PDF《温室地下蓄热系统换热特性研究》

第19 卷第6期2003 年11 月农业工程学报Transactions of the CSAE Vol.

19 No.

6 Nov.

2003 温室地下蓄热系统换热特性研究 王永维 , 苗香雯 , 崔绍荣 , 梁喜凤 (浙江大学生物系统工程与食品科学学院 ,杭州 310029) 摘要:针对现行温室地下埋管式换热系统结构的缺点 ,为充分利用地下蓄热 ,提高地温和夜间环境温度 ,设计了一种新型 温室地下蓄热系统.测定了系统蓄热与放热时进出口空气温度、 湿度与换热管道出口处空气的流速.试验结果表明 ,温室 地下蓄热系统蓄热和放热时进口空气与出口空气的温度差、 焓差较大 ,其差值随系统运行时间降低 ,白天蓄热量与夜间释 放热量大于系统消耗的电能 ,蓄热时运行时间不宜大于 4.

5 h. 关键词 : 温室 ;

地下蓄热 ;

换热特性 ;

地下蓄热原理 中图分类号 : S625. 5+

1 文献标识码 : A 文章编号 :100226819(2003)

0620248204 收稿日期 :2003204221 修订日期 :2003207212 基金项目 :国家自然科学基金项目(50175101) 作者简介 :王永维 ,博士生 ,杭州 浙江大学农业生物环境工程研究 所,310029

1 引言在众多的环境因子中 ,温度对作物生长和产量的影 响最大[1] ,但调控温室温度能耗大是突出问题 ,欧洲用 于温室加热与制冷的能量大约占欧洲能源总消费量的 1.

5 %[2 ,3] ,其南部地区温室内平均每年每平方米栽培 面积消耗的电能相当 7.

5 L 石油的能量 ,加热系统使温 室的投资与运行费用增加了

30 %[2] ;

我国北纬 30° 、 40° 左右地区冬季加温能耗分别约占其运行总成本的

30 % ~40 %、

40 %~50 %[4] .所以 ,减少加热与降温能耗是 提高温室生产效益的重要途径.温室加温方法有锅炉 加温、 电热加温、 燃油加温器加温、 太阳能加温等[5] .地 下埋管式换热系统是温室地下蓄热加温的一种形式 ,已 在法国、 意大利、 加拿大、 希腊、 日本、 中国等国家进行研 究与应用[2 ,6] .马承伟等人研究表明 ,连栋温室地中热 交换系统夜间加温热流量为

60 W/ m2[6] ,K. Kurata 与T. Takakura 研究表明 ,太阳能季节贮存系统贮存于地下能 量的可利用部分小于系统运行所消耗的电能 ,太阳能日 贮存系统贮存于地下可利用的能量大于系统运行的电 能 ,二者之差仅 6.

52 MJ/ m2 ,系统效率低的主要原因是 热量从未隔热的蓄热区域边界流失[7 ,8] .为充分利用 地下蓄热、 提高地温与夜间环境温度 ,针对现有地下蓄 热系统蓄热体无隔热层或仅在蓄热体部分表面设置隔 热层而导致热量损失大的缺点 ,设计了改进的温室地下 蓄热系统.本文对该系统的换热特性进行研究.

2 温室地下蓄热系统 2.

1 系统组成 温室地下蓄热系统由温室、 地坪、 轴流式风机、 进气 道、 排气道等组成 ,如图

1 所示. 温室为华东型连栋塑料温室 ,东西走向、 跨度

6 m、 长24 m、

3 连栋 ,温室是整个系统的围护结构 ,为系统累 积热量的空间 ;

地坪是该系统热能的贮存体 ,由蓄热层、 1. 进气道 2. 轴流式风机 3. 换热管道 4. 蓄热层 5. 隔热层 6. 基础层 7. 排气道 图1温室地下蓄热系统示意图 Fig.

