日光温室钢管屋架管网水循环集放热系统的性能分析与试验

为探讨日光温室蓄放热新途径,研究了钢管屋架管网水循环集放热系统,测试了该系统的集热与蓄放热状况。理论计算表明,在屋架间距为1 m,上、下弦杆件均为外径33.5 mm的圆管时,系统的太阳能截获率可达7%~8%。在室内地面面积为620 m2的日光温室中的冬季测试结果表明,容积为8.6 m3的蓄热水体白昼日平均蓄热温升4.7℃,平均蓄热量为149 MJ,蓄热流量为8 721 W;夜间水体日平均放热温降2.5℃,平均放热量为78.9 MJ,平均放热流量为5 974 W;与对照日光温室相比,平均提高夜间室内最低气温2.4℃。屋架集放热系统利用温室原有屋架作为集热与放热构件,不会妨碍室内的生产作业,同时成本低,运行管理简单,容易维护。     

寒潮天气表冷器-风机集放热系统对连栋大棚热湿环境的影响

连栋塑料大棚棚内环境易受寒潮侵扰,为调节棚内热湿环境,将表冷器-风机集放系统应用于连栋塑料大棚中,在白天适宜条件下运行系统,将棚内空气盈余的热量收集并储存在蓄热水箱中,夜间气温较低时,再将储存的热量释放出来用以加温。对表冷器-风机集放热系统的运行效果进行试验,通过集热量、放热量和性能系数等评价集放热性能,并且将水气温差作为主要影响因素对系统运行阶段分别进行热流量分析和分析。结果表明,在寒潮下系统可以保证棚内气温比棚外高5.2～7.8 ℃。集热量达到了390.6～693 MJ,放热量为361.2～609 MJ,系统性能系数达到了4.4～7.2,节能效果较为显著。系统在运行过程中水气温差每增长1 ℃,集热流量增加0.82 kW,放热流量增加0.58 kW,单位时间内换热量较大;此外系统在集热阶段析湿系数约为1.70,表冷器-风机进出口空气含湿量差最高可达1.3×10-3 kg/kg,说明在集热阶段系统具有冷凝除湿的效果;同时在冷凝除湿过程中系统效率随着水气温差的增加而增加,最高可达到82.8%,能量利用率较高。该研究对保证连栋塑料大棚安全越冬生产具有重要意义。     

日光温室主动蓄放热系统应用效果研究

针对日光温室冬季夜晚温度低、作物易发生冷害等问题,设计了以水为蓄热介质的主动蓄放热系统.系统由集/放热装置、储热装置和控制装置等组成.白天进行太阳辐射热的吸收与储存,夜晚释放热量用于温室增温.试验结果表明,晴天条件下,主动蓄放热系统的集热功率为0.3kW/m2,蓄热量为6.9MJ/m2;夜间放热功率为0.2kW/m2,放热量为5.7MJ/m2,热利用效率为0.83,试验温室与对照温室的平均气温相差6.3℃;阴天及多云天气条件下,试验温室与对照温室的夜间平均气温相差4.6℃,表明主动蓄放热系统能有效改善日光温室夜间低温状况,进而保障蔬菜安全越冬生产.     

日光温室墙体与地面吸放热量测定分析

为研究日光温室土质后墙与地面对室内的放热情况,测定了晴、阴天气条件下土质后墙和地面的表面温度及热通量。结果表明,单位面积墙体与地面各自的放热量与室内太阳辐射密切相关,晴天夜间单位面积墙体放热量为 1.90 MJ/m2,地面放热量为1.36 MJ/m2,而阴天夜间单位面积墙体放热量为0.76 MJ/m2,地面放热量为1.34 MJ/m2。对于单位面积墙体和地面而言晴天墙体放热量大于地面,阴天地面放热量大于墙体,无论晴天与阴天地面全天放热总量总是大于墙体释放总量,且地面对周期热量变化的缓冲大于墙体。     

