紀(jì)文鵬,徐微微,宋衛(wèi)堂,2* ,岳李煒 ,何雪穎

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京 100083； 2.農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

太陽(yáng)能-毛細(xì)管蓄放熱系統(tǒng)的性能研究

紀(jì)文鵬1,徐微微1,宋衛(wèi)堂1,2*,岳李煒1,何雪穎1

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京 100083； 2.農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

[目的]研究解決日光溫室冬季夜間溫度過(guò)低，難以滿(mǎn)足作物正常生長(zhǎng)需求的問(wèn)題。[方法]在前人研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并建造了一種以毛細(xì)管為熱交換器的太陽(yáng)能-毛細(xì)管蓄放熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)以水為蓄熱介質(zhì)，通過(guò)水循環(huán)將白晝溫室過(guò)余的太陽(yáng)能存儲(chǔ)在水中；夜間再通過(guò)水循環(huán)將熱量釋放回溫室中，起到增溫效果。[結(jié)果]在晴朗天氣下，白晝水溫升溫明顯，可提高4.9 ℃以上水溫，蓄熱量在207.8 MJ以上，單位蓄熱量可達(dá)5.0 MJ· m-2；在放熱階段，放熱量在110～140 MJ之間，夜間可提高室內(nèi)氣溫2.7 ℃以上。[結(jié)論]增溫效果顯著，表明系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)熱量在空間、時(shí)間上的轉(zhuǎn)移、利用，達(dá)到削峰填谷的作用。

毛細(xì)管； 蓄放熱； 日光溫室； 太陽(yáng)能

日光溫室是我國(guó)獨(dú)有的一種園藝設(shè)施結(jié)構(gòu)形式，具有卓越的保溫、節(jié)能特性[1]，在我國(guó)北方地區(qū)的冬季，可以實(shí)現(xiàn)不加溫生產(chǎn)喜溫蔬菜。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和技術(shù)的不斷進(jìn)步，近年來(lái)有關(guān)日光溫室的問(wèn)題也日益增多，其中最突出的是溫室內(nèi)的環(huán)境調(diào)控問(wèn)題[2]。

針對(duì)溫室冬季夜間氣溫較低的問(wèn)題，多年來(lái)，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者圍繞如何提高日光溫室對(duì)太陽(yáng)能的利用，提高蓄放熱能力開(kāi)展了大量研究[3]。總體而言，大部分研究均是從增強(qiáng)后墻蓄熱能力的思想出發(fā)，這種被動(dòng)蓄放熱能力的提升有限，夜間低溫尤其是下半夜低溫問(wèn)題仍沒(méi)有徹底解決[4～7]。

近年來(lái)，將白晝多余的太陽(yáng)能，以各種方式存儲(chǔ)下來(lái)，在夜間溫度較低時(shí)主動(dòng)釋放回溫室中，這種主動(dòng)蓄放熱的方式逐漸成為研究熱點(diǎn)。馬承偉等[8]在塑料大棚中應(yīng)用地中熱交換系統(tǒng)，能有效地存貯太陽(yáng)能并用于夜間加溫，在不燃燒化石能源的情況下可以在夜間維持10 ℃左右的棚內(nèi)外溫差。陳光等[9]在溫室中使用聚烯烷樹(shù)脂材料的太陽(yáng)能集熱器將熱量存儲(chǔ)在水箱和淺層土壤中，平均蓄熱熱流率為170 W·m-2。方慧等[10～12]在日光溫室中使用基于熱泵的淺層土壤水媒蓄放熱裝置，夜間開(kāi)啟熱泵機(jī)組后，試驗(yàn)溫室空氣溫度和土壤溫度分別比對(duì)照溫室高5.7和2.9 ℃。但這種將熱量存儲(chǔ)在淺層土壤的蓄熱方式，雖然增加了土壤在白晝的蓄熱量，夜間釋放熱量無(wú)法控制開(kāi)啟，還屬于被動(dòng)蓄放熱的方式。孫維拓等[13～15]應(yīng)用主動(dòng)蓄放熱-熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)，試驗(yàn)溫室夜間氣溫高出5.3～6.6 ℃。利用地源熱泵系統(tǒng)可以顯著提高日光溫室夜間氣溫和土壤溫度，但地源熱泵投資高，運(yùn)行費(fèi)用高，不利于推廣使用。王順生等[16]研發(fā)了太陽(yáng)能集熱調(diào)溫試驗(yàn)裝置，研究表明該裝置可使白晝水溫提高20 ℃以上，夜間用蓄積的熱量加溫，可使室內(nèi)氣溫平均提高約1.7 ℃以上。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所研發(fā)的后墻水幕簾蓄放熱系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)張義、李文、梁浩和方慧多人的改進(jìn)[17～20]，運(yùn)行金屬膜集放熱裝置能將溫室夜間最低氣溫提高2.4 ℃，裝置的集熱效率為83%。后墻水幕簾蓄放熱裝置太陽(yáng)能利用率高，夜間升溫明顯，但裝置容易損壞，水流不均勻。I. Attar等[21, 22]在小型溫室中使用外置式的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，可將室內(nèi)溫度提高5 ℃。Khalid A. Joudi等[23]在伊拉克地區(qū)使用空氣加熱器，可使夜間溫度保持在18 ℃。姜宜琛等[24]利用日光溫室骨架管網(wǎng)水循環(huán)集放熱系統(tǒng)，研究表明系統(tǒng)日均蓄熱量為149 MJ，平均提高夜間室溫2.4 ℃。夏楠等[25]改進(jìn)日光溫室骨架蓄熱與加溫系統(tǒng)，研究表明晴朗天氣系統(tǒng)蓄熱量至少為388.11 MJ，夜間可提高室內(nèi)氣溫3.9～8.8 ℃。但骨架管網(wǎng)集放熱系統(tǒng)只能在溫室新建時(shí)安裝，無(wú)法適用于已建溫室。