1 Schematic illustration of underground heat storage system in greenhouse 隔热层、 基础层、 换热管道组成 ,仅在

1 栋温室中建造了 地坪 ,面积

108 m2 ,蓄热层、 地基层为混凝土结构 ,且蓄 热层构成了换热管道的管壁 ,隔热层材料为水泥、 煤渣 按一定比例混合 ;

换热管道是温室内空气中热能向地坪 蓄热层转移的中介 ,直径

63 mm ,长度

18 m ,管中心距地 坪表面

15 cm ,在温室

6 m 的跨度内沿纵向布置换热管 道45 根 ,并与进气道、 排气道相连通组成并联系统 ;

轴 流式风机设置于进气道一端 ,排风量

9000 m3 / h ,配备电 机功率

250 W. 2.

2 蓄热加温原理 白天 ,由于太阳辐射温室内空气温度升高 ,有时气 温可能超过作物生长的临界温度 ,地坪内部温度较低 , 启动轴流式风机 ,使温室内的热空气流经换热管道 ,空 气中的热能以对流换热的方式向地坪转移 ,地坪温度升 高 ,其内部贮存了大量的热能.夜间 ,当温室内气温低 于设定值时 ,启动轴流式风机 ,使空气流经换热管道而 被加热 ,热量随气流进入温室内 ,从而维持温室内空气 相对较高的温度.

3 试验方法 温室地下蓄热系统建造调试完毕后 ,温室内无作物 栽培 ,选择晴天、 多云天 ,测试系统蓄热与放热时轴流式 风机入口处、 排气道出口处空气的温度、 湿度.轴流式 风机的运行时间要根据作物对温度的要求以及空气与

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2 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 换热管道间的温差确定.部分蔬菜白天的最适温度如 番茄为 20~25 ℃,茄子、 黄瓜为 23~28 ℃,夜间最低气 温分别为

5 ℃、

10 ℃、

8 ℃ [9] ;

夏热冬冷地区大地初始温 度一般在 15~20 ℃ 左右[10] .所以 ,当白天温室内气温 高于

20 ℃ 时 ,启动轴流式风机 ,在轴流式风机的入口处 (以下简记为进口) 、 排气道出口处(以下简记为出口) 安置CENTER

310 数字式温湿度表 ,间隔

10 min 记录空气 温度、 湿度 ,连续测试

5 h.夜间 ,当温室气温低于

15 ℃ 时 ,启动轴流式风机 ,在进口与出口安置 CENTER

310 数字式温湿度表 ,间隔每

10 min 记录空气温度、 湿度 , 连续测试

4 h.利用 EY322A 电子微风仪测量换热管道 出口处空气流速.

4 试验结果与分析 4.

1 主要计算公式 湿空气焓的计算式为[11] : h = 1.

01 T + d (2500 + 1.

84 T) (1) 式中 h ― ― ―湿空气焓 ,kJ/ kg干空气 ;

T ― ― ―温度 , ℃;

d ― ― ―湿空气含湿量 ,kg/ kg干空气 . 湿空气含湿量的计算式为[11] d = φdb (2) 式中φ― ― ― 相对湿度;

db ― ― ― 饱和含湿量,kg/ kg干空气 . 蓄热量与放热热量的计算式为[9] : Q = ∑Vi ρ i | hi1 - hi2 | Δti (3) 式中 Q ― ― ―蓄热量或放热热量 ,kJ ;

Δti ― ― ―i 时段 , Δti =

600 s ;

Vi ― ― ―i 时段干空气体积流量,m3 / s ;

ρ i ― ― ―i 时段干空气密度 ,kg/ m3 ;

hi1 ― ― ―i 时段干空气 初始焓值 ,kJ/ kg干空气 ;

hi2 ― ― ―i 时段干空气最终焓值 , kJ/ kg干空气 . 4.

2 试验结果

2003 年3月20 日至

2003 年4月5日在杭州市进行 温室地下蓄热系统蓄热与放热试验 ,共测试

9 d ,因测试 结果数据较多 ,现仅以

2003 年3月24 日测试结果为例 进行分析.杭州市地处长江三角洲南翼 ,市中心位于北 纬30° 16′ 、 东经 120° 12′ [12] ,该地区

2003 年3月24 日天 气晴 ,气温

9 ℃ ~23 ℃.试验结果如图

2、 图3. 试验测得温室地下蓄热系统换热管道出口处空气 平均流速 ,计算流量之和为

2202 m3 / h. 图2温室地下蓄热系统蓄热时进出口空气物理参数日变化 Fig.

2 Daily variation of physical parameters of air at inlet and outlet of underground heat storage system in greenhouse during heat saving 图3温室地下蓄热系统放热时进出口空气物理参数日变化 Fig.

