徐微微 馬承偉,2 宋衛(wèi)堂,2 程杰宇,2 王平智,2

(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)

0 引言

溫室太陽(yáng)能加溫技術(shù)包括被動(dòng)式太陽(yáng)能蓄熱技術(shù)和主動(dòng)式太陽(yáng)能蓄熱技術(shù)[1]。傳統(tǒng)日光溫室的蓄熱技術(shù)屬于前者，其以自身作為太陽(yáng)能集熱器，依靠溫室效應(yīng)蓄積熱量，蓄熱結(jié)構(gòu)主要為墻體和地面，但因墻體和地面?zhèn)鳠峋徛?、傳熱能力有限，難以有效收集并蓄積足夠的熱量，滿足夜間作物生長(zhǎng)需求。因此，有必要進(jìn)行日光溫室主動(dòng)蓄熱技術(shù)研究。太陽(yáng)能主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)主要由獨(dú)立于溫室系統(tǒng)的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和獨(dú)立的儲(chǔ)熱系統(tǒng)構(gòu)成[1]。水的比熱容大，廉價(jià)易得，且易于流動(dòng)和傳熱，適合用作傳熱介質(zhì)或儲(chǔ)熱介質(zhì)。有較多研究者利用水作為主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)的傳熱、儲(chǔ)熱介質(zhì)進(jìn)行太陽(yáng)能的收集、存儲(chǔ)，用于提高溫室夜間的氣溫或地溫。

水循環(huán)集熱系統(tǒng)根據(jù)集熱裝置布置的不同，分為室外水循環(huán)集熱系統(tǒng)和室內(nèi)水循環(huán)集熱系統(tǒng)。室外水循環(huán)集熱系統(tǒng)，主要是利用太陽(yáng)能熱水器，包括真空管式太陽(yáng)能熱水器[2-6]和平板式太陽(yáng)能熱水器[7-10]，收集溫室外部的太陽(yáng)輻射，用于夜間加溫，當(dāng)用于土壤加溫時(shí)，可提高土壤溫度4.4℃[3]。但這種方式初期投資大和維護(hù)費(fèi)用高，占用室外土地面積，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性較差，其應(yīng)用受到較大限制[11]，另外，由于系統(tǒng)應(yīng)用于冬季集熱，室外溫度低，熱水傳輸過(guò)程中將損失部分集熱能量，還需要對(duì)輸送管道進(jìn)行保溫處理。

日光溫室在日間室內(nèi)光照充足、晴好天氣下，可維持足夠高的室內(nèi)溫度，同時(shí)，還能富余可觀的熱量，利用日光溫室太陽(yáng)輻射及熱環(huán)境模擬預(yù)測(cè)軟件[12-13]計(jì)算，以500 m2傳統(tǒng)磚墻日光溫室為例，預(yù)計(jì)可富余270～340 MJ熱量，可利用室內(nèi)水循環(huán)集熱系統(tǒng)將這部分熱量收集、貯蓄，用于夜間加溫。

現(xiàn)有的室內(nèi)水循環(huán)集熱裝置，或置于溫室后墻[14-22]，或利用溫室骨架[23]，均有明顯的夜間增溫效果，與室外水循環(huán)集熱系統(tǒng)相比，具有諸多優(yōu)點(diǎn)：不占用室外土地面積，同時(shí)也不占用或少量占用室內(nèi)栽培面積；熱量傳輸過(guò)程中損失較?。幌到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管理維護(hù)容易，可兼做放熱系統(tǒng)，降低成本。但也存在一些問(wèn)題：現(xiàn)有的后墻集熱系統(tǒng)中，集放熱裝置內(nèi)水流方式均采用由上而下，形成水幕，造成水流分布不均。其中，水幕簾集放熱系統(tǒng)[16]和雙黑膜集放熱系統(tǒng)[17]因使用的吸熱材料為軟質(zhì)材料，在溫室生產(chǎn)作業(yè)中容易破損；金屬膜集放熱系統(tǒng)[19]使用的金屬膜價(jià)格較高。而鋼管屋架管網(wǎng)系統(tǒng)[23]存在集熱面積較小的問(wèn)題，利用屋架構(gòu)件作為集放熱部件，僅能應(yīng)用于新溫室，無(wú)法用于舊溫室改造。

為此，設(shè)計(jì)一種日光溫室中空板水循環(huán)太陽(yáng)能集放熱系統(tǒng)，選用價(jià)格低廉的中空PC板作為集放熱裝置，集熱面積大，集熱量高；裝置內(nèi)水流采用上溢方式，有利于排除板中孔道內(nèi)的空氣，實(shí)現(xiàn)水流的均勻分布，集熱效率高。通過(guò)理論分析，了解系統(tǒng)的集熱能力和夜間加溫能力，驗(yàn)證其可行性，并經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，分析系統(tǒng)的集熱性能。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)原理