表冷器-热泵联合集热系统不同运行模式的集热性能

针对现有的表冷器-风机主动集放热系统集热能力不足的问题,该研究在现有系统的基础上加入热泵,设计了一套表冷器-热泵联合集热系统。该系统共有3种集热运行模式:仅表冷器-风机集热(风机模式);表冷器-风机集热+热泵与表冷器-风机联合集热(混合模式);仅热泵与表冷器-风机联合集热(联合模式)。依据不同天气下的不同需求确定指标赋分方式,并对各指标赋分,最终总分最高模式作为该天气下的最佳集热模式。试验结果表明:晴天时,风机模式的集热性能系数(COP)最高,达到了6.0±0.7,联合模式的集热量最大,为(763.9±17.1) MJ,而混合模式的集热COP及集热量均居中。多云天时,混合模式的集热COP最高,为4.8±0.3,联合模式的集热量最大,为(519.7±30.5) MJ。在两种天气下,平均水-气温差均呈现出风机模式、混合模式、联合模式递增的趋势。通过对各指标赋分后得出,晴天时混合模式为最佳集热模式;多云天时联合模式为最佳集热模式。该研究可为主动集放热技术的性能提升提供新思路。     

日光温室水幕帘蓄放热系统增温效应试验研究

针对日光温室夜间温度过低,难以满足作物生长需求这一问题。设计了一种水幕帘蓄放热系统,该系统以日光温室墙体结构为依托,以水为介质进行热量的蓄积与释放,白天利用水循环通过水幕帘吸收太阳能,同时将能量储存在水池中,夜晚利用水循环通过水幕帘释放热量,以提高日光温室内温度。试验测试结果表明,应用该水幕帘蓄放热系统可将温室内夜间温度提高5.4℃以上,可将作物根际温度提高1.6℃以上;该系统夜间通过水幕帘的放热量达到4.9～5.6MJ/m2;日光温室蓄放热量的增加,实现了西红柿的安全过冬生产,同时将西红柿的上市时间至少提前20d。该研究成果对日光温室结构的改进、温度调控有较大的科学意义。     

直膨式太阳能热泵供暖系统运行控制策略

针对直膨式太阳能热泵用于建筑供暖时稳定性差、效率低等问题,该研究基于构建的直膨式太阳能热泵地板辐射供暖试验平台,提出了一种基于环境参数的系统运行控制策略。热泵采用环保工质丙烷,集热/蒸发器和冷凝器均采用微通道结构,通过蓄热水箱与水循环管路相连,将热量输送到地板辐射供暖系统。基于大量试验数据与分析,拟合得到满足室内热舒适前提下不同环境温度下的供水温度下限,根据实际的太阳辐射强度将水箱内部水温提升至相应设定值以满足蓄热需求。试验结果表明：基于所提出的控制策略,系统能够及时响应环境工况变化,在多种工况都能保证较优的性能并满足舒适供暖需求,系统平均性能系数在2.02～3.58之间,压缩机入口工质过热度稳定保持在7～11 ℃,压缩机排气温度保持在90 ℃以内。所提出的运行控制策略有助于直膨式太阳能热泵供暖系统安全稳定高效运行。     

太阳能集热器的热流气体对砾石的蓄放热特性研究

太阳能的蓄放热特性的研究对清洁能源太阳能的开发和利用具有重要意义。该文利用冬季太阳能集热器的热流气体，对砾石的蓄放热特性进行了研究。以居民居住的标准房间（4 m×2.7 m）为依据进行了模拟；利用太阳能集热器的热能与直径为50～100 mm的砾石铺设成150 mm厚度的地下蓄热系统进行蓄热和放热试验，研究昼夜之间室内砾石的蓄热和放热特性；通过测试太阳能集热器的内部温度、砾石层内部及室内地表面的温度，研究了太阳能集热器的蓄热效率和转换效率，同时分析了蓄热层及室内地表面的热传递特性；为进一步开拓针对冬季寒冷地区太阳能蓄热型居民建筑物内部热环境方面的基础研究提供了科学的依据。     

严寒地区保温型塑料大棚土壤蓄放热特性

土壤温度及蓄放热特性是保温型塑料大棚土壤传热特性的重要体现。因此,为定性、定量地阐明棚内土壤温度变化规律和蓄放热特性,在严寒地区生产性大棚内进行了试验测试,并通过构建大棚土壤热量平衡简化方程、温差拟合等方法对土壤蓄放热特性进行了理论分析。研究结果表明：1）土壤温度波幅随深度的增加呈乘幂函数递减,通过计算得出测试地区大棚土壤的蓄热层平均厚度约为0.55～0.80 m;2）棚内土壤横向地中传热损失占土壤总热损失的9.8%～24.7%,若将此部分热量用于提高土壤温度,则棚内土壤平均温度可提高0.3～0.5 ℃;3）天气条件对土壤蓄放热性能的影响较大：晴天日累积蓄热量比多云天多37.2%～50.6%左右,日累积放热量比多云天多44.7%～64.3%;晴天的最大蓄热流量和日累积蓄热量均是阴天的4倍以上,与蓄热性能相比,晴天与阴天的土壤放热性能差异较小。土壤蓄放热量主要受表层土壤与气温温差的影响,棚内外气温差对其影响较小。     

