駱乾亮，程瑞鋒，張 義，方 慧，李 冬，張晉芳，宋國(guó)祥

日光溫室主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)優(yōu)化

駱乾亮1，程瑞鋒1，張 義1※，方 慧1，李 冬2，張晉芳3，宋國(guó)祥3

（1. 中國(guó)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. 北川羌族自治縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，綿陽(yáng) 622750；3. 山東壽光蔬菜種業(yè)集團(tuán)有限公司，濰坊 262700）

為了提高日光溫室主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，該研究在第六代主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的循環(huán)管路、供水方式和集放熱板進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并對(duì)系統(tǒng)的加溫效果和性能進(jìn)行探究。研究結(jié)果表明，在3種不同的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度天氣條件下，試驗(yàn)區(qū)的平均氣溫比對(duì)照區(qū)分別高2.7、2.2和1.9 ℃；單位面積集熱量分別為4.6、3.7和2.6 MJ/m2，單位面積放熱量分別為4.1、3.4和3.1 MJ/m2；平均集熱功率分別為183.1、146.5和105.0 W/m2，平均放熱功率分別為163.2、134.0和121.1 W/m2；平均集熱效率分別為56.5%、68.2%和73.8%；平均性能系數(shù)分別為3.8、3.1和2.8；與電加熱相比，平均節(jié)能率分別為73.5%、67.1%和63.0%。在主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)加溫期間，在不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度天氣條件下，試驗(yàn)區(qū)南北溫差較大，植株群體內(nèi)部南北最大平均氣溫分別相差2.8、2.6和2.4 ℃。研究結(jié)果可為主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

溫室；溫度；環(huán)境調(diào)控；主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)；節(jié)能；控制策略

0 引 言

日光溫室是中國(guó)目前應(yīng)用最廣泛的園藝設(shè)施[1]。隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)種植技術(shù)的不斷提高，日光溫室蔬菜栽培逐漸在中國(guó)發(fā)展起來(lái)，成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分[2]。溫度是日光溫室室內(nèi)環(huán)境中非常重要的影響因子，其高低狀況往往成為決定溫室生產(chǎn)成敗的決定因素。因此，日光溫室內(nèi)溫度的變化規(guī)律及其調(diào)節(jié)技術(shù)一直受到研究學(xué)者的重視，尤其是對(duì)冬季夜間溫室增溫的調(diào)節(jié)。

充分利用太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換進(jìn)行日光溫室加溫一直是研究的熱點(diǎn)。相變材料在日光溫室的研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)相變材料的篩選制備、封裝和與溫室的結(jié)合方面進(jìn)行了大量的研究[3-11]。王宏麗等[12]對(duì)相變蓄熱砌塊墻體在日光溫室的加溫效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明，日光溫室內(nèi)的氣溫提升1.7～2.4 ℃。管勇等[13]提出的日光溫室三重結(jié)構(gòu)相變蓄熱墻體的構(gòu)建方法能明顯的提升墻體的有效蓄熱量和供熱量。雖然利用相變材料蓄熱能有效的提高日光溫室內(nèi)的空氣溫度，但是由于其蓄熱方式是被動(dòng)的，不利于熱量的有效控制。張勇等[14]設(shè)計(jì)了一種可用于日光溫室的空氣循環(huán)式主動(dòng)蓄熱后墻，并對(duì)主動(dòng)蓄熱后墻日光溫室的室內(nèi)溫度和通風(fēng)蓄熱風(fēng)道蓄熱特性進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)[15]。王雙喜等[16]和王順生等[17]以土壤為蓄熱體，利用太陽(yáng)能熱水器作為吸熱體。方慧等[18]利用換熱管道收集太陽(yáng)能，將熱量?jī)?chǔ)存在淺層土壤中，夜晚再通過(guò)淺層土壤的自然釋放，加溫溫室，結(jié)果表明，與對(duì)照區(qū)相比，平均氣溫提高4 ℃。

