一種利用太陽能提升溫室灌溉用井水溫度裝置的設計與試驗

史 勇， 肉孜·阿木提

(新疆農業大學機電工程學院/新疆農業工程裝備創新設計重點實驗室，新疆烏魯木齊 830052)

新疆烏魯木齊地區的冬季和初春時節氣溫較低，最低可達-20 ℃[1]，導致溫室大棚內灌溉用井水溫度也較低，低于溫室內直接灌溉用水溫度14～16 ℃的要求。灌溉用水溫度過低會導致作物產生寒害，影響作物的正常生長，從而造成作物減產，影響農民增收。

太陽能是一種清潔的可再生能源[2]，采用太陽能作為能源用于溫室大棚的增溫系統，沒有安全隱患，不污染環境[3]。目前，國內外眾多學者也從事溫室太陽能增溫技術的研究。山本雄二郎最早將太陽能技術用于溫室地溫的提升，取得較好效果[4]。Bargach等研究，利用太陽能熱水器獲得熱水，并將其傳遞到溫室的地下軟管，用以提升溫室的地溫[5]。張海蓮等利用太陽能加熱水結合填埋鋼管的方式進行溫室地溫提升研究[6]。熊培桂等在青藏高原的溫室大棚中研究太陽能儲熱系統[7]。劉圣勇等利用太陽能熱水器和土壤埋管的方式設計并研制了溫室加熱系統[8]。戴巧利等利用太陽能空氣集熱器和土壤蓄熱的方式進行了溫室大棚的增溫試驗[9]。Wang等設計的主動式太陽能溫室蓄熱系統具有夏天儲熱冬天用，白天儲熱夜間用的效果[10]。新疆農業大學馮前前等研制的太陽能溫室地溫提升裝置利用蛇形太陽能空氣集熱器結合土壤蓄熱的方式，在烏魯木齊南郊水西溝村進行了試驗，該裝置可使溫室土壤10～20 cm深度的溫度平均升高1.5～3.0 ℃[11]。上述研究證明，利用太陽能作為能源用來提高溫室溫度具有應用廣泛、增溫效果顯著等優點，并且節約能源，保證作物的正常生長。

目前，現有溫室用太陽能增溫系統主要應用于溫室地溫的提升，而針對溫室灌溉用井水增溫的裝置和系統研究較少。因此，為了適應市場的需求，設計一種溫室大棚專用的太陽能井水增溫裝置，對現有的平板式太陽能集熱器進行改進設計，研制便于移動的太陽能集熱器底架裝置，試驗證明，該裝置可以有效提高灌溉水溫，保障溫室作物平穩過冬和正常生長，適合在新疆溫室建設區域應用和推廣。

1 專用太陽能集熱器及底架裝置的結構設計

1.1 專用太陽能集熱器的設計

太陽能集熱器是太陽能加熱溫室灌溉用井水裝置的關鍵部件，約占總成本的75%，研制一種低成本的專用集熱器，對降低整套設備的總成本具有重要意義[12]。為了滿足新疆烏魯木齊地區溫室灌溉用水溫度的需要，設計一種專用的太陽能集熱器用于試驗。與傳統集熱器不同，該裝置將銅管管路(5)置于吸熱板(7)上方以提高吸熱效果，利用銅片(6)將管路中間連接，用來增大吸熱面積，并且可以快速將熱量傳遞給銅管管路，提升集熱器的工作效率。

集熱器的集熱面積設計為1.2 m×2.4 m，邊框采用導熱率較低的木框(4)制作，可減少裝置的重量并降低熱量散失。集熱器內部管路選用直徑為19 mm的銅管，安裝時沿蛇形分布，以增大集熱面積，延長井水流經時間，達到更好的吸熱和提溫效果。為提高裝置的熱利用率，防止熱量散失，選用耐高溫的巖棉材料對集熱器的內部進行隔熱填充，填實至巖棉質地相對密實。該方法可克服僅僅使用苯板的缺陷，并使集熱器背面傳熱系數由0.8 W/(m2·℃)下降為0.57 W/(m2·℃)，明顯減小了集熱器的熱量散失，提高了集熱器的熱效率(圖1)。

