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第 36卷 第 4期 农 业 工 程 学 报 V ol 36 N o 4 202 2020年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb 2020 日光温室顶部菲涅尔透镜的光热分离特性 伍 纲 1 2 方 慧 1 2 张 义 1 2 杨其长 1 2 马兴龙 3 1 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 北京 100081 2 农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室 北京 100081 3 北京理工大学机械与车辆学院 北京 100081 摘 要 为了进一步提高日光温室内主动蓄放热的热能利用效率 该研究在日光温室内的顶部空间 构建了基于曲面菲 涅尔透镜的直散分离系统 该系统对顶部区域的空间利用率为 25 8 利用光学仿真软件对不同入射角的太阳光进行追 踪 并对该曲面菲涅尔透镜在典型日条件下的接收效率和焦斑分布进行分析 得到一日内的变化规律 在直射光集热测 试方面 正午时段内 该系统的集热效率可以达到 45 对比散射光环境对温室的影响 发现试验区全天光照度减小约 为 10 40 该文以主动集热土垄加温系统提升栽培土垄温度作为试验组 并与不加温对照组进行了比较 试验结果 表明 系统可提高土垄温度 4 5 5 0 连续晴天情况下 土垄加温系统的 COP coefficient of performance 为 1 5 1 9 研究表明此新型温室集热方式可提高空间利用率 改善温室内光热环境 同时利用午间强直射光集热 实现太阳能综合 利用 关键词 日光温室 透镜 太阳能 光热 曲面菲涅尔镜 直散分离 土垄加温 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 04 024 中图分类号 S625 4 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2020 04 0202 09 伍 纲 方 慧 张 义 杨其长 马兴龙 日光温室顶部菲涅尔透镜的光热分离特性 J 农业工程学报 2020 36 4 202 210 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 04 024 http www tcsae org Wu Gang Fang Hui Zhang Yi Yang Qichang Ma Xinglong Sunlight heat separation characteristics of Fresnel lens on the top of Chinese solar greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2020 36 4 202 210 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 04 024 http www tcsae org 0 引 言 中国农业设施建设起步虽晚 但因北方地区冬季农 产品 特别是蔬菜 的强劲刚需 使其 30 a来发展迅速 目前设施园艺面积已达 370 万 hm 2 成为世界上拥有设施 园艺面积最大的国家 1 2 北方设施园艺中以日光温室的 发展最为迅速 近年来节能环境调控技术的研发与应用 受到了越来越多的关注 温度作为重要的环境因子 合 理的温度调控在冬季生产中尤为重要 温室内对温度的 调控 一般分为土垄温度调控和空气温度调控 其中土 垄温度主要影响作物的根区温度 可调节作物的根系生 长 水分及养分的吸收利用等 传统日光温室利用北面土墙蓄集的热量非常有限 故大部分日光温室还需燃煤供暖过冬 始终存在效率低 污染大及运行费用高等问题 制约着温室种植的经济效 益 3 5 日光温室在对太阳热能的主动利用中 包括在靠 近北墙的位置放置太阳能集热器 比如平板集热器 这样就不占温室内部的种植面积 6 外置太阳能集热器一 收稿日期 2019 08 09 修订日期 2019 12 26 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51806244 中国博士后基金资助 