中空板水循環(huán)太陽(yáng)能集放熱系統(tǒng)以水作為傳輸和蓄熱介質(zhì)，以中空板作為集熱與放熱部件，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的收集、輸送、儲(chǔ)存與夜間的加溫。系統(tǒng)包括：中空板集放熱器、供水管道、回水管道、潛水泵、蓄熱水池、氣溫及水溫傳感器、自動(dòng)控制系統(tǒng)等，如圖1所示。中空板集放熱器為中空PC板，板內(nèi)具有并列的、可通過(guò)水流的多個(gè)孔道，板上端出水口連接集水器后再與回水管道連接，下端進(jìn)水口連接分水器后再與供水管道連接。其中，中空板外表面涂抹黑色涂料，增加集放熱器對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率；板內(nèi)水流采用由下向上的流動(dòng)方式，便于排除板中孔道內(nèi)的空氣，實(shí)現(xiàn)水流的均勻分布。

圖1 中空板水循環(huán)太陽(yáng)能集放熱系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of solar heat collection and release system with water cycling inside hollow plates1.中空板集放熱器 2.回水管道 3.集水器 4.分水器 5.供水管道 6.蓄熱水池 7.潛水泵 8.水溫傳感器 9.自動(dòng)控制系統(tǒng) 10.室內(nèi)氣溫傳感器

系統(tǒng)的工作過(guò)程為：白天，日光溫室揭被后，太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，室內(nèi)氣溫升高。當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)室內(nèi)氣溫傳感器監(jiān)測(cè)到室內(nèi)氣溫達(dá)到設(shè)置的集熱氣溫(設(shè)置為20～22℃)，并且要求氣溫高于水溫(設(shè)置為2～4℃)時(shí)，啟動(dòng)運(yùn)行潛水泵，使蓄熱水池中的水不斷流過(guò)中空板內(nèi)的空腔，吸收太陽(yáng)輻射熱量及部分對(duì)流傳熱量，再返回水池中。通過(guò)水的不斷循環(huán)，水池水溫逐漸升高，從而將日光溫室內(nèi)富余熱量收集并儲(chǔ)存在水池內(nèi)。當(dāng)室內(nèi)氣溫低于設(shè)定值，或者室內(nèi)氣溫比水溫不高于設(shè)置的氣溫水溫差時(shí)，系統(tǒng)關(guān)停潛水泵。

夜間，室內(nèi)氣溫不斷降低，當(dāng)控制系統(tǒng)通過(guò)室內(nèi)氣溫傳感器監(jiān)測(cè)到室內(nèi)氣溫降低至設(shè)置的放熱氣溫(設(shè)置為10～12℃)，并且要求氣溫低于水溫(設(shè)置為2～4℃)時(shí)，啟動(dòng)運(yùn)行潛水泵，使水池中的水不斷流過(guò)中空板內(nèi)的空腔，將日間蓄積的熱量通過(guò)與空氣的對(duì)流等換熱作用傳遞給室內(nèi)空氣，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在夜間的放熱加溫作用。當(dāng)室內(nèi)氣溫高于設(shè)定值，或者室內(nèi)氣溫比水溫不低于設(shè)置的氣溫水溫差時(shí)，系統(tǒng)關(guān)停潛水泵。

1.2 系統(tǒng)集熱能力理論分析

1.2.1系統(tǒng)日間的集熱能力

根據(jù)中空板表面接收的太陽(yáng)輻射照度與總集熱面積，可推算出中空板系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)的集熱量

(1)

式中Qc——系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)的集熱量，J

η——系統(tǒng)集熱效率

τf——溫室覆蓋材料的太陽(yáng)輻射透過(guò)率，一般取0.6～0.8

Eb——室外平行于集熱板表面的平面內(nèi)太陽(yáng)輻射照度，W/m2

A——集熱面積，m2

τ0——系統(tǒng)運(yùn)行起始時(shí)刻，s

τn——系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束時(shí)刻，s

中空板吸收的熱量包括板表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收量，以及板表面與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱量(由于中空板有雙面，對(duì)流換熱計(jì)算中考慮雙面對(duì)流情況，另外，由于PC板壁面較薄，表面厚度約為0.5 mm，板表面溫度與板內(nèi)水溫接近，可用板內(nèi)水溫代替板表面溫度估算板表面與空氣的對(duì)流換熱量)，由此，可推算出中空板系統(tǒng)的集熱效率

(2)

