鮑恩財，曹晏飛，鄒志榮，申婷婷，張　勇

（西北農林科技大學園藝學院，農業(yè)部西北設施園藝工程重點實驗室，楊凌 712100）

0　引　言

日光溫室在中國設施園藝的發(fā)展過程中起到了重要的作用。從上世紀初即開始初期發(fā)展，實現(xiàn)了冬春季節(jié)北方栽培的突破，80年代進入大規(guī)模發(fā)展階段，2015年日光溫室總面積為97.42萬hm2，全國占比從2010年的20 %提高到25.2%，目前技術日臻完善，其意義及優(yōu)越性進一步顯現(xiàn)[1-4]。中國 2/3的日光溫室集中在北方寒區(qū)，成為北方乃至全國“菜籃子工程”供應的重要手段、農民增收的重要途徑和農業(yè)產業(yè)結構調整、農業(yè)現(xiàn)代化和新農村建設的重要內容，其節(jié)能減排效果顯著，為提高城鄉(xiāng)居民的生活水平、穩(wěn)定社會做出了歷史性貢獻[5-6]。其優(yōu)越性也受到國外的高度關注，2017年4月12日，荷蘭的第 1座中國節(jié)能型日光溫室正式開放，該日光溫室位于瓦格寧根大學研究基地，結合應用了荷蘭先進的生產管理技術[7]。

日光溫室的研究內容主要集中于保溫蓄熱機理與實現(xiàn)方式[1]，其中，節(jié)能日光溫室的蓄熱技術一直是國內外學者研究日光溫室最重要、最集中的內容之一。本文分析了日光溫室的研究現(xiàn)狀，綜述了國內外關于節(jié)能日光溫室蓄熱技術的相關研究，進行總結并展望其未來發(fā)展方向，以期為國內開展節(jié)能日光溫室蓄熱技術研究提供參考。

1　節(jié)能日光溫室研究現(xiàn)狀

節(jié)能日光溫室起源于中國遼南地區(qū)，具有完全的自主知識產權，但作為一種溫室形式，日光溫室并不屬中國獨有。從2 000多年前開始的世界范圍內的溫室形式演變史來看，早期依墻而建的單屋面溫室就是目前日光溫室的雛形[1,8]，國外學者對該類溫室的光熱環(huán)境、覆蓋材料開展了部分研究[9-11]。隨著歐美日等發(fā)達國家的經濟發(fā)展，這種土地使用率較低的溫室類型逐漸被淘汰，并轉向全光型溫室[1]。近年來，中國節(jié)能日光溫室的發(fā)展迅速，其優(yōu)良的保溫蓄熱性能得到國外學者的高度關注和研究，印度學者Sethi等[12]總結溫室蓄熱性能時，從節(jié)能角度考慮，借鑒了日光溫室的蓄熱原理，在溫室北面砌墻并采用厚重材料作為蓄熱體從而減少熱量損失；Nayak等[13]進行光伏/光熱與溫室結合的試驗時，采用的溫室即為帶后墻的類似中國日光溫室的結構形式。土耳其學者Ucar等[14]分析了建筑物外墻采用4種不同絕熱材料的效果，并認為可以作為溫室外墻使用。伊朗學者 Mobtaker等[15]從能源需求的角度對當?shù)?種溫室類型進行了比較，分析計算了維持植物理想溫度所需的總能量并建立了數(shù)學模型，結果表明，東西走向、北側為磚墻的溫室中所需的額外能量最低，可節(jié)能31.7%。加拿大學者為降低冬季溫室加溫的能源消耗，早在2005年就引入了中國日光溫室建造于Manitoba地區(qū)（50° N，97° W），并測試該溫室在冬季的保溫情況，結果表明在當?shù)刈罾涞?2月份，室外平均氣溫為–13.1 ℃，室內夜間平均氣溫為2.4 ℃，后墻的日均蓄、放熱量分別為166、159 MJ，為維持室內不低于10 ℃的氣溫，日均加溫時長為19 h[16]；Mahmood等[17]在日光溫室內采用地下卵石床蓄熱，并將豬舍的廢氣通過凈化后通往室內供應 CO2，以促進植物生長；Ahamed等[18]建立了日光溫室的熱環(huán)境數(shù)學模型。日本學者畔柳武司[19]提出了日光溫室熱環(huán)境模型的研究。韓國學者 Kwon等[20]針對沿海地區(qū)風載較大的問題，設計了類似日光溫室結構形式的塑料大棚。中國學者總結了日光溫室的發(fā)展由來、建筑結構形式、光熱環(huán)境與氣候適應性、歷史性貢獻、存在問題及產業(yè)前景，認為日光溫室作為具有典型中國特色、規(guī)模巨大的設施類型，一直是中國溫室園藝裝備升級的重點[6,21-22]，并對日光溫室的覆蓋材料[23-25]、建筑結構及材料[8,26-28]、設施與裝備[29-32]、保溫蓄熱性能[33-36]、環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)[37-40]等進行了詳細的研究。

