宋 磊，曹晏飛，王 浩，肖金鑫，胡藝馨，李建明

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院 農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝工程重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

溫室作為一種重要的跨季節(jié)蔬菜生產(chǎn)栽培設(shè)施，在我國北方地區(qū)得到大面積應(yīng)用，截至2018年底，我國溫室種植面積達(dá)到370萬hm2[1]，設(shè)施栽培面積位居世界第一。然而每年用于溫室加溫的費用占比較高，據(jù)統(tǒng)計每年用于溫室加溫的能耗量占溫室生產(chǎn)總能耗量的35%，加溫費用占到溫室生產(chǎn)總費用的15%～40%[2]。因此，在溫室種植面積不斷增長的今天，降低溫室的加溫能耗[3]、提高能源的利用效率[4]，是溫室發(fā)展應(yīng)考慮的問題之一。

太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生清潔能源，分布范圍廣[5]，加強其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重大意義。溫室的加溫方式較多，有煤炭加熱[6-7]、電加熱[8]、生物質(zhì)能加熱[9-10]以及太陽能加熱[11-14]等，太陽能加熱作為一種低能耗、低污染、高效率的能源利用方式，在溫室中的應(yīng)用具有潛在優(yōu)勢。近些年，無土栽培技術(shù)逐漸興起，在溫室生產(chǎn)中基質(zhì)袋培技術(shù)得到推廣，但是與傳統(tǒng)的土壤栽培相比，基質(zhì)的蓄熱保溫性能較土壤差，常存在基質(zhì)溫度偏低的現(xiàn)象，而根據(jù)范愛武[15]的研究結(jié)果可知，植物的生長與根系溫度存在密切關(guān)系，溫度在2～4 ℃時根系才會有微弱的生長，在10 ℃以上根系生長才較為活躍。因此，研究一種低成本、高效率、維護(hù)管理簡單的基質(zhì)升溫設(shè)備十分必要。

太陽能集放熱的研究一直受到眾多學(xué)者的關(guān)注，國外最早進(jìn)行溫室太陽能集放熱研究的是日本的山本雄二郎，他利用太陽能集熱器將加熱后的水輸送到溫室地下1.5 m埋深的銅管中，以此來提高溫室內(nèi)土壤的溫度[16]。國內(nèi)戴巧利等[17]設(shè)計了一種主動式太陽能增溫系統(tǒng)，可以使溫室夜間地溫平均提升2.3 ℃；孫先鵬等[18]利用太陽能蓄熱與空氣源熱泵聯(lián)合進(jìn)行溫室加熱，可以使溫室地溫提升2.9 ℃；方慧等[19]將太陽能集熱器安裝在日光溫室后墻上，設(shè)計了水幕簾蓄放熱系統(tǒng)，白天利用集熱器收集熱量，夜間將熱量轉(zhuǎn)移到溫室的淺層土壤中，該系統(tǒng)可以提高土壤溫度1.6 ℃；柯行林等[20]也設(shè)計了類似水幕簾的主動蓄放熱系統(tǒng)，利用水流循環(huán)吸收日光溫室后墻表面的太陽輻射熱，對基質(zhì)進(jìn)行加溫，該系統(tǒng)可以使基質(zhì)溫度提升2.5 ℃。雖然目前的研究對于根系溫度的提升具有較好效果，但是結(jié)合溫室的生產(chǎn)實際，以上研究還存在一些瑕疵，比如將集熱器安裝在室外，浪費了部分耕地面積；室外集熱器集熱效率易受風(fēng)速影響而降低，特別是在北方的冬季，室外風(fēng)速一般較大，集熱效率受影響更大；將集熱器放置在室外，其采光面易被灰塵覆蓋，需要定期清理，增加了人工成本的投入。如果將集熱器安裝在溫室后墻上，雖可以解決風(fēng)速以及灰塵對集熱器集熱效率的影響，但是隨著太陽高度角的變化，溫室后墻在白天會有一段時間無光照，并且溫室內(nèi)植株的生長會對溫室后墻造成遮陰，使集熱器的平均集熱效率降低，集熱量減少。另外，目前的研究由于一些裝置成本高、系統(tǒng)安裝設(shè)計復(fù)雜、維護(hù)管理困難，在溫室中的推廣應(yīng)用受到了限制。

