日光温室主动蓄放热系统热过程模拟与参数优化研究

毛尔晔,张潇丹,颉建明,马 宁,常有麟,胡世莲

(甘肃农业大学 园艺学院,甘肃 兰州 730070)

日光温室具有经济效益高、土地利用率高、节水省肥和作物栽培环境可控等特点,备受生产者欢迎[1-2]。日光温室独特的北墙结构是其区别于其他温室类型的主要特征之一,它通过白天蓄积温室中富余的能量,夜间向室内释放热量,维持温室温度,为作物生长创造适宜的温度条件[3-4]。

然而,由于设计参数、墙体材料及结构、建造方式、使用年限等原因,一些日光温室的墙体蓄放热能力十分有限,墙体在白天蓄积的热量无法满足夜间作物正常生长的温度要求,许多温室存在夜间低温冷害,甚至冻害的问题[5-7]。为日光温室设计配套的夜间加温设备有助于其向寒冷地区的推广应用。利用太阳能为日光温室进行加温是近几年的一个研究热点。冬季北方地区到达日光温室北墙表面的太阳辐射能仅有约20%～30%可以被墙体吸收并有效地释放回温室中[8]。提高温室对太阳能的利用效率,利用太阳能为日光温室进行夜间加温有广阔的研究和应用前景。水是自然界比热容较大的物质,具有廉价易得、安全环保、物理化学性质稳定的优点,是能满足太阳能热储存一般要求的最佳液体材料[9]。有学者将太阳能和水结合,研制出了用于冬季夜间为日光温室加热的主动式水循环蓄放热系统。张义等[10]设计了一种三层膜水幕帘太阳能主动蓄放热系统,当外界气温低至-12 ℃时,该装置仍可保证温室气温高于16.3 ℃。方慧等[11-12]研究了使用双黑膜PE板和金属膜作为系统集热器时水循环系统的加热效果,结果表明,金属膜集/放热装置性能最优,可提高夜间温室最低温度2.4 ℃,相比电加热节能72.6%。李一明等[13]对比了太阳能水介质蓄放热系统、传统砖墙和空苯板箱的蓄放热性能,发现水介质蓄放热系统建造成本低,运行效果好,可以显著改变温室内作物生长环境。艾则麦提·图尔洪等[14]研究了网状集散热水循环系统加热对温室温度变化的影响,结果表明,晴天水循环系统可提高温室夜间平均温度1.7～2.1 ℃,且相比燃煤热风炉加热年节约成本11 914.13元。太阳能主动蓄放热加温方式可以充分利用太阳能资源,有助于提高太阳能利用效率、发挥日光温室节能特征、提升日光温室综合生产性能[15]。然而,现有关于日光温室太阳能主动式水循环蓄放热系统的研究,其初始设计参数大多基于简单计算确定。储热装置的体积和循环水泵的流量依据温室对热量的需求和集放热装置对水量的需求估算确定,导致初代系统对太阳能的利用率较低。

本文设计了一种简易的主动式水循环蓄放热系统,设计了系统单元运行试验,通过模拟其运行时热量的转移过程构建了数学模型。利用模型,基于兰州地区日光温室冬季生产环境条件,优化了系统的设计参数,提升了系统集放热效率,为兰州地区EPS装配式日光温室冬季夜间辅助加温系统设计参数的确定提供了数据参考。

1 材料与方法

1.1 主动蓄放热系统设计及工作原理

试验设计的太阳能主动蓄放热系统由集/放热器、供回水管路(主、支管)、蓄热水箱、循环水泵、控制器组成。系统基本工作原理为:日间,水循环系统与太阳能集热器进行能量交换,将太阳能以热能的形式储存于蓄热水箱;夜间,储存的热能通过循环水从蓄热水箱送至放热器,进行温室加温。

系统结构如图1、图2所示。集/放热器采用不锈钢材料,集/放热单元面积为2.27 m2。蓄热水箱有效体积为0.288 m3,外表面使用10 cm厚聚苯板包裹做保温隔热处理。供回水管道采用PVC管件,主管、支管管径分别为30 mm和16 mm,管道均做隔热处理。循环水泵功率为0.37 kW,额定流量1 m3·h-1,使用控制器控制循环水流量。

