毛爾曄,張瀟丹,頡建明,馬 寧,常有麟,胡世蓮

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

日光溫室具有經(jīng)濟(jì)效益高、土地利用率高、節(jié)水省肥和作物栽培環(huán)境可控等特點(diǎn),備受生產(chǎn)者歡迎[1-2]。日光溫室獨(dú)特的北墻結(jié)構(gòu)是其區(qū)別于其他溫室類型的主要特征之一,它通過白天蓄積溫室中富余的能量,夜間向室內(nèi)釋放熱量,維持溫室溫度,為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造適宜的溫度條件[3-4]。

然而,由于設(shè)計(jì)參數(shù)、墻體材料及結(jié)構(gòu)、建造方式、使用年限等原因,一些日光溫室的墻體蓄放熱能力十分有限,墻體在白天蓄積的熱量無法滿足夜間作物正常生長(zhǎng)的溫度要求,許多溫室存在夜間低溫冷害,甚至凍害的問題[5-7]。為日光溫室設(shè)計(jì)配套的夜間加溫設(shè)備有助于其向寒冷地區(qū)的推廣應(yīng)用。利用太陽(yáng)能為日光溫室進(jìn)行加溫是近幾年的一個(gè)研究熱點(diǎn)。冬季北方地區(qū)到達(dá)日光溫室北墻表面的太陽(yáng)輻射能僅有約20%～30%可以被墻體吸收并有效地釋放回溫室中[8]。提高溫室對(duì)太陽(yáng)能的利用效率,利用太陽(yáng)能為日光溫室進(jìn)行夜間加溫有廣闊的研究和應(yīng)用前景。水是自然界比熱容較大的物質(zhì),具有廉價(jià)易得、安全環(huán)保、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),是能滿足太陽(yáng)能熱儲(chǔ)存一般要求的最佳液體材料[9]。有學(xué)者將太陽(yáng)能和水結(jié)合,研制出了用于冬季夜間為日光溫室加熱的主動(dòng)式水循環(huán)蓄放熱系統(tǒng)。張義等[10]設(shè)計(jì)了一種三層膜水幕簾太陽(yáng)能主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng),當(dāng)外界氣溫低至-12 ℃時(shí),該裝置仍可保證溫室氣溫高于16.3 ℃。方慧等[11-12]研究了使用雙黑膜PE板和金屬膜作為系統(tǒng)集熱器時(shí)水循環(huán)系統(tǒng)的加熱效果,結(jié)果表明,金屬膜集/放熱裝置性能最優(yōu),可提高夜間溫室最低溫度2.4 ℃,相比電加熱節(jié)能72.6%。李一明等[13]對(duì)比了太陽(yáng)能水介質(zhì)蓄放熱系統(tǒng)、傳統(tǒng)磚墻和空苯板箱的蓄放熱性能,發(fā)現(xiàn)水介質(zhì)蓄放熱系統(tǒng)建造成本低,運(yùn)行效果好,可以顯著改變溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)環(huán)境。艾則麥提·圖爾洪等[14]研究了網(wǎng)狀集散熱水循環(huán)系統(tǒng)加熱對(duì)溫室溫度變化的影響,結(jié)果表明,晴天水循環(huán)系統(tǒng)可提高溫室夜間平均溫度1.7～2.1 ℃,且相比燃煤熱風(fēng)爐加熱年節(jié)約成本11 914.13元。太陽(yáng)能主動(dòng)蓄放熱加溫方式可以充分利用太陽(yáng)能資源,有助于提高太陽(yáng)能利用效率、發(fā)揮日光溫室節(jié)能特征、提升日光溫室綜合生產(chǎn)性能[15]。然而,現(xiàn)有關(guān)于日光溫室太陽(yáng)能主動(dòng)式水循環(huán)蓄放熱系統(tǒng)的研究,其初始設(shè)計(jì)參數(shù)大多基于簡(jiǎn)單計(jì)算確定。儲(chǔ)熱裝置的體積和循環(huán)水泵的流量依據(jù)溫室對(duì)熱量的需求和集放熱裝置對(duì)水量的需求估算確定,導(dǎo)致初代系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能的利用率較低。

