唐伊戀，李 明，馬 遜，Reda Hassanien Emam,2

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草莓溫室太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)階梯式供暖特性

唐伊戀1，李 明1※，馬 遜1，Reda Hassanien Emam1,2

（1. 云南師范大學(xué)太陽(yáng)能研究所，昆明 650500；2. 開(kāi)羅大學(xué)農(nóng)業(yè)學(xué)院農(nóng)業(yè)工程系，開(kāi)羅 12613）

運(yùn)用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)為草莓溫室供暖，能有效提升草莓的產(chǎn)量和品質(zhì)。為探究溫室內(nèi)立體栽培的供暖特性，以及相匹配的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的供暖系數(shù)（coefficient of performance, COP），該文設(shè)計(jì)并搭建了太陽(yáng)能熱泵階梯式供暖系統(tǒng)。以“京藏香”草莓為試材，分析了距離地面0.5、1.0、1.5及2.0 m不同階梯高度的空間溫度，對(duì)比了階梯式供暖的太陽(yáng)能溫室和未供暖的普通溫室內(nèi)的草莓品質(zhì)及產(chǎn)量。結(jié)果表明，在北亞熱帶低緯高原山地季風(fēng)氣候地區(qū)，冬季采用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)為溫室供暖的COP值在3.02~5.15之間。在太陽(yáng)能溫室內(nèi)種植的草莓產(chǎn)量是普通溫室產(chǎn)量的1.56倍，可溶性固形物含量的平均值達(dá)10.5%。在太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)階梯式供暖的溫室中，距離地面1.0～1.5 m高度范圍內(nèi)的供暖效果較好，且放置于1.0 m階梯上的草莓與其他高度的草莓相比，產(chǎn)量最高品質(zhì)最優(yōu)，其單果最大值為32.3 g，可溶性固形物含量為12.5%，因此，采用階梯式供暖的溫室中，距離地面1.0 m高度的溫度更適宜草莓生長(zhǎng)需求。

太陽(yáng)能；熱泵；溫室；草莓；階梯式供暖

0 引 言

溫室種植是一種設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培，不僅能防御自然災(zāi)害、實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[1]，還能夠提供農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的適宜環(huán)境，促使農(nóng)作物及早上市[2]。大多數(shù)溫室作物在日間20～30 ℃和夜間14～18 ℃的環(huán)境溫度中生長(zhǎng)速度較快，若環(huán)境溫度較低，則需要借助供暖系統(tǒng)提高溫室的氣溫[3]。目前，提供溫室供暖的能源一般為化石燃料、電力和太陽(yáng)能，由于太陽(yáng)能具有資源豐富和低碳排放的優(yōu)勢(shì)[4-5]，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。如何有效地將太陽(yáng)熱能運(yùn)用于溫室供暖成為現(xiàn)今設(shè)施農(nóng)業(yè)研究的重點(diǎn)。Lazaar等[6]采用了真空管集熱器對(duì)溫室進(jìn)行供暖，可使溫室內(nèi)部升高2 ℃，Joudi等[7]的研究驗(yàn)證了太陽(yáng)能空氣集熱器系統(tǒng)可提供溫室日常供暖需求的46%。為了滿(mǎn)足溫室持續(xù)性和穩(wěn)定性的供暖需求，目前一般采用太陽(yáng)能輔助熱泵的模式為溫室供暖[8-10]，對(duì)于供暖熱泵的研究側(cè)重于太陽(yáng)能地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)[11]和太陽(yáng)能聯(lián)合空氣源熱泵系統(tǒng)[12]。孫先鵬等[13]在西安地區(qū)對(duì)具有保溫層的塑料溫室進(jìn)行太陽(yáng)能聯(lián)合熱泵供暖，系統(tǒng)的供暖系數(shù)（coefficient of performance, COP）在3.45～5.56之間；陳冰等[14]在昆明地區(qū)最冷的1月對(duì)溫室進(jìn)行太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合的供暖試驗(yàn)，供暖末端為距離地面1.0 m的光管，系統(tǒng)供暖的最高COP為3.94。供暖末端設(shè)備一般采用地管、風(fēng)機(jī)盤(pán)管和暖氣片等[13]，均是固定在溫室的某一位置高度，地管則鋪設(shè)在地面或地下某一深度。供暖系統(tǒng)的測(cè)溫點(diǎn)一般為距離地面1.5 m高度的溫室中心[15-16]。但溫室供暖中因高度不同而產(chǎn)生的溫度變化，尚未有更詳細(xì)的研究，溫室內(nèi)供暖空間存在的溫度階梯性變化對(duì)作物生長(zhǎng)的影響也沒(méi)有做進(jìn)一步的研究。