2　蓄熱技術研究現(xiàn)狀

節(jié)能日光溫室的蓄放熱示意圖如圖 1所示，可實現(xiàn)白天蓄熱、夜間放熱功能的結構有土壤、墻體和骨架，但普通骨架結構自身的儲熱量很小，一般忽略不計。節(jié)能日光溫室的蓄熱是通過結構、材料、設備的單一或協(xié)同應用來最大化利用太陽能為室內提供熱能。蓄熱有被動蓄熱和主動蓄熱 2種形式，主動蓄熱是以太陽能為能量來源，以機械動力設備為手段，利用室內土壤、墻體、骨架結構以及相變材料為熱量吸收介質的一種熱量蓄積方式；反之則為被動蓄熱。主動蓄熱與被動蓄熱的能量均來源于太陽，利用途徑有 2種，一是最大化利用室內截獲的太陽能或室內富余熱量，一是利用室外的太陽能。

圖1　日光溫室蓄放熱示意圖Fig.1　Schematic diagram of heat storage-release in solar greenhouse

2.1　主動采光蓄熱

日光溫室的前屋面以平面為最佳，采光量最大，而且光照分布最均勻[41]。為了使日光溫室室內獲得更多的能量，張真和[42]通過綜合分析農業(yè)氣象學和光學的研究成果，確定了冬至日正午時太陽光線投射角度為50°時的采光屋面角度是合理的采光屋面角度。陳端生等[43]利用數(shù)學方法模擬溫室的采光屋面，得出了溫室的采光屋面最佳的坡度并不是一個定值，而應該隨太陽高度角的變化進行調整。

基于上述研究，張勇等[44-46]設計了一種可變采光傾角日光溫室實現(xiàn)主動采光蓄熱（如圖2所示），并對其溫光性能進行了研究，與固定采光傾角日光溫室相比，典型晴、陰天時可變采光傾角日光溫室內的平均光照度分別提高29.00%、22.27%，平均溫度分別提高4.3、2.9 ℃；與傳統(tǒng)8、9 m跨的弧形采光屋面日光溫室分別進行對比分析，在晴天和多云采光天氣條件下，傾轉屋面日光溫室室內的整體采光率分別較傳統(tǒng)8、9 m跨固定采光面日光溫室提高41.75%、25.05%，對應的室內輻照度平均增加69.54、38.99 W/m2，故表現(xiàn)為室內氣溫整體水平提高。張勇等[47]還從經典光學理論出發(fā)，結合理論計算和試驗測試的方法，詳細分析了溫室采光面在小幅調整條件下自然光的透過率以及溫室采光面角度調整與室內光照強度透過率的增加之間的定量關系。

圖2　主動采光蓄熱日光溫室結構[46]Fig.2　Structure of active lighting and heating storage type solar greenhouse

上述研究表明通過主動地改變日光溫室前屋面傾角的形式可以提高采光面透光率，進而提高室內光輻射照度，解決了能量“多進”的問題。但室內墻體和土壤等蓄熱體仍然為被動蓄熱，被動蓄熱的墻體和土壤的蓄熱深度有限，未得到利用的室內富余熱量仍會隨著冷風滲透、地中傳熱、通風等途徑被釋放至室外，未實現(xiàn)能量在室內“多存”。因此，主動采光蓄熱需要和其他室內主動蓄熱設備或材料聯(lián)合使用才能更好的發(fā)揮其效果。

2.2　空氣循環(huán)蓄熱

2.2.1地下空氣循環(huán)蓄熱

地下空氣循環(huán)蓄熱在園藝設施的土壤中應用較早，馬承偉[48-49]研究了塑料大棚的地-氣熱交換系統(tǒng)，結果表明，該系統(tǒng)可有效地貯存太陽能并用于夜間加溫，能使塑料大棚在不加溫條件下在夜間維持 10 ℃左右的棚內外氣溫差。孫忠富[50]的研究結果表明，地-氣熱交換系統(tǒng)可使塑料大棚白天降溫 2.5～6.5 ℃，夜間升溫 2.0～4.4 ℃。袁巧霞[51-52]設計了一種半被動式塑料大棚地下熱交換系統(tǒng)，試驗表明，該系統(tǒng)可在夜間維持8～9 ℃的棚內外氣溫差，同時棚內地溫可提高10 ℃左右。Santamouris等[53]利用地下熱交換系統(tǒng)對1 000 m2的玻璃溫室進行蓄熱，結果表明具有良好的白天降溫、夜間增溫的效果。吳德讓等[54-55]運用傳熱學的基本理論，建立了日光溫室地下熱交換系統(tǒng)土壤溫度場的數(shù)學模型，同時通過試驗研究了日光溫室采用地下熱交換系統(tǒng)在冬季生產喜溫蔬菜的可行性和實用性，結果顯示，300 m2的日光溫室采用地下熱交換系統(tǒng)的整個冬季放熱量為1.575×106kJ、節(jié)煤量達1 950 kg。孫周平等[56]在彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室室內地下 0.5 m位置設計安裝了空氣—地中熱交換系統(tǒng)進行蓄熱，整個冬季的試驗結果表明，該系統(tǒng)具有良好的蓄熱效果，與溫室水循環(huán)蓄熱系統(tǒng)結合可確保試驗溫室內熱環(huán)境滿足番茄生長所需。