式中ε——板表面太陽(yáng)輻射吸收率

k——板表面與室內(nèi)空氣的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

ta——室內(nèi)氣溫，K

tpc——板表面溫度，K

由上述理論公式分析可知：影響系統(tǒng)集熱能力的因素，包括太陽(yáng)輻射照度、太陽(yáng)輻射吸收率、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及室內(nèi)空氣溫度與板表面溫度的差值。

取k為8.7 W/(m2·K)，ε為0.92，ta為20～35℃，tpc為18～28℃，計(jì)算表明一般情況下η為0.8～1.6，集熱效率出現(xiàn)高于1，說(shuō)明板內(nèi)水流吸收的熱量有時(shí)高于板表面接收的太陽(yáng)輻射熱量，這是因?yàn)榧療岚宄苯游仗?yáng)輻射熱量外，由于有時(shí)室內(nèi)氣溫高于板內(nèi)水溫，還從空氣中吸收一部分對(duì)流傳熱量。

對(duì)式(1)采用離散化數(shù)值積分的方法，針對(duì)北京地區(qū)冬季(1月，晴天與多云天氣)的日照情況，按400 m2聚苯乙烯泡沫板日光溫室參數(shù)及系統(tǒng)一般運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算，中空板系統(tǒng)冬季日集熱量在晴天(云量1～2)可達(dá)到280～350 MJ，多云天氣(云量3～5)可達(dá)到160～240 MJ；系統(tǒng)3月日集熱量在晴天(云量1～2)可達(dá)到350～450 MJ，多云天氣(云量3～5)可達(dá)到250～350 MJ。

1.2.2系統(tǒng)夜間加溫效果估計(jì)

采用日光溫室熱環(huán)境模擬預(yù)測(cè)軟件[13]分析表明，對(duì)于聚苯乙烯泡沫板日光溫室，采用傳熱系數(shù)為2～3 W/(m2·K)的保溫被時(shí)，室內(nèi)氣溫每提升1℃，所需加溫?zé)崃髅芏葹?～3.8 W/m2，平均每夜間10 h所需加溫?zé)崃繛?0～100 kJ/m2。以面積400 m2日光溫室為例，室內(nèi)氣溫每提升1℃，所需的加溫?zé)崃繛?4～40 MJ。按冬季晴天穩(wěn)定運(yùn)行保證的日集熱量為280～350 MJ，系統(tǒng)可供日光溫室連續(xù)2～3 d提升夜間氣溫3～5℃，具備顯著的加溫能力。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1試驗(yàn)溫室與試驗(yàn)系統(tǒng)概況

圖2 中空板裝置實(shí)物圖Fig.2 Picture of hollow plate setup

試驗(yàn)日光溫室位于北京市通州區(qū)潞城鎮(zhèn)的北京國(guó)際都市農(nóng)業(yè)科技園區(qū)內(nèi)(39.9°N，116.8°E)。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140 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。前屋面覆蓋厚0.1 mm聚乙烯薄膜。為考察中空板系統(tǒng)的夜間放熱效果，利用中空板在溫室東西方向中線位置將溫室分隔為東、西兩部分。集熱試驗(yàn)在西側(cè)溫室進(jìn)行，東側(cè)溫室則作為放熱研究對(duì)照溫室，試驗(yàn)前的測(cè)試表明，東西溫室在集熱系統(tǒng)未運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)平均氣溫基本相同。試驗(yàn)期間，溫室內(nèi)土壤栽培番茄，品種為意佰芬(9月中旬定植，1月中旬打頂)。

試驗(yàn)溫室后墻內(nèi)表面共安裝10塊集熱板(兼做放熱板)，如圖2所示，每塊集熱板高2.11 m，寬2 m，總有效集放熱面積為42.2 m2，后墻覆蓋率為65%。其中，集放熱器選用10 mm厚雙層中空PC板，集水器、分水器及供水管道、回水管道均選用直徑為50 mm的PVC給水管。

蓄熱水池用黏土磚砌于溫室內(nèi)部地下，水池長(zhǎng)4.26 m，寬2.25 m，深1.60 m，內(nèi)壁涂刷防滲涂料，外側(cè)粘貼100 mm厚發(fā)泡聚苯板保溫。水泵選用額定流量10 m3/h，額定功率750 W潛水泵(WQ10-10-0.75，上海人民泵業(yè)(遠(yuǎn)東)有限公司)。

自動(dòng)控制系統(tǒng)安裝于溫室操作間控制柜內(nèi)。系統(tǒng)氣溫采用1根T型熱電偶(上海南浦儀表廠，精度±0.5℃)測(cè)定，布置在試驗(yàn)溫室中部，距離地面1 m處；水溫同樣采用1根T型熱電偶測(cè)定，布置在水池井口附近的垂直方向上，從水面到池底的中部位置。

