新型双集热管多曲面槽式空气集热器在乌鲁木齐日光温室的应用研究

新疆农业科学 ，（ ） ： ： 新型双集热管多曲面槽式空气集热器在乌鲁木齐日光温室的应用研究张明星陈超马彩雯，姜理星邹 平 ， 张彩虹（ 北京工业大学建筑工程学院 ，北京； 新农业科学院农机化研究所， 乌鲁木齐 ）摘 要： 【 目的】提高日光温室主动蓄热能力 ，使温室内热环境得到保障。 【 方法】提出一种新型双集热管多曲面槽式空气集热器，将此集热器与日光温室后墙结合构成主 被动式墙体体系 ， 将此墙体体系应用于新疆日光温室 ，研究该集热器在日光温室中应用的可行性及应用效果。 【 结果】在集热器长度为、集热器单支玻璃管接收器内空气流速为 的条件下，集热器出 口温度可达￥ ，集热效率可达 。 该集热系统通过日光温室墙体主动蓄热方式，在冬季实测期间累计可为日光温室提供约为 的太阳能。 【 结论】该结果可为集热器的推广应用提供参考。关键词 ： 日光温室； 双集热管 ；多曲面槽式空气集热器； 主动蓄热；集热性能 ；供热量中图分类号 ： 文献标识码 ： 文章编号 ： （ ）代替煤炭对温室内地温进行增温试验并与传统煤 炉加热方式进行了比较； 等 使用【研究意义】 日光温室因其可在反季节为蔬平板太阳能集热器加热温室的方式 ，对在温室中菜生长提供良好的小气候， 受到了广大农业生产设置太阳能集热系统进行效果分析，此项研究在者的亲睐 。温室小气候主要受室外气象条提升太阳能的利用率方面取得了明显效果。 可以件 、围护结构热工性能 和土壤热湿特性 等看出 ，利用集热器是温室主动式接收太阳能的主因素的影响，其热量主要来自被动式接收太阳能要方式之一， 因此集热器的集热性能也是影响温以及主动式加温供暖措施，在温室被动式接收太室内环境的因素之一。 阳能一定的条件下 ，如何通过主动方式提高温室 等分别对聚光型集热器进行了传热的蓄热能力 ，使温室内热环境得到保障，对确保蔬机理分析，建立了抛物面、槽面聚光型集热器的传菜生长起到至关重要的作用。 【 前人研究进展】热模型， 为集热器优化设计提供了指导；郑宏飞国内外不同学者对如何通过主动方式给温室内提等 对多曲面槽式空气集热器的三种不同接供热量，使温室内环境能够维持作物生长需求进收器对集热器性能的影响进行了试验研究， 结果行了大量的研究。 李德坚等对全玻璃真空管表明圆形玻璃管式接收器的出 口温度最高 ， 能达太阳能集热器给大型四连栋蔬菜温室冬季供暖进到； 当集热温度约 时， 集热效率能到行了试验研究，发现在冬季温室外日最低气温在以上。 【本研究切人点】 基于国内外研究现以上时 ，太阳能主动和被动供暖能够维持室状， 以及前期研发的单集热管多曲面槽式空气集温，无需燃油炉供暖 ；刘圣勇等 利用了太阳能热器 ，为了更好的提高 日光温室主动蓄热能收稿日期（ ）： 基金项目 ：国家自然科学基金项目 新繮戈壁日光温室太阳能主 被动式蓄热墙体及保温被热性能评价方法研究 （ ）； 国家自然科学基金项目 ”面向多热特性一体化控制的日光温室建筑构造建模理论研究（ ）作片简介：张叨丨（ ） ，贝 ， ？ 叫人，硕 ？，研究方叫为太能热利川技水， （ ） 逝：片：陈超（ ） ，女，湖泡人，教授 师，研究办为和变蓄热技术能源技术， （ ） 彩 ） ，女，人汴人，研究 ，研究方叼为设施农业 ：枵， （ ） 新疆农业科学卷力 ，研究提出一种新型双集热管多曲面槽式空气为，在单管集热器的结构基础上增加一根玻璃管集热器，将此集热器与日光温室后墙结合构成主接收器 ，考虑玻璃管接收器以及集热器槽体的大被动式墙体体系 ， 通过空气集热器竖向空气小尺寸， 同时考虑该类聚光型集热器内的玻璃管通道以主动蓄热的方式提高墙体内部层的温度及接收器应尽量处于光线聚焦区 ，玻璃管接收器宜蓄热能力 ，为 日光温室提供热量，并将此墙体体系增加至 根。应用于新疆乌鲁木齐日光温室中 。