TRIZ理論在優化日光溫室環境研究方面的應用

文/寧夏科技發展戰略和信息研究所 白青

TRIZ理論在優化日光溫室環境研究方面的應用

文/寧夏科技發展戰略和信息研究所 白青

引言

日光溫室因其卓越的保溫節能性在中國北方表現出強大的生命力，在社會經濟中發揮著重要作用。為提高溫室墻體蓄熱能力，國內學者已從不同角度進行了大量而系統的研究[1-10]，有關學者也提出了幾種解決方案，但都停留在試驗示范階段，因成本等問題難以大面積推廣使用，因此方案并不理想。如何通過理想的方案解決增加土質墻體蓄熱能力和延遲墻體放熱對提高溫室保溫性具有重要意義。

利用TRIZ理論解決日光溫室墻體的保溫能力是一個新命題，作者未查到利用TRIZ理論解決日光溫室環境問題的報道。本文在通過對比前人方案的基礎上，利用TRIZ理論提出了一項解決增加土質墻體蓄熱能力和延遲墻體放熱的有效方案，不僅為解決日光溫室保溫性問題提出了一個可行方案，更重要的是探索了TRIZ理論在溫室環境研究方面的應用。

1 初始問題描述

1.1 工作原理

日光溫室是我國獨有的一種三面環墻的溫室類型，它主要由墻體、骨架、透明薄膜、保溫被組成。墻體是日光溫室的主要蓄熱載體，它白天吸熱，夜間放熱，從而保證寒冷季節夜間室內能維持一定的氣溫。白天有陽光的時候溫室墻體吸熱、蓄熱，夜間開始放熱，維持夜間溫室氣溫。

1.2 主要問題

墻體白天有陽光的時候吸熱、蓄熱，在晚上開始放熱，但放熱時間集中在前半夜（即蓋上保溫被的1～3小時內），而這時溫室氣溫較高，不需太多熱量，而后半夜大量需要熱量時，墻體放熱量達到最弱。因此希望借助裝置設計達到增強墻體蓄熱量、延緩放熱速度的目的。這對縮小溫室晝夜溫差、提高作物產量和品質都具有不可估量的作用。

1.3 限制條件：

為使裝置可行，并能得到可行方案，對設備（方案）提出理想化的限制條件，以便得到理想的結果。

（1）裝置易于安裝，不改變溫室原有結構。

（2）不占用種植面積，不影響種植操作。

（3）成本低廉，原料易于獲取、無污染。

（4）裝置易于拆除，反復多次利用。

2 其他學者的解決方案

通過其他學者的解決方案的分析，以此為對照，對比利用TRIZ理論得出方案的可行性和使用性。

2.1 熱阻簾法[11]

熱阻簾法是利用熱阻簾以延遲墻體熱量釋放的時間、從而提高凌晨低溫時段室內空氣溫度的方法，如圖2所示。

2.2 水幕簾法[12]

水幕簾蓄放熱系統主要由水幕簾、蓄熱水池、水泵及管道等組成。蓄熱水池由聚酯硬質板焊接而成，水池四周外表面設置聚苯乙烯泡沫板保溫層（厚度10 cm），水箱體積4m3。水幕簾蓄放熱系統以墻體結構為依托，白天利用水流循環吸收到達墻體表面的太陽輻射熱量，同時將熱量儲存在帶有保溫層的水池中；夜晚當溫室內氣溫降低到一定程度時，開啟循環水泵，通過水幕簾將水池中的熱量釋放到溫室中。系統示意圖如圖3所示。

2.3“蜂窩式”墻體

“蜂窩式”墻體是通過“蜂窩”增加墻體表面積，增大墻體白天吸熱面積，吸收更多熱量，補充夜間熱量差。如圖4所示。此法效果并不顯著，增溫效果不明顯。

熱阻簾法和水幕簾法的解決方法能達到預期目標，缺點是成本較大、操作繁瑣、農戶不易接受，難推廣。同時也不能滿足1.3中的限制條件。在這種條件下用TRIZ解題流程來解答，尋找最佳方案。

