温室水循环太阳能利用系统高效节能控制策略

徐微微，马承伟，孙 昊，刘艺伟，程瑞锋，张 义

温室水循环太阳能利用系统高效节能控制策略

徐微微1，马承伟2，孙 昊3，刘艺伟4，程瑞锋1，张 义1※

（1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；3. 深圳大学化学与环境工程学院，深圳 518060；4. 北京易华录信息技术股份有限公司，北京 100043）

针对目前温室水循环太阳能利用系统无法在合理时间集热的问题，该研究开发模面装置，基于其表面综合温度提出高效节能控制策略。理论分析表明，日间表面综合温度反映集热器表面可集太阳余热，利用该温度与蓄热水池内水温之间的差值可较准确地判断集热时机；夜间表面综合温度接近于室内气温，利用该温度进行放热控制的方式实质上就是利用室内气温的方式。通过现场试验，测试提出的控制策略下实现的中空板水循环太阳能利用系统的集放热效果，并与现有的基于设定时间点或室内气温的控制方式的能力进行对比。试验结果表明中空板系统在提出的集热控制策略下获得的晴天的集热量（404.1 MJ）与多云天和阴天的集热量（分别为225.9和62.7 MJ）差异明显。而设定时间点控制集热，导致少集热（1.4 h）、无效运行（1.7 h）等问题。基于室内气温方式浪费集热时机：集热初期，太阳辐射较强，系统本可集热（31.8 MJ），且集热量远大于能耗，集热COP（Coefficient of Performance）达20.2，但因气温低，系统并不运行；集热末期，还出现短期无效运行（多云天为0.7 h；阴天为2.4 h）。该研究提出的集热控制策略能以更低能耗实现更高集热量；放热控制方式也具有一定优势。

太阳能；温室；集热器；控制策略；表面综合温度；太阳余热

0 引 言

在寒冷天气，温室必须进行加温以维持适宜于作物生长的室内小气候[1]。利用水作为热传输和储存介质进行室内太阳能热量的收集、储存和释放以实现室内温度的提升是一种有效、价廉且环保的温室加温方式，已相继开发出多种内置式水循环太阳能利用系统，包括水幕帘系统[2]、双黑膜系统[3-5]、金属膜系统[6]、阳光板系统[7-8]、铝合金集热板系统[9]、磁控溅射板系统[10-11]、毛细管网系统[12]、屋架管网系统[13]等。这些系统可根据各自集热器的构造形式配置于不同类型温室中，包括传统日光温室、新型滑盖式日光温室[14]、连栋玻璃温室[15]和大跨度外保温型塑料大棚[16-17]等，并显示出良好的加温效果。水循环系统已在温室加温领域得到广泛应用和推广。

目前，水循环系统采用的运行控制模式主要包括3种：1）根据设定时间点进行控制[2,5,7,9,18]，如阳光板系统的集放热时间分别设置为10:00-15:00和00:30-06:30[7]；2）根据室内气温进行控制，如屋架管网系统的运行模式为：在日间，当室内气温升至设定值（20～22 ℃）时，启动集热，在夜间，当室内气温降至设定值（8～10 ℃）时，启动放热[13]；3）结合设定时间点和室内气温进行控制[3-4,6,12,16-17]，如金属膜系统的运行模式为：在日间，当日光温室保温被开启时，启动集热，保温被覆盖时，停止集热，在夜间，当室内气温低于10 ℃时，启动放热[6]。

这些方式初步实现系统集放热过程的自动化，运行管理简单，但也存在一些问题。设定时间点的控制方式无法控制系统在合适时机进行集热，因为在不同天气条件下，适于集热的时间差异很大，若按固定时刻启、停系统，可能会出现无效运行、集热时间偏短等问题。基于室内气温的控制方式同样也无法控制系统在合理时间进行集热，因为气温的高低与集热器表面可集太阳余热的大小，虽有相关关系，但并不完全一致。仅凭气温无法准确、直接地判定集热器表面是否有可集太阳余热。另外，无论是根据设定时间点还是室内气温的控制方式，均未考虑系统内的水温，合理的运行控制方式应参考水温的高低。因此，这些控制方式均不是最佳的集热控制方式，无法以尽可能小的能耗实现尽可能大的集热量。

