柯行林，楊其長，張 義，方 慧，和永康，張 晨

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主動蓄放熱加熱基質(zhì)與加熱空氣溫室增溫效果對比

柯行林，楊其長，張 義※，方 慧，和永康，張 晨

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081； 2. 農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081）

為進一步提高日光溫室內(nèi)主動蓄放熱熱能的利用效率，該文以主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)（active heat storage-release substrate warming system, AHSSWS）提升栽培基質(zhì)溫度作為試驗組，以主動蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)（active heat storage-release air warming system, AHSAWS）提升夜間氣溫處理作為對照組，比較了2種加溫方式對基質(zhì)溫度、室內(nèi)氣溫及番茄生長、產(chǎn)量的影響，并對2個系統(tǒng)的能量收支情況、設(shè)備投入、運行成本進行了比較。試驗結(jié)果表明，相比主動蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)，主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)可提高基質(zhì)溫度2.5～5.3 ℃；與加熱空氣相比，加熱基質(zhì)處理可提高番茄株高及產(chǎn)量（增產(chǎn)43%）。連續(xù)晴天情況下，主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)的COP（coefficient of performance）為1.5～1.9，主動蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)的COP為3.0～4.0；連續(xù)陰天情況下，主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)的COP為0.5～0.9，主動蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)的COP為1.0～2.2。相對于主動蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)，主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)的集熱效率、節(jié)能率、平均COP略低；但試驗組的單位產(chǎn)量耗能量為0.7 kJ/kg，低于對照組的單位產(chǎn)量耗能量（1.0 kJ/kg），從單產(chǎn)能耗角度來講，主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)更具優(yōu)勢，因此可根據(jù)番茄銷售價格及當(dāng)?shù)仉妰r來選擇相應(yīng)的加溫系統(tǒng)。該文研究結(jié)果為主動蓄放熱熱能的高效利用以及主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)在日光溫室冬春季番茄加溫栽培應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

溫室；溫度；加溫；番茄；加熱設(shè)備；基質(zhì)；蓄熱

0 引 言

日光溫室是中國北方蔬菜生產(chǎn)的重要設(shè)施，近年來節(jié)能環(huán)境調(diào)控技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用受到了越來越多的關(guān)注。溫度作為重要的環(huán)境因子，合理的溫度調(diào)控在日光溫室中尤為重要[1-2]。日光溫室內(nèi)無土栽培過程中對溫度的調(diào)控可分為基質(zhì)溫度調(diào)控和空氣溫度調(diào)控，其中基質(zhì)溫度主要影響作物的根區(qū)溫度，可調(diào)節(jié)作物的根系生長、根系呼吸作用、水分及養(yǎng)分的吸收、根系內(nèi)物質(zhì)合成以及根際微生物活性、近根的分生組織生長分化等[3-8]?？諝鉁囟韧ㄟ^改變作物體內(nèi)酶的活性影響作物光合作用、呼吸作用等，也可以調(diào)節(jié)作物的形態(tài)建成和器官分化[9-12]。但是由于傳統(tǒng)日光溫室的環(huán)境調(diào)控能力弱，冬季日光溫室內(nèi)的基質(zhì)溫度、空氣溫度均較低，低溫脅迫已成為蔬菜生產(chǎn)的重要桎梏。

針對日光溫室內(nèi)冬季夜晚基質(zhì)溫度過低的問題，傅國海等[13]研發(fā)了一種新型的栽培方法：起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培（soil ridge substrate-embedded cultivation, SRSC），該方法利用土壟包被基質(zhì)栽培槽，有效地發(fā)揮了無土栽培的優(yōu)點并利用了土壟良好的蓄熱保溫能力，提高了基質(zhì)溫度[14]，且建造成本低廉，有一定的推廣價值。但SRSC方法相對于土壟栽培僅提升冬季根區(qū)溫度1 ℃左右，增溫幅度有限[14]，溫度調(diào)節(jié)能力仍有待進一步提升。栗亞飛等[15]提出了根區(qū)局部加熱利于節(jié)能的研究結(jié)論。

