PDF《节能日光温室蓄热技术研究进展》

1 节能日光温室研究现状 节能日光温室起源于中国辽南地区,具有完全的自 主知识产权,但作为一种温室形式,日光温室并不属中 国独有. 从2000 多年前开始的世界范围内的温室形式演 变史来看,早期依墙而建的单屋面温室就是目前日光温 室的雏形[1,8] ,国外学者对该类温室的光热环境、覆盖材 料开展了部分研究[9-11] .随着欧美日等发达国家的经济发 展,这种土地使用率较低的温室类型逐渐被淘汰,并转 向全光型温室[1] . 近年来, 中国节能日光温室的发展迅速, 其优良的保温蓄热性能得到国外学者的高度关注和研 究,印度学者 Sethi 等[12] 总结温室蓄热性能时,从节能角 度考虑,借鉴了日光温室的蓄热原理,在温室北面砌墙 并采用厚重材料作为蓄热体从而减少热量损失;

Nayak 等[13] 进行光伏/光热与温室结合的试验时,采用的温室即 为带后墙的类似中国日光温室的结构形式.土耳其学者 Ucar 等[14] 分析了建筑物外墙采用

4 种不同绝热材料的效 果,并认为可以作为温室外墙使用.伊朗学者 Mobtaker 等[15] 从能源需求的角度对当地

6 种温室类型进行了比较, 分析计算了维持植物理想温度所需的总能量并建立了数 学模型,结果表明,东西走向、北侧为砖墙的温室中所 需的额外能量最低,可节能 31.7%.加拿大学者为降低冬 季温室加温的能源消耗,早在

2005 年就引入了中国日光 温室建造于 Manitoba 地区(50° N,97° W) ,并测试该温 室在冬季的保温情况,结果表明在当地最冷的

2 月份, ・综合研究・ 农业工程学报(http://www.tcsae.org)

2018 年2室外平均气温为C13.1 ℃,室内夜间平均气温为 2.4 ℃, 后墙的日均蓄、放热量分别为

166、159 MJ,为维持室内 不低于

10 ℃的气温, 日均加温时长为

19 h[16] ;

Mahmood 等[17] 在日光温室内采用地下卵石床蓄热,并将猪舍的废 气通过净化后通往室内供应 CO2,以促进植物生长;

Ahamed 等[18] 建立了日光温室的热环境数学模型. 日本学 者畔柳武司[19] 提出了日光温室热环境模型的研究.韩国 学者 Kwon 等[20] 针对沿海地区风载较大的问题,设计了 类似日光温室结构形式的塑料大棚.中国学者总结了日 光温室的发展由来、建筑结构形式、光热环境与气候适 应性、历史性贡献、存在问题及产业前景,认为日光温 室作为具有典型中国特色、规模巨大的设施类型,一直 是中国温室园艺装备升级的重点[6,21-22] ,并对日光温室的 覆盖材料[23-25] 、建筑结构及材料[8,26-28] 、设施与装备[29-32] 、 保温蓄热性能[33-36] 、 环境监测及控制系统[37-40] 等进行了详 细的研究.

2 蓄热技术研究现状 节能日光温室的蓄放热示意图如图

1 所示,可实现 白天蓄热、夜间放热功能的结构有土壤、墙体和骨架, 但普通骨架结构自身的储热量很小,一般忽略不计.节 能日光温室的蓄热是通过结构、材料、设备的单一或协 同应用来最大化利用太阳能为室内提供热能.蓄热有被 动蓄热和主动蓄热

2 种形式,主动蓄热是以太阳能为能 量来源,以机械动力设备为手段,利用室内土壤、墙体、 骨架结构以及相变材料为热量吸收介质的一种热量蓄积 方式;

反之则为被动蓄热.主动蓄热与被动蓄热的能量 均来源于太阳,利用途径有

2 种,一是最大化利用室内 截获的太阳能或室内富余热量,一是利用室外的太阳能. 图1日光温室蓄放热示意图 Fig.1 Schematic diagram of heat storage-release in solar greenhouse 2.1 主动采光蓄热 日光温室的前屋面以平面为最佳,采光量最大,而 且光照分布最均匀[41] .为了使日光温室室内获得更多的 能量,张真和[42] 通过综合分析农业气象学和光学的研究 成果, 确定了冬至日正午时太阳光线投射角度为 50°时的 采光屋面角度是合理的采光屋面角度.陈端生等[43] 利用 数学方法模拟温室的采光屋面,得出了温室的采光屋面 最佳的坡度并不是一个定值,而应该随太阳高度角的变 化进行调整. 基于上述研究,张勇等[44-46] 设计了一种可变采光倾 角日光温室实现主动采光蓄热(如图