在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)日光溫室冬季夜間補(bǔ)溫的問(wèn)題，利用已經(jīng)工廠化生產(chǎn)的毛細(xì)管，設(shè)計(jì)了一種以毛細(xì)管作為熱交換器的太陽(yáng)能-毛細(xì)管蓄放熱系統(tǒng)：以水作為蓄熱介質(zhì)，利用水循環(huán)在白晝將溫室中過(guò)余的太陽(yáng)輻射熱存儲(chǔ)到水中；在夜間需要補(bǔ)溫時(shí)，溫度較高的水流經(jīng)毛細(xì)管，通過(guò)毛細(xì)管壁加熱溫室內(nèi)氣體，來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量在時(shí)間、空間上的轉(zhuǎn)移，提高對(duì)太陽(yáng)能的利用率，以期解決冬季日光溫室夜間溫度過(guò)低影響作物正常生長(zhǎng)的問(wèn)題。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)溫室

本試驗(yàn)是在北京市通州區(qū)潞城鎮(zhèn)中農(nóng)富通園藝有限公司通州基地(39.8°N，116.7°E)的日光溫室中進(jìn)行的。試驗(yàn)時(shí)間為2017年1月～3月。溫室東西長(zhǎng)50 m，南北跨度8 m，脊高3.8 m，后墻高2.6 m。溫室北墻、后坡、東西兩側(cè)山墻均采用雙層160 mm聚苯乙烯泡沫板裝配而成，泡沫板內(nèi)外涂抹3 mm抗裂砂漿，無(wú)其他加溫設(shè)備。溫室內(nèi)土壤栽培番茄。為了考察太陽(yáng)能-毛細(xì)管蓄熱系統(tǒng)在夜間對(duì)溫室的增溫效果，在溫室東西方向的中線位置，用PC板分隔成東、西兩個(gè)溫室，其中西側(cè)溫室安裝太陽(yáng)能-毛細(xì)管蓄放熱系統(tǒng)作為試驗(yàn)溫室，東側(cè)溫室不安裝增溫設(shè)備，作為對(duì)照溫室。

聚苯乙烯材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.030 W·m-1·℃-1，保溫性能較好，但由于沒(méi)有了傳統(tǒng)日光溫室的蓄放熱后墻，就不具備白天蓄積熱量、夜間釋放熱量以提高室內(nèi)溫度的能力。本研究選用無(wú)墻體蓄熱功能的裝配式日光溫室，可以消除后墻放熱對(duì)本蓄放熱系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.2 毛細(xì)管

本研究采用PPR材質(zhì)的G-Mat型(提供公司為德國(guó)Clina公司)毛細(xì)管，如圖1所示。毛細(xì)管外徑為4.3 mm，管壁厚為0.8 mm，長(zhǎng)1.8 m，相鄰兩毛細(xì)管間距10 mm，單片毛細(xì)管總數(shù)量為96根。每片毛細(xì)管網(wǎng)長(zhǎng)1.8 m、寬1.0 m，有效集熱面積0.74 m2(按毛細(xì)管網(wǎng)在太陽(yáng)照射下的投影面積計(jì)算)，比有效集熱面積(有效集熱面積與毛細(xì)管網(wǎng)外形面積之比)為0.41 m2· m-2毛細(xì)管面積；整個(gè)網(wǎng)片是由加入炭黑的聚丙烯材料制成。

