史 勇， 肉孜·阿木提

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院/新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830052)

新疆烏魯木齊地區(qū)的冬季和初春時(shí)節(jié)氣溫較低，最低可達(dá)-20 ℃[1]，導(dǎo)致溫室大棚內(nèi)灌溉用井水溫度也較低，低于溫室內(nèi)直接灌溉用水溫度14～16 ℃的要求。灌溉用水溫度過低會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)生寒害，影響作物的正常生長(zhǎng)，從而造成作物減產(chǎn)，影響農(nóng)民增收。

太陽(yáng)能是一種清潔的可再生能源[2]，采用太陽(yáng)能作為能源用于溫室大棚的增溫系統(tǒng)，沒有安全隱患，不污染環(huán)境[3]。目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者也從事溫室太陽(yáng)能增溫技術(shù)的研究。山本雄二郎最早將太陽(yáng)能技術(shù)用于溫室地溫的提升，取得較好效果[4]。Bargach等研究，利用太陽(yáng)能熱水器獲得熱水，并將其傳遞到溫室的地下軟管，用以提升溫室的地溫[5]。張海蓮等利用太陽(yáng)能加熱水結(jié)合填埋鋼管的方式進(jìn)行溫室地溫提升研究[6]。熊培桂等在青藏高原的溫室大棚中研究太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)[7]。劉圣勇等利用太陽(yáng)能熱水器和土壤埋管的方式設(shè)計(jì)并研制了溫室加熱系統(tǒng)[8]。戴巧利等利用太陽(yáng)能空氣集熱器和土壤蓄熱的方式進(jìn)行了溫室大棚的增溫試驗(yàn)[9]。Wang等設(shè)計(jì)的主動(dòng)式太陽(yáng)能溫室蓄熱系統(tǒng)具有夏天儲(chǔ)熱冬天用，白天儲(chǔ)熱夜間用的效果[10]。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)馮前前等研制的太陽(yáng)能溫室地溫提升裝置利用蛇形太陽(yáng)能空氣集熱器結(jié)合土壤蓄熱的方式，在烏魯木齊南郊水西溝村進(jìn)行了試驗(yàn)，該裝置可使溫室土壤10～20 cm深度的溫度平均升高1.5～3.0 ℃[11]。上述研究證明，利用太陽(yáng)能作為能源用來提高溫室溫度具有應(yīng)用廣泛、增溫效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，并且節(jié)約能源，保證作物的正常生長(zhǎng)。

目前，現(xiàn)有溫室用太陽(yáng)能增溫系統(tǒng)主要應(yīng)用于溫室地溫的提升，而針對(duì)溫室灌溉用井水增溫的裝置和系統(tǒng)研究較少。因此，為了適應(yīng)市場(chǎng)的需求，設(shè)計(jì)一種溫室大棚專用的太陽(yáng)能井水增溫裝置，對(duì)現(xiàn)有的平板式太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，研制便于移動(dòng)的太陽(yáng)能集熱器底架裝置，試驗(yàn)證明，該裝置可以有效提高灌溉水溫，保障溫室作物平穩(wěn)過冬和正常生長(zhǎng)，適合在新疆溫室建設(shè)區(qū)域應(yīng)用和推廣。

1 專用太陽(yáng)能集熱器及底架裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 專用太陽(yáng)能集熱器的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能集熱器是太陽(yáng)能加熱溫室灌溉用井水裝置的關(guān)鍵部件，約占總成本的75%，研制一種低成本的專用集熱器，對(duì)降低整套設(shè)備的總成本具有重要意義[12]。為了滿足新疆烏魯木齊地區(qū)溫室灌溉用水溫度的需要，設(shè)計(jì)一種專用的太陽(yáng)能集熱器用于試驗(yàn)。與傳統(tǒng)集熱器不同，該裝置將銅管管路(5)置于吸熱板(7)上方以提高吸熱效果，利用銅片(6)將管路中間連接，用來增大吸熱面積，并且可以快速將熱量傳遞給銅管管路，提升集熱器的工作效率。

