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    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)對(duì)四種園藝設(shè)施室內(nèi)氣溫的調(diào)控效果研究

    2020-05-26 01:53:32宋衛(wèi)堂王平智肖自斌
    關(guān)鍵詞:集熱冷器日光溫室

    宋衛(wèi)堂 王平智 肖自斌

    研究背景

    日光溫室是中國(guó)進(jìn)行蔬菜越冬生產(chǎn)的主要園藝設(shè)施,其主要特點(diǎn)是在不加溫或少量加溫的條件下保持較高的室內(nèi)氣溫,滿足作物生長(zhǎng)需求,具有節(jié)約能源、生產(chǎn)效益好等優(yōu)勢(shì)。日光溫室的快速發(fā)展,保障了北方冬季蔬菜供應(yīng),改善了人民生活質(zhì)量,對(duì)于推動(dòng)精準(zhǔn)扶貧和鄉(xiāng)村振興具有非常重要的意義。2018年,設(shè)施園藝信息網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示中國(guó)日光溫室面積已達(dá)到866萬(wàn)畝(5.7×105 hm2)[1]。

    傳統(tǒng)日光溫室的后墻兼具保溫和蓄熱雙重功能,可在日間儲(chǔ)蓄太陽(yáng)能,并在夜間向室內(nèi)釋放,是維持室內(nèi)氣溫的重要構(gòu)件[2]。為了儲(chǔ)蓄熱量,傳統(tǒng)日光溫室的后墻需要使用夯土、黏土磚等重質(zhì)材料建造(圖1),使得日光溫室施工質(zhì)量和施工效率較低、建造成本較高,不利于日光溫室的可持續(xù)發(fā)展。另外,我國(guó)近年來(lái)面臨著城鎮(zhèn)化和老齡化進(jìn)程的加快,設(shè)施蔬菜生產(chǎn)勞動(dòng)力不足的問(wèn)題愈加突出,迫切需要實(shí)施“機(jī)器換人”。但日光溫室室內(nèi)空間狹小,不利于農(nóng)機(jī)裝備的高效作業(yè)。因此,傳統(tǒng)的日光溫室必須進(jìn)行變革以適應(yīng)新時(shí)代設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求,更好地為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供助力。

    在上述發(fā)展背景下,日光溫室最近幾年出現(xiàn)兩種發(fā)展趨勢(shì):一種是使用輕質(zhì)保溫后墻替代傳統(tǒng)墻體,該墻體使用聚苯板等保溫板材或砌塊建造[3],可裝配化施工,具有施工效率高、建造成本低等特點(diǎn),得到了較多應(yīng)用。此外,還可以使用柔性保溫材料替代保溫板材[4]或砌塊建造后墻[5],以進(jìn)一步提高施工效率。另一種是徹底取消溫室后墻,加大跨度,形成大跨度外保溫塑料大棚[6-7]。這種新型塑料大棚一般南北走向,跨度16~20 m,脊高6 m左右,外側(cè)覆蓋可卷放保溫被,具有較好的保溫性能。與日光溫室相比,大跨度外保溫塑料大棚不僅造價(jià)低,而且土地利用率高,還具有較大的室內(nèi)空間,能夠滿足大多數(shù)農(nóng)機(jī)裝備的作業(yè)需求。

    但上述2種類型的新型園藝設(shè)施,與傳統(tǒng)日光溫室相比存在共同的弱點(diǎn):缺乏蓄熱構(gòu)件,日間蓄熱能力低,致使冬季夜間室內(nèi)氣溫較低,很難滿足室內(nèi)植物的溫度要求,從而限制了上述設(shè)施的大面積推廣應(yīng)用及對(duì)設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)作用。

    針對(duì)上述問(wèn)題,研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種日間收集并儲(chǔ)存溫室空氣中的熱能、夜間再釋放出來(lái)提升室內(nèi)氣溫的主動(dòng)集放熱系統(tǒng)——表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)懸掛在室內(nèi)空間高位處的表冷器-風(fēng)機(jī),以水氣換熱方式,日間收集空氣中的盈余熱量并儲(chǔ)存起來(lái),夜間再將這部分熱量向室內(nèi)釋放以提高室內(nèi)氣溫。表冷器-風(fēng)機(jī)體積小且在緊靠溫室屋脊的下方安裝,不會(huì)對(duì)室內(nèi)作物的采光產(chǎn)生影響。

    為驗(yàn)證該系統(tǒng)對(duì)保溫后墻日光溫室和大跨度外保溫塑料大棚室內(nèi)氣溫的調(diào)節(jié)效果及其應(yīng)用可行性,團(tuán)隊(duì)于2018年1~3月、2018年12月~2019年3月、2019年12月~2020年2月,在三地4種新型溫室(北京市輕型保溫后墻日光溫室、寧夏回族自治區(qū)銀川市興慶區(qū)南北向大跨度外保溫大棚和柔性保溫后墻日光溫室、內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市寧城縣東西向大跨度外保溫大棚)開(kāi)展了試驗(yàn)(圖2),以期為推動(dòng)上述新型溫室的發(fā)展提供技術(shù)和裝備支撐。

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱

    系統(tǒng)組成與工作原理

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)主要包括表冷器-風(fēng)機(jī)、供水管路、回水管路、潛水泵、蓄熱水池、PLC控制系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的氣溫及水溫傳感器等,如圖3所示。日間集熱過(guò)程中,由于水溫低于氣溫,表冷器-風(fēng)機(jī)內(nèi)空氣中儲(chǔ)存的熱能通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流換熱方式轉(zhuǎn)移到水中,最終儲(chǔ)存在蓄熱水池中;夜間室內(nèi)氣溫較低時(shí),由于水溫高于氣溫,表冷器-風(fēng)機(jī)內(nèi)水中儲(chǔ)存的熱能通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流換熱方式轉(zhuǎn)移到空氣中,提高室內(nèi)氣溫。如圖4所示,系統(tǒng)的核心換熱部件表冷器-風(fēng)機(jī),日間集熱時(shí)的功能是集熱,夜間放熱時(shí)的功能是放熱。