2.2.2墻體空氣循環(huán)蓄熱

張勇等[57-58]設計了一種能夠將白天富余能量進行有效存儲的日光溫室空氣循環(huán)式主動蓄熱后墻（如圖 2所示的后墻結構），在墻體內部分層安裝蓄熱風道，墻體表面安裝有軸流風機，風機將室內熱空氣抽入后墻蓄熱風道，經過熱交換，熱量蓄積入墻體內蓄熱體中，與傳統(tǒng)9 m跨的普通磚墻日光溫室進行了對比分析表明，在晴天、多云天夜間保溫時段（16:00～次日 09:00），主動蓄熱后墻日光溫室溫度較 9 m跨普通磚墻日光溫室分別提高1.8～2.8、1.6～4.2 ℃。鮑恩財?shù)萚59]改進了原有的后墻空氣循環(huán)蓄熱系統(tǒng)，將原有進風口和出風口之間的距離由80 m縮短至40 m，并利用試驗地（內蒙古烏海地區(qū)）豐富的沙土作為后墻蓄熱體的一部分，實測結果表明，典型晴天條件下，固化沙主動蓄熱后墻日光溫室室內日平均氣溫較固化沙被動蓄熱后墻日光溫室和普通磚墻日光溫室分別高3.3、3.6 ℃，典型陰天的夜間氣溫分別高3.2、3.8 ℃；固化沙主動蓄熱后墻溫室的墻體內部恒定溫度區(qū)域處于740～1 000 mm之間，蓄熱體厚度超過740 mm，其中固化沙蓄熱厚度超過620 mm，蓄熱風道上下表面各200 mm的高度范圍內均屬于蓄熱體。王昭等[60]測試了基于太陽能光伏板提供電能的后墻主動蓄熱日光溫室，與當?shù)仄胀ㄈ展鉁厥覍Ρ劝l(fā)現(xiàn)，后墻主動蓄熱日光溫室較普通日光溫室晴、陰天夜間平均溫度分別高2.1、0.9 ℃，試驗溫室蓄熱體厚度為320～520 mm，番茄采收期產量提高17.8%。

王慶榮等[61]設計了一種中空墻體，該墻體可實現(xiàn)與室內空氣的自然對流循環(huán)蓄熱，通過測試及 Fluent軟件模擬分析，發(fā)現(xiàn)墻體構造所形成的循環(huán)氣流可以在一定程度上擾動室內空氣，進而在溫室內走道和作物栽培行間等位置形成氣流，其中溫室跨中栽培行間的下部平均氣流速度可達0.25 m/s，對日光溫室冬季封閉栽培條件下的氣流環(huán)境有一定的改善作用。任曉萌等[62]測試了該墻體的蓄放熱效果，在晴天白天，內部中空層兩側墻體表面的溫度高于相鄰實心構造部分，但比中空層空氣溫度的19.2 ℃分別低2.2、3.7 ℃，表明墻體深處處于蓄熱狀態(tài)；清晨，中空層兩側表面溫度分別比其中空層空氣溫度的11.7 ℃高1.3、0.8 ℃，表明墻體內部直至清晨仍處于放熱階段。

上述研究表明可以通過強迫對流或自然對流的方式將室內富余熱量蓄積進入較深層的土壤或墻體內儲存起來，對室內氣溫的提高具有一定的效果。強迫對流需要增加通風管道、風機等設備投入，且運行過程消耗電能，因此，在安裝制作之前，需要計算土壤或墻體可蓄積的能量與電能消耗量，并確定是否具有節(jié)能性；自然對流依靠溫差形成氣流，故氣流速度較小，為最大化利用墻體的蓄放熱潛力，可通過增加變頻風機繼續(xù)研究不同流速對蓄放熱量的影響，進而分析得到最佳風速及其控制策略。氣流運動對室內溫度場、濕度場、氣體濃度場均會產生影響，今后在氣流運動均勻性方面需加強研究。

2.3　水循環(huán)蓄熱

水的比熱容較大且易于流動，適于作為熱能的貯存和傳遞介質，國內外學者均有將水作為蓄熱體為溫室供熱的研究報道[63-65]。Zaragoza等[66]介紹了熱水供暖在農業(yè)建筑（包含溫室）上的應用前景及趨勢；Sethi等[67]采用地下水（24 ℃）對溫室開展冬季供暖及夏季降溫試驗研究，發(fā)現(xiàn)冬季可提高室內氣溫 7～9 ℃；Attar等[68-69]使用太陽能熱水加溫系統(tǒng)對溫室加熱，將毛細熱交換管布置在地下作物根部附近，并使用TRNSYS軟件模擬了毛細熱交換管的適宜長度和水流速度。