為體現(xiàn)溫室供暖溫度階梯性變化對(duì)作物的促成栽培的影響，選擇適合的溫室試驗(yàn)品種尤為重要。在溫室作物中，草莓具有較高的經(jīng)濟(jì)效益及觀賞價(jià)值，且草莓對(duì)環(huán)境的變化有較明顯的表現(xiàn)，尤其是溫度的變化對(duì)草莓生長(zhǎng)影響較大，因此通過(guò)溫室供暖達(dá)到適宜溫度可提高草莓的產(chǎn)量和品質(zhì)[17-18]。傳統(tǒng)的草莓地栽模式無(wú)法有效利用溫室空間，為了提升空間利用率，紀(jì)開(kāi)燕等[19]研究了寬塑料栽培槽式、窄塑料栽培槽式、H型、梯形、X型槽式栽培架和X型無(wú)紡布式雙層架等6種高架栽培模式，其中X型無(wú)紡布式雙層架的栽培效果較好；林曉等[20]則采用了“章姬”草莓作為試材分析測(cè)定了支架型、雙Ｈ型和Ａ字型３種立體栽培架的光溫條件，結(jié)果表明不受遮光影響的上層草莓品質(zhì)和產(chǎn)量較高。以上研究對(duì)立體栽培草莓奠定了基礎(chǔ)，但對(duì)于草莓溫室的供暖通常采用燃料加溫的方式，運(yùn)用太陽(yáng)能系統(tǒng)為草莓溫室供暖的研究較少，對(duì)溫室供暖的溫度變化有效促進(jìn)高架栽培的草莓優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的研究則更少。

本文將太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)與草莓的立體栽培相結(jié)合，基于草莓對(duì)光照和溫度的需求之上，設(shè)計(jì)并搭建了溫室的階梯式供暖系統(tǒng)，將供暖管道和草莓立體栽培架有效結(jié)合，研究太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的供暖能效及在相同供暖條件下的最佳供暖高度范圍，將熱能有效供給立體栽培的草莓植株，以期達(dá)到提高草莓品質(zhì)、增加產(chǎn)量的目的。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 太陽(yáng)能溫室供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

在溫室種植中，對(duì)于環(huán)境溫度和濕度的控制，是保證農(nóng)作物正常生長(zhǎng)的關(guān)鍵所在，采用太陽(yáng)能集熱器輔助熱泵進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換并儲(chǔ)存于儲(chǔ)熱器中，是溫室供暖系統(tǒng)的一種重要方式[21]。結(jié)合相關(guān)研究理論，設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)，采用太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵為溫室提供熱能，通過(guò)熱水循環(huán)對(duì)溫室進(jìn)行供暖。試驗(yàn)系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)為草莓溫室供暖原理圖

溫室的供暖系統(tǒng)由太陽(yáng)能真空管集熱器、空氣源熱泵、保溫儲(chǔ)水箱、循環(huán)泵、溫室供暖管道組成，日間真空管集熱器通過(guò)太陽(yáng)能將水加熱后儲(chǔ)存于保溫儲(chǔ)存水箱之內(nèi)，夜間將保溫儲(chǔ)水箱里的熱水通過(guò)管道強(qiáng)制循環(huán)對(duì)溫室進(jìn)行供暖。溫室供暖為自動(dòng)控制模式，熱泵自行啟動(dòng)的溫差為5 ℃，若遇到陰雨天氣，太陽(yáng)輻射不能將水箱內(nèi)的水加熱至50 ℃，或夜間為溫室供暖過(guò)程中水溫下降至50 ℃以下，則熱泵加熱模式啟動(dòng)，將水溫加熱至55 ℃；溫室內(nèi)的循環(huán)水泵啟動(dòng)溫度設(shè)定為室溫低于12 ℃時(shí)，當(dāng)室溫高于20 ℃時(shí)循環(huán)水泵自動(dòng)停止工作。