為此，本研究提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)安裝的太陽能空氣集放熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)以空氣為蓄熱介質(zhì)，以太陽能平板集熱器為蓄熱單元，通過空氣循環(huán)實現(xiàn)系統(tǒng)的集熱和放熱，進(jìn)而提升基質(zhì)溫度，促進(jìn)作物的生長。為了探究該系統(tǒng)的熱性能表現(xiàn)，本研究進(jìn)一步對該系統(tǒng)的集放熱性能、能量利用效率等進(jìn)行了綜合分析，以期為太陽能空氣集放熱系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)以及應(yīng)用提供依據(jù)。

1 太陽能空氣集放熱系統(tǒng)介紹

1.1 工作原理

太陽能空氣集放熱系統(tǒng)的工作原理是：白天利用太陽能平板空氣集熱器收集溫室內(nèi)富余的太陽能，并對流經(jīng)集熱器流道內(nèi)的空氣進(jìn)行加熱，同時將加熱后的空氣通過管道風(fēng)機抽送到基質(zhì)袋下方的散熱管道中使熱量釋放，以此來實現(xiàn)系統(tǒng)的集熱與放熱，進(jìn)而對基質(zhì)起到升溫作用。

1.2 系統(tǒng)組成

太陽能空氣集放熱系統(tǒng)由太陽能平板空氣集熱器、散熱管道和管道風(fēng)機3部分組成，如圖1所示。該系統(tǒng)的特征在于，集熱和放熱同步運行，即該系統(tǒng)通過一個風(fēng)機就能實現(xiàn)整套系統(tǒng)的集熱與放熱，省去了傳統(tǒng)集放熱系統(tǒng)的熱量儲存裝置，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)能耗，同時減少了系統(tǒng)的造價成本以及熱量在存儲過程中的二次損耗；并且可以根據(jù)溫室的加溫需求，在溫室中靈活選擇裝置的安裝數(shù)量，每個裝置獨立運行，互不干擾。其中送風(fēng)管道采用直徑110 mm的PVC管，散熱管道采用直徑50 mm的 PVC管，管長6 m，管間距1 m，散熱管道采用同程式布置方式，分別布置在每壟基質(zhì)袋的下方。管道風(fēng)機選用風(fēng)速可調(diào)的變頻風(fēng)機，功率為30 W，最大進(jìn)風(fēng)量204 m3/h。

圖1 太陽能空氣集放熱系統(tǒng)示意圖

太陽能平板空氣集熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，單個集熱器長2.0 m，寬1.0 m，內(nèi)部空氣流道高40 mm，金屬吸熱板與蓋板間距為30 mm，吸熱板厚度0.5 mm，外側(cè)噴涂RLHY-2337太陽能吸熱涂料，蓋板為5 mm厚超白浮法玻璃，底部及四周保溫層為30 mm厚橡塑保溫棉，擾流板長850 mm，內(nèi)部流道轉(zhuǎn)彎數(shù)為17。太陽能平板空氣集熱器布置在溫室內(nèi)部，面朝南，傾斜角度為48°。

圖2 太陽能平板空氣集熱器示意圖

1.3 運行模式

太陽能空氣集放熱系統(tǒng)運行時間設(shè)為09:00-16:00，當(dāng)系統(tǒng)在上午09:00開始運行時，太陽能平板空氣集熱器進(jìn)行熱量收集，此時管道風(fēng)機同步開啟，使冷空氣流經(jīng)集熱器的流道內(nèi)進(jìn)行加熱，同時抽送到基質(zhì)袋下方的散熱管道中進(jìn)行熱量釋放，實現(xiàn)系統(tǒng)的集熱和放熱，16：00停止運行。