圖1 G-Mat型毛細(xì)管網(wǎng)示意圖Fig.1 The sketch of G-mat capillary tube 注：兩相鄰毛細(xì)管間距A=10 mm;總寬度B=1 000 mm;總長(zhǎng)度L=1 800 mm。Note: The space of two adjacent capillary tube A=10 mm; the total width B=1 000 mm; the total length

1.3 試驗(yàn)裝置及工作過(guò)程

如圖2所示，太陽(yáng)能-毛細(xì)管蓄放熱系統(tǒng)主要包括蓄水池、潛水泵、水表、過(guò)濾網(wǎng)、閥門(mén)、毛細(xì)管網(wǎng)、排氣閥、供水管、回水管、同程回水管等部分組成。

圖2 太陽(yáng)能-毛細(xì)管集熱裝置示意圖Fig.2 The schematic diagram of capillary tube solar heat collection device 注:1.蓄水池 2.潛水泵 3.供水管 4.毛細(xì)管網(wǎng) 5.回水管 6.同程回水管 7.排氣閥Note: 1. Reservoir 2. Pump 3. Water supply pipe 4. Capillary nets 5. Water retum pipe 6. Water reverse retum pipe 7. Exhaust

如圖2所示蓄水池有效蓄水容積12.9 m3, 長(zhǎng)4.2 m，寬2.2 m，高1.4 m，位于溫室東西方向中線南墻角位置。試驗(yàn)中水池蓄水量為10 m3，內(nèi)壁做防滲處理。潛水泵功率550 W，揚(yáng)程10 m，額定流量10 m3·h-1。水泵實(shí)測(cè)流量為2.7 m3·h-1。供水和回水主管使用φ40 mm的PPR管；供回水支管均采用φ32 mm的PPR管；所有管道做保溫處理。

兩片毛細(xì)管串聯(lián)起來(lái)形成一組，組與組之間再并聯(lián)起來(lái)，連接在供水管和回水管之間。長(zhǎng)度為25 m的后墻布置了23片毛細(xì)管網(wǎng)，共11組并聯(lián)毛細(xì)管網(wǎng)組和一個(gè)單片，總有效蓄熱面積為17.02 m2；采用下端進(jìn)水、上端出水的水循環(huán)方式。在回水同程系統(tǒng)下，各組毛細(xì)管形成的環(huán)路阻力基本平衡，系統(tǒng)初始端及末端的毛細(xì)管網(wǎng)組的蓄熱、散熱效果比較接近，不會(huì)出現(xiàn)各組毛細(xì)管之間溫差較大的情況，是較為理想的布置方式。

太陽(yáng)能-毛細(xì)管蓄放熱系統(tǒng)是以水作為蓄熱介質(zhì)，以毛細(xì)管網(wǎng)作為熱交換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的收集、輸送、貯存和釋放。

集蓄熱過(guò)程：白天，毛細(xì)管在受到太陽(yáng)光照射后，表面接收太陽(yáng)輻射，管網(wǎng)溫度升高，同時(shí)還會(huì)與周?chē)臒峥諝膺M(jìn)行對(duì)流換熱。當(dāng)室內(nèi)氣溫高于20 ℃且高于水溫2 ℃以上時(shí)，水泵開(kāi)啟，蓄水池中的水流經(jīng)毛細(xì)管時(shí)與毛細(xì)管管壁發(fā)生熱交換，帶走熱量從而水溫升高，然后返回蓄水池中；如此反復(fù)循環(huán)，蓄水池中的水溫不斷升高，將大量的太陽(yáng)能存儲(chǔ)在水中。當(dāng)室內(nèi)氣溫低于20 ℃或不高于水溫后，水泵關(guān)閉，集蓄熱過(guò)程停止。

散熱過(guò)程：夜間，當(dāng)室內(nèi)氣溫下降到14.5 ℃且水溫高于氣溫4 ℃以上時(shí)，水泵開(kāi)啟，溫度較高的水流經(jīng)毛細(xì)管，通過(guò)管壁與室內(nèi)空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，將白天存儲(chǔ)的太陽(yáng)能釋放到溫室中，以提高溫室夜間的氣溫。當(dāng)溫室內(nèi)氣溫升高到17 ℃或水溫與氣溫的差值不高于4 ℃時(shí)，水泵關(guān)閉，散熱過(guò)程停止。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 試驗(yàn)儀器