项目 2017M620077 2019T120163 作者简介 伍 纲 博士 助理研究员 主要从事设施农业环境工程方面研 究 Email wugang01 通信作者 方 慧 副研究员 主要从事设施园艺环境工程研究 Email fanghui 般位于温室北墙之上 以及温室南侧的空地上 7 8 这类 新颖的太阳能集热方式 存在的问题在于太阳能接收面 积偏少 集热量相对于温室的需求来说还比较有限 如 何进一步提高集热效率 研发与温室结构相适宜的热能 利用形式是技术突破的关键 在对玻璃温室覆盖材料的研究方面 荷兰瓦赫宁 根大学通过覆盖多层光谱选择性吸收的金属材料 SOL MOX Hilite 荷兰 和绝缘塑料薄膜 Ebiral 美国 9 2 种材料可以反射植物光合作用不需要的近 红外光 NIR 减轻温室的高热负荷 而收集反射光 能直接或间接地转化成电能 用于温室降温消耗 从 而实现对多余能量的回收和利用 经检测 该类型温 室年可发电 20 kW h m 2 并预计通过进一步的优化设 计 可以将发电量提到 31 kW h m 2 从而可基本满足 温室生产用能 也有学者将玻璃温室顶部斜面改造成 平板型菲涅尔透镜 利用午间太阳高度角较大时的直 射光进行聚光发电 同时将散射光环境提供给植物进 行光合作用 10 11 为解决日光温室内能源收集与种植栽培之间的矛 盾 将太阳能透射聚光高温集热技术与日光温室南坡面 结构进行一体化设计 构成既可以兼容相济又可以独立 运行的太阳能热农 农光互补系统 具体是利用大尺度的 曲面菲涅尔透镜收集直射光 真空集热管安置在焦斑接 收位置 实现太阳能中温集热和农作物采光生长 余热 为作物生长供热 农业生物环境与能源工程 第 4期 伍 纲等 日光温室顶部菲涅尔透镜的光热分离特性 203 1 直散分离式光热结构及工作原理 基于日光温室曲面线性菲涅尔透射聚光光热系统如 图 1 所示 试验位于北京市顺义区大孙各庄镇中国农业 科学院农业环境与可持续发展研究所试验基地 40 13 N 116 65 E 日光温室跨度为 8 m 脊高 3 25 m 后墙净 高 2 4 m 长 度 50 m 以圆柱面菲涅尔透射聚光器为主要 部件 搭建中温太阳能集热系统 注 A B C为光照度测点位置 Note A B C are illuminance measurement point 图1 试验原理示意图 Fig 1 Diagram of working principle 菲涅尔透镜的直散分离过程 将正午垂直于镜面入 射的直射光经由曲面菲涅尔透镜聚集 投射在太阳真空 管接收器上 实现光热转换 没有被接收器拦截的部分 散射光穿过透镜 落在底部的植物叶片上 如图 2 所示 透镜聚光器和日光温室都是沿东西方 向布置 接收太阳光 利用塑料绳和定滑轮将菲涅尔透 射式聚光器悬置在温室的顶部区域 可根据当地纬度进 行程序控制 使得每天曲面菲涅尔透镜的中心线与水平 线的夹角 固定为当日太阳高度角的最大值 这种固定 透镜的方式 接收器一天之中只有正午时刻系统的热流 最大 而在早上或下午太阳光线都是倾斜入射 所以一 天之中热流变化较大 图2 曲面菲涅尔镜在日光温室位置图 Fig 2 Curved surface Fresnel mirror position map in Chinese solar greenhouse 优势在于 将曲面菲涅尔透镜聚光器置于日光温室 的顶部空间 凸面朝上 接收器置于透镜下方焦斑的位 置 相对于透镜保持静止 充分利用温室南坡面的曲面 结构 该菲涅尔透镜与南坡面都具有曲面结构 曲面透 镜在运动过程中绕接收器位置旋转 使得聚光光热系统 更加紧凑 以提高内部空间的利用效率 曲面菲涅尔透 镜聚光器每日固定正对着太阳的最大高度角 实现温室 收集太阳能最大化 有效实现了农光热互补 拓宽了太 阳能在农业领域的应用 2 温室顶部区域内的空间利用 通常情况下 日光温室的内置太阳能集热器一般 靠近北墙 这样几乎不占室内种植区域面积 且对植 物光合无影响 但在冬季 由于太阳高度角偏低和植 物的遮挡效应 使得这类集热器的集热效果并不理想 如图 1 所示 本文将日光温室内的有限空间分成 3 部 分 分别是种植区 顶部区域和走廊 走廊位于整个 温室的最北侧 宽为 0 8 m 考虑到植物 2 m 的生长 高度 将走廊南侧 2 m高度的空间作为作物的种植区 整个日光温室 2 m以上无植物空间作为顶部区域 如 图 3 所示 菲涅尔透镜系统放置在非种植空间的有限 区域内 