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温室大棚与太阳能技术相结合的研究

来源:北方温室大棚建设 时间:2014-01-15 点击:

温室大棚与太阳能技术相结合,又称为太阳能增温地中热交换技术。 利用太阳能这种自然资源来为温室大棚提温、保温,对节省能耗、节约能源、改善生态环保意义大。

          温室大棚与太阳能技术相结合,又称为太阳能增温地中热交换技术。基本原理是将白天多余的热量转换到地下储存起来,夜间再将热量释放到温室大棚内,以提高温室大棚内夜间温度。目前,储能型太阳能温室大棚主要利用水和空气作为换热介质,结合地区气候和土壤特点,以达到降低农业耗能量的目的。
        开展储能型太阳能温室大棚最典型的研究是日本学者山本雄二郎在1976年提出的地中热交换系统,系统是用风机将温室大棚内热空气通到地下50-140cm,使热量与土壤换热,夜间风机将土壤中储存的热量释放到温室大棚,提高了温室大棚内土壤温度。李树君等对长春地区的塑料大棚太阳能增温系统进行试验研究,搭建了圆拱形试验大棚,建立了风机、风道、引风筒及温度自动控制系统,如图1所示。

                       地中热交换系统简图
                         图1:地中热交换系统简图

        通过对温室大棚内黄瓜生长情况及地中热交换系统经济性的研究,得出该系统增产率高达10%,增收率高达36%,并具有较好经济效益。蒋锦标等在辽东半岛搭建了太阳能地下热交换试验系统,对系统所使用的各个部件给出了建议规格,提出可以使用膜下滴灌代替漫灌,为储能型太阳能温室大棚技术推广做了有益的尝试。AhmetKu•rklu等将储能型太阳能温室大棚的储能层塞满岩石,构成岩石床储能层,用风机将热空气吹入储能层中,用恒温控制器对热量的储存和释放进行控制,系统如图2所示。

                                太阳能岩石储能床温室大棚系统示意图

                    温室大棚双层覆盖地下蓄热系统

        研究结果表明,系统太阳能收集效率是34%,能量回收效率高达80%,要比使用化石能源辅助增温温室大棚更经济环保。王永维等对双层覆盖温室大棚地下蓄热系统进行研究,系统如图3所示,对比测试该系统换热管道以不同空气流速蓄热时换热管道进出口空气温度和湿度、土壤温度以及相邻无蓄热系统温室大棚内的气温、土壤温度和室外温度,结果表明,在系统换热管道内空气流速以0.6-2.8m/s蓄热时,温室大棚内热空气流经换热管道温度明显降低,使蓄热温室大棚内的气温低于对比温室大棚气温0.1-0.6℃,但蓄热温室大棚气温在常见温室大棚栽培作物所需的适宜温度范围内,换热管道以不同空气流速蓄热对温室大棚的温度环境影响较小。戴巧利等试验研究了一套主动式太阳能温室大棚增温系统,它以空气为换热介质,土壤为蓄热介质,白天利用太阳能空气集热器加热空气,由风机把热空气抽入地下,通过地下管道与土壤进行热交换,将热量传给土壤储存,夜间热量缓慢上升至地表,从而使土壤保持恒温。通过与自然温室大棚对比,主动式太阳能温室大棚土壤温度平均升高2.3℃。
        刘圣勇等对由太阳能真空管集热器、保温蓄热水箱、循环水泵和地下散热器等部件组成的太阳能温室大棚蓄热系统与传统煤炉加热系统进行实验对比研究,以黄瓜生长季节为周期,研究表明储能型太阳能温室大棚土壤温度比煤炉加热土壤温度平均提高4.4℃,产量提高21%以上,能够获得较好的经济效益和环境效益。熊培桂等人在青藏高原的主动式太阳能温室大棚中设置太阳能集热储热系统,如图6所示,可使温室大棚内平均最低气温比室外高17.7℃,室内外平均土壤温差为13.6-18℃,具有明显的增温效果。王顺生等研究开发了贮蓄太阳热能用于夜间温室大棚内增温的太阳能集热调温试验装置。该装置垂直固定在太阳能温室大棚内靠近北墙的钢筋拱架上,利用冬季晴天时北墙部位的太阳辐射热量使水增温,并把水储存在蓄热水箱内,夜间温室大棚内温度降到一定程度时,利用所贮蓄的热量再给温室大棚加温,实验装置可以使温室大棚夜间温度提高1.7℃。

                              温室大棚太阳能双层盘管蓄热系统
                                   太阳能辅助加温系统
                                   图5:太阳能辅助加温系统

        张莹等在沈阳搭建太阳能温室大棚实验台架,如图5所示,利用太阳能集热器加热水并在地下散热水管中循环散热来对温室大棚内土壤进行加热,从而作为一种辅助加温措施以达到降低农业耗能量的目的,研究结果指出散热管铺设在距地面40cm处效果最佳。李炳海等为保证太阳能温室大棚作物在沈阳等高寒地区正常生长,在太阳能温室大棚中设置了太阳能地热加温系统,以期提高温室大棚内土壤温度。采用自主研发的太阳能地热加温系统,对实验温室大棚进行研究,结果表明,温室大棚内15cm深土壤温度在晴天时比不加温的区域高2.94℃,阴天时比不加温区高2.56℃,而且发现对5cm以上的土壤温度和温室大棚内气温的差异较小。
        与空气传热介质相比,水传热介质在储能型太阳能温室大棚系统中还存在:换热管道需做防渗漏处理,造成初期投资成本增加;在严寒季节,为了防止管道冻裂,需要启用防冻伴热带,使得整体装置耗能增加;随着运行时间延长,存在补充水量,安装控制系统的问题,使得温室大棚结构复杂,维护困难。
(作者:文麒麟 石能文 郑宏飞 文鹏 ) 
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