TRIZ理論在優(yōu)化日光溫室環(huán)境研究方面的應(yīng)用

文/寧夏科技發(fā)展戰(zhàn)略和信息研究所 白青

TRIZ理論在優(yōu)化日光溫室環(huán)境研究方面的應(yīng)用

文/寧夏科技發(fā)展戰(zhàn)略和信息研究所 白青

引言

日光溫室因其卓越的保溫節(jié)能性在中國北方表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用。為提高溫室墻體蓄熱能力，國內(nèi)學(xué)者已從不同角度進(jìn)行了大量而系統(tǒng)的研究[1-10]，有關(guān)學(xué)者也提出了幾種解決方案，但都停留在試驗(yàn)示范階段，因成本等問題難以大面積推廣使用，因此方案并不理想。如何通過理想的方案解決增加土質(zhì)墻體蓄熱能力和延遲墻體放熱對提高溫室保溫性具有重要意義。

利用TRIZ理論解決日光溫室墻體的保溫能力是一個(gè)新命題，作者未查到利用TRIZ理論解決日光溫室環(huán)境問題的報(bào)道。本文在通過對比前人方案的基礎(chǔ)上，利用TRIZ理論提出了一項(xiàng)解決增加土質(zhì)墻體蓄熱能力和延遲墻體放熱的有效方案，不僅為解決日光溫室保溫性問題提出了一個(gè)可行方案，更重要的是探索了TRIZ理論在溫室環(huán)境研究方面的應(yīng)用。

1 初始問題描述

1.1 工作原理

日光溫室是我國獨(dú)有的一種三面環(huán)墻的溫室類型，它主要由墻體、骨架、透明薄膜、保溫被組成。墻體是日光溫室的主要蓄熱載體，它白天吸熱，夜間放熱，從而保證寒冷季節(jié)夜間室內(nèi)能維持一定的氣溫。白天有陽光的時(shí)候溫室墻體吸熱、蓄熱，夜間開始放熱，維持夜間溫室氣溫。

1.2 主要問題

墻體白天有陽光的時(shí)候吸熱、蓄熱，在晚上開始放熱，但放熱時(shí)間集中在前半夜（即蓋上保溫被的1～3小時(shí)內(nèi)），而這時(shí)溫室氣溫較高，不需太多熱量，而后半夜大量需要熱量時(shí)，墻體放熱量達(dá)到最弱。因此希望借助裝置設(shè)計(jì)達(dá)到增強(qiáng)墻體蓄熱量、延緩放熱速度的目的。這對縮小溫室晝夜溫差、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)都具有不可估量的作用。

1.3 限制條件：

為使裝置可行，并能得到可行方案，對設(shè)備（方案）提出理想化的限制條件，以便得到理想的結(jié)果。

（1）裝置易于安裝，不改變溫室原有結(jié)構(gòu)。

（2）不占用種植面積，不影響種植操作。

（3）成本低廉，原料易于獲取、無污染。

（4）裝置易于拆除，反復(fù)多次利用。

2 其他學(xué)者的解決方案

通過其他學(xué)者的解決方案的分析，以此為對照，對比利用TRIZ理論得出方案的可行性和使用性。

2.1 熱阻簾法[11]

熱阻簾法是利用熱阻簾以延遲墻體熱量釋放的時(shí)間、從而提高凌晨低溫時(shí)段室內(nèi)空氣溫度的方法，如圖2所示。

2.2 水幕簾法[12]

水幕簾蓄放熱系統(tǒng)主要由水幕簾、蓄熱水池、水泵及管道等組成。蓄熱水池由聚酯硬質(zhì)板焊接而成，水池四周外表面設(shè)置聚苯乙烯泡沫板保溫層（厚度10 cm），水箱體積4m3。水幕簾蓄放熱系統(tǒng)以墻體結(jié)構(gòu)為依托，白天利用水流循環(huán)吸收到達(dá)墻體表面的太陽輻射熱量，同時(shí)將熱量儲存在帶有保溫層的水池中；夜晚當(dāng)溫室內(nèi)氣溫降低到一定程度時(shí)，開啟循環(huán)水泵，通過水幕簾將水池中的熱量釋放到溫室中。系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

2.3“蜂窩式”墻體

“蜂窩式”墻體是通過“蜂窩”增加墻體表面積，增大墻體白天吸熱面積，吸收更多熱量，補(bǔ)充夜間熱量差。如圖4所示。此法效果并不顯著，增溫效果不明顯。

熱阻簾法和水幕簾法的解決方法能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，缺點(diǎn)是成本較大、操作繁瑣、農(nóng)戶不易接受，難推廣。同時(shí)也不能滿足1.3中的限制條件。在這種條件下用TRIZ解題流程來解答，尋找最佳方案。

左：圖1 日光溫室結(jié)構(gòu)示意圖

右：圖2 熱阻簾示意圖

左：圖3 水幕簾法示意圖

右：圖4 “蜂窩式”墻體示意圖

圖5 日光溫室后墻體蓄熱能力提高、放熱時(shí)間延后的裝置系統(tǒng)的九屏圖A

圖6 日光溫室后墻體蓄熱能力提高放熱時(shí)間延后的裝置的生命曲線圖

3 TRIZ解題流程

3.1 系統(tǒng)分析

3.1.1 九屏圖分析

利用九屏圖分析問題，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，墻體材料的特性是導(dǎo)致蓄熱能力和控?zé)崮芰Φ偷闹饕?，最終導(dǎo)致熱量供應(yīng)不平衡。