本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的主動(dòng)式水循環(huán)蓄放熱系統(tǒng),設(shè)計(jì)了系統(tǒng)單元運(yùn)行試驗(yàn),通過模擬其運(yùn)行時(shí)熱量的轉(zhuǎn)移過程構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型。利用模型,基于蘭州地區(qū)日光溫室冬季生產(chǎn)環(huán)境條件,優(yōu)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù),提升了系統(tǒng)集放熱效率,為蘭州地區(qū)EPS裝配式日光溫室冬季夜間輔助加溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定提供了數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)由集/放熱器、供回水管路(主、支管)、蓄熱水箱、循環(huán)水泵、控制器組成。系統(tǒng)基本工作原理為:日間,水循環(huán)系統(tǒng)與太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行能量交換,將太陽(yáng)能以熱能的形式儲(chǔ)存于蓄熱水箱;夜間,儲(chǔ)存的熱能通過循環(huán)水從蓄熱水箱送至放熱器,進(jìn)行溫室加溫。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。集/放熱器采用不銹鋼材料,集/放熱單元面積為2.27 m2。蓄熱水箱有效體積為0.288 m3,外表面使用10 cm厚聚苯板包裹做保溫隔熱處理。供回水管道采用PVC管件,主管、支管管徑分別為30 mm和16 mm,管道均做隔熱處理。循環(huán)水泵功率為0.37 kW,額定流量1 m3·h-1,使用控制器控制循環(huán)水流量。

1,集/放熱裝置;2,蓄熱裝置;3,供水管路;4,回水管路;5,支管;6,水閥;7,水泵;8,出水孔;9,水流;10,擋板。1, Heat collector/releaser; 2, Heat storage device; 3, Water pipes; 4, Return line; 5, Branch pipe; 6, Water valve; 7, Water pump; 8, Water outlet; 9, Water flow; 10, Baffle.圖1 主動(dòng)式水循環(huán)蓄放熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the active water circulation heat storage and discharge system

圖2 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)單元實(shí)物圖Fig.2 Physical picture of the active heat storage and discharge system unit

該水循環(huán)蓄放熱系統(tǒng)的簡(jiǎn)易性體現(xiàn)于集/放熱單元為不銹鋼金屬扁盒,高度2.05 m,寬度1.105 m,厚度3 cm。應(yīng)用于日光溫室時(shí),集/放熱器安裝于溫室后墻內(nèi)表面,用于集取/釋放太陽(yáng)能的集/放熱表面為金屬盒暴露于室內(nèi)空氣中的南向表面。集/放熱表面外側(cè)噴涂黑色亞光油漆。其他表面包裹10 cm厚聚苯板作隔熱處理。此時(shí),除集/放熱表面,其他表面均可視為絕熱表面。

供水支管貫通金屬盒頂部,支管上間隔2 cm排列孔徑1 mm的小孔,通過循環(huán)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)使各小孔形成向下30°的均勻射流,噴射至集/放熱表面內(nèi)側(cè),射流與集/放熱表面形成60°夾角。為保證多股射流在集/放熱表面內(nèi)側(cè)形成均勻水膜,在盒內(nèi)供水支管下方1 cm設(shè)置一道與集放熱表面呈60°夾角的金屬擋板,擋板上側(cè)固定于金屬盒絕熱表面,下側(cè)邊緣與集放熱表面間距1 mm,擋板、支管,及集/放熱金屬盒相對(duì)位置如圖1-B、C所示。

1.2 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)運(yùn)行模型構(gòu)建

太陽(yáng)能主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)通過水循環(huán)實(shí)現(xiàn)能量時(shí)空轉(zhuǎn)移。水循環(huán)過程涉及集/放熱器、供回水管路及蓄熱水箱3個(gè)模塊。由于供回水管路均做隔熱處理,水對(duì)能量的集取與耗散發(fā)生于集/放熱器和蓄熱水箱,因此,該太陽(yáng)能主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)運(yùn)行模型由集/放熱器能量收支方程與蓄熱水箱能量收支方程組成。

金屬盒集/放熱器內(nèi)部的水通過對(duì)流與集熱表面內(nèi)側(cè)進(jìn)行熱交換,這部分熱量來源于集熱表面外側(cè)的綜合得熱,包括太陽(yáng)輻射的熱、長(zhǎng)波輻射的熱及集熱表面與外界空間之間的對(duì)流換熱。因此,一段時(shí)間Δt內(nèi),集/放熱器的能量收支可以表述為:

(1)

對(duì)于蓄熱水箱,能量發(fā)生變化的途徑是循環(huán)水的流入和流出,在宏觀上體現(xiàn)為箱內(nèi)水溫的變化,因此,Δt內(nèi)水箱的能量收支可以表述為:

(2)