目前生產(chǎn)上可以使用的根區(qū)增溫設(shè)備主要有燃煤（油）鍋爐加散熱管道[16]、地源熱泵[17]、地下蓄熱系統(tǒng)[18]、燃池加散熱管道[19]、電加熱[20]等。但以上加熱設(shè)備各有不足，以燃煤（油）鍋爐為代表的傳統(tǒng)加熱設(shè)備，通過燃燒煤（油）加熱循環(huán)水，再通過地下加熱水管來提高根區(qū)溫度，該方法雖然可控性強且增溫效果明顯，但由于能耗大、成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重，目前使用化石燃料直接作為加熱熱源的做法已不常見；柴立龍等[21]使用水源熱泵系統(tǒng)將溫室的平均地面溫度提升至18.4 ℃，但是水源熱泵設(shè)備及施工成本高，設(shè)備操作復(fù)雜，推廣難度較大。王永維等[18]設(shè)計的溫室地下蓄熱系統(tǒng)將白天溫室內(nèi)的空氣熱能儲存在地下，晚上再釋放出來加溫，地溫可提高5.5 ℃以上，然而由于其能量不集中，能量利用率低，能耗大。徐剛毅等[16]使用電加溫水暖鍋爐供熱，在地下30 cm處布置熱水管道加熱，使地下15 cm處平均溫度達到19.8 ℃。趙云龍等[20]運用碳晶電地?zé)嵯到y(tǒng)加溫基質(zhì)，提高基質(zhì)溫度4.7 ℃。電加熱往往通過電熱元件直接加熱土壤，加溫效果明顯且可控，但電加熱并不節(jié)能，且加熱元件壽命不高，一般用于早熟促成栽培或育苗等對溫度敏感的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。以上加熱方式中，燃煤（油）鍋爐加散熱管道和電加熱方式能耗大，水源熱泵設(shè)施設(shè)備投入過大，地下蓄熱系統(tǒng)效率低，難控制，燃池加散熱管道的方式會產(chǎn)生空氣污染問題且該方式受地域地質(zhì)限制。而張義等[22]提出了日光溫室主動蓄放熱思想，即白天利用循環(huán)的流體收集到達日光溫室后墻的太陽輻射能，夜晚低溫時，通過流體介質(zhì)循環(huán)釋放能量。主動蓄放熱系統(tǒng)在晴天收集的熱量可達182～223 MJ/d[22-23]，該方法節(jié)能效果明顯，且單位面積裝置成本低[24]，具有環(huán)?？沙掷m(xù)的特點。

日光溫室內(nèi)通過主動蓄放熱系統(tǒng)獲得的熱能是一定的，前人的研究集中于將主動蓄放熱用于加熱溫室空氣，為了進一步提高熱能的利用效率，本文結(jié)合起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培方式，設(shè)計了主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)（active heat storage-release substrate warming system, AHSSWS），并以AHSSWS提升溫室內(nèi)基質(zhì)溫度處理作為試驗組，以主動蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)（active heat storage-release air warming system, AHSAWS）提升夜間溫室內(nèi)氣溫處理作為對照，比較了2種加溫方式對基質(zhì)溫度、室內(nèi)氣溫及番茄生長、產(chǎn)量的影響，對2個系統(tǒng)的能量收支情況、設(shè)備投入、運行成本進行分析，以期獲得更優(yōu)的主動蓄放熱熱能利用方式，為主動蓄放熱系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)與主動蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)

AHSSWS的原理是白天利用水流循環(huán)吸收到達溫室后墻表面的太陽輻射熱量，同時將熱量儲存在地下蓄熱水桶中，再通過基質(zhì)下的加熱管道釋放能量，用于提高基質(zhì)溫度；而AHSAWS是將白天收集的能量再通過集放熱板釋放，用于提升夜晚氣溫。

1.1 系統(tǒng)組成

試驗組的AHSSWS分為4個部分，如圖1a所示。

1）集熱系統(tǒng)，包括集放熱板、1臺1.1 kW的潛水泵及配套循環(huán)管道。其中集放熱板主體結(jié)構(gòu)為吹塑成型的PE空腔板。PE空腔板正面采用印花蝕刻以提高流水速率，表面配覆單層厚0.15 mm的黑色塑料膜。系統(tǒng)包含26塊集放熱板，每個集熱板的高度為1.8 m，寬度為1.0 m，集放熱板面積占后墻面積的60%；集放熱板與垂直方向夾角為7°，底部距離地面600 mm。

2）地下蓄熱水桶，有效蓄水體積為4.4 m3，材質(zhì)為PE，四周及底部用40 mm厚的擠塑板進行保溫處理，上方設(shè)置一個深500 mm、直徑為600 mm的工作井，并采用澆筑陶?；炷吝M行保溫。

3）基質(zhì)增溫系統(tǒng)，包含1臺1.1 kW、額定流量為15 m3/h的潛水泵及基質(zhì)加熱管道。其中基質(zhì)加熱管道選用外徑為20 mm的PPR給水管，布置于土壟內(nèi)的基質(zhì)袋下，基質(zhì)加熱管道采用同程式管道布置，各并聯(lián)的加熱管道水路流程相等，流量分配較均衡。

對照組的AHSAWS分成2部分，如圖1b所示，1）集熱系統(tǒng)；2）地下蓄熱水桶。其規(guī)格、安裝方式與試驗組相同。白天集熱系統(tǒng)通過集放熱板收集熱量，夜晚再將吸收的熱量通過集放熱板釋放到空氣中[20]。

