一種利用太陽能提升溫室灌溉用井水溫度裝置的設(shè)計與試驗(yàn)

史 勇， 肉孜·阿木提

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院/新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830052)

新疆烏魯木齊地區(qū)的冬季和初春時節(jié)氣溫較低，最低可達(dá)-20 ℃[1]，導(dǎo)致溫室大棚內(nèi)灌溉用井水溫度也較低，低于溫室內(nèi)直接灌溉用水溫度14～16 ℃的要求。灌溉用水溫度過低會導(dǎo)致作物產(chǎn)生寒害，影響作物的正常生長，從而造成作物減產(chǎn)，影響農(nóng)民增收。

太陽能是一種清潔的可再生能源[2]，采用太陽能作為能源用于溫室大棚的增溫系統(tǒng)，沒有安全隱患，不污染環(huán)境[3]。目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者也從事溫室太陽能增溫技術(shù)的研究。山本雄二郎最早將太陽能技術(shù)用于溫室地溫的提升，取得較好效果[4]。Bargach等研究，利用太陽能熱水器獲得熱水，并將其傳遞到溫室的地下軟管，用以提升溫室的地溫[5]。張海蓮等利用太陽能加熱水結(jié)合填埋鋼管的方式進(jìn)行溫室地溫提升研究[6]。熊培桂等在青藏高原的溫室大棚中研究太陽能儲熱系統(tǒng)[7]。劉圣勇等利用太陽能熱水器和土壤埋管的方式設(shè)計并研制了溫室加熱系統(tǒng)[8]。戴巧利等利用太陽能空氣集熱器和土壤蓄熱的方式進(jìn)行了溫室大棚的增溫試驗(yàn)[9]。Wang等設(shè)計的主動式太陽能溫室蓄熱系統(tǒng)具有夏天儲熱冬天用，白天儲熱夜間用的效果[10]。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)馮前前等研制的太陽能溫室地溫提升裝置利用蛇形太陽能空氣集熱器結(jié)合土壤蓄熱的方式，在烏魯木齊南郊水西溝村進(jìn)行了試驗(yàn)，該裝置可使溫室土壤10～20 cm深度的溫度平均升高1.5～3.0 ℃[11]。上述研究證明，利用太陽能作為能源用來提高溫室溫度具有應(yīng)用廣泛、增溫效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，并且節(jié)約能源，保證作物的正常生長。

目前，現(xiàn)有溫室用太陽能增溫系統(tǒng)主要應(yīng)用于溫室地溫的提升，而針對溫室灌溉用井水增溫的裝置和系統(tǒng)研究較少。因此，為了適應(yīng)市場的需求，設(shè)計一種溫室大棚專用的太陽能井水增溫裝置，對現(xiàn)有的平板式太陽能集熱器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，研制便于移動的太陽能集熱器底架裝置，試驗(yàn)證明，該裝置可以有效提高灌溉水溫，保障溫室作物平穩(wěn)過冬和正常生長，適合在新疆溫室建設(shè)區(qū)域應(yīng)用和推廣。

1 專用太陽能集熱器及底架裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 專用太陽能集熱器的設(shè)計

太陽能集熱器是太陽能加熱溫室灌溉用井水裝置的關(guān)鍵部件，約占總成本的75%，研制一種低成本的專用集熱器，對降低整套設(shè)備的總成本具有重要意義[12]。為了滿足新疆烏魯木齊地區(qū)溫室灌溉用水溫度的需要，設(shè)計一種專用的太陽能集熱器用于試驗(yàn)。與傳統(tǒng)集熱器不同，該裝置將銅管管路(5)置于吸熱板(7)上方以提高吸熱效果，利用銅片(6)將管路中間連接，用來增大吸熱面積，并且可以快速將熱量傳遞給銅管管路，提升集熱器的工作效率。

集熱器的集熱面積設(shè)計為1.2 m×2.4 m，邊框采用導(dǎo)熱率較低的木框(4)制作，可減少裝置的重量并降低熱量散失。集熱器內(nèi)部管路選用直徑為19 mm的銅管，安裝時沿蛇形分布，以增大集熱面積，延長井水流經(jīng)時間，達(dá)到更好的吸熱和提溫效果。為提高裝置的熱利用率，防止熱量散失，選用耐高溫的巖棉材料對集熱器的內(nèi)部進(jìn)行隔熱填充，填實(shí)至巖棉質(zhì)地相對密實(shí)。該方法可克服僅僅使用苯板的缺陷，并使集熱器背面?zhèn)鳠嵯禂?shù)由0.8 W/(m2·℃)下降為0.57 W/(m2·℃)，明顯減小了集熱器的熱量散失，提高了集熱器的熱效率(圖1)。