集熱器的集熱面積設(shè)計(jì)為1.2 m×2.4 m，邊框采用導(dǎo)熱率較低的木框(4)制作，可減少裝置的重量并降低熱量散失。集熱器內(nèi)部管路選用直徑為19 mm的銅管，安裝時(shí)沿蛇形分布，以增大集熱面積，延長(zhǎng)井水流經(jīng)時(shí)間，達(dá)到更好的吸熱和提溫效果。為提高裝置的熱利用率，防止熱量散失，選用耐高溫的巖棉材料對(duì)集熱器的內(nèi)部進(jìn)行隔熱填充，填實(shí)至巖棉質(zhì)地相對(duì)密實(shí)。該方法可克服僅僅使用苯板的缺陷，并使集熱器背面?zhèn)鳠嵯禂?shù)由0.8 W/(m2·℃)下降為0.57 W/(m2·℃)，明顯減小了集熱器的熱量散失，提高了集熱器的熱效率(圖1)。

1.2 太陽(yáng)能集熱器的底架裝置結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)

烏魯木齊位于87°36″E，43°46″N[13]，需根據(jù)當(dāng)?shù)靥?yáng)能集熱器的安裝傾角，選擇合適的位置正確安裝太陽(yáng)能集熱器[14-15]。經(jīng)計(jì)算冬季太陽(yáng)直射角約為15°，為了最大限度利用太陽(yáng)能，設(shè)計(jì)決定將集熱器的工作仰角初步定為75°，并使集熱器的方位能夠隨著太陽(yáng)方位的改變而進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)便于移動(dòng)。因此，設(shè)計(jì)一種專用的底架裝置(圖2)，該裝置使用40 mm×40 mm×2.5 mm的矩形方鋼焊合而成，斜桿與下部方框采用螺栓連接，底架與集熱器采用螺釘連接，便于拆卸。集熱器固定在斜桿上，與下方框架的夾角為75°，并在底架下方安裝4個(gè)萬向輪，不僅可方便裝置的移動(dòng)，同時(shí)利于集熱器方位的調(diào)節(jié)。

1.3 溫室灌溉用井水太陽(yáng)能增溫裝置的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的新疆溫室大棚用太陽(yáng)能井水增溫裝置，由太陽(yáng)能集熱器和集熱器底架裝置2個(gè)部分構(gòu)成。研制2種集熱方案，1種為單個(gè)集熱器集熱方案， 另1種將2個(gè)集熱器串聯(lián)起來使用。當(dāng)2個(gè)集熱器串聯(lián)使用安裝時(shí)，將上、下集熱器都安放在底架上，并在下集熱器的進(jìn)水口、2個(gè)集熱器的連接處、上集熱器的出水口設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)(圖3)。裝置工作時(shí)，井水通過水泵由下集熱器的左下角流入，并最終由上集熱器的右上角流出。這種安裝方法有利于排除管路中的空氣，以達(dá)到管內(nèi)完全充水的狀態(tài)。集熱器底架可隨著太陽(yáng)方位角的變化而進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，以保證陽(yáng)光垂直照射在集熱器上，達(dá)到最大限度利用太陽(yáng)輻射能的目的。

1.4 試驗(yàn)方案的確定

試驗(yàn)采用2個(gè)集熱器串聯(lián)方式的裝置，上下集熱器間距設(shè)為55 mm，中間測(cè)溫點(diǎn)測(cè)量下集熱器出水口的水溫，上集熱器的出水口測(cè)溫點(diǎn)可測(cè)量2個(gè)集熱器同時(shí)使用時(shí)增溫效果。試驗(yàn)地點(diǎn)選定在烏魯木齊市水西溝德力森蔬菜園，將太陽(yáng)能井水增溫裝置放置在溫室內(nèi)部，集熱器的吸熱面朝南，并實(shí)時(shí)根據(jù)太陽(yáng)方位的變化調(diào)整其角度。采用試驗(yàn)設(shè)備主要包括TR-52溫度記錄儀；LXSR-25型水表，最小流量 0.14 m3/h；量程為60 kg、精度為1 g的電子稱。

