日光温室微热管阵列蓄热墙体的热工特性研究

发布时间：2023-04-18 15:49

  日光温室是一种依靠太阳能进行反季节蔬菜种植的设施农业建筑。由于太阳能的不稳定性,加上西北地区冬季天气寒冷,昼夜温差大,使得日光温室墙体采用被动蓄热方式无法维持作物生长所需的热环境,导致作物冻害频繁发生。为了挖掘被动蓄热方式的优势,提升墙体内部蓄放热能力,提高被动式蓄热温室对太阳能和土地的利用率,本文采用实验测试与数值模拟相结合的方法,重点围绕日光温室微热管阵列蓄热墙体构筑方法、微热管阵列蓄热墙体热工性能及其对温室内环境的改善作用、微热管砌块在温室北墙上的阵列方式等方面进行了创新型研究:首先,通过对我国现有温室墙体结构分析发现,常物性材料及变物性材料的运用虽可在一定程度上加强墙体蓄放热量,但是墙体内仍存在较厚的温度稳定区,而主动蓄热方式又会增加成本、管理费用。针对上述不足之处,结合仿生学“脉络”功能和微热管阵列强化传热技术,提出了一种日光温室微热管阵列蓄热墙体设计理念,即将弯曲的“乙”字形微热管阵列与水泥砂浆砌筑成微热管砌块,多个微热管砌块阵列于北墙内部,通过微热管阵列强大的传热能力将热量传递给墙体,此方法将热量直接导入墙体内部,加深热量传递深度,提高墙体内部温度,增强墙体整体蓄放热量。其次,基于微热管阵列蓄热墙体构筑理念,对平直与弯曲微热管阵列基本传热性能进行了实验测试。结果表明,35℃、45℃、55℃、65℃加热温度下,“乙”字形微热管阵列响应时间比平直微热管阵列的分别滞后20s、50s、100s、150s,但考虑到白天通常太阳辐照时间为10:00 a.m.-17:30 p.m.,在长达7.5小时的蓄热时间下,弯曲对微热管所产生的响应时间滞后的影响较小,且其轴向最大温差仅比平直微热管的低约1℃,说明弯曲的微热管阵列仍具有良好的基本传热性能。第三,对由“乙”字形微热管阵列和水泥砂浆构筑的微热管砌块进行了蓄放热性能研究,并与普通砌块作为对照。结果表明,400W/m~2稳定工况下,微热管砌块最大有效蓄热量较普通砌块的提升7.76%;400-800-400W/m~2变化工况下,微热管砌块最大有效蓄热量较普通砌块的提升15.61%。这表明无论是在辐射强度稳定的工况还是变化的工况下,微热管砌块蓄放热性能均优于普通砌块。第四,在对微热管砌块与普通砌块模拟值与实验值吻合较好的条件下,建立2D微热管阵列蓄热墙体温室,并与普通温室作对比。模拟结果表明,典型晴天条件下,微热管阵列蓄热墙体温室内空气温度分布更加均匀;微热管阵列蓄热墙体内表面温度最大值为22.09℃,较普通墙体提升16.02%,最小值为11.93℃,较普通墙体的高出3.47%。微热管阵列蓄热墙体最大蓄、放热量较普通墙体的分别提高48.91%、21.63%;微热管阵列蓄热墙体平均蓄、放热速率较普通墙体分别提升29.25%、10.74%。第五,通过建立3D微热管阵列蓄热墙体模型,计算分析了微热管砌块均匀阵列和分组阵列的温室墙体温度场分布特点,结果表明,两种阵列方式中的微热管砌块蓄放热性能良好,可在一定程度上提高砖墙部分的温度。但相比较而言,分组阵列的微热管砌块使热量过于集中,在长度方向的热量传递面积较小,传热时间上也存在滞后现象。本文提出的微热管阵列蓄热墙体能够充分利用太阳能,提高墙体内部蓄放热能力,有效改善日光温室内热环境,为西北地区日光温室现代化发展提供了参考。

【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：20194
【分类号】：TU111.4;S625
【图文】：

1.1.2 课题研究的目的和意义日光温室是一种以太阳能为热源并运用温室效应实现冬季蔬菜生产的设施园艺建筑，是设施农业的重要组成部分。十九大报告指出，我国城镇化率由1978年的17.9%上升到2016年的57.35%[1]。随着我国城市化进程的不断推进，保障城市冬季蔬菜安全稳定供应已成为设施农业现代化建设的重要任务之一。据统计，截止到2014年我国温室总面积达到205.8万公顷，其中日光温室面积为69.66万公顷，占温室总面积的33.8%[2](如图1.1所示)。日光温室的发展壮大促进了农业产业结构的调整，带动了相关产业的发展，实现了蔬菜产业化生产，增加了农户的收益。根据日光温室发展的环境条件，北纬32°以北地区被选定为我国适宜日光温室发展的区域。据2009-2014年全国农业机械化统计年报统计，在2009-2014年间，西北地区日光温室面积从3.8万公顷增长至9.47万公顷。仅甘肃省2014年底以节能日光温室为主体的设施面积就达2.28万公顷[3](如图1.2所示)。

日光温室是一种为反季节蔬菜作物提供良好生长环境的设施农业建筑，北墙、东西墙、前后坡屋面等围护结构将温室内外划分为两种截然不同的气候环境，形成了日光温室半封闭空间内的能量交换系统。日光温室传热过程复杂，一方面，温室围护结构外表面受到太阳辐射、室外空气温度以及风速等外界环境因素周期性作用的影响；另一方面围护结构各内表面之间也存在能量交换，其中包括墙体对太阳辐射的收集与积蓄，墙体与温室内空气的对流换热作用以及墙体之间、墙体与其他围护结构之间的辐射换热作用。与此同时，日光温室通风与空气渗透又将温室内外环境紧密联系在一起。图 2.1 为日光温室传热过程示意图。白天，太阳能中的短波辐射透过前坡屋面进入日光温室内部，透射到室内的太阳能一部分被植物吸收，用于光合作用，剩余部分则穿过室内空气投射到温室土壤及北墙内表面上，此时土壤及北墙内表面温度升高，随着太阳辐射强度的增强，大量热量堆积在土壤及北墙内表面上，其内表面与内部之间存在温差，在此温度差的驱动下，聚集在表面的热量向各自内部进行传递。同时，室内空气温度在太阳辐射作用以及各壁面的自然对流作用下逐渐升高，而升温后的空气又以对流换热的形式向温室外环境散失热量，温室内的空气温度始终保持着动态热平衡。

 

本文编号：2750006