1,集/放热装置;2,蓄热装置;3,供水管路;4,回水管路;5,支管;6,水阀;7,水泵;8,出水孔;9,水流;10,挡板。1, Heat collector/releaser; 2, Heat storage device; 3, Water pipes; 4, Return line; 5, Branch pipe; 6, Water valve; 7, Water pump; 8, Water outlet; 9, Water flow; 10, Baffle.图1 主动式水循环蓄放热系统结构图Fig.1 Structure of the active water circulation heat storage and discharge system

图2 主动蓄放热系统单元实物图Fig.2 Physical picture of the active heat storage and discharge system unit

该水循环蓄放热系统的简易性体现于集/放热单元为不锈钢金属扁盒,高度2.05 m,宽度1.105 m,厚度3 cm。应用于日光温室时,集/放热器安装于温室后墙内表面,用于集取/释放太阳能的集/放热表面为金属盒暴露于室内空气中的南向表面。集/放热表面外侧喷涂黑色亚光油漆。其他表面包裹10 cm厚聚苯板作隔热处理。此时,除集/放热表面,其他表面均可视为绝热表面。

供水支管贯通金属盒顶部,支管上间隔2 cm排列孔径1 mm的小孔,通过循环水泵运转使各小孔形成向下30°的均匀射流,喷射至集/放热表面内侧,射流与集/放热表面形成60°夹角。为保证多股射流在集/放热表面内侧形成均匀水膜,在盒内供水支管下方1 cm设置一道与集放热表面呈60°夹角的金属挡板,挡板上侧固定于金属盒绝热表面,下侧边缘与集放热表面间距1 mm,挡板、支管,及集/放热金属盒相对位置如图1-B、C所示。

1.2 主动蓄放热系统运行模型构建

太阳能主动蓄放热系统通过水循环实现能量时空转移。水循环过程涉及集/放热器、供回水管路及蓄热水箱3个模块。由于供回水管路均做隔热处理,水对能量的集取与耗散发生于集/放热器和蓄热水箱,因此,该太阳能主动蓄放热系统运行模型由集/放热器能量收支方程与蓄热水箱能量收支方程组成。

金属盒集/放热器内部的水通过对流与集热表面内侧进行热交换,这部分热量来源于集热表面外侧的综合得热,包括太阳辐射的热、长波辐射的热及集热表面与外界空间之间的对流换热。因此,一段时间Δt内,集/放热器的能量收支可以表述为:

(1)

对于蓄热水箱,能量发生变化的途径是循环水的流入和流出,在宏观上体现为箱内水温的变化,因此,Δt内水箱的能量收支可以表述为:

(2)

式(2)中:Ttank,out,(t+Δt)为(t+Δt)时刻从集热器流入蓄热水箱的水的温度,℃;Ttank,in,t为t时刻蓄水箱中的进水温度,℃;Mtank为蓄热水箱中水的总质量,kg;Ttank,t为t时刻蓄热水箱内的水温,℃。由于供回水管路均隔热良好,因此,一次循环中,水箱的进水温度和出水温度分别等于集放热器的出水温度和进水温度。

对于集放热表面,由于其厚度仅为0.7 mm,且不锈钢材料具有较大导热系数(16.2 W·m-1· ℃-1),因此可忽略其储能作用。在此情况下,集/放热表面始终处于能量平衡,其温度可通过外界环境因子和集热器内部循环水热状况计算[18]:

(3)

式(3)中:It为t时刻垂直到达集/放热表面的太阳辐射强度,W·m-2;Tin,t为t时刻系统周围环境温度,℃;Tp,in,t和Tp,out,t分别为t时刻集/放热器的进水温度和出水温度,℃;hin为集/放热表面内侧传热系数,可通过下式计算:

(4)

式(4)中:kw为水的导热系数,W·m-1·℃-1;L为集/放热单元的高度,;Nu为集/放热表面内侧水层的努塞尔数[19-20]:

(5)

式(5)中:vf为水幕流速,m·s-1;ρ为水密度,kg·m-3;u0为水动力黏度,pa·s;Pr为普朗特数。

已知系统配备的循环水泵流量(集/放热器循环水的体积流率),可推出集热器内的水幕流速和质量流率:

(6)

(7)

式(6)、(7)中:V为集/放热器中循环水的体积流量,m3·s-1;w为集/放热器的宽度,m;d为集/放热器内表面水幕的厚度,m。

以一天内外界气温与太阳辐射作为周期性边界条件,假设主动式蓄放热系统的初始水温为10 ℃,以Δt=30 s为时间步长进行迭代,确定若干个周期内系统水温变化。当相邻周期的蓄热水箱内水温差值小于0.001 ℃时,可认为模型模拟结果与实际水温变化情况一致。

2 主动蓄放热系统运行模型验证与参数优化设计

2.1 系统模型验证

2.1.1 系统单元运行试验及数据测定

系统单元运行试验于2021年8月1日至2021年9月20日开展,测试单元搭建于兰州市安宁区甘肃农业大学,试验场所采光条件较好,除天气变化外无其他因素影响试验光照条件。

系统搭建过程中发现:当集/放热装置中循环水流量过小时,从支管小孔中喷射的水流将汇聚成股流下,集/放热表面内侧无法形成均匀水幕,导致太阳能利用效率降低。通过调节流量,确定使集/放热单元形成均匀水层的最小流量为0.23 m3·h-1。

采用Lascar Electronics公司生产的EL-USB-1-PRO 型温度数据自记仪测定蓄热水箱水温,EL-USB-2温湿度记录仪测定试验场所周围环境气温,测试时间间隔为5 min。使用LI-6400便携式光合测定分析仪测量垂直到达集/放热器表面的太阳辐射值,测试时间间隔为30 min。

2.1.2 模型验证

采用2022年8月26日(晴天)的测试数据验证主动蓄放热系统运行模型的准确性。图3为一天内蓄热水箱中水温变化的实测结果和模拟结果。预测值与实测值吻合良好,均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAPE)和决定系数(R2)分别为2.24 ℃、0.17%、0.88。本研究所建模型能够准确预测主动式水循环蓄放热系统运行过程中水温的变化情况。

图3 蓄热水箱水温实测值和预测值随时间变化曲线Fig.3 The curves of the measured and predicted water temperature of the hot water storage tank with time

2.2 系统参数优化

根据所建模型可知,蓄热水箱体积影响主动蓄放热系统的储热能力,而集/放热器内循环水的流速影响能量的汲取和释放速率。本研究初步设置的系统参数均是基于经验和简单计算确定[11],为了进一步提高太阳能利用效率,提升系统性能,利用所建模型,基于兰州地区冬春季节日光温室生产条件对系统蓄热水箱体积和循环水流量参数进行优化。

日光温室夜间低温阶段,主动蓄放热系统利用循环水泵将蓄热水箱中的热水运输至集热板,通过对流、辐射方式向温室空间供暖。当温室内夜间气温不低于10 ℃时,园艺作物可正常生长发育。同时,利用日光温室光环境模型计算兰州地区极端低温日(2022年1月31日)的日光温室室内太阳辐射[21-22],如图4为当日太阳辐射强度和气温变化情况,气温数据为实测数据,使用Lascar Electronics公司生产的EL-USB-2型温湿度数据自记仪测定。

图4 EPS日光温室室外气温和太阳辐射强度随时间变化曲线Fig.4 EPS solar greenhouse outdoor air temperature and solar radiation intensity with time curve

系统循环水流量和蓄热水箱体积是影响系统向温室空间放热的两个重要参数:系统循环水流量越大,夜间时段系统通过放热装置向温室空间释放热量的速度越快,即热流密度越高;而蓄热水箱体积的大小影响系统储存热量的多少。因此,基于上述环境条件,开展主动式水循环蓄放热系统模拟运行可以优化系统初始设计的经验参数。利用模型预测得到的集/放热装置表面温度,可计算该系统向温室空间放热的热流密度q:

q=hout(TS-Tin)。

(8)