圖1 主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)與和主動蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)示意圖

1.2 系統(tǒng)運行模式

兩個系統(tǒng)運行時間均為2016年11月16日—2017年2月16日。運行模式為：1）AHSSWS與AHSAWS的集熱時間一致，即09:00－15:00，系統(tǒng)運行，集放熱板開始集熱，將熱量儲存于蓄熱水桶中。2）根據(jù)系統(tǒng)運行預(yù)試驗結(jié)果，12:00－15:00基質(zhì)溫度與蓄水池內(nèi)水溫平均溫差最大，利于放熱，故AHSSWS的基質(zhì)增溫系統(tǒng)于12:00－15:00運行，將熱量蓄積于土壟與基質(zhì)中，而且此時作物光合作用強度較大，適當(dāng)?shù)奶岣呋|(zhì)溫度利于光合作用。3）夜晚00:00－08:00，AHSSWS基質(zhì)增溫系統(tǒng)運行，向基質(zhì)及土壟放熱；對照組AHSAWS運行，向溫室空氣放熱。

2 試驗方案

試驗日光溫室位于北京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所試驗基地（40°13′N，116°65′E）。溫室跨度為10 m，脊高 4.5 m，后墻凈高3 m，長度60 m，相較傳統(tǒng)日光溫室，栽培空間有所擴展[25]。溫室墻體采用預(yù)制裝配式復(fù)合墻板（水泥板-聚苯板-水泥板復(fù)合結(jié)構(gòu)），溫室基礎(chǔ)內(nèi)外設(shè)置聚苯板等保溫結(jié)構(gòu)，冬季保溫效果較好[26]。將該日光溫室分為2個區(qū)域，溫室中部用鋼化玻璃墻分隔，試驗組位于溫室的西側(cè)，主動蓄放熱用于加熱基質(zhì)，對照組位于溫室的東側(cè)，主動蓄放熱用于加熱空氣。耳房位于溫室東側(cè)，系統(tǒng)運行期間，溫室耳房門與溫室門不同時開啟，溫室門除人員通行外處于常閉狀態(tài)，減少其對室內(nèi)氣溫的影響。

2.1 栽培材料及方法

種植的番茄品種為瑞克斯旺（中國）公司生產(chǎn)的瑞粉882，2016年10月10日播種育苗，2016年11月3日“兩心一葉”時按一壟2行定植，南北走向，壟型如圖2所示，壟距為1.55 m，壟高為25 cm，壟上寬為35 cm，下寬為90 cm。內(nèi)嵌基質(zhì)袋長1 m，寬20 cm，高12 cm。土壟表面覆蓋黑色塑料膜，基質(zhì)袋下方開孔以泄多余的營養(yǎng)液，用聚乙烯編織塑料與土壤隔離。每壟放置7個基質(zhì)袋，定植42株苗，每組處理18壟。

圖2 內(nèi)嵌基質(zhì)土壟栽培示意圖

2.2 參數(shù)測定方法

2.2.1 番茄生長指標(biāo)及產(chǎn)量的測定

株高：于定植后1個月，2個月，3個月及第1次果實采收時以精度為1 mm的卷尺測量基質(zhì)表面距離番茄最頂部葉片葉腋出的長度，記為株高。

莖粗：于定植后1個月，2個月，3個月及第1次果實采收時以精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺測量第1果穗下方2 cm處測量直徑，記為莖粗[27]。

番茄產(chǎn)量：定期采收標(biāo)定行的番茄果實，使用精度為1 g的磅秤稱得質(zhì)量。

2.2.2 環(huán)境參數(shù)測定

試驗區(qū)和對照區(qū)的空氣溫度測試：在試驗區(qū)幾何中心所在的南北截面上分別布置8個點，測點距離溫室北墻分別為2、4、6、8 m，距離地面高度為1、2 m，如圖3所示，在對照區(qū)對應(yīng)位置也布置8個點。

室外空氣溫度測試：在距離試驗溫室南面5 m，距地面1.5 m[23]高度（對應(yīng)植物冠層）處設(shè)置一個溫度測點。

試驗區(qū)和對照區(qū)的基質(zhì)溫度及土壤溫度測試：各區(qū)域內(nèi)從東向西選擇第5、第9、第14壟作為測量壟，每壟距北墻2.7，4.7，6.7 m各布置1個點；試驗區(qū)第9壟中部基質(zhì)測點下方10、20、40、60 cm深布置4個測點，如圖3所示。