    對(duì)輕質(zhì)保溫后墻日光溫

    室室內(nèi)氣溫的調(diào)控效果

    試驗(yàn)溫室

    試驗(yàn)日光溫室位于北京市通州區(qū)潞城鎮(zhèn)中農(nóng)富通園藝有限公司的通州國(guó)際農(nóng)業(yè)科技園內(nèi)(39.8?N,116.7?E)。東西長(zhǎng)50 m,南北跨度8 m,脊高3.8 m,后墻高2.6 m,后屋面長(zhǎng)1.5 m,后坡仰角45?。溫室后墻、后屋面及兩側(cè)山墻均采用150 mm聚苯乙烯發(fā)泡板裝配而成,泡沫板兩側(cè)涂抹抗裂砂漿,墻體只有保溫功能,沒(méi)有蓄熱功能。前屋面覆蓋0.1 mm PVC塑料薄膜。保溫被被芯為針刺氈,無(wú)其他加溫設(shè)備。沿溫室東西方向中間位置用PC板將測(cè)試溫室均分為東、西兩部分,分別作為試驗(yàn)溫室和對(duì)照溫室。

    試驗(yàn)期間溫室內(nèi)栽培番茄,兩間溫室同時(shí)定植,采取完全相同的管理措施。8:00~9:00揭開(kāi)保溫被,16:30左右關(guān)閉保溫被。晴天的10:00左右通過(guò)卷膜器打開(kāi)溫室上通風(fēng)口進(jìn)行自然通風(fēng),13:00左右關(guān)閉。通風(fēng)口安裝有防蟲網(wǎng)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

    集放熱系統(tǒng)組成及其運(yùn)行模式

    試驗(yàn)溫室內(nèi)的表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng),由3臺(tái)表冷器-風(fēng)機(jī)、進(jìn)水管路、回水管路、保溫蓄熱水池、1臺(tái)潛水泵、PLC控制系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的氣溫和水溫傳感器組成。表冷器-風(fēng)機(jī)懸掛于屋脊下方、距地面3 m高度處,分別與供水管路和回水管路相連。風(fēng)機(jī)將室內(nèi)空氣由北側(cè)經(jīng)表冷器后吹向前屋面,以利于氣流循環(huán)。蓄熱水池位于溫室內(nèi),挖建而成,底部及四周粘貼發(fā)泡聚苯板進(jìn)行保溫,長(zhǎng)4.26 m,寬2.40 m,深1.60 m,實(shí)際蓄水量為4.6 m3。潛水泵位于蓄熱水池中。

    白天(8:00~16:30),當(dāng)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到溫室氣溫高于22℃且高于水溫5℃時(shí),啟動(dòng)風(fēng)機(jī)和潛水泵,潛水泵將蓄熱水池中的水媒以一定壓力和流量泵入表冷器,水與空氣在表冷器中通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流的方式進(jìn)行熱交換,吸收空氣中的熱能后回流至蓄熱水池中。水媒在系統(tǒng)中不斷循環(huán),溫度逐漸升高,便將日光溫室內(nèi)空氣中的盈余熱能收集并儲(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)溫室氣溫低于22℃,或氣溫與水溫的差值<5℃時(shí),控制系統(tǒng)停止風(fēng)機(jī)和潛水泵的運(yùn)行,集熱過(guò)程停止。

    夜間(16:30~次日8:00),當(dāng)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到溫室氣溫低于13℃且低于水溫2℃時(shí),啟動(dòng)風(fēng)機(jī)和潛水泵,水媒與空氣在表冷器中發(fā)生強(qiáng)制對(duì)流換熱,釋放熱能,進(jìn)行夜間的加溫。當(dāng)溫室氣溫高于14℃,或者水溫與氣溫的差值<2℃時(shí),系統(tǒng)停止運(yùn)行,放熱過(guò)程停止。

    結(jié)果與分析

    ◆表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)氣溫的調(diào)節(jié)

    以2018年3月2~5日(晴天和陰天)試驗(yàn)溫室和對(duì)照溫室中的氣溫?cái)?shù)據(jù)為例,進(jìn)行分析。

    2018年3月2日和5日是晴朗天氣。從圖6a可以看出,從8:00揭開(kāi)保溫被后,溫室氣溫逐漸上升,9:20溫室氣溫22.3℃,表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行,試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室之間逐漸產(chǎn)生溫差,10:00后同時(shí)打開(kāi)兩個(gè)溫室的上通風(fēng)口,氣溫下降。集熱期間,試驗(yàn)溫室的氣溫始終低于對(duì)照溫室,試驗(yàn)溫室最高氣溫為32.1℃,對(duì)照溫室最高氣溫為37.7℃,溫差在(5.8±2.3)℃。3月5日也是晴天,如圖6d所示,同樣從8:00揭開(kāi)保溫被后溫室氣溫逐漸上升,9:30時(shí)溫室氣溫22.7℃,表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行,10:30同時(shí)開(kāi)啟兩溫室的上通風(fēng)口。集熱期間試驗(yàn)溫室的氣溫始終低于對(duì)照,試驗(yàn)溫室最高氣溫為29.0℃,對(duì)照溫室最高氣溫為34.8℃,溫差在(5.1±1.2)℃??梢?jiàn),表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)可以有效降低集熱期內(nèi)日光溫室的氣溫。

    3月3日是陰天,如圖6b所示,日間未集熱,對(duì)照與試驗(yàn)溫室的溫度基本一致。3月4日也是陰天,如圖6c所示,日間系統(tǒng)運(yùn)行了1.5 h,試驗(yàn)溫室比對(duì)照溫室氣溫降低(2.6±1.8)℃。由此可見(jiàn),即使是陰天天氣下,只要溫室內(nèi)的氣溫滿足集熱條件,系統(tǒng)同樣能夠收集空氣中的盈余熱量。