为探索并实现系统的高效节能运行，本文开发一种太阳能集放热智能控制装置——模面装置，基于其表面综合温度提出温室水循环太阳能利用系统高效节能控制策略。通过理论分析，揭示模面装置表面综合温度的含义及控制策略的原理，以论证该策略的合理性；通过现场试验，对比分析不同控制策略下实现的太阳能集放热效果，以评估该控制策略的效能。

1 控制策略的理论分析

1.1 模面装置表面综合温度的含义

模面装置是一种模拟不受水流影响的水循环太阳能集热器（兼作散热器）表面外形与状况的装置，其通常采用集热器所用的材料进行构造，朝向与集热器相同[19]。本文以中空板水循环太阳能利用系统[20-22]构造的模面装置（图1）为例，从理论上分析其表面综合温度的含义。

由于模面装置朝阳壁的壁面较薄（0.5 mm），热惯性很小，因此，其传热过程可视为稳态过程。以模面装置朝阳壁的外壁面为对象建立能量平衡方程：

式中Is为外壁面接收的太阳辐射照度，W/m2；αs为外壁面的太阳辐射吸收率；tsd为外壁面温度，即模面装置表面综合温度，℃；ta为温室内气温，℃；tsdi为内壁面温度，℃；tai为模面装置内部空间温度，℃；ht为外壁面与温室内环境之间的表面传热系数，取8.7 W/(m2·℃)[23]；hti为内壁面与内部环境之间的表面传热系数，W/(m2·℃)。

朝阳壁的壁面较薄（0.5 mm），导热热阻小（0.002 5 m2·℃/W），其表面综合温度与内壁面温度接近（平均温差约为0.6 ℃，启停阶段的温差约为0.25 ℃）。假设模面装置内表面传热系数与外表面传热系数相等，内部空间温度与温室内气温相等，由此可得出模面装置表面综合温度为

分析式（2）可知，在日间，模面装置表面综合温度（图1）是其表面吸收的太阳辐射热量及表面的换热量之间达到平衡所取得的温度，它实质上就是室内气温与另一附加温度的总和，这一附加温度与模面装置表面的太阳辐射具有相同的效果。在夜间，由于模面装置表面未接收到太阳辐射照度，其表面综合温度接近于室内气温。

1.2 控制策略原理

本文提出的控制策略为利用模面装置表面综合温度与蓄热水池内水温之间的差值控制日间集热运行，利用表面综合温度控制夜间放热运行。

集热控制策略可表示为

式中wt为蓄热水池内水温，℃；c为某一设定的集热启动时模面装置表面综合温度与蓄热水池内水温之间的差值，正值，℃。

由于中空板集热器壁面较薄（0.5 mm），热惯性很小，因此，其集热运行可视为稳态过程根据能量平衡可知，中空板集热器输出的热量（系统的集热量）等于集热面吸收的太阳辐射热量减去通过集热面和朝墙侧壁面向周围环境的散热量，即

式中c为中空板系统的集热流密度，W/m2；c为中空板表面温度，℃；cb为中空板朝墙侧壁面的外壁温度，℃；ab为中空板保温面与北墙之间的气温，℃；b为保温板的导热系数，橡塑海绵保温板导热系数取0.034 W/(m·℃)；b为保温板厚度，m。

中空板壁面较薄（0.5 mm），导热热阻小（0.002 5 m2·℃/W），且板内表面与水之间的对流换热系数较大（227.4 W/(m2·℃)[24]），因此，可用板内水温代替板集热面和朝墙侧壁面的外壁面温度。另外，假设板后气温与室内气温相等。由此可得出集热流密度为

式中cw为中空板内水温，℃。

对比分析式（2）和（5）可知，模面装置表面综合温度略低于中空板集热器表面综合温度，这主要是由中空板集热器朝墙侧的保温板的热阻（10 mm厚橡塑海绵保温板的导热热阻为0.294 1 m2·℃/W）导致的。若朝墙侧的壁面未覆盖保温板，则二者相等。因此，模面装置表面综合温度基本能够表征水循环太阳能集热器的表面综合温度，从而，反映出其表面的可集太阳余热。

对比分析式（3）和（5）可知，模面装置表面综合温度与蓄热水池内水温之间的差值接近于中空板集热器表面综合温度与板内水温之间的差值，因此，提出的集热控制策略较为合理，利用该控制策略可使水循环太阳能利用系统在合适时机集热。