曲面透镜的上端坐标原点 O 固定在坡面最高 点下 0 2 m 位置 透镜下端点 B 上下移动 保证太阳 光能够垂直入射透镜表面 最终将直射光聚焦到焦点 A 处 OB之间的圆弧为圆柱面菲涅尔透镜圆面 该圆弧的 理论圆直径为 1 m 点 A为焦点 单个菲涅尔透镜聚光系 统所占的面积为 A O B所围成的图形面积 该位置对 应太阳高度角为 73 夏至 聚光系统从夏至旋转到冬 至时 与水平面夹角变为 26 5 即 E A D 为 26 5 AOB移动到 A OB 单个透镜聚光系统的运动面积 S 如 图 3 应该等于 4 部分面积的和 扇形 OAA AOF 扇形 BOF 和弓形 OB 图3 圆柱面菲涅尔聚光系统运动面积 侧面 的求解过程 Fig 3 Solution process for moving area side of a cylindrical Fresnel concentrating system 圆柱面透镜焦距为 0 95 m AE 0 83 m 那么 OA 0 89 m ABO 68 64 OAE 21 36 DA B 5 14 求得面积 S 2 0 66m AOF OAA BOF OB SS S S S 1 顶部区域的面积为温室内部垂直高度大于 2 m 的面 积和 包括北坡面积 S N 和南坡面积 S S 之和 南坡面积 S S 计算 选取抛物线与圆线复合的南坡面方程 12 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 204 2 1 275 6 5 0 3 6 66 02 5 057 3 6 4 02 xx y xx 2 通过积分上面公式 2 并减去 2 m以下面积 得到 S S 4 19 m 2 S N 0 94 m 2 经计算 顶部区域只能摆放两 组菲涅尔透镜系统 那么温室顶部区域的空间利用效率 s 为 NS 2 25 8 s S SS 3 3 镜片的光学仿真 图 4 中 圆柱面菲涅尔透镜沿着中心轴旋转 从而 进行太阳跟踪 将倾斜入射的光线分别投影到圆截面和 轴截面 圆截面内的投影与光轴的夹角 称为轴向入射 角 将轴截面内的投影与光轴的夹角称为倾斜入射角 由于它属于单轴跟踪型 倾斜入射不可避免 a 透镜的聚光情况 a Concentrated situation of lens b 二次聚光器 带保护膜 b Secondary concentrator With protective film 图4 圆柱面菲涅尔镜和二次聚光器 Fig 4 Cylndrical Fresnel lens and secondary condenser 二次聚光器位于真空管正下方 紧贴真空管放置 二次聚光器结构如图 4b 所示 作为一个辅助的聚光器 它可以收集由于倾斜入射 制造或跟踪误差而漏出的光 线 二次聚光器中两侧面反射镜面之间的最大开口间距 为 180 mm 接收器是带有板式翅片的直流翅片式真空玻 璃管 如图所示图 5 单根玻璃管长 4 m 直径为 102 mm 板式传热翅片宽 80 mm 长 1 9 m 翅片的表面有复合材 料涂层 TiOxNy TiN 吸收率 0 9 发射率 0 08 以增加吸光率和降低发射率 弹簧管位于直径为 12 mm 的 2 个铜管之间 避免了热应力扩张 翅片与铜管通过 滚压工艺贴合 将圆柱面菲涅尔镜的三维模型导入光学软件 将材 料设为聚碳酸酯 圆柱面菲涅尔镜的光路和接收器相对 固定的条件下 光线的分布情况如图 6 所示 在太阳光 垂直入射的情况下 焦斑最小宽度为 32 mm 得到理论 最大几何聚光比 650 32 20 3 每块镜片每日固定在太阳 高度角最大的位置 对正午的太阳能进行收集 为了尽 可能多的接收太阳光 提高系统接收效率 即到达接收 面上的光线数量与透过菲涅尔透镜的光线数量之比 为了 有效的增加许用的倾斜入射角 在接收器的下方增加二次 聚光器是非常必要的 光线的焦点将重新分布在二次聚光 器的上方 并可将接收面置于新焦点位置 该圆柱面菲涅 尔镜的理论焦距为 950 mm 通过仿真发现 实际焦距为 840 mm时 接收效率最好 即原焦距位置上移 110 mm a 实物图 a Physical map b 轴向 b Axial direction c 径向 c Radial direction 注 80为板式传热翅片宽 80 mm Note 80 is the plate heat transfer fin width 图5 直流翅片式真空管及其尺寸图 