PDF《主动式太阳能集热/土壤蓄热塑料大棚增温系统及效果》

第25 卷第7期农业工程学报Vol.

25 No.7

164 2009 年7月Transactions of the CSAE Jul.

2009 主动式太阳能集热/土壤蓄热塑料大棚增温系统及效果 戴巧利,左然,李 平,张志强,苏文佳,于海群 (江苏大学能源与动力工程学院,镇江 212013) 摘要:试验研究了一套主动式太阳能塑料大棚增温系统.它以空气为载热介质,土壤为蓄热介质,白天利用太阳能空气 集热器加热空气,由风机把热空气抽入地下,通过地下管道与土壤的热交换,将热量传给土壤储存.夜间热量缓慢上升 至地表,从而使土壤保持恒温.经过连续

4 d 的加温试验得出:与利用自然辐照的对比温室相比,主动式太阳能塑料大 棚的夜间气温平均升高 3.8℃,地温平均升高 2.3℃,系统蓄热量可达 228.9~319.1 MJ.试验结果证明,这种结合太阳能 空气集热器和土壤蓄热的塑料大棚增温系统,能有效地提高棚内的气温和地温,具有良好的发展前景. 关键词:塑料大棚,土壤蓄热,太阳能增温,太阳能空气集热器 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2009.07.030 中图分类号:S625+ .1,TK512+ .4 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2009)-7-0164-05 戴巧利,左然, 李平,等. 主动式太阳能集热/土壤蓄热塑料大棚增温系统及效果[J]. 农业工程学报,2009, 25(7): 164-168. Dai Qiaoli, Zuo Ran, Li Ping, et al. Active solar heating system with soil heat storage for plastic film greenhouse and its effects[J]. Transactions of the CSAE, 2009,25(7):164-168.(in Chinese with English abstract)

0 引言? 利用常规能源加热温室内空气,不仅大量耗能,而 且容易造成温室内气温过高而地温仍偏低,满足不了喜 温蔬菜对地温的要求[1-5] .因此,寻找新的以节能为目标 的增温方法一直是研究的热点. 太阳能是一种清洁的可再生能源,且转换技术成熟. 土壤具有较大的热容量,可以作为储存热量的工质.在 温室增温中结合太阳能集热和土壤蓄热有很大的优势, 国外很早就开展了此方面的研究. 山本雄二郎[6] 最先尝试 了在温室地下 1.5 m 深处埋设铜管, 用太阳能集热器加热 水送入铜管,以提高温室地温的长期蓄热式日光温室. Bargach[7] 等研究了利用太阳能热水器获得热水,通过地 下管网传递给土壤,从而给温室加温的有效性.Jain [8] 等 建立了用太阳能空气集热器加热温室的热性能数学模型 并进行了试验验证. 熊培桂[9] 等在青藏高原的蔬菜温室中 设置太阳能集贮热系统,在温室土壤下埋设两层钢管, 浅层用于加热当日地温,深层用于长期蓄热.王双喜[10] 等设计的主动式太阳能温室地下蓄热系统具有夏天贮热 冬天用、日间贮热夜间用的效果,并且建议集热器面积 与温室种植面积的比例为 1U5.刘圣勇[11] 等设计的用水 载热、土壤蓄热的温室加温系统使地温平均升高 4.4℃, 作物产量提高 21%.马承伟[12] 等研究了利用风机将白天 温室内温度较高的热空气送入地下蓄积,夜间则反向送 收稿日期:2009-01-10 修订日期:2009-04-19 作者简介:戴巧利(1983-) ,女,湖南娄底人,主要从事太阳能热利用的 研究.镇江 江苏大学能源与动力工程学院,212013. Email: daiqiaoli123@163.com 通信作者:左然(1955-) ,男,湖南长沙人,教授,博士生导师,主 要从事太阳能热利用、 半导体材料生长等研究. 镇江 江苏大学能源与动力 工程学院新能源室,212013.Email: rzuo@ujs.edu.cn 风使温室增温.上述研究均证明,结合太阳能集热和土 壤蓄热的温室技术,具有明显的增温效果.利用土壤热 容量大的特点,不仅可以将热量保持至夜间,甚至可以 保持多天,从而达到节约能源,作物高产的目的.但是, 用水作集热介质,需要水在系统中反复循环流动,耗费 水泵的电能较大,也存在腐蚀、泄漏等问题.利用风机 直接将温室内的热空气导入地下的方法,由于白天温室 内的空气热量有限,难以提供足够的热量来加热土壤以 供夜间使用. 在前人工作的基础上,作者提出一种主动式太阳能 空气集热/土壤蓄热系统,它以空气为载热介质,土壤为 蓄热介质,白天利用太阳能集热器加热空气,热空气经 风机抽入地下管道,通过地下管道与土壤的热交换,将 热量传给土壤储存.热量在夜间缓慢释放,从而使土壤 保持恒温.当夜间大棚内气温过低时,系统将自动启动 风机,把地下贮存的热量带到地上,以提高棚内气温. 作者设计并安装了结合太阳能空气集热和土壤蓄热的主 动式太阳能塑料大棚增温系统,并进行了试验测试.研 究针对一个

