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三种太阳能温室水蓄放热系统的比拟阐发

来历:沈阳农业大学 作者:李永玺
宣布于:2020-04-17 共6618字

  摘    要

  
  日光温室是高效节能型的园艺举措措施,其墙体在保温蓄热方面起到很是首要的感化,对温室热情况有间接的影响。传统日光温室的墙体以砖墙、土墙等为主,可是其墙体布局的蓄热才能无限,夜间放热量缺乏,不能够或许或许或许或许延续不变地停止放热,会影响作物的一般成长发育。因为水作为天然界中比热容大,且易于活动和传热的物资,很是合适作为蓄放热介质。操纵水作为蓄热系统的储热介质停止太阳能的搜集,用于进步温室夜间的气温或地温是具备首要意思的。



三种太阳能温室水蓄放热系统的比拟阐发
 

  
  本研讨经由进程对照三种水蓄放热系统(太阳能集热板水轮回蓄放热系统、太阳能水管水轮回蓄放热系统、太阳能水箱蓄放热系统)与传统砖墙蓄放热系统之间和对照差别水蓄放热系统之间的蓄放热机能,来了了水蓄放热系统对温室外部情况的感化成果与感化纪律。在差别的天气情况前提下(好天、阴天),对照水蓄放热系统与传统砖墙蓄放热系统的蓄放热机能,了了水蓄放热系统与传统砖墙蓄放热系统的差别;在典范好天和典范阴天的前提下,对差别的水蓄放热系统停止对照,了了哪一种水蓄放热系统机能更佳。
  
  按照以上实验,得出以下首要论断:
  
  (1)水蓄放热系统的集放热才能优于传统砖墙的集放热才能。
  
  (2)在典范好天和阴天的前提下,太阳能集热板水轮回蓄放热系统的集放热机能都是最好的。
  
  (3)太阳能集热板在好天前提下,集热机能可到达1.19 MJ·m-2h-1,放热机能0.6 MJ·m-2h-1,在阴天前提下,集热机能0.55 MJ·m-2h-1,放热机能0.26 MJ·m-2h-1。
  
  (4)设想了一套水轮回蓄放热系统,以期为水蓄放热系统的设想和仿真建模供给实际按照。
  
  关头字:    日光温室;太阳能;水蓄放热系统;机能阐发 。
  

  Abstract

  
  Chinese solar greenhouse is an efficient and energy-saving horticultural facility. Its walls play  a  very  important  role  in  heat  preservation  and  storage  and  have  a  direct  impact  on  the greenhouse thermal environment. The wall of the traditional solar greenhouse is mainly brick wall,  earth  wall,  etc.,  but  its  wall  structure  has  limited  heat  storage  capacity  and  insufficient heat  release  at  night,  so it  cannot  continuously  and  stably  release  heat,  which  will  affect  the normal growth and development of crops. As a material with large specific heat capacity and easy flow and heat transfer in nature, water is very suitable for heat storage and release. It isof  great  significance  to  use  water  as  the  heat  storage  medium  of  the  heat  storage  system  to collect  solar  energy  and  improve  the  temperature  or  ground  temperature  at  night  in  the greenhouse.
  
  This  study  by  comparing  three  kinds  of  heating  water  thermal  storage  system  (solar panels, water storage and solar water heating system water cycle regenerative heating system, solar  water  heating  system  storage)  and  traditional  brick  wall  heat  storage  system  and  the contrast  between  different  heat  storage  performance  of  regenerative  heat  system  between water,  clear  water  heat  storage  system  to  law  of  greenhouse  effects  and  roles  of  internal environment.  Under  different  weather  conditions  (sunny  days  and  cloudy  days),  the  heat storage  and  release  performance  of  the  water  storage  and  release  system  and  the  traditionalbrick wall storage and release system are compared to clarify the difference between the water storage  and  release  system  and  the  traditional  brick  wall  storage  and  release  system.  Under the  condition  of  typical  sunny  day  and  typical  cloudy  day,  different  water  storage  and  heat release  systems  are  compared  to  clarify  which  water  storage  and  heat  release  system  has better performance.
  
  Based on the above tests, the following conclusions can be drawn:
  
  (1) The heat collection and release capacity of water storage and release system is better than that of traditional brick wall.
  
  (2)  Under  different  weather  conditions,  the  collection  and  heat  release  performance  of the water circulation storage and heat release system of solar panels is the best.
  
  (3)  The  solar  thermal  collector  can  achieve  1.19MJ·m-2h-1  heat  collection  performance and  0.6MJ·m-2h-1  heat  release  performance  under  sunny  conditions,  and  0.55MJ·m-2h-1  heat collection performance and 0.26MJ·m-2h-1 heat release performance under cloudy conditions.
  
  (4) A set of water cycle heat storage and release system is designed in order to provide a theoretical  basis  for  the  design  and  simulation  modeling  of  water  heat  storage  and  release system.
  