Fig 5 Direct flow and finned vacuum tube and its size 注 图中数值均为上午时间 Note Numerical value is morning time in the figure 图6 菲涅尔镜片与接收器相对固定时的光线追迹视图 无二次聚光器 Fig 6 Fresnel lens concentrator ray tracing view between Fresnel lens and receiver at relative fixed without secondary concentrator 对于菲涅耳透镜的仿真研究 采用非序列光线追迹方 法 软件中常用的计算照度的方法是蒙特卡罗法 是通过 追迹大量的光子来决定照度的 可以从光源到接收器或从 接收器到光源来进行光子路径追迹 本文采用 Optical Research Associates公司开发的仿真模拟软件 LightTools进 第 4期 伍 纲等 日光温室顶部菲涅尔透镜的光热分离特性 205 行模拟和研究设计 版本号为 V7 1 0 可以通过绘制图形 来创建 观察 修改并且分析光学元件和光路 是有扩展 的数值精度和专门进行光学设计的光线追迹软件 本文中 光线选取覆盖全波长范围的可见光 参照大气质量 AM1 5 将所选光线的波长及占比按表 1 给出 另外设置光源发光 数量为 50 万条 可以保证焦斑能量分布的平滑性 表1 仿真设置可见光波长及比例 AM1 5 Table 1 Porportion of visible wavelength in simulation AM1 5 波长 Wave length nm 能量密度 Energy density W m 2 nm 1 380 0 70 430 1 21 480 1 62 530 1 54 580 1 50 630 1 39 680 1 27 730 1 13 760 0 26 将圆柱面菲涅尔透镜的三维模型导入光学仿真软件 LightTools 中 真空管接收器实际宽度为 10 cm 设置模 型的材料属性为 PC 并定义入射光和设置接收器 如图 7 所示 调整夏至和冬至这 2 d 镜片对称轴与水平面的夹 角 分别为 73 和 26 5 透镜的焦平面会随太阳高度角 的变化 上下移动 图7 聚光器接收效率和焦斑宽度在典型日 夏至和冬至 内 的变化情况 Fig 7 Varation of typical day Summer solstice SS and winter solstice WS with receiving efficiency and focal spot width 接收器位于菲涅尔正下方 840 mm 的位置时 夏至日 及冬至日午间时长分别为 4 5 2 5 h 内 接收效率近似 100 同时 在焦平面宽 10 cm范围内 夏至日及冬至日 午间时长分别为 5和 2 h 内 汇聚的光线基本都在焦平面 有效范围内 这样 在透镜当天不动的情况下 能够很好 的利用午间的入射光线 进行光热转化 同时 也不影响 上午和下午倾斜入射的太阳光 进入温室内部 图 8 可看出 随着光线轴向入射角的增大 透镜的 焦距会在焦平面上下移动 当轴向入射角为 0 即正入 射时 焦斑位置下降到焦平面下方 110 mm处 二次聚光 器放置在接收器平面上 直流翅片式真空管放置其中 焦斑不在翅片上的入射光线 经过二次聚光器后 该部 分光线聚集在真空管的下侧 当轴向入射角等于 22 5 时 焦斑所在的位置为实际焦平面的放置位置 和曲面透镜 顶点的距离为 840 mm 当轴向入射角 35 时 焦斑位置 上升到焦平面上方 142 mm处 二次聚光器能够保证大多 数光线聚集到管内壁上 在轴向入射角小于 30 时 焦平 面接收器的接收效率一直大于 96 说明在正午时间内 轴向倾斜入射对接收效率 几乎没有影响 图8 菲涅尔镜焦斑位置及接收效率随轴向入射角变化 Fig 8 Focal spot position and receiving rate of Fresnel lens with different axial incident angle 4 直射光的光学效率与集放热测试过程 直射光集热系统原理是白天利用循环导热油和油水 换热器 通过聚光器将直射光聚集在真空管上 热量通 过水流循环 收集储存在地下储热水箱内 再通过土垄 下的加热系统释放能量 提高土垄温度 系统还包括太 阳能跟踪控制器 