所用儀器主要包括T型熱電偶，工作溫度為-100 ℃～350 ℃；太陽(yáng)總輻射傳感器，量程為0～1 280 W·m-2，精度為±10 W·m-2。所有溫度數(shù)據(jù)由熱電偶測(cè)量，測(cè)量氣溫?zé)犭娕甲龇垒椛涮幚恚惶?yáng)總輻射數(shù)據(jù)由太陽(yáng)總輻射傳感器測(cè)量。熱電偶所測(cè)溫度數(shù)據(jù)通過(guò)安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集、記錄；光照數(shù)據(jù)通過(guò)H21-002 HOBO數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)采集、記錄；室外氣象條件包括室外氣溫、室外太陽(yáng)輻照值、室外光合有效輻射、風(fēng)速和風(fēng)向等數(shù)據(jù)由HOBO室外氣象站采集、記錄。以上數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔均設(shè)置為10 min。

1.3.2 測(cè)點(diǎn)布置

室內(nèi)空氣測(cè)點(diǎn)布置：如圖3(a)溫室剖面圖和圖3(b)西側(cè)溫室俯視圖所示，在東、西半側(cè)溫室長(zhǎng)度的三分點(diǎn)(即距溫室東西方向中線8.0 m和16.0 m)、南北跨度的四分點(diǎn)(即距后墻的水平距離分別為2. 0 m、4.0 m、6.0 m)的位置處布置，距地面高度為0.8 m和1.5 m，其中最南側(cè)只布置距地面0.8 m的熱電偶，測(cè)量毛細(xì)管附近的氣溫的熱電偶布置在后墻中間的毛細(xì)管網(wǎng)旁邊，距地面高度1.5 m。東、西兩側(cè)空氣測(cè)點(diǎn)位置關(guān)于溫室中線對(duì)稱(chēng)。

圖3 溫度及光照測(cè)點(diǎn)剖視圖(a)及俯視圖(b)Fig.3 The section view(a) and top view(b) of the temperature and solar radiation measuring points

水溫測(cè)點(diǎn)布置：如圖3(a)溫室剖面圖所示，水池水溫使用兩根熱電偶測(cè)量，在蓄水池液面高度的三分點(diǎn)位置布置(距水池底部垂直距離分別為0.33 m和0.66 m)；供水水溫和回水水溫分別設(shè)置在供水主管前端和回水主管末端。

毛細(xì)管管外壁溫度測(cè)點(diǎn)布置：布置在后墻中間的毛細(xì)管網(wǎng)旁邊，距地面高度為1.5 m。

太陽(yáng)輻照值測(cè)點(diǎn)布置：布置在后墻中間的毛細(xì)管網(wǎng)旁邊，距地面高度為1.5 m。

1.3.3 系統(tǒng)運(yùn)行控制

系統(tǒng)的運(yùn)行由PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)控制，通過(guò)比較室內(nèi)氣溫和蓄水池水溫進(jìn)行調(diào)控。在蓄熱階段，達(dá)到設(shè)定的蓄熱條件時(shí)開(kāi)始蓄熱，當(dāng)溫室條件不能達(dá)到設(shè)定的蓄熱開(kāi)啟條件時(shí)系統(tǒng)關(guān)閉；當(dāng)夜間室內(nèi)氣溫較低，達(dá)到預(yù)設(shè)的放熱條件時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)，對(duì)周?chē)h(huán)境釋放白晝蓄積的熱量，當(dāng)室內(nèi)溫度上升至17 ℃或水溫與氣溫的溫差不足4 ℃時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉，放熱過(guò)程結(jié)束。

2 結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)蓄熱性能的理論分析

系統(tǒng)所蓄熱量，主要來(lái)源于接收太陽(yáng)輻射的熱量和空氣對(duì)水的對(duì)流換熱。

其中空氣對(duì)水的對(duì)流換熱可以分為3個(gè)過(guò)程，即水與毛細(xì)管管內(nèi)壁的對(duì)流換熱、熱量在管內(nèi)、外壁之間的熱傳導(dǎo)，以及空氣與管外壁的對(duì)流換熱[26]。

