太阳能辅助加温系统对日光温室内温度的影响

刘文合　盖世臣

摘要：生态日光温室是1种集太阳能辅助加温、燃池辅助加温、雨水回收利用、沼气综合利用等多位一体的新型现代化温室。研究的生态日光温室以合理的日光温室结构为主体，利用太阳能集热器加热水，并在地下散热水管中循环散热直接对温室内土壤进行加热，以达到降低耗能量、提高温室内温度的目的。根据日光温室的结构和传热特点，利用稳态传热理论和室内热量收支平衡原理，对温室的热量平衡进行建模计算，通过计算机编程解算平衡方程，分析太阳能辅助加温系统对日光温室内温度的影响；经连续试验，应用面积为20m2集热器可提高室内温度1.68 ℃。试验结果表明，太阳能辅助加温系统具有明显增加室温的效果。

关键词：生态日光温室；热平衡；数值模拟；室内温度

中图分类号： S625.4 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2015）03-0338-03

随着世界常规能源减少，碳排放量减排要求增加，生态日光温室的优势日益凸显[1]。目前国内主要通过优化结构改进和提高其保温性、采光性[2]以及在土壤中添加有机酿热物、地下热交换[3]、电加热[4]、太阳能加热等方式提高日光温室地温以及室内温度。国外也有利用太阳能增加温室地温的研究，但他们研究的对象皆是大型温室，与我国日光温室性能差异很大[5-6]。本研究的生态日光温室以水作为载热和蓄热介质，白天利用太阳能集热器加热水，热水经管道储存到保温水箱内，夜间经由管道将保温水箱内的热水循环至地下400 mm处管道，直接对温室内土壤进行加热，以提高温室内温度。

1 生态日光温室工程热力学计算数学模型的建立

1.1 热平衡方程的建立

温室是1个半封闭的热力系统，它随时受到室内外诸多扰量的影响。其中室外扰量有室外空气温度、湿度、太阳辐射强度、风速、风向等；室内扰量包括采暖系统、照明及其他设备的散热，作物及土壤散热、散湿等。在这些扰量作用下，温室内的空气始终保持着动态热平衡[7]。日光温室日热平衡应为非稳态，本研究关注的是月热平衡，热能流动随时间变化很小，因此可以采用稳态。日光温室白天利用太阳能采暖，夜间通过各种围护结构散热。根据能量守恒定律，日光温室的热平衡为得热量等于失热量，其中作物在生产进程中产生的热量、设备发热量忽略不计[8]。相关方程为：

2 试验方案

2.1 编程建模

通过制作脚本将热平衡方程及相关公式编入程序内，只须输入温室的几何参数即可让计算机自动执行一系列计算。软件流程、操作界面分别如图1、图2所示。

2.2 模型验证

为验证平衡方程的正确性及所编软件的可靠性，利用沈阳农业大学工厂化中心的辽沈Ⅰ型9#温室的实测数据进行验证。该温室东西各长50 m，方位为南偏西5°，剖面几何参数如图3所示。沈阳地区太阳辐射日平均辐射量 10 500 kJ/d[9]，测试期间前坡膜已使用2年，测试的透光率日均值约为50%[10]，换气频率为0.8次/h[11]，室外空气的密度随室外温度而变，可以查热力学表得到[12]，太阳能集热系统热效率根据经验取50%[1]。

墙体做法（由内至外）：240 mm黏土砖+90 mm聚苯板+120 mm黏土砖。

后坡做法：20 mm厚木板+体积比1 ∶5白灰炉渣找坡（平均厚度80 mm）+25 mm厚度体积比1 ∶3水泥砂浆抹面+苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）防水材料。

前屋面覆盖物采用保温被。

2.3 温室室内外温度采集

2013年12月至2014年1月，对本程序进行了连续的试验，采用仪器HN-CHTR采集。Chino HN- CH 具有数据存储功能，Chino HN-CH 与计算机之间通过 RS-232C+RS-485 进行数据传输。全天24h不间断采集，采集到的数据为每隔1 h 1次的室内外气温，通过整理数据得出全天的平均气温。由于试验是在完全动态的情况下进行的，在不同的室外温度环境和太阳辐射情况下，每天测量的数据也不同，但是总体趋势是不变的。为了验证不同天气条件下平衡方程的准确性及太阳能辅助加温系统的加温效果，本研究在2013年12月关闭太阳能辅助加温系统，2014年1月开启太阳能辅助加温系统，将测量的数据作为代表，验证平衡方程，并就太阳能辅助加温系统对温室内温度的影响进行讨论。

3 结果与分析

3.1 平衡方程的准确性

由图4、图5可看出，2013年12月，实测室外平均温度为-8.03 ℃，模拟室内平均温度为18.21 ℃，实测的室内平均温度为16.92 ℃，每天平均气温的最大误差为2.69 ℃，整月平均温度误差为1.3 ℃。2014年1月，实测室外平均温度为-9.02 ℃，模拟室内平均温度为18.67 ℃，实测的室内平均温度为17.61 ℃，每天平均气温的最大误差为1.39 ℃，整月平均温度误差为1.06 ℃。经过2组试验的对比，可以看出模拟值与实测值基本吻合，所以本平衡方程的模拟结果是可信的，可以用来分析生态日光温室内温度的变化规律，程序可以推广应用。

3.2 太阳能辅助加温系统加温效果

由图4、图5可看出，2013年12月，实测室外平均温度为-8.03 ℃，太阳能集热器面积为20 m2时，模拟室内平均温度为19.55 ℃；太阳能集热器面积为0 m2时，模拟室内平均温度为18.21 ℃；太阳能集热器面积为0m2时，实测的室内平均温度为16.92 ℃。2014年1月，实测室外平均温度为 -9.02 ℃，太阳能集热器面积为20m2时，模拟室内平均温度为18.67 ℃；太阳能集热器面积为0 m2时，模拟室内平均温度为17.23 ℃；太阳能集热器面积为20m2时，实测的室内平均温度为17.61 ℃。通过对比，2014年1月室外平均温度比2013年12月室外平均温度低0.99 ℃，但由于辅助加温系统，室内平均温度却高0.69 ℃，可见20 m2的太阳能集热器可提高室内温度1.68 ℃。endprint

3.3 计算机软件的推广应用

2014年1月，模拟室内平均温度比实测的室内平均温度高近1 ℃，误差在合理范围内。因此，在设计建造温室时，可以通过软件计算出满足温室内温度要求时太阳能集热器的面积，即输入温室的几何参数及给定的室内、外平均温度便可计算出太阳能集热器的面积。同时，当太阳能集热器的面积与温室室内、外平均温度给定时，可计算出温室的长度、跨度、脊高等几何参数，为温室设计建造提供理论帮助。

4 结论与讨论

利用太阳能辅助加温系统可使温室平均气温提高1.68 ℃，表明了该系统增温效果是可行的。

本模型的建立可以估算生态日光温室室内平均温度，输入温室及太阳能辅助加温系统的各项参数及室外平均温度即可得出室内平均温度，该方法方便可行，避免了大量的方程计算，简化了计算过程，使计算量大幅度降低。

太阳能辅助加温系统的加热效果与常规加热系统相比具有节能、环保、生态的优势，而通过本模型的模拟及实测验证了太阳能辅助加温系统的加热效果，同时可准确计算出满足温室内温度要求时太阳能集热器的面积、温室的几何参数。这对温室室内温度预测、温室的设计建造具有重要意义。

在设计建造温室时，应抓住影响温室环境的主要数据因素，通过温室各项参数的调整，满足温室的空间、温度。

参考文献：

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