主动蓄放热-热泵联合加温系统在日光温室的应用

为提高主动蓄放热系统集热效率,增强日光温室抵御低温能力,设计了一套主动蓄放热-热泵联合加温系统。白天运行主动蓄放热系统,将北墙获得的太阳辐射能储存到蓄水池中;根据天气情况及蓄水池水温变化适时开启热泵机组,降低主动蓄放热系统循环水温,进而提升其集热效率;夜间室内气温较低时,通过主动蓄放热系统放热。试验结果表明：与对照温室相比,试验温室夜间气温高出5.26～6.64℃;热泵机组制热性能系数COPHp为4.38～5.17,主动蓄放热系统可为热泵机组热源提供充足的热量,保证理想的热源温度;在日光温室特定的光热环境下,主动蓄放热-热泵联合加温系统的集热效率达到了72.32%～83.62%,总体COPSys值达5.59,节能效果显著。该研究为提高日光温室夜间温度提供了新思路。     

日光温室用双集热管多曲面槽式空气集热器性能试验

为了提高日光温室太阳能利用率,该研究提出了一种新型双集热管多曲面槽式空气集热器,并与该研究团队提出的日光温室太阳能主-被动"三重"结构相变蓄热通风墙体相结合构成太阳能主动集热蓄热系统,应用于乌鲁木齐日光温室。基于光学与传热学理论,重点考察了集热器结构(双集热管相对位置、长度)、集热器内空气流速、集热器进口温度、太阳辐射强度等参数,对该集热器光学性能和集热性能的影响规律。大量实验室试验及现场应用研究结果表明:1)新型双管集热器与同类型的单管集热器相比,空气流量增加了一倍、单位面积集热量增加了16%、集热效率提高了9%,冬季无跟踪条件下的集热效率为44%~52%;2)2015年11月-2016年2月乌鲁木齐日光温室应用实测结果表明,在集热器长度为16 m、管内空气流速为2.0 m/s的条件下,晴天集热系统可为日光温室提供约50~65 MJ的太阳热能,冬季累计可提供约5 325 MJ的太阳热能。研究结果为日光温室高效利用太阳能主动供热提供了新的技术方法参考。     

浅层地热联合太阳能集热墙系统冬季室内供暖试验

该文提出一种浅层地热联合太阳能集热墙系统,并在石河子地区对采用该系统的被动式太阳房进行了供暖测试研究,对比分析了试验房在不同供暖模式(C1对比房无任何采暖措施的模式、C2试验房未开地下室顶板通风口的供暖模式、C3试验房采用浅层地热联合太阳能集热墙系统的供暖模式)、不同天气状况(晴天、阴天)下的室内热环境。试验结果显示:试验房C3模式下室内平均温度比对照房室内平均温度高6.45℃,日较差为3.5℃;晴天时,试验房白天室内温度有5 h超过了12℃;阴天时,试验房室内外温差仍然达到9.52℃;当室外天气状况为晴天且空气质量指数(air quality index,AQI)符合二级标准限值情况下,试验房在采暖期内10月、11月、及次年的3月、4月,可仅依靠浅层地热联合太阳能集热墙系统满足室内温度的要求,节能效果显著。     

蓄能型振荡热管太阳能集热器的热性能

太阳能集热器是太阳能热泵系统的核心部件.该文设计了一种蓄能型振荡热管太阳能集热器,将其应用于蓄能型太阳能热泵系统中,可根据太阳辐射强度切换工作模式,实现太阳能分季节全天候利用,能提高系统热力性能.搭建了蓄能型振荡热管太阳能集热器热性能测试试验台,对振荡热管换热器内充灌不同工质(R134a、乙醇/水、丙酮/水)、集热管内分别利用空气显热蓄能或者石蜡潜热蓄能的蓄能型振荡热管太阳能集热器在白天和夜间工况下的热性能开展了试验研究.结果表明:振荡热管换热器内充灌R134a的集热器,白天工况下集热效率最高,平均集热效率在0.45以上,利用石蜡蓄热时最高达到了0.90;日有用得热量最大,最低可达到7.14 MJ/(m2·d);夜间工况下供热水水温最高.无论利用空气和石蜡蓄能,白天工况下集热器瞬时集热效率均与太阳辐射强度的变化规律相反.真空管内利用石蜡蓄能的蓄能型振荡热管太阳能集热器,阴雨天其集热效率远高于利用空气蓄能的集热器,平均提高64.0％,夜间供水水温均能保持在50℃以上,高于利用空气蓄热的集热器.该研究可为蓄能型太阳能热泵的推广应用提供参考依据.     