    夜間,表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)為試驗(yàn)溫室放熱,如圖6a、圖6b所示。3月2日晚,試驗(yàn)溫室的最低氣溫為13.2℃,對(duì)照溫室的最低氣溫為11.3℃,最低氣溫提升了1.9℃;在經(jīng)歷3月3~4日的連續(xù)陰天后,3月4日晚試驗(yàn)溫室的最低氣溫為10.0℃,對(duì)照溫室最低氣溫為7.1℃,最低氣溫提升了2.9℃??梢?jiàn),表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的夜間加溫效果明顯,即使是連續(xù)兩個(gè)陰天也能為溫室提供熱能,維持室內(nèi)氣溫在10℃,具有一定抵抗連陰天的能力。

    ◆表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的集放熱性能與節(jié)能效果

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)中的水媒溫度變化如圖7所示。

    晴朗天氣下,系統(tǒng)集熱時(shí)長(zhǎng)約5 h,水溫升高5.8~9.0℃,日集熱量112.1~154.6 MJ,集熱流量5.7~8.3 kW,集熱COPc 3.4~4.9。陰天條件下,也能夠收集一些熱量。晴天的集熱流量和集熱COPc表明,表冷器-風(fēng)機(jī)的單位時(shí)間換熱量大,集熱優(yōu)勢(shì)明顯;系統(tǒng)在集熱階段的節(jié)能率較高。

    系統(tǒng)放熱階段的水溫下降3.5~7.9℃,日放熱量44.4~189.1 MJ,放熱流量1.5~5.4 kW,放熱COPr

    為0.9~3.2。白天所收集、儲(chǔ)存在水媒中的熱量,一部分用于放熱,另一部分則由于蓄熱水池保溫性能不佳而損失。該試驗(yàn)系統(tǒng)的放熱性能不及集熱性能,說(shuō)明其放熱性能還有提升潛力。

    系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中每小時(shí)耗電2.45 kW·h,日耗電量在15~48 kW·h。由于該系統(tǒng)是首次應(yīng)用于溫室測(cè)試,未對(duì)表冷器-風(fēng)機(jī)、潛水泵等設(shè)備進(jìn)行選型,表冷器-風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)、蓄水池水量等參數(shù)也未進(jìn)行優(yōu)化,蓄水池保溫性能不佳,致使設(shè)備的功率儲(chǔ)備過(guò)大,“大馬拉小車”,造成無(wú)效功耗過(guò)大。

    試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn),表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的集放熱效果與蓄水池的水量存在密切關(guān)系。水量較大時(shí),水溫較低,有利于在日間形成較大的水、氣溫差,系統(tǒng)集熱量大,集熱效率高。但在夜間則會(huì)導(dǎo)致水、氣溫差較低,不利于放熱。反之,水量較少時(shí)不利于日間集熱,且集熱量有限,但夜間放熱卻較快,難以滿足溫室長(zhǎng)時(shí)間的加溫需求。通過(guò)合理設(shè)計(jì)蓄水池的水量,將有助于獲得較好的集熱COPc和放熱COPr。

    傳統(tǒng)日光溫室晴天夜間單位面積墻體放熱量為1.06~1.9 MJ,平均放熱強(qiáng)度為24.4 W;陰天夜間單位面積墻體放熱量為0.35~0.76 MJ/m2,平均放熱強(qiáng)度為8.13 W/m2 [8-9]。該表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng),晴天夜放熱量為1.1 MJ/m2,平均放熱強(qiáng)度為28.9 W/m2;陰天夜間單位后墻面積放熱量為0.4 MJ,平均放熱強(qiáng)度為10.7 W。由此可見(jiàn),該系統(tǒng)與傳統(tǒng)溫室后墻相比,放熱性能相近,但通過(guò)優(yōu)化后該系統(tǒng)仍有性能提升潛力,而且該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫室白天降溫、夜間升溫的主動(dòng)調(diào)控,提高了對(duì)溫室熱環(huán)境的調(diào)控能力,這些特點(diǎn)是傳統(tǒng)日光溫室所不具備的。

    小結(jié)

    在輕質(zhì)保溫后墻日光溫室內(nèi),表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)白天集熱時(shí)能夠降低溫室氣溫3.5~8.1℃;夜間放熱時(shí)平均提升溫室氣溫2.6℃,在連續(xù)兩個(gè)陰天時(shí)也能夠維持室內(nèi)外溫差16.9℃。因此,該系統(tǒng)白天可降低室內(nèi)氣溫,夜間可提升溫室最低氣溫,并具有抵抗連陰天的能力,能夠提升溫室氣溫的可控性,可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)放熱,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)日光溫室主動(dòng)調(diào)控溫室氣溫能力差的弱項(xiàng)。

    冬季晴朗天氣下運(yùn)行該系統(tǒng)集熱,日光溫室內(nèi)的氣溫依然在30℃以上,說(shuō)明還有大量的空氣余熱可供回收利用,需要進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù),使得該集放熱系統(tǒng)能夠收集更多的熱量、集放熱性能更佳。

    對(duì)柔性保溫后墻日光溫

    室室內(nèi)氣溫的調(diào)控效果

    試驗(yàn)溫室

    試驗(yàn)日光溫室位于寧夏銀川市興慶區(qū)綠星博大種業(yè)(38.48 ?N,106.28 ?E)。溫室東西長(zhǎng)160 m,南北跨度9 m,脊高6 m。溫室后墻、后屋面以及兩側(cè)山墻均采用柔性材料包裹,只具有保溫功能,無(wú)蓄熱功能。蓄熱水池實(shí)際蓄水量為60 m3,位于溫室東側(cè)地下,底部及四周做隔熱處理。溫室內(nèi)無(wú)其他加溫設(shè)備。對(duì)照溫室的結(jié)構(gòu)、材料和建造時(shí)間均與試驗(yàn)溫室相同。兩棟溫室在南北方向間距為20 m,均種植結(jié)果期的番茄。9:00左右揭開(kāi)保溫被,17:00左右關(guān)閉保溫被;氣溫過(guò)高時(shí)開(kāi)啟上風(fēng)口,未安裝防蟲網(wǎng)。

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的組成及其運(yùn)行模式

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)由表冷器-風(fēng)機(jī)、供水管路、回水管路、水泵、蓄熱水池、控制系統(tǒng)等組成。整棟溫室共有24臺(tái)表冷器-風(fēng)機(jī),懸掛安裝于屋脊下方,離地高度約5 m。蓄熱水池位于日光溫室東側(cè)地下,蓄水量60 m3。潛水泵位于水池內(nèi)。