上述研究為日光溫室內(nèi)太陽(yáng)能的利用提供了基本的方法和思路，但無(wú)論是以相變材料還是以土壤作為蓄熱體，其蓄熱能力都受到了較大的限制。張義等[19]設(shè)計(jì)了一種水幕簾蓄放熱系統(tǒng)，以水作為蓄熱介質(zhì)，白天利用水的循環(huán)吸收太陽(yáng)能，將熱量?jī)?chǔ)存在水池里，夜晚再通過(guò)水的循環(huán)將熱量釋放出來(lái)。由于水的比熱容較大，大大提高了其蓄熱能力，并且實(shí)現(xiàn)了蓄熱和放熱的自動(dòng)控制，可以在最合適的時(shí)間段進(jìn)行熱量的收集和釋放，大大提高了日光溫室內(nèi)熱量的有效控制。梁浩等[20]在水幕簾蓄放熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將吸熱層由水幕簾更改為雙黑膜結(jié)構(gòu)。李文等[21]對(duì)其集放熱裝置和循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。方慧等[22]將吸熱層由雙黑膜結(jié)構(gòu)更改為金屬膜。孫維拓等[23]和Zhou等[24]將主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)（Active Heat Storage and release System，AHS）與熱泵結(jié)合應(yīng)用于溫室中。周升等[25]對(duì)安裝有主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的日光溫室進(jìn)行溫濕環(huán)境監(jiān)測(cè)及節(jié)能保溫性能評(píng)價(jià)。Fang等[26]對(duì)影響主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)集熱和放熱的環(huán)境因素進(jìn)行探究。Lu等[27]對(duì)主動(dòng)蓄放熱的熱環(huán)境進(jìn)行建模。馬前磊等[28]對(duì)主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)對(duì)作物冠層的影響進(jìn)行探究。主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，技術(shù)方法已經(jīng)較為成熟，裝備日益完善?？滦辛值萚29-30]在第四代主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了第六代主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)，將集放熱板的主體材料由吹塑成型的PE空腔板，更改為鋁合金材質(zhì)的集放熱板，水流進(jìn)入集放熱板的方式由上進(jìn)下回式更改為下進(jìn)上回式，增加了集熱效率并解決了集放熱板漏水等問(wèn)題。但是其系統(tǒng)的穩(wěn)定性仍較差，水流不均勻，運(yùn)行一段時(shí)間后，常常出現(xiàn)接近一半的集放熱板沒(méi)有水流的情況。

本研究在上述基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)，水循環(huán)系統(tǒng)由開(kāi)式系統(tǒng)更改為閉式系統(tǒng)，供水方式由之前的異程供水替換為同程供水，將每一塊集放熱板的鋁合金翅片由6塊增加到7塊，并開(kāi)展溫室現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，對(duì)主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的加溫效果、系統(tǒng)性能、控制系統(tǒng)的控制策略和典型天氣下加溫過(guò)程中室內(nèi)氣溫的分布進(jìn)行探究，以期為主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)優(yōu)化

在第六代主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)的主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)主要作了如下改進(jìn)：1）將水循環(huán)系統(tǒng)由開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)更改為閉式循環(huán)系統(tǒng)，閉式循環(huán)系統(tǒng)由供回水管、集放熱板和潛水泵組成，水流由位于蓄熱水桶底部的潛水泵抽出，由下而上流經(jīng)集放熱板，經(jīng)回水管流回蓄熱水桶，整個(gè)系統(tǒng)不與外界直接接觸，水流的運(yùn)行都在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行。這樣做的優(yōu)勢(shì)在于①水質(zhì)無(wú)污染，外界的雜質(zhì)不會(huì)進(jìn)到系統(tǒng)內(nèi)造成污染、堵塞等情況；②節(jié)能，當(dāng)系統(tǒng)停止工作時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的水流仍然會(huì)停留在系統(tǒng)內(nèi)，再次開(kāi)啟系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)馬上就能開(kāi)始集熱或者放熱，而對(duì)于開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)停止后，水流就會(huì)全部流入到蓄熱水桶內(nèi)，再次啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，需要水流灌滿系統(tǒng)才能開(kāi)始正常集熱或者放熱，耗電量較大，相對(duì)于開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)，閉式循環(huán)系統(tǒng)更節(jié)能。2）供水方式由異程供水改為同程供水，同程供水即對(duì)于任意一塊鋁合金集放熱板，其回水管和供水管的總長(zhǎng)度相等，這樣能保證每一塊集放熱板進(jìn)口處的水壓都是相等的，從而使流經(jīng)每一塊集放熱板的水流更加均勻，發(fā)揮每一塊集放熱板的功能，解決了之前部分集放熱板沒(méi)有水流的情況。3）每一塊集放熱板由6塊鋁合金翅片更改為由7塊鋁合金翅片組成，因?yàn)椴捎瞄]式系統(tǒng)后，系統(tǒng)承壓能力降低，潛水泵的功率由1.1 kW更改為750 W。