式(2)中:Ttank,out,(t+Δt)為(t+Δt)時(shí)刻從集熱器流入蓄熱水箱的水的溫度,℃;Ttank,in,t為t時(shí)刻蓄水箱中的進(jìn)水溫度,℃;Mtank為蓄熱水箱中水的總質(zhì)量,kg;Ttank,t為t時(shí)刻蓄熱水箱內(nèi)的水溫,℃。由于供回水管路均隔熱良好,因此,一次循環(huán)中,水箱的進(jìn)水溫度和出水溫度分別等于集放熱器的出水溫度和進(jìn)水溫度。

對(duì)于集放熱表面,由于其厚度僅為0.7 mm,且不銹鋼材料具有較大導(dǎo)熱系數(shù)(16.2 W·m-1· ℃-1),因此可忽略其儲(chǔ)能作用。在此情況下,集/放熱表面始終處于能量平衡,其溫度可通過外界環(huán)境因子和集熱器內(nèi)部循環(huán)水熱狀況計(jì)算[18]:

(3)

式(3)中:It為t時(shí)刻垂直到達(dá)集/放熱表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,W·m-2;Tin,t為t時(shí)刻系統(tǒng)周圍環(huán)境溫度,℃;Tp,in,t和Tp,out,t分別為t時(shí)刻集/放熱器的進(jìn)水溫度和出水溫度,℃;hin為集/放熱表面內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù),可通過下式計(jì)算:

(4)

式(4)中:kw為水的導(dǎo)熱系數(shù),W·m-1·℃-1;L為集/放熱單元的高度,;Nu為集/放熱表面內(nèi)側(cè)水層的努塞爾數(shù)[19-20]:

(5)

式(5)中:vf為水幕流速,m·s-1;ρ為水密度,kg·m-3;u0為水動(dòng)力黏度,pa·s;Pr為普朗特?cái)?shù)。

已知系統(tǒng)配備的循環(huán)水泵流量(集/放熱器循環(huán)水的體積流率),可推出集熱器內(nèi)的水幕流速和質(zhì)量流率:

(6)

(7)

式(6)、(7)中:V為集/放熱器中循環(huán)水的體積流量,m3·s-1;w為集/放熱器的寬度,m;d為集/放熱器內(nèi)表面水幕的厚度,m。

以一天內(nèi)外界氣溫與太陽(yáng)輻射作為周期性邊界條件,假設(shè)主動(dòng)式蓄放熱系統(tǒng)的初始水溫為10 ℃,以Δt=30 s為時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行迭代,確定若干個(gè)周期內(nèi)系統(tǒng)水溫變化。當(dāng)相鄰周期的蓄熱水箱內(nèi)水溫差值小于0.001 ℃時(shí),可認(rèn)為模型模擬結(jié)果與實(shí)際水溫變化情況一致。

2 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)運(yùn)行模型驗(yàn)證與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)模型驗(yàn)證

2.1.1 系統(tǒng)單元運(yùn)行試驗(yàn)及數(shù)據(jù)測(cè)定

系統(tǒng)單元運(yùn)行試驗(yàn)于2021年8月1日至2021年9月20日開展,測(cè)試單元搭建于蘭州市安寧區(qū)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),試驗(yàn)場(chǎng)所采光條件較好,除天氣變化外無其他因素影響試驗(yàn)光照條件。

系統(tǒng)搭建過程中發(fā)現(xiàn):當(dāng)集/放熱裝置中循環(huán)水流量過小時(shí),從支管小孔中噴射的水流將匯聚成股流下,集/放熱表面內(nèi)側(cè)無法形成均勻水幕,導(dǎo)致太陽(yáng)能利用效率降低。通過調(diào)節(jié)流量,確定使集/放熱單元形成均勻水層的最小流量為0.23 m3·h-1。

采用Lascar Electronics公司生產(chǎn)的EL-USB-1-PRO 型溫度數(shù)據(jù)自記儀測(cè)定蓄熱水箱水溫,EL-USB-2溫濕度記錄儀測(cè)定試驗(yàn)場(chǎng)所周圍環(huán)境氣溫,測(cè)試時(shí)間間隔為5 min。使用LI-6400便攜式光合測(cè)定分析儀測(cè)量垂直到達(dá)集/放熱器表面的太陽(yáng)輻射值,測(cè)試時(shí)間間隔為30 min。