試驗(yàn)時(shí)間分別選擇烏魯木齊的冬季及初春季節(jié)。冬季試驗(yàn)選擇在12：20—15：10，此時(shí)烏魯木齊氣溫較高，適合溫室大棚灌溉。初春試驗(yàn)選擇在12：00—16：00。試驗(yàn)時(shí)設(shè)定3種不同進(jìn)水量：L1為172.4 kg/h，L2為347.4 kg/h，L3為553.3 kg/h。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定裝置的最佳進(jìn)水量，然后以最佳進(jìn)水量對(duì)裝置進(jìn)行不同季節(jié)的試驗(yàn)。溫度記錄儀實(shí)時(shí)記錄水溫變化，試驗(yàn)人員每隔3 min分別記錄進(jìn)口測(cè)溫點(diǎn)、中間測(cè)溫點(diǎn)、出口測(cè)溫點(diǎn)的水溫。太陽(yáng)能井水增溫裝置試驗(yàn)實(shí)景見圖4。

2 結(jié)果與分析

分別在烏魯木齊的初春和冬季時(shí)節(jié)對(duì)裝置進(jìn)行連續(xù)試驗(yàn)測(cè)試， 選擇晴天的中午進(jìn)行太陽(yáng)能加熱試驗(yàn)。由于試驗(yàn)過程是動(dòng)態(tài)測(cè)量，不同太陽(yáng)輻射和環(huán)境溫度會(huì)對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生影響，但總的趨勢(shì)是不變的。以下是針對(duì)不同時(shí)間、不同流量、不同集熱板個(gè)數(shù)得到的試驗(yàn)結(jié)果。

2.1 不同流量水溫變化測(cè)試

測(cè)量時(shí)間選擇在初春3月20日，測(cè)量12：00—15：30時(shí)間段水溫，采用3種不同流量進(jìn)行測(cè)試。隨著環(huán)境溫度的提高，分別在12：00—13：00設(shè)定流量為172.4 kg/h，13：00—14：00設(shè)定流量為347.4 kg/h，14：00—15：30設(shè)定的流量為553.3 kg/h。從圖5可以看出，采用第1種流量時(shí)，中間出水口溫度比進(jìn)水口溫度高約5 ℃，出水口溫度比進(jìn)水口溫度高約10 ℃(圖5-A)。采用第2種流量時(shí)，中間出水口溫度比進(jìn)水口溫度高約2.5 ℃，出水口溫度比進(jìn)水口溫度高約5 ℃(圖5-B)。采用第3種流量時(shí)，增溫效果不太明顯(圖5-C)。因此，流量大小對(duì)裝置性能有一定的影響。

2.2 裝置最佳工作流量的確定

為使太陽(yáng)能井水增溫裝置發(fā)揮其最佳性能，需對(duì)最佳工作流量進(jìn)行確定。根據(jù)熱能公式Q=cmΔT，式中：Q為熱能(J)；c為水的比熱容[J/(kg·℃)]；m為水的質(zhì)量(kg)；ΔT為溫度差(℃)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，認(rèn)為水的比熱容不變，因此集熱器輸出的熱能與水的質(zhì)量和溫度差的乘積成正比。冬季中午烏魯木齊大棚內(nèi)灌溉用井水的溫度通常在8 ℃左右，井水溫差范圍為4～8 ℃。根據(jù)試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，將裝置的進(jìn)水流量換算成每 3 min 通過裝置的流量，流量范圍確定為6.32～15.15 kg/3 min。在上述條件下，目標(biāo)函數(shù)定義為裝置輸出的熱能，即：

(1)

利用復(fù)合形法計(jì)算得到進(jìn)入裝置的流量為8.62 kg/3 min 時(shí)集熱器輸出的熱量值最多[16]，因此裝置的最佳工作流量為172.4 kg/h。