根據(jù)對(duì)溫室供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為達(dá)到對(duì)照研究的目的，本試驗(yàn)系統(tǒng)搭建了2個(gè)試驗(yàn)溫室（圖2），位于昆明市（東經(jīng)102.68°，北緯25.07°）云南師范大學(xué)內(nèi)。

如圖2a所示，溫室1為采用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)供暖的溫室，簡(jiǎn)稱(chēng)太陽(yáng)能溫室；溫室2為無(wú)供暖系統(tǒng)的普通溫室。溫室的尺寸如圖2b所示，2個(gè)溫室的占地面積相同，均為26.25 m2，溫室的覆蓋材料為單層聚乙烯薄膜，覆蓋面積均為77.50 m2。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2部分對(duì)比研究，第1部分研究2個(gè)溫室內(nèi)不同溫度和濕度環(huán)境對(duì)草莓產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，驗(yàn)證溫室供暖對(duì)草莓的促栽培作用；第2部分研究在溫室1內(nèi)的階梯供暖系統(tǒng)，距離地面分別為0.5、1.0、1.5和2.0 m的4個(gè)階梯中供暖效果較好的高度范圍，并分別對(duì)4個(gè)階梯高度上放置的盆栽草莓的品質(zhì)和產(chǎn)量進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而得到更適宜草莓生長(zhǎng)的高度范圍。

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)及溫室尺寸

為進(jìn)一步研究溫室立體栽培的供暖效能，在溫室1內(nèi)的供暖末端設(shè)備設(shè)計(jì)為階梯式供暖，如圖3所示。

圖3 階梯式供暖及溫度測(cè)試點(diǎn)示意圖

供暖管道采用不銹鋼波紋管以S型環(huán)繞于階梯框架之上，每層階梯的寬度和高度均為0.5 m，總寬度1.5 m，總高度2.0 m。不銹鋼波紋管的總傳熱系數(shù)比光管高1.5倍[22]，具有換熱高效、可彎曲和易固定的特點(diǎn)，符合供暖的設(shè)計(jì)要求。用于系統(tǒng)測(cè)溫的溫度傳感器采用PT100鉑電阻，可保證較高的測(cè)量精度[23-24]，溫度傳感器分別懸掛于各臺(tái)階的中心位置，測(cè)試高度與每層階梯高度相等，通過(guò)太陽(yáng)能測(cè)溫系統(tǒng)記錄每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的數(shù)據(jù)，本次試驗(yàn)所采用的主要設(shè)備的具體參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)系統(tǒng)主要設(shè)備

1.2 作物選擇與種植

草莓是具有較高營(yíng)養(yǎng)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水果之一，由于其對(duì)種植環(huán)境的溫度及濕度的變化較為敏感且表現(xiàn)明顯[25-26]，所以選擇在草莓為試驗(yàn)作物。草莓果實(shí)發(fā)育的適溫是在18～22 ℃之間[27-28]，因此綜合考慮草莓生長(zhǎng)習(xí)性和溫室加溫的經(jīng)濟(jì)性能以及溫室加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)[29]，可將室溫控制在12～20 ℃之間。本試驗(yàn)選擇了品種為“京藏香”的草莓植株，該品種的成活率為98%，在相同種種植條件下比其他品種早上市8～20 d[30]，且果實(shí)綜合品質(zhì)優(yōu)良，適合在昆明地區(qū)大面積推廣[31]，將其選為溫室種植的試驗(yàn)樣本具有一定的代表性。

2 溫室的系統(tǒng)性能計(jì)算與分析

2.1 溫室的維護(hù)結(jié)構(gòu)及熱負(fù)荷

本試驗(yàn)溫室的覆蓋材料是單層聚乙烯薄膜，在溫室的維護(hù)結(jié)構(gòu)中，聚乙烯薄膜蓄熱能力較差，溫室中的作物基本無(wú)蓄熱能力，冬季時(shí)溫室僅需在夜間供暖，且夜間溫室基本是密閉的，因此，溫室的熱負(fù)荷由式（1）計(jì)算。