2.1.2 模型驗(yàn)證

采用2022年8月26日(晴天)的測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)運(yùn)行模型的準(zhǔn)確性。圖3為一天內(nèi)蓄熱水箱中水溫變化的實(shí)測(cè)結(jié)果和模擬結(jié)果。預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合良好,均方根誤差(RMSE)、平均絕對(duì)誤差(MAPE)和決定系數(shù)(R2)分別為2.24 ℃、0.17%、0.88。本研究所建模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)主動(dòng)式水循環(huán)蓄放熱系統(tǒng)運(yùn)行過程中水溫的變化情況。

圖3 蓄熱水箱水溫實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值隨時(shí)間變化曲線Fig.3 The curves of the measured and predicted water temperature of the hot water storage tank with time

2.2 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)所建模型可知,蓄熱水箱體積影響主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱能力,而集/放熱器內(nèi)循環(huán)水的流速影響能量的汲取和釋放速率。本研究初步設(shè)置的系統(tǒng)參數(shù)均是基于經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)單計(jì)算確定[11],為了進(jìn)一步提高太陽(yáng)能利用效率,提升系統(tǒng)性能,利用所建模型,基于蘭州地區(qū)冬春季節(jié)日光溫室生產(chǎn)條件對(duì)系統(tǒng)蓄熱水箱體積和循環(huán)水流量參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

日光溫室夜間低溫階段,主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)利用循環(huán)水泵將蓄熱水箱中的熱水運(yùn)輸至集熱板,通過對(duì)流、輻射方式向溫室空間供暖。當(dāng)溫室內(nèi)夜間氣溫不低于10 ℃時(shí),園藝作物可正常生長(zhǎng)發(fā)育。同時(shí),利用日光溫室光環(huán)境模型計(jì)算蘭州地區(qū)極端低溫日(2022年1月31日)的日光溫室室內(nèi)太陽(yáng)輻射[21-22],如圖4為當(dāng)日太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和氣溫變化情況,氣溫?cái)?shù)據(jù)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),使用Lascar Electronics公司生產(chǎn)的EL-USB-2型溫濕度數(shù)據(jù)自記儀測(cè)定。

圖4 EPS日光溫室室外氣溫和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線Fig.4 EPS solar greenhouse outdoor air temperature and solar radiation intensity with time curve

系統(tǒng)循環(huán)水流量和蓄熱水箱體積是影響系統(tǒng)向溫室空間放熱的兩個(gè)重要參數(shù):系統(tǒng)循環(huán)水流量越大,夜間時(shí)段系統(tǒng)通過放熱裝置向溫室空間釋放熱量的速度越快,即熱流密度越高;而蓄熱水箱體積的大小影響系統(tǒng)儲(chǔ)存熱量的多少。因此,基于上述環(huán)境條件,開展主動(dòng)式水循環(huán)蓄放熱系統(tǒng)模擬運(yùn)行可以優(yōu)化系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。利用模型預(yù)測(cè)得到的集/放熱裝置表面溫度,可計(jì)算該系統(tǒng)向溫室空間放熱的熱流密度q:

q=hout(TS-Tin)。

(8)

系統(tǒng)以初始設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)運(yùn)行時(shí),夜間放熱階段集/放熱器平均熱流密度為229.11 W·m-2。改變初始設(shè)計(jì)的蓄熱水箱體積(0.288 m3)開展模擬運(yùn)行。圖5-A為不同蓄熱水箱體積下夜間時(shí)段集/放熱器的平均熱流密度。由圖可知,當(dāng)蓄熱水箱的體積為0.13 m3時(shí),集/放熱器的熱流密度最大,為237.84 W·m-2,即蓄熱水箱最佳體積為0.13 m3。

圖5 蓄熱水箱體積(A)和系統(tǒng)循環(huán)水流量(B)對(duì)集/放熱器放熱階段熱流密度的影響Fig.5 Effect of hot water storage tank volume (A) and system circulating water flow rate (B) on heat flow density in the exothermic phase of the heat collector

蓄熱水箱體積為0.13 m3時(shí),改變初始設(shè)計(jì)的系統(tǒng)循環(huán)水流量0.23 m3·h-1,開展模擬運(yùn)行。圖5-B為不同循環(huán)水流量下夜間時(shí)段集/放熱器的平均熱流密度變化情況。由圖可知,系統(tǒng)夜間平均放熱密度隨循環(huán)水流量增大而增大,且增大趨勢(shì)逐漸變緩。系統(tǒng)循環(huán)水流量每增加0.1 m3·h-1,集/放熱器平均熱流密度只能增加0.22～0.38 W·m-2,增大循環(huán)水流量對(duì)集/放熱器熱流密度的影響較小,考慮到在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中,循環(huán)水流量增大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)日常運(yùn)行成本增加,取0.23 m3·h-1為最佳流量。即當(dāng)蓄熱水箱體積為0.13 m3,系統(tǒng)循環(huán)水流量為0.23 m3·h-1時(shí),系統(tǒng)性能最佳,夜間集/放熱器平均熱流密度為237.84 W·m-2,較初始設(shè)計(jì)增加3.81%。