    白天(9:00~17:00),當(dāng)室內(nèi)氣溫≥23℃且水溫低于室內(nèi)氣溫3℃以上時(shí),控制系統(tǒng)開(kāi)啟集放熱系統(tǒng)進(jìn)行集熱;當(dāng)室內(nèi)氣溫<23℃,或者水溫高于室內(nèi)氣溫不到3℃時(shí),系統(tǒng)停止集熱。

    夜間(17:00~次日9:00),當(dāng)室內(nèi)氣溫低于10 ℃且水溫高于氣溫3℃時(shí),系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)行放熱;當(dāng)室內(nèi)氣溫高于12℃,或者水氣溫差<3℃時(shí),放熱停止。

    結(jié)果與分析

    選取2020年1月8日(晴天)和2020年1月9日(陰天)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如圖9所示。

    從圖中可以看出,8日晴天時(shí),從9:00揭開(kāi)保溫被后,太陽(yáng)輻射增大,室內(nèi)氣溫逐漸上升,氣溫曲線基本重合。表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)于11:05開(kāi)始集熱,試驗(yàn)溫室的氣溫逐漸低于對(duì)照,最大溫差達(dá)到5.4℃,說(shuō)明該系統(tǒng)在白天集熱的同時(shí)還有較強(qiáng)的降溫能力。12:15打開(kāi)風(fēng)口后,兩棟溫室的氣溫都迅速下降,氣溫曲線再次重合。在關(guān)閉保溫被后,溫室氣溫開(kāi)始下降,0:00~1:45期間只放熱20 min。2:05系統(tǒng)再次運(yùn)行時(shí),試驗(yàn)溫室氣溫已經(jīng)高于對(duì)照2.5℃。7:55兩溫室出現(xiàn)最大溫差,為4.6℃。至次日9:00揭開(kāi)保溫被時(shí),試驗(yàn)溫室氣溫為11.5℃,對(duì)照溫室氣溫為7.1℃。平均提升了溫室氣溫4.0℃,且放熱期間試驗(yàn)溫室氣溫不低于9.1℃??梢钥闯?,本集放熱系統(tǒng)在白天集熱量充足的情況下,可以滿足夜間的加溫需求,具有較強(qiáng)的加溫能力。

    由圖9還可以看出,9日陰天條件下,由于白天氣溫較低,本系統(tǒng)未進(jìn)行集熱,對(duì)照和試驗(yàn)溫室的氣溫基本重合。19:55系統(tǒng)開(kāi)始放熱,試驗(yàn)溫室氣溫為10.5℃,對(duì)照溫室氣溫為9.0℃。至2020年1月10日9:00仍在放熱,此時(shí)試驗(yàn)溫室氣溫為9.7℃,對(duì)照溫室氣溫為5.2℃,放熱期間平均提升了室內(nèi)氣溫3.8℃。說(shuō)明表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng),能夠連續(xù)兩天為溫室加溫,使得室內(nèi)夜間維持適宜的氣溫,具有一定抵抗連陰天低溫的能力。

    試驗(yàn)溫室和對(duì)照溫室的土壤溫度變化如圖10所示。深度20 cm的土壤溫度波峰和波谷晚于氣溫。晴朗天氣由于太陽(yáng)輻射強(qiáng),在12:35土溫開(kāi)始上升;而陰天則是由室內(nèi)空氣向土壤傳熱,氣溫較低對(duì)土壤的傳熱也較慢,在16:30土溫才開(kāi)始上升。

    試驗(yàn)溫室深度20 cm的土壤溫度始終高于對(duì)照溫室,最大溫差1.0℃。這是由于表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)在夜間放熱運(yùn)行時(shí),提升了溫室氣溫,減少了溫室土壤向空氣釋放的熱量,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,試驗(yàn)溫室土壤中累積的熱量高于對(duì)照溫室,使得土壤溫度逐漸升高。這對(duì)于冬季作物的生長(zhǎng)是有利的,同時(shí)也為冬春茬作物的提前定植提供了可能。

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)中的水媒溫度變化如圖11所示。晴朗天氣下,系統(tǒng)在白天集熱,夜間放熱,水溫先升高后降低。如1月8日11:05系統(tǒng)開(kāi)始集熱,熱量逐漸收集到水中,水溫以0.72℃/h的速度逐漸上升最終穩(wěn)定在17℃。夜間放熱時(shí),水溫以0.21℃/h的速度下降,最終降至12.5℃。陰天時(shí),系統(tǒng)在白天通常不集熱,夜間仍需放熱,水溫在白天基本不升高,但是夜間會(huì)降低。如1月9日,白天沒(méi)有集熱,夜間19:55開(kāi)始放熱,水溫逐漸降低。由于蓄水池面積比較大、蓄水量較多,水池中水溫的均勻性較差,水溫穩(wěn)定需要較長(zhǎng)時(shí)間,所以,15:05~19:55水溫存在波動(dòng)。

    晴朗天氣下,系統(tǒng)可集熱5 h,水溫升高4℃,日集熱量1008 MJ,集熱流量56.9 kW,集熱COPc 為5.7??梢?jiàn),表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)在晴朗天氣下的集熱量非常可觀,集熱效果非常好。陰天條件下,只能收集少量熱量或不能收集熱量。

    系統(tǒng)的放熱時(shí)長(zhǎng)9~14 h,水溫下降3.5~7.9℃,日放熱量504 MJ,放熱流量10.7~15.6 kW,放熱COPr為1.3~1.8。8日和9日放熱量相同,但8日的水溫更高,放熱時(shí)間短,因此系統(tǒng)的放熱性能表現(xiàn)更好。

    本試驗(yàn)白天室內(nèi)氣溫要求25~28℃,集熱時(shí)水溫上升了4℃,最高水溫只有17℃,水溫未達(dá)到集熱設(shè)計(jì)的上限,說(shuō)明水池的蓄熱量大于集熱量,同時(shí)集熱量足夠放熱。因此,實(shí)際蓄水量偏大。未來(lái),可適當(dāng)減小蓄水量,能夠提升水溫,提升系統(tǒng)的放熱性能。