式中1為圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量，W,2為冷風(fēng)滲透耗熱量，W，3為地面熱損失，W。

1可由式（2）[6]計(jì)算。

式中g(shù)h為溫室覆蓋材料的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)，根據(jù)覆蓋材料聚乙烯薄膜的厚度為0.12 mm，查表可知，gh取6.8 W/(m2·K)[29]；gh為溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱面積，m2；T為溫室內(nèi)農(nóng)作物冬季所需的設(shè)計(jì)溫度，℃，草莓的溫度取i為12 ℃；amb為室外環(huán)境溫度，℃，根據(jù)中國(guó)國(guó)家氣象局發(fā)布的昆明地區(qū)歷年冬季氣溫平均值可取amb為5 ℃，溫室的維護(hù)面積為77.5 m2，按此設(shè)計(jì)方案溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱量為3 689.0 W。

式中3為地面熱損失，W；u為第區(qū)地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·K）；為第區(qū)面積，m2。根據(jù)公式（4）及參考文獻(xiàn)[29]可知，u取值0.24 W/（m2·K），可得本試驗(yàn)溫室的地面熱損失3為44.1 W。

由式（1）可的本試驗(yàn)溫室的熱負(fù)荷為4 008.7 W。

2.2 太陽(yáng)能溫室供暖末端設(shè)備的散熱量

太陽(yáng)能溫室采用保溫儲(chǔ)水箱儲(chǔ)存熱能，供暖末端設(shè)備為波紋管換熱器，通過(guò)階梯供暖方式對(duì)溫室進(jìn)行供暖，介質(zhì)為熱水，供暖末端設(shè)備的散熱量可由式（5）得到。

式中Q為供暖管道的散熱量，W；U為供暖管道的總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)，根據(jù)不銹鋼光管的總傳熱系數(shù)[32]為50.17 W/(m2·K)，不銹鋼波紋管的總傳熱系數(shù)U可取75.26 W/(m2·K)；為散熱管道的長(zhǎng)度，m；為散熱管道的外徑，m，試驗(yàn)選擇DN40型不銹鋼波紋管，采用游標(biāo)卡尺實(shí)測(cè)得外徑為0.05 m；T為設(shè)計(jì)供水溫度，防止溫室內(nèi)的作物被燙傷，T取55 ℃；T為設(shè)計(jì)回水溫度，為達(dá)到供暖管道的散熱均勻性，在強(qiáng)制循環(huán)作用下，設(shè)計(jì)回水溫度T取45 ℃。根據(jù)公式（3）可知供熱管道的散熱量Q為2 185.9 W。試驗(yàn)溫室所在地昆明市屬于北亞熱帶低緯高原山地季風(fēng)氣候地區(qū)，年平均氣溫為16.3 ℃，冬無(wú)嚴(yán)寒[31]。冬季歷年的平均氣溫為9.9 ℃[33]是溫室熱負(fù)荷設(shè)計(jì)中環(huán)境溫度的2倍，且低溫持續(xù)時(shí)間較短。因此基于實(shí)際情況和經(jīng)濟(jì)適用型，溫室階梯供暖管道的散熱量?jī)H設(shè)計(jì)了溫室所需熱負(fù)荷的54.5%。

2.3 太陽(yáng)能溫室系統(tǒng)的供暖系數(shù)

評(píng)價(jià)溫室系統(tǒng)加熱性能的供暖系數(shù)COP也是熱泵經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，其COP的計(jì)算公式，如式（6）式（7）所示[13]。

每小時(shí)向溫室中釋放的總熱量：

系統(tǒng)供暖系數(shù)：

晴天工況下太陽(yáng)能集熱器單獨(dú)加溫時(shí)，hp為0；多云天氣工況下，太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵加溫，向溫室提供的總熱量是太陽(yáng)能所提供的總熱量與熱泵所提供的總熱量之和，此時(shí)系統(tǒng)的供暖系數(shù)可由式(7)得出。