1.2 太陽能集熱器的底架裝置結構和設計

烏魯木齊位于87°36″E，43°46″N[13]，需根據當地太陽能集熱器的安裝傾角，選擇合適的位置正確安裝太陽能集熱器[14-15]。經計算冬季太陽直射角約為15°，為了最大限度利用太陽能，設計決定將集熱器的工作仰角初步定為75°，并使集熱器的方位能夠隨著太陽方位的改變而進行調整，同時便于移動。因此，設計一種專用的底架裝置(圖2)，該裝置使用40 mm×40 mm×2.5 mm的矩形方鋼焊合而成，斜桿與下部方框采用螺栓連接，底架與集熱器采用螺釘連接，便于拆卸。集熱器固定在斜桿上，與下方框架的夾角為75°，并在底架下方安裝4個萬向輪，不僅可方便裝置的移動，同時利于集熱器方位的調節。

1.3 溫室灌溉用井水太陽能增溫裝置的設計

設計的新疆溫室大棚用太陽能井水增溫裝置，由太陽能集熱器和集熱器底架裝置2個部分構成。研制2種集熱方案，1種為單個集熱器集熱方案， 另1種將2個集熱器串聯起來使用。當2個集熱器串聯使用安裝時，將上、下集熱器都安放在底架上，并在下集熱器的進水口、2個集熱器的連接處、上集熱器的出水口設置測溫點(圖3)。裝置工作時，井水通過水泵由下集熱器的左下角流入，并最終由上集熱器的右上角流出。這種安裝方法有利于排除管路中的空氣，以達到管內完全充水的狀態。集熱器底架可隨著太陽方位角的變化而進行人工調節，以保證陽光垂直照射在集熱器上，達到最大限度利用太陽輻射能的目的。

1.4 試驗方案的確定

試驗采用2個集熱器串聯方式的裝置，上下集熱器間距設為55 mm，中間測溫點測量下集熱器出水口的水溫，上集熱器的出水口測溫點可測量2個集熱器同時使用時增溫效果。試驗地點選定在烏魯木齊市水西溝德力森蔬菜園，將太陽能井水增溫裝置放置在溫室內部，集熱器的吸熱面朝南，并實時根據太陽方位的變化調整其角度。采用試驗設備主要包括TR-52溫度記錄儀；LXSR-25型水表，最小流量 0.14 m3/h；量程為60 kg、精度為1 g的電子稱。

試驗時間分別選擇烏魯木齊的冬季及初春季節。冬季試驗選擇在12：20—15：10，此時烏魯木齊氣溫較高，適合溫室大棚灌溉。初春試驗選擇在12：00—16：00。試驗時設定3種不同進水量：L1為172.4 kg/h，L2為347.4 kg/h，L3為553.3 kg/h。根據試驗結果確定裝置的最佳進水量，然后以最佳進水量對裝置進行不同季節的試驗。溫度記錄儀實時記錄水溫變化，試驗人員每隔3 min分別記錄進口測溫點、中間測溫點、出口測溫點的水溫。太陽能井水增溫裝置試驗實景見圖4。

2 結果與分析

分別在烏魯木齊的初春和冬季時節對裝置進行連續試驗測試， 選擇晴天的中午進行太陽能加熱試驗。由于試驗過程是動態測量，不同太陽輻射和環境溫度會對試驗的結果產生影響，但總的趨勢是不變的。以下是針對不同時間、不同流量、不同集熱板個數得到的試驗結果。

2.1 不同流量水溫變化測試

測量時間選擇在初春3月20日，測量12：00—15：30時間段水溫，采用3種不同流量進行測試。隨著環境溫度的提高，分別在12：00—13：00設定流量為172.4 kg/h，13：00—14：00設定流量為347.4 kg/h，14：00—15：30設定的流量為553.3 kg/h。從圖5可以看出，采用第1種流量時，中間出水口溫度比進水口溫度高約5 ℃，出水口溫度比進水口溫度高約10 ℃(圖5-A)。采用第2種流量時，中間出水口溫度比進水口溫度高約2.5 ℃，出水口溫度比進水口溫度高約5 ℃(圖5-B)。采用第3種流量時，增溫效果不太明顯(圖5-C)。因此，流量大小對裝置性能有一定的影響。