2.1.1 空氣對(duì)水的對(duì)流換熱量

系統(tǒng)啟動(dòng)階段，水在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，流經(jīng)毛細(xì)管時(shí)，與毛細(xì)管內(nèi)壁充分接觸，發(fā)生對(duì)流換熱，因水泵的機(jī)械動(dòng)力，水的自然流動(dòng)可以忽略，認(rèn)為水與管內(nèi)壁之間只存在強(qiáng)迫對(duì)流。水與管內(nèi)壁通過(guò)對(duì)流換熱所獲得的熱量Qs為：

(1)

式中：Qs為水與管內(nèi)壁通過(guò)對(duì)流傳熱傳遞的熱量/J；τ1為初始時(shí)間；τ2為結(jié)束時(shí)間；hg-w為管與水的對(duì)流換熱系數(shù)/ W·m-2·℃-1；S為毛細(xì)管表面積/m2;tgn為毛細(xì)管內(nèi)壁溫度/℃；tw為毛細(xì)管內(nèi)水溫/℃。

假設(shè)管內(nèi)外壁之間的熱傳遞過(guò)程為穩(wěn)態(tài)過(guò)程，管內(nèi)外壁之間通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞的熱量為：

(2)

式中：Qg為管壁傳導(dǎo)的熱量/J；A為導(dǎo)熱面積/m2；λ為管壁厚度/m；δ為毛細(xì)管壁的導(dǎo)熱系數(shù)/W·m-1·℃-1，tgw、tgn分別為管外、內(nèi)壁溫度/℃。

由于溫室內(nèi)空間巨大，管壁與空氣的對(duì)流傳熱可認(rèn)為是大空間自然對(duì)流換熱。管壁與空氣的對(duì)流換熱量Qk為：

(3)

式中：Qk為管壁與空氣通過(guò)對(duì)流換熱傳遞的熱量/J；hg-k為空氣與管壁的對(duì)流換熱系統(tǒng)/W·m-2·℃-1；S為換熱面積/m2；tk為室內(nèi)空氣溫度/℃。

2.1.2 系統(tǒng)接收的太陽(yáng)輻射熱量

水從太陽(yáng)輻射中獲得的熱量為：

(4)

式中：Qf-s為系統(tǒng)從太陽(yáng)輻射中獲得的熱量/J；I為系統(tǒng)表面接收的太陽(yáng)輻照值/W·m-2；A為系統(tǒng)接收太陽(yáng)輻射的表面積/m2。

2.1.3 系統(tǒng)的蓄熱量與蓄熱效率

系統(tǒng)的理論蓄熱量為系統(tǒng)從太陽(yáng)輻射中獲得的熱量與空氣對(duì)水的對(duì)流換熱熱量的總和，根據(jù)公式(1)～公式(4)聯(lián)立，得到

(5)

式中：Qs為水的理論蓄熱量/J；Qk-s為空氣對(duì)水的對(duì)流換熱量。

系統(tǒng)通過(guò)水在系統(tǒng)中不斷地循環(huán)積累熱量，可以通過(guò)蓄水池中水的溫升來(lái)計(jì)算當(dāng)天實(shí)際的蓄熱量。

(6)

式中：Qx為系統(tǒng)的實(shí)際蓄熱量/J；c為水的比熱容/4.2×103J·kg-1·℃-1；V為蓄水池中水的體積/10 m3；t1為蓄熱階段停止時(shí)水的溫度/℃；t0為蓄熱階段啟動(dòng)時(shí)水的溫度/℃。

系統(tǒng)蓄熱效率，是系統(tǒng)實(shí)際的蓄熱量與通過(guò)熱模型計(jì)算得到的理論蓄熱量的比值。

(7)

2.2 典型天氣系統(tǒng)蓄放熱過(guò)程分析

2.2.1 典型晴天天氣蓄放熱過(guò)程

如圖4所示，選取晴天典型天氣2月24日的數(shù)據(jù)對(duì)全天蓄放熱過(guò)程進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 2月24日室內(nèi)氣溫、水溫變化Fig.4 The changing of air temperature and water temperature on Feb.24th

