地源热泵水蓄能型植物工厂降温系统夏季运行特性

针对田间环境复杂、秸秆形态多样、秸秆覆盖率判断主观性影响过大、补贴面积测量耗时耗力等问题,该文开展了秸秆覆盖率率自动识别方法研究和监测设备研制。首先,提出利用时频变换进行秸秆识别,设计高通滤波器提取了图像的频域特征进行自适应分割。基于集成分类器利用已有的秸秆识别数据训练支持向量机分类器,对秸秆图像进行再识别和筛选。最后,设计多尺度占比滤波器,对识别图像中的噪声和空洞进行修补,生成适应多种情况的秸秆覆盖率识别算法。与北斗定位模块、无线通讯模块、摄像头、传感器、服务器等设备共同组成秸秆覆盖率识别系统。试验结果表明,设备的秸秆覆盖率识别误差为4.55%,平均单张图像耗时0.05 s。研究结果满足保护性耕作中的自动化监测要求,可为保护性耕作作业质量评测提供有效的技术支持。     

全混式厌氧发酵池加温负荷模型及其影响因素试验研究

沼气工程全混式厌氧发酵池加温负荷计算准确性关系到整个系统设计合理性、运行稳定性和系统经济性,明确加温负荷模型并了解主要因素对其影响特性非常重要。针对上海实际沼气工程全混式厌氧发酵池热过程,建立加温负荷物理和数学模型,为分析加温负荷各组成部分的大小、对全年加热量的影响,提出月平均负荷百分比、月围护结构散热率、月平均池容日负荷、全年池容总加温负荷以及设计池容加温负荷5个指标。考察不同发酵温度和顶膜保温层厚度等主要因素对加温负荷的影响得出:上海地区发酵温度为(30±1)、(35±1)℃的加温负荷约是发酵温度为(25±1)℃的1.54和1.94倍;发酵温度35℃相对于发酵温度30℃,总加温负荷增加约40%,同时热量获得的难度加大,源侧进水温度相同时热泵机组制热能效比(coefficient of performance,COP)下降约0.6;确定经济发酵温度为30℃;通过对比顶膜采用橡塑保温层厚度分别为0、25、50和75 mm对加温负荷的影响,得出每增加25 mm橡塑保温层后围护结构散热负荷减少率为67.99%、16.49%和7.28%,总加温负荷减少率为48.02%、7.17%和2.85%,确定上海地区顶膜经济保温层厚度为50 mm。根据模型计算加温负荷结果与实际工程试验计算结果相比,相对误差在0.6%~7.8%之间,结果可以为沼气工程加温负荷计算和保温层厚度提供参考。     

光伏发电技术在温室中的应用形式研究

因土地资源限制、常规化石能源污染环境和设施农业迅速发展等原因,太阳能光伏发电技术与温室的结合得到广泛应用。为了探究太阳能光伏组件的铺设对温室内部环境的影响,总结归纳了国内外学者对不同种类的光伏温室在光伏覆盖面积和排布形式方面的研究成果,得到晶体硅光伏温室覆盖率20%和非晶硅光伏温室覆盖率30%左右时对温室内作物生长影响较小,适当的光伏覆盖面积还可以提升作物的品质,并且在炎热的夏季能够起到很好的遮阳效果。在文献研究基础上,创新地将薄膜光伏电池用于温室外遮阳系统,并且通过可旋转的光伏遮阳板,根据温室对光的实时需求自由调节遮光率。     

植物工厂水蓄能型地下水源热泵供热系统节能运行特性研究

植物工厂供热系统中,采用传统能源存在一次能源利用率低且污染严重的问题。地下水源热泵节能环保,如果结合蓄能技术可进一步降低运行能耗。该文以上海崇明自然光植物工厂为例,对水蓄能型地下水源热泵供能系统进行节能运行特性研究。结果表明:水蓄能型地下水源热泵供能系统在冬季运行时,采用基于分时电价政策的间歇运行模式,即在电价低谷时,热泵机组边供热边蓄热;在电价高峰期,充分利用蓄热水箱供热。典型周内供能系统按照间歇模式运行可以维持室内温度17~26℃之间,系统稳定运行时,热泵机组制热功率与耗电功率的比值(coefficient of performance,COP)稳定在4.2左右。其中计算典型日水蓄能型地下水源热泵系统比不蓄能系统节省30.34%的费用,供能系统COP为3.17,进一步说明系统较为高效平稳。系统冬季运行一次能源利用系数0.99,相对于冷水机组与燃煤锅炉配套系统,节能率达到81.05%。计算不同能源冬季加热成本,燃煤、燃气和燃油方式分别是该系统运行成本的1.25、2.93和5.08倍。实践表明,水蓄能型地下水源热泵式供热系统不仅能够移峰填谷,降低运行费用,而且充分合理地利用地热能,节能减排,具有良好的经济和环保效益。     