在集热启动时机的选择即温差设置上，需要考虑3方面因素：1）必须保证进入集热器的水流能够吸热，即集热器内水温低于集热器表面综合温度，因此，需要考虑集热器内水温与蓄热水池内水温之间的差异、以及模面装置表面综合温度与集热器表面综合温度之间的差异所带来的影响；2）必须保证系统集热量大于水泵能耗，差值越大，集热能效比（Coefficient Of Performance，COP）越高，节能性越好；3）还应该考虑集热器表面与模面装置表面接收的太阳辐射照度之间的差异所带来的影响。这种差异体现在两方面：首先，由于集热器表面不同位置（尤其是沿高度方向）接收的太阳辐射照度存在差异，其表面综合温度也必然存在差异，而模面装置面积较小（图1），其表面综合温度无法反映出这种差异；其次，集热器表面的部分区域受到各种物体的遮阴影响，尤其当集热器安装在果菜栽培温室内，其表面不可避免地被植株严重遮阴，遮阴区域接收的太阳辐射照度将显著降低，这将导致这些区域的综合温度远低于模面装置表面综合温度。在实际应用中，应探索设置一个适当高的模面装置表面综合温度与蓄热水池内水温之间的差值，以兼顾集热、能耗和遮阴等因素，实现系统在日间运行阶段一直处于热量收集状态，且具有较好的节能性。

放热控制策略可表达为

式中rs为某一设定的放热启动时的模面装置表面综合温度值，正值，℃；r为某一设定的放热启动时的模面装置表面综合温度与蓄热水池内水温之间的差值，负值，℃。

放热控制策略实质上是利用夜间模面装置表面综合温度表征室内气温，从而，根据室内气温控制系统的放热运行。在运行中，蓄热水池内水温必须高于模面装置表面综合温度，以避免出现系统从温室内吸收热量的情况。

2 系统运行控制程序

利用模面装置表面综合温度实现温室水循环太阳能利用系统高效节能运行的控制程序，如图2所示。

在自动控制系统中，设置某一综合温度与水温的差值（c，设置为正）作为集热启动条件，设置某一综合温度值（rs）及某一综合温度与水温的差值（r，设置为负）作为放热启动条件。另外，可设置双边控制精度，以保持集放热运行的稳定。

当自动控制系统监测到综合温度与水温之间的差值达到或超过设置的温差值的高值（ch），或监测到综合温度等于或低于设置的综合温度值的低值（rsl）且综合温度与水温之间的差值等于或低于设置的温差值的低值（rl），控制水泵启动运行，使蓄热水池内的水不断流过集热器，进行热量的收集或释放。

注：Tch和Tcl分别为集热设置的综合温度与水温之间差值的高值和低值；Trsh和Trsl分别为放热设置的综合温度的高值和低值；Trh和Trl分别为放热设置的综合温度与水温之间差值的高值和低值。

当自动控制系统监测到综合温度与水温之间的差值低于设置的温差值的低值（cl），或监测到综合温度高于设置的综合温度值的高值（rsh），或综合温度与水温之间的差值高于设置的温差值的高值（rh），关停水泵，结束集热或放热。

3 试验设计

3.1 试验系统

试验测试所用的中空板系统[20-22]安装在一栋位于北京郊区的日光温室内（温室详情见文献[20-22]）。系统主要包括中空PC板（集热器核心部件）、蓄热水池、模面装置、模面温度传感器（监测模面装置表面综合温度）、水温传感器（监测蓄热水池内水温）、潜水泵和自动控制系统。20块双层结构的中空PC板安装于北墙内表面，板高2.11 m，宽2.00 m，厚10 mm。朝阳面涂抹黑色水性调和漆；朝向北墙的表面粘贴10 mm厚橡塑海绵保温板。蓄热水池使用黏土砖砌于温室内部地下，水池体积为15.40 m3（4.26 m×2.26 m×1.60 m），有效容积为13.48 m3。水池内放置额定流量为10 m3/h，额定功率为750 W的潜水泵。模面装置（0.40 m×0.25 m）固定于北墙内表面沿中空板集热器高度方向的中部位置（图1），其表面综合温度采用1根T型热电偶（上海南浦仪表厂，精度：±0.5 ℃）测定。蓄热水池内水温同样采用1根T型热电偶测定，其端部做防水处理，布置在水池井口附近的垂直方向上，从水池液面到池底的中部位置。2根热电偶和潜水泵均连接到自动控制系统，形成一套自动测控系统。