系统以初始设计的经验参数运行时,夜间放热阶段集/放热器平均热流密度为229.11 W·m-2。改变初始设计的蓄热水箱体积(0.288 m3)开展模拟运行。图5-A为不同蓄热水箱体积下夜间时段集/放热器的平均热流密度。由图可知,当蓄热水箱的体积为0.13 m3时,集/放热器的热流密度最大,为237.84 W·m-2,即蓄热水箱最佳体积为0.13 m3。

图5 蓄热水箱体积(A)和系统循环水流量(B)对集/放热器放热阶段热流密度的影响Fig.5 Effect of hot water storage tank volume (A) and system circulating water flow rate (B) on heat flow density in the exothermic phase of the heat collector

蓄热水箱体积为0.13 m3时,改变初始设计的系统循环水流量0.23 m3·h-1,开展模拟运行。图5-B为不同循环水流量下夜间时段集/放热器的平均热流密度变化情况。由图可知,系统夜间平均放热密度随循环水流量增大而增大,且增大趋势逐渐变缓。系统循环水流量每增加0.1 m3·h-1,集/放热器平均热流密度只能增加0.22～0.38 W·m-2,增大循环水流量对集/放热器热流密度的影响较小,考虑到在实际生产应用中,循环水流量增大会导致系统日常运行成本增加,取0.23 m3·h-1为最佳流量。即当蓄热水箱体积为0.13 m3,系统循环水流量为0.23 m3·h-1时,系统性能最佳,夜间集/放热器平均热流密度为237.84 W·m-2,较初始设计增加3.81%。

2.3 系统性能分析

定义系统运行时白天蓄热水箱内储存的热能Q蓄和到达集/放热表面的太阳辐射能Q日之比为系统集热效率η集热:

(9)

式(9)中:ΔT升为一天内集热阶段水箱内水温的上升值,℃。

系统在夜间向温室空间释放的热能Q放和白天蓄热水箱中蓄积的热能Q蓄之比为系统的放热效率η放热:

(10)

式(10)中:ΔT降为一天内系统放热阶段蓄热水箱内水温的下降值,℃。

表1为优化前后主动式水循环蓄放热系统的集放热效率计算结果。由表可知,优化后系统蓄热效率为70.62%,放热效率为98.38%,较基于经验设计的系统的效率分别提高了4.29百分点和6.17百分点。

表1 优化前后集放热系统蓄放热性能对比Table 1 Comparison of heat storage and discharge performance before and after optimization of heat collection and discharge system %

3 EPS装配式日光温室加温方案设计

3.1 EPS装配式日光温室结构

EPS装配式日光温室具有易装配、低成本、建造周期短的优点,但蓄热保温性能较差,无法应对西北地区冬春季日光温室生产环境。利用所建模型,为EPS装配式日光温室设计主动式水循环蓄放热系统。EPS装配式日光温室位于甘肃省兰州市兰州新区农投集团蔬菜生产园区(36.73°N,103.27°E)。温室坐北朝南,长80 m,脊高4.6 m,跨度10 m,北墙高3.6 m,前屋面覆盖0.10 mm厚PO膜和5 cm厚保温被,保温被由防水防晒牛津布制作,外层为强拉力毡,内层为纤维头混纺保温毡,北墙和山墙使用50 mm聚苯乙烯泡沫板+150 mm混凝土+50 mm聚苯乙烯泡沫板建造,后屋面建筑材料使用150 mm厚聚苯乙烯泡沫板。该温室栽培模式为基质无土栽培,地面铺设20 cm厚蛭石。

3.2 温室热负荷及加温装置设计参数计算

日光温室的热量损失主要由冷风渗透热损失、围护结构热损失和地面热损失三部分构成,温室加温热负荷Q计算式如下[23-24]:

Q=Q1+Q2+Q3。

(11)

