日光温室顶部菲涅尔透镜的光热分离特性研究

为了进一步提高日光温室内主动蓄放热的热能利用效率,该研究在日光温室内的顶部空间,构建了基于曲面菲涅尔透镜的直散分离系统,该系统对顶部区域的空间利用率为25.8%。利用光学仿真软件对不同入射角的太阳光进行追踪,并对该曲面菲涅尔透镜在典型日条件下的接收效率和焦斑分布进行分析,得到一日内的变化规律。在直射光集热测试方面,正午时段内,该系统的集热效率可以达到45%。对比散射光环境对温室的影响,发现试验区全天光照度减小约为10%~40%。该文以主动集热土垄加温系统提升栽培土垄温度作为试验组,并与不加温对照组进行了比较。试验结果表明,系统可提高土垄温度4.5~5.0℃。连续晴天情况下,土垄加温系统的COP(coefficient of performance)为1.5~1.9。研究表明此新型温室集热方式可提高空间利用率,改善温室内光热环境,同时利用午间强直射光集热,实现太阳能综合利用。     

日光温室空气余热热泵加温系统应用效果

中国日光温室是低碳节能设施结构类型的代表,但昼夜能量分布极不平衡,白天室内热量富余,而夜间低温高湿,冷害、病虫害时有发生。为实现日光温室内热量在时间、空间上的转移,以提高空气热能利用效率,提升日光温室抵御低温能力,设计了一套日光温室空气余热热泵加温系统。白天适时运行系统,将日光温室内富余空气热能泵取并储存于蓄热水池中;夜间室内气温较低时,首先开启风机和水泵,以对流换热方式通过表冷器直接散热;当蓄热水池水温降至一定温度,逆向运行热泵系统强制放热;此外,在连阴天及极端低温天气条件下,可开启风机与翅片式电加热对温室进行应急加温。对加温系统的应用效果进行试验,试验结果表明：与对照温室相比,系统运行期间,试验温室夜间平均气温高出2.8～4.4℃,相对湿度降低8.0%～11.5%;白天平均气温降低3.7～5.2℃,相对湿度降低12.3%～16.5%。系统不仅夜间加温、降湿效果显著,同时白天降温、除湿效果显著。系统白天集热功率为12.5～16.4 kW,制热性能系数为3.3～4.2;夜间表冷器散热阶段系统放热功率为9.3～10.3 kW,性能系数为6.6～7.4;逆向运行热泵强制放热阶段系统性能系数为3.8～4.1。加温周期内系统集、放热过程始终处于制热工况,整体性能系数达2.7,节能效果显著。该研究为日光温室夜间节能加温提供了新思路。     

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。     

严寒地区小型线性菲涅尔聚光集热器末端损失与补偿

针对严寒地区线性菲涅尔聚光集热器末端损失严重的问题,该文以呼和浩特地区小型线性菲涅尔聚光集热系统为研究对象,根据不同季节太阳位置的变化,理论分析并计算了沿水平南北轴放置的线性菲涅尔集热器自东向西跟踪过程的末端损失,得到其变化规律及补偿方法,并进行了试验验证。结果表明,一天中末端损失随时间的变化趋势与太阳高度角的变化趋势相同,与太阳方位角变化趋势相反,正午时刻末端损失最大,早晨和傍晚时刻末端损失最小;不同季节相同时间段内的末端损失,冬季最大,夏季最小,春季和秋季几乎相等;镜场调节试验结果表明,增大反射镜北端与水平面的夹角可以补偿末端损失,在夏至前后正午,当镜场北端抬高20°时,末端损失减少至集热器长度的1/10左右,瞬时集热效率达到65.9%,与反射镜调节前相比,正午瞬时集热效率提高54.5%,下午时间段内瞬时集热效率提高20%左右。研究结果可为减小严寒地区小型线性菲涅尔聚光集热器末端损失提供理论参考。     

