 全方位立體面透光太陽(yáng)能熱水器平均日達(dá)60%左右，高于一般平板型熱水器(不低于45%)，平均熱損系數(shù)在30～40W/(m2·℃)，大于一般悶曬式熱水器(不高于13.0W/(m2·℃)。白天熱效率高，夜間散熱快，用于被動(dòng)式太陽(yáng)能溫室貯熱調(diào)溫，可充分發(fā)揮低溫?zé)崴{(diào)溫的優(yōu)勢(shì)。

2 太陽(yáng)能增溫系統(tǒng)白天的降溫效果主要體現(xiàn)在三方面：一是使全方位立體面透光太陽(yáng)能熱水器周圍的氣溫明顯降低，主要表現(xiàn)為熱水器附近的測(cè)試點(diǎn)處白天溫度低于距熱水器遠(yuǎn)一些的測(cè)溫點(diǎn)處的溫度；二是使溫室內(nèi)平均氣溫的最高值由下午2～3時(shí)推遲到下午4～6時(shí)；三是通過(guò)相同實(shí)驗(yàn)條件、相似氣象條件下遮蓋熱水系統(tǒng)與使用熱水系統(tǒng)兩種情況對(duì)比，采用熱水系統(tǒng)可使室內(nèi)氣溫降低1℃～3℃。

3 根據(jù)M.Santamouris el at.1994年[2]對(duì)歐共體內(nèi)95間被動(dòng)式溫室太陽(yáng)能增溫系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)研究表明：采用透明水袋貯熱時(shí)，按0.23～0.46m3/m2水量配備，室內(nèi)氣溫比室外高2℃～15℃[6]。而實(shí)驗(yàn)中采用熱水系統(tǒng)調(diào)溫，以0.01327m3/m2的水量配備，獲得比室外環(huán)境溫度高3℃～7℃的增溫效果。顯然，實(shí)驗(yàn)中的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)夜間的增溫效果是十分理想的。

4 由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)冬春季節(jié)的調(diào)溫效果，尤其是冬春季節(jié)的太陽(yáng)能供暖率，尚有待進(jìn)一步研究。然而，在云南冬春季集熱條件比夏季優(yōu)越，加之室外環(huán)境溫度低，增溫系統(tǒng)的初水溫相對(duì)較低，集熱效果更好。由于云南山地占94%，地勢(shì)起伏大，機(jī)械耕作和交通不便，現(xiàn)代化的連棟智能溫室[7]應(yīng)用推廣難度大。通過(guò)進(jìn)一步的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，有望提出一種適合云南及我國(guó)南方地區(qū)推廣使用的溫室太陽(yáng)能調(diào)溫模式。

[1] 翁瑞光.溫室栽培技術(shù)中熱能的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2012，32（6）：178－179.

[2] 被動(dòng)式太陽(yáng)能溫室技術(shù)和系統(tǒng)的分類及評(píng)價(jià)[J].新能源，1996，19（1）：13－25.

[3] R.T.Fuller.Heating commercial greenhouses with solar energy[M].Australia: Agricultural Engineering Center Department of Agriculture and Rural Affairs, 1990.

[4] 劉群生.一種改進(jìn)型全方位立體面透光太陽(yáng)能熱水器[P].中國(guó)：97203882.5，1997.

[5] 王春彥.玻璃溫室新型太陽(yáng)能集熱調(diào)溫系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[D].昆明：云南師范大學(xué)，1999：10－11.

[6]M.Santamouris, C.A.Balaras, E.Dascalaki, and M.Vallindras.Passive solar agricultural greenhouses: a world classification and evaluation of technologies and systems used for heating purposes[J].Solar Energy, 1994, 53 (5): 411－426.

[7] 蔡龍俊，馮哲雋.連棟溫室熱水供熱系統(tǒng)散熱管道傳熱系數(shù)的計(jì)算與測(cè)試[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19(3)：196－199.