基于植物生理的温室蓄热系统蓄热性能研究

基于植物生理的温室蓄热系统蓄热性能研究

0温室冬季耗煤量和内部加热方式的现状太阳能农业温室在世界范围内得到了广泛应用，并取得了良好的经济效益。但温室加温能耗大是温室生产中的突出问题,据日本测算,每生产10kg黄瓜要消耗5L石油,比大田粮食生产能耗高50~60倍,其中供暖费用占主要成本。例如,北京地区玻璃温室和单层塑料膜温室的冬季耗煤量在60~80kg/m2,而燃煤成本占整个生产成本的30%~50%,上海玻璃温室冬季耗煤量为54.6kg/m2。可见,温室冬季加温能耗费用是其生产成本的主要组成之一,是制约设施农业发展及其生产效益的主要因素。温室加温形式主要有燃煤热水锅炉加温、热风炉加温、电热加温、太阳能加温、地面加热、地下热交换系统加温。不同的供热方式,加温效果不同,经济效益也不同。地下换热系统是实现清洁能源—太阳能地下贮存与利用的装置之一,已在美国、法国等国应用于温室、畜禽舍等室内环境调控,具有明显的节能效果。但现有温室地下换热系统的贮热体底部无隔热层,导致大量热能由贮热体底部流失,系统效率低。为了降低温室加温能耗,提高太阳能利用率,设计了温室地下蓄热系统,本文对该系统蓄热加温效果进行了研究。1温室的地下蓄热系统1.1密度型两大热质系统温室地下蓄热系统由温室、地坪、轴流式风机、进气道、排气道等组成,如图1所示。温室是整个系统的围护结构,为系统累积热量。试验用温室为华东型塑料温室,东西走向,顶高4.5m,肩高2.5m,长24m,单圆弧结构,覆盖材料为聚乙烯,厚度0.08mm。地坪是该系统热能的贮存体,由蓄热层、隔热层、基础层、换热管道组成。蓄热层、基础层为混凝土结构,且蓄热层构成了换热管道的管壁,隔热层材料为水泥、煤渣按一定比例混合。换热管道是温室内空气中热能向地坪蓄热层转移的中介,直径76mm,长度18m,管中心距地坪表面15cm,在温室6m的跨度内沿纵向布置换热管道45根,并与进气道、排气道相连通组成并联系统。轴流式风机设置于进气道一端,排风量为9000m3/h,配备电机功率250W[10~13]。1.2轴流式风机白天由于太阳辐射温室内空气温度升高,有时气温可能超过作物生长的临界温度,地坪内部温度较低,且地坪与静止空气传热较慢,启动轴流式风机,使温室内的热空气流经换热管道,空气中的热能以对流换热的方式向地坪转移,地坪温度升高,其内部贮存了大量热能。夜间当温室内气温低于地坪温度时,地坪中的蓄热以导热方式传入温室空气中,补充温室的热损失,或启动轴流式风机,空气流经换热管道而被加温,热量随空气进入温室中,从而维持温室内空气相对较高的温度[10~12]。2试验传感器及仪器由温室地下蓄热系统换热特性确定系统的运行模式:晴天、多云天、阴雨天10:30时启动轴流式风机;晴天、多云天15:00时轴流式风机停止工作,阴天时14:30轴流式风机停止工作,在此期间系统蓄热;夜间17:30~22:30轴流式风机工作,进行加温,测试系统蓄热与加温时温室内气温与地温、室外空气温度与地温、相邻无蓄热系统温室内气温、地温。各类传感器布置如下:在温室纵向中心面分别距安装轴流式风机一侧的温室山墙3m,7.5m,12m,16.5m,21m处布置ZDR-20温度&湿度数据记录仪(量程:温度-40°~100℃;湿度:0.1%~100%RH;分辨率:温度0.1℃,湿度0.1%RH;精度:温度±0.5℃,湿度±3%RH。),距地坪表面50cm。同时,利用ZDR-20温度&湿度数据记录仪测试室外气温、相邻无地下蓄热系统温室气温。因地坪为中心对称结构,选择地坪距纵向中心线0.5m,1.5m,2.5m的3个纵向平面均匀布置TDW2001电子式温度指示调节仪(精度:温度±0.5℃)15个,3列5行,每列5只,各行分别距换热管道入口侧1m,5m,9m,13m,17m,测点深10cm;同时,用TDW2001电子式温度指示调节仪测试室外、相邻无地下蓄热系统温室内10cm深处土壤温度,间隔30min记录。