優(yōu)化后的主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由集放熱板、蓄熱水桶、潛水泵和供回水管路等組成。集放熱板為鋁合金材質(zhì)，表面亞光黑色噴塑，寬1 m，高1.8 m，一套系統(tǒng)共有26塊集放熱板。每塊集放熱板又由7小塊鋁合金翅片拼接而成，每塊鋁合金翅片厚度1.4 mm，寬124 mm，高1.8 m。在寬度方向上，距離邊緣30 mm和94 mm處分別有一個(gè)直徑5.25 mm，高1.8 m的管道，用于流通水流。蓄熱水桶的有效體積4.3 m3，位于溫室的中部，埋于地下，底部由厚度40 mm的保溫板鋪墊，四周使用擠塑板保溫層包裹，最外側(cè)用普通黏土磚進(jìn)行砌筑。潛水泵的功率750 W，額定流量10 m3/h。供水管和回水管的主管道采用的是直徑50 mm的PVC管件。

1.排氣閥 2.支架 3.集放熱板 4.蓄熱水桶 5.潛水泵 6.回水管 7.供水管

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)溫室

試驗(yàn)于2019年11月24日至2020年2月29日在北京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)中國(guó)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(yàn)基地（40°13′N，116°65′E）內(nèi)進(jìn)行。日光溫室為東西走向，長(zhǎng)60 m，跨度10 m，后墻高2.9 m。溫室主鋼架由材質(zhì)為Q235的扁圓管鋼架組成，后墻及山墻為復(fù)合結(jié)構(gòu)，即內(nèi)外為8 mm厚的水泥板，中間為15.6 cm厚和20 kg/m3密度的EPS擠塑板。在溫室中間有一面厚度8 mm的玻璃墻，將溫室分為2個(gè)獨(dú)立的空間，東邊作為對(duì)照區(qū)，里面沒(méi)有加溫設(shè)備，西邊作為試驗(yàn)區(qū)，運(yùn)行主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)進(jìn)行加溫試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)內(nèi)種植的作物為西紅柿，品種為荷蘭瑞克斯旺公司的72-193A，定植日期為2019年9月10日，試驗(yàn)期間利用吊蔓使植株的平均高度維持在3 m左右。

1.2.2 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)運(yùn)行模式

主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的運(yùn)行為時(shí)間控制的自動(dòng)運(yùn)行模式，集熱階段：開(kāi)啟時(shí)間為9:00，關(guān)閉時(shí)間為16:00；放熱階段：開(kāi)啟時(shí)間為0:00，關(guān)閉時(shí)間為7:00。如遇連續(xù)陰天、雨天或雪天，則改為手動(dòng)控制模式。

1.2.3 測(cè)試儀器與測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)室外、試驗(yàn)區(qū)、對(duì)照區(qū)的空氣溫度和試驗(yàn)區(qū)的太陽(yáng)輻射以及試驗(yàn)水溫進(jìn)行測(cè)試。溫度的測(cè)量采用銅－康銅T型熱電偶，測(cè)量精度±0.2 ℃，測(cè)量空氣溫度時(shí)加裝自然通風(fēng)防輻射罩，測(cè)量水溫時(shí)，水溫傳感器探頭做防銹處理，熱電偶線做防倒吸處理，使用杭州逸控科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為R7100的數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)記錄溫度值，每2 min采集一次數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析時(shí)計(jì)算步長(zhǎng)為10 min，因此只采用10 min的數(shù)值。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的測(cè)試采用美國(guó)坎貝爾公司的CMP3型太陽(yáng)輻射傳感器，使用CR1000數(shù)據(jù)采集儀每10 min采集一次數(shù)據(jù)。水泵的耗電量使用上海人民上聯(lián)電氣股份有限公司生產(chǎn)的DTS1762型電能表進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)點(diǎn)布置：在試驗(yàn)區(qū)的中間位置，自南向北距離地面1.5 m處布置3個(gè)空氣溫度測(cè)量點(diǎn)，用于測(cè)量試驗(yàn)區(qū)的空氣溫度，這3個(gè)點(diǎn)距離北墻的距離分別為2.42、4.84和7.26 m，對(duì)照區(qū)空氣溫度的測(cè)量點(diǎn)和試驗(yàn)區(qū)完全一致。同時(shí)在試驗(yàn)區(qū)的中間位置另外設(shè)置7個(gè)點(diǎn)，用于測(cè)量同一剖面不同位置的空氣溫度，其中1、2、3、4為植株群體內(nèi)部的溫度，5、6、7為植株冠層的溫度測(cè)點(diǎn)，8、9為植株冠層上方的溫度測(cè)點(diǎn)，10為溫室內(nèi)較高處作物群體外部的溫度測(cè)點(diǎn)（圖2）。在室外空曠位置離地1.5 m高度處布置一個(gè)室外溫度測(cè)量點(diǎn)。