    小結(jié)

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)應(yīng)用于寧夏銀川地區(qū)的柔性墻體日光溫室中,放熱期間溫室氣溫基本維持在10℃左右,能夠維持設(shè)定的溫度不再降低;冬季最冷月仍能提升溫室的最低氣溫4℃;連續(xù)兩天放熱的情況下,仍能夠提升溫室氣溫3.8℃。因此,本系統(tǒng)不僅提高了氣溫的可控性和溫室氣溫,還有利于改善溫室的其他環(huán)境,如土壤溫度。本集放熱系統(tǒng)夜間的放熱,減少了土壤向室內(nèi)的散熱,熱量被留存在土壤中,提升了作物的根區(qū)溫度,也有利于冬春茬作物的提前定植。

    試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn),寧夏地區(qū)光熱資源豐富,日光溫室接收到的太陽(yáng)輻射較多,氣溫升高快。本系統(tǒng)集熱運(yùn)行的時(shí)間與打開(kāi)通風(fēng)口的時(shí)間相近,由于室外氣溫較低,上通風(fēng)口與表冷器-風(fēng)機(jī)懸掛的位置又很近,打開(kāi)通風(fēng)口后會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)停止運(yùn)行或集熱性能下降。因此,傳統(tǒng)的日光溫室管理方法不適用于安裝本表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的日光溫室,需要改變打開(kāi)風(fēng)口進(jìn)行通風(fēng)散濕的傳統(tǒng)管理方法,比如采用溫室密閉運(yùn)行的方式,既可滿足作物生長(zhǎng),又能使表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)高效運(yùn)行。

    對(duì)南北向“大跨度外保

    溫塑料大棚”室內(nèi)氣溫

    的調(diào)控效果

    試驗(yàn)大棚

    試驗(yàn)塑料大棚位于寧夏銀川市興慶區(qū)(38.4?N,106.4?E)。南北走向,南北長(zhǎng)80 m,東西寬16 m,屋脊高6.2 m(圖12、圖13)。室內(nèi)每隔4 m設(shè)置一根鋼管柱,以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。大棚南北山墻由200 mm聚苯乙烯板建造。屋面覆蓋聚乙烯薄膜和保溫被。保溫被被芯材為噴膠棉,傳熱系數(shù)為0.9 W/(m2·K)。

    測(cè)試期間試驗(yàn)塑料大棚栽培番茄,采用滴灌進(jìn)行灌溉。為維持較高的室內(nèi)氣溫,塑料大棚東側(cè)保溫被一般在9:30~10:00開(kāi)啟,12:00閉合;西側(cè)屋面保溫被則在12:00開(kāi)啟,16:00~16:30閉合。選擇典型晴天2019年1月22日9:30~23日9:30的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的組成及其運(yùn)行模式

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)由表冷器-風(fēng)機(jī)、供回水管路、水泵、保溫蓄熱水池、PLC 控制系統(tǒng)等組成。表冷器-風(fēng)機(jī)安裝于屋脊下方,共9臺(tái),間隔

    6 m布置。每臺(tái)表冷器-風(fēng)機(jī)中有2個(gè)180 W的軸流風(fēng)機(jī)。為使室內(nèi)空氣分布均勻,交錯(cuò)布置表冷器出風(fēng)口(圖14)。蓄熱水池位于塑料大棚中部,蓄水量22.8 m3。循環(huán)水泵為潛水泵,位于蓄熱水池內(nèi),功率900 W,流量12.4 m3/h。

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的工作模式為:當(dāng)室內(nèi)氣溫≥17℃且水溫低于室內(nèi)氣溫4℃時(shí),控制系統(tǒng)開(kāi)啟集放熱系統(tǒng)進(jìn)行集熱。當(dāng)室內(nèi)氣溫<17℃,或者水溫低于室內(nèi)氣溫不到4℃時(shí),系統(tǒng)停止集熱。夜間,當(dāng)室內(nèi)氣溫低于10℃且水溫高于氣溫2℃時(shí),系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)行放熱。當(dāng)室內(nèi)氣溫高于13℃或者水氣溫差<2℃時(shí),放熱停止。

    考慮到陰天時(shí)室內(nèi)氣溫較低,系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行集熱,在室外安裝了一臺(tái)空氣源熱泵,用于陰天系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)時(shí)對(duì)蓄水池進(jìn)行熱量補(bǔ)充。

    結(jié)果與分析

    如圖15所示,測(cè)試期間,室外太陽(yáng)輻射最高可達(dá)536 W/m2,但室內(nèi)輻射較低,最高182 W/m2。整個(gè)日間,室內(nèi)太陽(yáng)輻照度僅為室外太陽(yáng)輻照度的38±13%。該結(jié)果表明,南北走向大跨度外保溫大棚透光率較低,不利于室內(nèi)氣溫的快速升高。測(cè)試期間室外氣溫在-7.8~8.5℃之間變化,最低溫出現(xiàn)在23日的8:30。

    如圖16所示,日間室內(nèi)氣溫先升高后降低,在11:00達(dá)到17℃,此時(shí)水溫12.3℃,較室內(nèi)氣溫低4.7℃,表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)啟動(dòng),開(kāi)始集熱。隨后室內(nèi)氣溫繼續(xù)升高,在14:00達(dá)到22.2℃。然后開(kāi)始下降,在14:50跌至20℃。此時(shí),水池溫度為16.1℃,較室內(nèi)氣溫低3.9℃,系統(tǒng)停止運(yùn)行,集熱過(guò)程結(jié)束。

    如圖17所示,夜間室內(nèi)氣溫持續(xù)下降,在2:30跌至10℃。此時(shí)表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)開(kāi)始向室內(nèi)放熱,直到次日保溫被開(kāi)啟。室內(nèi)氣溫小幅提升,在4:20達(dá)到12.3℃,然后又緩慢下降。9:00,室內(nèi)氣溫為11.5℃。夜間平均室內(nèi)外溫差為16.9℃,最大值出現(xiàn)在8:30,達(dá)到19.5℃。根據(jù)模擬,在本系統(tǒng)加溫作用下,室內(nèi)最低氣溫平均提升了2.2℃。