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。     

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。     

K-means结合RBF神经网络预测线性菲涅尔集热回路出口熔盐温度

线性菲涅尔集热回路出口熔盐温度控制具有扰动多、非线性及滞后的特点,出口熔盐温度的稳定控制可以极大的提高汽轮机组的发电效率,降低换热系统的调节难度、减少传储热设备的冷热冲击,提高系统使用寿命。针对传统数学模型预测线性菲涅尔集热回路出口熔盐温度精度低、计算复杂等问题,通过分析线性菲涅尔集热回路传热模型,确定影响集热回路出口熔盐温度的主要因素,建立基于K-means方法的RBF(Radial Basis Function)神经网络温度预测模型,应用均值聚类算法对输入样本信息进行分析,确定各聚类的数据中心,隐含层基函数扩展常数采用梯度下降的方法在训练过程中循环调整确定,基函数输出的网络权值采用伪逆矩阵的方式获得。通过大量实测数据训练网络,得出当隐层节点数为30时可获得相对较小的平均绝对百分误差和相对较小的最大绝对误差,选取4 d的实测数据对网络模型预测性能进行仿真测试,网络预测输出最大绝对误差MRERR(MaximumabsoluteError)为121.23℃,最大平均绝对百分误差MAPE(Maximum mean Absolute Percentage Error)为3.576 2×10-4%,仿真结果显示该模型可以有效实现线性菲涅尔集热回路出口熔盐温度预测输出。将预测模型应用于敦煌50MW熔盐线性菲涅尔式光热示范电站的实际运行中,通过预测算法指导电站集热回路出口温度的预测控制。     

日光温室金属膜集放热装置增温效果的性能测试

日光温室冬季夜间温度较低,为满足作物能正常生长往往需要加温装置,为此,该课题组设计了一种双黑膜主动集放热装置,该装置白天以热辐射和热对流的模式吸收太阳辐射热和温室内空气中的热量,夜间通过热对流的模式将热量释放到温室中,以增加温室夜间温度。通过冬季加温试验发现该装置对太阳辐射的吸收率偏低,为进一步提升该装置的集放热性能,该文对原有双黑膜集放热装置进行了改进,用金属膜替换原有双黑膜吸热面,试验结果表明:运行金属膜集放热装置能将温室夜间最低温度提高2.4℃,装置的集热效率为83%,热量的有效利用率为68%;与电加热加温方式相比节能量为110 MJ,节能72.6%,节能效果显著;金属膜集放热装置对太阳辐射的吸收系数为0.81,比双黑膜集放热装置提高了0.22;白天温室自然通风条件下,装置与空气间的对流换热系数为14.6W/(m2·℃),比双黑膜蓄放热装置高6.3 W/(m2·℃)。     

大跨度主动蓄能型温室温湿环境监测及节能保温性能评价

针对日光温室土地利用率低,单体小不能进行立体栽培果树种植,不利于机械化操作等问题。该文提出一种大跨度主动蓄能型温室,该温室南北走向,双屋面拱形钢骨架结构,并采用主动蓄放热系统进行能量的蓄积与释放。该试验以传统砖墙日光温室作为对照,对大跨度主动蓄能型温室室内外温湿度以及主动蓄放热系统的能量收支进行分析,并对比2种温室的建造成本,综合分析了试验温室保温节能效果及经济效益。结果表明:大跨度主动蓄能型温室土地利用率高达87.4%。温室夜间平均气温高于10℃,无极端低温,晴天夜间平均气温比对照温室高1.5~3.1℃,比室外高13.9~19.3℃;阴天夜间平均气温比对照温室高1.2~2.8℃,比室外高12.5~18.9℃。夜间室内相对湿度平均比对照温室低7%~10%。主动蓄放热系统性能系数COP(coefficient of performance)为3.4~4.2,平均每天能耗0.013 k Wh/m2,与传统燃煤锅炉加温系统相比,平均节能率为47%。大跨度主动蓄能型温室建造成本每平米307.2元,比传统砖墙日光温室低144.5元。大跨度主动蓄能型温室是一种土地利用率高,单体大,保温性能良好,能进行冬季果菜生产的新型温室类型,且投入少,综合其经济环境效益,值得推广应用。     

