太陽能輔助加溫系統(tǒng)在日光溫室中的應用

劉文合　蓋世臣　曲玉

摘要：太陽能資源具有其他能源所無法比擬的優(yōu)點，關于太陽能，有科學家做過估算，其壽命還有大約34億年的壽命，因此，可以說太陽能是取之不盡、用之不竭的資源。而我國又具有豐富的太陽能資源，具有很好的開發(fā)條件和應用價值。文章結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗，對太陽能輔助加溫系統(tǒng)在日光溫室的應用現(xiàn)狀進行了整理和總結(jié)，希望在今后的應用過程中能夠?qū)Τ霈F(xiàn)的問題進行相應的改進和完善。

關鍵詞：太陽能；輔助加溫系統(tǒng)；日光溫室；光熱轉(zhuǎn)換；光伏發(fā)電 文獻標識碼：A

中圖分類號：S625 文章編號：1009-2374（2015）03-0063-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0223

我國是太陽能資源使用最多的國家，具有非常豐富的太陽能資源，即便是在太陽能相對較弱的區(qū)域，其年輻射總量也和東京相差無幾，甚至高于倫敦和漢堡這些利用太陽能較多的城市，在我國，有2/3的國土面積每年的日照時間都在2200小時以上，每年的輻射總量大約在3340～8360MJ/平方米，相當于110～250kg標準煤/平方米。

1 日光溫室的定義

日光溫室又叫做暖棚，全稱節(jié)能日光溫室，是我國北方地區(qū)獨有的一種溫室類型。是一種室內(nèi)的、無需任何加熱措施的溫室，簡單說即指，在最寒冷的季節(jié)，依賴太陽光達到并維持室內(nèi)一定的溫度，來滿足蔬菜作物的生長需求。該溫室以輕質(zhì)保溫材料作墻體圍護，采用輕型無柱裝配式桁架，新型復合保溫被作覆蓋，實現(xiàn)了保溫被的整體卷放。它具有采光合理、保溫性能好、室內(nèi)作業(yè)方便、易于機械化作業(yè)等優(yōu)點，是一種投資少、能耗低、見效快的設施。本文研究的日光溫室以水作為載熱和蓄熱介質(zhì)，白天利用太陽能集熱器加熱水，熱水經(jīng)管道儲存到保溫水箱內(nèi)，夜間經(jīng)由管道將保溫水箱內(nèi)的熱水循環(huán)至地下管道，直接對溫室內(nèi)土壤進行加熱，以提高溫室內(nèi)溫度。

2 太陽能資源的特點

太陽能資源具有其他能源所無法比擬的優(yōu)點，它具有無毒、無味、無污染、可再生、綠色環(huán)保等優(yōu)點，分布廣泛，無貧富之分，關于太陽能，有科學家做過估算，其壽命還有大約34億年的壽命，因此，可以說太陽能是取之不盡、用之不竭的資源。而我國又具有豐富的太陽能資源，如我國全年太陽能的輻射總量的1%轉(zhuǎn)為可利用資源，即可滿足我國全部的能源需求。尤其是我國的西部、北部和中南部，都具有很好的開發(fā)條件和應用價值。所以，光熱轉(zhuǎn)換不但市場廣闊，而且是解決我國礦物能源短缺最有希望、最可行的途徑。就目前來說，人類直接利用太陽能還處于初級階段，主要有太陽能集熱、太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能暖房、太陽能發(fā)電、太陽能無線監(jiān)控等方式。

3 太陽能輔助加溫系統(tǒng)在日光溫室中的應用現(xiàn)狀

我國的太陽能資源常應用于日光溫室中。關于溫室內(nèi)光環(huán)及其影響因素方面，國外已經(jīng)有很多學者對其做了許多相關的研究，如關于溫室的透光率、結(jié)構(gòu)構(gòu)件在直射光及散射光條件下對室內(nèi)透光量的影響以及溫室?guī)缀涡螤?、長度對室內(nèi)透光量的影響等；溫室朝向?qū)κ覂?nèi)透光量產(chǎn)生的影響；薄膜、作物、土壤吸收的太陽輻照量、玻璃框和采光面上的冷凝等因素對室內(nèi)透光量的影響等，但以上研究都是針對單棟溫室或者連棟溫室而進行的。國外也有相關研究，如何利用太陽能來增加溫室的地位，但所針對的也是大型溫室，所以，不管是從材料選擇、能源供應、環(huán)境控制措施等方面采用節(jié)能新技術，都與我國日光溫室性能差異很大，不適用于國內(nèi)的日光溫室。

