基于主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的溫室性能試驗(yàn)研究

王思文， 王文琪， 侯 靜

(內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與暖通工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070)

過去30年來，溫室在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的使用大幅增加。使用溫室的主要目的是延長栽培季節(jié)并獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品。只有當(dāng)室內(nèi)溫度控制在最佳范圍內(nèi)時(shí)，這些目標(biāo)才有可能實(shí)現(xiàn)。加熱是在寒冷天氣條件下維持溫室氣溫的重要措施[1-3]。為了減少溫室供熱的能源消耗(尤其是化石燃料的使用)，并提高作物生長的可持續(xù)性，人們相當(dāng)重視新型和可再生能源作為溫室取暖的替代手段。此外，從節(jié)能角度來看，經(jīng)濟(jì)型儲(chǔ)熱系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的高效開發(fā)與新型可再生能源的開發(fā)同樣重要。對(duì)于采用傳統(tǒng)燃料的封閉式供熱應(yīng)用來說，后墻主動(dòng)蓄熱是一種有吸引力且價(jià)格較低的替代方案。

傳統(tǒng)的日光溫室是一種被動(dòng)的太陽能圍護(hù)系統(tǒng)，對(duì)加熱過程幾乎沒有人為干預(yù)。這種溫室中的所有傳熱過程都是自我調(diào)節(jié)的。與被動(dòng)加熱相比，主動(dòng)蓄能，再利用機(jī)械裝置(循環(huán)泵、風(fēng)扇等)和材料(制冷劑、水、空氣、礫石等熱介質(zhì))改變傳熱和捕集過程可以提高能源利用率。我國太陽能溫室主要位于北方(32°N～41°N)。大多數(shù)溫室均是采用被動(dòng)能量儲(chǔ)存和釋放的機(jī)制，其中北墻在白天攔截輻射能量并儲(chǔ)存溫室內(nèi)部搜集的能量，并在夜晚進(jìn)行釋放。通過這種被動(dòng)能量傳輸和夜間高絕緣的溫度特性，即使在室外溫度為 -20 ℃ 的寒冷夜晚，溫室也不會(huì)結(jié)霜，但夜間溫室氣溫將下降至6～10 ℃[4-5]。荷蘭高產(chǎn)番茄生產(chǎn)要求夜間溫度不低于 18 ℃[6-8]，但在沒有任何輔助供暖系統(tǒng)的情況下，大多數(shù)中國種植者推薦8 ℃作為臨界夜溫用于溫室中的番茄種植。由于溫室的氣候控制能力有限，特別是在寒冷的冬季夜晚，要滿足水果、蔬菜和花卉生產(chǎn)的最佳溫度要求是不可能的[9-11]。

為了改善收集和釋放熱量結(jié)果，開發(fā)了一種低價(jià)格的主動(dòng)儲(chǔ)熱系統(tǒng)，并研究了利用該系統(tǒng)的溫室熱性能。主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)的主要組件是后墻蓄熱體以及風(fēng)機(jī)，作為傳熱介質(zhì)的空氣能夠通過風(fēng)機(jī)在溫室內(nèi)與蓄熱后墻之間循環(huán)。

1 材料與方法

1.1 溫室和主動(dòng)太陽能熱儲(chǔ)存釋放

選取呼和浩特市(40°N，111°E)進(jìn)行溫室試驗(yàn)研究，以確定主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)對(duì)溫室的影響。溫室東西向，長34 m，寬 8 m。脊高為3.8 m，北壁的高度為 2.6 m。北墻作為主動(dòng)蓄熱墻。在試驗(yàn)期間種植番茄。表1給出了溫室的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)

當(dāng)主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)在夜晚工作時(shí)，由4個(gè)風(fēng)機(jī)組成的送風(fēng)系統(tǒng)，強(qiáng)制將蓄熱墻體內(nèi)部與溫室空氣進(jìn)行熱交換，白天將溫室熱量蓄入墻體中，晚上墻體中的熱量加熱溫室空氣[12-14]。

