主动采光蓄热型日光温室性能初探.pdf

主动采光蓄热型日光温室性能初探高 文 波 ， 张 勇 ， 邹志荣 ， 孙亚琛 西北农林科技大学 园艺学院 ， 陕 西 杨凌 712100摘 要 研究了一种新型主动采光蓄热型日光温室 ， 该日光温室应用了倾转屋面技术和主动蓄热风机系统技术 ，实现了人为调节日光温室采光面角度和提高后墙蓄热效率 ， 并对其温光性能进行了试验研究 。试验测定了位于陕西省子长县现代农业示范园内的试验温室 ， 并选取 2013 年冬季冬至日 、典型多云天和典型晴天的试验数据 ，分析研究了主动采光蓄热型日光温室与普通日光温室室内光照度和温度的差别 。在本试验条件下 ， 与普通日光温室相比 ， 冬至日主动采光蓄热型日光温室室内光照度平均提高了 15． 42 ， 平均温度提高了 2． 6℃ ; 典型多云天时主动采光蓄热型日光温室室内光照度平均提高了 11． 73 ， 平均温度提高了 2． 1℃ ; 典型晴天时主动采光蓄热型日光温室室内光照度平均提高了 21． 28 ， 平均温度提高了 5． 6℃。与普通日光温室相比 ， 主动采光蓄热型日光温室冬季室内的平均光照度和平均温度均有明显提高 。关键词 主动采光蓄热 ; 日光温室 ; 倾转屋面技术 ; 通风蓄热风机系统中图分类号 S625．1 文献标识码 A 文章编号 1003 －188X 2015 07 －0181 －060 引言如何优化温室结 构 ， 提高温室采光性能和保温性能 ， 是 日光温室研究中一直关注的问题［ 1 －2］。在日 光温室采光屋面研究 中 ， 研究人员对采光面的形状和采光角度进行了大量研究［ 3 －4］， 但提高采光性能效 果不明显 ， 并且均为固定结构 。日光温室后墙在日光温室的保温蓄热方面发挥着重要作用 ， 研究人员为了提高后墙的蓄热能力 ， 在后墙的材料和尺寸方面也进行了大量研究［ 5 －11］; 但大 部 分都属于对后墙的被动式蓄热的研究［ 12 －13］。杨其 长［ 14 －16］等人 开 发了一种利用水循环主动蓄放热加热系统 ， 能够有效提高日光温室对太阳辐射的利用效率 ; 但没有提高后墙自身的蓄热量和蓄热效率 ， 并且不符合我国北方大部分干旱 、半干旱地区缺水的实际情况 。许多研究得出结论 日光温室后墙的有效蓄热厚度仅为 0． 5m［ 7， 17］， 位于 日 光温室后墙内部的主要蓄热层事实上蓄热量和蓄热效率并不高 。为此 ， 设计了一种新型日光温室 ， 该日光温室应用倾转屋面技术和通风换热风机系统技术 ， 能够人为地控制调节日光温采光面角度 ， 并且 根 据温室内的温收 稿 日 期 2014 －07 －11基金项目 公益性行业 农业 科研专项 201203002作者简介 高文波 1986 － ， 男 ， 成都人 ， 硕士研究生 ， E － mail bob-bygao1986 163． com。通讯作 者 邹志荣 1956 － ， 男 ， 陕西延安人 ， 教授 ， 博士生导师 ， E －mail zouzhirong2005 163． com。度人工开启设备增加日光温室后墙蓄热 量 ， 此 种日光温室称为主动采光蓄热型日光温室 。通过研究 2013年冬季主动采光蓄热型日光温室室内光照度和温度特征 ， 并与普通日光温室进行对比分析 ， 研究了这种新型日光温室冬季的温光性能 。1 设计 原 理1．1 倾转屋面技术设计原理可变采光倾角日光温室在设计上包括屋面固定骨架和 屋 面活动骨架 。屋面固定骨架与屋面活动骨架通过连接机构相连 ， 连接机构包括电机支架和传动轴 ， 电机支架上装有减速电机 ， 减速电机连接有传动轴 ， 传动轴上连接有钢索 。在钢索传动的牵动下 ， 采光屋面可以跟随外界的光照条件而改变自身的倾角 ，从而达到提高采光率的目的［ 18］。倾转 屋面日光温室前屋脚部分采光面倾角 为53°， 机动屋面的倾角在 25° ～ 35°之间连续变化 ， 对应的太阳入射角也逐时发生着变化 在西安地区冬至日09 00， 温室前采光面的太阳入射角角度为 35° 。因此 ， 可以得出倾转屋面日光温室能够保证温室前采光面在冬季的各天内都达到最佳的采光入射角 ， 因而能获得最佳的采光效率［ 19］。1．2 通风换热风机系统设计原理安装有通风换热风机系统的日光温室后墙的内部构造包括多个实 砌 砖 墙 ， 每个实砌砖墙内填充有固化土蓄热层 ， 在实砌砖墙外侧有外墙保温板苯板 。日光·181·2015 年 7 月 农 机 化 研 究 第 7 期DOI10.13427/ki.njyi.2015.07.042温室后墙的外部结构包括后墙砌体 、主动 蓄热预制孔道楼板 、顶钢筋混凝土封板和后坡 。