2 試驗設(shè)計

試驗于2019-04-01-2019-06-15在西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝場試驗基地(北緯34°16′，東經(jīng)108°4′)的日光溫室進(jìn)行。日光溫室坐北朝南，為東西走向，長52 m，跨度8 m，脊高3.5 m；后墻采用粘土磚砌筑而成，高2.2 m、厚1.0 m，外表面附有一層10 cm厚的聚苯板用于墻體外保溫。將該日光溫室分為4個隔間，相鄰隔間采用10 cm厚聚苯板作隔斷處理，選取其中2個隔間進(jìn)行試驗，其中一個隔間安裝太陽能空氣集放熱系統(tǒng)，作為試驗區(qū)域；另一個隔間不安裝太陽能空氣集放熱系統(tǒng)，作為對照區(qū)域。試驗區(qū)域位于溫室西側(cè)，對照區(qū)域位于東側(cè)。

2.1 試驗儀器

室內(nèi)空氣溫度、集熱器內(nèi)空氣溫度、散熱管道內(nèi)空氣溫度和基質(zhì)溫度采用銅-銅鎳T型熱電偶(溫度測量范圍為-40～350 ℃，測量精度為±0.1 ℃)進(jìn)行測定，采用安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集儀(美國安捷倫科技公司)自動記錄熱電偶所測溫度值，數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)定為10 min。太陽輻射強度采用Hobo U30氣象站(美國Onset公司，測量范圍為0～1 280 W/m2，測量精度為±10 W/m2)監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)定為10 min。風(fēng)速采用泰仕AVM-05風(fēng)速儀(泰仕電子工業(yè)股份有限公司，測量范圍為0.3～45 m/s，測量精度為±0.1 m/s)測量。

2.2 相關(guān)參數(shù)測量

2.2.1 空氣和基質(zhì)溫度測點布置 試驗區(qū)域和對照區(qū)域以相同方式在溫室隔間的幾何中心距離北墻4.0 m處布置2個環(huán)境溫度測點，測點距離地面高度分別為0.5和1.5 m；在第1壟和第3壟基質(zhì)各布置3個基質(zhì)溫度測點，其距溫室北墻的距離分別為2.5，4.0和5.5 m，各個基質(zhì)溫度測點布置于基質(zhì)中心處，如圖3所示。

▲ 環(huán)境溫度測點；● 基質(zhì)溫度測點

2.2.2 集熱器和散熱管道溫度測點布置 在集熱器的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口處各布置1個溫度測點，在集熱器流道中部布置3個溫度測點，具體如圖4所示。集熱器內(nèi)的所有溫度測點均不與集熱器壁面接觸，以免影響熱電偶的測量精度。

● 空氣溫度測點 Air temperature measurement point

在第1個和第3個散熱管道內(nèi)各布置3個溫度測點，分別位于散熱管道的進(jìn)氣口、中部和出氣口，且各測點間隔3 m，另外在散熱管道的總進(jìn)氣口處布置1個溫度測點，具體如圖5所示。

● 空氣溫度測點 Air temperature measurement point

2.2.3 太陽輻射測點布置 在距離地面1.5 m高度且與集熱器平行位置布置1個太陽輻射測點，并用Hobo U30進(jìn)行太陽輻射的自動記錄，數(shù)據(jù)記錄間隔為10 min。

2.2.4 空氣流速測量 空氣流速測量過程中，手持風(fēng)速儀應(yīng)與集熱器進(jìn)氣口保持平行并靠近進(jìn)氣口中心處，同時調(diào)節(jié)管道風(fēng)機的調(diào)速開關(guān)，使空氣流速達(dá)到預(yù)定的測量值為準(zhǔn)。

2.3 系統(tǒng)性能分析

(1)太陽能空氣集放熱系統(tǒng)蓄積的有效熱量通過下式計算[21-24]：

(1)

(2)