注：“?”基質(zhì)及土壤溫度測點；“▲”空氣溫度測點。

試驗區(qū)和對照區(qū)的水溫測試：AHSSWS的蓄熱水桶內(nèi)幾何中心，集熱系統(tǒng)入水口、出水口，基質(zhì)加熱管道入水口、出水口各設(shè)置1個溫度測點；AHSAWS的蓄熱水桶內(nèi)幾何中心，集熱系統(tǒng)進水口，集熱系統(tǒng)出水口各設(shè)置1個溫度測點。

太陽輻射強度測試：于試驗組集熱板外表面平行于后墻，距地面1.5 m高度處設(shè)置1個太陽輻射測點。在距離試驗溫室南端5 m，距地面1.5 m高的開闊處設(shè)置一個太陽輻射測點。

水泵耗電量測試：每個水泵開關(guān)處接1個電能表。

2.2.3 系統(tǒng)性能分析方法

AHSSWS的集熱系統(tǒng)（主要為集放熱板）蓄積的熱量及基質(zhì)增溫管道釋放的熱量通過下式[23]計算：

系統(tǒng)停止運行后，因為蓄熱水桶不是絕熱體，所以蓄積的熱量也會有損失，熱損失量通過式（5）計算。

式中E為系統(tǒng)停止運行后到系統(tǒng)再次開始運行這段時間內(nèi)系統(tǒng)損失的熱量，kJ；為地下蓄熱水桶內(nèi)水的體積，m3，這里取值4.4；T為系統(tǒng)停止運行時刻的蓄熱水桶內(nèi)幾何中心的水溫，℃；T為系統(tǒng)再次運行時刻的蓄熱水桶內(nèi)幾何中心的水溫，℃。

式中E為照射到集放熱板上總的太陽輻射量，kJ。

對照組內(nèi)AHSAWS的相關(guān)計算亦對照上述公式進行。

試驗期間，1d定義為從該天的08:30至次日08:30，如2017年1月10日定義為1月10日8:30至1月11日08:30。AHSSWS的COP（coefficient of performance）定義為1 d內(nèi)系統(tǒng)向土壟有效放熱量與系統(tǒng)運行1 d的耗電電能比值[28]；AHSAWS的COP定義為1 d內(nèi)集放裝置放熱量與系統(tǒng)1 d內(nèi)運行的耗電電能比值。

若將系統(tǒng)運行期間總的放熱量為電加熱產(chǎn)生的熱量，系統(tǒng)節(jié)能率[29]可根據(jù)式（9）計算。

因兩系統(tǒng)能耗與產(chǎn)量均有差異，可比較兩者單位產(chǎn)量的耗能量E，kJ/kg。

式中為各試驗區(qū)域的采收總產(chǎn)量，kg。

3 結(jié)果與分析

3.1 增溫效果分析

選取2017年1月12日—1月17日共6 d的典型室外氣象條件下的測量數(shù)據(jù)進行分析，其中1月12日—1月14日這3 d為連續(xù)晴天，1月15日—1月17日這3d為連續(xù)陰天，分析這2種工況條件下系統(tǒng)的運行情況。

3.1.1 不同天氣條件下試驗區(qū)與對照區(qū)的基質(zhì)溫度比較

圖4為連續(xù)晴天條件下試驗區(qū)與對照區(qū)的基質(zhì)溫度比較，2017年1月12日—1月14日為連續(xù)晴天，由圖4知3 d中試驗區(qū)的全天平均基質(zhì)溫度為20.5、20.8、20.7 ℃，對照區(qū)的平均基質(zhì)溫度為15.8、15.9、16.1 ℃。在12:00－15:00 AHSSWS放熱階段，試驗區(qū)與對照區(qū)平均基質(zhì)溫差分別為4.7、5.0、4.8 ℃；00:00－08:00 AHSSWS放熱階段，試驗區(qū)與對照區(qū)平均基質(zhì)溫差分別為5.0、5.3、4.6 ℃。3d內(nèi)試驗區(qū)的基質(zhì)溫度均高于18 ℃，增溫效果明顯。