循环泵 储热水箱 油水换热器和测 试系统 系统中的管路 油水换热器和水箱均有保温 试验的运行原理如图 9所示 1 菲涅耳透镜 2 直流翅片式真空管 3 二次聚光器 4 电动定滑轮 5 固 定端 6 辐射表 7 8 9 测温点 10 油水换热器 1 1 流量计 12 泵 13 水箱 14 数据记录仪 15 潜水泵 16 土垄 17 热水管 1 Fresnel lens 2 Directed flow and finned vacuum tube 3 Second concentrator 4 Electric crown block 5 Fixed end 6 Radiometer 7 8 9 Temperature measuring point 10 Oil water heat exchanger 11 Flowmeter 12 Pump 13 Water tank 14 Data recorder 15 Sink pump 16 Soil ridge 17 Hot water pipe 图9 集放热系统原理图 Fig 9 Schematic diagram of heat storage release system 4 1 系统组成 1 集热系统 包括东西向两排总长约 40 m 的曲面 菲涅尔透镜 如图 2b 对应长度的直流翅片式真空管 1 台 0 8 kW 的水泵 1 台 1 1 kW 的潜水泵及循环管道 聚光系统包含 40 块长约 1 m 的透镜 如图 4 透镜顶 部和南坡面最高点之间间隙为 0 2 m 聚光透镜总的集热 面积为 26 m 2 聚光集热管路内的循环导热油为 10 L 2 地下储热水箱 储热水箱蓄水体积为 2 2 m 3 为 PE 材质 四周及底部用 20 mm厚的橡塑棉进行保温 并 采用浇筑陶粒混凝土进行保温 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 206 3 土垄加温系统 包含 1台 1 1 kW 流 量 为 15 m 3 h 的潜水泵及土垄下的加热管道 其中管道选用外径为 20 mm的 PPR管 布置于土垄正下方 采用同程式布管 流量分配较均衡 4 2 系统运行模式 系统运行模式为 1 蓄热时间为 09 00 15 00 系 统运行 集热系统开始集热 将热量储存于储热水箱中 2 根据系统运行预试验结果 12 00 15 00 土垄温度与 蓄水池内水温平均温差最大 利于放热 故土垄增温系 统此段时间运行 将热量蓄积于土垄中 而且此时作物 光合作用强度较大 适当的提高土垄温度利于光合作用 此为第一放热阶段 3 夜晚 00 00 08 00 土垄加温系 统运行 向土垄放热 此为第二放热阶段 试验区内白天集热系统通过聚光器真空管收集热 量 夜晚再将吸收的热量通过土垄加温系统释放到温室 中 13 对照组无集热与土垄增温系统 试验组与对照组位 于同一温室 温室中部是钢化玻璃墙 将温室分为 2个区 域 试验处理位于温室的西侧 采用主动集放热土垄加温 方式 对照处理位于温室的东侧 无任何加温方式 4 3 栽培材料及参数测定 温室内种植的番茄品种为瑞克斯旺 中国 公司生 产的瑞粉 882 2018 年 10 月 16 日播种育苗 11 月 8 日 两心一叶 时按一垄两行定植 南北走向 垄距 1 55 m 垄高 25 cm 垄上宽 30 cm 下宽 80 cm 每垄定植 42 株 苗 每组处理 18 垄 在距离试验温室南面 5 m 开阔处 距地面 2 m 高度 对应植物冠层 处设置室外空气温度测点 14 试验区和对照区区域内从东向西选择第 5 第 11 第 14 垄作为测量垄 每垄距北墙根 2 7 4 7 6 7 m各布 置 1 个点 如图 1 所示 试验区第 11 垄中部测点下方 10 20 40 60 cm深布置 4 个测点 在非试验组离后墙 3 m 距地面 1 5 m高设置室内太 阳辐射测点 在距离试验温室南面 5 m 距地面 1 5 m高 度处设置室外太阳辐射测点 选用的 T 型温度传感器 精确度 0 2 土垄中 传感器探头做套筒处理 选用美国坎贝尔公司的 CMP3 型太阳辐射传感器 数据采集仪选用该公司生产的 CR3000 采集间隔 10 min 4 4 系统加温与光学效率计算 试验时间是 2018 年 6 月 15 日 系统开始运行后 循环的导热油不断地将真空管收集到的太阳能带到油水 换热器 再通过油水换热器给水箱中的水加热 随着油 温的升高 