温室双集热管多曲面槽式空气集热器模型构建与应用

为定量分析并预测复杂多变的室外工况对双集热管多曲面槽式空气集热器热工性能的影响,该研究针对双集热管多曲面槽式空气集热器结构及光学性能,结合能量守恒理论分析其传热过程,采用有限元及集总参数法建立其数学模型,并通过搭建双管集热器热性能测试平台和北京地区实际温室系统验证其有效性。结果表明:无论双管集热器反射槽体外是否贴附保温层,其数学模型的平均绝对误差为±0.9℃,平均相对误差为3.7%,误差分析指数IA(Indexof Agreement)可达0.994;对于北京地区实际工程中的16 m双集热管多曲面槽式空气集热器串联集热系统,其数学模型能够较为准确的给出不同室外工况及不同串联长度的集热系统出口空气温度,其平均绝对误差为±(1.3～2.7)℃,平均相对误差为5.4%～7.0%,误差分析指数IA为0.988～0.994。该模型为指导太阳能空气集热器在日光温室中的最优配置及其运行策略提供方法手段及技术参考。     

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.     

日光温室主动蓄放热系统优化

为了提高日光温室主动蓄放热系统运行的稳定性和可靠性,该研究在第六代主动蓄放热系统的基础上,对主动蓄放热系统的循环管路、供水方式和集放热板进行优化改进,并对系统的加温效果和性能进行探究。研究结果表明,在3种不同的太阳辐射强度天气条件下,试验区的平均气温比对照区分别高2.7、2.2和1.9℃;单位面积集热量分别为4.6、3.7和2.6 MJ/m~2,单位面积放热量分别为4.1、3.4和3.1 MJ/m~2;平均集热功率分别为183.1、146.5和105.0 W/m~2,平均放热功率分别为163.2、134.0和121.1W/m~2;平均集热效率分别为56.5%、68.2%和73.8%;平均性能系数分别为3.8、3.1和2.8;与电加热相比,平均节能率分别为73.5%、67.1%和63.0%。在主动蓄放热系统加温期间,在不同太阳辐射强度天气条件下,试验区南北温差较大,植株群体内部南北最大平均气温分别相差2.8、2.6和2.4℃。研究结果可为主动蓄放热系统的推广应用提供理论基础和数据支撑。     

日光温室后墙蓄放热帘增温效果的性能测试

为了增加日光温室有效蓄热量,改善日光温室夜间温度环境,保障作物安全越冬,该文设计了一种以日光温室后墙为结构支撑的温室蓄放热帘增温系统,白天利用该系统的集放热板吸收太阳辐射热,并通过水介质将热量储存于蓄热水池中;夜晚通过水介质的循环将蓄积的热量释放到温室中,以提高夜晚温室内空气温度。试验结果表明：晴天时应用温室蓄放热帘增温系统能将温室夜间平均气温提高4.6℃,阴天时能提高温室夜间平均气温4.5℃;试验期间当室外最低气温为-12.5℃时,对照温室最低气温仅为5.4℃,而试验温室最低气温为10.1℃;该系统在阴天平均集热效率为42.3%,在晴天时平均集热效率为57.7%;与电加热方式相比该系统的节能率达到51.1%以上。     

菲涅尔高倍聚光PV/T系统热电输出性能模拟与试验

该文基于直通式微通道冷却的菲涅尔高倍聚光PV/T系统热电输出性能的仿真和试验进行研究,结果表明,太阳辐照度、聚光元件间的装配距离、入射角及热对流等对系统热电性能的影响较大;太阳直接辐照度为226 W/m2时,菲涅尔透镜与聚光元件间距离增大2 mm后,功率和电效率分别下降0.98 W和7.4%,对于确定的菲涅尔高倍聚光PV/T系统,存在最佳聚光元件装配参数范围;当太阳直接辐照度一定时,冷却工质流量越大,电池表面温度下降越快,但在较高流量时,随着流量持续增大,电池表面温度下降趋势减小;当入射角由0°增大至1°后,系统得热量下降0.25 MJ,在太阳辐照度达到500 W/m2时,输出功率下降6.35 W;试验系统输出性能稳定,且适用于大型系统,该文研究为系统实际运行参数调控提供理论和试验依据。     

