温室太阳能热水系统夏季调温性能的研究

■ 王春彦 张洪海 彭尔瑞

温度是动植物生长的重要生态条件之一，为了获得最佳的作物生长温度，抵御室外的极端气候条件，温室必须配备合适的增温和降温系统。对大多数温室来说，夏季白天采用换气、遮光、洒水、室内喷雾就可以降温[1]。农业温室增温和降温消耗的能源接近欧洲能源总预算的1.5%，在南欧国家，增温消耗占温室总运行费用的30%[2]。近十年来，采用太阳能替代常规能源为温室加热，已开始进入商业化阶段[3]。然而，由于栽培或养殖对象生长条件各不相同，并且各地气候、土壤、水分等自然条件及社会经济状况千差万别，难以找到一种普遍有效的太阳能增温模式和方法。太阳能的不稳定性、增温系统的经济性、低温供热的局限性及耕作习惯等使得太阳能增温尚未引起国内研究人员的重视。

一 材料与方法

1 温室特征

温室为南北向，设立在一幢二层钢筋混凝土楼房的二楼某一屋面上，南北长10.34m，东西长4～4.67m，净面积45.09 m2，东、西、南、顶四面为玻璃铝合金结构，北面为砖墙，屋顶倾角25¡。南侧24.14 m2为养殖温室，北侧20.95 m2为育苗温室，养殖温室的温度比种植温室的低1.20℃。

2 太阳能热水系统特征

太阳能热水调温系统采用实用新型专利全方位立体面透光太阳能热水器[4](专利号ZL 93212192.6，设计人刘群生，王廷汉)组成，是一种由透明玻璃材料和底座组成的，能全方位呈立体面接收太阳入射光的闷晒式太阳能热水器。占地0.23m2的太阳能热水器，日产热水30～35kg，取太阳入射角为0时的最大投影面积为采光面积测试得到热水器的平均日效率d = 59.92%，平均热损系数UL=35.16W/(m2·℃)[5]。

3 方法

在温室内布置4台全方位立体面透光太阳能热水器，每台容水133kg，太阳能热水器布置在北墙一侧地面上和温室中央槽钢支柱之间的地面上。实验时间为某年4月1日～5月17日，主要仪器有标准温度计、TBQ-2-总辐射表、RYJ12日射记录仪、WXY-1A温度巡检仪及其他辅助器材。

二 太阳能热水系统夏季调温性能

1 夏季白天的降温潜力

由于未建设对比温室，实验采用遮盖室内热水器的办法对比考查增温系统的降温潜力。处理数据时，一是综合分析白天室内温度的变化趋势；二是将室内中央的测试点与热水器附近测试点处的温度进行对比；三是选用实验条件相同——关闭全部门窗，室外温度和太阳辐照度近似相等的数据点进行对比。实验中，温室每平方米占地面积平均占有1.17m3空间，每平方米温室配置13.27kg热水。经测试，室内白天的最高气温推迟2～3小时，室内气温的最高值降低2℃～3℃，室内的平均气温降低1℃～3℃(见表1)，降温效果更加明显。

2 太阳能热水调温系统夏季夜间的增温效果

表1 遮盖与采用太阳能热水系统时温室内温度对比

对温室太阳能热水系统调稳性能的研究，主要是研究增温系统夜间的增温效果。经过一个多月的测试，夜间存在局部通风换气时，室内温度比室外温度高2℃～4℃；使用聚苯乙烯泡沫密封通风孔和间隙时，夜间室内气温比室外高3℃～7℃。图1表示5月某天温室内平均温度、室外环境气温在一天中的变化。

实验表明：夜间20时以后至次日晨6时30分以前，室内局部气温比室外温度高2℃～7℃，室内平均气温比室外温度高出2.91℃～5.38℃，室内气温比室外最低气温高4.68℃。由于实验温室地面为钢筋混凝土，贮热性能远不如土壤，通过估算，适当增加热水量，辅以地下埋管提高地温，一部分夜间提高室温，一部分夜间提高土壤温度，有望提供80%以上热负荷需求。

三 结论与讨论

1 全方位立体面透光太阳能热水器平均日达60%左右，高于一般平板型热水器(不低于45%)，平均热损系数在30～40W/(m2·℃)，大于一般闷晒式热水器(不高于13.0W/(m2·℃)。白天热效率高，夜间散热快，用于被动式太阳能温室贮热调温，可充分发挥低温热水调温的优势。

2 太阳能增温系统白天的降温效果主要体现在三方面：一是使全方位立体面透光太阳能热水器周围的气温明显降低，主要表现为热水器附近的测试点处白天温度低于距热水器远一些的测温点处的温度；二是使温室内平均气温的最高值由下午2～3时推迟到下午4～6时；三是通过相同实验条件、相似气象条件下遮盖热水系统与使用热水系统两种情况对比，采用热水系统可使室内气温降低1℃～3℃。

3 根据M.Santamouris el at.1994年[2]对欧共体内95间被动式温室太阳能增温系统的统计研究表明：采用透明水袋贮热时，按0.23～0.46m3/m2水量配备，室内气温比室外高2℃～15℃[6]。而实验中采用热水系统调温，以0.01327m3/m2的水量配备，获得比室外环境温度高3℃～7℃的增温效果。显然，实验中的太阳能热水系统夜间的增温效果是十分理想的。

4 由于实验条件的限制，太阳能热水系统冬春季节的调温效果，尤其是冬春季节的太阳能供暖率，尚有待进一步研究。然而，在云南冬春季集热条件比夏季优越，加之室外环境温度低，增温系统的初水温相对较低，集热效果更好。由于云南山地占94%，地势起伏大，机械耕作和交通不便，现代化的连栋智能温室[7]应用推广难度大。通过进一步的研究和优化设计，有望提出一种适合云南及我国南方地区推广使用的温室太阳能调温模式。

[1] 翁瑞光.温室栽培技术中热能的应用[J].农业与技术，2012，32（6）：178－179.

[2] 被动式太阳能温室技术和系统的分类及评价[J].新能源，1996，19（1）：13－25.

[3] R.T.Fuller.Heating commercial greenhouses with solar energy[M].Australia: Agricultural Engineering Center Department of Agriculture and Rural Affairs, 1990.

[4] 刘群生.一种改进型全方位立体面透光太阳能热水器[P].中国：97203882.5，1997.

[5] 王春彦.玻璃温室新型太阳能集热调温系统的实验研究[D].昆明：云南师范大学，1999：10－11.

[6]M.Santamouris, C.A.Balaras, E.Dascalaki, and M.Vallindras.Passive solar agricultural greenhouses: a world classification and evaluation of technologies and systems used for heating purposes[J].Solar Energy, 1994, 53 (5): 411－426.

[7] 蔡龙俊，冯哲隽.连栋温室热水供热系统散热管道传热系数的计算与测试[J].农业工程学报，2003，19(3)：196－199.