太阳能-地源热泵式沼气工程加温系统TRNSYS模拟

利用TRNSYS软件对太阳能-地源热泵式沼气工程加温系统进行仿真模拟,得出该系统某一典型天和全年能量利用效果:在冬季最冷的典型一天,总供热包括热泵耗电量、水泵耗电量、地埋管和集热器总集热量共225.52 MJ/d;总耗热包括沼气池维护结构散热和加温料液负荷共208.57 MJ/d。除去无供热效果的水泵耗电部分,能量输入和沼气池热负荷基本趋于平衡;系统全年共消耗热量46 657.32 MJ,可再生能源(太阳能和地热能)提供74%;其中,太阳能热利用贡献63%,地热能贡献37%,表明该加温系统可高效利用可再生能源。系统全年向地下蓄热总量为7 630.99 MJ,吸热总量为12 954.81 MJ,蓄热量虽不能完全满足供热量的需求,但可以在一定程度上缓解土壤的冷热失衡。     

植物工厂生物质废弃物厌氧消化循环利用可行性探讨

针对植物工厂生物质废弃物的特点,在总结已有文献的基础上,参考传统预处理和厌氧发酵系统常用工艺,制订了植物工厂废弃物厌氧消化循环利用系统,创造性地将单乙醇胺法脱硫用于沼气脱硫上,对系统进行了完善。从该系统主要组成部分包括预处理系统、厌氧消化系统、沼气净化系统、沼气、沼液和沼渣(三沼)利用等方面,从植物工厂生物质废弃物厌氧消化循环利用的角度,对其进行了可行性分析。结果表明:植物工厂生物质废弃物厌氧消化循环利用三沼可行,但受植物工厂规模的限制,不同规模的植物工厂生物质厌氧消化沼气产量不同,小型植物工厂废弃物厌氧发酵后沼气不适合用于供热、发电,仅适合小规模使用(如沼气灯、沼气灶等),大型植物工厂废弃物厌氧发酵产生的沼气可以用于供热和发电。     

沼气发酵池动态热负荷特性研究

温度是影响沼气发酵产气率的关键因素,发酵池的热负荷是沼气工程加温系统设计与选型的基础,关系到发酵系统的稳定运行与加温系统的经济性。精确计算出发酵池热负荷,有利于将加温系统供能侧与发酵池需能侧匹配,并探索出加温系统的最佳系统配置和运行策略,以降低能耗和成本。在分析沼气工程发酵设备物理和数学模型基础上,采用逐时累加法计算发酵池围护结构散热量,得到发酵池热负荷的全年动态变化规律,将稳态算法的时间步长由1个月缩短到1 h,提高了计算精度。研究结果表明,在(25±1)℃、(30±1)℃和(35±1)℃3种不同工况下,热负荷的模型计算结果与试验测量结果相对误差分别为-5.98%、3.93%和5.39%,对于沼气工程保温和增温设计具有一定的理论意义和参考价值。     

植物工厂地源热泵系统热负荷BP神经网络预测及验证

为提高水蓄能型地下水源热泵自然光植物工厂供热系统节能性,供热系统必须能够很好地预测热负荷变化。针对自然光植物工厂热环境系统非线性特点,利用具有很强非线性映射能力的BP神经网络(back propagation,BP),选取室内外空气干球温度、太阳辐射强度、室内相对湿度和绝对湿度、室内风速等输入参数,确定算法步骤和评价指标,构建神经网络模型预测植物工厂次日负荷。采用Matlab神经网络工具箱对崇明试验基地水蓄能型地源热泵自然光植物工厂的样本集进行训练,训练后误差函数值为0.002 999 94,神经网络收敛。通过对比热负荷预测值与实际值,证明了神经网络预测热负荷值与实际值趋势一致,基本误差在±6%以内,结果表明神经网络法可以用于植物工厂次日热负荷预测。通过热负荷预测能够更加科学地调整供热系统运行模式,更好地匹配植物工厂需求热量与热泵的输出能量,实现运行节能和降低供能成本的目的。