對照區(qū)的基質(zhì)最高溫度出現(xiàn)在19:30前后，最低溫度出現(xiàn)在09:30－10:00，而董海泉[30]發(fā)現(xiàn)日光溫室內(nèi)土壤栽培條件下，試驗期間15 cm深的土壤最高溫度出現(xiàn)在17:00，最低溫度出現(xiàn)在09:30，日溫差為4.5 ℃，而對照區(qū)的基質(zhì)平均日溫差為1.9 ℃，小于深15 cm處的土壤日溫差，說明內(nèi)嵌基質(zhì)土壟內(nèi)基質(zhì)溫度較穩(wěn)定。如圖4所示，試驗區(qū)基質(zhì)溫度每天出現(xiàn)2次波峰、2次波谷。第1次波谷出現(xiàn)在12:00－12:10，此時為第1次加熱開始后的10 min內(nèi)，此后的3 h基質(zhì)溫度上升，平均增溫速率為1.1 ℃/h，第1次波峰出現(xiàn)于15:20，即停止加熱后20 min，一是由于熱量在基質(zhì)中傳遞需要時間，二是由于系統(tǒng)關(guān)閉后，加熱管內(nèi)仍然存有熱水，繼續(xù)傳遞熱量；第2次波谷出現(xiàn)00:10，這是第2次加熱開始后10 min，此后在整個加熱階段基質(zhì)溫度先升后降，第2次波峰較第1次波峰平緩，出現(xiàn)于03:00－04:00，該段時間基質(zhì)加熱管釋放的能量與基質(zhì)散失的熱量相當(dāng)，基質(zhì)溫度基本不變，而此時對照區(qū)的基質(zhì)溫度持續(xù)降低。08:10以后試驗區(qū)基質(zhì)溫度下降速率大于對照區(qū)，這是由于此時試驗區(qū)基質(zhì)溫度較高，試驗區(qū)基質(zhì)溫度與其室溫溫差大，散熱速率較高。

圖5為連續(xù)陰天條件下試驗區(qū)與對照區(qū)的基質(zhì)溫度比較，2017年1月15日多云、1月16日小雪轉(zhuǎn)多云、1月17日霾（中度污染，空氣污染指數(shù)255），由圖5知3d中試驗區(qū)的平均基質(zhì)溫度分別為18.4、17.0、16.7 ℃，對照區(qū)的平均基質(zhì)溫度為15.1、14.4、14.1 ℃。在12:00－15:00 AHSSWS放熱階段，試驗區(qū)與對照區(qū)平均基質(zhì)溫差分別為3.6、2.8、2.5 ℃；00:00－08:00 AHSSWS放熱階段，試驗區(qū)與對照區(qū)平均基質(zhì)溫差分別為3.4、2.7、2.9 ℃。15日早上09:00試驗區(qū)與對照區(qū)蓄熱水桶水溫分別為31.9、27.7 ℃，溫度較高，所以15日試驗區(qū)和對照區(qū)平均基質(zhì)溫差高于17日和18日。17日和18日兩區(qū)基質(zhì)溫差逐漸減小，這是由于陰天條件下集熱板收集的熱量減少，水溫也逐漸降低，AHSSWS向基質(zhì)中傳熱量逐漸減少。

圖5 連續(xù)陰天條件下試驗區(qū)與對照區(qū)的基質(zhì)溫度比較（2017年1月15日-1月17日）

由圖5可知，一天中對照區(qū)的基質(zhì)最高溫度出現(xiàn)在17:30－18:30，最低溫度出現(xiàn)在11:00－11:30，相較于連續(xù)晴天下對照區(qū)的基質(zhì)溫度，其最高溫度出現(xiàn)時間提前而最低溫度出現(xiàn)時間延遲。3d內(nèi)基質(zhì)的溫度變化幅度分別為0.4、0.7、1.0 ℃，相較于連續(xù)晴天條件下其日變化幅度較小。如圖5所示，試驗區(qū)基質(zhì)溫度每天出現(xiàn)2次波峰、2次波谷。波峰波谷出現(xiàn)的時間與連續(xù)晴天狀況下一致，第1次波谷出現(xiàn)在12:00－12:10，此后的3h基質(zhì)溫度上升，平均增溫速率為0.4 ℃/h，低于連續(xù)晴天狀況下的平均增溫速率，第1次波峰出現(xiàn)于15:20前后；第2次波谷出現(xiàn)00:10前后，即AHSSWS第2次開啟后10 min前后，此后在系統(tǒng)運行時間內(nèi)基質(zhì)溫度先升后降，第2次波峰較第1次波峰平緩，出現(xiàn)于03:00－04:00。

3.1.2 不同天氣狀況下試驗區(qū)與對照區(qū)空氣溫度比較

圖6為連續(xù)晴天條件下試驗區(qū)與對照區(qū)的空氣溫度比較，如圖6所示，正午時溫室內(nèi)溫度較高，種植人員打開上通風(fēng)口，受室外氣流的影響，室內(nèi)氣溫變動幅度較大，09:00-15:00期間試驗區(qū)平均氣溫比對照區(qū)高1.5、3.5、1.2 ℃，這可能是由于12:00-15:00試驗區(qū)內(nèi)AHSSWS向基質(zhì)放熱時，間接提高了其空氣溫度。夜晚，AHSAWS的集放熱板向溫室空氣放熱，00:00－08:00放熱階段，對照區(qū)平均氣溫比試驗區(qū)高出1.2、1.2、1.8 ℃。當(dāng)08:00系統(tǒng)關(guān)閉時，系統(tǒng)內(nèi)的水還會短暫放熱，溫度傳感器設(shè)置于溫室中部，熱量從溫室北側(cè)集放熱板到達溫室中部需要一段時間，故平均溫差最大值出現(xiàn)時間晚于08:00。兩區(qū)空氣溫差不大的原因可能是：溫室保溫被保溫性能較差，室內(nèi)熱量散失較多；加熱基質(zhì)過程中一部分熱量通過基質(zhì)間接加熱室內(nèi)空氣。