  Keywords:    solar greenhouse; solar energy; water storage and heat release system; performance analysis。
  

  1、媒介
 

  
  1.1、研讨背景。
  

  自20世纪80年月起,日光温室作为一种作物种植举措措施在我国南方严寒地域敏捷成长。因其突破了传统农业地域和季候的天然限定,能够或许或许或许为作物整年一般出产供给须要的前提,并且能够或许或许或许知足农业作物在一般成长发育前提下的所需外界天气情况前提(刘志杰,2007)。在我国举措措施园艺的成长进程中,日光温室起到了很是关头的感化,已成长成为我国南方严寒地域最为首要的园艺举措措施。因为其具备高效、节能和低本钱等特色,范围逐年扩展,出格是在近几年内,修建面积显现出疾速增加的趋向(刘博文,2018)。
  
  停止到2018年,我国日光温室的地盘修建面积已到达95.8万hm2(束胜,2018)。陪同着社会的成长,为了能够或许或许或许或许顺应中国社会经济的须要和农业资本的欠缺,日光温室的财产慢慢成长,使其在农业资本上能够或许或许或许最大化地公道操纵,并且在很大程度上能够或许或许或许或许填补我国农业资本匮乏的困难。岂但加速了我国农业财产布局的调剂,并且处置了持久搅扰我国南方地域夏日蔬菜供给难的题目,既防止了温室效应形成的情况污染,又能完成高效节能,并且获得了庞大的经济效益,已成为处置“三农题目”的支柱财产之一(李天来,2005,2013;钟钢,2013)。
  
  日光温室里最首要的能量来历是来自太阳的辐射。在白天,太阳光照耀进日光温室后,光能转换成热能,太阳能以热量的体例存储在温室的泥土和墙体中;夜间,当温室内气温下降时,存储在温室墙体和泥土中的热量开释到温室内,对温室供给热量(张义,2012)。可是,传统日光温室首要是以土墙、砖墙等墙体和空中泥土为首要的蓄热体,在夏日好天气候前提下砖墙、泥土积蓄和开释的热量是无限的,并且不能够或许或许或许或许延续不变地停止放热,会影响作物的一般成长发育。在夏日夜间的前中午,土墙、砖墙等墙体及空中泥土开释热量较快,而因为其蓄热量无限,致使在夏日夜间后中午其开释的热量缺乏,从而致使夏日夜间清晨以后的时段常常呈现高温景象,温室内气温低轻易致使作物产生冻害。并且在夏日延续阴天的极度天气前提下,太阳的辐射量太低,致使夜间温室内温度不能够或许或许或许或许知足作物的一般成长的前提,能够或许会使种植作物的成长遭到按捺乃至会致使作物灭亡(郭建业,2016)。并且传统日光温室还存在其余诸多题目,比方:粉碎耕层布局、制作与保护本钱高、不便利拆装等等题目(李星,2018)。
  
  出格是在我国南方严寒地域,在初春季候和夏日温室的外界情况天气严寒,室外气温较低且日夜温差较着,在倒霉用任何加热体例的前提下,会致使温室内夜间的气温较低,并且很难知足温室内作物一般成长发育的须要(陈杰,2005)。而温室内传统的加热体例都须要操纵大批不可再生的化石燃料等资料,在夏日延续供暖的进程傍边,会开释出大批的无害气体,从而会致使比拟严峻的情况污染,与此同时,也倒霉于作物的一般成长发育(盛国成,2007)。为了处置以上题目,相干专家学者操纵水作为蓄热系统的储热介质对太阳能停止搜集。操纵太阳能是天然界中一种具备高代价的洁净能源,对太阳能的有用操纵,岂但能够或许或许或许进步温室内墙体温度和地温,并且有用地处置了温室传统的加热体例所存在的题目,能够或许或许或许对温室作物完成高产、优良的成果(李洵,1997;张海莲,1997)。今朝操纵于日光温室的太阳能集热拆卸首要包含氛围—地中热互换系统、光伏太阳能手艺、相变资料、太阳能水蓄热拆卸等等。此中,墙体、氛围和泥土的导热机能和传热才能远不如水,其导热才能和蓄热才能要弘远于墙体、氛围和泥土,水更合适作为传热和蓄热介质。相变资料品种单一,并且在操纵相变资料进程中,请求其具备较高的密闭性。光伏太阳能因为其造价高贵,难以停止本色性地推行,没法疾速投入出产。而水是大天然中比热容最大的物资,能够或许或许或许接收和存储更多的热量(佟雪娇,2016)。
  