2.3 單一流量水溫變化測(cè)試

測(cè)量時(shí)間選擇在初春3月30日，測(cè)量13：00—17：00時(shí)間段水溫，流量固定為172.4 kg/h。從圖6可以看出，此時(shí)大棚室溫在15～20 ℃，進(jìn)水口溫度與室溫較為接近，中間出水口溫度在13：30左右達(dá)到最高，約為22.5 ℃，其他時(shí)間基本保持在20 ℃附近。出水口溫度最高達(dá)到26 ℃，其他時(shí)間保持在24 ℃左右。分析可得出，在初春時(shí)節(jié)，當(dāng)灌溉用水流量保持最佳值不變時(shí)，太陽(yáng)能井水增溫裝置可以起到明顯增溫效果，單個(gè)集熱器使用時(shí)，可提升水溫約為4 ℃，2個(gè)集熱器串聯(lián)使用時(shí)，可提升水溫約為8 ℃，工作較為穩(wěn)定，效果良好。

2.4 冬季單一流量水溫變化測(cè)試

試驗(yàn)時(shí)間選擇在冬季11月20日，測(cè)量12：20—15：00時(shí)間段的水溫，從圖7可以看出，大棚室溫在12：20時(shí)約為 22 ℃。這是由于冬季溫室大棚內(nèi)部裝有加熱裝置，因此較為溫暖。而寒冷天氣導(dǎo)致地下井水溫度較低，此時(shí)井水溫度為8 ℃，該溫度不利于溫室灌溉。使用太陽(yáng)能井水增溫裝置，同時(shí)保持進(jìn)水量為172.4 kg/h，得出在12：20時(shí)，裝置中間出水口溫度比進(jìn)水口溫度高約7 ℃，裝置的出水口溫度為17 ℃，比進(jìn)水口水溫高約9 ℃。隨著時(shí)間的變化，出水口水溫的變化與環(huán)境溫度的變化大致相同。即使在14：20時(shí)氣溫發(fā)生了下降，裝置出水口溫度也比進(jìn)水口溫度高4 ℃。表明所研制的太陽(yáng)能井水增溫裝置在冬季使用時(shí)工作仍然較為穩(wěn)定，對(duì)灌溉用水的增溫效果明顯。

3 結(jié)論與討論

在初春晴天條件下，對(duì)裝置輸入不同流量灌溉用水時(shí)，隨著流量的增加，裝置的增溫效果減弱，當(dāng)流量為553.3 kg/h時(shí)，2個(gè)集熱器串聯(lián)使用的增溫效果僅有3 ℃。通過計(jì)算確定熱水器最佳工作流量為172.4 kg/h。

在初春晴天的中午，當(dāng)進(jìn)水口流量為確定的最佳值時(shí)，裝置工作較穩(wěn)定，且增溫效果明顯。單個(gè)集熱器使用時(shí)，可提升水溫約為4 ℃，采用2個(gè)集熱器串聯(lián)使用時(shí)，可提升水溫約為8 ℃。

在冬季晴天的條件下，利用溫室灌溉用井水太陽(yáng)能增溫裝置，也可使大棚內(nèi)灌溉用井水溫度提升，且出水口溫度的變化與環(huán)境溫度變化趨勢(shì)一致。單個(gè)集熱器使用時(shí)，可提升水溫約為4 ℃，采用2個(gè)集熱器串聯(lián)使用時(shí)，可提升水溫約為 8 ℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)提升水溫具有一定的穩(wěn)定性，即使氣溫發(fā)生變化，也能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的輸出。

利用太陽(yáng)能提升溫室灌溉用井水增溫設(shè)備使用后，可以有效改善灌溉水的溫度，解決溫室大棚冬季和初春因灌溉水水溫過低影響植物正常生長(zhǎng)的問題。由于新疆缺少針對(duì)溫室灌溉用井水增溫的專用設(shè)備，該裝置市場(chǎng)前景較好，適合在新疆溫室建設(shè)區(qū)域推廣。