系统对外的散热逐渐增加 最终将达到热平 衡状态 太阳辐照度 聚光系统下方集热器进出口油温 和水箱中的水温随当地时间的变化如图 10 所示 试验系 统东西走向安装 南北一维转动 每日镜面固定 9 00 前集热效果并不理想 主要是轴向倾角过大 约 50 左右 9 00 后 随着轴向倾角的减小 系统聚光效率明显增加 水箱水温迅速升高 真空管进出口油温差 在 11 30 左右 达到最大值 15 且午间 11 00 13 00 很长时间都 保持在 10 以上 表明聚光器聚光效果良好 图10 集热系统温度变化 Fig 10 Variations of temperature of collecting system 为了更清晰的分析系统的集热性能 聚光器的集热 效率计算式如下 oi c DNI p cv TT A 4 式中 c p 为导热油 燕山石化 YD320 的定压比热 2 kJ kg 为导热油密度 0 86 kg L v 为导热油的 循环流速 4 L min T i T o 分别为进出油温 A为集热面 积 DNI 为直射辐射 W m 2 利用已有温度 可计算出该系统每小时内的平均集 热效率 本集热系统在 8 00到 9 00 之间 由于太阳轴向 倾角很大 并且不是正入射 所以其平均效率只有 8 6 9 00 到 10 00 效率提高到 17 5 11 00 到 13 00 2 h 内 集热效率达到近 45 说明本系统在聚光器每日固 定的前提下 午间集热效率较好 归一化温差 T 表示为集热器工作温度与环境温度 T e 的差值与太阳辐射值之比 公式 4 中集热器工作 温度可用进出口油温的平均值表示 即 T i T o 2 利用归 一化温差分析聚光器及集热系统的效率 可以较深刻地 了解系统的热性能参数 式 6 为归一化的集热效率 io e 2 DNI TT T T 5 co UT 6 图 11 中 当归一化温差为 0 时 集热器的散热损失为 0 此时系统达到最大效率 也称为光学效率 即拟合直线 的截距为 0 73 o 为光学效率 拟合的直线斜率为 5 37 表示此聚光系统总散热系数 U 为 5 37 W m 2 归一化 温差与集热效率之间的线性关系说明在测试油温范围内 集 热系统的所产生的辐射损失非常小 主要热损在于导热和对 流 2部分 主要来源于集热管端头和连接管路的热耗散 图11 集热器 归一化的效率曲线 Fig 11 Efficiency curve of normalizing collector 第 4期 伍 纲等 日光温室顶部菲涅尔透镜的光热分离特性 207 4 5 冬季试验区与对照区土垄加温的比较 2019 年 1 月 9 日至 14 日为连续晴天 试验区 6 d的 每日平均土垄温度为 20 2 20 5 19 9 20 8 20 7 20 4 对照区的平均土垄温度为 15 8 15 9 15 4 15 8 16 1 16 3 在 12 00 15 00 第一放热阶段 试验区分别比 对照区平均土垄温度高 4 7 4 4 4 7 5 0 4 8和 4 5 在 0 00 8 00第二放热阶段 2 区温差分别为 4 8 4 8 5 0 5 3 4 6 和 5 0 试验时段内 试验区中所测土垄 温度均高于 18 加温效果明显 对照区内土垄最高温度出现在 19 30 前后 最低温度 出现在 9 30 前后 也有文献表明日光温室内土壤栽培条件 下 15 cm深的土壤最高温度出现在 7 00 左右 15 如图 12 所示 试验区土垄温度每天出现 2 次波峰 2 次波谷 第 一次波谷出现在 12 00 后 为第一次加热开始后的 10 min 内 在此后的 3h 内 土垄温度持续上升 平均增温速率为 1 3 h 第一次波峰出现于 15 15 即停止加热后的 15 min 这是由于热量在土垄中的传递需要一定的时间 而且系统 关闭后 加热管内的热水 会继续释放热量 第二次波谷 出现 0 10 为第二次加热开始后 10 min 此后土垄温度先 升后降 第二次波峰较第一次波峰平缓 出现在 3 00 4 00 该段时间加热与土垄的放热相当 土垄温度基本不变 而 该时间段内对照区的土垄温度持续走低 8 00 后 试验区 的土垄温度下降速率明显大于对照区 这是由于试验区土 垄温度与室内空气温度的温差大 散热速率也高 图12 连续晴天条件下试验区与对照区的土垄温度比较 2019 年 1 月 9 日 1 月 14 日 Fig 12 Soil ridge temperature