式(11)中:Q1为日光温室冷风渗透热损失,W;Q2为日光温室围护结构(墙体、棚膜、保温被、后屋面等)热损失,W;Q3为温室地面热损失,W。由于温室地面铺设20 cm厚的蛭石,蛭石导热系数为0.16 W·m-1·℃-1,是良好的保温隔热材料,因此温室地面热损失可忽略不计,即Q3=0。

温室冷风渗透热损失可由下式计算:

Q1=0.5KVN(Ti-T0)。

(12)

式(12)中:K为风力因子;V为温室空气体积,m3;N为温室内每小时换气次数,取0.2次·时-1;Ti为温室室内设定温度,℃;T0为温室室外实测气温,℃。

温室围护结构热损失可由下式计算:

(13)

式(13)中:uj为第j种围护结构的传热系数,W·m-2·℃-1;Aj为第j种围护结构的表面积,m2。

多层复合围护结构传热系数u的计算公式为

(14)

式(14)中:δi为第i层围护材料的厚度,m;λi为第i层围护材料的导热系数,W·m-1·℃-1;Hin为围护结构内表面的对流换热系数,取12.96 W·m-2·℃-1;Hout为围护结构外表面对流换热系数,取13.76 W·m-2·℃-1[25-26]。表2列出了计算用到的温室围护结构热工性能参数。

表2 温室围护结构的热工性能参数Table 2 Thermal performance parameters of greenhouse enclosure materials

极端低温日为日光温室供热需求最大的一天。2022年1月31日,兰州地区出现最低温-21.5 ℃,室外气温详细变化情况如图4温度数据所示。为了保证园艺作物的正常生长发育,需通过辅助加温将温室内夜间气温(16:30—次日10:30)最低保持在10 ℃。在此环境条件下,计算EPS装配式日光温室的夜间加温热负荷。图6为极端低温日温室夜间逐时热负荷计算结果,由图可知,极端低温日EPS装配式日光温室的夜间平均热负荷为26.7 kW。

图6 温室夜间逐时热负荷变化图Fig.6 Greenhouse night-time hour-by-hour heat load variation graph

根据优化后的系统参数和EPS装配式日光温室热负荷,可确定温室加温装置的设计参数。当蓄热水箱体积与循环水流量为0.13 m3和0.23 m3·h-1,系统单元夜间平均放热密度为237.84 W·m-2。因此,能够为EPS装配式日光温室生产创造适宜温度环境的集/放热装置面积为112.26 m2,集/放热单元数量为50个,蓄热水箱体积为6.5 m3,循环水总流量为11.5 m3·h-1。基于经验确定的系统参数在达到相同加热效果的情况下,需要的集/放热装置面积为116.54 m2,集/放热单元数量为52个,蓄热水箱体积为15.0 m3。以优化后的系统参数确定的温室加温装置比优化前减少2个集热单元,节省蓄热水箱体积8.5 m3,可至少节省温室加温成本2 275元(集/放热单元220元·m-2,蓄热水池150元·m-3)。

4 结论

主动式水循环蓄放热是高效利用太阳能的途径。本研究通过模拟主动式水循环蓄放热系统的能量传递过程,构建了系统运行模型;对基于经验设计的水循环蓄放热系统进行参数优化,提高了系统性能。结论如下:

1)所建模型能够准确预测主动式水循环蓄放热系统中水温变化。预测值与实测值的RMSE值为2.24 ℃,MAPE值为0.17%,R2值为0.88。预测结果与实测结果相符。

2)利用该模型优化主动式水循环蓄放热装置运行参数,可使夜间平均放热速率达237.84 W·m-2,较优化前提高了3.81%;集/放热效率分别达到70.62%和98.38%,较优化前分别提高了4.29百分点和6.17百分点。

3)为长80 m的EPS装配式日光温室设计冬季夜间辅助加温方案,可以确定能保证温室夜间平均气温不低于10 ℃装置设计参数为:集/放热器面积112.26 m2,集放热单元数量为50个,蓄热水箱体积6.5 m3,循环水总流量为11.5 m3·h-1。