1.3.2試驗(yàn)設(shè)置與測(cè)試方法

試驗(yàn)時(shí)間為2017年2月27日—3月19日，期間系統(tǒng)正常運(yùn)行9塊集熱板(工藝原因造成1塊集熱板無(wú)法運(yùn)行)，共計(jì)運(yùn)行15 d。中空板系統(tǒng)的集熱性能測(cè)試運(yùn)行控制模式為手動(dòng)模式。試驗(yàn)期間蓄熱水池實(shí)測(cè)蓄水量為12.46 m3。

試驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目及采用的儀器與布置情況如下：①集熱裝置接收的太陽(yáng)輻射照度，采用3個(gè)CMP3太陽(yáng)總輻射表(荷蘭Kipp&Zonen公司，精度±15 W/m2)測(cè)定，布置在距離西墻25 m的中空集熱板表面不同高度處，中空板沿高度方向4等分，總輻射表放置于中間3個(gè)等分點(diǎn)處，其輻射感受平面平行于集熱板表面。②系統(tǒng)回水溫度和進(jìn)水溫度采用T型熱電偶測(cè)定。在回水總管中布置2根熱電偶，測(cè)定回水溫度；在水泵四周布置3根熱電偶，測(cè)定進(jìn)水溫度。③系統(tǒng)水流量通過(guò)供水總管處LXS-25C水表(益都智能技術(shù)(北京)股份有限公司，精度±2%)記錄水量，結(jié)合通水時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。④蓄熱水池的水溫采用3根T型熱電偶測(cè)定，在水池井口附近的垂直方向上，從水面到池底沿深度方向4等分，選取中間3個(gè)等分點(diǎn)分別布置3根熱電偶。⑤試驗(yàn)溫室空氣溫度采用5根T型熱電偶測(cè)定。對(duì)照溫室空氣溫度采用相同的布置方式。具體布置為：將西半側(cè)溫室沿東西長(zhǎng)度方向3等分，第1個(gè)測(cè)點(diǎn)置于距西側(cè)山墻8 m，高度距地面0.8 m的跨中部位。剩下4個(gè)測(cè)點(diǎn)均置于距西墻16 m處：將南北跨度4等分，從南到北依次在1等分點(diǎn)處距地面0.8 m、2等分點(diǎn)處距地面0.8 m和1.5 m、3等分點(diǎn)處距地面0.8 m布置1根、2根和1根熱電偶。⑥系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間段，采用數(shù)據(jù)采集儀的一個(gè)數(shù)據(jù)通道，用導(dǎo)線連接到控制接觸器的一對(duì)與系統(tǒng)啟、停聯(lián)動(dòng)的觸點(diǎn)，通過(guò)記錄該觸點(diǎn)的開、閉，記錄系統(tǒng)的集熱時(shí)間段。⑦總輻射表、熱電偶等均連接到34972A數(shù)據(jù)采集儀(美國(guó)安捷倫公司)，以120 s時(shí)間間隔采集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。⑧熱電偶試驗(yàn)前已利用RH-CAL便攜式溫濕度校驗(yàn)儀(Edgetech公司，精度±0.1℃)進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)于測(cè)定室內(nèi)空氣的熱電偶，采用DPC1型自然通風(fēng)溫濕防護(hù)罩(中環(huán)天儀(天津)氣象儀器有限公司)防止輻射影響。

1.4 集熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

中空板系統(tǒng)的日間集熱量計(jì)算式為

(3)

(4)

式中Φi——第i時(shí)刻系統(tǒng)集熱流量，W

qv——系統(tǒng)循環(huán)水的體積流量，m3/s

cw——水比熱容，取4 187 J/(kg·K)

ρw——水密度，取1 000 kg/m3

Δτi——測(cè)試期間數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，為120 s

集熱裝置接收的日間輻射量計(jì)算式為

(5)

系統(tǒng)平均集熱效率η可通過(guò)對(duì)瞬時(shí)集熱效率求平均值獲得，瞬時(shí)集熱效率可通過(guò)第i時(shí)刻通過(guò)介質(zhì)水的熱流量與裝置接收的輻射通量的比值獲得，即

(6)

集熱系統(tǒng)的能效比可通過(guò)集熱量與水泵的運(yùn)行功耗進(jìn)行計(jì)算，即

(7)