左：圖1 日光溫室結構示意圖

右：圖2 熱阻簾示意圖

左：圖3 水幕簾法示意圖

右：圖4 “蜂窩式”墻體示意圖

圖5 日光溫室后墻體蓄熱能力提高、放熱時間延后的裝置系統的九屏圖A

圖6 日光溫室后墻體蓄熱能力提高放熱時間延后的裝置的生命曲線圖

3 TRIZ解題流程

3.1 系統分析

3.1.1 九屏圖分析

利用九屏圖分析問題，結果如圖5所示。

由圖5可知，墻體材料的特性是導致蓄熱能力和控熱能力低的主因，最終導致熱量供應不平衡。

3.1.2 生命曲線

日光溫室后墻體蓄熱能力提高、放熱時間延后的裝置處于研究示范階段，并未大面積推廣應用，還達不到成熟期，只處于成長期。如圖6所示。

3.1.3 系統完備性法則等技術系統進化法則

系統名稱：日光溫室后墻體蓄熱能力提高、放熱時間延緩的裝置

系統定義：有效提高墻體蓄熱能力、延緩放熱時間

系統功能：提高墻體蓄熱能力，延緩墻體放熱時間

作用對象（產品）：熱、溫度

執行裝置：日光溫室后墻體蓄熱能力提高、放熱時間延緩的裝置

傳動裝置：光熱轉化過程

動力裝置：熱傳導系統

控制裝置：蓄熱、控熱裝置

外部控制：人

3.2 資源分析

3.2.1 可利用物質資源：

（1）現成資源：溫室各個組成部分、室內氣象因子

（2）派生資源：光、空氣、水

圖7 日光溫室后墻體蓄熱能力提高、放熱時間延后裝置的系統組成

表1 系統的IFR

3.2.2 可利用能量資源：

（1）現成資源：光

（2）派生資源：空氣中的熱

3.2.3 可利用信息資源：

（1）現成資源：墻體結構參數、材料比熱、密度等

（2）派生資源：溫室結構參數

3.2.4 可利用空間資源：

（1）現成資源：墻體周邊空間

（2）派生資源：溫室內部空間

3.2.5 可利用時間資源：

（1）現成資源：晝夜時間、陽光照射時間、放熱時間

（2）派生資源：蓋被、起被時間

3.2.6 可利用功能資源：

（1）現成資源：導熱功能、蓄熱功能

（2）派生資源：熱傳導

3.2.7 可利用系統資源：

（1）現成資源：室內氣象因子系統

（2）派生資源：外界氣象因子系統

3.3 理想解及TRIZ工具

3.3.1 理想解

系統IFR定義見表1。

主要原因是：墻體材料比熱低。據此，推測可利用的資源應為：陽光、空氣溫度、熱量、水等。

3.3.2 運用TRIZ工具

（1）運用技術矛盾解決方法提出原理解

原問題技術矛盾：

改善：提高溫度、延緩放熱

惡化：增加成本、操作時間

（2）問題模型

對應的39個通用工程參數

改善的參數：17溫度

惡化的參數：14物質的量、20能量耗能、36裝置復雜性、37控制復雜性

（3）解決方案模型

對應查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考創新原理為15個，經篩選，保留5個創新原理（表2）：

原理40、17、1、32分別可獨立形成4個方案，但是5個創新原理可以優勢互補，形成1個完美方案。利用技術矛盾和物場模型也可得出5個創新原理中的1～2個原理，在此不作贅述。

4.最終方案

最終方案如圖8所示，利用廢舊塑料瓶（22變害為利）裝滿水，在墻體表面形成一面水墻，組成復合墻體（40復合材料法）。由于塑料瓶是凸起狀的，無疑增大了復合墻體的表面積（17多維法），增加與空氣的接觸面，同時將水染色（32色彩法）使墻體吸收更多的陽光（熱量）。更重要的是塑料瓶可隨意拆除組裝，反復利用（1分離法）。

這個方案對優化日光溫室環境具有重要意義，能顯著提高夜間溫室內氣溫，

但具體溫度需進一步測試研究。

表2 保留的5個創新原理及對本項目的啟示

圖8 最終方案示意圖

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責編/王蒙