溫室太陽能通風(fēng)實(shí)驗(yàn)研究

溫室太陽能通風(fēng)實(shí)驗(yàn)研究摘要:針對(duì)現(xiàn)代溫室降溫通風(fēng)能耗過高問題，提出了造價(jià)低、無能耗的溫室太陽能通風(fēng)技術(shù)并介紹了其通風(fēng)基本機(jī)理，并在輻射較強(qiáng)的天氣實(shí)測了太陽能通風(fēng)工況下溫室太陽能通風(fēng)裝置里的風(fēng)速及溫度分布，溫室內(nèi)部溫度分布，以考察了溫室太陽能通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：就本實(shí)驗(yàn)條件下，通風(fēng)裝置單位橫截面積單位長度通風(fēng)量最大可達(dá)0.31m3/s（1100m3/h）。溫室通風(fēng)換氣次數(shù)約為20～50次/h，此時(shí)在1m以下的作物生長區(qū)域，室內(nèi)平均溫度與室外環(huán)境溫度差最大為2.1℃。這表明在室外溫度比作物生長要求溫度低2℃以上時(shí)，且太陽輻射較強(qiáng)時(shí)，使用本通風(fēng)技術(shù)就可以將作物生長區(qū)控制在溫度要求之內(nèi)。系統(tǒng)的平均太陽能利用系數(shù)為0.43，太陽能通風(fēng)技術(shù)的優(yōu)化潛力比較大。關(guān)鍵詞：溫室太陽能通風(fēng)通風(fēng)量節(jié)能1引言隨著生活水平的提高，人們對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的需求越來越講究品質(zhì)，多樣化，反時(shí)節(jié)化，因而可以控制作物生長環(huán)境的溫室農(nóng)業(yè)隨之日漸升溫。然而，溫室環(huán)境的控制往往不盡如人意：很多的現(xiàn)代溫室要么是熱濕環(huán)境達(dá)不到作物的最佳生長要求，要么就是環(huán)境控制能耗過高[1]，例如廣東某培養(yǎng)中高檔花卉的溫室的環(huán)境控制能耗就高達(dá)30Kw.h/m2.a，其中降溫通風(fēng)能耗約占81.4％[2]。解決通風(fēng)能耗過高的問題，最好就是采用自然通風(fēng)。而目前國內(nèi)的很多溫室的自然通風(fēng)效果都不理想[1]。本文將建筑太陽能通風(fēng)的技術(shù)思想應(yīng)用到溫室，提出了溫室太陽能通風(fēng)技術(shù)。2溫室太陽能通風(fēng)機(jī)理簡析溫室太陽能通風(fēng)是由熱壓引起的自然通風(fēng)?，F(xiàn)代溫室往往要安裝內(nèi)遮陽網(wǎng)和隔熱網(wǎng)（反射型遮陽網(wǎng)）。如圖1所示，溫室太陽能通風(fēng)裝置與溫室的遮陽系統(tǒng)一起構(gòu)成了溫室太陽能通風(fēng)系統(tǒng)。黑色的遮陽網(wǎng)能吸收大部分的太陽輻射，而隔熱網(wǎng)將穿透黑色遮陽網(wǎng)的輻射反射回去，此大部分又被黑色遮陽網(wǎng)再次吸收。遮陽網(wǎng)將吸收的熱量以對(duì)流換熱的方式傳給與溫室頂棚之間的空氣，形成高溫的空氣層。在頂棚的上方或者是側(cè)邊開口，將高溫氣流引至太陽能通風(fēng)裝置。在太陽能通風(fēng)裝置內(nèi)部也布置有太陽輻射熱吸收率高的黑色織物，黑色織物受輻射溫度升高，以對(duì)流換熱的形式繼續(xù)加熱來自頂棚的空氣。這樣形成較大的浮升力，產(chǎn)生煙囪效應(yīng)，加速氣流的排出。同時(shí)，冷空氣從溫室下部的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入溫室內(nèi)，透過遮陽網(wǎng)，形成持續(xù)不斷的空氣循環(huán)流動(dòng)。隨著浮升力的增大，流速增加，氣流阻力也隨之增大，最終達(dá)到熱壓與阻力的平衡。