3.2 运行设置

试验时间为2018年2月1-22日。本研究中，定义从09:00到次日09:00为1 d，因为一个完整的中空板系统集放热周期涉及系统在日间收集并存储室内太阳能热量，在夜间到次日早晨将日间集热量释放到温室内的全过程。为对比分析不同控制策略下的太阳能集放热效果，选取典型的晴天、多云天和阴天（2月3日、8日和17日），且系统处于典型工作状态（初始集热水温：19或20 ℃）下收集的数据，开展系统热性能分析。在此期间，系统的运行控制模式：在日间，当模面装置表面综合温度与水温之间的差值达到或超过5 ℃时，启动集热；在夜间，当模面装置表面综合温度降至15 ℃，且低于水温2 ℃及以上时，启动放热。为使放热加温过程稳定，设置综合温度控制精度为0.4 ℃，即在综合温度降至14.6 ℃时，启动放热，直至综合温度升至15.4 ℃时，结束放热。

4 测试方法与数据分析

中空板集热器接收的太阳辐射照度采用4台太阳总辐射传感器（CMP3，Kipp & Zonen，荷兰，精度：±15 W/m2；HOBO S-LIB-M003，Onset Computer Corp.，美国，精度：±10 W/m2）测定，其均安装于温室北墙内表面，辐射感受平面平行于集热器表面。系统内水温均采用端部做防水处理的热电偶测定。其中，蓄热水池内水温采用5根热电偶测定；进水温度采用2根布置于供水总管内的热电偶测定，回水温度采用2根布置于回水总管内的热电偶测定。温室内气温采用10根T型热电偶测定，加装传感器的位置，如图3所示。CMP3太阳总辐射传感器和热电偶连接到2台CR1000数据采集器（Campbell Scientific，Inc.，美国），采集器以10 s时间间隔采集数据并记录每60 s的平均值。HOBO太阳总辐射传感器连接到1台HOBO小气象站数据记录器（H21-002），采样间隔和记录间隔设置与CR1000数据采集器的相同。模面装置表面的热图像采用红外热像仪（Testo 872，Testo SE & Co. KGaA，德国，精度：±2 ℃）拍摄。

系统的集热量和集热阶段的COP的计算式为

式中c为系统的集热量，J；COPc为系统在集热阶段的能效比；Δw为蓄热水池内水温的变化量，℃；w为蓄热水池的有效容积，m3；w为水的比热容，取4 187 J/(kg·℃)；w为水的密度，取1 000 kg/m3；wp为潜水泵功率，W；Δc为集热时长，s。

注：Is1～Is4为集热器表面不同位置接收的太阳辐射照度，W·m-2；taw1～taw5和tae1～tae5分别为东、西侧温室不同位置的气温，℃；twt1～twt5为蓄热水池内不同位置的水温，℃。集热器表面的太阳辐射照度利用Is1～Is4求取平均值获得（Is1～Is3采用3台CMP3太阳总辐射传感器测量，Is4采用1台HOBO太阳总辐射传感器测量）；温室内气温利用tae1～tae5和taw1～taw5求取平均值获得；蓄热水池内水温利用twt1～twt5求取平均值获得。

中空板集热器接收的太阳辐射总量s（J）为

式中s,i为中空板集热器在第时刻接收的太阳辐射照度，W/m2；c为中空板面积，m2；0为集热起始时刻，s；τ为集热结束时刻，s；Δτ为数据采集器记录数据的时间间隔，s。

5 结果与分析

5.1 集热控制策略对比分析

在日间，天气条件对模面装置表面综合温度影响显著。同一时刻下，晴天综合温度（图4a）明显超过多云天（图4b）和阴天综合温度（图4c）。晴天最高综合温度达到59.9 ℃，远超过多云天和阴天的最高综合温度（分别为47.2和35.0 ℃）（表1）。这说明不同天气条件下集热器表面的热状况差异显著。集热期间，晴天中空板集热器接收的太阳辐射总量（577.6 MJ）是多云天的2.0倍（294.0 MJ）、阴天的6.4倍（90.2 MJ）；晴天的集热量（404.1 MJ）是多云天的1.8倍（225.9 MJ）、阴天的6.4倍（62.7 MJ）。