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)日間集熱3.8 h,水溫上升了4.4℃,集熱量425 MJ,集熱COPc 為7.1。系統(tǒng)夜間放熱6.3 h,水溫下降了3.3℃,考慮到蓄水池自身散熱的影響,系統(tǒng)夜間向室內(nèi)釋放熱量299.5 MJ,放熱COPr為3.04。

    另外,如前所述,測(cè)試塑料大棚的南北走向不利于采光,室內(nèi)氣溫較低,不利于系統(tǒng)集放熱性能的充分發(fā)揮。根據(jù)模擬,如果集熱期間室內(nèi)氣溫能達(dá)到25℃,則日間集熱量和夜間散熱量可分別提高68%和85%,室內(nèi)氣溫有望得到較大幅度的提升。因此,該系統(tǒng)具有較好的集放熱能力,具有較大的應(yīng)用潛力。

    小結(jié)

    在南北向大跨度外保溫塑料大棚中,室內(nèi)太陽(yáng)輻射弱,該溫室的白天氣溫不超過(guò)25℃。系統(tǒng)的集熱時(shí)長(zhǎng)為3.8 h,集熱量425 MJ,集熱COPc為7.1;系統(tǒng)的放熱時(shí)長(zhǎng)為6.3 h,系統(tǒng)的放熱量為299.5 MJ,放熱COPr為3.04。維持夜間氣溫不低于11.5℃,室內(nèi)外最大溫差16.9℃。此外,系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行條件對(duì)集放熱性能的影響很大,研究其運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行條件能夠使系統(tǒng)更節(jié)能、應(yīng)用效果更佳。

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性,可以聯(lián)合其他加溫設(shè)備或系統(tǒng)共同使用,加強(qiáng)抵抗連陰天低溫的能力。

    對(duì)東西向“大跨度外保

    溫塑料大棚”室內(nèi)氣溫

    的調(diào)控效果

    如上所述,雖然南北走向的塑料大棚有助于提高土地利用效率,但其透光率較低,日間室內(nèi)氣溫不高,不利于表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的運(yùn)行。若塑料大棚采用東西走向,則其透光率可得到明顯提升,有助于突破冬季低溫弱光對(duì)作物生長(zhǎng)的限制,取得較好的栽培效益。此外,在前期研究中也發(fā)現(xiàn),該集放熱系統(tǒng)在日間運(yùn)行過(guò)程中具有良好的降溫效果,使得溫室封閉運(yùn)行成為可能,這對(duì)于減少外界病蟲害侵入、開(kāi)展CO2施肥非常有利。

    為此,本團(tuán)隊(duì)在前述研究的基礎(chǔ)上,又開(kāi)展了表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)在東西走向大跨度外保溫塑料大棚中調(diào)控氣溫的試驗(yàn),進(jìn)一步考察、分析利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大棚密閉運(yùn)行的可行性。

    試驗(yàn)大棚

    試驗(yàn)塑料大棚位于內(nèi)蒙古自治區(qū)寧城縣大城子鎮(zhèn)(118.9?E,41.7?N),東西走向,東西長(zhǎng)144 m,南北寬16 m,南北非對(duì)稱,其中南側(cè)寬8 m,過(guò)道寬2 m,北側(cè)寬6 m,屋脊高4.5 m(如圖18、圖19)。室內(nèi)過(guò)道兩側(cè)每隔2.6 m設(shè)置一根鋼管柱,以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。大棚東西山墻由磚墻建造。屋面覆蓋草墊和保溫被,北側(cè)屋面保溫被冬季不揭開(kāi)。試驗(yàn)時(shí)采用塑料薄膜將大棚從中間一分為二,西側(cè)為試驗(yàn)區(qū),東側(cè)為對(duì)照區(qū)。

    試驗(yàn)于2019年12月~2020年2月進(jìn)行。試驗(yàn)期間塑料大棚栽培番茄,滴灌灌溉。塑料大棚南側(cè)屋面保溫被一般在9:00~10:00揭開(kāi),16:00~16:30關(guān)閉;北側(cè)保溫被閉合不揭開(kāi)。選擇典型晴天2019年12月31日8:00~2020年1月1日8:00、2020年1月31日10:55~12:40的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的組成及其運(yùn)行模式

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)由表冷器-風(fēng)機(jī)、供回水管路、水泵、蓄熱水池、控制系統(tǒng)等組成。表冷器-風(fēng)機(jī)懸掛安裝于屋脊下方,共15臺(tái)表冷器-風(fēng)機(jī),間距約為4 m。每臺(tái)表冷器-風(fēng)機(jī)包含2個(gè)200 W的風(fēng)機(jī)。蓄熱水池位于塑料大棚西側(cè),水量為25.84 m3。潛水泵位于水池內(nèi),實(shí)際流量為13.2 m3/h。

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的運(yùn)行模式如下:日間,當(dāng)室內(nèi)氣溫達(dá)到25℃且水溫低于室內(nèi)氣溫5℃時(shí),系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)行集熱;當(dāng)室內(nèi)氣溫低于25℃,或者水溫低于室內(nèi)氣溫不到5℃時(shí),系統(tǒng)停止運(yùn)行,集熱過(guò)程停止。夜間,當(dāng)室內(nèi)氣溫低于10℃且水溫高于溫室氣溫3℃時(shí),系統(tǒng)啟動(dòng),進(jìn)行放熱;當(dāng)室內(nèi)氣溫高于13℃,或者水溫高于溫室氣溫不到3℃時(shí),系統(tǒng)停止運(yùn)行,放熱過(guò)程停止。

    結(jié)果與分析

    風(fēng)口打開(kāi)條件下,表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)氣溫的調(diào)控效果