圖6 連續(xù)晴天條件下試驗區(qū)與對照區(qū)的空氣溫度比較（2017年1月12日-1月14日）

圖7為連續(xù)陰天條件下試驗區(qū)與對照區(qū)的空氣溫度比較，如圖7所示，09:00-15:00期間試驗區(qū)平均氣溫高于對照區(qū)，特別是1月17日白天蓄熱階段試驗區(qū)平均氣溫比對照區(qū)高2.1 ℃。夜晚，對照區(qū)的集放熱板向溫室空氣放熱，00:00－08:00放熱階段對照區(qū)的平均氣溫分別為10.8、10.4、8.3 ℃，而試驗區(qū)的平均氣溫分別為10.4、10.2、7.9 ℃，此時段對照區(qū)平均空氣溫度比試驗區(qū)高出0.4、0.2、0.4 ℃，相較于晴天，連續(xù)陰天致使集熱量減少，水溫較低，加熱效果不理想。

圖7 連續(xù)陰天條件下試驗區(qū)與對照區(qū)的空氣溫度比較（2017年1月15日-1月17日）

3.2 兩系統(tǒng)能量與節(jié)能效果分析

AHSSWS的集熱時段是白天9:00－15:00，集熱量c通過式（1）和式（2）計算，而12:00－15:00、00:00－08:00基質(zhì)增溫管道向基質(zhì)放熱，不同時段的放熱量E均通過式（3）和式（4）計算。白天09:00－15:00是對照組的AHSAWS的集熱階段，00:00－08:00為其放熱時段，集熱量計算參照式（1）和式（2），放熱量計算參照式（3）和式（4）。

3.2.1 連續(xù)晴天狀況下兩系統(tǒng)集放熱性能分析

將連續(xù)晴天2017年1月12日－1月14日各系統(tǒng)蓄熱量、釋放熱量和集放熱板表面太陽總輻射量統(tǒng)計如表1所示。各系統(tǒng)對能量的利用效率可通過r/c計算。由表1可知，連續(xù)晴天狀況下試驗組的平均能量利用率為65.3%，通過式（5）計算得到15:00－00:00系統(tǒng)關(guān)閉時間內(nèi)蓄水池能量散失平均值為20.6 MJ，散失總量占總蓄熱量的8.0%，可見蓄熱水桶的保溫性能有待提高。連續(xù)晴天狀況下試驗組的集放熱板平均集熱效率為56.3%，對照組的平均集熱效率為84.7%，本試驗中使用的集放熱板就集熱效率方面優(yōu)于金屬膜集放熱裝置[22]。6d內(nèi)試驗組的平均COP為1.5～1.9，低于對照組的平均COP（3.0～4.0）。試驗組的平均能量利用率和COP較低的原因是，夜晚系統(tǒng)運行時段基質(zhì)與循環(huán)水的溫差小于空氣與循環(huán)水的溫差，且加熱管與基質(zhì)的換熱系數(shù)小于集放熱板與空氣的換熱系數(shù)。由于釋放熱量較少，08:00放熱結(jié)束后，試驗組的蓄水桶水溫高于對照組。

3.2.2 連續(xù)陰天狀況下兩系統(tǒng)集放熱性能分析

如表1所示，從晴天轉(zhuǎn)向陰天時，陰天早上的水溫較高，而陰天室內(nèi)空氣溫度較低，出現(xiàn)水溫高于集熱階段室內(nèi)空氣溫度的情況，所以15日、16日集放熱板在集熱階段放熱。許多熱量沒有用于夜晚加溫，而是在白天就釋放到空氣中。此時有效放熱量不及晴天條件下的一半，系統(tǒng)性能系數(shù)COP很低，試驗組的COP僅為0.9、0.5、0.7，部分能量沒有用于有效加溫，這也是試驗區(qū)與對照區(qū)3d空氣溫度相差不多的主要原因。