2.3.1水幕簾蓄放熱系統(tǒng)

張義等[70]設計了一種水幕簾蓄放熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)以日光溫室墻體結構為依托，以水為介質進行熱量的蓄積與釋放，白天利用水循環(huán)通過水幕簾吸收太陽能，同時將能量儲存在水池中，夜晚利用水循環(huán)通過水幕簾釋放熱量，該水幕簾蓄放熱系統(tǒng)可使溫室內夜間氣溫提高5.4℃以上，作物根際溫度提高1.6 ℃以上。Fang等[71-74]利用不同材質和顏色的封裝膜改進了該水幕簾蓄放熱系統(tǒng)，如圖 3所示。測試結果表明，晴、陰天時采用雙黑膜封裝的蓄放熱裝置能將溫室夜間平均氣溫分別提高4.6、4.5 ℃，與電加熱方式相比該系統(tǒng)的節(jié)能率超過51.1%；采用金屬膜封裝的蓄放熱裝置集熱效率達到了83%，對太陽輻射的吸收率為0.81，優(yōu)于雙黑膜封裝的蓄放熱裝置。孫維拓等[75-78]進一步拓展了水幕簾蓄放熱系統(tǒng)的應用，或將其與熱泵結合使用提高蓄放熱性能，或應用于大跨度日光溫室中。

圖3　水幕簾系統(tǒng)示意圖[73]Fig.3　Schematic diagram of water curtain system

2.3.2管道水循環(huán)蓄熱

一些學者將太陽能熱水系統(tǒng)引入日光溫室中，如方慧等[79]以溫室淺層土壤為蓄熱體，白天將后墻集熱器獲得的熱量收集并儲存到溫室淺層土壤中，夜間通過土壤的自然放熱將熱量釋放到溫室中，與對照相比夜間平均氣溫差為4.0 ℃；王雙喜等[80-81]在日光溫室的后墻頂部安裝太陽能熱水器，熱水管道埋置于室內土壤中；余學江[82]將加熱盤管在靠近地面位置進行迂回鋪設；于威等[83-84]利用 ANSYS軟件分析了日光溫室地中埋熱水管對土壤加溫效果的影響，結果表明，水溫對地表溫度影響顯著，管道內水流速≥0.10 m/s時地表溫度變化不大，在長期平穩(wěn)條件下，埋管深度、管徑對地表溫度影響不大，而管間距對土壤溫度分布影響顯著，篩選出適宜管間距200 mm、管徑25 mm。

佟雪姣等[85-86]采用聚乙烯（polyethylene，PE）軟管為輸水管道，以聚碳酸酯（polycarbonate，PC）板為集/散熱裝置，研究日光溫室太陽能水循環(huán)系統(tǒng)冬季的蓄熱增溫效果，對PC板的不同顏色、厚度、黑膜添加方式及水的不同流量開展了研究，試驗結果表明，同等條件下褐色、8 mm厚的PC板的蓄熱量最多，透明陽光板內外側均添加黑膜后蓄熱量增加20%，當流量為4.4～4.5 L/h時，8 mm的透明陽光板蓄熱效果最好；冬季晴天，日光溫室內光照條件好，水循環(huán)系統(tǒng)日蓄熱量為 159.8 MJ，可將溫室內夜間溫度提高3～5 ℃，集熱效率為54.5%，蓄熱增溫效果明顯。馬承偉等[87]研究了日光溫室鋼管屋架管網水循環(huán)集放熱系統(tǒng)（圖4），理論計算表明，在屋架間距為1 m，上、下弦桿件均為外徑33.5 mm的圓管時，系統(tǒng)的太陽能截獲率可達7%～8%；測試結果表明，與對照日光溫室相比，平均提高夜間室內最低氣溫2.4 ℃，容積為8.6 m3的蓄熱水體白晝日平均蓄熱溫升4.7 ℃，平均蓄熱量為149 MJ，夜間水體日平均放熱溫降2.5 ℃，平均放熱量為78.9 MJ。

圖4　鋼管屋架管網水循環(huán)集放熱系統(tǒng)[87]Fig.4　Water circulation system of steel pipe network formed by roof truss for heat collection and release

水循環(huán)蓄熱的效果較為明顯，水流的均勻性較好，但缺點也較為明顯，即對循環(huán)管道的密閉性和抗腐蝕性要求較為嚴格，且施工過程增加了水池、管道、水泵等設備，故施工工藝要求較高。在原有后墻南側安裝水循環(huán)蓄熱的集/放熱裝置會削減后墻的蓄放熱效果，應分析水循環(huán)蓄熱與原有墻體蓄熱之間的“競爭”關系并量化，在維持室內作物生產適宜熱環(huán)境的基礎上，可適當降低后墻蓄熱結構部分的厚度或減少水循環(huán)蓄熱的投入以達到最佳投入。

