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温室地下蓄热系统换热管道空气流速对蓄热效果影响点击：1762 日期：[ 2014-04-26 21:53:53 ] |
| 温室地下蓄热系统换热管道空气流速对蓄热效果影响 王永维1 梁喜凤2 王 俊1 苗香雯1 (1.浙江大学生物系统工程与食品科学学院,杭州310029; 2.中国计量学院机电工程学院,杭州310018) 【摘要】为确定双层覆盖温室地下蓄热系统换热管道空气流速对蓄热增温效果及对温室温度与湿度环境的影响,分别测试了该系统换热管道以不同空气流速蓄热时换热管道进出口空气温度和湿度、地坪温度以及相邻无蓄热系统温室内的气温、土壤温度和室外温度。结果表明,白昼晴朗时,当换热管道内空气以流速0·6、1·0、1·5、2·0、2·5、2·8 m/s进行蓄热时,地坪温度均高于相邻无蓄热系统温室内的土壤温度,平均温差分别为0·8、1·1、3·1、3·9、4·3、5·6℃,系统蓄热效果随换热管道空气流速增加而增强。在系统换热管道内空气流速以0·6~2·8 m/s蓄热时,温室内热空气流经换热管道温度明显降低,使蓄热温室内的气温低于相邻温室气温0·1~0·6℃,但蓄热温室气温在常见温室栽培作物所需的适宜温度范围内,换热管道以不同空气流速蓄热对温室的温度环境影响较小。 关键词:温室 双层覆盖 地下蓄热 换热管道 空气流速 蓄热效果 中图分类号:S625·5+1文献标识码:A 引言 设施农业是一项高密度耗能产业,其热指标是民用建筑的2~4倍[1],能耗问题已成为影响设施农业发展及其生产效益的主要因素。温室加温的方法有锅炉加温、燃油加热器加温、电热加温、太阳能加温等。温室地下蓄热系统是利用太阳能对温室加温的方式,目前已在美国、法国、俄罗斯、英国、日本等国家应用于温室、畜禽舍的环境调控[2~3]。国内外学者对以土壤[4~9]、地下水[10]、岩石[11]、混凝土[12~17]为贮热体的地下蓄热系统进行了多方面的研究与探索,均具有良好的加温或降温效果,节能效果显著。但现有研究成果仅局限于温室地下蓄热系统实现温室内环境温度调节效果,而对系统各结构参数如换热管道长度、直径、埋深及其内部空气流速等对其性能的影响研究较少,这正是目前该类系统设计与运行中迫切需要解决的问题。本文仅就温室地下蓄热系统换热管道内空气流速对蓄热效果及温室环境的影响进行试验研究。 1 双层覆盖温室地下蓄热系统 1·1 结构与组成 双层覆盖温室地下蓄热系统由温室、中棚、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,为系统累积热量;中棚顶高2 m,肩高1·7 m,用以增加温室保温性能。地坪作为苗床,也是该系统热能的贮存体,由蓄热层、隔热层、基础层、换热管道组成,仅在连栋温室最南侧的1栋温室中建造了地坪,面积108 m2。蓄热层为混凝土结构,且构成了换热管道管壁;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媒介,直径76 mm,长18 m,管中心距地坪表面15 cm,在温室6 m的跨度内沿纵向均匀布置换热管道45根,并与进气道、排气道连通组成并联系统。轴流式风机设置于进气道一端,排风量9 000 m3/h,配备电动机功率250 W[12~13]。 1·2 蓄热保温原理 由于太阳辐射,白天温室内空气温度升高,有时甚至可能超过作物生长的临界温度,而地坪内部温度较低,且地坪与静止空气传热较慢,此时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,其内部贮存大量的热能。夜间,当温室内温度低于地坪温度时,地坪中的蓄热以导热方式传入温室空气中,或启动轴流式风机,温室内较冷的空气流经换热管道被加温,补充温室的热损失,从而维持温室内空气相对较高的温度[14~15]。 