    如圖21所示,2019年12月31日8:00~2020年1月1日8:00期間,室外太陽(yáng)輻射最高可達(dá)389 W/m2,保溫被開(kāi)啟時(shí)間段室外平均太陽(yáng)輻射為273.1 W/m2;室內(nèi)太陽(yáng)輻射最高為324 W/m2,保溫被開(kāi)啟時(shí)間段室內(nèi)平均太陽(yáng)輻射為215.8 W/m2,為室外太陽(yáng)輻照度的79%。室外氣溫在-20~-1℃之間變化,在2020年1月1日5:30出現(xiàn)最低溫-20℃。

    如圖22所示,日間保溫被開(kāi)啟,試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)室內(nèi)氣溫均升高,11:00達(dá)到25℃,上風(fēng)口開(kāi)啟(試驗(yàn)區(qū)開(kāi)口約為2 cm、對(duì)照區(qū)開(kāi)口約為10 cm)。此時(shí)水池水溫為11.8℃,較試驗(yàn)區(qū)室內(nèi)氣溫低13.2℃,表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)啟動(dòng),開(kāi)始集熱。隨后試驗(yàn)區(qū)室內(nèi)氣溫繼續(xù)上升,在12:40達(dá)到30.7℃,然后開(kāi)始下降,15:00至25℃,集熱過(guò)程結(jié)束,此時(shí)水溫為18.3℃。

    由于對(duì)照區(qū)風(fēng)口開(kāi)得較大,11:00后室內(nèi)氣溫下降明顯,11:40下降至23.7℃后開(kāi)始回升,至12:10達(dá)到29.8℃,開(kāi)始超過(guò)試驗(yàn)區(qū),直至保溫被關(guān)閉。雖然試驗(yàn)區(qū)的風(fēng)口開(kāi)啟較小,但其氣溫仍明顯低于對(duì)照區(qū),說(shuō)明表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的降溫效果顯著。

    如圖23所示,保溫被關(guān)閉后,室內(nèi)氣溫持續(xù)下降,試驗(yàn)區(qū)氣溫在2:30跌至9.3℃,低于對(duì)照區(qū)0.6℃。此時(shí)表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)啟動(dòng),向室內(nèi)放熱。試驗(yàn)區(qū)氣溫開(kāi)始上升,在3:30達(dá)到11.8℃,然后緩慢下降,直到1月1日7:30放熱停止。1日8:00試驗(yàn)區(qū)室內(nèi)氣溫為11.1℃,高于對(duì)照區(qū)2.5℃;夜間平均室內(nèi)外溫差為26.4℃,最大達(dá)到30.6℃。

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)日間集熱4 h,水溫上升6.43℃,集熱量693.5 MJ,耗電量19.74 kW·h,集熱COPc為9.7。夜間放熱5 h,水溫下降4.52℃,向室內(nèi)釋放熱量487.5 MJ,耗電量26.48 kW·h,放熱COPr為5.1。

    另外,如前所述,在集熱期間大棚的頂風(fēng)口處于開(kāi)啟狀態(tài),棚內(nèi)上部表冷器-風(fēng)機(jī)周圍的空氣溫度較低,不利于集熱。若不開(kāi)風(fēng)口,表冷器-風(fēng)機(jī)周圍的空氣溫度將會(huì)提高,則有利于提升系統(tǒng)的集熱性能。

    ◆密閉條件下,表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)氣溫的調(diào)控效果

    2020年1月31日8:00~16:40期間大棚采取密閉運(yùn)行模式進(jìn)行集熱。如圖24所示,測(cè)試期間,室外太陽(yáng)輻射最高可達(dá)482 W/m2,保溫被開(kāi)啟時(shí)間段室外平均太陽(yáng)輻射為314 W/m2;室內(nèi)太陽(yáng)輻射最高為414 W/m2,室內(nèi)平均太陽(yáng)輻射為281.5 W/m2,室內(nèi)太陽(yáng)輻照度僅為室外太陽(yáng)輻照度的69.6%。室外氣溫在-13.3~5.3℃范圍內(nèi)變化,最低溫出現(xiàn)在2020年1月31日的8:00。

    如圖25所示,日間保溫被開(kāi)啟,室內(nèi)氣溫升高,10:55試驗(yàn)區(qū)氣溫達(dá)到27.4℃。此時(shí)水溫為13.1℃,較試驗(yàn)區(qū)室內(nèi)氣溫低14.3℃,表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)啟動(dòng),開(kāi)始集熱。

    10:55~11:20,試驗(yàn)區(qū)氣溫在27.5~28.5℃波動(dòng),風(fēng)口保持關(guān)閉,水溫從13.1℃上升到13.8℃;對(duì)照區(qū)氣溫逐漸升高,11:20達(dá)到31.5℃,為了不對(duì)番茄造成高溫傷害,開(kāi)啟了對(duì)照區(qū)風(fēng)口。11:20~12:40,試驗(yàn)區(qū)氣溫仍在27.5~28.5℃范圍內(nèi)波動(dòng),風(fēng)口仍保持關(guān)閉;對(duì)照區(qū)風(fēng)口開(kāi)啟(風(fēng)口寬度15 cm),氣溫穩(wěn)定在30℃左右。

    12:40集熱過(guò)程結(jié)束后,試驗(yàn)區(qū)氣溫快速上升到31.6℃,隨后開(kāi)啟頂風(fēng)口,氣溫逐漸下降。

    系統(tǒng)集熱期間,試驗(yàn)區(qū)氣溫穩(wěn)定在27.5~28.5℃,對(duì)照區(qū)開(kāi)風(fēng)口前后一直高于試驗(yàn)區(qū)。由此可以說(shuō)明,表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)具有很好的降溫、控溫作用。

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)日間集熱105 min,水溫上升了4.35℃,集熱量472.1 MJ,集熱COPc可達(dá)14.4,與開(kāi)啟風(fēng)口進(jìn)行集熱時(shí)相比,COPc提高了47.8%。

    如圖26所示,10:55~11:20試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)均保持密閉,試驗(yàn)區(qū)相對(duì)濕度持續(xù)下降,從65.7%下降到60.8%,與對(duì)照區(qū)的濕度差距逐步拉大,說(shuō)明表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)具有一定的除濕效果。