式中Cc——τ0～τn時(shí)間段內(nèi)集熱系統(tǒng)的能效比

Ewp——水泵消耗的能量，J

Wwp——水泵的功率，W

2 結(jié)果與分析

2.1 中空板系統(tǒng)集熱性能統(tǒng)計(jì)及分析

對(duì)中空板系統(tǒng)運(yùn)行期間的集熱量、接收的輻射總量、集熱效率等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。其中，集熱量、接收的輻射總量、瞬時(shí)集熱效率及能效比分別由式(3)～(7)計(jì)算獲得。試驗(yàn)期間，系統(tǒng)的日集熱量在72～258 MJ之間。根據(jù)理論估算，試驗(yàn)溫室(室內(nèi)地面面積為200 m2)內(nèi)，中空板系統(tǒng)的日集熱量在125～225 MJ之間，由此說(shuō)明系統(tǒng)可以達(dá)到理論集熱量，具有很好的集熱能力。

系統(tǒng)日平均集熱效率在0.51～0.93之間，總平均集熱效率為0.64，對(duì)比0.8～1.6的理論值，實(shí)際達(dá)到的集熱效率不高，說(shuō)明系統(tǒng)尚未達(dá)到理想狀態(tài)。分析原因，主要有：系統(tǒng)接收的輻射照度較低，如表1中3月16日；由于蓄熱水池的初始水溫較高，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，集熱裝置向室內(nèi)空氣散失一部分對(duì)流傳熱量，如表1中3月1日；系統(tǒng)實(shí)際接收輻射照度的集熱面積無(wú)法達(dá)到集熱板的總面積，因?yàn)橄到y(tǒng)置于日光溫室后墻內(nèi)表面，必然存在各種遮陰情況，包括：番茄植株的遮陰、溫室中間死被子的遮陰、以及保溫被對(duì)集熱板上部的遮擋。最大瞬時(shí)集熱效率為1.51，說(shuō)明理論值是可以達(dá)到的。

系統(tǒng)最高平均集熱效率及最大集熱量均出現(xiàn)在3月9日，分別為0.93、258 MJ，是因?yàn)樵撊占療徇^(guò)程中，系統(tǒng)接收的輻射照度較高，室內(nèi)氣溫與板內(nèi)水溫的差值也較大，集熱時(shí)間長(zhǎng)，中空板充分接收較強(qiáng)的輻射照度，同時(shí)還從室內(nèi)空氣中吸收對(duì)流傳熱量。

中空板集熱系統(tǒng)具有較高的能效比，試驗(yàn)期間，系統(tǒng)的平均能效比為8.2，最大可達(dá)12.3。需要說(shuō)明的是，因試驗(yàn)的需要，選擇的水泵流量與功率比實(shí)際應(yīng)用需要偏大一些，以便在更寬的運(yùn)行條件范圍內(nèi)考察系統(tǒng)的性能。因此，計(jì)算出的能效比并不是理想的、代表實(shí)際應(yīng)用時(shí)的數(shù)據(jù)。后期，系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，可選擇合理的水泵流量與功率，則系統(tǒng)能效比更高。

表1 中空板水循環(huán)太陽(yáng)能集放熱系統(tǒng)逐日集熱性能數(shù)據(jù)Tab.1 Daily data of heat collecting performance of solar heat collection and release system with water cycling inside hollow plates

根據(jù)理論計(jì)算公式(2)可知，系統(tǒng)集熱效率由板表面太陽(yáng)輻射吸收率和對(duì)流換熱量與太陽(yáng)輻射量的比值組成。對(duì)2月27日—3月1日期間相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖3所示(tpc根據(jù)板內(nèi)水溫估算，板內(nèi)水溫根據(jù)系統(tǒng)回水溫度和進(jìn)水溫度之和取平均值計(jì)算；75組有效數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)2 min時(shí)間間隔的原始數(shù)據(jù)求取10 min平均值，并剔除部分異常數(shù)據(jù)后獲取)。

圖3 中空板裝置集熱效率與2(ta-tpc)/E的關(guān)系Fig.3 Relationship between heat collecting efficiency of hollow plates and 2(ta-tpc)/E

擬合得到的中空板系統(tǒng)理論集熱效率公式為

(8)

決定系數(shù)R2為0.8，說(shuō)明回歸直線的擬合度高。方程斜率即中空板表面與室內(nèi)空氣的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)k，為7.0 W/(m2·K)。方程在y軸上的截距即板表面太陽(yáng)輻射吸收率ε為0.7。