表1 AHSSWS和AHSAWS的蓄放熱參數(shù)及能效比

3.2.3 主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)能耗及節(jié)能效果分析

AHSSWS有2個放熱階段，分別是12:00－15:00和次日的00:00－08:00，連續(xù)晴天狀況下2個階段AHSSWS釋放的熱量、功率如表2所示。

表2 連續(xù)晴天狀況下主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)不同放熱階段的放熱量

不同階段放熱功率不同，如表2所示，12:00－15:00時段平均放熱功率為2.1 kW，00:00－08:00時段的平均放熱功率為3.1 kW。12:00－15:00時段外界氣溫較高，基質(zhì)溫度也在上升，隨著基質(zhì)溫度增加，基質(zhì)與水溫的差值越來越小，所以系統(tǒng)的放熱量有所減少。而00:00－08:00時段，室內(nèi)空氣溫度較低，此時基質(zhì)與土壟向空氣傳熱，因此系統(tǒng)放熱功率較12:00－15:00時段要大。

連續(xù)晴天條件下2個系統(tǒng)節(jié)能率通過式（9）計算，3d中AHSSWS日均消耗電能67 MJ，AHSSWS釋放出的熱量分別為114、125、98 MJ，由式（9）得其節(jié)能率分別為41.2%、46.4%、31.6%，節(jié)能效果明顯。AHSAWS日均消耗電能55 MJ，其在夜間向溫室中釋放的熱量分別為223、211、165 MJ，由式（9）得其節(jié)能率分別為75.3%、73.9%、66.7%，AHSAWS節(jié)能效果更加明顯。

3.3 不同加溫方法對番茄生長、產(chǎn)量的影響

試驗區(qū)的基質(zhì)溫度明顯高于對照區(qū)，但是加熱階段對照區(qū)的夜間平均氣溫比試驗組高1.2～2.0 ℃，所以通過比較兩組番茄生長狀況[31]對于說明主動蓄放熱熱能的不同應(yīng)用方式所產(chǎn)生的效果更有實際意義。

不同時期試驗組與對照組番茄株高、莖粗如表3所示，可以看出不同時期試驗組的番茄株高均高于對照組，兩者差距隨時間先變大后變小，這是因為到了試驗后期，溫室基礎(chǔ)空氣溫度較高，主動蓄放熱系統(tǒng)增溫對作物生長的影響日漸減少。而對照組的莖粗較試驗組顯著增加，這可能是由于白天對照組的平均氣溫低于試驗組，而且試驗組植株生長較對照組均勻，組內(nèi)植株株高差異小。

表3 不同時期2種加溫方式下的番茄株高和莖粗

2017年3月31日第一次采收番茄，直至5月12日，共采收5次，采收期間試驗組采收果實數(shù)量為43個/m2，采收番茄質(zhì)量為6.73 kg/m2，對照組為25個/m2，采收番茄質(zhì)量為3.83 kg/m2。與對照相比，試驗組采收果實數(shù)量提高57.6%，產(chǎn)量增加43.0%。

系統(tǒng)共運行151 d，如表4所示試驗組的耗電量為4.7 kW·h/m2，對照組的耗電量為3.9 kW·h/m2。主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)總費用為37.9元/m2，主動蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)總費用為30.1元/m2，相差7.8元/m2，5次采摘后試驗組總產(chǎn)量比對照組高2.9 kg/m2，試驗組單位產(chǎn)量的耗能量為0.7 kJ/kg，低于對照組。若番茄以2.7元/kg及以上的價格售出，使用主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)比主動蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)效益高。

表4 主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)與主動蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)投入與運行費用比較

4 結(jié)論與討論

在本研究中，利用主動蓄放熱系統(tǒng)將日光溫室中白天多余的太陽輻射能及空氣能進行收集，用于夜晚加溫，對比分析了基質(zhì)加溫與空氣加溫兩種方式的熱能利用效果與作物生長效果。并得到以下結(jié)論：

1）主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)可明顯提高基質(zhì)溫度，不同天氣情況下，基質(zhì)平均溫度可提高2.5～5.3 ℃。

2）連續(xù)晴天情況下，試驗組夜晚平均氣溫較對照組低1.2～2.0 ℃，連續(xù)陰天情況下兩者氣溫相差不大；連續(xù)晴天情況下，相較于電加熱線加熱基質(zhì)，主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)節(jié)能率為31.6%～46.4%，平均COP在1.5～1.9之間，節(jié)能效果明顯。不過相對于主動蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)，試驗組主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)的集熱效率、節(jié)能率、平均COP均較低，加熱空氣更加節(jié)能。

3）相較于將主動蓄放熱加熱空氣，加熱基質(zhì)可以提高番茄株高，促進冬春茬番茄的成熟，產(chǎn)量提高43.0%。

4）主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)前期投入與運行費用高于主動蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)，但是試驗組單位產(chǎn)量的耗能量低于對照組，當(dāng)番茄銷售價格達到2.7元/kg以上時，使用主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)比主動蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)效益高。