2.4　相變材料蓄熱

相變材料在日光溫室中具有白天“削峰”、夜間“填谷”的作用，國內外學者主要從相變材料的篩選制備[88-97]、封裝[89-90,93-98]、與溫室的結合方式[92,98-101]等方面進行了大量研究。主要篩選的材料有石蠟[89,93]、芒硝 基[89]、 Na2SO4·10H2O[90,93-94]、 CaCl2·6H2O[91-92]、Na2HPO4·12H2O[95,97]、脂肪酸類[96]等。采用的封裝方式有共混浸泡[93]、砌塊封裝[93]、稻殼吸附[94,98]、石墨吸附[96]等，制備成微膠囊[89]、板材[90,93,95-97]、砌塊[93-94,98]。與溫室的結合方式主要是將封裝之后的相變材料放置在溫室的北墻[92,99]，或利用板材或砌塊直接砌筑在日光溫室后墻內側[98,100-101]。

近年來，也有學者[91,102-104]將相變材料與太陽能集熱器結合應用于溫室中，并取得了一定的效果，如 Benli等[91]利用相變材料與太陽能平板集熱器為溫室供熱，測試發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)為試驗溫室提供了每日熱能需求量的 18～23%，閆彥濤[104]分析得到太陽能相變蓄熱器單位面積放熱量為4.05 MJ/m2；凌浩恕等[105-107]將多曲面槽式空氣集熱器結合相變材料應用于帶豎向風道的日光溫室后墻 （圖 5），研究發(fā)現(xiàn)，當墻體內豎向空氣通道間距為400 mm、空氣通道內空氣速度為0.26 m/s、空氣流動方向為上進下出時，相變蓄熱墻體換熱效率為66.2%，主動蓄熱量約為9.43 MJ/m3。

圖5　帶豎向空氣通道的太陽能相變蓄熱墻體體系[105]Fig.5　Phase change material wall with vertical air channels integrating solar concentrators

相變材料種類繁多，但真正被研究者系統(tǒng)研究過的種類卻屈指可數(shù)，且需要契合日光溫室冬季室內溫度環(huán)境；相變材料在使用過程中體積變化率大，對封裝密閉性的要求較高，目前的封裝方式都有不同程度的泄露問題，有一定的環(huán)境污染風險。因此，需要進一步篩選適宜日光溫室使用的材料種類及混合配比，并在封裝技術上加強研究。

2.5　卵石蓄熱

卵石是良好的顯熱儲能材料，國外一般在溫室中部的地下土壤中埋置卵石床，?ztürk等[108]利用卵石床結合太陽能空氣集熱器為120 m2的塑料大棚供熱，卵石床面積為6 m×2 m，深0.6 m，研究發(fā)現(xiàn)卵石床的平均日蓄熱量為1 242 W，夜間放熱量為601.3 W，可提供室內總需熱量的18.9%；Kürklü等[109]以2座面積均為15 m2的塑料大棚為試驗對象，其中1座埋置有卵石床，PVC管道穿過卵石床，采用流量1 100 m3/h的風機強制將室內空氣通過管道流經卵石床，測試發(fā)現(xiàn)試驗溫室夜間氣溫比對照溫室提高約10 ℃，卵石蓄熱系統(tǒng)的能量吸收及釋放效率均超過 80%。國內將卵石作為日光溫室蓄熱材料有 2種形式，一種是直接作為墻體材料；一種是作為蓄熱床。張潔等[110]以鉛絲網籠裝填卵石作為墻體主要材料，認為卵石之間的縫隙可以加強熱空氣的流動，從而增強墻體的蓄熱性能，與普通磚墻日光溫室相比，卵石墻體溫室內平均氣溫在典型晴天高4.0 ℃。Chen等[111]將卵石床鋪在室內土壤表面，研究發(fā)現(xiàn)卵石孔隙率一定時，應適當增大卵石床的粒徑，當卵石粒徑大于一定值時，適當增加卵石床孔隙率可以增強卵石床與溫室氣流，以及卵石床內部的對流換熱。張峰等[112]測試發(fā)現(xiàn)卵石床地下蓄熱系統(tǒng)的蓄熱功率約為 94 W/m2，大于地下埋管蓄熱系統(tǒng)（蓄熱功率約為76 W/m2），該日光溫室的夜間最低溫度比無蓄熱裝置的對照溫室提高了5～8 ℃。

卵石的傳熱速率較快，卵石之間的孔隙也有利于對流傳熱，但在冬季夜間卵石放熱過快會導致前半夜室內氣溫較高、后半夜室內氣溫偏低。因此，需要研究如何減緩卵石所蓄積熱量的釋放，或將卵石所蓄積熱量傳導至其他材料中儲存起來。

