肖林剛，宋兵偉，曹新偉，王 瑞，焦銳斌

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所/新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程公司，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】日光溫室是把太陽(yáng)能吸收應(yīng)用于冬季溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)所需能量的一種生產(chǎn)設(shè)施[1-4]，溫室中墻體是主要的蓄熱體[5-6]，為夜間溫室作物生長(zhǎng)提供熱量。日光溫室的前屋面在白天作為采光面為溫室攝入太陽(yáng)能，是溫室獲得熱能的主要圍護(hù)面，而在夜間卻是圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫的最薄弱部分，溫室中 60%～80%的熱損失通過(guò)前屋面散失[7-10]。目前日光溫室都配備了保溫被，有的還增加了內(nèi)保溫，但在北方冬季，極端天氣下，如果沒(méi)有加溫設(shè)備，溫室內(nèi)的作物依然會(huì)面臨著低溫凍害現(xiàn)象。實(shí)例計(jì)算日光溫室加溫設(shè)備的熱負(fù)荷，安裝熱風(fēng)爐補(bǔ)溫，對(duì)其理論計(jì)算能耗進(jìn)行驗(yàn)證有重意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】Chen Wei etal[11]認(rèn)為，提高日光溫室墻體蓄熱和保溫性能才是改善室內(nèi)熱環(huán)境的主要因素。朱超等[12-13]試制出了日光溫室后墻添加固化沙增加蓄熱，白天熱空氣吹入后墻，夜間放熱。趙淑梅等[14-16]提出一種新型的空氣蓄熱墻體，該墻體白天通過(guò)熱空氣，在墻內(nèi)對(duì)流循環(huán)儲(chǔ)熱和夜間的空氣對(duì)流放熱來(lái)提高溫室內(nèi)溫度。在溫室內(nèi)墻體相變材料運(yùn)用中，將硬脂酸正丁酯和聚苯乙烯組合，及磷酸氫二鈉與墻體的空心砌塊和瓶膽式結(jié)構(gòu)搭配砌筑測(cè)試，結(jié)果顯示，能夠明顯提高墻體的蓄熱能力[17-20]，相變材料為溫室的蓄熱提供了基礎(chǔ)，但相變材料因其成本高，安裝制作勞動(dòng)量大，難以大范圍推廣，相變材料表現(xiàn)為被動(dòng)蓄放熱，陰冷天氣表現(xiàn)不佳[21]。趙江龍[22]對(duì)日光溫室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了研究和模擬分析，建立一種物理“相變溫室”模型，并運(yùn)用FLUENT分析對(duì)溫室溫度場(chǎng)分布，得到了溫度場(chǎng)分布規(guī)律。【本研究切入點(diǎn)】劉傳宏[23]認(rèn)為，雙膜覆蓋是日光溫室提高保溫性能的有效辦法，在夜晚時(shí)段雙膜溫室氣溫、土溫衰減率低于單膜溫室。袁余[24]認(rèn)為，雙層膜日光溫室氣溫、土壤溫度明顯優(yōu)于單層膜溫室，室內(nèi)溫度也較穩(wěn)定。宋明軍[25]認(rèn)為，雙層膜日光溫室在使用中會(huì)發(fā)生遮光、濕度增大和溫室通風(fēng)障礙等問(wèn)題。在主動(dòng)加熱設(shè)備中，運(yùn)用表冷器主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)給溫室加熱，晴天表現(xiàn)良好，陰天時(shí)表冷器只能收集少量或無(wú)法收集到溫室內(nèi)熱量，表冷器使用要求溫室盡量不開(kāi)窗或少開(kāi)窗通風(fēng)，不利于對(duì)作物的通風(fēng)換氣。董蓬[26]采用了太陽(yáng)能主動(dòng)集熱供暖系統(tǒng)，加熱日光溫室氣溫和地溫來(lái)提高室內(nèi)溫度。以上蓄熱和加熱設(shè)備中都存在陰天表現(xiàn)不佳的問(wèn)題。寒冷地區(qū)冬季生產(chǎn)型日光溫室在極端天氣下需要臨時(shí)加溫，研究極端天氣及溫室夜間最冷時(shí)段的加溫?zé)嶝?fù)荷，匹配出溫室的臨時(shí)加溫設(shè)備?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】研究各個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，取值計(jì)算溫室總熱損失量，依據(jù)溫室加溫設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)算出日光溫室在一定極端環(huán)境中加溫?zé)嶝?fù)荷量，為寒冷地區(qū)日光溫室選擇冬季臨時(shí)加溫設(shè)備熱負(fù)荷提供定量參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 日光溫室