空氣循環(huán)流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換過程為:：太陽熱能(溫室外)→空氣內(nèi)能(頂棚內(nèi)、太陽能通風(fēng)裝置內(nèi)高溫空氣)→空氣動(dòng)能(頂棚內(nèi)、太陽能通風(fēng)裝置內(nèi)高溫空氣)。3實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容與方法通過實(shí)驗(yàn)考察太陽能通風(fēng)系統(tǒng)在強(qiáng)輻射、低氣溫氣候條件下的降溫效果及其性能：溫室通風(fēng)量的變化特性；太陽能通風(fēng)系統(tǒng)熱壓的變化特性；溫室內(nèi)部溫度分布情況；溫室太陽能通風(fēng)系統(tǒng)的太陽能利用系數(shù)。圖1溫室太陽能通風(fēng)原理圖實(shí)驗(yàn)溫室位于重慶市沙坪壩區(qū)。通風(fēng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖見圖1，溫室尺寸12m長×6m寬×3m高，太陽能通風(fēng)裝置尺寸3m長×1m寬×3m高，安裝于溫室的東面山墻；裝置內(nèi)部掛有三張軟性黑色吸熱材料（為黑色的尼龍布），外圍是薄膜；溫室內(nèi)部在2m高處掛有黑色內(nèi)遮陽紗網(wǎng)，1.8m高處掛有銀-黑遮光布。溫室的進(jìn)風(fēng)口在西面山墻上，室內(nèi)熱空氣從東面山墻頂部進(jìn)入太陽能通風(fēng)裝置后排出。實(shí)驗(yàn)測試了：溫室內(nèi)5個(gè)垂直高度，5個(gè)水平均勻分散點(diǎn)共25個(gè)點(diǎn)的溫度，用以考察使用太陽能通風(fēng)裝置后溫室內(nèi)溫度分布情況；通風(fēng)裝置內(nèi)3個(gè)垂直高度，4個(gè)水平分散點(diǎn)共12個(gè)點(diǎn)的溫度，用以考察太陽能通風(fēng)系統(tǒng)熱壓的變化特性；通風(fēng)裝置里的風(fēng)速，用以得出溫室通風(fēng)量的變化特性；室外溫度；另外由位于重慶大學(xué)B區(qū)的建筑物理實(shí)驗(yàn)室的微型氣象站提供了實(shí)驗(yàn)期間的太陽輻射強(qiáng)度。風(fēng)速測量使用的是熱球風(fēng)速儀。實(shí)驗(yàn)于2005年9月28日、29日進(jìn)行，期間天氣晴朗，微風(fēng)。每天太陽輻射開始強(qiáng)烈時(shí)開始測數(shù)據(jù)。每隔30分鐘采集1次數(shù)據(jù)，包括裝置內(nèi)風(fēng)速、溫度分布，以及溫室內(nèi)溫度分布。4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析4.1通風(fēng)量實(shí)測風(fēng)速在0.4~1m/s之間，平均風(fēng)速為0.73m/s。溫室太陽能通風(fēng)量逐時(shí)變化見圖2。風(fēng)量日變化從早上到下午14：30都比較平穩(wěn)，通風(fēng)量最高可達(dá)10000m3/h（139m3/m2h），最小也有5000m3/h（近70m3/m2h），通風(fēng)換氣次數(shù)約為20～50次/h。圖2溫室太陽能通風(fēng)量逐時(shí)變化圖圖3溫室太陽能通風(fēng)各熱壓組分逐時(shí)變化圖4.2太陽能通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱壓整個(gè)太陽能通風(fēng)系統(tǒng)的熱壓由兩部分組成，一是太陽能通風(fēng)裝置內(nèi)產(chǎn)生的熱壓，二是溫室內(nèi)由于溫度分層產(chǎn)生的熱壓。在根據(jù)氣流通道內(nèi)溫度分布計(jì)算熱壓時(shí)，采用的是各不同高度處溫度的加權(quán)平均值。