注：1、2、3、4表示植株群體內(nèi)部的溫度測(cè)點(diǎn)；5、6、7表示植株冠層的溫度測(cè)點(diǎn)；8、9表示植株冠層上方的溫度測(cè)點(diǎn)；10表示溫室內(nèi)較高處作物群體外部的溫度測(cè)點(diǎn)。

水溫的測(cè)量：沿圓柱形蓄熱水桶軸心，距離水桶底部15、92.5和170 cm依次布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，用于水溫測(cè)試；在集熱系統(tǒng)的進(jìn)水口和出水口各設(shè)置2個(gè)溫度傳感器，用于測(cè)量供水和回水的溫度。

太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的測(cè)量：在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)由東向西，分別布置3個(gè)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度測(cè)試點(diǎn)（圖3），測(cè)點(diǎn)高度不同，可以在一定程度上減弱作物或者溫室骨架對(duì)太陽(yáng)輻射傳感器的遮擋，從而減小測(cè)量誤差。

圖3 太陽(yáng)輻射傳感器測(cè)試位置示意圖

1.3 性能優(yōu)化分析方法

主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的集熱量（Q，J）和放熱量（Q，J）由式（1）和式（2）計(jì)算得出[21]。

Q=cρV(T,f?T,s)（1）

Q=cρV(T,f?T,s)（2）

式中c為水的比熱容，取值4.2×103J/（kg·℃）；ρ為水的密度，取值1.0×103kg/m3；V為蓄熱水桶的體積，取值4.3 m3；T,f為集熱結(jié)束時(shí)蓄熱水桶內(nèi)的水溫，℃；T,s為集熱開(kāi)始時(shí)蓄熱水桶內(nèi)的水溫，℃；T,f為放熱結(jié)束時(shí)蓄熱水桶內(nèi)的水溫，℃；T,s為放熱開(kāi)始時(shí)蓄熱水桶內(nèi)的水溫，℃。

主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的單位面積集放熱量由式（3）計(jì)算得出。

式中為單位面積集熱量或者放熱量，J/m2；為集熱量或放熱量，J；為集放熱板的總面積，取值40.6 m2。

從早上9：00開(kāi)始運(yùn)行，到下午16：00關(guān)閉系統(tǒng)，這是一個(gè)集熱過(guò)程，其集熱效率由式（4）計(jì)算得出。

式中η為系統(tǒng)的集熱效率，%；E為白天集熱階段，照射到集熱板上太陽(yáng)輻射的總量，J；t,start、t,end分別為系統(tǒng)集熱起、止時(shí)刻；I,為時(shí)間內(nèi)照射到集熱板上的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2；為測(cè)試期間數(shù)據(jù)記錄的時(shí)間間隔，取值10 min。

試驗(yàn)期間，一天的定義為該日9：00至次日9:00，性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）的定義為一天內(nèi)集熱板的放熱量與系統(tǒng)一天的耗電量的比值，由式（5）計(jì)算得出[19]。

式中wp為系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)周期循環(huán)水泵的耗電電能，J，由電表測(cè)試獲取。

主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)單位面積的集熱功率和放熱功率如式（6）所示[22]。

式中為系統(tǒng)的單位面積集熱功率或者放熱功率，W/m2；為集熱或放熱的總時(shí)間，s。

將系統(tǒng)的一天的放熱量轉(zhuǎn)化為電加熱產(chǎn)生的熱量，那主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的節(jié)能率由式（7）計(jì)算得出。

式中為系統(tǒng)的節(jié)能率，%。

2 結(jié)果與分析

系統(tǒng)從2020年11月1日開(kāi)始試運(yùn)行，2月29日關(guān)閉，選取2019年11月24日至2020年2月18日穩(wěn)定運(yùn)行的87 d試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以集熱階段太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的平均值作為分類條件，分為A、B、C三類天氣，分別定義為集熱階段到達(dá)北墻的平均太陽(yáng)輻射為>260、180～260、100～180 W/m2，87 d中A類天氣共33 d，B類天氣共24 d，C類天氣共11 d。試驗(yàn)期間，3種天氣的室外平均氣溫分別為?2.9、?0.3、?0.2 ℃，室外平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為600.6、580.5、539.8 W/m2。主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)集熱的時(shí)間是9:00—16:00，放熱時(shí)間為0:00—7:00，因此將當(dāng)日9:00至次日9:00作為一個(gè)加熱周期進(jìn)行分析，如1月14日指1月14日9:00至1月15日9:00。用電能表測(cè)得主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)每天平均的電消耗為43.9 MJ。