注：ta为温室内气温，℃；tsd为模面装置表面综合温度，℃；twt为蓄热水池内水温，℃；Is为集热器表面的太阳辐射照度，W·m-2。在图b中，系统于08:24被手动关停，以节省能源。

理想的集热控制策略应该考虑天气因素。设定时间点的控制方式显然不够理想，因为不同天气条件下，集热时间差异很大。在晴天，太阳辐射较强，可集太阳余热通常出现得较早，若按固定时刻启动系统，极易出现过晚启动的问题。当然，若启动时间设置得过早，也会出现过早启动的情况。另一方面，由于晴天太阳辐射条件较好，蓄热水池内的水温通常上升较快，尤其在初始水温较低时，温升速率更大，因为低温的水除吸收太阳辐射热量外还可从室内空气中吸收大量的对流热量。所以，晴天的集热结束时间不仅与太阳辐射有关，还与初始的蓄热水池内水温密切相关。若按固定时刻关停系统，会因为初始水温的高低而出现结束过晚或过早这两方面的问题。中空板系统在晴天（集热期间的平均太阳辐射照度：297 W/m2）且初始水温为19.3 ℃的条件下集热时间段为08:55-15:19（表1）。若系统在铝合金集热板系统[9]采用的09:00-16:00内运行，则会出现启动略迟、结束较迟的问题；在阳光板系统[7]采用的10:00-15:00内运行，则会出现启动过迟、结束略早的问题（少集热1.4 h）；在金属膜系统[6]采用的保温被打开到关闭的时间内（2月3日试验温室保温被卷放时间：08:05-16:11）运行，则会出现启动过早、结束过晚的问题（无效运行1.7 h）。显然，在晴天，设定时间点控制系统的集热，不利于集热量的提高。

表1 中空板系统逐日集热性能统计

注：Δc为集热时长，min；s为集热器接收的太阳辐射总量，MJ；c为系统的集热量，MJ。

Note: Δcis the time duration of heat collection, min;sis the total quantity of solar radiation received by the collector, MJ; andcis the quantity of collected heat, MJ.

在多云天和阴天，设定时间点的控制方式将会出现更多的问题。尤其在阴天，太阳辐射很弱，集热时间很短（2.5 h，见图4c和表1），甚至出现无法集热的情况[22]，无论设定何种时间点控制系统的集热，都将导致长时间的无效运行，存在严重的电能浪费，甚至损失系统中原蓄积的热量。柯行林等[18]也指出设定时间点控制集热的方式导致双黑膜系统在阴天出现日间放热的现象，这是因为阴天温室内气温较低，出现水温高于气温的情况。

利用温度进行集热时机的判断显然更加合理，但是，基于室内气温的集热控制方式，虽然考虑了天气条件的因素，但是，会因为室内气温与集热器表面的可集太阳余热之间的不同步而使系统浪费一些集热时机。在集热初始阶段，有时，室内气温虽较低，但集热器表面已有较强的太阳辐射照度，如根据气温判断，系统的运行将推迟，不利于集热量的提高。由图4和表1可知，无论是晴天、多云天还是阴天，在集热初期，室内气温均较低，远没有达到屋架管网系统[13]设定的20～22 ℃的启动值，但是，采用基于模面装置表面综合温度的控制策略，中空板系统却处于集热阶段。根据系统进回水温度分析可知，在该时间段内，回水温度一直高于进水温度，即系统处于集热状态。以晴天的集热初期为例，假设集热启动气温设置为20 ℃，则在08:55-09:30时间段内，室内气温在14.6～19.8 ℃之间，系统并不运行。而事实上，在此期间，集热器表面的太阳辐射照度已较高（193～339 W/m2），系统不仅能够收集热量（31.8 MJ），而且，集热量远大于能耗，集热COP达20.2。

基于室内气温的集热控制方式，还会出现系统无效运行而浪费电能的情况。在集热末期，有时室内气温虽较高，但集热器表面的太阳辐射照度已较弱，如根据气温判断，系统的停止将推迟，导致无效的运行与能耗。当中空板系统在多云天和阴天结束运行时，室内气温仍较高（分别为23.7和21.8 ℃），但是，集热器表面的太阳辐射照度已较低（分别为47和45 W/m2）。若采用屋架管网系统[13]设定的20 ℃集热运行气温，系统仍将无效运行一段时间：多云天为0.7 h（结束时刻：15:06；太阳辐射照度：18 W/m2）、阴天为2.4 h（结束时刻：15:16；太阳辐射照度：34 W/m2）。另外，在阴天的集热中期，系统也可能出现无效运行的问题，因为在阴天条件下，集热器表面有时受到云层严重遮挡，导致其接收的太阳辐射照度剧烈地下降，系统出现间断集热的情况（图4c），而期间的室内气温则变化幅度较小，若采用气温的控制方式，系统将处于运行状态。