研究新型双集同时双管集热器中的两支玻璃管接收器的结热管多曲面槽式空气集热器在日光温室中应用的构位置也影响集热器的聚光效果， 进而影响集热可行性和应用效果。 【 拟解决的关键问题】研究器集热性能， 因此两支玻璃管接收器的位置应尽和评价集热器在试验系统中的集热性能 ，以及在量靠近集热器光线聚焦区并使其随着太阳高度角不同情况下为日光温室提供的热量。 为该集热器的变化不相互遮挡。 在考虑了集热器几何结构的的推广应用提供参考。基础上采用光学模拟软件 进行了不同位置的两支玻璃管接收器对光线汇聚效果分析， 最终得到两支玻璃管接收器的相对位置。 在晴好天气条件下单、双管单位面积集热量 集热器结构及工作原理和集热效率随时间的变化实测结果为 ， 在单支玻新型双集热管多曲面槽式空气集热器 （以后璃管接收器内空气流速相同的条件下 ，单、双管集简称双管集热器） ，主要由多曲面反射板、多曲面热器单位面积集热量都是随着时间的变化先增加保温板、多曲面外保护板、玻璃管接收器、玻璃盖后减小，但是双管集热器单位面积集热量始终大板等构成。 其工作原理为 ：太阳光线透过玻璃盖于单管集热器，平均提高了约 丨 ；单、双管集热板射人到槽内 ，一部分光线直接汇聚在玻璃管接 器集热效率随时间的变化波动并不大， 但是双管收器上半部； 另一部分光线平行入射到组合曲面集热器集热效率同样始终高于单管集热器，平均上，再经瓶瓶嫌璃體收社，減流關约 。 自此關可 體热器优人玻璃管接收器内的空气，被加热的空气通过玻 ￥单管集热器。 图 ， 图 璃管接收器出口流出 ，并输送至供暖末端。 图 幻曰能被动式墙体体系结构及工作玻璃板，该体系主要由双管集热器和带竖向空气通道的三重结构相变蓄热墙体 构成。 其中 ，带竖向麵胃娜破雜細翻細页目组研制的 型复合相变蓄热墙体板， 将玻璃纖器照射在该墙体层的太阳能以被动潜热蓄热的方式，玻璃盖板 蓄积，提高潜热蓄热能力 ；背阳的墙体外表面侧采反讀用热阻大的保温材料 ； 中间墙体层采用蓄热性能叫：板 和传热性能较好的空心砌块砖，并利用空心气孔自然形成竖向空气通道；安装在后墙体上方的双，管集热器与小型管道风机、 风管道以及中间墙体层内的竖向空气通道构成太阳能 墙体主 图 集热器结构构造示意被动蓄热体系 ，达到提髙日光温室墙体内部层蓄热能力的目的。经过试验研究发现， 单管集热器在实际应用该墙体体系的主要工作原理是， 流出集热器时存在处理空气量小、集热器效率低的问题， 为了的热空气通过风管送入墙体通风空气通道 ，通过增大集热器处理的空气量并提高集热器的集热效强迫对流换热方式加热墙体， 被加热的墙体通过率，提出了双管集热器的设计理念， 其核心特点辐射以及对流换热的方式对温室内环境提供热期张明星等 ：新型双集热管多 曲面槽式空气集热器在乌鲁木齐量；被冷却后的空气流出墙体空气通道 ，经由风元组件串联而成（总长度为 ） ，乌鲁木齐地理机，通过通风管道流人空气集热系统；周而复始， 位置为北纬，东经 ， 由集热器固定不断循环。 图 放置朝向原则 ：保证在集热器放置角度上冬季集单管单位面积集热一双管单位面娜热面接收的有效太阳辐照量总和最大 可计簡到集热器接收面倾角为 。 为获得集热器进出 ？显度变化规律， 在双管集热器睡出 口处用铜康铜热电偶 （ 精度 ： 尤 ） ，分别布置温度测点 ；环境温度测点也采用铜康铜热电偶， 测量范围 二？为 ，精度为 ； 空气流量采用图 单 、双管誰器单位面积集热量随时间变化 ？ 精度 ？ ） ；太阳辐射强度采用锦州阳光能源有？限公司的 型总辐射仪（ 测量范； 为 ，测量精度为 ： ） ，通过一早管集热效率一双管集總率配套的 检测仪进行数据采集，试验数 ，！ 据采集时间为次。数据采集时间 年 月 年 月 日 ，系统每天运行时间为鶴卜 ： ？ ： ，雨雪天气不运行。 图 为实测期间太阳 日累计总辐射量和环境温度随时间的变化 规律。 实测期间 ， 每支玻璃管接收器内空气流速为。 图 ， 图图 单、双管集热器集热效率随时间变化 、禮一痛图 应用案例现场：室内室外 打？