2.2 裝置最佳工作流量的確定

為使太陽能井水增溫裝置發揮其最佳性能，需對最佳工作流量進行確定。根據熱能公式Q=cmΔT，式中：Q為熱能(J)；c為水的比熱容[J/(kg·℃)]；m為水的質量(kg)；ΔT為溫度差(℃)。為簡化計算，認為水的比熱容不變，因此集熱器輸出的熱能與水的質量和溫度差的乘積成正比。冬季中午烏魯木齊大棚內灌溉用井水的溫度通常在8 ℃左右，井水溫差范圍為4～8 ℃。根據試驗記錄數據，將裝置的進水流量換算成每 3 min 通過裝置的流量，流量范圍確定為6.32～15.15 kg/3 min。在上述條件下，目標函數定義為裝置輸出的熱能，即：

(1)

利用復合形法計算得到進入裝置的流量為8.62 kg/3 min 時集熱器輸出的熱量值最多[16]，因此裝置的最佳工作流量為172.4 kg/h。

2.3 單一流量水溫變化測試

測量時間選擇在初春3月30日，測量13：00—17：00時間段水溫，流量固定為172.4 kg/h。從圖6可以看出，此時大棚室溫在15～20 ℃，進水口溫度與室溫較為接近，中間出水口溫度在13：30左右達到最高，約為22.5 ℃，其他時間基本保持在20 ℃附近。出水口溫度最高達到26 ℃，其他時間保持在24 ℃左右。分析可得出，在初春時節，當灌溉用水流量保持最佳值不變時，太陽能井水增溫裝置可以起到明顯增溫效果，單個集熱器使用時，可提升水溫約為4 ℃，2個集熱器串聯使用時，可提升水溫約為8 ℃，工作較為穩定，效果良好。

2.4 冬季單一流量水溫變化測試

試驗時間選擇在冬季11月20日，測量12：20—15：00時間段的水溫，從圖7可以看出，大棚室溫在12：20時約為 22 ℃。這是由于冬季溫室大棚內部裝有加熱裝置，因此較為溫暖。而寒冷天氣導致地下井水溫度較低，此時井水溫度為8 ℃，該溫度不利于溫室灌溉。使用太陽能井水增溫裝置，同時保持進水量為172.4 kg/h，得出在12：20時，裝置中間出水口溫度比進水口溫度高約7 ℃，裝置的出水口溫度為17 ℃，比進水口水溫高約9 ℃。隨著時間的變化，出水口水溫的變化與環境溫度的變化大致相同。即使在14：20時氣溫發生了下降，裝置出水口溫度也比進水口溫度高4 ℃。表明所研制的太陽能井水增溫裝置在冬季使用時工作仍然較為穩定，對灌溉用水的增溫效果明顯。

3 結論與討論

在初春晴天條件下，對裝置輸入不同流量灌溉用水時，隨著流量的增加，裝置的增溫效果減弱，當流量為553.3 kg/h時，2個集熱器串聯使用的增溫效果僅有3 ℃。通過計算確定熱水器最佳工作流量為172.4 kg/h。

在初春晴天的中午，當進水口流量為確定的最佳值時，裝置工作較穩定，且增溫效果明顯。單個集熱器使用時，可提升水溫約為4 ℃，采用2個集熱器串聯使用時，可提升水溫約為8 ℃。

在冬季晴天的條件下，利用溫室灌溉用井水太陽能增溫裝置，也可使大棚內灌溉用井水溫度提升，且出水口溫度的變化與環境溫度變化趨勢一致。單個集熱器使用時，可提升水溫約為4 ℃，采用2個集熱器串聯使用時，可提升水溫約為 8 ℃。試驗結果表明，該系統對提升水溫具有一定的穩定性，即使氣溫發生變化，也能夠實現穩定的輸出。

利用太陽能提升溫室灌溉用井水增溫設備使用后，可以有效改善灌溉水的溫度，解決溫室大棚冬季和初春因灌溉水水溫過低影響植物正常生長的問題。由于新疆缺少針對溫室灌溉用井水增溫的專用設備，該裝置市場前景較好，適合在新疆溫室建設區域推廣。