2.1 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)運(yùn)行的總體性能分析

2.1.1 加溫效果

圖4為在A類、B類、C類3種天氣條件下主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)區(qū)的總體加溫效果。

注：A、B和C類天氣條件分別表示集熱階段到達(dá)北墻的平均太陽(yáng)輻射為>260、180~260和100 ~ 180 W·m-2。下同。

在A類天氣條件下，試驗(yàn)區(qū)的平均氣溫能達(dá)到10.3 ℃，與對(duì)照區(qū)相比，平均氣溫提升2.7 ℃。在B類和C類天氣條件下，試驗(yàn)區(qū)的平均氣溫為10.4和9.9 ℃，因?yàn)榈竭_(dá)北墻的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度比A類天氣下的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度低，與A類天氣的加溫效果相比，其加溫效果稍差，平均氣溫提升2.2和1.9 ℃。由此可知，主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)區(qū)的的加溫效果顯著。

2.1.2 系統(tǒng)性能分析

主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)在A、B、C三類天氣條件下的單位面積集熱量和單位面積集熱功率都具有極顯著性差異（>0.01），太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越大，越利于主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的集熱，所以在A、B、C 3類天氣條件下，單位面積集熱量和單位面積集熱功率依次遞減，單面面積集熱量分別為4.6、3.7和2.6 MJ/m2，單位面積集熱功率分別為183.1、146.5和105.0 W/m2（表1）。對(duì)于平均集熱效率而言，A類與B類天氣之間差異顯著（>0.05），與C類天氣之間為極顯著性差異，B類、C類天氣之間差異不顯著，在A類天氣下集熱效率為56.5%，而B(niǎo)類、C類天氣下，則分別達(dá)到68.2%和73.8%，主要原因在于集放熱板不僅吸收太陽(yáng)輻射，還會(huì)吸收空氣中的熱量，在C類天氣下，集放熱板吸收空氣的熱量占所吸收熱量總值的比例最大，B類天氣次之，A類天氣最少，而集熱效率計(jì)算式（4）只考慮了太陽(yáng)輻射的影響。對(duì)于單位面積放熱量、單位面積放熱功率和平均COP，A類天氣與B類、C類天氣之間具有極顯著性差異，B類與C類天氣條件下差異不顯著，當(dāng)白天集熱量越大時(shí)，蓄熱水桶內(nèi)水溫也就越高，越利于夜晚主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的放熱，所以對(duì)于單位面積放熱量、放熱功率、平均COP和平均節(jié)能率，都出現(xiàn)A、B、C 3類天氣依次遞減的情況，其單位面積放熱量分別為4.1、3.4和3.0 MJ/m2，放熱功率分別為163.2、134.0和121.1 W/m2，COP分別為3.8、3.1和2.8，節(jié)能率分別為73.5%、67.1%和63.0%。通過(guò)與第六代主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)相比，當(dāng)集熱量相近時(shí)，因?yàn)椴捎玫乃霉β瘦^小，日均耗電量降低20%，平均節(jié)能率增加6.7%，平均COP增加0.8，由于水流量減少，所以平均集熱效率降低了10.3%。

表1 不同天氣條件下主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的性能參數(shù)

注：同列不同小寫字母表示差異顯著（<0.05）。

Note: Different lowercase letters in the sane column indicate significant differences (<0.05).