式中：Qc為集放熱系統(tǒng)的瞬時集熱量，即空氣流進(jìn)集熱器獲得的能量(W)；ρ為空氣密度，取1.29 kg/m3；ν為集熱器進(jìn)氣口的空氣流速(m/s)；d為集熱器進(jìn)氣口的直徑，d=0.11 m；Cp為空氣的定壓熱容，取值1.005 kJ/(kg·℃)；T0為集熱器出氣口空氣溫度(℃)；T1為集熱器進(jìn)氣口空氣溫度(℃)；Ec為系統(tǒng)蓄積的總熱量，以下簡稱集熱量(kJ)；ts、te分別為系統(tǒng)的起、止時刻；t為記錄數(shù)據(jù)的時間間隔，t=10 min。

(2)太陽能空氣集放熱系統(tǒng)散熱管道釋放的熱量通過下式計算[21-24]：

(3)

(4)

式中：Qr為集放熱系統(tǒng)單位時間內(nèi)的放熱功率，即散熱管道釋放的熱量(W)；ν′為散熱管道內(nèi)的空氣流速(m/s)；d′為散熱管道直徑，d′=0.05 m；T0′為散熱管道進(jìn)氣口溫度(℃)；T1′為散熱管道出氣口溫度(℃)；Er為系統(tǒng)散熱管道釋放的總熱量，以下簡稱放熱量(kJ)。

(3)太陽能空氣集放熱系統(tǒng)的瞬時集熱效率通過下式計算[25]：

(5)

式中：η為集放熱系統(tǒng)的瞬時集熱效率(%)，E為太陽輻射強度(W/m2)，Ag為系統(tǒng)的集熱面積(m2)。

(4)太陽能空氣集放熱系統(tǒng)的能量利用效率通過下式計算[20]：

(6)

2.4 研究內(nèi)容

2.4.1 空氣流速對系統(tǒng)集熱性能的影響 根據(jù)2.2.4節(jié)所述的空氣流速測量方法，在2019年4月，分別測試了1.4, 1.6, 1.8, 2.0, 2.2和2.4 m/s 6種不同空氣流速下系統(tǒng)的集熱性能，確定系統(tǒng)合適的空氣流速。因測試發(fā)生在不同的天氣條件下，為排除太陽輻射對系統(tǒng)集熱性能(集熱效率和瞬時集熱量)的干擾，在測試期間只選取太陽輻射強度在700～800 W/m2的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，并將瞬時集熱量量化到單位集熱面積(m2)上。

2.4.2 環(huán)境溫度對系統(tǒng)集熱性能的影響 選取2019-05-22和2019-06-13的數(shù)據(jù)比較環(huán)境溫度對集放熱系統(tǒng)集熱效率的影響。這兩天的空氣流速均為2.0 m/s，平均太陽輻射強度分別為803和809 W/m2，溫度分別為30.9～42.4 ℃和27.8～40.0 ℃，平均溫度分別為37.7和33.1 ℃。

2.4.3 太陽輻射強度對系統(tǒng)集熱性能的影響 在空氣流速為2.0 m/s的條件下，選取2019-06-13的數(shù)據(jù)分析了集熱器進(jìn)出口溫差、集熱效率和瞬時集熱量與太陽輻射強度之間的關(guān)系，瞬時集熱量量化到單位集熱面積(m2)上。

2.4.4 集熱器和散熱管道溫度的變化 在系統(tǒng)穩(wěn)定運行的典型晴天(2019-06-13)條件下，分析集熱器和散熱管道內(nèi)溫度的變化情況，以此來探究系統(tǒng)的集熱和放熱性能。

2.4.5 系統(tǒng)能量利用效率 在連續(xù)晴天(2019-06-11-2019-06-13)條件下，對系統(tǒng)的集熱量、放熱量以及能量利用效率進(jìn)行計算分析，并將集熱量和放熱量量化到單位集熱面積(m2)上。