3试验结果与分析3.1对热系统蓄热升温效果的测试试验于2003年12月1日~25日在杭州市进行,试验用温室内无作物,分别对晴朗天气、多云天及阴天温室地下蓄热系统蓄热加温效果进行测试,共测试15天。因相同天气情况时试验结果类似,现仅以典型的晴朗天、多云天、阴天的蓄热加温效果进行分析。对温室内5个气温、湿度测点求平均值得温室内平均气温、平均湿度,分别对距离地坪15个测点温度求平均值,得地坪10cm深处平均温度。数据处理得到不同天气情况时系统蓄热效果、加温效果如图2和图3所示。3.2不同温室地温对蓄热效果的影响由图2(a)和(b)可知,在冬季晴朗、多云的白昼,当外界最高气温只有10℃时,温室内最高气温分别会超过25℃,20℃;在太阳辐射与系统蓄热操作的双重作用下,晴天时地坪温度由初始的14.3℃上升至22.8℃,与室外土壤温度保持7°~13℃的温差,平均温差为10.67℃,高于相邻无地下蓄热系统温室地温2.7°~7.1℃,平均温差为4.8℃;多云天时地坪温度由初始的12.6℃上升至19.9℃,与室外土壤温度保持6.9°~12.1℃的温差,平均温差为10.04℃,高于相邻无地下蓄热系统温室地温3.4°~6.3℃,平均温差为4.4℃。地坪温度的提高,有利于提高地坪(苗床)表面苗钵中土壤温度。由图2(c)可知,在阴雨天时,蓄热时地坪温度也有所升高,由于气温与地温之差小,地温增加幅度较小,且蓄热过程进行2h后,地坪温度不再继续上升,但由于长期蓄热,温室内地温仍高于相邻温室2.0°~3.1℃,平均温差为2.6℃。可见,晴天、多云天时本系统蓄热可以明显提高地温,分别比相邻温室地温高4.8℃,4.4℃,蓄热效果明显;在阴雨天时地坪蓄热增温效果不明显,蓄热时间应适当缩短,但由于长期蓄热,其地温仍高于相邻温室2.6℃。3.3系统可扩张性能由图3知,在白昼为晴朗、多云、阴雨天气情况下,夜间外界气温分别只有5.2°~7.0℃,3.2°~6.1℃,6.8°~8.4℃,系统加温能使温室内平均温度分别保持在9.9°~10.8℃,5.9~9.4℃,9.6°~10.3℃,与外界气温差分别为3.2°~4.6℃,2.7°~3.9℃,1.8°~2.8℃,平均气温差分别为3.95℃,3.21℃,2.35℃;温室内气温分别高于相邻无地下蓄热系统温室气温为1.7°~3.7℃,1.4°~2.5℃,0.7°~1.9℃,平均温差分别为3.1℃,2.0℃,1.5℃,在外界温度低于作物生长最低气温6℃不能维持作物正常生命活动时,温室内平均气温仍高于作物维持生命活动时所需的最低温度;温室内地温与外界土壤温度差分别为5.4°~7.7℃,3.5°~6.5℃,2.9°~3.6℃,地坪作为苗床,其温度较高有利于提高苗钵内基质的温度。但由于气温降低,各种天气情况下温室内湿度均较高,不利于作物生长和病虫害防治。可见,在白昼为晴朗、多云、阴雨天的夜间,系统加温使得室内温度分别高于相邻温室3.1℃,2.0℃,1.5℃,系统具有一定的加温能力,在加温期间具有良好的加温效果。需要指出的是,随着加温过程进一步进行,地坪温度会进一步降低,系统加温能力下降,不能满足整个夜间加温的需要。如果温室夜间加温时间为17:30至次日7:30,而系统在17:30~22:30加温时间段内具有较好的加温效果,那么,本系统至少可以满足温室加温能耗的35.7%。如果系统与应急加温装置、双层覆盖等温室加温与保温措施联合应用,可明显地提高温室的加温与保温能力。4温室地温上升情况1)温室地下蓄热系统通过贮存太阳热能提高苗床温度并利用蓄热进行加温,是温室加温、节能的新途径。2)温室地下蓄热系统在冬季晴朗、多云的白昼,系统蓄热可分别使地坪温度由初始的14℃上升至23℃,12.6℃上升至19.9℃,分别比相邻未蓄热温室地温高4.8℃,4.4℃,蓄热效果比较明显;在阴雨天时地坪蓄热增温效果不明显,蓄热时间应适当缩短,但由于长期蓄热,其地温仍高于相邻温室2.6℃。3)温室地下蓄热系统在白昼为晴朗、多云、阴雨天气情况下