2 试验方案 因仅在3连栋温室的1栋温室中建造了地下蓄热系统,试验只能对不同时期、不同换热管道内空气流速的蓄热效果进行测试。为改变换热管道内空气流速,轴流式风机采用变频电源,通过改变轴流式风机叶轮的转速调节换热管道内空气流速。利用EY3-2A型电子微风仪(量程:0·05~1·0 m/s,1·0~30·0 m/s;精度:±2%)测定变频电源不同频率时各换热管道空气流速并求平均流速,取平均流速为0·6、1·0、1·5、2·0、2·5、2·8 m/s时变频电源对应的频率,即为试验所需空气流速对应的电源频率。 试验时,在同一流速时连续运行并测试1周,当晴天或多云时,9:00打开中棚覆盖膜,10:30时启动轴流式风机进行蓄热,15:00时轴流式风机停止运行并关闭中棚覆盖膜;阴天时,轴流式风机不工作。夜间17:00~22:00轴流式风机工作,对温室进行加温。系统白昼蓄热时测试双层覆盖温室地下蓄热系统换热管道进出口处的温度和湿度、地坪温度及外界气温。连栋温室最北侧1栋温室作为对照温室,无地下蓄热系统,测试其棚内的气温与土壤温度。各测试传感器布置如下:在温室纵向中心面、进气道上方距地坪表面1 m,与轴流式风机上侧同一高度,布置1只ZDR-20型温度和湿度数据记录仪(量程:温度-40~100℃,湿度0·1%~100%;分辨率:温度0·1℃,湿度0·1%;精度:温度±0·5℃,湿度±3%),以测试换热管道进口处空气温度、湿度;在排气道出口处布置1只ZDR-20型温度和湿度数据记录仪,以测试换热管道出口处空气温度、湿度。因地坪为对称结构,且各换热管道内空气流量分布均匀[16],故仅在地坪纵向中心线一侧布置TDW2001型电子式温度指示调节仪(精度±0·5℃)15只,如图2所示,测点在地表平面以下10 cm,位于两换热管道之间,以测试地坪温度并取其平均值。在双层覆盖连栋温室最北侧1栋温室的中棚对称中心处布置1只ZDR-20型温度和湿度数据记录仪,距地面1 m,以测试对照温室内的温度,用TDW2001型电子式温度指示调节仪测试该未蓄热温室内对称中心处10 cm深的土壤温度。用ZDR-20型温度和湿度数据记录仪测试室外温度与湿度。 3 试验结果与分析 3·1 试验结果 双层覆盖温室地下蓄热系统换热管道空气流速分别为0·6、1·0、1·5、2·0、2·5、2·8 m/s时的蓄热效果试验于2006年12月23日至2007年2月8日在浙江大学进行。试验时,蓄热温室内培养番茄幼苗,地坪表面32盆/m2;相邻无蓄热系统的对照温室内无作物栽培。因试验结果数据较多,且相同天气情况时试验结果类似,现仅以典型晴天时的试验结果进行分析。为减小以不同换热管道空气流速进行蓄热形成的地坪温度对后期蓄热效果的影响,取同一空气流速进行蓄热时后期的试验结果进行分析。系统换热管道以不同空气流速蓄热时蓄热温室、相邻温室及室外的环境参数随时间变化关系如图3所示,蓄热过程中蓄热温室与相邻温室各环境参数对比结果如图4所示。图中,v为蓄热时45支换热管道内空气平均流速;tin为双层覆盖温室地下蓄热系统换热管道进口处温度;in为双层覆盖温室地下蓄热系统换热管道进口处湿度;tout为双层覆盖温室地下蓄热系统换热管道出口处温度;out为双层覆盖温室地下蓄热系统换热管道出口处湿度;ts为地坪10 cm深处温度;tr为相邻无地下蓄热系统双层覆盖温室内气温;trs为相邻无地下蓄热系统的双层覆盖温室内10 cm深处土壤温度;t为室外气温。 3·2 试验结果分析 由图3知,在冬季白昼,虽然外界气温较低,但温室内气温较高甚至超过作物生长的最适温度,启动轴流式风机,使温室内的热空气分别以0·6、1·0、1·5、2·0、2·5、2·8 m/s流速流经换热管道后被冷却,气温降低2~13℃,不同空气流速时最大降温幅度均达11℃以上,随着蓄热的进行,进出口处的温差减小,空气中的热量被贮存至苗床中。结合图4知,当换热管道内空气流速不同时其进出口处温差相近,这是由于流速较低时热空气在换热管道内有足够的换热时间,而流速较高时紊流强对流换热充分。