2.4.6 典型晴天條件下系統(tǒng)對基質(zhì)溫度的影響 在晴天(2019-06-13)條件下，對試驗區(qū)域(安裝太陽能空氣集放熱系統(tǒng))與對照區(qū)域(不安裝太陽能空氣集放熱系統(tǒng))的基質(zhì)進(jìn)行溫差分析，以探究系統(tǒng)對溫室基質(zhì)的升溫效果。

3 結(jié)果與分析

3.1 空氣流速對太陽能空氣集放熱系統(tǒng)集熱性能的影響

圖6反映了6種不同空氣流速下系統(tǒng)瞬時集熱量和集熱效率的變化情況。由圖6可知，隨著空氣流速的逐漸增加，系統(tǒng)的集熱效率和瞬時集熱量均不斷增大，在空氣流速達(dá)到2.0 m/s時，系統(tǒng)的集熱效率最高，為67.7%，此時其瞬時集熱量也達(dá)到最大，為494.4 W/m2；之后隨著空氣流速的繼續(xù)增加，集熱效率和瞬時集熱量均降低，這是因為當(dāng)空氣流速超過2.0 m/s后，由于空氣流速過大，導(dǎo)致集熱器內(nèi)部空氣來不及與集熱器進(jìn)行充分熱交換就被吹出，從而導(dǎo)致系統(tǒng)集熱效率降低。通過以上分析得出，系統(tǒng)在空氣流速為2.0 m/s時其集熱效率和瞬時集熱量較佳，因此在試驗期間，選擇空氣流速為2.0 m/s作為太陽能空氣集放熱系統(tǒng)的運行風(fēng)速值。

圖6 不同空氣流速下太陽能空氣集放熱系統(tǒng)瞬時集熱量和集熱效率的變化(太陽輻射強度為751.0～799.4 W/m2)

3.2 環(huán)境溫度對太陽能空氣集放熱系統(tǒng)集熱性能的影響

圖7為不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)集熱效率的變化情況。由圖7可知，在相同的空氣流速和近乎一致的太陽輻射強度條件下，5月22日和6月13日系統(tǒng)的集熱效率不同，但變化趨勢一致，前者的集熱效率大于后者，這是因為5月22日的環(huán)境溫度大于6月13日，環(huán)境溫度越高，則系統(tǒng)集熱器內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度差值越小，系統(tǒng)通過集熱器表面的熱量損失就越小，因而集熱效率越高。經(jīng)測算，這兩天的環(huán)境溫差平均為4.6 ℃，平均集熱效率差值為4.1%。綜合以上分析可以得出，集放熱系統(tǒng)的集熱效率與環(huán)境溫度有關(guān)，在太陽輻射強度、空氣流速相同的情況下，其集熱效率隨著環(huán)境溫度的升高而提高。

圖7 不同環(huán)境溫度下太陽能空氣集放熱系統(tǒng)集熱效率的變化

3.3 太陽輻射強度對太陽能空氣集放熱系統(tǒng)集熱性能的影響

圖8為系統(tǒng)集熱性能與太陽輻射強度之間的關(guān)系。由圖8可知，系統(tǒng)的瞬時集熱量和進(jìn)出口溫差均與太陽輻射強度變化趨勢保持一致，均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢。晴天上午09:00-13:00，隨著太陽輻射強度的逐漸升高，系統(tǒng)進(jìn)出氣口溫差從13.8 ℃快速增加到38.3 ℃，瞬時集熱量從170.0 W/m2增加到472.5 W/m2；晴天下午13:00-16:00，隨著太陽輻射強度的逐漸降低，系統(tǒng)進(jìn)出氣口溫差從38.6 ℃迅速下降到13.2 ℃，瞬時集熱量從476.1 W/m2下降到163.4 W/m2。