3.1.2 生命曲線

日光溫室后墻體蓄熱能力提高、放熱時(shí)間延后的裝置處于研究示范階段，并未大面積推廣應(yīng)用，還達(dá)不到成熟期，只處于成長期。如圖6所示。

3.1.3 系統(tǒng)完備性法則等技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則

系統(tǒng)名稱：日光溫室后墻體蓄熱能力提高、放熱時(shí)間延緩的裝置

系統(tǒng)定義：有效提高墻體蓄熱能力、延緩放熱時(shí)間

系統(tǒng)功能：提高墻體蓄熱能力，延緩墻體放熱時(shí)間

作用對象（產(chǎn)品）：熱、溫度

執(zhí)行裝置：日光溫室后墻體蓄熱能力提高、放熱時(shí)間延緩的裝置

傳動(dòng)裝置：光熱轉(zhuǎn)化過程

動(dòng)力裝置：熱傳導(dǎo)系統(tǒng)

控制裝置：蓄熱、控?zé)嵫b置

外部控制：人

3.2 資源分析

3.2.1 可利用物質(zhì)資源：

（1）現(xiàn)成資源：溫室各個(gè)組成部分、室內(nèi)氣象因子

（2）派生資源：光、空氣、水

圖7 日光溫室后墻體蓄熱能力提高、放熱時(shí)間延后裝置的系統(tǒng)組成

表1 系統(tǒng)的IFR

3.2.2 可利用能量資源：

（1）現(xiàn)成資源：光

（2）派生資源：空氣中的熱

3.2.3 可利用信息資源：

（1）現(xiàn)成資源：墻體結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料比熱、密度等

（2）派生資源：溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2.4 可利用空間資源：

（1）現(xiàn)成資源：墻體周邊空間

（2）派生資源：溫室內(nèi)部空間

3.2.5 可利用時(shí)間資源：

（1）現(xiàn)成資源：晝夜時(shí)間、陽光照射時(shí)間、放熱時(shí)間

（2）派生資源：蓋被、起被時(shí)間

3.2.6 可利用功能資源：

（1）現(xiàn)成資源：導(dǎo)熱功能、蓄熱功能

（2）派生資源：熱傳導(dǎo)

3.2.7 可利用系統(tǒng)資源：

（1）現(xiàn)成資源：室內(nèi)氣象因子系統(tǒng)

（2）派生資源：外界氣象因子系統(tǒng)

3.3 理想解及TRIZ工具

3.3.1 理想解

系統(tǒng)IFR定義見表1。

主要原因是：墻體材料比熱低。據(jù)此，推測可利用的資源應(yīng)為：陽光、空氣溫度、熱量、水等。

3.3.2 運(yùn)用TRIZ工具

（1）運(yùn)用技術(shù)矛盾解決方法提出原理解

原問題技術(shù)矛盾：

改善：提高溫度、延緩放熱

惡化：增加成本、操作時(shí)間

（2）問題模型

對應(yīng)的39個(gè)通用工程參數(shù)

改善的參數(shù)：17溫度

惡化的參數(shù)：14物質(zhì)的量、20能量耗能、36裝置復(fù)雜性、37控制復(fù)雜性

（3）解決方案模型

對應(yīng)查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考創(chuàng)新原理為15個(gè)，經(jīng)篩選，保留5個(gè)創(chuàng)新原理（表2）：

原理40、17、1、32分別可獨(dú)立形成4個(gè)方案，但是5個(gè)創(chuàng)新原理可以優(yōu)勢互補(bǔ)，形成1個(gè)完美方案。利用技術(shù)矛盾和物場模型也可得出5個(gè)創(chuàng)新原理中的1～2個(gè)原理，在此不作贅述。

4.最終方案

最終方案如圖8所示，利用廢舊塑料瓶（22變害為利）裝滿水，在墻體表面形成一面水墻，組成復(fù)合墻體（40復(fù)合材料法）。由于塑料瓶是凸起狀的，無疑增大了復(fù)合墻體的表面積（17多維法），增加與空氣的接觸面，同時(shí)將水染色（32色彩法）使墻體吸收更多的陽光（熱量）。更重要的是塑料瓶可隨意拆除組裝，反復(fù)利用（1分離法）。

這個(gè)方案對優(yōu)化日光溫室環(huán)境具有重要意義，能顯著提高夜間溫室內(nèi)氣溫，

但具體溫度需進(jìn)一步測試研究。

表2 保留的5個(gè)創(chuàng)新原理及對本項(xiàng)目的啟示

圖8 最終方案示意圖

[1] 陳端生，鄭海山，劉步洲.日光溫室氣象環(huán)境綜合研究―墻體、覆蓋物熱效應(yīng)研究初報(bào)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1990，6 （2）：77～81.

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責(zé)編/王蒙