温室环境分析中冬季室外气温日变化及数学表达

在温室热环境准确的动态分析中室外逐时气象数据是不可缺少的,但系统完整的室外逐时气温气象观测资料相对较少,为此,该文研究了2009－2011年冬季1月份室外气温的日变化规律。根据连续2 a的观测数据,分析了华北5省区2009－2011年1月份室外气温的逐时变化情况,并归纳出根据日最高气温和日最低气温采用温度逐时变化系数计算逐时气温的方法。结果表明,该方法所得的室外逐时气温模拟结果与实测温度较为吻合。在此基础上,采用傅立叶级数展开的方法,给出了推算冬季任意时刻室外气温的数学表达式。该文为温室环境的精确模拟分析提供详尽的室外温度数据。     

地面加热系统温室热环境测定与经济分析

温室加热系统对温室冬季耗能有一定的影响。地面加热系统能够合理地利用加热系统的供暖热能，使之充分有效地供给座落在地面上的植物，并降低植物冠层上部温室空间的气温，减少了温室的能耗，这也是温室冬季节能的一种非常有效的方法。该文研究了应用地面加热系统的温室热环境，测试结果表明，温室有较好的空气温度分布。温度水平分布均匀，南北方向上温度差异在1℃左右；温度垂直梯度分布为从地面附近到保温幕下气温逐渐降低，但温度降低幅度比较小，在1℃以内，与传统加热方式的保温幕下高地面附近低的温度垂直梯度分布有明显不同。温室夜间植物根部温度在19～25℃。与传统加热方式相比，采用地面加热的温室热环境比较有利于植物生长。该文还以传统加热系统为比较对象，简单分析了地面加热系统的节能效果、散热器投资和运行效益，结果表明地面加热系统比传统加热系统节约能源28%，散热器投资费用可以节省34.1%，每年降低运行费用3万多元。     

连栋玻璃温室采暖热负荷计算方法

采暖热负荷是温室采暖系统设计中最基本的参数，为了研究随着内保温幕等设备的普及应用和温室密闭性的改善，现行标准体系下计算出的温室热负荷是否仍旧适用，该研究比较了中国和美国的共6个标准中的采暖热负荷计算方法，并以北京地区连栋玻璃温室为例进行采暖热负荷的定量分析。研究表明，基础墙传热热损失约占围护结构总热损失的0.1%，地面热损失占温室总热负荷的1%左右，两者均不是影响温室采暖热负荷的主要因素。计算表明，按照6个标准分别计算出的温室单位面积采暖热负荷最小为230.10 W/m2，最大为305.24 W/m2，相互之间差异较大，而且与温室实际配置散热器的散热量139.61 W/m2相比整体存在明显差距。在考虑内保温幕保温作用后温室的单位面积采暖热负荷最小为101.56 W/m2，最大为176.69 W/m2，如剔除中国民用与工业建筑中由于没有考虑玻璃拼缝造成冷风渗透热损失偏低的最小值，温室专用标准的热负荷计算方法基本符合实际情况。为此，研究提出在温室采暖热负荷计算中应充分考虑温室保温幕的作用，冷风渗透热损失应按换气次数法而非缝隙法计算。研究结果可为中国连栋玻璃温室采暖热负荷计算科学化、精准化、标准化提供依据。     

发泡水泥对日光温室黏土砖墙保温蓄热性能的改善效果

为改善老旧黏土砖墙的保温蓄热性能,使用发泡水泥对黏土砖墙进行加厚并进行了试验测试。对照温室黏土砖墙由120 mm黏土砖+100 mm聚苯板+240 mm黏土砖（从室内至室外）构成,试验温室结构、管理与对照温室相同,仅北墙采用200 mm 的发泡水泥对原有黏土砖墙进行了加厚（简称为“改造砖墙”）。通过对比分析2温室墙体在典型晴天和阴天内的温度变化,表明：在晴天夜间,黏土砖墙和改造砖墙外表面温度比室外气温分别高(2.8±0.9)和(0.8±0.2)℃,黏土砖墙和改造砖墙内表面温度比室内气温分别高(1.5±0.5)和(2.4±0.2)℃。在阴天,黏土砖墙全天内表面温度全天低于室内气温,而改造砖墙内表面温度在17：30－次日08：00期间较室内气温高(0.3±0.2)℃。因此,采用发泡水泥加厚黏土砖墙不仅可减少墙体热损失,还能增加墙体夜间散热量。     