2.2 典型天氣條件下主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的加溫特征分析

2.2.1 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)氣溫的變化

選取3個(gè)典型天氣條件下，A類（2020年1月14日）、B類（2020年1月25日）和C類天氣（2020年1月24日）的試驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知在主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)集熱過(guò)程中，A、B、C 3種天氣條件下試驗(yàn)區(qū)的氣溫都始終低于對(duì)照區(qū)的氣溫，主要原因是1）主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的集放熱板吸收試驗(yàn)區(qū)的太陽(yáng)輻射量轉(zhuǎn)化為水溫的溫升，削減了試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的太陽(yáng)輻射量，從而使室內(nèi)空氣吸收的太陽(yáng)輻射量減少；2）主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的集放熱板與試驗(yàn)區(qū)的空氣進(jìn)行對(duì)流傳熱，因?yàn)榧艧岚灞砻娴臏囟鹊陀谑覂?nèi)的空氣溫度，所以集放熱板吸收空氣中的熱量，降低了試驗(yàn)區(qū)內(nèi)空氣的溫度。由此可知，白天運(yùn)行主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)對(duì)日光溫室可以起到一定的降溫效果。當(dāng)主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)停止后，對(duì)照區(qū)和試驗(yàn)區(qū)的氣溫繼續(xù)下降，在A、B、C三種天氣條件下試驗(yàn)區(qū)的氣溫都比對(duì)照區(qū)的氣溫下降得緩慢，其主要原因在于，雖然蓄熱水桶的保溫性能較好，但是水溫與周圍的土壤和室內(nèi)空氣存在較大的溫差，仍然會(huì)向周圍土壤和空氣傳遞熱量，對(duì)試驗(yàn)區(qū)的空氣溫度造成一定的影響，經(jīng)過(guò)計(jì)算，在16:00—0:00期間，在A、B、C在三類天氣條件下蓄熱水桶的散熱量分別為19.9、16.9和14.4 MJ。在0:00系統(tǒng)啟動(dòng)，主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行加溫，試驗(yàn)區(qū)的氣溫開(kāi)始上升，在A類天氣下，因?yàn)槠涑跏妓疁刈罡?，所以加溫效果最好，相?duì)于對(duì)照區(qū)，平均氣溫提升2.7 ℃，B類、C類天氣下則為2.1和2 ℃，而3種天氣下對(duì)照區(qū)的氣溫在整個(gè)夜晚都在下降。

圖5 不同天氣條件下對(duì)照區(qū)和試驗(yàn)區(qū)室內(nèi)氣溫的變化

2.2.2 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)放熱階段試驗(yàn)區(qū)氣溫分布

圖6為A、B、C三類天氣條件下主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)加溫過(guò)程中試驗(yàn)區(qū)氣溫分布的情況。在主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)夜間加溫過(guò)程中，南北溫差較大，同一高度上離北墻越近，氣溫越高，越往南氣溫越低。造成這種情況的原因?yàn)?）北墻安裝有主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)，離主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)越近，獲得的熱量越多，氣溫越高；2）越靠近南面，越接近屋頂?shù)母采w薄膜，覆蓋薄膜夜間的溫度較低，周圍空氣損失的熱量較大，所以越往南氣溫越低。在A、B、C三類天氣條件下，在植株群體內(nèi)部（離地1.5 m）北面比南面的平均氣溫分別高2.8、2.6和2.4 ℃；在植株冠層頂部（離地3 m）的平均氣溫則分別相差0.9、0.9和0.8 ℃；在植株冠層上方（離地3.25 m）的平均氣溫相差不明顯。即距地面越高，南北溫差越小，主要原因在于1）作物對(duì)熱量傳遞的阻擋，阻礙集放熱板與空氣之間的輻射傳熱和空氣之間的對(duì)流傳熱，距地面越高，植物的遮擋越少，所以溫差越?。?）溫室跨度的影響，越往上，溫室跨度越小，熱量傳遞的路程越小，所以溫差越小。

對(duì)于屋面周圍的空氣溫度，靠近北側(cè)的空氣溫度要明顯高于靠近南側(cè)的空氣溫度，主要原因在于，在靠近北墻的位置有過(guò)道，過(guò)道內(nèi)由于沒(méi)有作物的存在，所以缺少作物對(duì)熱量傳遞的遮擋，此處熱空氣的上升速率最快，熱空氣在屋頂聚集，導(dǎo)致靠近北側(cè)屋面周圍的空氣溫度較高，在A、B、C三類天氣條件下分別達(dá)到11.3、10.2和9.6 ℃，而南面的屋面則因?yàn)槭軣峥諝馍仙挠绊懞苄?，所以其溫度僅為9.9、9.2和8.8 ℃。

圖6 不同天氣條件下主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)夜間加溫期間試驗(yàn)區(qū)氣溫分布云圖