comparison between experimental and reference area under continual sunny days Jan 9 Jan 14 2019 4 6 土垄加温系统能耗及节能效果分析 聚光系统蓄积的热量及土垄加温管道释放的热量 可通过下式 14 计算 oc ic c t w cw w Q vCT T 7 end start c c t cc t t QQ 8 ir or rt w r w w Qv C TT 9 end start r r t rr t t QQ 10 式中 Q t 为在时间 t内系统平均蓄积或释放的热量 kJ w 为水的密度 取值 1 0 10 3 kg m 3 w v 为集热装置循环水 的总体积 m 3 w C 为水的比热 取值 4 2 kJ kg T 为 在时间 t 集热装置平均水温 c Q 为集热装置蓄积的 热量 kJ t为测试期间 记录数据的时间间隔取 10 min 脚标 start end 分别为运行的起 止时刻 脚标 c r 分 别为集热 放热工况 脚标 i o 分别为进出水 系统集热时段是白天 9 00 15 00 集热量 Q c 通过式 7 和式 8 计算 而 12 00 15 00 0 00 8 00 加温 管道向土垄放热 不同时段的放热量 Q r 均通过式 9 和 式 10 计算 集热效率 c 为循环水获得的能量 ct Q 与到达聚光器 表面的太阳辐射量 s t Q 的比值 放热效率 r 为通过土垄加 温系统循环水释放的能量 rt Q 与集热系统收集能量 ct Q 的比值 ct c s t Q Q 11 rt r ct Q Q 12 式中 stcc t QAI 其中 c A 为集热面积 m 2 ct I 为时间 t内 透镜表面的太阳辐射强度的平均值 W m 2 试验期间的 1 d 定义为从该日的 8 30至次日 8 30 如年 1月 10 日定义为 1月 10 日 8 30至 1 月 11 日 8 30 土垄加温系统的 COP coefficient of performance 为 1 d 内系统向土垄有效放热量与系统运行耗电量的比值 16 wp COP r Q Q 13 式中 wp Q 系统一周期循环水泵的耗电量 kJ 若将系统运行期间总的放热量为电加热产生的热 量 系统节能率 17 可根据式 14 计算 tot wp tot e tot r r QQ Q 14 式中 e 为系统加热的节能率 tot r Q 为系统运行期间总的 放热量 kJ wp tot Q 为系统运行期间总的耗电量 kJ 将连续晴天 2019 年 1月 9日 14 日系统蓄热量 释 放热量和透镜表面太阳总辐射量统计如表 2 所示 试验 组的平均能量利用率为 58 2 15 00 0 00 土垄放热系 统关闭时间 蓄水池能量散失平均值为 9 6 MJ 散失总 量占总蓄热量的 11 储热水箱的保温性能有待提高 聚光器平均集热效率为 64 7 该聚光集热土垄加温系统 的平均 COP 为 1 5 1 9 土垄加温系统有 2 个放热阶段 分别是 12 00 15 00 Day 和次日的 00 00 08 00 Night 连续晴天状况 下 2 个阶段土垄加热管道释放的热量 功率如表 3所示 其中放热功率是单位放热时间的放热量 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 208 表2 系统太阳总辐射量及蓄积 释放的能量 Table 2 Overview of total solar radiation quantities collected and released energy 日期 Date 透镜表面太阳总辐射量 Total quantity of solar radiation on suface of lens Q s MJ 收集的热量 Collected heat capacity Q c MJ 集热效率 Heat collecting efficiency c 释放的热量 Released heat capacity Q r MJ 能量利用效率 Utilization ratio of heat r 性能系数 COP 2019 01 09 146 99 68 59 60 1 8 2019 01 10 141 85 60 59 69 1 7 2019 01 11 142 78 55 57 73 1 7 2019 