太陽能輔助加溫系統對日光溫室內溫度的影響

劉文合　蓋世臣

摘要：生態日光溫室是1種集太陽能輔助加溫、燃池輔助加溫、雨水回收利用、沼氣綜合利用等多位一體的新型現代化溫室。研究的生態日光溫室以合理的日光溫室結構為主體，利用太陽能集熱器加熱水，并在地下散熱水管中循環散熱直接對溫室內土壤進行加熱，以達到降低耗能量、提高溫室內溫度的目的。根據日光溫室的結構和傳熱特點，利用穩態傳熱理論和室內熱量收支平衡原理，對溫室的熱量平衡進行建模計算，通過計算機編程解算平衡方程，分析太陽能輔助加溫系統對日光溫室內溫度的影響；經連續試驗，應用面積為20m2集熱器可提高室內溫度1.68 ℃。試驗結果表明，太陽能輔助加溫系統具有明顯增加室溫的效果。

關鍵詞：生態日光溫室；熱平衡；數值模擬；室內溫度

中圖分類號： S625.4 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）03-0338-03

隨著世界常規能源減少，碳排放量減排要求增加，生態日光溫室的優勢日益凸顯[1]。目前國內主要通過優化結構改進和提高其保溫性、采光性[2]以及在土壤中添加有機釀熱物、地下熱交換[3]、電加熱[4]、太陽能加熱等方式提高日光溫室地溫以及室內溫度。國外也有利用太陽能增加溫室地溫的研究，但他們研究的對象皆是大型溫室，與我國日光溫室性能差異很大[5-6]。本研究的生態日光溫室以水作為載熱和蓄熱介質，白天利用太陽能集熱器加熱水，熱水經管道儲存到保溫水箱內，夜間經由管道將保溫水箱內的熱水循環至地下400 mm處管道，直接對溫室內土壤進行加熱，以提高溫室內溫度。

1 生態日光溫室工程熱力學計算數學模型的建立

1.1 熱平衡方程的建立

溫室是1個半封閉的熱力系統，它隨時受到室內外諸多擾量的影響。其中室外擾量有室外空氣溫度、濕度、太陽輻射強度、風速、風向等；室內擾量包括采暖系統、照明及其他設備的散熱，作物及土壤散熱、散濕等。在這些擾量作用下，溫室內的空氣始終保持著動態熱平衡[7]。日光溫室日熱平衡應為非穩態，本研究關注的是月熱平衡，熱能流動隨時間變化很小，因此可以采用穩態。日光溫室白天利用太陽能采暖，夜間通過各種圍護結構散熱。根據能量守恒定律，日光溫室的熱平衡為得熱量等于失熱量，其中作物在生產進程中產生的熱量、設備發熱量忽略不計[8]。相關方程為：

2 試驗方案

2.1 編程建模

通過制作腳本將熱平衡方程及相關公式編入程序內，只須輸入溫室的幾何參數即可讓計算機自動執行一系列計算。軟件流程、操作界面分別如圖1、圖2所示。

2.2 模型驗證

為驗證平衡方程的正確性及所編軟件的可靠性，利用沈陽農業大學工廠化中心的遼沈Ⅰ型9#溫室的實測數據進行驗證。該溫室東西各長50 m，方位為南偏西5°，剖面幾何參數如圖3所示。沈陽地區太陽輻射日平均輻射量 10 500 kJ/d[9]，測試期間前坡膜已使用2年，測試的透光率日均值約為50%[10]，換氣頻率為0.8次/h[11]，室外空氣的密度隨室外溫度而變，可以查熱力學表得到[12]，太陽能集熱系統熱效率根據經驗取50%[1]。

墻體做法（由內至外）：240 mm黏土磚+90 mm聚苯板+120 mm黏土磚。

后坡做法：20 mm厚木板+體積比1 ∶5白灰爐渣找坡（平均厚度80 mm）+25 mm厚度體積比1 ∶3水泥砂漿抹面+苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）防水材料。