2.2.3 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)供回水溫度變化

圖7為2020年1月14日主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)集熱階段供回水溫度的變化圖。試驗(yàn)期間保溫被的開(kāi)啟時(shí)間是8:30，當(dāng)保溫被開(kāi)啟時(shí)，停留在集放熱板內(nèi)的水吸收太陽(yáng)輻射，溫度上升，因?yàn)槭敲荛]系統(tǒng)，水流會(huì)帶動(dòng)主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)以緩慢速度開(kāi)始集熱，所以在9:00，系統(tǒng)剛開(kāi)啟時(shí)，回水水溫就大于進(jìn)水水溫。隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和室內(nèi)空氣溫度的增加，供回水的溫差逐漸擴(kuò)大，在12:40達(dá)到最大值，為4.2 ℃，此時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為452.6 W/m2，空氣溫度為34.9 ℃，回水水溫為28.0 ℃。此時(shí)由于室內(nèi)空氣溫度較高，所以開(kāi)啟通風(fēng)口對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行降溫，可以明顯看出試驗(yàn)區(qū)的空氣溫度在下降，雖然此時(shí)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在增加，但是由于室內(nèi)空氣的溫度大幅度下降，與供水水溫的差值減少，導(dǎo)致集放熱板與空氣的對(duì)流換熱量減少，減少的幅度大于集熱放熱板吸收增加的太陽(yáng)輻射的幅度，所以供水水溫和回水水溫的溫差在減少。此后隨著蓄熱水桶內(nèi)水溫的增加，供水溫度在增加，與室內(nèi)空氣溫度的差值進(jìn)一步減少，瞬時(shí)集熱量在持續(xù)下降。隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和室內(nèi)空氣的持續(xù)下降，供回水溫差一直在降低，在15:30時(shí)，供水水溫和回水水溫相等，表示集放熱板與太陽(yáng)輻射和室內(nèi)空氣的換熱達(dá)到平衡狀態(tài)，此后，集放熱板向室內(nèi)散發(fā)的熱量大于吸收的太陽(yáng)輻射的和室內(nèi)空氣的熱量之和，集放熱板向溫室散發(fā)熱量，一直到16:00系統(tǒng)關(guān)閉，供水水溫都大于回水水溫。

由分析可以知，系統(tǒng)是否集熱，取決于集放熱板與太陽(yáng)的輻射換熱和與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱，通過(guò)供回水的溫差表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)供回水溫差大于0°時(shí)，表示系統(tǒng)在集熱，當(dāng)供回水溫差小于0°時(shí)，表示系統(tǒng)在放熱，所以可以考慮將供回水的溫差作為系統(tǒng)停止的條件，當(dāng)供回水溫差小于0°時(shí)，關(guān)閉系統(tǒng)，一方面減少潛水泵的電能消耗，另一方面減少系統(tǒng)的熱損失。

圖7 主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)集熱階段供回水溫度變化曲線

3 結(jié) 論

本研究中，白天利用主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)吸收日光溫室內(nèi)的太陽(yáng)能，用于夜間加溫，對(duì)其加溫效果、系統(tǒng)性能和加溫過(guò)程中試驗(yàn)區(qū)氣溫的分布進(jìn)行探究，并提出對(duì)主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的改進(jìn)意見(jiàn)，得出以下結(jié)論：

1）主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的性能優(yōu)越，夜間運(yùn)行主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)能明顯的提升試驗(yàn)區(qū)的空氣溫度。在3種不同的天氣條件下，其單位面積集熱量分別為4.6、3.7和2.6 MJ/m2，單位面積放熱量分別為4.1、3.4和3.1 MJ/m2；平均集熱功率為183.1、146.5和105 W/m2，平均放熱功率為163.2、134.0和121.1 W/m2；性能系數(shù)（Coefficient Of Performance，COP）為3.8、3.1和2.8；與對(duì)照區(qū)相比，可將日光溫室的夜間平均氣溫提升2.7、2.2和1.9 ℃。

2）主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的節(jié)能效果明顯，在不同的天氣條件下，與電加熱相比，節(jié)能率分別達(dá)到73.5%、67.1%和63.0%。本研究所采用的主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)比第六代主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)更節(jié)能，當(dāng)集熱量相近時(shí)，與第六代主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)相比，日均耗電量降低20%，平均節(jié)能率增加6.7%，平均能效比增加0.8，但是平均集熱效率降低了10.3%。

3）在夜間加溫期間，主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)區(qū)氣溫分布的影響顯著，因集放熱板位于北墻，日光溫室內(nèi)南北溫差較大，不同天氣條件下在植株群體內(nèi)部南北最大平均氣溫分別相差2.8、2.6和2.4 ℃，因?yàn)槭軣峥諝馍仙挠绊?，北?cè)屋面周圍空氣溫度大于南側(cè)屋面周圍的空氣溫度。