1.2 太陽能集熱器的底架裝置結(jié)構(gòu)和設(shè)計

烏魯木齊位于87°36″E，43°46″N[13]，需根據(jù)當(dāng)?shù)靥柲芗療崞鞯陌惭b傾角，選擇合適的位置正確安裝太陽能集熱器[14-15]。經(jīng)計算冬季太陽直射角約為15°，為了最大限度利用太陽能，設(shè)計決定將集熱器的工作仰角初步定為75°，并使集熱器的方位能夠隨著太陽方位的改變而進(jìn)行調(diào)整，同時便于移動。因此，設(shè)計一種專用的底架裝置(圖2)，該裝置使用40 mm×40 mm×2.5 mm的矩形方鋼焊合而成，斜桿與下部方框采用螺栓連接，底架與集熱器采用螺釘連接，便于拆卸。集熱器固定在斜桿上，與下方框架的夾角為75°，并在底架下方安裝4個萬向輪，不僅可方便裝置的移動，同時利于集熱器方位的調(diào)節(jié)。

1.3 溫室灌溉用井水太陽能增溫裝置的設(shè)計

設(shè)計的新疆溫室大棚用太陽能井水增溫裝置，由太陽能集熱器和集熱器底架裝置2個部分構(gòu)成。研制2種集熱方案，1種為單個集熱器集熱方案， 另1種將2個集熱器串聯(lián)起來使用。當(dāng)2個集熱器串聯(lián)使用安裝時，將上、下集熱器都安放在底架上，并在下集熱器的進(jìn)水口、2個集熱器的連接處、上集熱器的出水口設(shè)置測溫點(diǎn)(圖3)。裝置工作時，井水通過水泵由下集熱器的左下角流入，并最終由上集熱器的右上角流出。這種安裝方法有利于排除管路中的空氣，以達(dá)到管內(nèi)完全充水的狀態(tài)。集熱器底架可隨著太陽方位角的變化而進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，以保證陽光垂直照射在集熱器上，達(dá)到最大限度利用太陽輻射能的目的。

1.4 試驗(yàn)方案的確定

試驗(yàn)采用2個集熱器串聯(lián)方式的裝置，上下集熱器間距設(shè)為55 mm，中間測溫點(diǎn)測量下集熱器出水口的水溫，上集熱器的出水口測溫點(diǎn)可測量2個集熱器同時使用時增溫效果。試驗(yàn)地點(diǎn)選定在烏魯木齊市水西溝德力森蔬菜園，將太陽能井水增溫裝置放置在溫室內(nèi)部，集熱器的吸熱面朝南，并實(shí)時根據(jù)太陽方位的變化調(diào)整其角度。采用試驗(yàn)設(shè)備主要包括TR-52溫度記錄儀；LXSR-25型水表，最小流量 0.14 m3/h；量程為60 kg、精度為1 g的電子稱。

試驗(yàn)時間分別選擇烏魯木齊的冬季及初春季節(jié)。冬季試驗(yàn)選擇在12：20—15：10，此時烏魯木齊氣溫較高，適合溫室大棚灌溉。初春試驗(yàn)選擇在12：00—16：00。試驗(yàn)時設(shè)定3種不同進(jìn)水量：L1為172.4 kg/h，L2為347.4 kg/h，L3為553.3 kg/h。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定裝置的最佳進(jìn)水量，然后以最佳進(jìn)水量對裝置進(jìn)行不同季節(jié)的試驗(yàn)。溫度記錄儀實(shí)時記錄水溫變化，試驗(yàn)人員每隔3 min分別記錄進(jìn)口測溫點(diǎn)、中間測溫點(diǎn)、出口測溫點(diǎn)的水溫。太陽能井水增溫裝置試驗(yàn)實(shí)景見圖4。

2 結(jié)果與分析

分別在烏魯木齊的初春和冬季時節(jié)對裝置進(jìn)行連續(xù)試驗(yàn)測試， 選擇晴天的中午進(jìn)行太陽能加熱試驗(yàn)。由于試驗(yàn)過程是動態(tài)測量，不同太陽輻射和環(huán)境溫度會對試驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生影響，但總的趨勢是不變的。以下是針對不同時間、不同流量、不同集熱板個數(shù)得到的試驗(yàn)結(jié)果。

2.1 不同流量水溫變化測試

測量時間選擇在初春3月20日，測量12：00—15：30時間段水溫，采用3種不同流量進(jìn)行測試。隨著環(huán)境溫度的提高，分別在12：00—13：00設(shè)定流量為172.4 kg/h，13：00—14：00設(shè)定流量為347.4 kg/h，14：00—15：30設(shè)定的流量為553.3 kg/h。從圖5可以看出，采用第1種流量時，中間出水口溫度比進(jìn)水口溫度高約5 ℃，出水口溫度比進(jìn)水口溫度高約10 ℃(圖5-A)。采用第2種流量時，中間出水口溫度比進(jìn)水口溫度高約2.5 ℃，出水口溫度比進(jìn)水口溫度高約5 ℃(圖5-B)。采用第3種流量時，增溫效果不太明顯(圖5-C)。因此，流量大小對裝置性能有一定的影響。