01 12 159 93 58 63 68 1 9 2019 01 13 158 89 56 49 55 1 5 2019 01 14 162 84 52 53 63 1 8 表3 晴天状况下土垄加温系统不同放热阶段释放的热量 Table 3 Released energy of soil ridge heating system in different periods under continual sunny days 日期 Date 放热时间 Released heat time 放热功率 Released heat power kW 放热总量 Heat release capacity Q r tot MJ 节能率 Energy saving rate 白天 2 3 24 2019 01 10 晚上 3 3 94 56 白天 2 0 21 2019 01 11 晚上 3 3 95 55 白天 2 0 22 2019 01 12 晚上 3 2 92 54 白天 2 2 24 2019 01 13 晚上 3 5 102 59 白天 2 1 23 2019 01 14 晚上 2 6 75 47 如表 2所示 2个阶段的放热功率不同 白天 12 00 15 00 时段平均放热功率为 2 1 kW 夜间 0 00 8 00 时段的平均放热功率为 3 2 kW 白天外界气温较高 土 垄自身温度也在上升 由于土垄与热水之间的温差减小 所以系统的放热量下降 而到了夜间 室内空气温度较 低 土垄向空气传热 因此水管放热功率较白天要大很 多 日均消耗电量 52 MJ 系统释放出的热量分别为 118 116 114 126 98 MJ 由式 9 得其节能率分别为 56 55 54 59 47 节能效果明显 5 散射光下植物的光环境 对比散射光环境对温室的影响 发现试验区全天光 照度减小约为 10 40 聚光曲面透镜在光线入射时 利用自然界中的直射光进行光热转化 并不影响穿过透 镜的散射光对温室的影响 通过对第二部分温室横截面 的计算 种植区域的面积约为 10 59 m 2 夏至日太阳高度 角最高 北京地区为 73 遮挡植物区域的面积最大 为 1 67 m 2 面积占比为 15 8 冬至日太阳高度角最低 北 京地区为 26 5 遮挡植物区域的面积最小 为 0 66 m 2 面积占比为 6 25 图 1 所示 3 个测点 A B C 均位于 4 m 长的透镜 系统中央下方 和北墙距离分别为 2 2 3 2和 4 5 m 高 度为 2 m 的位置 由于透镜将直射光汇聚到接收器上 故透镜下方的植物受到遮挡 测得光照度大部分为散射 光的光照度 总值有所降低 如图 13 所示 试验区为有 透镜集热系统的区域 非试验区为无遮挡对照区 日光 温室内光照的分布因位置的差别 光照度差异很大 2 m 为植物冠层高度 光照度值有一定的代表性 经观测有 以下几个趋势 第一 透镜下方在南北水平方向 由温 室南沿至后墙 北墙 光照度逐渐减少 其中北侧 A 点的日累计光照度值比南侧 C 点减少 30 左右 第二 试验区的光照度与非试验区的比值 表 4 全天值基本 在 60 90 之间 午间时稳定在 80 左右 a 冬至日附近 12月 19日 a Near winter solstice Dec 19 b 夏至日附近 6月 26日 b Near summer solstice Jun 26 图13 日光温室内光照度的空间分布 Fig 13 Space distribution of light intensity within solar greenhouse 表4 试验区与非试验区光照度的比值 Table 4 Ratio of illumination between pilot and nonpilot site 时刻 Time 日期 Date 测点 Measrue point 9 00 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 A A 0 90 1 08 0 94 0 76 0 80 0 55 0 48 B B 0 47 0 69 0 63 0 79 0 71 1 14 1 00 夏至 Summer solstice C C 0 57 0 66 0 70 0 78 0 78 0 88 0 89 A A 0 95 0 93 0 93 0 88 0 87 0 86 0 81 B B 1 08 0 96 0 92 0