其中 ， 后坡位于顶钢筋混凝土封板上方 ， 向固定骨架方向延伸形成混凝土坡顶 ， 主动蓄热预制孔道楼板通过口部安装的轴流风机与日光温室内部相连通 。主动蓄热预制孔道楼板至少安装两块 ， 主动蓄热预制孔道楼板通过口部安装的轴流风机与日光温室内部相连通 。主动采光蓄热型日光温室在温室的后墙构造上 ，由轴流风机在室内温度超过一定值时开始通过主动蓄热预制孔道楼板向后墙内蓄热 ， 将日光温室中的热量以热空气的形式灌进后墙预留的主动蓄热预制孔道楼板中进行热量交换 ， 使热量蓄积在后墙固化土蓄热层和后墙实砌砖墙中 ， 实现主动地为后墙蓄热的目的 ， 提高对进入日光温室的太阳能的高效存储和热量蓄积的效率 。2 试验 方 法2．1 试验 温 室介绍两座供试日光温室均位于陕西省延安市子长县杨家园则现代农业示范园内 北纬 37°09， 东经 109°49 。供试温室均坐北朝南东西延长 ， 东西长度为80m， 南北净跨 9m， 脊高 4． 7m。墙体结构为内墙370mm 砖墙 、外墙 370mm 砖墙 ， 中间为 620mm 夹层 ，夹层由厚 500mm 土和厚 100mmEPS 聚苯乙烯 保温板构成 ， 如图 1、图 2 所示 。主动采光蓄热型日光温室前屋面采用倾转屋面技术 ， 为可变倾角屋面 ; 后墙安装主动蓄热风机系统 ， 后墙内设置蓄热通风孔道 。温室前屋面为传统固定采光角屋面 ， 后墙为传统日光温室砖墙 。供试两座日光温室除了采光面和后墙不同 ，其他各结构参数一致 。1． 倾转屋 面 2． 固定屋架 3． 冬至日早 09 00 入射光线4． 冬至日正午入射光线 5． 主动蓄热预制孔道楼板 6． 轴流风机图 1 主动采光蓄热型日光温室结构图Fig． 1 Sectional view of active lighting and heating storagetypesolar greenhouse1． 冬至日 早 09 00 入射光线 2． 冬至日正午入射光线3． 无主动蓄热预制孔道楼板图 2 对照普通日光温室结构图Fig． 2 Sectional view ofcontrolled common solar greenhouse为了 保 证对照效果 ， 在数据采集期间 ， 供试温室均未种植作物 ， 并且不通风 。供试温室均在上午 10点揭开保温被 ， 下午 4 点关闭保温被 。在试验中 ， 于上午 10 点 － 下午 4 点启动倾转屋面系统和通风换热风机系统 ， 以使太阳辐射能够更多地进入试验日光温室 ， 尽可能多地蓄入后墙中 。2．2 测试仪器及测点分布试验采用对照分析的方法 ， 最终温度 、光照数据采用多点平均的方法确定 。供试温室均为新建温室 ，试验温室所处的外部环境一致 。试验包括两个方面 测量两个温室的室内温度及温室内太阳辐照度 。2．2．1 观测仪器PDE － KI 长期数据记录仪 仪器主要包括温湿度传感器探头 、土壤温度传感器探头及光照传感器探头 。温度测量范围 － 30 ～ 70℃， 准确度 ± 0． 5℃， 分辨率 0． 1℃; 湿度范围 0 ～ 99 ＲH， 准确度 ± 3 ， 分辨率 1 ; 光照度范围 0 ～ 200 000lux， 准确度 ± 3 ，哈尔滨物格电子技术有限公司生产 。PDE － Ｒ4 长期数据记录仪 仪器主要包括 4 个温度传感器探头 。温度测量范围 － 30 ～ 70℃， 准确度±0． 5℃， 分辨率 0． 1℃， 哈尔滨物格电子技术有限公司生产 。2．2．2 测点分布光照探头在两个供试日光温室中各布置 2 个 ， 总共 4 个测点 。光照探头的布置方式为 ， 沿温室跨度方向布置在温室的中部 ， 沿温室屋脊方向 2 个测点布置在温室长度方向的几何 3 等分点 ， 总体为均匀布置 ;垂直位置位于地面以上 1． 5m 高度处 。温度探头在两个温室中各布置 6 个 ， 总共 12 个测点 。布置方式为 ， 沿温室长度方向 1/4 和 3/4 截面各·281·2015 年 7 月 农 机 化 研 究 第 7 期布置 3 个测 点 ， 分别距离后墙 6m， 3m， 0m 后墙表面 ; 所有测点垂直位置位于地面以上 1． 5m 高度处 。试验中设定记录数据的时间间隔为 10min/次 。3 结果 与 分析数据采集时间为 2013 年 12 月 15 日至 2014 年 1月 6 日 ， 选取冬至日 12 月 22 日 晴转多云 、12 月 23日 典型多云天 和 2014 年 1 月 4 日 典型晴天 进行分析比较 。3．