測(cè)試地點(diǎn)位于烏魯木齊第12師104團(tuán)轄區(qū)西山烽火臺(tái)小鎮(zhèn)(N43.45°，E87.36°)。全年最冷溫度(1月)-28℃，最高溫度(7月)40℃，海拔1 645 m，年無(wú)霜期為130 d，多風(fēng)地帶平均3級(jí)風(fēng)向東北，年日照時(shí)數(shù) 2 813.5 h。供試日光溫室長(zhǎng)80 m，跨度8 m，脊高4.5 m，溫室前屋面覆蓋PO膜和保溫被。保溫被結(jié)構(gòu)組成為：針刺毛氈+雙防水布，其總厚度約為2.5 cm，墻體高2.2 m結(jié)構(gòu)為：37 cm磚墻+10 cm苯板保溫+1 cm砂漿抹面，后屋面為12 cm厚彩鋼夾心板寬1.8 m。圖1

溫室由4部分圍護(hù)部分構(gòu)成，墻體圍護(hù)面積為224 m2，棚膜(PO)圍護(hù)面積為640 m2，棉被圍護(hù)面積為672 m2，后屋面圍護(hù)面積為144 m2。在溫室供暖期間設(shè)計(jì)溫度室內(nèi)取ti=12℃，室外取to=-28℃。

溫室內(nèi)布置溫度傳感器各3支，傳感器自動(dòng)記錄溫度值，每10 min自動(dòng)采集1次。在溫室南北跨中心線上沿東西方向距離地面1.5 m處平均布置，選擇臨近的前后2棟溫室作為試驗(yàn)對(duì)比，在溫室外安裝溫度傳感器，全天候記錄室外的環(huán)境溫度。

日光溫室由三面墻體和一個(gè)采光面組成。冬季，白天，太陽(yáng)光透過(guò)采光面照射到溫室內(nèi)地面和墻體，地面和墻體吸收并存儲(chǔ)這些熱量；夜晚，地面和墻體將存儲(chǔ)的熱量輻射到溫室內(nèi)，為作物抵抗嚴(yán)寒和補(bǔ)償圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失提供保障。在研究溫室熱傳遞時(shí)，將溫室簡(jiǎn)化為一個(gè)空心的腔體，溫室接受太陽(yáng)光熱輻射，溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)即得熱量同時(shí)又散失熱量。圖1

圖1 日光溫室傳熱過(guò)程示意

1.1.2 燃煤熱風(fēng)爐

選用5LMS-50型燃煤熱風(fēng)爐1臺(tái)，熱風(fēng)爐由爐膛、爐體、自動(dòng)加煤機(jī)、熱風(fēng)管、和風(fēng)機(jī)等構(gòu)成。2018年1月4日進(jìn)行日光溫室熱風(fēng)爐加熱對(duì)比試驗(yàn)，當(dāng)天天氣晴朗，微風(fēng)，風(fēng)向西北。測(cè)試時(shí)段凌晨02：00至08：00，每20 min選取一數(shù)據(jù)繪制溫度柱狀圖。該試驗(yàn)選擇在凌晨02：00開(kāi)始加溫(風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，出風(fēng)口高于60℃自動(dòng)啟動(dòng)，低于50℃風(fēng)機(jī)停止工作)。圖2，表1

圖2 5LMS-50型燃煤熱風(fēng)爐

表1 5LMS-50型燃煤熱風(fēng)爐性能參數(shù)

1.2 方 法

1.2.1 溫室采暖系統(tǒng)熱負(fù)荷

運(yùn)用日光溫室熱傳遞理論和溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷方法，參照中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10297-2014《溫室加溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，分析溫室的熱負(fù)荷。

日光溫室的熱損失主要來(lái)自溫室的3部分，即圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失、冷風(fēng)滲透熱損失以及溫室地面熱損失。溫室熱能平衡：

Q=Q1+Q2+Q3.