集蓄熱階段：早上7：40揭開(kāi)保溫被后，室內(nèi)氣溫開(kāi)始上升，當(dāng)8：30室內(nèi)氣溫上升到23.9 ℃，超過(guò)20 ℃，此時(shí)水溫為20.1 ℃，達(dá)到系統(tǒng)開(kāi)啟條件，水泵啟動(dòng)，水在系統(tǒng)中不斷循環(huán)，流經(jīng)毛細(xì)管時(shí)與毛細(xì)管內(nèi)壁對(duì)流換熱，將熱量帶回到蓄水池中，水溫持續(xù)上升，熱量不斷蓄積在水池中。當(dāng)下午16：30室內(nèi)氣溫下降到24.5 ℃，此時(shí)水溫為25.0 ℃，水泵關(guān)閉，蓄熱階段結(jié)束。

放熱階段：晚上22：40時(shí)，溫室氣溫下降到14.5 ℃，此時(shí)水溫為24.9 ℃，達(dá)到系統(tǒng)開(kāi)啟條件，水泵啟動(dòng)，溫度較高的水流經(jīng)毛細(xì)管時(shí)通過(guò)毛細(xì)管壁將熱量釋放回溫室中。在第二天上午7：50時(shí)，因?yàn)闇厥冶乇灰呀议_(kāi)，室內(nèi)溫度上升至20.6 ℃，此時(shí)水溫為22.5 ℃，水泵關(guān)閉，放熱階段結(jié)束。

水的熱量來(lái)源主要是太陽(yáng)輻射和空氣對(duì)水的對(duì)流傳熱，如表1，根據(jù)所建的熱模型公式，取3天典型晴天數(shù)據(jù)，得到晴天天氣下系統(tǒng)接收的平均太陽(yáng)輻射熱量為191.7 MJ，占總理論蓄熱量83.0%，平均通過(guò)對(duì)流換熱所獲得的熱量為39.4 MJ，占總理論蓄熱量17.0%。根據(jù)水的溫升得到平均實(shí)際蓄熱量為198.6 MJ，系統(tǒng)的平均蓄熱效率為86.0%。

2.2.2 典型多云天氣蓄放熱過(guò)程分析

選取多云典型天氣2月22日的數(shù)據(jù)對(duì)全天蓄放熱過(guò)程進(jìn)行分析，如圖5所示。

集蓄熱階段：早上9：00揭開(kāi)保溫被后，室內(nèi)氣溫開(kāi)始上升，當(dāng)9：30室內(nèi)氣溫上升到20.1 ℃，超過(guò)20 ℃，此時(shí)水溫為16.8 ℃，達(dá)到系統(tǒng)開(kāi)啟條件，水泵啟動(dòng)，水在系統(tǒng)中不斷循環(huán)，流經(jīng)毛細(xì)管時(shí)與毛細(xì)管內(nèi)壁對(duì)流換熱，將熱量帶回到蓄水池中，水溫持續(xù)上升，熱量不斷蓄積在水池中。當(dāng)下午16：30室內(nèi)氣溫下降到21.0 ℃，此時(shí)水溫為19.6 ℃，水泵關(guān)閉，蓄熱階段結(jié)束。

表1 晴天天氣下系統(tǒng)蓄熱與放熱過(guò)程

圖5 2月22日室內(nèi)氣溫、水溫變化Fig.5 The changing of air temperature and water temperature on Feb.22th

放熱階段：晚上0：00時(shí)，溫室氣溫下降到14.2 ℃，此時(shí)水溫為19.5 ℃，達(dá)到系統(tǒng)開(kāi)啟條件，水泵啟動(dòng)，溫度較高的水流經(jīng)毛細(xì)管時(shí)通過(guò)毛細(xì)管壁將熱量釋放回溫室中。在第二天上午8：10時(shí)，因?yàn)闇厥冶乇灰呀议_(kāi)，室內(nèi)溫度上升至18.7 ℃，此時(shí)水溫為17.8 ℃，水泵關(guān)閉，放熱階段結(jié)束。

如表2，根據(jù)所建的熱模型公式，取3天典型多云天氣數(shù)據(jù)，得到多云天氣下系統(tǒng)接收的平均太陽(yáng)輻射熱量為118.3 MJ，占總理論蓄熱量83.7%，平均通過(guò)對(duì)流換熱所獲得的熱量為31.4 MJ，占總理論蓄熱量16.3%。根據(jù)水的溫升得到平均實(shí)際蓄熱量為125.4 MJ，系統(tǒng)的平均蓄熱效率為83.9%。