分析式（2）可知，相比于利用室内气温的控制方式，利用模面装置表面综合温度的集热控制方式实质上就是将太阳辐射引起的附加温度考虑到集热控制中。这种控制方式能够更准确地反映出集热器表面的热状况。

此外，相比于气温和时间控制方式，本文提出的集热控制策略的优越性还体现在对水温因素的考虑上：在水温较低时，提早启动系统的集热运行，在水温较高时，提前结束系统的集热运行，以避免因为水温的高低而使系统产生集热不充分或无效运行这两方面的问题。由图 4a可知，在中空板系统在晴天结束集热时，虽然集热器表面还有较高的太阳辐射照度（78 W/m2），其远高于多云天和阴天结束集热时的太阳辐射照度（分别为47和45 W/m2），但是，由于此时的水温已较高（26.4 ℃），其与模面装置表面综合温度（31.3 ℃）之间的差值已经无法满足集热运行设置的条件，系统将提前结束集热。

综上分析可知，本文提出的集热控制策略，即利用模面装置表面综合温度与蓄热水池内水温之间的差值控制水循环系统，与现有的基于设定时间点或室内气温的控制方式相比，能够更准确地判断集热时机，从而，以更低的能耗实现更高的集热量。

5.2 放热控制策略对比分析

对于温室空间加温来说，利用室内气温控制系统的放热运行显然比设置时间点更合理。根据理论分析，模面装置表面综合温度在夜间与室内气温接近。利用模面装置表面综合温度的放热控制方式与利用室内气温的方式本质上是相同的放热控制策略。但是，其表面综合温度略高于室内平均气温（图4），这主要是由于日光温室在跨度方向存在一定的温差，北墙附近的气温会略高，而由于模面装置安装于北墙上，其夜间的表面综合温度接近于北墙附近的气温。在设置放热启动温度时，应适当提高温度值，以获得更理想的室内整体气温水平。

虽然这两种方式本质上是相同的放热控制策略，但是，相比之下，利用表面综合温度的控制方式仍然具有一定优势。上午，在保温被打开后，室外气温较低，且太阳辐射较弱，室内气温通常出现一段时间内的持续下降，无论是采用表面综合温度或是室内气温的控制方式，系统都会出现短时间内的无效放热运行。但是，由于表面综合温度受太阳辐射直接影响，其能够快速地响应太阳热能的变化而升高较快，而室内气温则因为对太阳热能变化响应较慢而升高较慢（图4），利用室内气温的放热控制方式会使系统存在更长时间内的无效运行和热量浪费。如在晴天，保温被打开时间为08:04，合理的放热控制策略应在此时停止中空板系统的放热运行，以避免热量浪费，而采用表面综合温度放热控制策略下的系统停止时间为08:17。若采用室内气温控制方式的话，则系统停止时间为09:01。系统在利用气温控制方式下比利用表面综合温度控制方式多无效运行0.7 h。尽管如此，系统的无效运行仍未完全避免。下一步研究中，应在放热结束时间的确定上考虑保温被的打开时间：在保温被打开后，及时关停系统，以避免不必要的热量浪费和电能消耗。

6 讨 论

理论分析和试验结果均表明将提出的集放热控制策略运用到中空板水循环太阳能集放热系统中能够更准确地判断运行时机，从而实现良好的太阳能利用效果，这主要是由于该控制方式综合考虑了太阳辐射、室内气温和系统内水温等因素。系统在不同天气条件下均显示出高效收集太阳能的能力，并且，在集热期间，还有效地避免了无效运行和能量浪费，而系统无论是采用时间控制还是室内气温控制都存在日间开启时放热的现象[9]。因此，将提出的模面装置及利用模面装置表面综合温度实现的集放热控制策略运用到同类型系统中，预计可进一步挖掘这些系统在利用太阳能和节约能源方面的潜力，实现更好的技术性能。另外，集热控制策略也适用于强迫循环型太阳能热水系统。