    小結(jié)

    東西走向大跨度外保溫塑料大棚中,在風(fēng)口開(kāi)啟條件下,系統(tǒng)的集熱量為693.5 MJ,集熱COPc為9.7;夜間可提高室內(nèi)氣溫2.5℃,放熱量為487.5 MJ,放熱COPr為5.1。在大棚密閉條件下,系統(tǒng)的集熱COPc達(dá)到14.4,較非密閉提高了47.8%。該系統(tǒng)在大棚密閉運(yùn)行時(shí),能夠維持室內(nèi)氣溫在27.4~28.4℃,無(wú)需開(kāi)風(fēng)口散熱;同時(shí),還能夠調(diào)控室內(nèi)濕度,運(yùn)行時(shí)室內(nèi)濕度有所下降。因此,該系統(tǒng)能夠滿足大跨度外保溫塑料大棚密閉運(yùn)行時(shí)對(duì)溫度、濕度的控制需求。

    上述結(jié)果表明,本團(tuán)隊(duì)所開(kāi)發(fā)的表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng),可以在東西向大跨度外保溫大棚中應(yīng)用,在收集空氣中盈余熱量的同時(shí),還能夠有效抑制室內(nèi)的高溫,降低相對(duì)濕度。溫度的有效管控是實(shí)現(xiàn)溫室密閉運(yùn)行的基石,而要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室空氣環(huán)境的全面管控,還需要進(jìn)行空氣滅菌、CO2氣肥施用等多方面的調(diào)控。

    結(jié)論

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)是一種新型的主動(dòng)集放熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用表冷器-風(fēng)機(jī)作為白天的集熱器和夜間的放熱器,收集和利用溫室內(nèi)產(chǎn)生的空氣盈余熱量,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室氣溫的調(diào)控。該系統(tǒng)具有不占用栽培空間、不遮擋太陽(yáng)輻射、不受溫室類型限制、能充分利用溫室空間、直接調(diào)控室內(nèi)氣溫等優(yōu)勢(shì)。

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)具有明顯的日間降溫、減少通風(fēng)的效果。在輕質(zhì)保溫墻體日光溫室中,日間平均降低5.8℃;在東西向大跨度外保溫塑料大棚中,延遲開(kāi)風(fēng)口通風(fēng)時(shí)間80 min;在其他溫室中也有不同程度的降溫效果。

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)具有夜間提升溫室氣溫的效果。在后墻無(wú)蓄熱能力的日光溫室中,可提升夜間最低氣溫2.6~4.0℃;在大跨度外保溫塑料大棚中,可提升夜間最低氣溫2.2~4.5℃。在最冷月,運(yùn)行該系統(tǒng)能夠維持室內(nèi)溫度在10℃以上,最大室內(nèi)外溫差能夠達(dá)到21℃以上。

    集熱、放熱性能好。系統(tǒng)最大日集熱量達(dá)到1008 MJ,集熱COPc可達(dá)3.4~14.4,說(shuō)明該系統(tǒng)日間能夠收集到足夠的熱量,集熱過(guò)程中的節(jié)能性好;放熱量為44.4~504 MJ,放熱COPr可達(dá)1.3~5.1,說(shuō)明系統(tǒng)的放熱量充足,優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)行條件后,還能進(jìn)一步提升系統(tǒng)的放熱性能。

    提升溫室土壤的熱環(huán)境。表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)能夠明顯提升土壤溫度。系統(tǒng)的夜間放熱提升了溫室氣溫,減少了土壤向空氣釋放的熱量,使得熱量留存在土壤中,提升了作物的根區(qū)溫度,也有利于冬春茬作物提前定植。

    表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)還具有調(diào)控濕度、擾動(dòng)室內(nèi)空氣等作用。日間集熱過(guò)程中,能夠?qū)厥铱諝庵械乃Y(jié),降低室內(nèi)絕對(duì)濕度,改善室內(nèi)的高濕環(huán)境,并且凝結(jié)的水汽能夠再次用于蓄熱;夜間溫室的氣溫提升,降低了溫室的相對(duì)濕度。濕度的調(diào)控對(duì)病害的防控至關(guān)重要。表冷器-風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,風(fēng)機(jī)吹向前屋面,氣流會(huì)在室內(nèi)形成循環(huán),均勻室內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度等空氣環(huán)境。由此可見(jiàn),該系統(tǒng)還具有調(diào)節(jié)溫室內(nèi)濕度、氣流和CO2均勻性等多種功能,具有實(shí)現(xiàn)溫室密閉運(yùn)行、全面調(diào)控溫室空氣環(huán)境的潛力。

    綜上所述,表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)是一種節(jié)能型的溫室主動(dòng)式集放熱新技術(shù)、新裝備,具有較好的日間降溫和夜間加溫效果、集放熱性能及除濕效果,提高了對(duì)溫室空氣溫度、濕度的可控程度,可以應(yīng)用于各種類型的溫室,對(duì)于加快大跨度大棚、裝配式日光溫室等新型棚室的發(fā)展和推廣,具有重要意義。未來(lái),通過(guò)優(yōu)化表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù),進(jìn)一步提升集放熱性能,并對(duì)除濕、殺菌、補(bǔ)充CO2氣肥等功能進(jìn)行深入研究,有助于實(shí)現(xiàn)溫室的全時(shí)密閉運(yùn)行,從而大幅度提升溫室空氣環(huán)境的綜合調(diào)控水平。

    致謝

    本研究在溫室現(xiàn)場(chǎng)中的測(cè)試和試驗(yàn)工作,得到了以下單位的大力支持和協(xié)助,在此一并表示感謝:國(guó)家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系銀川綜合實(shí)驗(yàn)站和赤峰綜合實(shí)驗(yàn)站、北京國(guó)際都市農(nóng)業(yè)科技園、寧夏回族自治區(qū)園藝技術(shù)推廣站、銀川市興慶區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心、寧夏旭日陽(yáng)光生態(tài)果蔬種植養(yǎng)殖專業(yè)合作社、銀川綠星博大種業(yè)有限公司、赤峰益康農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社。

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