3 結(jié)果與分析

3.1 太陽(yáng)能溫室和普通溫室的溫濕度對(duì)比分析

對(duì)于2個(gè)對(duì)比溫室的溫濕度參數(shù)，測(cè)試時(shí)間是氣溫相對(duì)較低的2016-12-15－2017-02-05，對(duì)太陽(yáng)能溫室進(jìn)行太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)階梯式供暖，試驗(yàn)期間昆明地區(qū)日出到日落時(shí)間范圍大致在8:00~18:30之間，為日間時(shí)間，18:31至次日07:59為供暖時(shí)間。測(cè)試期間溫室內(nèi)種植的草莓正值開(kāi)花期，經(jīng)過(guò)51 d的溫室加溫，將分別置于2個(gè)溫室內(nèi)中心處1.5 m高度的溫濕度記錄儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)每天同一時(shí)刻的溫度和相對(duì)濕度求平均值，得到太陽(yáng)能溫室和普通溫室的溫濕度對(duì)比，如圖4所示。

圖4 太陽(yáng)能溫室和普通溫室的溫濕度對(duì)比

在試驗(yàn)期間，由于太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)為溫室1供暖導(dǎo)致2個(gè)對(duì)比溫室溫濕度的不同變化，由圖4可知，在溫度方面，太陽(yáng)能溫室的日平均最高氣溫為35 ℃，最低為8.8 ℃，普通溫室的日平均最高氣溫為36.6 ℃，最低為6.7 ℃，太陽(yáng)能溫室的夜間溫度均高于普通溫室的溫度，太陽(yáng)能溫室的日間溫度略低于普通溫室的溫度；在相對(duì)濕度方面，太陽(yáng)能溫室的日平均最高相對(duì)濕度為88.4%，最低為25.7%，普通溫室的日平均最高相對(duì)濕度為97.5%，最低為27.2%。2個(gè)溫室內(nèi)的相對(duì)濕度均隨溫室氣溫的升高而降低，太陽(yáng)能溫室的溫濕度變化范圍均小于普通溫室。

3.2 階梯供暖方式在不同氣候條件下太陽(yáng)能溫室內(nèi)的氣溫日變化

為了更深層次地探究太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)的末端散熱方式的有效性，在太陽(yáng)能溫室中搭建了階梯供暖管道系統(tǒng)，并在階梯架上放置了盆栽草莓。將PT100鉑電阻溫度傳感器懸掛于太陽(yáng)能溫室的4個(gè)高度進(jìn)行溫度測(cè)試，測(cè)溫點(diǎn)的高度是每個(gè)臺(tái)階中心位置距離地面高度0.5、1.0、1.5和2.0 m。不同天氣情況會(huì)影響溫室內(nèi)的溫度變化，因此，選出在試驗(yàn)期間具有代表性的天氣，圖5為晴天和多云天氣下的溫度變化圖。

注：T1、T2、T3、T4分別為距離地面0.5、1.0、1.5、2.0 m測(cè)點(diǎn)的溫度; Ta為環(huán)境溫度。

圖5a為2016年12月5日多云天氣下，太陽(yáng)能溫室內(nèi)階梯供暖的溫度變化情況，當(dāng)環(huán)境溫度為11.6 ℃時(shí)，距離地面1.5 m高度的氣溫最高，可達(dá)到26 ℃，其次是距離地面為1.0 m高度的加溫效果較好，比距離地面0.5 m和2.0 m高度的溫度高，因此階梯供暖效果最佳的范圍是距離地面1.0～1.5 m的高度，此范圍有著較好的保溫性能。

在晴天天氣下，由于日間受到太陽(yáng)輻射的影響，各個(gè)空間高度的溫度曲線(xiàn)變化較大，如圖5b所示，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到18.4 ℃時(shí)，距離地面2.0 m高度的空間溫度高達(dá)40.4 ℃，已超出草莓生長(zhǎng)所需溫度；距離地面0.5、1.0和1.5 m高度的空間內(nèi)溫度分別為30.3、31.6和34.2 ℃，均在草莓植株生長(zhǎng)的耐受溫度之內(nèi)；夜間供暖效果最好的是距離地面1.5 m的高度，當(dāng)環(huán)境溫度為6.2 ℃時(shí)，距離地面1.5 m高度的空間溫度為9.6 ℃。