通過(guò)試驗(yàn)研究，對(duì)主動(dòng)蓄放熱的改進(jìn)提出以下建議：

1）增加水流量可以提高系統(tǒng)集熱量，因此可以考慮加大鋁合金翅片管道的直徑，并與水泵流量匹配，提高主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的集熱效率。

2）將集熱和放熱裝置分開(kāi)，集熱用鋁合金集熱板集熱，放熱則另外使用加溫管道進(jìn)行放熱，降低南北溫差，使夜間溫度分布更加均勻。

3）主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)無(wú)論是采用溫度控制還是時(shí)間控制，都存在白天系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)放熱的現(xiàn)象，建議可采用以下2種控制方法：時(shí)間+溫度的組合控制，分時(shí)段內(nèi)根據(jù)氣溫、水溫協(xié)同控制；使用供回水溫差作為系統(tǒng)集熱階段系統(tǒng)關(guān)閉的條件，即供水水溫大于回水水溫時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉。

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Optimization of active heat storage and release system in solar greenhouse

Luo Qianliang1, Cheng Ruifeng1, Zhang Yi1※, Fang Hui1, Li Dong2, Zhang Jinfang3, Song Guoxiang3

(1100081,; 2622750,; 3,262700,)

Active Heat Storage and release System (AHS) is a solar thermal utilization system, which collects and stores solar energy through the water circulation in the daytime, and the energy is released at night. To improve the stability and reliability of the operation of AHS, based on the sixth generation of AHS, the circulation pipeline, water supply mode, solar energy collection board were optimized and improved. The field test lasted 87 days was done to investigate the heating effect, heating performance, control strategy of circulation, and the distribution of indoor air temperature during the heating process of improved AHS under different weather conditions. The test period was from November 24th, 2019 to February 29th, 2020. The results showed that, during the experiment time, the improved AHS was in stable operation mode, the energy-saving, and high heating efficiency, the optimization was effective. In three different weather conditions of solar radiation intensity, the average temperature in the experimental area was 2.7, 2.2, and 1.9 ℃higher than that in the control area, and the heat collection capacity was 4.6, 3.7, and 2.6 MJ/m2respectively, heat release capacity was 4.1, 3.4, and 3.1 MJ/m2respectively. The average heat collection power was 183.1, 146.5, and 105.0 W/m2respectively, and average heat release power was 163.2, 134, and 121.1 W/m2respectively. The average heat collection efficiency of improved AHS was 56.5%, 68.2%, and 73.8% respectively and the average coefficient of performance was 3.8, 3.1, and 2.8 respectively. Compared to electric heating, the energy conservation rate of improved AHS was 73.5%, 67.1%, and 63% respectively. Compared with the sixth generation AHS, when total heat energy collected was similar, the daily average power consumption was reduced by 20%, the energy-saving efficiency was increased by 6.7%, and the coefficient of performance was increased by 0.8. The water flow rate was reduced, so the average heat collection efficiency was reduced by 10.3%. If the structure of AHS is improved in the future, the diameter of the aluminum alloy finned pipe is advised to increase to improve the heat collection efficiency. During the heating period at night, the influence of improved AHS on temperature distribution in the experimental area was very obvious, because the board was located in the north wall, and the north side of the greenhouse was closed to the lower temperature roof, the temperature difference between the north and the south in the greenhouse was large. The closer to the north wall at the same height, the temperature is higher. Under different weather conditions, the maximum average temperature difference between north and south parts in the canopy was 2.8, 2.6, and 2.4 ℃ respectively. This temperature difference was getting smaller with height because of the influence of crops on heat shielding and greenhouse shape. Through the analysis of water temperature change during the daytime, it was suggested to adopt the joint control method of temperature and time for control strategy optimization. The application and promotion of AHS could be supported by the basis of theory and experimental results in this study.

greenhouse; temperature; environmental control; active heat storage and release system; energy saving; control strategy

駱乾亮，程瑞鋒，張義，等. 日光溫室主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(17)：234-241. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.028 http://www.tcsae.org

Luo Qianliang, Cheng Ruifeng, Zhang Yi, et al. Optimization of active heat storage and release system in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(17): 234-241. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.028 http://www.tcsae.org

2020-05-04

2020-06-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31901421）

駱乾亮，主要從事溫室太陽(yáng)能熱利用研究。Email：1694875741@qq.com

張義，博士，副研究員，主要從事設(shè)施園藝環(huán)境工程等方面研究。Email：zhangyi03@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.028

S214.3

A

1002-6819(2020)-17-0234-08