轻简柔性墙体装配式日光温室能耗分析

轻简装配式日光温室的柔性墙体一般不具备蓄热能力,为评估其地区适应性,该研究以太阳辐射为主要指标,结合气候条件和日光温室发展选择中国17个城市,利用热平衡方程和日光温室热环境模拟软件RGWS-RHJPJV1.2,计算最冷月室外最低温度下温室的采暖热负荷和冬至日的采暖需求量,并以主动蓄放热系统供热为例,分析轻简装配式日光温室太阳能热利用效果。研究结果表明：在所选城市中,轻简装配式日光温室采暖热负荷的范围为50～150 W/m²,随着城市地理纬度的升高,采暖热负荷增大,以冬至日为例,约20%城市轻简装配式日光温室的采暖需求量在0～2 MJ/(m²·d),约50%在2～4MJ/(m²·d),仅10%大于6 MJ/(m²·d);对轻简装配式日光温室采暖热负荷影响最大的参数是南屋面保温被传热系数,其次是温室的换气次数;在拉萨和昌都,主动蓄放热系统对轻简装配式日光温室采暖需求量的满足率为100%。轻简装配式日光温室的采暖热负荷和采暖需求量在中国不同气候区差异较大,且主动蓄放热系统的加温效果在地区间差异也很大。研究...     

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。     

相变蓄热墙体对日光温室热环境的改善

该文以北京市郊区某蔬菜种植基地日光温室为研究对象,将所研制的新型相变蓄热墙体材料应用于日光温室北墙内表面,通过提高温室墙体太阳能集热与蓄热能力,达到提高太阳能热利用效率和改善日光温室热环境的目的。采用40mm厚相变蓄热墙体材料板的试验温室与同尺寸的普通砖墙的对照温室比较,2010年12月21日至2011年1月18日的比较试验结果表明:草帘开启时段(白天),前者后墙表面温度平均提高1～2.7℃,耕作层(0～20cm)土壤平均温度提升0.5℃,室内环境平均温度提升0.2～2.1℃;草帘关闭时段(夜间),试验温室后墙表面温度平均提高2.1～4.3℃,耕作层土壤平均温度提升0.5～1.4℃,室内环境平均温度提升1.6～2.1℃。所研制的相变蓄热墙体材料较好地改善了温室作物生长热环境,提高了日光温室的太阳能热利用率。     

日光温室后坡漫反射幕应用方法及效果验证

日光温室东西垄向栽培可有效提高机械作业效率,但冠层遮挡易造成光照不均,从而影响作物生长发育。针对该问题,该研究提出了适用于日光温室后坡的漫反射幕应用方法,并于试验温室内设置4个东西方向垄,依据理论方法在试验区后坡张挂漫反射幕,以此验证张挂漫反射幕对温室番茄冠层光环境的影响。结果表明：冬季上午,外界光强相对较弱,漫反射幕对冠层光环境的影响较小;中午时,试验区各垄北向来光在冠层1.0和1.4 m高度相比对照组均有显著增强（P<0.05）,提升10.4%～68.8%,上方来光光强在冠层1.0 m高度相比对照组显著增强（提升16.3%～30.4%,P<0.05）,在1.4 m高度除第三垄外,影响均不显著（P>0.05）;下午,与对照区相比,试验区各垄在冠层1.0和1.4 m高度北向来光光强均有增强,最高提升102.0%;相对对照区,试验区第二、三、四垄上方来光光强显著增强（P<0.05）,提升范围为19.7%～54.3%。因此,漫反射幕可将入射到日光温室后坡的光照反射至各栽培垄北侧,从而改善东西向栽培各垄番茄冠层光照环境。     

节能型日光温室智能加温控制系统设计

在北方冬季节能型日光温室生产中常出现极端低温天气,气温低于作物致死温度,导致温室作物大幅减产甚至绝收。为精准调控温室温度,降低低温带来的损失,本研究设计了一套日光温室智能加温控制系统,其硬件设备由感知模块、主控模块、通讯模块、伺服模块、执行设备组成。系统实现了日光温室温度环境的智能控制,可自动采集温室内气温数据,并根据主控模块内设置的加温控制阈值实现温度执行设备的自动开关,同时可通过Android远程客户端进行数据查看及执行设备状态控制。系统应用与验证结果表明:二代砖墙日光温室最低温度维持6~8℃,则系统日开启时间需4.9h,日资金投入146元;维持10~12℃,则系统日开启时间6.1h,日资金投入194元。应用过程中系统性能稳定,实现了温度环境的精细化、无人值守智能调控,夜间加温效果良好。