表2 多云天氣下系統(tǒng)蓄熱與放熱過(guò)程

根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在兩種天氣下，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)流換熱所獲得的熱量差距不大，這是因?yàn)樵谡Ｉa(chǎn)中，通風(fēng)換氣是降低白天室內(nèi)氣溫和補(bǔ)充CO2必須的操作，室內(nèi)溫度一般保持在20～25 ℃，所以不同天氣狀況下空氣與水的溫差比較相近；太陽(yáng)輻射的熱量是系統(tǒng)蓄熱量的主要來(lái)源，所以天氣狀況是影響系統(tǒng)蓄熱性能的主要因素。

2.2.3 典型雨雪天氣蓄放熱過(guò)程分析

選取典型雨雪天氣2月21日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖6所示。因?yàn)樾⊙┨鞖庀掳滋焯?yáng)輻射較弱，試驗(yàn)溫室最高氣溫為19.4 ℃，未達(dá)到系統(tǒng)啟動(dòng)條件，所以全天無(wú)蓄熱過(guò)程。下午16：40時(shí)，試驗(yàn)溫室和對(duì)照溫室氣溫分別為11.0 ℃和11.9 ℃，對(duì)照溫室氣溫比試驗(yàn)溫室高0.9 ℃，水溫為19.8 ℃，手動(dòng)開(kāi)啟系統(tǒng)，試驗(yàn)溫室由于系統(tǒng)放熱，溫度開(kāi)始升高。次日上午7：00，試驗(yàn)溫室和對(duì)照溫室氣溫分別為13.7 ℃和12.3 ℃，試驗(yàn)溫室比對(duì)照溫室高1.4 ℃，系統(tǒng)提高室溫約2.3 ℃。但從圖6.(b)中可以看出，下午16：40后對(duì)照溫室的氣溫也有明顯的上升，說(shuō)明東西側(cè)溫室之間的PC板材隔熱性能較弱，系統(tǒng)釋放到試驗(yàn)溫室的熱量部分通過(guò)PC板傳導(dǎo)到對(duì)照溫室中，因此可以推斷，蓄放熱系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)溫室的增溫效果不止提高2.3 ℃。

圖6 2月21日兩溫室氣溫、水溫變化圖(a)及對(duì)照溫室氣溫和水溫變化圖(b)Fig.6 The changing of air temperature of two greenhouse, water temperature and solar radiation on Feb.21th

2.3 不同天氣條件下系統(tǒng)的蓄放熱性能及對(duì)溫室增溫分析

選取2月19～24日連續(xù)6 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行蓄放熱系統(tǒng)分析，這段時(shí)間包含晴、雪、多云、霧霾等多種天氣條件，屬于比較典型的時(shí)間段，數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 2月19日-24日氣溫、水溫及太陽(yáng)輻照值變化Fig.7 The changing of air temperature, water temperature and solar radiation on Feb.19th to 24th

因天氣預(yù)報(bào)21日是小雪天氣，考慮到第二天太陽(yáng)輻照值較低，室外溫度較低，所以20日夜間手動(dòng)停止系統(tǒng)，未進(jìn)行放熱。21日因室內(nèi)氣溫始終沒(méi)有達(dá)到系統(tǒng)蓄熱條件，所以該日沒(méi)有蓄熱過(guò)程，下午16：30手動(dòng)開(kāi)啟系統(tǒng)，開(kāi)始放熱。

依據(jù)2.1節(jié)中對(duì)系統(tǒng)蓄熱性能進(jìn)行的理論分析，整理2月19—24日蓄放熱效果如表3所示。

表3 2月19日—24日系統(tǒng)蓄放熱效果

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，晴朗天氣下系統(tǒng)的蓄熱量在200 MJ左右，蓄熱效率在85%左右；多云天氣下系統(tǒng)的蓄熱量在120 MJ以上，蓄熱效率可達(dá)87.4%；霧霾天氣下系統(tǒng)的蓄熱量在90 MJ以上，蓄熱效率只有70%左右；而在雨雪天氣下，因?yàn)樘?yáng)輻射較弱，溫室內(nèi)氣溫較低，若室內(nèi)氣溫?zé)o法達(dá)到系統(tǒng)啟動(dòng)條件，全天無(wú)蓄熱過(guò)程。由此可見(jiàn)，晴朗天氣下的蓄熱量遠(yuǎn)高于多云和霧霾天氣，系統(tǒng)的蓄熱效果受天氣影響較大，與2.2中所得到的結(jié)論一致。