(1)

式中，Q1為溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)(包括墻體、棚膜、棉被、后屋面、門(mén)窗等)熱損失，W；Q2為溫室冷風(fēng)滲透熱損失，W；Q3為溫室地面熱損失，W。

1.2.2 溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失Q1

(2)

式中：uj為第j種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Aj為第j種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面面積，m2；ti為室內(nèi)設(shè)定溫度，℃；to為室外設(shè)計(jì)溫度，℃。

多層復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)u：

(3)

其中，δi為第i層圍護(hù)材料厚度，m；λi為第i層圍護(hù)材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

1.2.3 溫室室內(nèi)外空氣交換形成的滲透熱損失Q2

Q2=0.5k風(fēng)速VN(ti-to).

(4)

式中：k風(fēng)速為風(fēng)力因子；V為溫室空氣體積，m3；N為溫室內(nèi)每小時(shí)換氣次數(shù)。

1.2.4 地面熱損失Q3

(5)

日光溫室地面形成的熱損失與計(jì)算點(diǎn)和溫室四周?chē)o(hù)結(jié)構(gòu)的距離相關(guān)，溫室能耗計(jì)算中將地面點(diǎn)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)分成3個(gè)區(qū)域分別計(jì)算。式中:ui為第i區(qū)計(jì)算點(diǎn)地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·k)；Ai為第i區(qū)計(jì)算點(diǎn)面積，m2。表2

表2 地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 日光溫室熱負(fù)荷

研究表明，溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失為：Q1=44.32 kW。在計(jì)算溫室的冷風(fēng)滲透熱損失時(shí)，換氣次數(shù)N取1.2，k風(fēng)速取1.08，滲透熱損失為：Q2=55.99 kW，溫室跨度為8 m小于地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)第一分區(qū)，ui取0.24，地面熱損失為：Q3=6.14 kW。

溫室總的計(jì)算散熱量Q1、Q2、Q3之和為106.45 kW，溫室單位面積散熱量為166 W/m2。日光溫室的總熱損失中滲透熱損失所產(chǎn)生的耗熱量最大，占到總負(fù)荷的52.6%，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)(包括棚膜、棉被，后屋面苯板和墻體等)的傳熱損失次之，占總散熱量的41.6%,室內(nèi)地面的熱損失最小，占總散熱量的5.8%(JB/T 10297-2014溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，棉被值為靜態(tài)熱箱法所測(cè)值)。圖3，表3

表3 溫室圍護(hù)材料的熱工性能參數(shù)

圖3 日光溫室熱損失分布

2.2 日光溫室熱風(fēng)爐加溫與不加溫氣溫對(duì)比

研究表明，該熱風(fēng)爐對(duì)日光溫室進(jìn)行補(bǔ)充加溫，溫室內(nèi)溫度升溫較為顯著。開(kāi)始加溫試驗(yàn)20 min時(shí)溫度變化不明顯，在04：20后達(dá)到14.8℃，此后升溫趨于穩(wěn)定。最高溫度在06：00達(dá)到15.5℃，在07：00溫度達(dá)到14.1℃時(shí)停止加溫(燃煤接近耗盡)，08：00燃煤耗盡，風(fēng)機(jī)停機(jī)。沒(méi)有熱風(fēng)爐加溫的溫室從02：00時(shí)室內(nèi)溫度為8.5℃開(kāi)始到07：00時(shí)6.5℃一直呈下降趨勢(shì)，08：00時(shí)降到6.1℃。溫室不加溫室內(nèi)溫度較低，遇到寒冷天氣(該試驗(yàn)最低溫度為-23.1℃)作物凍害風(fēng)險(xiǎn)增大，特別是極端天氣情況下(風(fēng)雪天或連陰天氣等)，作物受到不可逆的低溫凍害。圖4