但是，目前的控制策略仍存在一些不足之处，有待进一步优化，以实现更理想的集放热性能。在集热控制策略方面，本文方案下实现的模面装置日间表面综合温度与运行中的集热器表面综合温度仍然存在一定的差异。下一步研究中，可考虑对模面装置进行改造：仅保留模面装置涂黑的单壁面，并在壁面朝墙侧粘贴与集热器使用的材质及厚度相同的保温材料，且将新模面装置悬挂于北墙内表面沿集热器高度方向的中部位置。根据理论分析可知，此改造方案下获得的模面装置表面综合温度将更接近于中空板集热器表面综合温度，从而能够更加合理、更加有效地利用模面装置表面综合温度来控制系统的集热运行。在其他系统的模面装置的构造方案及安装方式上，也应尽可能地贴近于集热器的形式，从而，让模面装置能够更准确地反映出集热器表面热状况，即实现模面装置表面综合温度更加接近于集热器表面综合温度，以此实现更优的系统集热性能。

在放热控制策略方面，目前采用的是在夜间设置恒定温度对温室进行放热加温。这种控制方式存在两方面的不利影响。首先，从作物对夜间温度需求的角度来说，前半夜为促进同化产物的运转速度需要稍高的温度，而后半夜为抑制呼吸作用的消耗需要稍低的温度。显然，采用恒温管理方式不利于作物的生长。未来可考虑在放热中采用变温管理：前半夜设置稍高的加温温度，后半夜设置稍低的加温温度，从而，为作物生长创造出更适宜的温度环境。另外，从太阳能热量利用角度来说，由于太阳能的能流密度较低，同时其还具有间歇性和不稳定性，太阳能系统，与化石燃料燃烧系统相比，产热量不高，且受天气条件影响大。收集的太阳能热量很难在整夜维持较高的恒定的室内温度。尤其在遇到连阴数天后，系统中蓄积的热量通常都难以维持作物生长所需的最低温度。若在夜间采用变温方式进行放热管理，不仅比恒温方式节约能量，而且能够更加合理地利用太阳能热量，让收集的有限的热量得到高效利用。下一步研究中，需要结合不同作物的夜间温度需求开发更理想的放热控制策略。

7 结 论

1）针对目前温室水循环太阳能利用系统无法在合适时机集热的问题，开发模面装置，基于其表面综合温度提出高效节能控制策略。理论分析表明，其日间表面综合温度是表面吸收的太阳辐射热量及表面的换热量之间达到平衡所取得的温度，它能够反映集热器表面的可集太阳余热。利用该温度与蓄热水池内水温之间的差值可较准确地判断水循环系统的集热时机。夜间表面综合温度接近于室内气温，利用该温度进行放热控制的方式实质上就是利用室内气温的方式。

2）试验结果表明，在日间，天气条件对模面装置表面综合温度影响显著。中空板水循环太阳能利用系统在晴天的模面装置表面综合温度最高达到59.9 ℃，远超过在多云天和阴天的最高综合温度（分别为47.2和35.0 ℃）。系统在基于综合温度提出的集热控制策略下获得的晴天的集热量（404.1 MJ）也远超过多云天和阴天的集热量（分别为225.9和62.7 MJ）。而根据设定时间点控制系统的集热运行，在晴天，出现少集热（1.4 h）或无效运行（1.7 h）等问题，在多云天和阴天，出现长时间的无效运行。根据室内气温进行控制，浪费集热时机：集热初期，太阳辐射较强，系统本可收集热量（31.8 MJ），且集热量远大于能耗，集热COP达20.2，但由于室内气温较低，并不运行；集热末期，还出现短期无效运行（多云天为0.7 h；阴天为2.4 h）。

由试验结果可知，本研究提出的集热控制策略更加高效节能。另外，基于表面综合温度的放热控制也由于综合温度能够快速地响应太阳热能的变化而缩短系统无效运行时间。将该控制策略运用到同类型系统中，可进一步挖掘这些系统在太阳能利用和节能方面的潜力，实现更好的技术性能。

进一步优化控制策略以实现更理想的集放热性能：改进模面装置的构造及安装以更准确地反映集热器表面的热状况；探索基于作物生长所需的适宜温度环境进行变温管理的放热控制策略，实现热量的高效利用。