使用T型熱電偶測量溫度(精度為±0.2 ℃)。將3個(gè)受蓄熱墻體輻射的空氣溫度傳感器放置在距離北墻2、4、6 m、高度1.5 m的溫室中間。采用型號(hào)為CMP3、測量范圍為0～2 000 W/m2、光譜范圍300～2 800 nm、精度±0.5%的輻照表，測量與北墻垂直的太陽輻射，高度為1.5 m。所有溫度和太陽輻射水平均使用CR1000數(shù)據(jù)記錄器以10 min的間隔記錄。 使用環(huán)境傳感器(準(zhǔn)確度：±0.2℃，RH：±2.5%)測量室外空氣溫度。使用電能表來測量水泵的電力消耗。

1.2 測試方法

在0、10、20、30、40 ℃的溫度下，使用低溫罐校準(zhǔn)熱電偶。環(huán)境傳感器在空氣溫度為-20、-10、0、10、20、30、40 ℃時(shí)使用Assmann吸氣干濕表。

在特定時(shí)刻溫室收集的熱量由下式給出：

Qc=ρwCwvw(To-Ti)。

(1)

式中：Qc是收集的瞬時(shí)熱量，W；ρw是水的密度，kg/m3；Cw是水的比熱，J/(kg·K)；vw是系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)流量，m3/s；Ti和To分別是主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)的入口和出口處的溫度，℃。

在時(shí)間段τ期間溫室收集的總能量Ec(J)是：

(2)

瞬時(shí)釋放的能量Qr(W)是：

Qr=ρwvwCw(Ti-To)。

(3)

期間τ釋放的總熱量Er(J)為：

(4)

主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)的瞬時(shí)熱效率被定義為即時(shí)收集的熱能與可用太陽輻射的比率：

(5)

Ac表示溫室系統(tǒng)的有效集熱面積，m2；Ic表示與北墻表面垂直的太陽輻射強(qiáng)度，W/m2。由于收集的能量等于從收集器到溫室的熱損失中減去吸收的輻射能量，方程(5)可寫為：

(6)

式中：a是溫室表面圍護(hù)結(jié)構(gòu)的吸收率，無量綱；kc是圍護(hù)結(jié)構(gòu)與空氣之間的總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tplate是平均板溫度，℃。

期間τ的平均效率為：

(7)

式中：Es是期間τ達(dá)到的太陽能總量(J)。

蓄熱墻的能量平衡由空氣的流入和流出以及熱損失給出：

VρwCw=vwρwCw(To-Tw)。

(8)

式中：V是蓄熱墻體積，m3；To是從蓄熱墻入口到出口的平均溫度，℃；Ttank是后墻內(nèi)部的平均溫度，℃。本研究忽略了良好隔熱水箱的熱損失。

使用歐拉正向方法，可以從時(shí)間τ的溫度計(jì)算τ+Δτ時(shí)刻的后墻內(nèi)部溫度：

(9)

墻體的能量平衡基于以下等式與溫室頂相關(guān)聯(lián)：

(10)

1.3 主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能

性能系數(shù)(COP)是系統(tǒng)釋放的能量Er與系統(tǒng)的能量消耗Econ(風(fēng)機(jī)耗電)的比值：

(11)

風(fēng)機(jī)的功耗是系統(tǒng)唯一的能源消耗Econ。

Econ=Wpτp。

(12)

式中：Wp是水泵的電功率，W；τp是水泵總運(yùn)行時(shí)間，s。

對(duì)主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行了分析，并基于與主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)相同的能源投入和試驗(yàn)期間獲得的當(dāng)?shù)啬茉磧r(jià)格(電力、煤炭和天然氣)，與呼和浩特溫室采暖中普遍采用的3種傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)進(jìn)行了比較。主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)和其他供熱系統(tǒng)的采暖成本使用公式(13)、(14)、(15)計(jì)算：

(13)

CHx=ExPx；

(14)

(15)