圖4 日光溫室熱風(fēng)爐加溫與不加溫平均室內(nèi)氣溫比較

加熱期間溫室的單位面積能耗為142 W/(m2·h)，單位面積能耗為166 W/(m2·h)，差值為24 W/(m2·h)。理論計(jì)算時(shí)，室外溫度取極端最冷溫度為-28℃，室內(nèi)要求設(shè)計(jì)溫度為12℃，室內(nèi)外溫差為40℃；溫室補(bǔ)溫試驗(yàn)期間室外溫度為實(shí)際測(cè)試溫度-23.1℃，加溫溫室室內(nèi)平均溫度為13.8℃，室內(nèi)外溫差36.9℃。因理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)試溫差不同，單位面積能耗有所差異(煤的發(fā)熱量按5 000 kcal/h計(jì)算，熱風(fēng)爐熱效率按70%計(jì)算)。表4

表4 日光溫室加溫耗能

3 討 論

趙江龍[22]在計(jì)算日光溫室能耗時(shí)，將試驗(yàn)溫室總熱損失(98.964 kW)減去溫室白天獲得太陽(yáng)輻射熱量(33.016 kW)得出溫室的設(shè)計(jì)能耗(65.948 kW)值作為溫室加熱能耗，此算法將溫室的總熱損失能耗減小了33%；董蓬[26]在計(jì)算日光溫室加熱負(fù)荷時(shí)，將試驗(yàn)溫室的總體耗熱量(116 347.27 W)減去了溫室白天獲得太陽(yáng)輻射能量(102 848.4 W )，將其差值(13 498.87 W)作為日光溫室加熱負(fù)荷，也是將溫室的總耗熱量減小了88%。這2種算法都與試驗(yàn)結(jié)論(直接將溫室總體耗熱量作為加熱負(fù)荷)差異顯著。日光溫室加熱負(fù)荷為單位時(shí)間內(nèi)發(fā)熱設(shè)備所能提供的能量，溫室的最低溫度發(fā)生在黎明時(shí)分，此時(shí)溫室已沒(méi)有日光來(lái)補(bǔ)充溫室能耗，白天溫室吸收的能耗在日落后一直處于散失狀態(tài)，而黎明時(shí)分(最低溫度)需要補(bǔ)充的能耗就是溫室的加熱負(fù)荷量，在此階段計(jì)算溫室加溫負(fù)荷時(shí)不因?qū)滋鞙厥椅盏奶?yáng)能耗計(jì)算在內(nèi)。此外，溫室供熱計(jì)算不同于民用建筑，作物沒(méi)有抵抗災(zāi)害氣候的能力，在冬季極端天氣如陰天、霧天、大風(fēng)和大雪天，白天光照不足，無(wú)法獲得太陽(yáng)輻射能量，此時(shí)溫室的供熱能耗也不應(yīng)當(dāng)考慮太陽(yáng)輻射能量，考慮到作物的特殊性，溫室加溫能耗計(jì)算時(shí)，取極端狀況的最低值。

4 結(jié) 論

4.1 在日光溫室的保溫節(jié)能措施中，溫室覆蓋材料和圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)保證其完整性和密封性，減少其縫隙和滲透?jìng)鳠?；覆蓋材料和圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)先選擇導(dǎo)熱系數(shù)小的材料，在確保不影響溫室采光的情況下，可適當(dāng)延長(zhǎng)后屋面長(zhǎng)度和提高溫室南面基礎(chǔ)高度；可在溫室采光面上增加第2層保溫被，減少溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失，以提高日光溫室冬生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，減小溫室單位產(chǎn)出能耗。

4.2 理論計(jì)算在極限溫度-28℃，室溫維持12℃時(shí)單位面積能耗為166 W/(m2·h)；試驗(yàn)測(cè)試時(shí)最低溫度-23.1℃時(shí)，室內(nèi)溫度能維持13.8℃，溫室單位面積能耗為142 W/(m2·h)，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在溫室能耗計(jì)算時(shí)，各個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能參數(shù)及計(jì)算符合熱工學(xué)要求。

4.3 選取熱風(fēng)爐補(bǔ)充加溫時(shí)，溫室熱負(fù)荷與熱風(fēng)爐的選型及燃煤量都有關(guān)系，選擇電加溫設(shè)備替代熱風(fēng)爐時(shí)，溫室的理論計(jì)算熱負(fù)荷為106.45 kW，在選擇電加熱設(shè)備的功率也應(yīng)以此值為選型依據(jù)。