日光温室土墙传热特性及轻简化路径的理论分析

为减小日光温室土墙厚度,该研究在分析土墙温度变化的基础上提出了土墙轻简化路径并进行了理论分析。根据测试分析,土墙可划分为用于储蓄热量的蓄热层和防止热量从蓄热层向室外方向流失的保温层。土墙86.9%的部分为保温层。模拟结果表明使用由47 cm厚夯土和7 cm厚聚苯板(热阻等于3.13 m厚夯土保温层)构成的复合墙在夜间的放热量与3.6 m厚土墙相近。使用保温材料替代夯土保温层来减薄土墙在理论上可行。另外,根据模拟,当土壤20 cm深处温度提高至23℃后,土壤供热量可超过测试条件下土壤和土墙放热量总和。为此,土墙在理论上可通过以下2条途径实现轻简化:1)使用保温材料建造墙体保温层;2)使用土壤蓄热替代墙体蓄热。     

复合相变储能保温砂浆在日光温室中的应用效果

为改善日光温室内作物生长的热环境,该文研制了一种适用于日光温室的石膏基石蜡/膨胀珍珠岩复合相变储能保温砂浆,其相变温度为25.6℃,相变潜热为89.8 k J/kg。并将50 mm的复合相变保温砂浆用于砖墙日光温室的后墙作为试验温室,与无相变材料的原砖墙温室(即对照温室)进行对比试验。在试验周期内,试验温室的室内日最低温度比对照温室平均高出1.5℃,最高可达2.4℃;其中,阴天试验温室的室内温度比对照温室平均高1.6℃;晴天试验温室的室内最高温度比对照温室低1.7℃,室内最大温差比对照温室低3.1℃,夜间(17:00-次日8:00)试验温室室温比对照温室平均高2.7℃;多云期间,试验温室的室内最高温比对照温室低1.4℃,最大温差比对照温室低3.5℃,夜间试验温室室温比对照温室平均高2.3℃;在相同栽培管理条件下,生长旺盛期和坐果期,试验温室的黄瓜植株高度比对照温室分别平均高出17.1和24.6 cm,试验温室内黄瓜的单果质量和单株结果数分别为对照温室的1.4倍和1.3倍,单株产量为对照温室的1.8倍。试验结果表明,复合相变储能保温砂浆具有良好的保温和蓄、放热效果,对日光温室内的热环境具有明显的改善效果,使其更适于黄瓜的生长。     

装配加温除湿系统的轻简装配式日光温室设计及性能试验

针对中国传统日光温室土地利用率低、建设成本高、墙体构造各异及温度和湿度环境难以调控等突出问题,该研究设计出一种轻简装配式日光温室,并配套了基于温室主动蓄放热原理的冬季夜晚加温和除湿系统,其温室骨架可与主动蓄放热系统结合为一体。研究结果表明:相比于传统砖墙日光温室,轻简装配式温室冬季夜晚温度提高4.5℃以上;采用基于主动蓄放热系统热能的除湿系统,可将温室夜间相对湿度降低14%,相对湿度控制在80%以下;该温室可实现整体式装配安装,大大减少了施工时间和安装成本,温室后墙厚度为166 mm,与后墙为600 mm厚的砖墙温室相比,墙体占地面积减少72%,显著提高了土地利用率。     

不同蓄能材料的太阳能热泵系统性能对比

太阳能热泵系统与太阳能集热蓄能技术结合起来,能够很好地克服系统对太阳辐射的依赖性,该文设计了一种蓄能型太阳能热泵热水器系统。对蓄能材料分别为石蜡和癸酸时系统瞬时集热效率和2种材料的体积膨胀率进行了试验研究;在南京地区春季典型工况下,对分别采用癸酸和石蜡为蓄能材料的蓄能型太阳能热泵热水器系统性能系数进行了对比研究。研究结果表明:虽然石蜡体积膨胀率较大,系统的真空管有涨裂的危险,但在不同工况下,采用石蜡为蓄能材料的系统性能系数和瞬时性能系数均高于采用癸酸的系统,且系统稳定性好。