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High-efficiency and energy-saving control strategy for the water-circulating solar energy system in the greenhouse

Xu Weiwei1, Ma Chengwei2, Sun Hao3, Liu Yiwei4, Cheng Ruifeng1, Zhang Yi1※

(1.,,100081,;2.,,100083,;3.,,518060,;4..,.,100043,)

A water-circulating solar energy system has been widely used in the field of greenhouse heating. But, real-time heat harvesting is still lacking in the arrangement of time points or indoor air temperature. It is a high demand to consider the thermal condition of the collector surface in the current operation control system. This study aims to explore the high-efficiency and energy-saving operating system. An intelligent control device was first developed for solar heat collection and release. A simulation was then performed on the appearance and condition of the water-circulating solar collector (also as the heating radiator) without the impact of water flow. A new control strategy was finally proposed using the simulating device. Specifically, the difference between the surface sol-air temperature and the tank water temperature was utilized to control the daytime heat collection, whereas, the surface sol-air temperature was to control the nighttime heat release. A theoretical analysis was also implemented to verify the control strategy. The surface sol-air temperature of the device surface in the daytime was used to reveal the collectible excess solar heat on the collector surface. As a result, the balance was achieved between the solar radiant heat absorbed by the surface and the heat exchanged between the surface and the internal environment, and between the surface and the greenhouse environment. Thereby, the control strategy accurately enables heat collection at the right time. The sol-air surface temperature at night was closely related to the indoor air temperature. Correspondingly, heat-releasing control was essential using indoor air temperature. The field tests were carried out to investigate the solar heat collection and release effect of the control strategy applied to the water-circulating solar energy system with an indoor collector (as a heating radiator during nighttime) constructed of hollow polycarbonate sheets. And a comparison was also made with the existing control strategy capability. During daytime, weather conditions had significant influence on the surface sol-air temperature. The maximum temperature reached 59.9 ℃on a sunny day, much higher than those on cloudy and overcast days (47.2 and 35.0 ℃, respectively). The heat collection on a sunny day (404.1 MJ) was also much higher than those on cloudy and overcast days (225.9 and 62.7 MJ, respectively). Obviously, the setting time points led to some issues for the heat collection control, such as less heat collection (1.4 h) or ineffective operation (1.7 h) on a sunny day, and long-term ineffective operation on cloudy and overcast days. The control system of indoor air temperature also missed some heat collection opportunities, due to the low air temperature. Particularly, the heat (31.8 MJ) needed to be collected for a significant energy saving (coefficient of performance: 20.2) in the early stage of heat collection with the strong solar radiation. Besides, the short-term ineffective operation often occurred (0.7 and 2.4 h on cloudy and overcast days, respectively). By contrast, the new control strategy of heat collection was achieved in the higher heat collection with the lower energy consumption. The heat release control also performed better to reduce the ineffective operation time, due to the rapid response of surface sol-air temperature to exchange in solar thermal energy. The control strategy was also applied in the water circulation systems, in order to tap the harnessing potential of solar energy and saving energy. Besides, the heat collection control strategy can be expected to apply in forced-circulation solar water heating systems. The control strategy can be further optimized for the more ideal heat collection and release. The finding can provide the technical reference to improve the structure and installation of the simulating device in the temperature change management of heat release.

solar energy; greenhouse; solar collector; control strategy; surface sol-air temperature; excess solar heat

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.016

S214.3；S625.4

A

1002-6819(2022)-22-0149-09

徐微微，马承伟，孙昊，等. 温室水循环太阳能利用系统高效节能控制策略[J]. 农业工程学报，2022，38(22)：149-157.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.016 http://www.tcsae.org

Xu Weiwei, Ma Chengwei, Sun Hao, et al. High-efficiency and energy-saving control strategy for the water-circulating solar energy system in the greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(22): 149-157. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.016 http://www.tcsae.org

2022-08-29

2022-11-09

国家重点研发计划战略性科技创新合作专项（2020YFE0203600）；中央级公益性科研院所基本科研业务费（Y2021PT04）；国家自然科学基金项目（31901421）；现代农业产业技术体系建设专项资金项目（CARS-23-D02）

徐微微，博士，研究方向为温室太阳能热利用技术与装备。Email：xuweiweilaugh@126.com

张义，博士，研究员，研究方向为设施园艺环境工程。Email：zhangyi03@caas.cn