2月23日和2月24日的天氣條件都為晴天，但24日室外單位面積太陽(yáng)全天總輻射量比23日高29%，而24日蓄熱量?jī)H比23日多6%，這是因?yàn)?3日蓄熱階段初始水溫為17.9 ℃，而24日蓄熱階段初始水溫為19.5 ℃，水溫較高降低了空氣與水的溫差，使系統(tǒng)從空氣與水對(duì)流換熱所獲得的熱量降低，24日蓄熱效率反而比23日降低了2.1%，說(shuō)明初始水溫的高低對(duì)蓄熱性能也有一定影響。

3 結(jié)論及討論

通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能-毛細(xì)管蓄放熱系統(tǒng)在溫室白天集蓄熱、夜間放熱增溫性能的測(cè)試，得到以下結(jié)論：

(1)太陽(yáng)能-毛細(xì)管蓄放熱系統(tǒng)在晴朗天氣下可使水溫升高4.9 ℃以上，可以蓄積207.8 MJ以上的熱量，蓄熱效率可達(dá)84.8%，單位蓄熱量可達(dá)5.0 MJ·m-2；放熱階段放熱量在137.7 MJ以上，可提高試驗(yàn)溫室氣溫2.9 ℃以上，增溫效果顯著，表明系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)熱量在空間、時(shí)間上的轉(zhuǎn)移、利用，達(dá)到削峰填谷的作用。

(2)根據(jù)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)輻射能是系統(tǒng)蓄熱量的主要來(lái)源，晴天天氣下太陽(yáng)輻射能占全部理論蓄熱量的83.0%，通過(guò)空氣的對(duì)流換熱所獲得的熱量只有17.0%；多云天氣下太陽(yáng)輻射能占全部理論蓄熱量的83.7%，通過(guò)空氣的對(duì)流換熱所獲得的熱量只有16.3%。試驗(yàn)結(jié)果顯示晴天蓄熱性能比多云天氣強(qiáng)，而雨雪天氣甚至達(dá)不到系統(tǒng)開(kāi)啟條件，無(wú)法蓄熱，與理論計(jì)算基本相符，天氣狀況對(duì)系統(tǒng)的蓄熱性能影響較大。

(3)相同天氣狀況下，水溫較高降低了空氣與水的溫差，使系統(tǒng)從空氣與水對(duì)流換熱所獲得的熱量降低，因此夜間充分的熱量釋放可以提高第二天系統(tǒng)蓄熱性能。

毛細(xì)管自身呈圓柱狀，接收太陽(yáng)輻射的表面積較一般平板蓄熱系統(tǒng)大，但毛細(xì)管管外徑4.3 mm，相鄰兩管間距10 mm，比有效集熱面積僅0.41 m2·m-2毛細(xì)管網(wǎng)，后續(xù)考慮使用間距更小的毛細(xì)管網(wǎng)作為集熱器，接收更多的太陽(yáng)輻射來(lái)提高蓄熱量。

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(編輯：武英耀)

Study on performance of solar energy-capillary heat storage and release system

Ji Wenpeng1, Xu Weiwei1, Song Weitang1,2*, Yue Liwei1, He Xueying1

(1.CollegeofWaterResourcesandCivilEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China; 2.KeyLaboratoryofAgricultureEngineeringinStructureandEnvironment,MinistryofAgriculture,Beijing100083,China)

[Objective]In winter, the air temperature of greenhouse at night can not meet the appropriate temperature the plants need.[Methods]Thus, the solar energy-capillary heat storage and release system which capillary was used as heat exchanger was designed. In this system, the water was used as heat storage medium, the heat was collected and stored in the water through water circulation during daytime; and the greenhouse temperature increased at night due to the soil heat releasing thougt water circulation. [Results]The result showed that the water temperature increased significantly in clear weather, can be heightened 4.9 ℃ at least, the thermal storage heat capacity was 207.8 MJ at least, the unit thermal storage heat capacity was 5.0 MJ·m-2;In heat releasing stage, the heat release capacity can reach 110～140 MJ, and the temperature in the test greenhouse was improved by 2.7 ℃.[Conclusion]The above results indicate that the system can effectively improve the air temperature, storage the extra solar energy for warmer the greenhouse at night, can transfer and utilize the heat in time and space effectively, reach the aim of peak load shifting.

Capillary, Heat storage and release, Solar greenhouse, Solar energy

2017-04-06

2017-05-03

紀(jì)文鵬(1992-)，男(漢)，山東濰坊人，碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程

*通信作者：宋衛(wèi)堂，教授，博士生導(dǎo)師，Tel:13651249496;E-mail:songchali@cau.edu.cn

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)(CARS-25-06B)

TU261

A

1671-8151(2017)06-0430-09