2.3 系統(tǒng)性能分析

定義系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)白天蓄熱水箱內(nèi)儲(chǔ)存的熱能Q蓄和到達(dá)集/放熱表面的太陽(yáng)輻射能Q日之比為系統(tǒng)集熱效率η集熱:

(9)

式(9)中:ΔT升為一天內(nèi)集熱階段水箱內(nèi)水溫的上升值,℃。

系統(tǒng)在夜間向溫室空間釋放的熱能Q放和白天蓄熱水箱中蓄積的熱能Q蓄之比為系統(tǒng)的放熱效率η放熱:

(10)

式(10)中:ΔT降為一天內(nèi)系統(tǒng)放熱階段蓄熱水箱內(nèi)水溫的下降值,℃。

表1為優(yōu)化前后主動(dòng)式水循環(huán)蓄放熱系統(tǒng)的集放熱效率計(jì)算結(jié)果。由表可知,優(yōu)化后系統(tǒng)蓄熱效率為70.62%,放熱效率為98.38%,較基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的效率分別提高了4.29百分點(diǎn)和6.17百分點(diǎn)。

表1 優(yōu)化前后集放熱系統(tǒng)蓄放熱性能對(duì)比Table 1 Comparison of heat storage and discharge performance before and after optimization of heat collection and discharge system %

3 EPS裝配式日光溫室加溫方案設(shè)計(jì)

3.1 EPS裝配式日光溫室結(jié)構(gòu)

EPS裝配式日光溫室具有易裝配、低成本、建造周期短的優(yōu)點(diǎn),但蓄熱保溫性能較差,無法應(yīng)對(duì)西北地區(qū)冬春季日光溫室生產(chǎn)環(huán)境。利用所建模型,為EPS裝配式日光溫室設(shè)計(jì)主動(dòng)式水循環(huán)蓄放熱系統(tǒng)。EPS裝配式日光溫室位于甘肅省蘭州市蘭州新區(qū)農(nóng)投集團(tuán)蔬菜生產(chǎn)園區(qū)(36.73°N,103.27°E)。溫室坐北朝南,長(zhǎng)80 m,脊高4.6 m,跨度10 m,北墻高3.6 m,前屋面覆蓋0.10 mm厚PO膜和5 cm厚保溫被,保溫被由防水防曬牛津布制作,外層為強(qiáng)拉力氈,內(nèi)層為纖維頭混紡保溫氈,北墻和山墻使用50 mm聚苯乙烯泡沫板+150 mm混凝土+50 mm聚苯乙烯泡沫板建造,后屋面建筑材料使用150 mm厚聚苯乙烯泡沫板。該溫室栽培模式為基質(zhì)無土栽培,地面鋪設(shè)20 cm厚蛭石。

3.2 溫室熱負(fù)荷及加溫裝置設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

日光溫室的熱量損失主要由冷風(fēng)滲透熱損失、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失和地面熱損失三部分構(gòu)成,溫室加溫?zé)嶝?fù)荷Q計(jì)算式如下[23-24]:

Q=Q1+Q2+Q3。

(11)

式(11)中:Q1為日光溫室冷風(fēng)滲透熱損失,W;Q2為日光溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)(墻體、棚膜、保溫被、后屋面等)熱損失,W;Q3為溫室地面熱損失,W。由于溫室地面鋪設(shè)20 cm厚的蛭石,蛭石導(dǎo)熱系數(shù)為0.16 W·m-1·℃-1,是良好的保溫隔熱材料,因此溫室地面熱損失可忽略不計(jì),即Q3=0。

溫室冷風(fēng)滲透熱損失可由下式計(jì)算:

Q1=0.5KVN(Ti-T0)。

(12)

式(12)中:K為風(fēng)力因子;V為溫室空氣體積,m3;N為溫室內(nèi)每小時(shí)換氣次數(shù),取0.2次·時(shí)-1;Ti為溫室室內(nèi)設(shè)定溫度,℃;T0為溫室室外實(shí)測(cè)氣溫,℃。

溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失可由下式計(jì)算:

(13)

式(13)中:uj為第j種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù),W·m-2·℃-1;Aj為第j種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面積,m2。

多層復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)u的計(jì)算公式為

(14)

式(14)中:δi為第i層圍護(hù)材料的厚度,m;λi為第i層圍護(hù)材料的導(dǎo)熱系數(shù),W·m-1·℃-1;Hin為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的對(duì)流換熱系數(shù),取12.96 W·m-2·℃-1;Hout為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)流換熱系數(shù),取13.76 W·m-2·℃-1[25-26]。表2列出了計(jì)算用到的溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)。

表2 溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能參數(shù)Table 2 Thermal performance parameters of greenhouse enclosure materials

極端低溫日為日光溫室供熱需求最大的一天。2022年1月31日,蘭州地區(qū)出現(xiàn)最低溫-21.5 ℃,室外氣溫詳細(xì)變化情況如圖4溫度數(shù)據(jù)所示。為了保證園藝作物的正常生長(zhǎng)發(fā)育,需通過輔助加溫將溫室內(nèi)夜間氣溫(16:30—次日10:30)最低保持在10 ℃。在此環(huán)境條件下,計(jì)算EPS裝配式日光溫室的夜間加溫?zé)嶝?fù)荷。圖6為極端低溫日溫室夜間逐時(shí)熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果,由圖可知,極端低溫日EPS裝配式日光溫室的夜間平均熱負(fù)荷為26.7 kW。

圖6 溫室夜間逐時(shí)熱負(fù)荷變化圖Fig.6 Greenhouse night-time hour-by-hour heat load variation graph

根據(jù)優(yōu)化后的系統(tǒng)參數(shù)和EPS裝配式日光溫室熱負(fù)荷,可確定溫室加溫裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)。當(dāng)蓄熱水箱體積與循環(huán)水流量為0.13 m3和0.23 m3·h-1,系統(tǒng)單元夜間平均放熱密度為237.84 W·m-2。因此,能夠?yàn)镋PS裝配式日光溫室生產(chǎn)創(chuàng)造適宜溫度環(huán)境的集/放熱裝置面積為112.26 m2,集/放熱單元數(shù)量為50個(gè),蓄熱水箱體積為6.5 m3,循環(huán)水總流量為11.5 m3·h-1。基于經(jīng)驗(yàn)確定的系統(tǒng)參數(shù)在達(dá)到相同加熱效果的情況下,需要的集/放熱裝置面積為116.54 m2,集/放熱單元數(shù)量為52個(gè),蓄熱水箱體積為15.0 m3。以優(yōu)化后的系統(tǒng)參數(shù)確定的溫室加溫裝置比優(yōu)化前減少2個(gè)集熱單元,節(jié)省蓄熱水箱體積8.5 m3,可至少節(jié)省溫室加溫成本2 275元(集/放熱單元220元·m-2,蓄熱水池150元·m-3)。

4 結(jié)論

主動(dòng)式水循環(huán)蓄放熱是高效利用太陽(yáng)能的途徑。本研究通過模擬主動(dòng)式水循環(huán)蓄放熱系統(tǒng)的能量傳遞過程,構(gòu)建了系統(tǒng)運(yùn)行模型;對(duì)基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的水循環(huán)蓄放熱系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,提高了系統(tǒng)性能。結(jié)論如下:

1)所建模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)主動(dòng)式水循環(huán)蓄放熱系統(tǒng)中水溫變化。預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的RMSE值為2.24 ℃,MAPE值為0.17%,R2值為0.88。預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相符。

2)利用該模型優(yōu)化主動(dòng)式水循環(huán)蓄放熱裝置運(yùn)行參數(shù),可使夜間平均放熱速率達(dá)237.84 W·m-2,較優(yōu)化前提高了3.81%;集/放熱效率分別達(dá)到70.62%和98.38%,較優(yōu)化前分別提高了4.29百分點(diǎn)和6.17百分點(diǎn)。

3)為長(zhǎng)80 m的EPS裝配式日光溫室設(shè)計(jì)冬季夜間輔助加溫方案,可以確定能保證溫室夜間平均氣溫不低于10 ℃裝置設(shè)計(jì)參數(shù)為:集/放熱器面積112.26 m2,集放熱單元數(shù)量為50個(gè),蓄熱水箱體積6.5 m3,循環(huán)水總流量為11.5 m3·h-1。