式中：Ex是供熱系統(tǒng)x消耗的等價(jià)能量，由于在試驗(yàn)溫室中為主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)，燃煤供熱系統(tǒng)(CFH)單位為kg，燃?xì)饧訜嵯到y(tǒng)(GFH)單位為m3；Cox是加熱系統(tǒng)x的能量轉(zhuǎn)換效率，單位為%；CVx是供熱系統(tǒng)x消耗的能源的比熱值，單位為 kJ/(kW·h)，kJ/kg為煤，kJ/m3為天然氣；Px是供熱系統(tǒng)x中能源的單位成本，單位為美元/(kW·h)，煤為美元/kg，天然氣為美元/m3；CHx是采暖成本，單位為美元；CHx,d,A是1 d 1 m2溫室面積的采暖成本，單位為美元/(m2·d)；Ag是試驗(yàn)溫室面積，單位為m2；D是總加熱時(shí)間，單位為d。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)的時(shí)間為2017年12月1—7日。通過采集的數(shù)據(jù)來說明主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)的行為。1 d周期定義為第1天 08：00 至第2天08：00。圖2顯示了室外空氣溫度的變化，北墻表面的太陽輻射和溫室氣體溫度的變化。這7 d包括4個(gè)晴天和3個(gè)陰天，在試驗(yàn)期間，北墻表面的每日太陽輻射峰值從 400 W/m2到643 W/m2不等。溫室的透明覆蓋物能夠最大限度地提高太陽直接輻射的透射率。然而，由于存在不透明的北墻和屋頂，同時(shí)，冬季的太陽高度角最低，導(dǎo)致透明覆蓋物的熱量較低。這一趨勢表明，溫室內(nèi)部氣溫主要取決于實(shí)時(shí)的太陽輻照度。

在08：00，2個(gè)溫室內(nèi)的外部保溫毯被收回，16：00進(jìn)行屋頂覆蓋。主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)在00：00開啟供暖。圖3顯示了試驗(yàn)和參考溫室中的氣溫和7 d夜間的室外氣溫。主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)所產(chǎn)生的溫室平均氣溫在10.9～14.8 ℃之間，平均值為 12.09 ℃。參考溫室中的氣溫在3.4～10 ℃之間，平均值為6.5 ℃。在00：00—08：00的放熱期間，室外氣溫范圍為 -14～-5 ℃之間，平均值為-9.8 ℃。平均而言，主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)將夜間平均氣溫提高了5.6 ℃。盡管參考溫室沒有配備主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)，但由于外殼的絕熱以及北壁和土壤釋放的熱量，室內(nèi)平均溫度仍比室外溫度高約16.3 ℃。

2.2 主動(dòng)太陽能蓄熱釋放系統(tǒng)的技術(shù)性能

圖4顯示了7 d內(nèi)蓄熱墻體中達(dá)到的溫度情況。墻體內(nèi)溫度是系統(tǒng)運(yùn)行情況的重要指標(biāo)；因此，我們可以從墻體溫度解釋主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)的性能。主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)在16：00自動(dòng)關(guān)閉。可以觀察到，每天的峰值溫度發(fā)生在20：00左右，之后蓄熱墻溫度開始下降。這種趨勢表明能量增益被溫室溫度的降低所抵消，并且蓄熱墻的能量含量開始下降。20：00以后，主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)開啟并開始釋放能量，導(dǎo)致蓄熱墻體溫度在7 d內(nèi)從40 ℃降至21 ℃。

主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)的性能還可以通過熱搜集效率、利用效率和性能系數(shù)來評(píng)估。7 d的結(jié)果列于表2。熱收集效率Ec/Es在7 d內(nèi)為51%至75%。這個(gè)范圍主要取決于2個(gè)溫室中的室外風(fēng)速和通風(fēng)水平，因?yàn)槊刻焓謩?dòng)調(diào)整蓋子的開口并且室內(nèi)空氣流量影響到溫室搜集到的太陽能。在整個(gè)測量期間，主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)的平均集熱效率水平達(dá)到了62%，這是因?yàn)橹鲃?dòng)蓄熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到了改善，并且內(nèi)部循環(huán)空氣變得更加均勻。

表2 累積收集的太陽輻射Es、釋放的能量Ec和風(fēng)機(jī)消耗的電能Er

從溫室失去的能量與主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)釋放的能量來看，墻壁未覆蓋的區(qū)域以及地面土壤熱平衡。為了估計(jì)它們的相對(duì)貢獻(xiàn)，通過應(yīng)用根據(jù)本研究中的絕緣毯(2 cm聚乙烯泡沫)的熱阻計(jì)算的恒定kb值[1.85 W/(m2·K)]來計(jì)算從溫室向環(huán)境損失的能量和南向屋頂內(nèi)外表面的對(duì)流傳熱系數(shù)。由此產(chǎn)生的熱流在圖5中示出了2個(gè)特征夜。很顯然，由于蓄熱墻溫度降低，主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)釋放的熱量在夜間減少，并且熱量損失在一個(gè)恒定水平附近波動(dòng)。未覆蓋的墻壁和地面土壤釋放的熱量是2條線的差異，它主要取決于風(fēng)機(jī)的能量消耗，這與設(shè)備的流動(dòng)阻力以及風(fēng)道布置有關(guān)。對(duì)主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，減小壓力損失。但在實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)道仍然必須設(shè)計(jì)得更仔細(xì)，以盡量減少風(fēng)機(jī)耗能。