2 Daily variation of physical parameters of air at inlet and outlet of underground heat storage system in greenhouse during heat releasing

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2 第6期王永维等 :温室地下蓄热系统换热特性研究 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 4.

3 试验结果分析 4. 3.

1 蓄热试验结果分析 由图

2 知 ,在启动轴流式风机 4.

5 h 内 ,温室内空 气流经换热管道而冷却 ,气温降低 5. 4~12.

8 ℃,空气 焓值降低 1. 04~25.

36 kJ/ kg干空气 .将蓄热时测试结果 数据代入(3) 式中 ,计算得系统的蓄热量为

133 234 kJ , 4.

5 h 内轴流式风机消耗的电能为

4 050 kJ .可见 ,蓄热 量大于所消耗的电能 ,系统具有良好的换热性能与蓄热 能力. 随着轴流式风机运行时间的增加 ,在空气与换热管 道进行对流换热的同时 ,地坪表面吸收太阳辐射 ,地坪 温度升高 ,出口空气温度上升 ,进口空气与出口空气温 度差、 焓差逐渐降低 ,系统的蓄热能力下降.所以 ,确定 轴流式风机合理的运行时间对于提高系统运行的经济 性有重要意义. 以轴流式风机 i 时段的功耗为系统蓄热i 时段的蓄 热量 ,以14 :10 时系统出口空气状态为例 ,空气温度 23.

6 ℃、 湿度 69.

2 % ,查ASHRAE 温湿图知 ,此时干空气密 度为 1.

170 kg/ m3[7] ,根据 (3) 式计算得 ,当进口空气与 出口空气的焓差小于 0.

35 kJ/ kg干空气时 ,轴流式风机消 耗的电能大于所贮存的热量 ,系统不能实现有效蓄热. 由图 2b 中焓差的变化趋势知 ,蓄热时轴流式风机的运 行时间不宜大于 4.

5 h.处理其它测试结果也得到类似 结果. 4. 3.

2 放热试验结果分析 由图

3 知 ,温室内的低温空气流经换热管道后被加 温 ,气温升高6. 8~7.

7 ℃,空气焓值增加 10. 7~18.

2 kJ/ kg干空气 ,随着轴流式风机运行时间的增加 ,空气温度、 焓 值的增幅逐渐降低 ,连续运行 4h 进出口处空气的温度 差、 焓差持续保持较大值 ,4 h 内系统放出热量140

340 kJ ,轴流式风机消耗的电能为

3 600 kJ ,蓄热与放热消耗 的电能总量为

7 650 kJ .可见 ,夜间释放的热量远大于 系统蓄热与放热所消耗的电能总量 ,系统具有良好的换 热性能与加温能力.

5 结论1) 温室地下蓄热系统在白天蓄热时 ,温室内空气 流经换热管道被冷却 ,在有效蓄热时间内 ,空气温度降 低5. 4~12.

8 ℃,焓值降低 1. 04~25.

36 kJ/ kg干空气 ,且空 气温度与焓值的降低量随轴流风机的运行时间而降低 ;

蓄热量远大于其消耗的电能 ,能够贮存大量热能. 2) 本试验条件下 ,本温室地下蓄热系统在夜间放 热时 ,温室内空气流经换热管道而被加热 ,气温升高6.

8 ~7.

7 ℃,空气焓值增加 10. 7~18.

2 kJ/ kg干空气 ,且空气 温度与焓值的增加量随着轴流式风机运行时间降低 ;

夜 间释放的热量远大于系统蓄热与放热所消耗的电能总 量 ,系统具有良好的换热性能 ,能够将白天的蓄热释放 用以夜间加温. 3) 温室地下蓄热系统合理的风机运行时间不宜大 于4.

5 h. 4) 温室地下蓄热系统冬季加温效果、 夏季降温效 果、 蓄热体温度场分布等方面的内容有待进一步研究. [参考文献] [1] 王祥荣 ,包静晖. 环境因素对大棚温室无土草坪生产的影 响研究[J ]. 中国生态农业学报 ,2002 ,10(1) :4~7. [2] Santamouris M , Mihaladakou G, Balaras C A , et al. Energy con2 servation in greenhouse with buried pipes[J ]. Energy ,

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