  是以,以太阳辐射为热源、以水为介质的蓄放热系统的研讨对进步日光温室夏日夜间温度的感化是有着较着成果的,对日光温室蓄热手艺的成长有着极为首要的意思。
  
  1.2、日光温室首要蓄热手艺的研讨停顿。
  
  今朝操纵在日光温室的蓄热手艺首要分为氛围轮回蓄热、热泵蓄热、相变资料等。对氛围轮回蓄热手艺的研讨较早,初期的研讨都操纵在日光温室的泥土上,此刻按照其情势和地位可分为2种情势,别离为公开氛围轮回蓄热和墙体氛围轮回蓄热。在公开氛围轮回蓄热上,早在上个世纪八十年月国际就已有研讨,马承伟等(1984;1985)经由进程对塑料大棚的地?气热互换系统的研讨,发明其系统贮存太阳能成果光鲜较着,并且能够或许或许或许在夜间保持塑料大棚的气温。成果标明,在夜间塑料大棚不自动加温的前提下,能使塑料大棚内的气温比外界高差10℃摆布。袁巧霞等(1995;1997)设想了一种半主动式塑料大棚公开热互换系统,经由进程对所设想的塑料大棚的研讨,标明棚内的公开热互换系统能够或许或许或许保持塑料大棚在夜间温室表里的气温差值到达8~9℃,同时能够或许或许或许进步棚内空中温度高达10℃摆布。孙周同等(2013)设想了一种彩钢板保温采光拆卸式节能日光温室,并把氛围—地中热互换系统装置在其温室内公开0.5m的地位。并在夏日对其停止蓄放热机能实验,实验成果标明,氛围—地中热互换系统的蓄热成果较着,并且测试了再与温室水轮回蓄放热系统连系操纵的成果,成果标明两种系统供给的热量能够或许或许或许确保实验温室内番茄成长的热情况,知足在夏日温室内番茄一般成长的须要。Ntinas等(2014)测试了温室内太阳能氛围集热系统,并明白了对温室中的种植作物根部加温的成果,测试成果表现太阳能氛围集热系统在对温室供暖时能够或许或许或许节能23%。Benli等(2009)为了改良储热手艺的操纵,将地源热泵和相变资料储热手艺相连系,用于温室供暖,可为温室供给逐日热量须要的18%至23%。氛围轮回蓄热系统须要在温室后墙额定装备透风管道、风机等专业装备,并且在运转进程中须要耗损大批的电能,轻易形成施工不便利且投入大,节能成果不佳。
  
  热泵蓄热的体例是按照其操纵热源的差别而别离的,首要分为氛围源热泵、泥土源热泵和水源热泵3类(Chua et al. 2010;Kelly and Cockroft .2011)。外洋学者将热泵蓄热手艺操纵到温室中较早,Bot等(2005)按照荷兰本地的情况,经由进程操纵热泵贮存夏日热能,在夏日用于对温室供暖,估计节能率无望跨越60%。Attar等(2014)操纵氛围源热泵手艺,对温室停止夏日加温和夏日降温的实验,成果标明不管是夏日加温仍是夏日降温,其都具备杰出的节能成果。S.Awani等(2015)研讨了水源热泵和氛围热泵连系的系统在温室中的操纵成果,该系统由平板集热器、热泵系统和立式热互换器构成,成立了数学模子对供热系统停止阐发,阐发获得了影响该系统加温成果的身分,影响其成果的首要身分首要有获得太阳能和地热能源效力低和温室系统的负载过大。另有学者将热泵手艺于其余手艺相连系,Anifantis等(2017)操纵地源热泵手艺与光伏制氢手艺相连系的系统,对温室停止供暖。白天,操纵光伏板的电解感化出产氢气,并在压力罐中贮存氢气;到了夜间,经由进程燃料电池把氢气转化为电能,以此来为地源热泵系统供给能源,从而到达为温室供暖的成果。Ozgener等(2005)肯定了泥土源热泵向温室泥土供热的机能系数(coefficient of performance,COP)在2.13(阴天)到2.84(好天)。Yang等(2013)研讨发明氛围源热泵在夏季用于温室大棚,在炎天用于下降温室温度,二者均具备杰出的节能成果。Chai等(2012)在中国南方的日光温室中操纵了水源热泵手艺,并在夏日对其停止了实验测试,实验成果显现连栋玻璃温室和日光温室中的热泵COP别离是3.91和3.83,采暖本钱的用度别离比燃气采暖系统低了8.9%,但比燃煤采暖系统的用度高了16.5%。是以,中国的日光温室在经济和情况方面的表现要比连栋玻璃温室更好。经由进程热泵蓄热手艺对温室停止加温成果好,若连系其余蓄热体例,会有更好的成果。但该系统布局庞杂,施工工艺庞杂,初始投资较高,本钱大。
  
  综上所述,本钱小,节能效力高和施工工艺简略的蓄放热系统成为此刻首要的研讨方针,那末水作为天然界中比热容最大的物资被研讨者们所提出。水易于活动,蓄放热机能极好,其能够或许或许或许对温室内供暖有杰出的成果,对水轮回蓄放热系统的研讨及其具备意思。
  

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  1.3 、日光温室水轮回蓄热手艺的研讨停顿
  1.3.1、差别集热器水轮回蓄放热系统的研讨停顿.
  1.3.2、太阳能集热器水轮回蓄放热系统的研讨停顿.
  1.4 、研讨的目标与意
  1.4.1 、研讨目标
  1.4.2、研讨意思
  1.5、研讨内容.
  