下沉式日光温室土质墙体热特性的试验与分析

为探明下沉式日光温室土质后墙温度分布及变化规律,进而正确评价其保温性能,2009年12月-2011年6月在河南省荥阳市对下沉式日光温室的土质墙体的热特性进行了2a的连续监测,并对结果进行系统分析。结果表明:墙面温度受室内、外气温和太阳辐射的共同影响,具有与气温相同的日变化和季节变化规律;墙面温度影响墙内各深度层次的温度分布,沿墙的厚度方向由室内表面向室外表面温度递减;墙内存在热稳定层,其位置及厚度随季节而变化,厚度与墙体厚度正相关;1～3月份,热稳定层位于墙体厚度的中心位置,2m厚的墙体处没有热稳定层,3m厚的墙体处热稳定层厚30cm,4m厚的墙体处热稳定层厚70cm;4、5月份,其位置外移至距外表面100cm处,厚度也比1～3月份增加10～20cm;综合温室造价、墙体保温性及土地利用率等各方面因素,建议在河南地区下沉式日光温室土质后墙建造参数为顶宽2.5m,底厚(后墙与室外地面连接处)4.0m,后墙高度(距室外地面)不宜大于2.5m。该研究为该型温室的建造和发展提供一定的参考。     

日光温室夏季降温措施的试验研究初报

针对日光温室的夏季降温需要，分别对自然通风、自然通风+遮阳网系统、自然通风+微喷降温系统、自然通风+遮阳网+微喷降温系统四种措施进行对比试验，分析了这4种措施对室内的气温、相对湿度和地温的影响。结果表明，自然通风+遮阳网系统下温室内的气温最多降低2.2℃，白天平均降低1.4℃，室内地温平均降低3.8℃，最多可降低4.5℃；自然通风+微喷降温系统下温室内气温最多降低3.2℃，平均降低2.4℃，地温最多降低2.0℃，平均降低0.9℃；在自然通风情况下联合运用遮阳网和微喷降温系统室内气温最多降低5.4℃，平均降低4.4℃，与室外气温相比，最多高1.9℃，平均仅高0.7℃，基本接近室外气温。而在自然通风条件下，室内的气温比室外气温最多高7.2℃，平均高5.1℃。可见，自然通风+遮阳网+微喷降温系统降温效果最好。     

日光温室土墙体温度变化及蓄热放热特点

为研究日光温室土墙体温度变化规律及蓄放热特性,以泰安市下挖式土墙日光温室为研究对象,在温室北墙布置5个测试层,通过各测试层最冷季节(30 d)温室内气温、墙体温度、室外气温及室外太阳辐照度测试数据,分析了土墙日光温室内部温度及墙体内温度的分布规律。结果表明:各测试层墙体表面及0.1~0.6 m处测点的温度均呈现出随温室气温周期性变化的规律,且随着墙体厚度的增加温度的波动幅值逐渐减小,相位明显后移;0.7 m以后测点的温度幅值趋于稳定,处于稳态向室外的导热过程。基于墙体温度分布规律,对墙体白天的蓄热量、夜间的放热量及墙体夜间放热效率进行了计算,得出墙体夜间放热效率为43%,表明土墙白天蓄积热量的43%用于改善夜间温室内热环境。对墙体蓄热和放热量计算,综合评价墙体的平均放热效率,可以为土墙日光温室结构优化及热负荷计算提供指导,为各地土墙温室轻简化技术研究提供理论基础。     