1 两种温室室内太阳光照度对比图 3、图 4、图 5、图 6 显示了主要采光时段 10 00－15 30 主动采光蓄热型日光温室和对照普通日光温室室内光照度和光照度增长率的变化 。由图 3、图 4和图 5 可以看出 ， 在测试期间 ， 两种日光温室室内光照曲线总体趋势吻合较好 ， 在 2013 年 12 月 22 日冬至日 晴转多云 、2013 年 12 月 23 日 典型多云天 、2014 年 01 月 04 日 典型晴天 ， 主动采光蓄热型日光温室内的光照度较对照传统固定采光倾角日光温室均有一定幅度的增加 。如图 6 所示 ， 在 2013 年 12 月22 日的主要采光时段 10 00 － 15 30， 主动采光蓄热型日光温室内的光照度较对照温室 ， 最大增加 34．57 ， 最小增加 5． 98 ， 平均增加 15． 42 ; 在 2013 年12 月 23 日的主要采光时段 10 00 － 15 30， 主动采光蓄热型日光温室内的光照度较固定采光倾角温室 ， 最大增加 33． 20 ， 最小增加 4． 26 ， 平均增加 11．73 ; 在 2014 年 01 月 04 日主要采光时段 10 00 －15 30， 主动采光蓄热型日光温室内的光照度较固定采光倾角温室 ， 最大增加 42． 74 ， 最小增加 5． 13 ，平均增加 21． 28。图 3 冬至 日 2013 －12 －22 两种日光温室室内光照度的日变化曲线 图 4 典型多云天 2014 －12 －23 两种日光温室室内光照度的日变化曲线Fig．3 Diurnal variation of indoor light intensity in different greenhouse in Fig．2 Diurnal variation of indoor light intensity in different greenhouse inwinter solstice day 2013 －12 －22 a cloudy day 2014 －12 －23图 5 典 型 晴 天 2014 －01 －04 两种日光温室室内光照度的日变化曲线 图 6 冬至日 2013 －12 －22 、典型多云天 2014 －12 －23 、典型晴天 2014 －01 －04 室内光照度增加率的日变化曲线Fig．5 Diurnal variation of indoor light intensity in different Fig．6 Diurnal variation of light intensity rate in greenhouse in winter solstice daygreenhouse in a typical sunny day 2014 －01 －04 2013 －12 －22 ， cloudy day 2014 －12 －23 and sunny day 2014 －01 －04·381·2015 年 7 月 农 机 化 研 究 第 7 期3．2 两种日光温室室内温度的日变化日光温室蓄热性能与进入室内的太阳辐射息息相关 ， 光照条件的改变会伴随着室内温度条件的改变 。本 试验分别以 2013 年冬至日 12 月 22 日 晴转多云 、12 月 23 日 典型多云天 和 2014 年 01 月 04 日 典型晴天 的温度测试数据为依据 ， 分析主动采光蓄热型日光温室与传统日光温室室内温度与温度差的日变化 ， 结果如图 7、图 8、图 9 和图 10 所示 。由图 7、图 8、图 9 可见 ， 在冬至日 、冬季典型多云天和冬季典型晴天 ， 主动采光蓄热型日光温室室内的温度较普通日光温室有明显的提高 ， 两个温室室内全天的温度曲线变化趋势类似 ， 但主动采光蓄热型日光温室气温全天高于普通对照日光温室 。由图 10 可以看出 ， 在2013 年冬至日 12 月 22 日 ， 主动采光蓄热型日光温室较普通日光温室室内温度提高最大为 6． 1℃， 最小为1． 0℃， 平均为 2． 6℃; 在 2013 年 12 月 23 日多云天 ，主动采光蓄热型日光温室气温全天高于普通日光温室 ， 二者温差最大为 5． 0℃， 最小为 0． 5℃， 平均温差为2． 1℃; 在 2014 年 01 月 04 日晴天 ， 主动蓄热型日光温室较普通日光温室室内温度提高最大为 11． 0℃， 最小为 2． 7℃， 平均提高为 5． 3℃。图 7 冬至日 2013 －12 －22 两种日光温室室内温度的日变化曲线 图 8 典型多云天 2014 －12 －23 两种日光温室室内温度的日变化曲线Fig．