  2、资料与方式.
  
  2.1、实验情况.
  2.1.1、实验温室
  2.1.2、苯板箱体,
  2.2、蓄放热系统布局及任务道理
  2.2.1、差别蓄放热系统布局构成.
  2.2.2、差别蓄放热系统任务道理概述
  2.3、实验方式与实验仪器
  2.3.1、实验计划的设想
  2.3.2、温室表里情况的测定
  2.3.3、苯板箱体内情况的测定
  2.4、数据处置.
  2.4.1、水蓄放热系统蓄放热效力的计较.
  2.4.2、墙体蓄放热系统集放热效力的计较.
  
  3、三种水蓄放热系统与传统砖墙蓄放热系统蓄放热机能对照阐发.
  
  3.1、 太阳能集热板水轮回蓄放热系统与传统砖墙蓄放热系统蓄放热机能对照阐发
  3.1.1、典范好天前提下成果对照阐发.
  3.1.2、典范阴天前提下成果对照阐发.
  3.2、太阳能水管水轮回蓄放热系统与墙体蓄放热系统蓄放热机能对照阐发.
  3.2.1、典范好天前提下成果对照阐发.
  3.2.2、典范阴天前提下成果对照阐发.
  3.3、太阳能水箱蓄放热系统与墙体蓄放热系统蓄放热机能对照阐发.
  3.3.1、典范好天前提下成果对照阐发.
  3.3.2、典范阴天前提下成果对照阐发
  3.4、小结.
  
  4、三种太阳能水蓄放热系统成果对照阐发.
  
  4.1、太阳能集热板与太阳能水管水轮回蓄放热系统蓄放热机能对照阐发.
  4.2、太阳能集热板水轮回与太阳能水箱蓄放热系统蓄放热机能对照阐发.
  4.3、太阳能水管水轮回与太阳能水箱蓄放热系统蓄放热机能对照阐发.
  4.4、太阳能集热板水轮回蓄放热系统的设.

  5、  结 论

  本文研讨了在典范好天和典范阴天前提下对照了四种蓄放热系统的蓄放热机能,在白天,水和墙体两种蓄热体能够或许或许或许接收温室内的太阳辐射能,夜间将其开释于苯板箱体内,保持苯板箱体内的气温。研讨成果标明,不管是在好天前提仍是在阴天前提下,水蓄放热系统的蓄放热才能都要优于传统砖墙,能够或许或许或许或许使苯板箱体外部热情况保持在一个较高的程度。经由进程对典范好天和典范阴天前提下四种蓄放热系统的蓄放热机能停止对照阐发,能够或许或许或许得出以下论断:

  (1)水蓄放热系统的集放热才能是优于传统砖墙的集放热才能。并且太阳能集热板不管是在典范阴天仍是典范好天前提下,集放热机能均是最好的。

  (2)在集热机能方面,好天前提下,三种水蓄热系统(太阳能集热板、水管、水箱)的蓄热量别离比传统砖墙高3.70MJ、1.51MJ、0.92MJ;阴天前提下,别离比传统砖墙高2.76MJ、2.17MJ、1.08MJ。

  (3)在放热机能方面,好天前提下,三种水蓄热系统(太阳能集热板、水管、水箱)的放热量别离比传统砖墙高3.10MJ、1.67MJ、0.83MJ;阴天前提下,别离比传统砖墙高2.15MJ、1.98MJ、0.13MJ。

  (4)在好天前提下,太阳能集热板蓄热量别离比太阳能水管水轮回蓄放热系统和太阳能水箱蓄放热系统高2.19MJ、2.78MJ;放热量多1.43MJ、2.27MJ。在阴天前提下,蓄热量别离多0.59MJ、1.68MJ;放热量别离多0.17MJ、2.02MJ。

  (5)太阳能集热板在好天前提下,集热机能可到达1.19MJ·m-2h-1,放热机能0.6MJ·m-2h-1,在阴天前提下,集热机能0.55MJ·m-2h-1,放热机能0.26MJ·m-2h-1。并设想了一套水轮回蓄放热系统,以此但愿为水蓄放热系统的设想和仿真建模供给实际按照。

  参考文献

作者单元:沈阳农业大学
原文来由:李永玺. 节能日光温室水蓄放热系统机能对照研讨[D].沈阳农业大学,2020.
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