近年來，我國太陽能熱水器的面積逐年遞增，而我國儼然已成為家用太陽能熱水器生產(chǎn)第一大國。在早些年，我們國內(nèi)就有利用太陽能提高溫室地溫的研究。蔣錦標和葉景學等專家分別將空氣作為媒質(zhì)將太陽能應用在地溫輔助加熱的研究中。繼而，專家在對日光溫室墻體及土壤保溫性能進行了更加深入的對比研究后，提出了不少較為可行的優(yōu)化方案。但是，由于正常加溫方式需要消耗大量的石化原料，還會產(chǎn)生大量的二氧化硫等污染環(huán)境的廢氣，因此方便快捷且較為環(huán)保的太陽能作為日光溫室熱量的主要來源便順理成章了。目前，光熱轉(zhuǎn)換和光伏發(fā)電是太陽能應用的主要技術，而最能將光熱轉(zhuǎn)換技術體現(xiàn)得淋漓盡致的就是生活中常用的太陽能熱水器?，F(xiàn)在我國家家戶戶都有太陽能熱水器，這一現(xiàn)象也說明了我國的太陽能轉(zhuǎn)換技術已經(jīng)十分成熟。

在我國，日光溫室應用比較廣泛，溫室結(jié)構(gòu)具有非常明顯的中國特色，尤其是在我國的東北地區(qū)，越冬農(nóng)作物的生長在很大程度上受日光溫室的影響，日光溫室現(xiàn)如今在我國已經(jīng)成為北方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最好經(jīng)濟效益，最快發(fā)展速度，最多增加農(nóng)民收入的新興產(chǎn)業(yè)之一。一般情況下，日光溫室不需要任何加熱設備就可以維持農(nóng)作物周年的正常生產(chǎn)。但是，在冬季溫室地溫較低，而對于農(nóng)作物的生長來說，地溫是至關重要的，因此，地溫的提升可通過地熱加溫系統(tǒng)來實現(xiàn)，減少資源浪費的同時，防止了CO2等污染氣體的排放，有效地保護了周圍環(huán)境，加快了農(nóng)作物的生長，改善了發(fā)育不良等情況，提高了經(jīng)濟效益，保護和改善了溫室環(huán)境。

很多科研工作者開始考察太陽能集熱器對于改善溫室內(nèi)微氣候的效果。有的學者認為，這種方式有不可取的地方，即是在實施的過程中需要耗費大量的電能，究其原因就是，在青海省利用太陽能集熱器提高蔬菜溫室地溫時，由于沒有設保溫水箱，從而導致水泵保持循環(huán)就要耗費大量電能。還有的學者認為，太陽能集熱器來改善溫室這項科研不能在連續(xù)陰天使用，因為在河南鄭州利用太陽能完全代替煤炭對溫室內(nèi)低溫進行增溫的試驗，這項實驗得出的結(jié)論就是，此項科研項目在連續(xù)陰天的情況下是無法促進作物生長的。王順生等也在北京進行了日光溫室內(nèi)置式太陽能集熱調(diào)溫裝置試驗進行研究，在這里他們采取了將太陽能集熱器置于日光溫室內(nèi)部的方法，其目的是為了讓其在白天時收集熱量，晚上時散發(fā)熱量，保證日夜溫差不至于過大。這里用到的水箱容積小，節(jié)省了地熱管道，但并不是利用太陽能直接提高地溫。在進行日光溫室的設計時，要充分考慮如何挖掘太陽能最大使用限度、采光面的材料、形式、建筑參數(shù)等，而這些因素都會直接影響溫室對太陽能的吸收情況，和國外的全光溫室相比，我國日光溫室在建筑、結(jié)構(gòu)形式上都和國外大不相同，因此，國外的一些研究成果并不適用于我們。目前，我國日光溫室光環(huán)境研究的主要方法有：實地測試獲得溫室采光量、溫室采光面剖面曲線用數(shù)學曲線表示后模擬計算溫室內(nèi)各表面直射光透過量、基于計算固體表面間輻射換熱的代數(shù)方法計算各表面散射光透過量等。

4 結(jié)語

綜上所述，太陽能資源在日光溫室的應用越來越廣泛，保證了經(jīng)濟效益，同時太陽能是一種取之不盡、可再生的資源，充分利用并推廣使用，不僅對溫室園藝產(chǎn)業(yè)，還是對人類的生存環(huán)境，都占據(jù)著十分重要的地位，是值得我們研究并大力推廣的。

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基金項目：國家星火計劃項目（編號：2013GA650007）；遼寧省科技廳農(nóng)業(yè)攻關及成果產(chǎn)業(yè)化項目（編號：2014210003-03）；沈陽農(nóng)業(yè)大學博士后基金（編號：74741）；遼寧省土地治理關鍵技術示范與推廣。

作者簡介：劉文合（1971-），男，沈陽農(nóng)業(yè)大學水利學院副教授，博士，研究方向：水土工程建筑；蓋世臣

（1989-），男，沈陽農(nóng)業(yè)大學水利學院碩士，研究方向：水土工程建筑；曲玉（1986-），女，沈陽農(nóng)業(yè)大學水利學院博士，研究方向：水土工程建筑。

（責任編輯：黃銀芳）