3.3 太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的能效分析

太陽(yáng)能真空管集熱器在日間蓄熱并提高水箱內(nèi)的水溫，熱泵將水箱的水加熱到55 ℃的時(shí)間將有效縮短，可為溫室供暖節(jié)省能源的消耗，提高供暖的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)式（6）和式（7）對(duì)測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，可得到試驗(yàn)期間太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)供暖的COP。在試驗(yàn)期間，對(duì)6 d不同天氣情況下太陽(yáng)能溫室的供暖進(jìn)行分析，同時(shí)，對(duì)溫室供暖系統(tǒng)的COP及階梯供暖4個(gè)高度的氣溫進(jìn)行測(cè)試和對(duì)比分析。供暖期間，循環(huán)水泵將保溫水箱中的熱水強(qiáng)制推送到波紋管內(nèi)，經(jīng)電磁流量計(jì)測(cè)試可知波紋管道內(nèi)的熱水平均流速為1.13 m3/h，綜合供暖管道進(jìn)出口水溫的測(cè)試分析，結(jié)果如表2所示。

表2 太陽(yáng)能溫室供暖系數(shù)與不同高度的氣溫

在2017-01-15晴天條件下，平均環(huán)境氣溫為11.9 ℃時(shí)，太陽(yáng)能溫室供暖系統(tǒng)的COP值最高達(dá)到5.15，此時(shí)對(duì)應(yīng)的2、3測(cè)溫點(diǎn)的平均氣溫在17.2～17.8 ℃，2測(cè)溫點(diǎn)的最高溫為31.6 ℃，3為34.2 ℃，4為40.4 ℃；2016-12-25多云天氣下，太陽(yáng)能溫室供暖系統(tǒng)的COP值為3.02，平均環(huán)境氣溫為8.4 ℃，相應(yīng)的2、3測(cè)溫點(diǎn)的平均氣溫范圍是14.1～16.9 ℃，2測(cè)溫點(diǎn)的最高溫為32.7 ℃，3為33.4 ℃，4為37.9 ℃。2、3對(duì)應(yīng)距離地面1.0和1.5 m高度的供暖，在此高度范圍內(nèi)能夠得到平均氣溫為15.5 ℃的空間溫度。在晴天條件下，高度為1.0和1.5 m測(cè)溫點(diǎn)的溫度最大值均未超出草莓生長(zhǎng)極限溫度35 ℃，在2.0 m處的測(cè)溫點(diǎn)最高溫已超出了適宜草莓生長(zhǎng)的溫度最大值。

3.4 草莓果實(shí)品質(zhì)的對(duì)比

試驗(yàn)期間供暖溫度的變化對(duì)草莓果實(shí)的產(chǎn)量和品質(zhì)均會(huì)造成影響，因此，把種植在太陽(yáng)能溫室和普通溫室中的草莓進(jìn)行對(duì)比，可驗(yàn)證太陽(yáng)能溫室階梯供暖的有效性。試驗(yàn)采用基質(zhì)栽培的方式，輔以有機(jī)肥及滴灌系統(tǒng)，將40株草莓樣本種植在花盆之內(nèi)平均放置于2個(gè)溫室并進(jìn)行標(biāo)記。太陽(yáng)能溫室的草莓分別放置于不同高度的階梯之上，每層高度放置5盆草莓；普通溫室中的盆栽草莓則直接放置于地面之上。在2017-01-22?2017-02- 22的31 d之內(nèi)，對(duì)2個(gè)溫室內(nèi)的草莓植株樣品進(jìn)行觀測(cè)直到草莓的采摘期，對(duì)太陽(yáng)能溫室內(nèi)各層階梯高度的草莓以及普通溫室內(nèi)的草莓均做了詳細(xì)的品質(zhì)及產(chǎn)量的分析，具體如表3所示。

表3 太陽(yáng)能溫室與普通溫室的草莓產(chǎn)量和品質(zhì)