50 m2 的普通塑料大棚, 在其侧面安装太阳能 集热器,在地下安装传热管网.在选定的冬季晴朗天气 进行了连续多天的温度测量.本文详细介绍了这种主动 式太阳能塑料大棚增温系统的结构组成和试验测量,旨 在为今后的推广提供科学依据.

1 主动式太阳能塑料大棚增温系统 1.1 系统组成和工作原理 如图

1 所示,主动式太阳能增温系统包括太阳能空 气集热器[13] 、聚氯乙烯(PVC)散热管、聚氨酯保温管、 风机等.太阳能空气集热器置于南北走向的大棚的东西 两侧,面向正南,与地面呈约 50°角放置;

在塑料大棚 第7期戴巧利等:主动式太阳能集热/土壤蓄热塑料大棚增温系统及效果

165 地下

50 cm 深的并联埋管横穿棚内土壤,并联埋管的两 端通过弯头分别连接在两根纵向主管上.主管通过引风 管与太阳能空气集热器出口端相连,两根纵向主管的

4 个末端分别引出地面,其中并联埋管为 PVC 管,直径为

160 mm,管间距为

50 cm(管中心线距离) ,埋设深度为

50 cm(管中心与地表面距离) ;

主管也为 PVC 管,直径 为250 mm;

A、B 端口与两部风机相连;

C、D 端口为可 开闭风门.白天 C、D 关闭,A、B 端口上的风机将热空 气从太阳能空气集热器抽入地下管道,热量传给地下土 壤蓄积,散热后带有余热的空气从风机出口排入棚内. 夜间当棚内气温较低时,C、D 打开,风机将棚内冷空气 吸入地下,经与土壤换热后,将地下土壤蓄积的热量由 空气带出,从风机出口排入棚内,从而提高夜间的棚内 气温.同时,由于土壤巨大的热容量和较小的导热率, 热量从温度较高的地下土壤向上缓慢传递,从而使大棚 内浅层土壤温度升高,满足作物根系对地温的需求. 1,2. 太阳能空气集热器 3,4. 纵向主管道 5. 热空气引风管加保温管 6. 并联散热埋管 A、B. 风机 C、D. 可开闭风门 图1主动式太阳能增温系统示意图 Fig.1 Schematic of the active solar heating system for plastic film greenhouse 1.2 太阳能塑料大棚结构 试验塑料大棚位于江苏省镇江市东郊的一个蔬菜研 究所内,图2为实物照片.利用一个普通的南北走向的 大棚,将其用塑料膜隔成两部分,利用靠南的部分作为 加热大棚.加热大棚长

10 m,宽5m,脊高 2.5 m,总面 积为

50 m2 .加热大棚的保温覆盖材料采用双层 0.08 mm 图2试验太阳能塑料大棚外景 Fig.2 Photo of the experimental plastic film greenhouse 厚的 PVC 长寿无滴塑料膜,两层塑料膜之间有

10 cm 的 空气层,用泡沫做成的长圆柱管撑起.由于空气的导热 系数很小,故双层膜之间的空气间层可起到良好的隔热 保温作用[14] .靠北的另一部分作为对比棚,对比棚的保 温覆盖材料为单层同样的塑料膜.加热棚采用前述的太 阳能集热/蓄热系统加热,对比棚只利用自然辐照.