7 Diurnal variation of indoor temperature in different greenhouse in Fig．8 Diurnal variation of indoor temperaturey in different greenhouse inwinter solstice day 2013 －12 －22 a cloudy day 2014 －12 －23图 9 典型晴 天 2014 －01 －04 两种日光温室室内温度的日变化曲线 图 10 冬至日 2013 －12 －22 、典型多云天 2014 －12 －23 、典型晴天 2014 －01 －04 室内温度差的日变化曲线Fig．9 Diurnal variation of indoor temperature in different Fig．10 Diurnal variation of temperature difference in greenhouse in winter solsticegreenhouse in a typical sunny day 2014 －01 －04 day 2013 －12 －22 ， cloudy day 2014 －12 －23 and sunny day 2014 －01 －043．3 后墙主动蓄热性能试验本次试验首次将日光温室倾转屋面技术和主动蓄热风机系统技术集 合 起来 ， 形成主动采光蓄热型日光温室 。而倾转屋面技术在日光温室中的应用已经研究过［ 18 －19］， 因此对通风换热风机系统技术能否提高室内温 度 的研究是有必要的 。本次试验 2013 年 12 月30 日 、12 月 31 日两天将主动采光蓄热型日光温室中可变倾角屋面系统停止 ， 使其成为与对照传统日光温室相同的固定采光角的日光温室 ， 只需将通风换热风机系统打开 。因此 ， 试验温室变为主动蓄热型日光温·481·2015 年 7 月 农 机 化 研 究 第 7 期室和普通日光温室的温光性能对比 。为 此 ， 选取了2013 年 12 月 31 日 晴天 的数据指标进行了对比分析 ， 具体如图 11 和图 12 所示 。如图 11 所示 ， 在关闭了可变倾角屋面系统以后 ，将主动采光蓄热型日光温室的采光面变成固定式采光面 。在 2013 年 12 月 31 日主要采光时段 ， 主动采光蓄热型日光温室的室内光照度与对照的日光温室的室内光照度基本一样 ， 二者在主要采光时段的平均太阳光照度分别为 27 867lx 和 27 446lx。从图 12 可知 ，两个日光温室室内的全天气温仍然存在差异 ， 相对于同时开启可变倾角屋面系统和通风换热风机系统的典型晴天 见图 9 ， 室内温度差变小 。在 2013 年 12月 31 日 晴天 ， 主动蓄热型日光温室与普通日光温室室内温差最大为 8． 4℃， 最小为 0℃， 全天平均温差为 1． 2℃。图 11 晴天 2013 －12 －31 两种日光温室室内光照度的日变化曲线 图 12 晴天 2013 －12 －31 两种日光温室室内温度的日变化曲线Fig．11 Diurnal variation of indoor light intensity in different greenhouse in Fig．12 Diurnal variation of indoor temperaturey in different greenhouse ina sunny day 2013 －12 －31 a sunny day 2014 －12 －314 结论与 讨论1 在本试验条件下 ， 主动采光蓄热型日光温室的室内光照较普 通 日光温室有较大 幅度的增加 。其中 ，在冬至日 2013 －12 －22 10 00 －15 30， 光照平均提高 15． 42 ， 最大提高 34． 57 ， 最小提高 5． 98 ; 在多云天 2013 －12 －23 和晴天 2014 － 01 － 04 不同天气状况下 ， 主要采光时段的室内光照也均有提高 ，平均提高 15． 51。2 在本试验条件下 ， 主动采光蓄热型日光温室的室内温度较普通日光温室室内温度全天有较明显的提高 。在冬至日 2013 －12 －22 ， 主动采光蓄热型日光温室较普通日光温室室内温度提高最大为 6． 1℃，最小为 1． 0℃， 平均提高为 2． 6℃; 在多云天 2013 －12 －23 和晴天 2014 － 01 － 04 不同天气状况下 ， 主动蓄热型日光温室较普通日光温室室内温度平均提高为 3． 7℃。