如表3所示，太陽(yáng)能溫室的草莓總產(chǎn)量是普通溫室的1.56倍，太陽(yáng)能溫室內(nèi)種植的草莓可溶性固形物含量的平均值達(dá)到10.5%，比普通溫室的可溶性固形物含量高0.8%，可溶性固形物的含量越高說(shuō)明草莓的口感越甜。另外，在太陽(yáng)能溫室的階梯架上放置的草莓，每個(gè)階梯的草莓產(chǎn)量和品質(zhì)也進(jìn)行了對(duì)比，在1.0 m高度的盆栽草莓，其單果質(zhì)量最大值為32.3 g, 單層階梯盆栽草莓的總產(chǎn)量為426.2 g，可溶性固形物的含量均值達(dá)到了12.5%。表3的測(cè)試數(shù)據(jù)中1.0 m階梯處的草莓單果質(zhì)量、總產(chǎn)量及可溶性固形物含量平均值均高于其他階梯高度上放置的草莓。綜合分析可知，太陽(yáng)能溫室內(nèi)種植的草莓得到了更適宜的生長(zhǎng)環(huán)境溫度，尤其是在距離地面高度為1.0 m的階梯上種植的盆栽草莓，呈現(xiàn)出比其他高度的草莓更高的產(chǎn)量和品質(zhì)；在草莓的市場(chǎng)銷(xiāo)售方面，在太陽(yáng)能溫室中種植的草莓能產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

本文介紹了太陽(yáng)能熱泵階梯式供暖系統(tǒng)系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)該供暖系統(tǒng)調(diào)控下的溫室內(nèi)的草莓品質(zhì)和產(chǎn)量與無(wú)供暖的普通溫室進(jìn)行了對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1）從加溫的空間效能來(lái)看，在該類(lèi)型的單層聚乙烯薄膜溫室中，當(dāng)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)具有相同的供暖系數(shù)(coefficient of performance, COP)時(shí)，最佳的供暖高度范圍在距離地面1.0～1.5 m之間，既保證了適宜草莓生長(zhǎng)的溫度范圍，又避免了溫室內(nèi)草莓植株放置太高而容易被太陽(yáng)輻射灼傷的情況。

2）在北亞熱帶低緯高原山地季風(fēng)氣候地區(qū)的冬季，采用太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)對(duì)草莓溫室供暖，縮短了熱泵的加溫運(yùn)行時(shí)間，比單獨(dú)使用熱泵供暖節(jié)約了電力能源；當(dāng)溫室外部環(huán)境的溫度是設(shè)計(jì)溫度的2倍時(shí)，供暖末端設(shè)備提供的熱量?jī)H為溫室熱負(fù)荷的54.5%，仍能有效提高溫室內(nèi)的氣溫，因此該系統(tǒng)供暖的經(jīng)濟(jì)性較高。且該供暖系統(tǒng)提高了溫室作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，通過(guò)在溫室中種植草莓驗(yàn)證了太陽(yáng)能溫室的可行。

根據(jù)以上結(jié)論與試驗(yàn)依據(jù)，后續(xù)將繼續(xù)采用太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)，針對(duì)溫室內(nèi)最佳供暖高度范圍及與其相匹配的能量供給做進(jìn)一步精確的研究。由于試驗(yàn)建立的系統(tǒng)和所測(cè)得的數(shù)據(jù)有待在大型連棟溫室中進(jìn)行更多的驗(yàn)證，從而對(duì)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)階梯式供暖的特性進(jìn)行更深入地研究。另外，在此研究基礎(chǔ)上，對(duì)該類(lèi)型溫室內(nèi)階梯供暖的空間熱場(chǎng)均勻性和系統(tǒng)的COP值還有待提高，針對(duì)本研究所得的結(jié)論，還可在立體供暖的空間高度和方式上進(jìn)一步地優(yōu)化。

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Stair-heating characteristics of solar heat pump system in strawberry greenhouse

Tang Yilian1, Li Ming1※, Ma Xun1, Reda Hassanien Emam1,2

(1.650500; 2.)