2.2 裝置最佳工作流量的確定

為使太陽能井水增溫裝置發(fā)揮其最佳性能，需對最佳工作流量進(jìn)行確定。根據(jù)熱能公式Q=cmΔT，式中：Q為熱能(J)；c為水的比熱容[J/(kg·℃)]；m為水的質(zhì)量(kg)；ΔT為溫度差(℃)。為簡化計算，認(rèn)為水的比熱容不變，因此集熱器輸出的熱能與水的質(zhì)量和溫度差的乘積成正比。冬季中午烏魯木齊大棚內(nèi)灌溉用井水的溫度通常在8 ℃左右，井水溫差范圍為4～8 ℃。根據(jù)試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，將裝置的進(jìn)水流量換算成每 3 min 通過裝置的流量，流量范圍確定為6.32～15.15 kg/3 min。在上述條件下，目標(biāo)函數(shù)定義為裝置輸出的熱能，即：

(1)

利用復(fù)合形法計算得到進(jìn)入裝置的流量為8.62 kg/3 min 時集熱器輸出的熱量值最多[16]，因此裝置的最佳工作流量為172.4 kg/h。

2.3 單一流量水溫變化測試

測量時間選擇在初春3月30日，測量13：00—17：00時間段水溫，流量固定為172.4 kg/h。從圖6可以看出，此時大棚室溫在15～20 ℃，進(jìn)水口溫度與室溫較為接近，中間出水口溫度在13：30左右達(dá)到最高，約為22.5 ℃，其他時間基本保持在20 ℃附近。出水口溫度最高達(dá)到26 ℃，其他時間保持在24 ℃左右。分析可得出，在初春時節(jié)，當(dāng)灌溉用水流量保持最佳值不變時，太陽能井水增溫裝置可以起到明顯增溫效果，單個集熱器使用時，可提升水溫約為4 ℃，2個集熱器串聯(lián)使用時，可提升水溫約為8 ℃，工作較為穩(wěn)定，效果良好。

2.4 冬季單一流量水溫變化測試

試驗(yàn)時間選擇在冬季11月20日，測量12：20—15：00時間段的水溫，從圖7可以看出，大棚室溫在12：20時約為 22 ℃。這是由于冬季溫室大棚內(nèi)部裝有加熱裝置，因此較為溫暖。而寒冷天氣導(dǎo)致地下井水溫度較低，此時井水溫度為8 ℃，該溫度不利于溫室灌溉。使用太陽能井水增溫裝置，同時保持進(jìn)水量為172.4 kg/h，得出在12：20時，裝置中間出水口溫度比進(jìn)水口溫度高約7 ℃，裝置的出水口溫度為17 ℃，比進(jìn)水口水溫高約9 ℃。隨著時間的變化，出水口水溫的變化與環(huán)境溫度的變化大致相同。即使在14：20時氣溫發(fā)生了下降，裝置出水口溫度也比進(jìn)水口溫度高4 ℃。表明所研制的太陽能井水增溫裝置在冬季使用時工作仍然較為穩(wěn)定，對灌溉用水的增溫效果明顯。

3 結(jié)論與討論

在初春晴天條件下，對裝置輸入不同流量灌溉用水時，隨著流量的增加，裝置的增溫效果減弱，當(dāng)流量為553.3 kg/h時，2個集熱器串聯(lián)使用的增溫效果僅有3 ℃。通過計算確定熱水器最佳工作流量為172.4 kg/h。

在初春晴天的中午，當(dāng)進(jìn)水口流量為確定的最佳值時，裝置工作較穩(wěn)定，且增溫效果明顯。單個集熱器使用時，可提升水溫約為4 ℃，采用2個集熱器串聯(lián)使用時，可提升水溫約為8 ℃。

在冬季晴天的條件下，利用溫室灌溉用井水太陽能增溫裝置，也可使大棚內(nèi)灌溉用井水溫度提升，且出水口溫度的變化與環(huán)境溫度變化趨勢一致。單個集熱器使用時，可提升水溫約為4 ℃，采用2個集熱器串聯(lián)使用時，可提升水溫約為 8 ℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對提升水溫具有一定的穩(wěn)定性，即使氣溫發(fā)生變化，也能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的輸出。

利用太陽能提升溫室灌溉用井水增溫設(shè)備使用后，可以有效改善灌溉水的溫度，解決溫室大棚冬季和初春因灌溉水水溫過低影響植物正常生長的問題。由于新疆缺少針對溫室灌溉用井水增溫的專用設(shè)備，該裝置市場前景較好，適合在新疆溫室建設(shè)區(qū)域推廣。