3 在本试验中 ， 分别进行了同时开启可变倾角屋面系统和主动蓄热风机系统以及只开启主动蓄热风机系统这两种试验 ， 并在这两种试验方案下与对照普通日光温室进行了温光性能的对比 。结果表明 只开启主动蓄热风机系统的日光温室蓄热性能没有同时开启可变倾角屋面系统和主动蓄热风机系统好 ; 但其温光性能优于对照普通日光温室 。4 本试验对比分析了 2013 年冬季主动采光蓄热型日光温室与普通日光温室在不通风 、无种植作物的条件下的温光性能 ， 今后的研究中还将对正常生产过程中的主动采光蓄热型日光温室温光性能及主动蓄热风机的蓄热机理和方式等进行深入探讨 。参考文献 ［ 1］ G Tong， D M Christopher， T Li， et al． Passive solar energyutilization A review of cross － section building parameter se-lection for Chinese solar greenhouses ［ J］ ． Ｒenewable andSustainable Energy Ｒeviews， 2013， 26 540 －548．［ 2］ 魏 晓明 ， 周 长吉 ， 曹楠 ， 等 ． 中国日光温室结构及性能的演变 ［ J］ ． 江苏农业学报 ， 2012， 28 4 855 －860．［ 3］ 陈端生 ， 郑 海山 ， 张建国 ， 等 ． 日光温室气象环境综合研究 三 几 种弧型采光屋面温室内直射 光量的比较研究 ［ J］ ． 农业工程学报 ， 1992， 8 4 78 －82．［ 4］ 王朝栋 ， 史 为民 ， 裴先文 ． 4 种曲线形日光温室前屋面采光性能及其拱架力学性能的比较 ［ J］ ． 西北农林科技大学学报 自然科学版 ， 2010， 38 8 143 －150．［ 5］ J Wang， S Li， S Guo， et al． Simulation and optimization ofsolar greenhouses in Northern Jiangsu Province of China［ J］ ．Energy and Buildings， 2014， 78 143 －152．［ 6］ 郭 靖 ， 邹志 荣 ， 刘玉凤 ． 不同方式封装的相变材料蓄热效果研究 基 于日 光温室 ［ J］ ． 农机化研究 ， 2012， 34·581·2015 年 7 月 农 机 化 研 究 第 7 期 2 137 －140．［ 7］ 侯 加林 ， 王 涛 ， 蒋韬 ， 等 ． 基于有限元分析日光温室土质墙体温度场模拟与验证 ［ J］ ． 山东农业科学 ， 2014， 46 4 1 －6．［ 8］ 马 承伟 ， 卜 云龙 ， 籍秀红 ， 等 ． 日光温室墙体夜间放热量计算与保温蓄热性评价方法的研究 ［ J］ ． 上海交通大学学报 农业科学版 ， 2008， 26 5 411 －415．［ 9］ 孙 心心 ， 邹 志荣 ， 王宏丽 ， 等 ． 新型复合相变墙日光温室性能实测分析 ［ J］ ． 农机化研究 ， 2010， 32 3 168 －170．［ 10］ 佟 国红 ， 王 铁良 ， 白义奎 ， 等 ． 日光温室墙体传热特性的研究 ［ J］ ． 农业工程学报 ， 2003， 19 3 186 －189．［ 11］ 徐刚毅 ， 周 长吉 ． 不同保温墙体日光温室的性能测试与分析 ［ J］ ． 华中农业大学学报 ， 2004， 35 S1 62 －66．［ 12］ Santamouris M， A Argiriou， M． Vallindras，Design andoperation of a low energy consumption passive solar agricul-tural greenhouse［ J］ ． Solar Energy， 1994， 52 5 371 －378．［ 13］ 陈 端生 ． 中国节能型日光温室的理论和实践 英 文 ［ J］ ． 农业工程学报 ， 2001 01 22 －26．［ 14］ 李文 ， 杨其 长 ， 张义 ， 等 ． 日光温室主动蓄放热系统应用效果研究 ［ J］ ． 中国农业气象 ， 2013， 34 5 557 －562．［ 15］ 梁 浩 ， 方慧 ， 杨 其长 ， 等 ． 日光温室后墙蓄放热帘增温效果的性能测试 ［ J］ ． 农业工程学报 ， 2013， 29 12 187－193．［ 16］ 孙 维拓 ， 杨 其长 ， 方慧 ， 等 ． 主动蓄放热 － 热泵联合加温系统在日光温室的应用 ［ J］ ． 