前屋面覆蓋物采用保溫被。

2.3 溫室室內外溫度采集

2013年12月至2014年1月，對本程序進行了連續的試驗，采用儀器HN-CHTR采集。Chino HN- CH 具有數據存儲功能，Chino HN-CH 與計算機之間通過 RS-232C+RS-485 進行數據傳輸。全天24h不間斷采集，采集到的數據為每隔1 h 1次的室內外氣溫，通過整理數據得出全天的平均氣溫。由于試驗是在完全動態的情況下進行的，在不同的室外溫度環境和太陽輻射情況下，每天測量的數據也不同，但是總體趨勢是不變的。為了驗證不同天氣條件下平衡方程的準確性及太陽能輔助加溫系統的加溫效果，本研究在2013年12月關閉太陽能輔助加溫系統，2014年1月開啟太陽能輔助加溫系統，將測量的數據作為代表，驗證平衡方程，并就太陽能輔助加溫系統對溫室內溫度的影響進行討論。

3 結果與分析

3.1 平衡方程的準確性

由圖4、圖5可看出，2013年12月，實測室外平均溫度為-8.03 ℃，模擬室內平均溫度為18.21 ℃，實測的室內平均溫度為16.92 ℃，每天平均氣溫的最大誤差為2.69 ℃，整月平均溫度誤差為1.3 ℃。2014年1月，實測室外平均溫度為-9.02 ℃，模擬室內平均溫度為18.67 ℃，實測的室內平均溫度為17.61 ℃，每天平均氣溫的最大誤差為1.39 ℃，整月平均溫度誤差為1.06 ℃。經過2組試驗的對比，可以看出模擬值與實測值基本吻合，所以本平衡方程的模擬結果是可信的，可以用來分析生態日光溫室內溫度的變化規律，程序可以推廣應用。

3.2 太陽能輔助加溫系統加溫效果

由圖4、圖5可看出，2013年12月，實測室外平均溫度為-8.03 ℃，太陽能集熱器面積為20 m2時，模擬室內平均溫度為19.55 ℃；太陽能集熱器面積為0 m2時，模擬室內平均溫度為18.21 ℃；太陽能集熱器面積為0m2時，實測的室內平均溫度為16.92 ℃。2014年1月，實測室外平均溫度為 -9.02 ℃，太陽能集熱器面積為20m2時，模擬室內平均溫度為18.67 ℃；太陽能集熱器面積為0 m2時，模擬室內平均溫度為17.23 ℃；太陽能集熱器面積為20m2時，實測的室內平均溫度為17.61 ℃。通過對比，2014年1月室外平均溫度比2013年12月室外平均溫度低0.99 ℃，但由于輔助加溫系統，室內平均溫度卻高0.69 ℃，可見20 m2的太陽能集熱器可提高室內溫度1.68 ℃。endprint

3.3 計算機軟件的推廣應用

2014年1月，模擬室內平均溫度比實測的室內平均溫度高近1 ℃，誤差在合理范圍內。因此，在設計建造溫室時，可以通過軟件計算出滿足溫室內溫度要求時太陽能集熱器的面積，即輸入溫室的幾何參數及給定的室內、外平均溫度便可計算出太陽能集熱器的面積。同時，當太陽能集熱器的面積與溫室室內、外平均溫度給定時，可計算出溫室的長度、跨度、脊高等幾何參數，為溫室設計建造提供理論幫助。

4 結論與討論

利用太陽能輔助加溫系統可使溫室平均氣溫提高1.68 ℃，表明了該系統增溫效果是可行的。

本模型的建立可以估算生態日光溫室室內平均溫度，輸入溫室及太陽能輔助加溫系統的各項參數及室外平均溫度即可得出室內平均溫度，該方法方便可行，避免了大量的方程計算，簡化了計算過程，使計算量大幅度降低。

太陽能輔助加溫系統的加熱效果與常規加熱系統相比具有節能、環保、生態的優勢，而通過本模型的模擬及實測驗證了太陽能輔助加溫系統的加熱效果，同時可準確計算出滿足溫室內溫度要求時太陽能集熱器的面積、溫室的幾何參數。這對溫室室內溫度預測、溫室的設計建造具有重要意義。

在設計建造溫室時，應抓住影響溫室環境的主要數據因素，通過溫室各項參數的調整，滿足溫室的空間、溫度。

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