温室内的热空气流经换热管道后,温度明显降低,所以出口处空气相对湿度较高,但因空气在轴流式风机作用下在温室内循环,且45支换热管道在平均流速为0·6~2·8 m/s时空气总流量仅为0·12~0·57 m3/s,且出口处的湿空气迅速扩散至温室中,故不会造成温室内局部湿度太高。 由图3知,由于蓄热过程中地坪吸收空气中的热量,地坪温度高于相邻无蓄热系统温室内的土壤温度,换热管道内空气流速不同时,地坪增温效果不同。当换热管道内空气流速分别为0·6、1·0、1·5、2·0、2·5、2·8 m/s进行蓄热时,蓄热终了苗床温度较蓄热初始分别提高了4·7、5·8、6·0、9·5、9·4、11·3℃,地坪温度提高有利于番茄幼苗的生长、发育。在10:30~15:00的整个蓄热期间内,当换热管道内空气流速为0·6~2·5 m/s时,地坪温度均呈增加趋势;而当换热管道内空气流速为2·8 m/s,14:00时地坪温度已达到最高值且略高于番茄幼苗最适土壤温度的上限。在以后蓄热过程中地坪温度基本保持不变,后期的蓄热主要是补充地坪蓄热层传递至四周及底部隔热层的热量,以提高隔热层温度,蓄集更多的热量、增加保温性能。所以,在白昼晴朗时,换热管道内空气流速以2·5~2·8 m/s为宜,但在不同地区、不同的天气情况时换热管道内空气较佳流速有待进一步研究确定。可见,随着换热管道空气流速增加,地坪增温幅度增加。 由图3、图4知,蓄热过程中的地坪温度和相邻无蓄热系统的温室内土壤温度均在增加,但由于地坪内部吸收空气中的热量,地坪温度始终高于相邻无蓄热系统温室的土壤温度,且随着换热管道内空气流速增加,地坪与相邻无蓄热系统温室内土壤的温差增大。当换热管道内空气流速分别为0·6、1·0、1·5、2·0、2·5、2·8 m/s进行蓄热时,地坪与相邻无蓄热系统温室内的土壤温度平均温差分别为0·8、1·1、3·1、3·9、4·3、5·6℃。随着换热管道内空气流速的增加,地坪温度增加明显,换热管道进口处空气与地坪间的温度差逐渐减小。因试验时间较长,上述试验结果未考虑测试期太阳照度变化等气候因素对试验结果的影响。 由温室地下蓄热系统温度分布试验知,系统蓄热时温室内气温地温分布均匀[17],另外温室内作物吸收或放出热量不足总热量的1%[18],所以以轴流式风机入口处温度表示蓄热温室内的温度。由图3、图4知,系统换热管道内以空气流速0·6~2·8 m/s进行蓄热的过程中,蓄热温室内的气温略低于相邻温室,气温差随换热管道内空气流速的增加而增加。但只有0·1~0·6℃,且蓄热期间温室气温在常见温室栽培作物如番茄幼苗所需的适宜温度范围内,系统蓄热对温室内温度环境影响小。这主要是由于温室内外温差大,且为了使温室内温度不超过番茄幼苗生长的适宜温度进行适当的开窗控温,蓄热温室内的热量主要通过结构传热、冷空气渗透及通风散失。 4·结论 (1)白昼为晴朗时,双层覆盖温室地下蓄热系统内的热空气以0·6~2·8 m/s流速流经换热管道时,热空气被冷却降温,最大降温幅度均达11℃,随着蓄热的进行,换热管道进出口温差减小,不同的换热管道空气流速均有良好的换热效果。 (2)双层覆盖温室地下蓄热系统的蓄热效果随着换热管道内空气流速增加而增加,当换热管道内空气流速分别以0·6、1·0、1·5、2·0、2·5、2·8 m/s进行蓄热时,地坪温度分别平均高于相邻无蓄热系统温室内土壤温度0·8、1·1、3·1、3·9、4·3、5·6℃。在白昼晴朗时,系统蓄热应以换热管道内空气流速2·8 m/s为宜。 (3)双层覆盖温室地下蓄热系统换热管道内空气流速以0·6~2·8 m/s进行蓄热时,蓄热温室内的气温略低于相邻温室气温0·1~0·6℃,蓄热温室气温在常见温室栽培作物所需的适宜温度范围内,不同空气流速蓄热对温室的温度环境影响小。 参考文献：略 |
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