圖3顯示了系統(tǒng)總熱壓以及各熱壓組分逐時(shí)變化（由于數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好，這里僅引用9月29日的數(shù)據(jù)，下同）。裝置產(chǎn)生的熱壓在午前至午后時(shí)段出現(xiàn)最大值，均為1Pa左右，單位通風(fēng)裝置高度產(chǎn)生熱壓0.33Pa/m。在早上以及傍晚比較小，但也有約0.4Pa，單位通風(fēng)裝置高度產(chǎn)生熱壓0.13Pa/m。太陽能通風(fēng)裝置產(chǎn)生的熱壓絕大多數(shù)都占整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)熱壓的70％以上，遠(yuǎn)大于溫室內(nèi)溫度分層產(chǎn)生的熱壓。這說明通常溫室直接在頂棚上開口通風(fēng)的效果遠(yuǎn)不如安裝了太陽能通風(fēng)裝置后的效果好。4.3太陽能通風(fēng)系統(tǒng)阻抗情況我們這里首先假設(shè)系統(tǒng)的流動(dòng)是處于阻力平方區(qū)的，認(rèn)為阻力與流量的平方成正比，計(jì)算出的阻抗情況見圖4。從圖可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的阻抗比較小，但卻是變化的，這表明本實(shí)驗(yàn)的氣流流動(dòng)不一定都處于阻力平方區(qū)。圖4太陽能通風(fēng)系統(tǒng)阻抗逐時(shí)變化圖圖5太陽能通風(fēng)時(shí)溫室內(nèi)不同高度處與室外環(huán)境溫度之溫差逐時(shí)變化圖4.4溫室的熱環(huán)境狀況因?yàn)樵谥貞c強(qiáng)輻射低氣溫的時(shí)間非常有限，在實(shí)驗(yàn)期間室外氣溫有高達(dá)30多度的情況，因此以室內(nèi)溫度分布衡量通風(fēng)效果意義不大，所以這里采用的是室內(nèi)溫度與室外環(huán)境溫度之差作為衡量室內(nèi)環(huán)境的參考。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在1.5m（無因次高度hi/H=0.5）處的平均溫度與室外環(huán)境溫度，最大溫差為3.2℃。在1m以下（hi/H≤0.33），該溫差最大為2.1℃，有時(shí)還會(huì)比室外氣溫低，這主要時(shí)因?yàn)榈孛鏈囟容^低，濕度較大。見圖5。這說明在作物生長區(qū)以及工作區(qū)，通風(fēng)降溫效比較顯著。其降溫效率優(yōu)越于一般機(jī)械通風(fēng)降溫效率。一般溫室在室內(nèi)外溫差控制在2℃時(shí)，需要的通風(fēng)量約為90次/h，而本系統(tǒng)僅需要20～50次/h。這是因?yàn)檎陉柧W(wǎng)遮擋了的太陽輻射熱經(jīng)過太陽能通風(fēng)裝置及時(shí)排出，而不致擴(kuò)散到整個(gè)溫室種植區(qū)域的緣故。4.5太陽能煙囪太陽輻射利用系數(shù)這里定義太陽能利用系數(shù)（2）式中，c—空氣定壓比熱，J/(kg℃)ρ—太陽能通風(fēng)流道內(nèi)空氣平均密度，kg/m3L—太陽能通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量，m3/sΔT—太陽能通風(fēng)裝置出口溫度與環(huán)境溫度之差，℃J0—投射到太陽能通風(fēng)系統(tǒng)有效采熱面（即遮陽網(wǎng)、裝置內(nèi)太陽輻射吸收織物）上的太陽輻射，W該參數(shù)表明了太陽輻射能向空氣內(nèi)能轉(zhuǎn)化的效率。實(shí)驗(yàn)期間的太陽輻射情況由位于重慶大學(xué)B區(qū)的建筑物理實(shí)驗(yàn)室的微型氣象站提供水平面太陽總輻射，其值在178~597W/m2之間。計(jì)算出的太陽能利用系數(shù)見圖6。