日光温室墙体传热特性的研究

为提高日光温室的节能效果、探索能有效提高温室热环境的墙体材料及组成，对结构相同、墙体材料不同的温室温度环境进行了测试，用频率响应法对不同材料组成的600 mm厚墙体的传热特性分别进行了理论分析。测试结果表明：在同一温室内，复合异质墙体夜间内表面温度比纯砖墙内表面温度平均提高3.7℃；在相同室外温度环境条件下，复合异质墙体温室内夜间空气温度比夯实土墙温室的室内温度平均提高3.0℃。理论分析结果显示：复合异质墙体对室外温度扰量的衰减倍数是聚苯乙烯泡沫塑料板(以下简称聚苯板)墙体的12.3倍、是纯砖墙的9.5倍；单位面积复合异质墙体全天向室外传热量是纯砖墙的1/17。理论分析及试验都证明聚苯板作为墙体的隔热材料、砖作为墙体的蓄热材料是合理的。该文给出了最佳墙体的组成。     

日光温室保温被卷放位置对温度环境的影响

温室保温被卷放位置影响着室内的太阳能得热及通过前屋面的散热,从而影响着温室温度。该研究以室外气象因子为模拟输入条件,分别模拟晴天、阴天不同保温被卷放位置对12 m跨度日光温室温度环境的影响。保温被卷放位置分别为保温被卷至前屋面一半与至顶2种方案。模拟结果显示：白天保温被卷至前屋面一半的室内空气温度高于保温被卷至屋顶的温度,而夜间2种方案室内空气温度差异不明显;晴天保温被卷至屋顶与卷至前屋面一半相比,可明显提高夜间墙体表面温度,但对后坡的夜间表面温度影响较小。该研究结果对温室生产中晴天、阴天保温被卷的合理放     

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。     

基于CFD的下沉式日光温室保温性能分析

为了深入了解下沉式日光温室的保温性能,该文基于非稳态传热模型,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件模拟盖帘状态下下沉式日光温室的温度场,并采用试验对CFD模拟温室内的温度场进行验证,验证结果表明,CFD对下沉式日光温室盖帘状态下温度场的模拟具有较高的可信度.为了提高下沉式日光温室的保温效率,使用CFD软件对不同盖帘时间的下沉式日光温室的温度场进行模拟,并分析其对热能分布的影响.结果表明,不同盖帘时刻对下沉式日光温室夜间温度的影响差异显著;在午后弱光、室内外温差较大条件下,提前盖帘可以显著提高日光温室内夜间温度.该研究为CFD在下沉式日光温室研究中的应用及下沉式日光温室盖帘管理提供参考.     

水墙封闭温室夏季降温特性

封闭温室(closed greenhouse)是一种建筑结构全封闭式的透光型温室,能够实现节能减排、室内蒸散水回收利用、维持高水平CO_2浓度以及隔绝气传病菌孢子等。但在夏季,封闭温室内高温环境难以有效控制,或需消耗巨大电能,无法投入生产。为降低夏季封闭温室内环境温度,从低碳节能的角度出发,设计并建造了一栋水墙封闭温室。2015年7月26日至9月10日,对水墙封闭温室夏季降温特性进行试验测试,结果表明:正午前后(10:00-16:00),室内平均气温为29.4~34.3℃,比室外低0.8~6.8℃,降温效果明显;且太阳辐射越强烈、环境温度越高,则水墙封闭温室的降温幅度越大(P0.01)。白天作物进行光合生产期间(06:00-18:00),封闭温室内气温有94.6%的时间被控制在35℃以内,可有效避免高温胁迫。夜间(18:00-06:00)室内湿度被控制在80%以下,平均湿度为54.7%~73.7%,比室外低7.2%~17.5%,降湿效果明显;且室内外湿度差与室内外温度差呈线性负相关(P0.01)。白天室内水平方向平均太阳辐射量为31.5~67.4 W/m~2,约为室外的11.9%~17.8%。太阳辐射由室外进入水墙封闭温室内,远红光占比由41.9%降低至9.2%,透过率仅为6.0%,有利于抑制室内高温。在室内太阳光谱中红、蓝光占比最大,分别为23.9%和27.1%,较之室外均有提升;其透过率分别为32.4%和37.5%,远高于紫外光和远红光。可见,水墙封闭温室可以有选择性的透过太阳光谱,抑制室内高温的同时保证充足的光合有效辐射。此外,墙体水温及室内气温分布、日变化均呈现一定规律。综上,水墙封闭温室能在夏季通过自身结构达到理想的降温效果,并获得适宜的湿度、光照等条件,是一种可行的、低碳节能的封闭温室型式,可为封闭温室的应用发展提供参考与技术支持。     