2.6　熱泵蓄熱

熱泵根據(jù)所利用熱源的不同主要分為水源熱泵、空氣源熱泵和土壤源熱泵 3類。國外學者將熱泵應用到溫室中較早，Marsh等[113]采用生命周期成本分析法（life cycle costing，LCC）分析了利用熱泵將礦井中的恒溫空氣作為空氣源對溫室進行加溫的可行性；Bot等[114]分析了利用熱泵夏季儲熱為冬季供熱的溫室節(jié)能模式，預計節(jié)能率超過 60%；Ozgener等[115]測試得到土壤源熱泵為溫室供熱的性能系數(shù)（coefficient of performance，COP）為 2.13（多云天）～2.84（晴天）；Yang等[116-117]利用空氣源熱泵對溫室進行冬季加溫、夏季降溫，均取得了良好的節(jié)能效果。

進入21世紀，國內學者開始探索熱泵在日光溫室上的應用，柴立龍等[118-119]采用地下水作為熱源的熱泵系統(tǒng)對北京地區(qū)日光溫室進行了供暖試驗研究，結果表明，整個供暖期（2007-10-15～2008-03-10）熱泵的 COP為3.83，與燃煤熱水采暖相比，可節(jié)約42%的能源消耗。孫維拓等[75,120]設計了一套日光溫室水循環(huán)主動蓄放熱與熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)（如圖 6所示），主動蓄放熱系統(tǒng)為熱泵機組提供熱源，與對照溫室相比，試驗溫室夜間氣溫高出 5.26～6.64 ℃，系統(tǒng)集熱效率達到了 72.32%～83.62%，總體 COP值達 5.59，而單純使用熱泵制熱的COP為4.38～5.17。孫維拓等[121]還設計了一套日光溫室空氣余熱熱泵加溫系統(tǒng)，白天適時運行系統(tǒng)，將日光溫室內富余空氣熱能泵取并儲存于蓄熱水池中；夜間室內氣溫較低時，首先開啟風機和水泵，當蓄熱水池水溫降至一定溫度，逆向運行熱泵系統(tǒng)強制放熱；與對照溫室相比，試驗溫室白天平均氣溫降低 3.7～5.2 ℃，相對濕度降低12.3%～16.5%；夜間平均氣溫高出2.8～4.4 ℃，相對濕度降低8.0%～11.5%。孫先鵬等[122-123]采用太陽能聯(lián)合空氣源熱泵供熱系統(tǒng)為日光溫室供熱，在西安地區(qū)－6～10 ℃冬季氣溫條件下開展了試驗研究，結果表明，在試驗天氣條件下，熱泵單獨供熱時系統(tǒng)的 COP在2.09～2.45之間，太陽能聯(lián)合空氣源熱泵供熱時系統(tǒng)的COP在3.45～5.56之間，具有顯著的節(jié)能減排效果。

圖6　溫室主動蓄放熱－熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)原理圖[120]Fig.6　Principle diagram of active heat storage－release associated with heat pump heating system in greenhouse

熱泵系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保、供熱穩(wěn)定的優(yōu)點，但設備投資較高、運行耗電量較大，在日光溫室中的應用研究還處于初級階段，其系統(tǒng)參數(shù)配置、加工工藝等還有待優(yōu)化。在使用熱泵蓄熱時，對日光溫室的蓄熱性能要求降低，因此可適當減少溫室蓄熱墻體結構的投入，同時在運行時間上與峰谷電價相結合，可降低部分運行成本。

2.7　聯(lián)合方式蓄熱

為了提高蓄熱技術的應用效果，部分學者將 2項或以上蓄熱方式結合應用到日光溫室中，如Benli[124]將地源熱泵與相變材料蓄熱技術結合應用于溫室采暖；孫周平等[56]在大跨度日光溫室中將空氣—地中熱交換系統(tǒng)與水循環(huán)蓄熱系統(tǒng)結合使用可代替?zhèn)鹘y(tǒng)土墻的蓄熱能力，經過整個冬季的測試發(fā)現(xiàn)，該聯(lián)合系統(tǒng)可以確保日光溫室冬季的熱環(huán)境滿足作物所需；凌浩恕等[105-107]將相變材料、帶空氣通道的后墻與太陽能空氣集熱器結合構建帶豎向空氣通道的太陽能相變蓄熱墻體體系；Kürklü等[109]將卵石蓄熱與地下空氣循環(huán)蓄熱結合應用；孫維拓等[120]將水循環(huán)主動蓄放熱系統(tǒng)與熱泵機組聯(lián)合使用，測試發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合系統(tǒng)的效果大于單一使用熱泵的效果，也遠高于傳統(tǒng)太陽能熱水系統(tǒng)以及地源熱泵，節(jié)能效果顯著；高文波等[125]將主動采光與墻體空氣循環(huán)主動蓄熱結合，典型晴天、多云天主動采光蓄熱型日光溫室室內平均光照度分別提高了21.28%、11.73%，平均氣溫分別提高了5.6、2.1 ℃。