Greenhouse cultivation can provide a good planting environment for strawberry growth. Using solar heat pump system to heat strawberry greenhouse in winter can not only utilize new energy effectively, but also encourage strawberries to be marketed early and increase their yield and quality. Stereoscopic planting in greenhouse can improve the utilization of space. In order to explore the optimal height of the multistoried heating in the greenhouse, and to match the coefficient of performance (COP) values of the solar heat pump system, a stair-heating mode was designed in this paper. Two greenhouses with the same size were built in Yunnan Normal University, with 20 strawberry plants grown in each greenhouse, using the “Jingzangxiang” strawberry variety as experimental material. One of the greenhouses was heated by solar heat pump system, which consisted of evacuated tube solar collector, heat pump, water tank and stair-heating system, another one was normal greenhouse without heating system. Strawberries were planted in potted substrates, and the strawberry pots were placed on the steps in the solar greenhouse, while the other strawberry pots were placed on the ground in the normal greenhouse. In this experiment, the temperature and humidity in two greenhouses were analyzed. The temperatures in solar greenhouse in sunny and cloudy days were analyzed separately. In the solar greenhouse, the air temperatures were measured at the height of 0.5, 1.0, 1.5 and 2.0 m above the ground, and the temperature measurements were carried out separately in sunny days and cloudy days. Furthermore, the quality and yield of strawberry were also compared in the solar greenhouse with stair-heating and the normal greenhouse. In addition, the COP values of the solar heat pump system were measured in sunny days and cloudy days. The results showed that the COP value of solar heat pump system was between 3.02-5.15 in winter in the monsoon climate area of the northern subtropical low latitude plateau. When the weather was sunny, the temperature curves at different spatial altitudes were also different because of the influence of solar radiation. The maximum air temperature at 2.0 m in heated greenhouse was as high as 40.4 ℃ in sunny days, which exceeded the temperature range required for strawberry growth, and the maximum air temperature at the height of 1.0 and 1.5 m was 31.6 and 34.2 ℃, respectively, which were within the temperature range required for strawberry growth. The highest night-time heating efficiency was located at 1.5 m. When the average ambient temperature was 8.4 ℃in cloudy day, the daily average air temperature ranges of 1.0 and 1.5 m were 14.1 and 16.9 ℃ in solar greenhouse. In the case of the same COP value provided by the heating system, the stair- heating characteristics of the solar greenhouse showed that heating at heights of 1.0 m to 1.5 m from the ground could obtain a temperature environment with a daily average air temperature of 15.5 ℃, and the heating effect was good. Strawberry production in solar greenhouse was 1.56 times of that in normal greenhouses. The average soluble solids content of strawberries grown in solar greenhouse was 10.5% which was higher than that in normal greenhouse. Therefore, the yield and quality of strawberries grown in solar greenhouse are higher than those in normal greenhouse. In addition, the yield and quality of strawberry located at the 1.0 m stair was best with the maximum of the single fruit being 32.3 g and the soluble solid content being 12.5%. In general, when 55 ℃ water circulating cascade heating system is used, the temperature in the heights of 1.0 m from the ground is more suitable for strawberry growth.

solar energy, heat pump, greenhouse, strawberry, stair-heating

唐伊戀，李 明，馬 遜，Reda Hassanien Emam.草莓溫室太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)階梯式供暖特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(13)：239－245. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.029 http://www.tcsae.org

Tang Yilian, Li Ming, Ma Xun, Reda Hassanien Emam. Stair-heating characteristics of solar heat pump system in strawberry greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 239－245. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.029 http://www.tcsae.org

2017-11-30

2018-03-21

西南地區(qū)可再生能源研究與開(kāi)發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心（05300205020516009），中國(guó)—老撾可再生能源開(kāi)發(fā)與利用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（2015DFA60120），云南省周?chē)?guó)富專(zhuān)家工作站（2017IC011）。

唐伊戀，博士生，從事太陽(yáng)能熱利用的研究工作。 Email：candy1806@163.com

李 明，教授，博士生導(dǎo)師，從事太陽(yáng)能及可再生能源的開(kāi)發(fā)應(yīng)用及制冷與低溫工程方面的研究工作。Email：lmllldy@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.029

0325/TK79

A

1002-6819(2018)-13-0239-07