2.2 太陽(yáng)輻射對(duì)中空板系統(tǒng)蓄熱水溫的影響

太陽(yáng)輻射對(duì)中空板水循環(huán)集放熱系統(tǒng)的蓄熱溫升影響顯著，如圖4所示(選取的2 d蓄熱溫升主要由太陽(yáng)輻射引起，計(jì)算時(shí)間段內(nèi)水流量相近，不同時(shí)間內(nèi)氣溫與板內(nèi)水溫的差值較小)。晴天(3月12日)蓄熱溫升明顯高于陰天(3月19日)蓄熱溫升，約高出1倍，其中，晴天的日蓄熱溫升為3.3℃，陰天的日蓄熱溫升為1.6℃。集熱裝置接收的輻射照度越高，蓄熱溫升越顯著。10:00—12:00期間，晴天平均溫升速率達(dá)到0.9℃/h，此時(shí)輻射照度達(dá)到415 W/m2；陰天平均溫升速率為0.4℃/h，輻射照度為181 W/m2。雖然陰天條件下裝置接收的輻射照度較低，但仍有可觀的蓄熱量，根據(jù)式(3)、(4)計(jì)算得出09:00—15:00期間運(yùn)行9塊集熱板的集熱量約為71 MJ，由理論分析可知，陰天條件下，中空板系統(tǒng)仍能夠發(fā)揮一定的集熱作用。

圖4 典型天氣水池蓄熱水溫變化曲線Fig.4 Water temperature variation curves during heat collection period of hollow plate system on typical days

2.3 室內(nèi)氣溫與中空板內(nèi)水溫的差值對(duì)中空板集熱效率的影響

根據(jù)系統(tǒng)集熱效率的理論公式(2)可知，室內(nèi)氣溫與板內(nèi)水溫的差值是引起同一系統(tǒng)集熱效率波動(dòng)的因素，最高可占集熱效率的68%。如圖5所示(選取的2 d在14:12—15:50時(shí)間段(14:46—15:10內(nèi)儀器斷電，造成數(shù)據(jù)缺失)內(nèi)，系統(tǒng)水流量相近，接收的輻照度相近)，氣溫比水溫越高，集熱效率越高，3月9日的系統(tǒng)集熱效率明顯高于3月10日的集熱效率，溫差4.9℃(輻射照度為72 W/m2)的系統(tǒng)集熱效率高達(dá)1.35。在系統(tǒng)接收的輻射照度較低時(shí)，不同氣溫水溫差下的集熱效率顯著不同，如在15:22(輻射照度為77 W/m2)時(shí)，溫差4.9℃的系統(tǒng)集熱效率(1.21)比溫差1.3℃(0.33)高出近4倍，說(shuō)明一般晴天15:00后，太陽(yáng)輻射開始減弱時(shí)，中空板與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱對(duì)集熱效率影響顯著。室內(nèi)氣溫與板內(nèi)水溫(與板壁溫度近似相等)的差值反映的是對(duì)流傳熱量對(duì)系統(tǒng)集熱性能的影響，在制定系統(tǒng)集熱控制策略時(shí)，需要考慮該因素的作用。另外，氣溫水溫差與蓄熱水池有效容積有關(guān)，蓄熱水池容積越大，溫差越大?？梢?，蓄熱水池的配置直接影響集熱系統(tǒng)的對(duì)流換熱量。

圖5 不同室內(nèi)氣溫與板內(nèi)水溫差值下的中空板集熱效率變化曲線Fig.5 Variation curves of heat collecting efficiency of hollow plates under different temperature differences between indoor air and water inside plates

2.4 水流量對(duì)中空板集熱效果的影響

圖6 不同水流量下中空板單位面積集熱量比較Fig.6 Comparison of heat amount per unit area collected by hollow plate system at different water flow rates

水流量對(duì)系統(tǒng)集熱效果的影響，主要體現(xiàn)在影響室內(nèi)氣溫與板內(nèi)水溫(板壁溫度與板內(nèi)水溫接近)的差值，進(jìn)而影響中空板外壁與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱作用。隨著中空板中水流量的增加，水經(jīng)過(guò)中空板的集熱溫升下降，將影響板壁與周圍空氣的對(duì)流換熱，若板內(nèi)水溫高于室內(nèi)氣溫，則隨著流量增加，水的對(duì)流吸熱量增加。當(dāng)流量變得非常大時(shí)，進(jìn)出口溫升減少到零，由流量引起的對(duì)流換熱量也將趨向一定值。不同水流量對(duì)中空板集熱量的影響如圖6所示(單位面積集熱量根據(jù)4 d內(nèi)12:00—13:00時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)計(jì)算而得，該時(shí)間段內(nèi)，集熱裝置在不同日期接收的輻射總量接近，氣溫與板內(nèi)水溫的差值接近)。在流量為3.3～5.9 m3/h范圍內(nèi)，隨著水流量增大，中空板單位面積集熱量整體呈上升趨勢(shì)，在水流量為5.9 m3/h時(shí)，達(dá)到最大，為752 kJ/m2。但是，水流量對(duì)集熱量并非完全正相關(guān)，因?yàn)樵龃笏髁?，需要提高水泵?guī)格，管道壓力與功耗也將增大。所以，水流量并非越大越好，有必要確定系統(tǒng)的最佳流量。流量因素實(shí)際上反映了流速對(duì)集熱系統(tǒng)的影響，通過(guò)找出當(dāng)前系統(tǒng)流量與集熱量的關(guān)系，估算系統(tǒng)流速，可為不同面積的中空板系統(tǒng)選配不同的水泵流量。同時(shí)，系統(tǒng)最佳流量應(yīng)兼顧考慮對(duì)系統(tǒng)集熱量和系統(tǒng)能效比的影響。