除此之外，部分學者還就溫室蓄熱相關技術做了前言探索性研究，如Liu等[126]開發(fā)了一種新型的由乙烯—四氟乙烯（ETFE）膜和相變材料RT28組成的溫室薄膜，對該薄膜的光學性能進行了試驗研究，結果表明，相變材料在液態(tài)下，薄膜的透射率高于固態(tài)，此外，透光率與相變材料的溫度有關。Anifantis等[127]結合光伏制氫技術與地源熱泵技術為溫室供暖，白天通過光伏板電解產生H2，然后將其儲存在壓力罐中，夜間H2通過燃料電池轉化為電力，為地源熱泵供電，從而為溫室供暖。

上述研究表明，從目前聯(lián)合方式蓄熱的發(fā)展現(xiàn)狀來看，國內較國外的技術更加成熟和豐富，盡管國外的前沿性研究較多，但仍處于初期階段。要實現(xiàn)蓄熱技術在日光溫室上的推廣應用，除技術先進、符合科技發(fā)展趨勢外，也要滿足市場現(xiàn)狀。因此，應加強對蓄熱技術的技術經濟性指標分析。

3　討　論

本文總結了目前節(jié)能日光溫室蓄熱技術的主要形式，包括主動采光蓄熱、空氣循環(huán)蓄熱、水循環(huán)蓄熱、相變材料蓄熱、卵石蓄熱、熱泵蓄熱、聯(lián)合方式蓄熱，均為結構、材料、設備 3個方面的單一或協(xié)同應用，如主動采光蓄熱通過溫室前屋面結構的角度轉變實現(xiàn)光能的主動利用，但蓄熱體未變；空氣循環(huán)蓄熱通過空氣循環(huán)將室內多余熱量存儲進入地下土壤或墻體內；水循環(huán)蓄熱是通過設備將水循環(huán)蓄熱，以水為主要蓄熱體；相變材料蓄熱與卵石蓄熱嚴格意義來說包括主動蓄熱和被動蓄熱 2種形式，如與太陽能集熱器結合應用的相變材料蓄熱屬于主動蓄熱，而單純的利用材料改變來蓄熱集熱是被動的熱量蓄積；熱泵蓄熱通過消耗電能提取空氣、水或土壤中的低溫熱源的熱能將其轉移到室內；聯(lián)合方式蓄熱通過以上2種或以上蓄熱技術結合應用。

3.1　主要技術問題

國外對現(xiàn)代日光溫室的研究較少，中國在日光溫室節(jié)能設計基礎理論及應用上始終處于領先地位[128]。日光溫室蓄熱技術亦屬于節(jié)能設計之一，國內學者對此做了大量的研究與改進。這些技術對改善室內環(huán)境均具有一定的效果，但也存在一些缺點與不足之處，因此研發(fā)應用蓄熱技術為日光溫室供熱時需要重點考慮以下問題：1）主動采光蓄熱具有明顯提高室內光溫環(huán)境的效果，但是沒有良好的蓄熱系統(tǒng)，熱量得不到存儲，白天過多的熱量易對作物形成熱害，只能隨著通風被排出去造成熱量浪費；2）強迫對流式空氣循環(huán)蓄熱主要是將傳熱風道埋置于日光溫室的墻體或土壤中，建成后整個系統(tǒng)只有風機消耗電能，對溫室增溫具有一定的效果，在安裝制作之前，需要計算墻體或土壤可蓄積的能量與電能消耗量，并確定是否具有節(jié)能性。自然對流式空氣循環(huán)蓄熱依靠溫差形成氣流，故氣流速度較??；3）水循環(huán)蓄熱和相變材料蓄熱都是因其熱容較大，可盡量多的將熱量存儲起來，但是水和相變材料的封裝均需要良好的封閉性，否則容易泄露；4）卵石的傳熱速率較快，往往前半夜放熱量較多，導致溫室內后半夜的溫度較低；5）熱泵蓄熱的COP一般都在2以上，避免了環(huán)境污染、節(jié)能效果顯著，但該系統(tǒng)結構復雜，初始投資較高，系統(tǒng)性能的可靠性、穩(wěn)定性有待于進一步驗證[129]；6）通過結合2項或以上蓄熱方式聯(lián)合應用于日光溫室中，效果具有累加效應，但成本更高。

