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        TRIZ理論在優(yōu)化日光溫室環(huán)境研究方面的應(yīng)用

        2014-03-09 06:35:04寧夏科技發(fā)展戰(zhàn)略和信息研究所白青
        科技創(chuàng)新與品牌 2014年8期
        關(guān)鍵詞:水幕日光溫室溫室

        文/寧夏科技發(fā)展戰(zhàn)略和信息研究所 白青

        TRIZ理論在優(yōu)化日光溫室環(huán)境研究方面的應(yīng)用

        文/寧夏科技發(fā)展戰(zhàn)略和信息研究所 白青

        引言

        日光溫室因其卓越的保溫節(jié)能性在中國北方表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力,在社會(huì)經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用。為提高溫室墻體蓄熱能力,國內(nèi)學(xué)者已從不同角度進(jìn)行了大量而系統(tǒng)的研究[1-10],有關(guān)學(xué)者也提出了幾種解決方案,但都停留在試驗(yàn)示范階段,因成本等問題難以大面積推廣使用,因此方案并不理想。如何通過理想的方案解決增加土質(zhì)墻體蓄熱能力和延遲墻體放熱對提高溫室保溫性具有重要意義。

        利用TRIZ理論解決日光溫室墻體的保溫能力是一個(gè)新命題,作者未查到利用TRIZ理論解決日光溫室環(huán)境問題的報(bào)道。本文在通過對比前人方案的基礎(chǔ)上,利用TRIZ理論提出了一項(xiàng)解決增加土質(zhì)墻體蓄熱能力和延遲墻體放熱的有效方案,不僅為解決日光溫室保溫性問題提出了一個(gè)可行方案,更重要的是探索了TRIZ理論在溫室環(huán)境研究方面的應(yīng)用。

        1 初始問題描述

        1.1 工作原理

        日光溫室是我國獨(dú)有的一種三面環(huán)墻的溫室類型,它主要由墻體、骨架、透明薄膜、保溫被組成。墻體是日光溫室的主要蓄熱載體,它白天吸熱,夜間放熱,從而保證寒冷季節(jié)夜間室內(nèi)能維持一定的氣溫。白天有陽光的時(shí)候溫室墻體吸熱、蓄熱,夜間開始放熱,維持夜間溫室氣溫。

        1.2 主要問題

        墻體白天有陽光的時(shí)候吸熱、蓄熱,在晚上開始放熱,但放熱時(shí)間集中在前半夜(即蓋上保溫被的1~3小時(shí)內(nèi)),而這時(shí)溫室氣溫較高,不需太多熱量,而后半夜大量需要熱量時(shí),墻體放熱量達(dá)到最弱。因此希望借助裝置設(shè)計(jì)達(dá)到增強(qiáng)墻體蓄熱量、延緩放熱速度的目的。這對縮小溫室晝夜溫差、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)都具有不可估量的作用。

        1.3 限制條件:

        為使裝置可行,并能得到可行方案,對設(shè)備(方案)提出理想化的限制條件,以便得到理想的結(jié)果。

        (1)裝置易于安裝,不改變溫室原有結(jié)構(gòu)。

        (2)不占用種植面積,不影響種植操作。

        (3)成本低廉,原料易于獲取、無污染。

        (4)裝置易于拆除,反復(fù)多次利用。

        2 其他學(xué)者的解決方案

        通過其他學(xué)者的解決方案的分析,以此為對照,對比利用TRIZ理論得出方案的可行性和使用性。

        2.1 熱阻簾法[11]

        熱阻簾法是利用熱阻簾以延遲墻體熱量釋放的時(shí)間、從而提高凌晨低溫時(shí)段室內(nèi)空氣溫度的方法,如圖2所示。

        2.2 水幕簾法[12]