2.5 中空板系統(tǒng)的放熱性能分析

中空板系統(tǒng)放熱加溫效果顯著，如圖7所示，系統(tǒng)放熱期間(20:36—07:00)，試驗(yàn)溫室氣溫一直高于對(duì)照溫室，對(duì)照溫室氣溫持續(xù)下降。據(jù)分析，系統(tǒng)放熱溫降為3.1℃，試驗(yàn)溫室的氣溫比對(duì)照溫室平均高出3.0℃，最大高出3.6℃(07:00)。23:00開始，系統(tǒng)放熱開始穩(wěn)定，溫降速率約0.3℃/h，此時(shí)，試驗(yàn)溫室的氣溫比對(duì)照溫室平均高出3.2℃。系統(tǒng)放熱溫降速率實(shí)際上反映的是系統(tǒng)放熱強(qiáng)度的大小，和室內(nèi)氣溫與水池水溫的差值有關(guān)。溫差過(guò)大(如11.3℃(20:38))時(shí)，系統(tǒng)放熱過(guò)快，很快達(dá)到加溫所需的熱量，系統(tǒng)將停止放熱。19:00—07:00期間，系統(tǒng)共計(jì)運(yùn)行3次放熱過(guò)程，一直到室內(nèi)氣溫與水池水溫差值合適(如10.2℃(23:00))時(shí)，系統(tǒng)才穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行。而隨著水溫降低，溫差開始降低，室內(nèi)氣溫也隨之緩慢降低?？梢?，為較穩(wěn)定地維持住設(shè)定的室內(nèi)氣溫，水池內(nèi)的水溫至關(guān)重要。過(guò)高的水溫將造成系統(tǒng)的頻繁啟停，放熱過(guò)程不穩(wěn)定，造成室內(nèi)氣溫的起伏；過(guò)低的水溫則無(wú)法維持需要的室內(nèi)氣溫。水溫與水池容積有關(guān)，因此，在配置水池容積時(shí)，也需要適當(dāng)考慮系統(tǒng)夜間放熱的水溫需求，避免系統(tǒng)頻繁啟停。

圖7 中空板系統(tǒng)放熱期間水溫及室內(nèi)氣溫變化曲線Fig.7 Variation curves of water temperature and indoor air temperature during heat release period of hollow plate system

3 討論

3.1 中空板集熱裝置存在的問(wèn)題及改進(jìn)建議

中空板系統(tǒng)的集熱性能試驗(yàn)取得初步結(jié)果，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)所獲得的集熱量及集熱效率與理論分析存在差距，經(jīng)分析，可能與系統(tǒng)的不合理設(shè)計(jì)及溫室管理有關(guān)。

(1)集熱裝置的設(shè)計(jì)問(wèn)題對(duì)集熱效果的影響

本次試驗(yàn)中，有1塊集熱板無(wú)法正常運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)的集熱面積減少4.22 m2。具體原因?yàn)椋褐锌瞻迮c分水器即PVC管的連接方式不合理(做法為：在PVC管上開通長(zhǎng)槽孔后灌膠粘接)，由于系統(tǒng)采用水流上溢方式，導(dǎo)致系統(tǒng)剛開始通水時(shí)，PVC管承壓過(guò)大，在膠水粘接部位出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。采用各種補(bǔ)救措施后，仍有1塊中空板無(wú)法正常運(yùn)行。新改進(jìn)的集熱裝置已改進(jìn)管件與中空板的連接方式，可解決該設(shè)計(jì)缺陷。