2.3 主動(dòng)蓄熱釋放系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能

自2017年12月1—7日，主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)提供的能量為 2 048 MJ。試驗(yàn)期間，主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)共消耗了163 kW·h(587 MJ)的電能。在本次研究中，試驗(yàn)期間的電價(jià)高峰期和谷電價(jià)格分別為1.4元/(kW·h)和 0.45元/(kW·h)，而電力成本為1.02元/(kW·h)，因?yàn)橹鲃?dòng)蓄熱系統(tǒng)工作時(shí)間約為8 h。主動(dòng)蓄熱溫室地面采暖成本為0.041 3元/(m2·d)。表3還說明了在測試期間的主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)、電力供暖、煤炭供暖和天然氣供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能比較結(jié)果。電供暖需要相當(dāng)于596 kW·h的電力，煤炭供暖將消耗348 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，而天然氣供暖將消耗203 m3天然氣(1個(gè)大氣壓時(shí)為249 kg)，以提供與主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)釋放到溫室相同的熱量。以主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)的采暖成本為100%，電力供暖、煤炭供暖和天然氣供暖系統(tǒng)的相對(duì)采暖成本分別為368.7%、71.8%、153.6%。電力供暖和天然氣供暖系統(tǒng)供暖成本比主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)分別高267.8%和53.6%，但煤炭供暖成本比主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)低28.2%。

在本研究中，主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)的初始總投資約為64.33元/m2。預(yù)計(jì)溫室番茄產(chǎn)量增加15%，回收期約為5年。此外，測試期間，種植者支付約0.041 3元/(m2·d)的運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)主動(dòng)供暖系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)等相關(guān)工作，折舊費(fèi)用可計(jì)算為約 0.017 6元/(m2·d)，設(shè)計(jì)壽命為10年。電力供暖、煤炭供暖和天然氣供暖系統(tǒng)的初始投資分別為 72.226、59.808、60.935元/m2?？紤]到人工成本、維護(hù)成本和折舊費(fèi)用等因素，假定電力供暖、煤炭供暖和天然氣供暖系統(tǒng)的指定壽命為15年，主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)、電力供暖、煤炭供暖和天然氣供暖系統(tǒng)的成本分別為 0.140、0.245、0.126、0.154元/(m2·d)。

表3 試驗(yàn)期間使用不同能源的溫室采暖成本比較

主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)的供熱成本隨能源價(jià)格波動(dòng)而變化，能源價(jià)格主要由供需決定，同時(shí)還有法規(guī)和運(yùn)輸成本。盡管主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)的采暖成本高于煤炭供暖，但主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)的可再生節(jié)能特性和低二氧化碳排放的優(yōu)勢，使得主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)成為北方地區(qū)溫室供暖的更好選擇，此外，主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)與其他傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)比較需要根據(jù)與實(shí)際溫室供暖有關(guān)的投資成本、運(yùn)營成本、維護(hù)成本和人工成本進(jìn)行更全面的調(diào)查和分析，而不是參考住宅建筑。

3 結(jié)論

主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)用于在白天儲(chǔ)存太陽能，并在冬季夜間加熱溫室。試驗(yàn)結(jié)果表明，主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)使溫室夜間氣溫平均升高5.6 ℃。主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)所產(chǎn)生的溫室平均氣溫在 10.9～14.8 ℃之間，平均值為12.09 ℃。

電供暖和天然氣供暖系統(tǒng)供暖成本分別比主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)高267.8%和53.6%，而煤炭供暖成本比主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)低28.2%。

主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)能夠較好地替代化石能源供暖的溫室，以實(shí)現(xiàn)北方大量溫室的整體能耗，實(shí)現(xiàn)綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。