日光温室太阳能热利用技术的能效分析

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1、日光温室太阳能热利用技术的能效分析马承伟赵淑梅程杰宇徐微微中国农业大学水利与土木工程学院农业部设施农业工程重点实验室导出/参考文献关注分享收藏打印摘要：为给日光温室太阳能热利用技术与装备的研究开发工作提供技术方案以及装备容量配置等问题的科学依据，对在口光温室屮的太阳热能收集、储存与释放加温等过程中，有关热能的转移、传递与分布等问题进行了定量化的分析与研究。该文采用理论解析与计算机模拟等方法，对日光温室内白昼的富余太阳热能、夜间补充加温的需求量、以及蓄热介质的用量等进行了分析与定量的评估计算。作者简介：马承伟（1952-），男，重庆人，教授，研究方向：设施园艺环境工程。基金：“

2、十二五”农村领域国家科技计划（863计划）课题“日光温室构件集热技术与智能控制系统研宄（2013AA102407）”H光温室木身是一种利用太阳能的园艺设施，在晴好天气下，白昼依靠室内接收的太阳辐射热量，可以维持足够高的室内温度，II热量往往有一定富余。夜间依靠墙体与地面释放所储蓄的太阳热量，以及R好的保温构造，大体也可以维持适于园艺植物生长的室内气温。但因为墙体与土壤传热缓慢，白昼储存热量有限，在严寒季节，尤其在连阴天气的情况下，储存的太阳热能不足以维持多日夜间放热所需，造成夜间室内气温过低，植物受冻的情况仍较为普遍。如能将白昼富余的太阳热能更冇效地收集、储蓄起来，用于夜间的

3、室内增温，则有望在保持口光温室节能优点的情况下，改善夜间的温度状况。多年来，国内开展了较多相关的研宄开发工作，取得了较大的成效，出现了一大批太阳能储热利用的技术与装备。包括通过空气与土壤间的热量交换，将太阳热能储存于温室地下土壤中，夜间释放出来为室内加温的地中热交换系统Xizll;以及将太阳热能收集、储存于水体中的储热系统，夜间使之释放到温室内，提高温室内的气温［5-7］，或将热水通入室N地下，提高室

4、A

5、地温［8-13］等。这些实验系统的集热装置，有放置于室内的内部集热与放置于室外的外部集热[8-11，13]2种方式。外部集热方式的集热装罝罝于温室外部，可收集日光温室外部的

6、太阳热能，但有占用室外土地、热水输送中的热量损失较大、以及还需要设置室内放热装置，成本较高等问题。内部集热方式是收集室内富余的太阳热能,其优点是不占用室外地面，收集的热量输送过程损失较小，集热、放热装置可以兼用，系统成本较低。此外，利用一些化工材料的固-液相变潸热进行储热的方法储存太阳能的实验也在开展[14-18]。与水体储热相比，储热设施体积小，但相变材料成木较高，相变热量释放过程较难控制。试验研宂表明，在口光温室屮，采用太阳能热利用技术与装备储热增温，是提高円光温室内温度环境水平、降低低温冻害风险的有效途径。为了进一步推进该方面研宄开发工作、减少试验探索的盲目性，该文对日

7、光温室太阳能热利用技术中，有关室内热能需求与可利用太阳热能量间的一些量化关系，进行分析。日光温室内太阳富余热能评估内部集热方式是收集口光温室室内富余的太阳热能加以利用，这种方式不占地、热损失小，集、放热装置兼用，成本低，是一种有较大实用意义的日光温室太阳能热利用方式，但其可行性取决于室内太阳热能有无富余。从H光温室使用的实践中可知，在晴好天气下，白昼温室不进行充分的通风时，室内气温往往高于植物所需，所以室内的太阳辐射热量确实是有富余的。但其富余的量有多大，是研允开发内部集热方式的太阳能热利用装备所应掌握的。以下针对中国北纬36°~42°地区、1月中旬的情况进行分析。文中所分析

8、的日光温室，按室内种植有作物的情况考虑，叶面积指数为沪4,作物的高度为lm,作物与墙面之间间隔1.5m左右的走道。室内的地面按土壤栽培、但地面上覆盖有地膜的情况考虑。文中所涉及的热量、热流量的分布等冇关参数，多数按日光温室室内地而而积为基准进行计算与阐述，以便于类推应用。对日光温室白昼室内热量收支平衡的分析表明（图1），室内的富余热流密度（W/m）为:n…一qc-q(1)式中，1为温室内吸收的太阳辐射热流密度，W/m;qw、q,.、qf、q、分别为温室后墙面、后屋面、地面、前屋面传走的热流密度，W/m;qv为因通风损失的热流密度（也括显热与潜热），W/m。以上均统一按温室内单

9、位地面面积计算。温室内吸收的太阳热室内吸收的太阳辐射热流密度可按下式计算:式中，A.,、Af分别为温室后墙面面积与地面面积，m，比值A.,/A,、一般为0.3"0.45[19];t<.为前屋面太阳辐射透过率，取为0.65;a为室内对太阳辐射热的吸收率，取为0.91翌1;E，Ev分别为室外太阳輻射在水平面与垂直面

10、Aj的太阳辐射照度，W/m。式中右端的ut、E与ci项分别为室内地面与墙面吸收的太阳辐射热流密度。根据计算，在北纬42°~36°地区，1月中旬的晴好天气下，正午时刻室外的太阳辐射照度，水平面为3