另外，本次系統(tǒng)性能測(cè)試采用手動(dòng)控制系統(tǒng)，是因?yàn)榧療嵯到y(tǒng)目前的控制策略存在不合理之處，具體為：集熱系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用氣溫及氣溫水溫差作為集熱的啟動(dòng)和關(guān)閉條件，目前共有2套溫度傳感器(即T型熱電偶)，分別測(cè)試氣溫和水溫。考慮到集熱系統(tǒng)兼做放熱系統(tǒng)，現(xiàn)有系統(tǒng)的熱電偶置于溫室中部，用于系統(tǒng)放熱的啟動(dòng)和關(guān)閉。但在日間集熱階段時(shí)，后墻溫度高于室內(nèi)氣溫，所以，以氣溫水溫差作為啟動(dòng)條件，會(huì)減少集熱時(shí)間，降低集熱量。但若將熱電偶置于后墻附近，則夜間放熱溫度不合理，因?yàn)楹髩Ω浇鼩鉁剌^室內(nèi)氣溫更高，且在日間系統(tǒng)啟動(dòng)前后，中空板附近氣溫變化劇烈，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)溫室通風(fēng)管理對(duì)系統(tǒng)集熱效果的影響

目前的溫室通風(fēng)管理造成蓄熱水池的水溫最大值無(wú)法突破30℃，本次試驗(yàn)最高溫度為28.4℃(見表1)。具體分析為：日常溫室生產(chǎn)管理中，以番茄為例，日間氣溫需維持在20～30℃之間，而日光溫室日間升溫速度非?？?，為避免室內(nèi)氣溫過(guò)高，在晴天上午，室內(nèi)氣溫達(dá)到25℃左右時(shí)，便開啟溫室上風(fēng)口，讓室內(nèi)氣溫盡可能保持在30℃以下。所以，當(dāng)蓄熱水溫達(dá)到30℃左右，或者高于室內(nèi)氣溫時(shí)，便開始向空氣中散失對(duì)流傳熱量。這種溫室管理方式是提升中空板系統(tǒng)集熱量的一個(gè)瓶頸。

另外，本次試驗(yàn)中，由于水流量尚未達(dá)到最佳，在一定程度上也影響系統(tǒng)獲取更高的集熱量。

3.2 中空板集放熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

中空板水循環(huán)太陽(yáng)能集放熱日光溫室，建造費(fèi)用低廉，與普通日光溫室相比，增加了中空PC板、連接管道、蓄熱水池和水泵等部分。以500 m2日光溫室為例，建造中空板水循環(huán)集放熱日光溫室增加的費(fèi)用為：PC板約8 000元，10 m3左右的蓄熱水池7 000～9 000元，連接管道與管件5 000～6 000元，水泵與電氣控制設(shè)備等約2 000元，安裝調(diào)試約2 000元。因此比同樣的普通日光溫室共計(jì)增加建造費(fèi)用24 000～27 000元。相比其他太陽(yáng)能利用系統(tǒng)，中空板水循環(huán)集放熱系統(tǒng)的成本較低。

此外，系統(tǒng)還具有其他經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)：中空板集熱裝置可替代傳統(tǒng)墻體的蓄熱功能，配合具有結(jié)構(gòu)承載能力和保溫性能的發(fā)泡聚苯材料輕型墻板使用，降低后墻厚度，節(jié)約土地面積，同時(shí)降低勞動(dòng)力成本；不占用室外土地面積，僅占用室內(nèi)少量栽培面積；操作簡(jiǎn)單，易維護(hù)。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)理論計(jì)算，中空板集放熱系統(tǒng)在冬季運(yùn)行時(shí)，在室內(nèi)地面面積400 m2日光溫室內(nèi)，預(yù)計(jì)晴天集熱量可達(dá)280～350 MJ，可供日光溫室連續(xù)2～3 d提升夜間氣溫3～5℃。

(2)試驗(yàn)期間，系統(tǒng)集熱效率最大可達(dá)0.93，瞬時(shí)集熱效率最大可達(dá)1.51，尚未達(dá)到理想狀態(tài)；板表面太陽(yáng)輻射吸收率為0.7，平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為7.0 W/(m2·K)。

(3)太陽(yáng)輻射、氣溫水溫差及水流量對(duì)系統(tǒng)集熱性能均有顯著影響：晴天條件下的系統(tǒng)日蓄熱溫升約比陰天條件下高1倍；氣溫水溫差是引起集熱效率波動(dòng)的重要因素，在太陽(yáng)輻射較弱時(shí)，中空板與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱對(duì)集熱效率影響顯著；在流量為3.3～5.9 m3/h范圍內(nèi)，系統(tǒng)集熱量隨著水流量增大而增加，最佳流量尚需進(jìn)一步試驗(yàn)確定。

(4)中空板水循環(huán)太陽(yáng)能集放熱系統(tǒng)建造成本低廉、簡(jiǎn)單實(shí)用；作為裝配式集熱系統(tǒng)，可在各類日光溫室中推廣應(yīng)用，尤其適用于舊溫室改造。