农业工程学报 ， 2013， 29 19 168 －177．［ 17］ 张 勇 ． 西北日光温室传热学简化模 型构建及温光高效新结构初探 ［ D］ ． 杨凌 西北农林科技大学 ， 2012．［ 18］ 张勇 ， 邹志荣 ． 高效可变采光倾角日光温室的结构及其性能研究 ［ J］ ． 西北农林科技大学学报 自然科学版 ，2013， 41 11 113 －118， 124．［ 19］ 张勇 ， 邹志 荣 ， 李建明 ． 倾转屋面日光温室的采光及蓄热性能试验 ［ J］ ． 农业工程学报 ， 2014， 30 1 129 －137．Preliminary Study on Perance in an Active Lighting andHeating Storage Type Solar GreenhouseGao Wenbo， Zhang Yong， Zou Zhirong， Sun Yachen College of Horticulture， Northwest A＆F University， Yangling 712100， ChinaAbstract A new type of solar greenhouse called active lighting and heating storage type solar greenhouse was studiedbased on experimental comparison and its properties were investigated． Both tilting roof technologies and active heatingstorage fan systems technologies have been integrated in the new solar greenhouse so that varying incidence angle of thesolar greenhouse and increasing the efficiency of thermal storage of the back wall by manual were realized． The experi-ment was carried out at the modern agriculture demonstrate area located at County Zichang， Shaanxi during the winter of2013． Technical perance of indoor lighting and temperature was discussed and compared theoretically． Under experi-mental condition of this study， the average lighting perance and mean indoor temperature of the active lighting andheating storage type solar greenhouse in winter solstice increased by 15． 42 and 2． 6℃， respectively． The averagelighting perance and mean indoor temperature in a cloudy day increased by 11． 73 and 2． 1℃， respectively． Theaverage lighting perance and mean indoor temperature in a sunny day increased by 21． 28 and 5． 6℃， respective-ly． In conclusion， the active lighting and heating storage type solar greenhouse was more efficient in utilization of solarenergy and raising temperature．Key words active lighting and heating storage; solar greenhouse; tilting roof technology; active heating storage fan sys-tem·681·2015 年 7 月 农 机 化 研 究 第 7 期