3.2　研究重點

基于以上節(jié)能日光溫室蓄熱技術存在的問題，當前研究的重點是：1）將主動采光技術與其他蓄熱技術結合應用，形成主動采光—蓄熱聯(lián)合技術，實現(xiàn)溫室內太陽能的“多進多存”；2）除管道連接處的密閉性外，強迫對流式空氣循環(huán)蓄熱應考慮風機的風速、流量與管道的直徑、材質、長度等條件耦合，不同地區(qū)還應結合土壤的蓄熱系數(shù)來合理布置管道，在墻體中埋置時還應考慮適當?shù)姆謱蛹笆┕すに嚨暮喴谆?。自然對流式空氣循環(huán)蓄熱可與強迫對流相結合，研究適宜的風速指標及氣流運動的調控以實現(xiàn)最大化蓄熱；3）水在蓄放熱的過程中需要流動，而相變材料在蓄放熱的過程中會部分發(fā)生相變，因此，水循環(huán)蓄熱和相變材料蓄熱的循環(huán)管道、封裝材料應做到密閉、抗腐蝕；4）卵石的傳熱較快，可增加熱阻簾人為地延緩放熱時間，也可與其他儲熱介質結合應用，如作為墻體的吸熱層，或在其孔隙內填充儲熱材料；5）熱泵蓄熱結合其他蓄熱方式應用較單一應用的效果會有所提高，冬季供暖中具有良好的應用前景，如何進一步合理利用、合理配置溫室地源熱泵系統(tǒng)，完善相關技術，降低其建設費用、運行能耗和費用，也是今后應著重研究解決的問題；6）從蓄熱的2種熱量利用途徑來看，因日光溫室原本就具有土壤和墻體蓄熱的優(yōu)勢，在利用室內截獲的太陽能進行主動蓄熱時應避免主動蓄熱系統(tǒng)與室內原有蓄熱體之間形成太陽能的“爭奪”。在利用室外太陽能轉化為室內所需熱能的同時應盡量減少太陽能多級轉化過程中的損耗；7）部分蓄熱技術在日光溫室應用的傳機理尚不明確，有待進一步研究，如墻體空氣循環(huán)蓄熱過程中傳熱的動力學原理，再如卵石墻體對室內的傳熱機理。計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）擁有各種數(shù)值算法，有助于研究流體流動、傳熱等，可借助CFD模擬與試驗結合的方式開展蓄熱技術的傳熱機理研究。

4　結論與展望

節(jié)能日光溫室經過近 1個世紀的發(fā)展，蓄熱技術日臻完善、節(jié)能減排效果顯著，為中國設施園藝的發(fā)展做出了歷史性貢獻。本文概述了有關日光溫室的研究現(xiàn)狀，總結了當前節(jié)能日光溫室蓄熱技術的主要形式并綜述了國內外相關研究進展，分析主要技術問題及研究重點。展望未來節(jié)能日光溫室蓄熱技術的發(fā)展方向與研究內容主要包括：

1）利用蓄熱技術對傳統(tǒng)日光溫室進行節(jié)能化改造。隨著設施園藝的快速發(fā)展，目前有部分傳統(tǒng)日光溫室因為保溫蓄熱性能不足、環(huán)境調控能力差、勞動強度高等原因處于閑置或半閑置狀態(tài)，造成土地資源的浪費。同時，隨著人口增長與土地資源有限的矛盾不斷突出，亟需對這部分日光溫室從結構上進行升級改造，從而滿足日益增長的園藝產品供應需求。節(jié)能日光溫室蓄熱技術成為傳統(tǒng)日光溫室更新?lián)Q代的重點內容，通過蓄熱技術可將日光溫室的土壤、墻體甚至是骨架結構的蓄熱潛力發(fā)揮出來。

2）蓄熱技術隨著節(jié)能日光溫室新結構的發(fā)展而繼續(xù)完善。墻體（特別是后墻）是節(jié)能日光溫室與其他園藝設施的最大區(qū)別所在，也是傳統(tǒng)日光溫室節(jié)能化改造的重點對象。當前，設施園藝朝著大型化、機械化、智能化方向發(fā)展，日光溫室也不例外，從提高土地利用率的角度出發(fā)，出現(xiàn)了墻體被部分或全部替代的日光溫室類型，墻體的減少意味著日光溫室內蓄熱體的減少，這就更需要通過蓄熱技術為室內提供更多的熱能來彌補墻體減少的損失。因此，蓄熱技術在現(xiàn)代節(jié)能日光溫室的發(fā)展中將會起到越來越重要的作用。

3）運用跨學科、多方法集成的手段深入研究蓄熱技術。當前主要從日光溫室的結構或材料的改變來開展蓄熱技術的效果研究，研究對象主要是室內溫濕環(huán)境，而對室內氣流場、空氣成分濃度場的分析較少，且對應蓄熱技術的蓄放熱機理缺乏深入研究。因此，應加強跨學科綜合研究，從滿足作物生長發(fā)育過程需求的角度出發(fā)，運用理論分析、軟件模擬、試驗測試的集成方法來分析溫室內綜合環(huán)境，從而對現(xiàn)有蓄熱技術進行優(yōu)化，以進一步提高蓄熱性能、改善室內環(huán)境、降低勞動強度，這也對新型節(jié)能日光溫室的推廣應用具有重要作用。

4）節(jié)能日光溫室蓄熱技術市場化應用前景廣闊。中國幅員遼闊，在華北、東北、西北、青藏高寒區(qū)、環(huán)渤海及黃淮海地區(qū)的日光溫室面積巨大，蓄熱技術的市場化前景廣闊。蓄熱技術應在滿足預期效果的前提下盡可能降低應用投入，隨著軟硬件技術的不斷發(fā)展，可選用價格較低、性能較高的構件及材料來完善蓄熱技術。并對技術成熟、參數(shù)齊備的蓄熱技術形成標準規(guī)范的施工工藝，加強市場化推廣應用。

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