2 试验方案 白天利用太阳能空气集热器加热空气, 利用两台 (每台90 W,额定流量

1 000m3 /h)的风机把热空气经管道送 入地下,通过地下管道与土壤的热交换,将热量传给土 壤储存并加热土壤.当夜间棚温过低时,系统启动风机, 将地下贮存的热量带到地上.风机运行时间为:9:00- 15:00;

21:00-次日 7:00. 采用 T 型热电偶,分别对环境温度、加热大棚和对 照大棚内的地温、气温进行测试,采用多点测温仪自动 采集温度数据.气温测温点设在棚内中部距地面

50 cm 处,地温测温点分别设在地下

10、

20、

30、40 cm 深处. 风机流量采用手动风速仪测量平均出口流速,计算出两 台风机的实际总流量约为

571 m3 /h.

3 结果与分析 从2008 年11 月到12 月对系统进行了连续试验测试, 特别是在

2008 年12 月8日-2008 年12 月11 日连续

4 个晴天进行了太阳能加热试验,由于试验是在完全动态 的情况下进行的,在不同的太阳辐射和不同的环境温度 下,每天的测量结果不尽相同,但总的趋势不变.以下 针对测量得出的加热大棚和对照大棚内的气温、地下

10 和20 cm 处地温、30 和40 cm 处地温,分别进行讨论. 3.1 两个大棚内的气温变化 由图

3 可看出,两个大棚内的气温变化趋势相同,白 天加温棚和对照棚的气温相差不大,均远高于室外气温;

晚上加热棚内的气温明显高于对比棚,而对照棚内的气 温与环境温度大致相同. 加热棚

3 d 内的最高气温 32.3℃, 最低气温 7.7℃,日平均气温 16.6℃;

对照棚

3 d 内的最 高气温 32.9℃,最低气温 2.6℃,日平均气温 13.3℃.加 热棚比对照棚日平均气温提高 3.3℃.加热棚夜间的平均 气温为 9.7℃,比对比棚提高 3.8℃. 3.2 两个大棚内的地温变化 图4所示为两个大棚内地下

10 cm和20 cm 处的地温 变化情况.由图可看出,两个大棚的土壤温度变化趋势 一致,地表下

10 cm 处的土壤温度日变化值较大,在15:00 左右达到最高,在早上 7:00 左右最低;

地表下

20 cm 处的土壤温度日变化较平缓,在17:00 左右达到 最高,在早上 9:00 左右最低.白天

10 cm 处地温高于

20 cm 处地温;

夜间

20 cm 处地温高于

10 cm 处地温.加 温大棚内地下

20 cm 处地温平均值为 15.1℃,

10 cm 处地 温平均值为 15.6℃.与对照棚相比,加温大棚的地温明 显提高.在3d内,加温大棚

10 cm 深处地温平均提高 2.9℃,最高提高 5.1℃;

20 cm 处地温平均提高 2.4℃, 最高提高 3.8℃.在夜间,加温大棚内

10、20 cm 深处平

166 农业工程学报

2009 年 均地温分别为 15.5 和15.6℃,比对照棚分别高 2.5 和2.4℃.在连续晴天情况下,随着太阳能集热-蓄热系统 运行,加热棚的地温比对照棚的地温越来越高,显示出 中长期蓄热的能力. 注:试验时间:2008 年12 月8日9:00-12 月10 日21:00 图3两个大棚内气温变化 Fig.3 Variations of air temperature in the two experimental plastic film greenhouses 注:试验时间:2008 年12 月8日9:00-12 月10 日21:00 图4两个大棚内地下

10 和20 cm 深处地温变化情况 Fig.4 Variations of soil temperature at

10 and

20 cm depth in the two experimental plastic film greenhouses 图5所示为两个大棚内土层

30 和40 cm 深处的地温 变化情况.从图中看出,对照棚的

30 和40 cm 处的地温 相差不大,日变化也较小.这是由于深层土壤受棚内气 温的影响较小,所以地温较为恒定.由于加温大棚

40 cm 深的土壤靠近地下加热管道,所以白天

40 cm 深的地温 较高,日变化较大.最大值出现在

14 时左右,最高温度 可达 20.4℃,比对照棚

40 cm 地温的最大值高 6.4℃;

加 温棚

40 cm 地温日平均值为 15.9℃,比对比棚高 2.6℃. 在夜间,由于开启风机将棚内温度较低的冷空气与地下 温度较高的土壤进行热交换,所以

40 cm 深的土壤温度 也随之降低, 但仍然比对照棚土壤夜间平均地温高 1.7℃. 加温棚

30 cm 深的土壤温度基本不受夜间风机的影响, 远远高于对比棚的地温,最大值为 17℃,日平均值为 15.2℃,比对比棚地温高 2.3℃,夜间比对比棚地温同样 高2........