冬夏兼用型日光温室内热湿性能分析与应用效果

日光温室是中国北方地区重要的农业设施类型,可进行春提早、秋延后与越冬栽培,但在夏季高温季节使用困难。为了提高苏北地区日光温室的利用效率,该文设计了一种后墙部分可拆装的冬夏兼用型日光温室,该日光温室的后墙包括上下两部分,上部分为镀锌钢架和秸秆块组成的拆装墙体,下部分为空心砌块砌筑的固定墙体。该文以当地传统空心砌块后墙日光温室为对照,首先监测两种日光温室最热月和最冷月的室内外温湿度变化;其次,比较分析了两种日光温室后墙材料热工性能、冬季后墙温度波动和热流密度的差异以及夏季室内空气流动速率的差异;最后,分析比较了两栋日光温室冬夏季室内作物生长状况、产量以及投入产出比。结果显示,冬夏兼用型日光温室固定墙体的热稳定性能和隔热性能分别高于传统空心砌块墙体10.8倍和18.3倍,昼平均热流密度高约19.0%,蓄热时间长约1.0 h,夜间平均热流密度高约18.3%,放热时间长约2.1 h。夏季拆除秸秆块后,冬夏兼用型日光温室内空气流速明显高于对照温室。田间监测发现,与对照温室相比,冬夏兼用型日光温室冬季白天室内平均气温高1.1℃,室内平均湿度低9.1%;夜间室内平均气温高1.0℃,室内平均湿度低6.8%,番茄单株产量显著提高16.7%;夏季通风口面积大,室内空气流速大,通过自然通风排除的热量多,白天室内平均气温低4.0℃,夜晚室内平均气温低3.1℃,日最高气温低1.4~8.1℃,不结球白菜单株鲜质量显著提高38.5%。统计结果显示,与对照温室相比,冬夏兼用型日光温室投入产出比高8.05%。综上,与当地传统空心砌块后墙日光温室相比,冬夏兼用型日光温室冬季保温性能和控湿性能好,夏季通风降温性能优良,能够实现作物的周年生产,在苏北地区具有一定的实用价值。     

固化沙蓄热后墙日光温室热工性能试验

结合西北非耕地地区多沙的特点,在因地制宜、就地取材的基础上,该课题组设计了1种以多孔砖和固化沙为后墙结构主要材料的新型复合墙体日光温室。该日光温室有被动蓄热后墙和主动蓄热后墙2种类型,被动蓄热后墙以固化沙为主要蓄热体,主动蓄热后墙在被动蓄热墙体的基础上增设了蓄热循环系统。通过在内蒙古乌海地区进行试验,分析其热工性能,并与当地普通砖墙日光温室性能进行比较分析。试验结果表明,晴天条件下,固化沙被动蓄热后墙温室、固化沙主动蓄热后墙温室、普通砖墙温室的夜间平均气温分别为13.7、17.0、12.8℃。阴天条件下,3座温室的夜间平均气温分别为10.6、13.8、10.0℃。固化沙被动蓄热后墙温室墙体内部恒定温度区域处于500~740 mm之间,蓄热体厚度近500 mm,其中固化沙蓄热体厚度近380 mm。固化沙主动蓄热后墙温室的墙体内部恒定温度区域处于740~1 000 mm之间,蓄热体厚度超过740 mm,其中固化沙蓄热厚度超过620 mm。综上,固化沙主动蓄热后墙日光温室的热工性能明显优于固化沙被动蓄热后墙日光温室及当地普通砖墙日光温室,可满足喜温作物的越冬生产,在西北多沙地区具有一定的实用推广价值。     