在日光溫室無土栽培模式中，推薦使用主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)，將主動蓄放熱用于加熱基質(zhì)，該系統(tǒng)的設(shè)計與使用可通過以下途徑進行優(yōu)化。1）針對不同天氣情況，采用不同的運行策略，連續(xù)陰天情況下，白天應(yīng)停止運行主動蓄放熱系統(tǒng)，減少能量無效耗散。2）目前主動蓄放熱基質(zhì)加熱系統(tǒng)既可以加熱空氣也可以加熱基質(zhì)，故應(yīng)針對日光溫室不同時間內(nèi)氣溫的變化以及植物地上地下溫度的協(xié)調(diào)方式來調(diào)節(jié)基質(zhì)溫度和空氣溫度。3）在加熱管下方增加絕熱墊，減少能量向下方耗散。4）加熱管選型以及循環(huán)泵的選型應(yīng)更加節(jié)能，建議選擇導(dǎo)熱率更高的管材以及較小的轉(zhuǎn)速及功率的循環(huán)水泵。

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Warming effect comparison between substrate warming system and air warming system by active heat storage-release in Chinese solar greenhouse

Ke Xinglin, Yang Qichang, Zhang Yi※, Fang Hui, He Yongkang, Zhang Chen

(1.100081,; 2.100081,)

In order to improve the utilization efficiency of the heat from active heat storage-release system in Chinese solar greenhouses, the solar energy can be utilized to improve the temperature of the substrate. Based on the active heat storage-release system, we designed the active heat storage-release substrate warming system (AHSSWS) in order to provide theoretical basis for multiple applications of the active heat storage-release system. The AHSSWS was composed of active heat storage-release plates, water tank, heating pipes under substrate bags and submersible pump. In the daytime, when the water circuited in the system, the solar radiation and thermal energy in the air were absorbed. Then the heat would be released to the substrate in the soil through the heating pipes embedded. The experiment was conducted from December 16, 2016 to February 16, 2017. Tomato was used as the model plant in the greenhouse. The AHSSWS was compared with the active heat storage-release air warming system (AHSAWS) in order to find out which was better to lower the heat consumption for unit production. Effects of 2 heating approaches on the substrate temperature, air temperature indoor, plant height and stem diameter of tomato on different dates and tomato yield were contradistinguished. Moreover, collected and released heat, COP (coefficient of performance), power consumption and facility investment of 2 systems under diverse weather conditions were analyzed and compared. The results showed that compared with AHSAWS, AHSSWS designed could increase the substrate temperature by 2.5-5.3 ℃, but there was not obvious difference on air warming. Compared with air heating, substrate heating treatment could significantly increase the height, fresh weight and dry weight of tomato plant. In the case of continuous sunny days, the COP of AHSSWS was 1.5-1.9 and that of AHSAWS was 3.0-4.0. In the case of continuous cloudy days, the COP of AHSSWS was 0.5-0.9 and that of AHSAWS was 1.0-2.2. The difference between water temperature and substrate temperature in the AHSSWS was smaller than the AHSAWS, and the heat transfer mode was mainly thermal conduction when the heat was released to the substrate, while the heat transfer mode was mainly thermal convection when the AHSAWS was heating air. So compared with the AHSAWS, the AHSSWS had slightly lower heat storage efficiency, heat saving rate and average COP. The average daily electricity consumption of the AHSSWS was 0.031 kW·h/(m2) during both sunny days and cloudy days while the average daily electricity consumption of the AHSAWS was 0.026 kW·h/(m2). Tomatoes were picked about 5 times and the yield under the treatment of AHSSWS was 6.73 kg/m2. At the same time the yield under the treatment of AHSAWS was 3.83 kg/m2. Last but not least, the heat consumption for unit production under the AHSSWS was 0.7 kJ/kg, which was 1.0 kJ/kg lower than that of the treatment with AHSAWS. If tomatoes could be sold at the price of 2.7 yuan/kg, there would be favorable for productors using the AHSSWS compared with the AHSAWS. The results of this study provide the basis for the efficient application of active heat from active heat storage-release system and the application of the AHSSWS in tomato cultivation in Chinese solar greenhouses in winter and spring.

greenhouse; temperature; heating; tomato; heating facilities; substrate; heat storage

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.029

S625.4

A

1002-6819(2017)-22-0224-09

2017-06-27

2017-11-06

863計劃課題（2013AA102407）；自然科學(xué)基金項目(51508560)；基本科研業(yè)務(wù)費（BSRF201605）

柯行林，安徽和縣人，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境工程方面研究。Email：kexinglin1992@qq.com

張 義，吉林，博士，副研究員，主要從事設(shè)施園藝環(huán)境工程研究。Email：xingfu_536@163.com