        水幕簾蓄放熱系統(tǒng)主要由水幕簾、蓄熱水池、水泵及管道等組成。蓄熱水池由聚酯硬質(zhì)板焊接而成,水池四周外表面設(shè)置聚苯乙烯泡沫板保溫層(厚度10 cm),水箱體積4m3。水幕簾蓄放熱系統(tǒng)以墻體結(jié)構(gòu)為依托,白天利用水流循環(huán)吸收到達(dá)墻體表面的太陽輻射熱量,同時(shí)將熱量儲(chǔ)存在帶有保溫層的水池中;夜晚當(dāng)溫室內(nèi)氣溫降低到一定程度時(shí),開啟循環(huán)水泵,通過水幕簾將水池中的熱量釋放到溫室中。系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

        2.3“蜂窩式”墻體

        “蜂窩式”墻體是通過“蜂窩”增加墻體表面積,增大墻體白天吸熱面積,吸收更多熱量,補(bǔ)充夜間熱量差。如圖4所示。此法效果并不顯著,增溫效果不明顯。

        熱阻簾法和水幕簾法的解決方法能達(dá)到預(yù)期目標(biāo),缺點(diǎn)是成本較大、操作繁瑣、農(nóng)戶不易接受,難推廣。同時(shí)也不能滿足1.3中的限制條件。在這種條件下用TRIZ解題流程來解答,尋找最佳方案。

        左:圖1 日光溫室結(jié)構(gòu)示意圖

        右:圖2 熱阻簾示意圖

        左:圖3 水幕簾法示意圖

        右:圖4 “蜂窩式”墻體示意圖

        圖5 日光溫室后墻體蓄熱能力提高、放熱時(shí)間延后的裝置系統(tǒng)的九屏圖A

        圖6 日光溫室后墻體蓄熱能力提高放熱時(shí)間延后的裝置的生命曲線圖

        3 TRIZ解題流程

        3.1 系統(tǒng)分析

        3.1.1 九屏圖分析

        利用九屏圖分析問題,結(jié)果如圖5所示。

        由圖5可知,墻體材料的特性是導(dǎo)致蓄熱能力和控?zé)崮芰Φ偷闹饕颍罱K導(dǎo)致熱量供應(yīng)不平衡。

        3.1.2 生命曲線

        日光溫室后墻體蓄熱能力提高、放熱時(shí)間延后的裝置處于研究示范階段,并未大面積推廣應(yīng)用,還達(dá)不到成熟期,只處于成長期。如圖6所示。

        3.1.3 系統(tǒng)完備性法則等技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則

        系統(tǒng)名稱:日光溫室后墻體蓄熱能力提高、放熱時(shí)間延緩的裝置

        系統(tǒng)定義:有效提高墻體蓄熱能力、延緩放熱時(shí)間

        系統(tǒng)功能:提高墻體蓄熱能力,延緩墻體放熱時(shí)間

        作用對象(產(chǎn)品):熱、溫度

        執(zhí)行裝置:日光溫室后墻體蓄熱能力提高、放熱時(shí)間延緩的裝置

        傳動(dòng)裝置:光熱轉(zhuǎn)化過程

        動(dòng)力裝置:熱傳導(dǎo)系統(tǒng)

        控制裝置:蓄熱、控?zé)嵫b置

        外部控制:人

        3.2 資源分析

        3.2.1 可利用物質(zhì)資源:

        (1)現(xiàn)成資源:溫室各個(gè)組成部分、室內(nèi)氣象因子

        (2)派生資源:光、空氣、水

        圖7 日光溫室后墻體蓄熱能力提高、放熱時(shí)間延后裝置的系統(tǒng)組成

        表1 系統(tǒng)的IFR

        3.2.2 可利用能量資源:

        (1)現(xiàn)成資源:光

        (2)派生資源:空氣中的熱

        3.2.3 可利用信息資源:

        (1)現(xiàn)成資源:墻體結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料比熱、密度等

        (2)派生資源:溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)

        3.2.4 可利用空間資源:

        (1)現(xiàn)成資源:墻體周邊空間

        (2)派生資源:溫室內(nèi)部空間

        3.2.5 可利用時(shí)間資源:

        (1)現(xiàn)成資源:晝夜時(shí)間、陽光照射時(shí)間、放熱時(shí)間

        (2)派生資源:蓋被、起被時(shí)間

        3.2.6 可利用功能資源:

        (1)現(xiàn)成資源:導(dǎo)熱功能、蓄熱功能

        (2)派生資源:熱傳導(dǎo)

        3.2.7 可利用系統(tǒng)資源:

        (1)現(xiàn)成資源:室內(nèi)氣象因子系統(tǒng)

        (2)派生資源:外界氣象因子系統(tǒng)

        3.3 理想解及TRIZ工具

        3.3.1 理想解

        系統(tǒng)IFR定義見表1。

        主要原因是:墻體材料比熱低。據(jù)此,推測可利用的資源應(yīng)為:陽光、空氣溫度、熱量、水等。

        3.3.2 運(yùn)用TRIZ工具

        (1)運(yùn)用技術(shù)矛盾解決方法提出原理解

        原問題技術(shù)矛盾:

        改善:提高溫度、延緩放熱

        惡化:增加成本、操作時(shí)間

        (2)問題模型

        對應(yīng)的39個(gè)通用工程參數(shù)

        改善的參數(shù):17溫度

        惡化的參數(shù):14物質(zhì)的量、20能量耗能、36裝置復(fù)雜性、37控制復(fù)雜性

        (3)解決方案模型

        對應(yīng)查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考創(chuàng)新原理為15個(gè),經(jīng)篩選,保留5個(gè)創(chuàng)新原理(表2):

        原理40、17、1、32分別可獨(dú)立形成4個(gè)方案,但是5個(gè)創(chuàng)新原理可以優(yōu)勢互補(bǔ),形成1個(gè)完美方案。利用技術(shù)矛盾和物場模型也可得出5個(gè)創(chuàng)新原理中的1~2個(gè)原理,在此不作贅述。

        4.最終方案

        最終方案如圖8所示,利用廢舊塑料瓶(22變害為利)裝滿水,在墻體表面形成一面水墻,組成復(fù)合墻體(40復(fù)合材料法)。由于塑料瓶是凸起狀的,無疑增大了復(fù)合墻體的表面積(17多維法),增加與空氣的接觸面,同時(shí)將水染色(32色彩法)使墻體吸收更多的陽光(熱量)。更重要的是塑料瓶可隨意拆除組裝,反復(fù)利用(1分離法)。

        這個(gè)方案對優(yōu)化日光溫室環(huán)境具有重要意義,能顯著提高夜間溫室內(nèi)氣溫,

        但具體溫度需進(jìn)一步測試研究。

        表2 保留的5個(gè)創(chuàng)新原理及對本項(xiàng)目的啟示

        圖8 最終方案示意圖

        [1] 陳端生,鄭海山,劉步洲.日光溫室氣象環(huán)境綜合研究―墻體、覆蓋物熱效應(yīng)研究初報(bào)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1990,6 (2):77~81.

        [2] 亢樹華,戴雅東,房思強(qiáng).日光溫室優(yōu)型結(jié)構(gòu)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1996(增),33~35.

        [3] 周長吉.日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)吉綜合配套技術(shù)(四).日光溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)―墻體的保溫性能.農(nóng)村實(shí)用工程技術(shù),1999(4):7.

        [4] 白義奎,王鐵良,姜傳軍,等. 外墻聚苯板復(fù)合墻在日光溫室中的應(yīng)用.房材與應(yīng)用,2002,30(1):27~29.

        [5] 佟國紅,王鐵良,白義奎,等.日光溫室墻體傳熱特性研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19(3):186~189.

        [6] 張立蕓,徐剛毅,馬承偉,等.日光溫室新型墻體結(jié)構(gòu)性能分析[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,37(3):459~462.

        [7] 李小芳,陳青云.墻體材料及其組合對日光溫室墻體保溫性能的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2006,14(4):185~189.

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        [11]王爍,楊其長. 熱阻簾在日光溫室墻體熱量釋放調(diào)節(jié)中的應(yīng)用初報(bào)[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2010, 31(3): 407-410.

        [12]張 義,楊其長,方 慧. 日光溫室水幕簾蓄放熱系統(tǒng)增溫效應(yīng)試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(4):188-193.

        責(zé)編/王蒙

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