圖8 太陽能空氣集放熱系統(tǒng)進(jìn)出口溫差和瞬時集熱量隨時間的變化

表1反映了系統(tǒng)集熱效率與太陽輻射強度的關(guān)系。由表1可知，系統(tǒng)集熱效率隨著太陽輻射強度的增加逐漸提高，但當(dāng)太陽輻射強度大于800 W/m2時，系統(tǒng)集熱效率變化趨勢較為平緩，只是出現(xiàn)小幅提升，并沒有顯著增加。這是因為太陽輻射強度大于800 W/m2時，隨著太陽輻射強度的增加，系統(tǒng)的集熱量也在增加，然而系統(tǒng)運行的空氣流速恒定，其進(jìn)行熱交換的量基本維持不變，導(dǎo)致此時系統(tǒng)內(nèi)部的熱量有富余，沒被空氣從集熱器出氣口完全帶出，造成系統(tǒng)內(nèi)部溫度偏高，使得系統(tǒng)與環(huán)境的溫差增大，從而促進(jìn)了系統(tǒng)玻璃蓋板表面與環(huán)境的熱交換，系統(tǒng)的熱損失增大，進(jìn)而影響其集熱效率的增加，因此當(dāng)太陽輻射強度繼續(xù)增加時，系統(tǒng)集熱效率并未顯著提升。

表1 太陽能空氣集放熱系統(tǒng)瞬時集熱效率隨時間的變化

3.4 太陽能空氣集放熱系統(tǒng)的熱性能分析

3.4.1 集熱器內(nèi)部溫度的變化 圖9為太陽能平板空氣集熱器一天內(nèi)的溫度變化情況。由圖9可以看出，集熱器內(nèi)部的溫度總體呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，其變化趨勢與當(dāng)天太陽輻射強度的變化一致。在13:00時，集熱器內(nèi)部溫度達(dá)到了一天中的最高值，此時出氣口的溫度達(dá)到了71.9 ℃，此階段集熱器內(nèi)空氣介質(zhì)的溫度提升了38.3 ℃；集熱器從早上09:00開始運行到下午16:00停止運行的這一段時間內(nèi)，出氣口溫度一直維持在41 ℃以上；集熱器在運行時段內(nèi)，其出氣口溫度平均為61 ℃，集熱器內(nèi)空氣溫度平均提升27 ℃，集熱效果明顯。

圖9 太陽能空氣集放熱系統(tǒng)集熱器內(nèi)部溫度的變化

3.4.2 散熱管道空氣溫度的變化 圖10為晴天條件下太陽能空氣集放熱系統(tǒng)散熱管道內(nèi)空氣溫度的日變化情況。由圖10可知，系統(tǒng)在09:00-16:00這段運行時間內(nèi)，散熱管道內(nèi)的溫度先升高后降低，在13:00時溫度達(dá)到最高，與集熱器出氣口溫度變化趨勢一致，系統(tǒng)散熱管道內(nèi)的平均溫度為40.4 ℃，比環(huán)境溫度高7 ℃。

圖10 太陽能空氣集放熱系統(tǒng)晴天條件下散熱管道內(nèi)空氣溫度的變化

如圖11所示，從散熱管道的進(jìn)氣口到出氣口，溫度是逐漸降低的，這是因為隨著散熱管道長度的增加，管道內(nèi)空氣的熱量損失也逐漸增加。系統(tǒng)在運行期間，散熱管道進(jìn)氣口的平均溫度為49.6 ℃，到出氣口平均溫度下降約16.2 ℃，其放熱性能較佳。在10:00-15:00時間段內(nèi)，散熱管道內(nèi)的空氣溫度始終高于外界環(huán)境溫度，并且其進(jìn)出氣口溫差顯著；但是在16:00時，散熱管道中部至末端的溫度要低于外界環(huán)境溫度，因為此時太陽輻射強度逐漸下降，集熱器的集熱性能有所降低，另外16:00風(fēng)機關(guān)閉，系統(tǒng)內(nèi)部空氣循環(huán)停止，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部熱量流通停止，因此離集熱器較遠(yuǎn)的散熱管道部位溫度較低。綜合以上分析可知，在晴天條件下，系統(tǒng)散熱管道內(nèi)空氣溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外界環(huán)境溫度，使得散熱管道不斷與環(huán)境進(jìn)行熱交換，進(jìn)而釋放熱量，對基質(zhì)起到升溫作用。