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。     

利用BP神经网络对江淮地区梅雨季节现代化温室小气候的模拟与分析

为对江淮地区现代化温室内梅雨季节的小气候进行模拟与分析，在建立相应的BP神经网络模拟模型的基础上，进一步研究了外部温度、湿度、风速、太阳总辐射和天窗开度5个因素对温室内温度、湿度、风速的影响。研究发现可以使用BP神经网络对梅雨季节的小气候进行模拟，模型具有较高的精度，是对物理模型的有益补充；梅雨季节室内湿度受室外湿度的强烈影响，在5个输入因素中所占比重为51.7%；室内风速主要受室外风速和天窗开度的共同影响，受室外温度的影响较小，所占比重仅为10%；室内温度主要受室外温度和太阳辐射的影响，二者所占比重分别为46.2%和27.9%。     

利用CFD模型研究日光温室内的空气流动

在温室内空气流动对室内环境具有重要调节作用,因此有必要研究日光温室内空气流动特性。基于计算流体动力学CFD(computational fluid dynamics)方法,运用大型计算流体动力学软件Fluent对日光温室建立模型,采用标准湍流模型对日光温室内气流分布进行了三维稳态求解。模拟时将日光温室内外空气作为研究对象,并且温室内空间连同其周围的一部分室外空间一起作为CFD模拟的计算领域。对日光温室内气流变化及分布进行了数值模拟,并在温室内进行了气流试验测试,对测量值和计算所得的风速值进行了比较,结果表明,二者最大误差小于9%,说明风速的实测值和模拟值吻合良好,CFD模型有效,且得到了日光温室内部流场速度分布。通过气流流场模拟结果分析表明,直观显示了日光温内的流场特性和流动状态,气流从窗户进入沿着底部通风口流出日光温室,并且气流在底部通风口速度分布较均匀,在温室下部形成了较为明显的涡流。该文模拟结果可为东北地区日光温室的优化设计以及温室环境调节等方面提供理论依据。     

温室墙体中覆铝箔封闭空气腔热工性能模拟分析

通过建立封闭空气腔二维稳态流动传热模型和温室墙体一维非稳态导热模型,模拟计算封闭腔内空气温度分布,研究了日光温室墙体中覆铝箔封闭空气腔的热工性能。结果表明:壁面覆铝箔可有效减少封闭空气腔的辐射换热量;封闭空气腔的热阻随封闭腔高度的增加而增大,高度达1.5 m后,热阻趋于不变;封闭空气腔的厚度小于0.03 m时,其热阻随厚度增加而增大,厚度超过0.03 m后,热阻逐渐减小;覆铝箔封闭空气腔高度为1.5 m、厚度为0.03 m、内外壁面温差为2~20 K时,热阻为0.70~0.55 K·m~2/W,保温隔热效果相当于0.81~0.64 m厚夯实黏土结构、0.55~0.43 m厚红砖砌体结构墙体或0.20~0.16 m厚煤渣、0.06~0.05 m厚珍珠岩、0.03~0.02 m厚聚苯板隔热材料。3组30 mm厚覆铝箔封闭空气腔加480 mm红砖复合墙体(360 mm红砖墙+3组30 mm封闭空气腔+120 mm红砖墙,240 mm红砖墙+3组30 mm封闭空气腔+240 mm红砖墙),其夜间向室内放热量较单一480 mm红砖墙体提高99.5%~104.2%,与相同结构聚苯板红砖复合墙体无明显差距。     

带前馈的比例积分(PI)控制方法在温室热水加温系统中的应用

由于受到室外温度、空气流动、太阳辐射等的影响，温室室内温度控制较为复杂。针对热水加温温室的特点，提出用带前馈的比例积分(PI)控制方法来控制热水管道温度。在实际应用中设定恰当的参数是取得理想控制效果的关键。本文以室外温度、太阳辐照度、风速及温室的状态等为输入，利用径向基函数神经网络建立室内温度预测模型，在此基础上，通过计算机模拟，快速地确定带前馈的比例积分控制方法中使用的参数。