頦斜面 射总坏境齒度减 丨：图 带竖向空气通道的太阳能：丨丨：妓才巨变蓄墙体体系 ！ ； 新疆日 光温室应用概况图 冬季太阳总辐射及环境温度变化规律将研制的双管集热器在乌鲁木齐日光温室进行应用研究。 其中 ，双管集热器由 组集热器单 新疆农业科学卷 方 法 温差效率曲线可评价集热器在各种工况下的集结合双管集热器热工性能影响因素，参照中热效率 。国国家标准 太阳能集热器热一一性能试验方法，可将空气出 口温度 、集热量与累 计集热量、集热效率、基于进口温度的归化温差財，吼为太阳能空气集热器的瞬时效率最效率等作为双管集热器集热性能的评价指标。大值 ； 为太阳能空气集热器热损失系数， 厂为 空气出 口温度基于集热器空气进口温度的归一化温差（厂集热器空气出 口温度反映集热器的送风状） ， 为境、温度 ，： 。况 ，也反映了为能源利用末端提供的供暖（热） 品质。结果与分析 集热量与 累计集热量￥集热量是指集热器某时刻收集到的热量，是 衡量集热器醜要指标，可娜式將。日 （ ）（ ）繼魏織邮潇 咖榈变化式中几为集热器集热量， ； 为集热器内变的空气质量流量 （ 可根据式 （ ） 计算） ， ； 先增加后减小 ，这是因为集热器的出口温度与太为空气定压比热， （ ）为集热器空气出射强度变化密切相关，太阳辐射强度大则出口温度， 为集热器空气进口温度， 。温度咼 反之，则出温度低 ； 在中午 ： 日寸的进出 口空气温差最大可达 ， 此时空气出口（ ）温度达到最高、约为 丈 。 图 式中 ， 为空气密度 ， ； 为空气集热管？进口温度一一出口温度内空气流速， 为空气集热管管径 ，累计集热量是指集热器在一天工作时间内累备计收集的总热量 ，是衡量集热器供热能力的重要 令指标，可根据式（）计算。 （二 ）；寸 寸？ ？ 集热效率时间分集热效率是指某一时刻集热器所能够提供的图 集热器进出 口空气温度随着时间变化规律有用能量与当时投射到集热器采光面上的太阳辐 射总量之比值，它反映了集热器在一天中某一时 刻的瞬时运行特性，是评价集热器性能的重要指 集热器瞬时集热量及瞬时集热效率标之一，可根据式（ ）计算。太阳辐射强度为 条件下， 集热器集 （ 。） 热量及集热效率随着时间的变化规律为 ，集热器瞬时集热量在太阳辐射强度最大时（： ） 达到式中 ， ？ 为集热器集热效率； 久为投射到集最大、约为 ，太阳辐射强度的强弱直接影热器采光面上的瞬时太阳辐射总量， ；为某一 响空气集热器集热量的大小；集热器的瞬时集热时刻彳见斜面的太阳辐射强度，八为集热器效率则随着时间的变化逐渐增大， 在 ： 达到采光面积（为集热器开口面宽度，；最大、为， 平均集热效率约为 。为集热器长度 ， ）， 。 经过计算可以得到集热器日累积集热量可达 基于进口温度的归一化温差效率曲线 ， 即单位面积累积集热量 ？， 集根据， 集热器集热效率与热器在太阳能主被动式墙体体系中起到了保证归一化温差存在线性关系 （式（ ） ） 。 根据归一化输人墙体的空气温度和热量的作用。 图 期张明星等 ： 新型双集热管 多曲面槽式空气集热器在乌鲁木齐瞬时集热量 瞬时集热效率况下基于不同进口温度的归一化温差效率曲线 显示 ，集热 热效率随着归？化温差的增大而降低 ，此时集热器热损失系数为 ， 当 ： 归一化温差为 时集热效率为 ， 由此曲线 对不同进口温度工况下的集热器集热效率进行判断。 当集热器运行条件为进口温度：，环境温度 ，太阳辐射强度 时，图 瞬时集热量及瞬时集热效率巧归化温差为 ，可以判断集热器随着时间变化运行效率为 。 图 集热器累计提供太阳或根据乌鲁木齐当地冬季太阳总辐射及环境、温 归化温差效率曲线度实测数据 ，冬季实测期间 ，集热器累计集热量随选择符合雜、态餅下賊验顏，麵式咖触化为 ，在痛天气餅卩 ，娜器累计集并结合应用最小二乘法，拟合得到集热器归 舰最高可达阳； 在阴天条件下 ， 集热器集热化温差效率曲线 图效果较弱 ，集热器累计集热量约为；实测期间集热系统通过日 光温室墙体主动蓄热方式，累 计为日 光温室提供了 的太阳热能 。