圖11 晴天條件下太陽能空氣集放熱系統(tǒng)散熱管道內(nèi)不同測點溫度的比較

3.5 太陽能空氣集放熱系統(tǒng)的能量利用效率分析

如表2所示，在連續(xù)晴天條件下，系統(tǒng)在2019-06-11-2019-06-13的能量利用效率分別為78.2%，78.2%和73.0%，平均能量利用效率達(dá)到76.5%，其能量利用效率較高；系統(tǒng)在這3天的集熱量分別為8.3，6.0和9.3 MJ/m2，放熱量分別為6.5，4.7和6.8 MJ/m2，表明該系統(tǒng)的集放熱性能較好。

表2 太陽能空氣集放熱系統(tǒng)的集放熱參數(shù)及能效利用結(jié)果

3.6 太陽能空氣集放熱系統(tǒng)對基質(zhì)溫度的影響

表3為2019-06-13試驗區(qū)域與對照區(qū)域基質(zhì)溫差的變化情況。由表3可知，在典型晴天條件下，溫室試驗區(qū)域與對照區(qū)域的基質(zhì)溫差始終為正值，平均溫差為2.7 ℃。

表3 太陽能空氣集放熱系統(tǒng)對溫室基質(zhì)溫度的提升效果

4 結(jié)論與建議

本研究設(shè)計了一種太陽能空氣集放熱系統(tǒng)，為了探究該系統(tǒng)在溫室中的推廣與應(yīng)用價值，對其各項性能參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)測評，并從系統(tǒng)的集熱量、放熱量、集熱效率以及能量利用效率等方面進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)太陽能空氣集放熱系統(tǒng)集熱效率隨著空氣流速的增加呈先增加后降低的趨勢，在空氣流速為2.0 m/s時，系統(tǒng)的集熱性能表現(xiàn)較佳，集熱效率達(dá)到67.7%。系統(tǒng)的集熱效率還受環(huán)境溫度和太陽輻射強度的影響，其中與環(huán)境溫度呈正相關(guān)；當(dāng)太陽輻射強度不超過800 W/m2時，集熱效率隨著太陽輻射強度的增加而逐漸增大，但當(dāng)太陽輻射強度超過800 W/m2后，集熱效率的變化趨勢較平緩。

(2)太陽能空氣集放熱系統(tǒng)在2.0 m/s的空氣流速運行時，集熱器進(jìn)出口最大溫差達(dá)38.3 ℃，散熱管道進(jìn)出口平均溫差為16.2 ℃，此階段系統(tǒng)集熱量為6.0～9.3 MJ/m2，放熱量為4.7～6.8 MJ/m2，系統(tǒng)的能量利用效率平均為76.5%，其能效利用效率較高，集熱和放熱性能較好。

(3)該太陽能空氣集放熱系統(tǒng)具有較好的集放熱性能和較高的能量利用效率，適合在溫室中推廣應(yīng)用。

太陽能空氣集放熱系統(tǒng)雖然表現(xiàn)較優(yōu)，但仍有需要改進(jìn)和優(yōu)化的地方，具體建議如下：

(1)太陽能空氣集放熱系統(tǒng)運行期間，從集熱器出氣口至加熱管道進(jìn)氣口，空氣溫度降幅較大，最大為14.4 ℃，平均溫降為10.6 ℃，這部分的熱量損失較大。建議通過選用熱阻系數(shù)較大的保溫材料或增加保溫材料厚度來對這部分管道加強保溫，減少其熱量損失，進(jìn)而提升系統(tǒng)的集熱性能。

(2)可采取在集熱器的擾流板上開孔[26]或改變集熱器流道形式等[25,27]措施，來對集熱器進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提升系統(tǒng)的集熱性能。