該值上午比較大，出現(xiàn)了0.8以上的高值，而午后有較大的下降。平均太陽能利用系數(shù)為0.43。相當(dāng)于一般的平板型太陽能熱水器的熱效率。理論上若透明圍護(hù)的透過率達(dá)90%，吸收率達(dá)93%，熱導(dǎo)系數(shù)達(dá)90%，該太陽能利用系數(shù)可以達(dá)到0.75。這說明本太陽能通風(fēng)系圖6溫室太陽能通風(fēng)系統(tǒng)的太陽能利用系數(shù)統(tǒng)還有很大的優(yōu)化空間。而出現(xiàn)0.8以上的高值可以從太陽能利用系數(shù)的定義式上分析，除卻測量的誤差原因，另外比較可能的原因是受到環(huán)境風(fēng)壓的影響，同時(shí)風(fēng)速、溫度記錄的時(shí)間和太陽輻射記錄的時(shí)間不夠同時(shí)所至。5結(jié)論及建議通過實(shí)驗(yàn)主要得出以下結(jié)論：就本實(shí)驗(yàn)條件下，①1個(gè)1m×3m×3m的太陽能通風(fēng)裝置的通風(fēng)量最高可達(dá)10000m3/h（139m3/m2h），最小也有5000m3/h（近70m3/m2h）。對(duì)于實(shí)驗(yàn)的12m長×6m寬×3m高的溫室來說，其通風(fēng)換氣次數(shù)約為20～50次/h。此時(shí)在1m以下（hi/H≤0.33）的作物生長區(qū)域，室內(nèi)平均溫度與室外環(huán)境溫度溫差最大為2.1℃。這就說明在室外環(huán)境溫度比溫室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度低2℃以上，太陽輻射較強(qiáng)的時(shí)候，采用此通風(fēng)技術(shù)就能達(dá)到溫室內(nèi)環(huán)境控制的要求。而制作通風(fēng)裝置采用的材料：透明圍護(hù)可用塑料薄膜、吸熱材料可用黑色織物或者就用遮陽高率的吸熱型遮陽網(wǎng)，取材簡便，造價(jià)低廉。就本實(shí)驗(yàn)采用的太陽能通風(fēng)裝置，其造價(jià)約為：薄膜60元、吸熱織物30元、木框架30元、人工費(fèi)100元，共計(jì)220元。而1臺(tái)風(fēng)量為10000m3/h的軸流風(fēng)機(jī)價(jià)格約需1000元，遠(yuǎn)高于太陽能通風(fēng)裝置的制作成本。運(yùn)行該10000m3/h的風(fēng)機(jī)，每小時(shí)耗電量約為1.1Kwh，而太陽能不用付費(fèi)。因此，無論從初投資還是運(yùn)行費(fèi)用上說，本技術(shù)都具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。②太陽能通風(fēng)裝置產(chǎn)生的熱壓絕大多數(shù)都占整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)熱壓的70％以上，而溫室自身產(chǎn)生的熱壓只占系統(tǒng)總熱壓的20%~30%。這表明直接在溫室的頂棚上開口通風(fēng)的效果遠(yuǎn)不如安裝了太陽能通風(fēng)裝置后的效果好。這也是為什么目前很多靠自然通風(fēng)的溫室，通風(fēng)降溫效果不佳的原因所在。③本實(shí)驗(yàn)得出系統(tǒng)的平均太陽能利用系數(shù)為0.43。這說明本太陽能通風(fēng)系統(tǒng)還有很大的優(yōu)化空間。實(shí)驗(yàn)初步表明了溫室太陽能通風(fēng)技術(shù)的效果以及潛力，為該技術(shù)的深入研究及推廣提供了依據(jù)：①可以改進(jìn)太陽能通風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)：從吸熱材料及其布置形式，透明外圍護(hù)，外形尺寸優(yōu)化。然而實(shí)驗(yàn)條件畢竟有限，建議通過CF