齋， 图；？ 矣 ！ ， 岛归一化溫查（ 图 基于不同进温度的归化 ？ ，温差效率曲线时 图 集热器累计集热屋：随时间变化 流量、太阳辐射强度工表 压力损失测试流量（）单管风速（ ）总压损（ ）摩擦阻力系数 总压损（ ） 新疆农业科学 卷 阻力特性分析于日光温室是可行的 ，在集热器长度为、集实际应用中 ，要考虑系统的管路配置及风机热器单支玻璃管接收器内空气流速为 的的选择问题， 因此，在利用该新型双管集热器进行条件下，集热器出口温度可达 ， 集热效率可集热的系统中 ，集热器进出口之间的压降特性也达 。是集热器性能的一个重要参数。 利用压差计在集 在晴好天气条件下 ， 集热器累计集热量最热器单支玻璃管接收器内不同空气流速条件下对高可达；在阴天条件下 ，集热器集热效果较长度为 的双管集热器进出 口之间的压损进行弱 ，集热器累计集热量约为 ； 实测期间集热了测试。 测试结果见表 ，根据式（ ） 和式（ ） 得系统通过日光温室墙体主动蓄热方式， 累计为日到的摩擦阻力系数计算得到 长双管集热器光温室提供了 的太阳热能。进出口的压损。 在集热器流量为 的条件下 ， 丄 把！ （ ）长集热器总阻力损失约为 。 参考文献 （ ）？ （ ） ，（ ）” 根据测试结果绘制的集热器阻力特性曲线 ， ， （ ）： 可以看出 ， 随着集热器内流量的 增大，集热器总， ， （） 阻力损失也增加 ，在单支玻璃管接收器流速为 ？时，此时集热器流量为，长 ， 集热器总阻力损失约为 。 图 李惟毅 ，李兆力，雷海燕， 等 农业温室微气候研究综述与理论模型分析 农业机械学报， ， （ ）： ？， ， ，（）由 资 ， （ ）： （ ） 白义奎， 刘文合， 王铁良， 等 日光温室朝向对进光量的影 响分析 农业机械学报 ， （ ）：， ， ， ， 单管速！、 （ ） 图 集热器阻力特注曲线 ，（）：， （ ） 马承伟 ，韩静静，李睿？ 日光温室热环境模拟顶测软件研究、开发 北方园艺 ， ，（ ）： 才 卞匕 ， ， （ ） ， ， 、，” 根据第 节的结果，在已知 日光温室内作物 生长环境需求（主要是室内温度） 的前提下， 可对， （ ）： （ ）集热器的出 口温度进行调节 ， 由集热器玻璃管接 何芬 ， 马承伟 ， 周长吉 ， 等基于有限差分法的日光温室地收器内的设计流量选择合适的风机型号，设计出温二维模拟 农业机械学报， ， （ ） ： 针对不同作物的温室太阳能集热系统，并可给出， ， （训）不同天气条件下 （ 晴好天气或阴天） 太阳能集热 一， ， 系统为日光温室提供的太阳热能。， 、 ，（ ）：（ ）结 论 十徳咯 ， 饥轩 ， 殷志强 ， 等？侃爷太阳能供暖太阳能报， ， （ ）： 新型双集热管多曲面槽式空气集热器应用张明星等 ：新型双集热管多曲面槽式空气集热器在乌鲁木齐 ， ，（ ） ， （ ）： ， （ ）： （ ） ， ， 刘圣勇 ， 张杰， 张百良 ， 等太阳能蓄热系统提高温室地温（）的试验研究 太阳能学报， ， （ ）： ， （ ） （ ） 陈紫光， 陈超， 凌浩恕， 等 日光温室专用多曲面槽式太阳 能空气集热器热工性能试验研究 建筑科学， （ ）： （ ）（ ）： ，（ ）， ，（ ） ， ， （ ）： （ ） ： ， ，（ ） （ ） 凌 恕， 陈超， 陈紫光， 等 丨光？令带贤逬的太 ，（ ）： ， ， 酊能和炎：热墙体休系 农、丨 机械报， ， （）： （ ） ， （）： （ ） ，（ ） ， ，（ ）： （ ） （ ）， （ ）： 孙峙峰，曲世琳 太阳能空气集热器热性能测试方法研究 ， ， ， （ ） 太阳能学报， ，（ ）： ，（ ） ，（ ） ， （ ）： ， （ ， ， （ ） ） 新疆农业科学卷，（ ， ， ，； ， ， ，） ： 【 】