辽沈日光温室能量平衡方程中几个主要分量模拟模型的构建

发布时间：2017-08-11 18:12

  本文关键词：辽沈日光温室能量平衡方程中几个主要分量模拟模型的构建

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【摘要】：日光温室围护结构由三面墙体和顶部前、后屋面组成,只有前屋面为可透光部分。日光温室可在不加热、少量加热的情况下实现蔬菜的越冬生产,不仅促进农民增收、解决蔬菜周年供应问题,也提高了冬、春季节的光能资源的高效利用。据统计,至2013年我国日光温室面积达90万hm2,已成为部分地区的支柱产业,日光温室不仅在我国北方地区得到广泛应用,一些发达国家如日本、加拿大等国也引进了部分日光温室,并开展相关研究。到目前为止,日光温室(第3代节能型日光温室)可在-28℃以上地区实现冬季不加温正常生产果菜,而具有现代化的水循环蓄热彩钢板保温装配式节能日光温室将来可在-30℃地区实现不加温情况下正常生产喜温蔬菜,日光温室也必将受到众多国家和地区的重视。目前大多数的日光温室环境调控能力还较差,受围护结构的影响,日光温室内的气象要素分布特征独特,但有关日光温室内能量收支状况及分配研究尚不够深入。因此,本文把日光温室围护结构内表面、土壤表面和室内空气组成“面-气”系统,从“面-气”系统能量平衡出发,把“面-气”系统净能量定义为太阳净辐射与围护结构和土壤热通量之差,净能量与“焓值变化量”、热风炉加温筒壁与空气自然对流换热量、上通风口通风换热量和冷凝释放热量组成“面-气”系统能量平衡方程。本文构建了“面-气”系统能量平衡方程中几个主要分量模型及其变化规律,文中还分析了日光温室内几个气象要素的分布特征,以期为提高日光温室环境控制能力提供一定的理论参考。主要研究结果如下：1.构建了日光温室的“可蔽视角”模型,按照这一模型可计算出不同季节不同时刻日光温室内的直接辐射照射区域,并可计算出直接辐射量。并通过等分以该点为中心的水平面,对每一等分垂直面上的非“可蔽视角”进行累积后求均值,从而求算出散射辐射量。经过室内散射辐射和总辐射模拟值和实测值的拟合验证,模拟值与实测值拟合度显著,说明可以用该模型进行日光温室内光辐射量模拟,但在本试验中模拟值略高于实测值,平均偏高6%-9%。2.构建了采光屋面南北方向倾角同时叠加压膜线造成的东西倾角后的“采光屋面太阳高度角”计算模型。结果表明日光温室采光屋面由压膜线造成的东、西倾角改变了采光屋面的坡度、坡向,进而改变了“采光屋面太阳高度角”。上午棚面东倾的部分可增加“采光屋面太阳高度角”,并在10点前可增加采光屋面的透光率；“采光屋面太阳高度角”与实测采光屋面透光率呈对数曲线关系,当采光屋面太阳高度角大于45°时,透光率变化趋缓,约为75%+10%。3.构建了传热筒外壁温度与距炉体距离的关系模型,结果表明传热筒外壁温度与距炉体的距离呈斜率不等的线性递减规律,即炉体附近传热筒壁温越高,递减斜率越大。筒外壁与空气间的自然对流换热量与距炉体距离总体呈斜率不等的线性递减规律。4.构建了以日光温室内温、湿度为已知条件的湿空气湿焓计算模型。“焓值变化量”的变化规律表现为除春季夜间为负值外,冬季白天、夜间和春季白天焓值变化量都在零值附近波动。冬季无论是夜间还是白天,潜热量明显大于显热量。春季夜间潜热量明显大于显热量,白天相反。5.构建了基于能量平衡的日光温室揭帘时间模型,该模型可确定不同季节的揭帘位置理论上最早揭帘时间,即以室内收到的净辐射量等于不揭帘时日光温室棚面的损失能量作为最早揭帘时间。揭帘时间主要和揭帘时的太阳辐射及室内外温差有关,当温差确定时主要和到达室内的太阳辐射量有关。按照这一模型对比了两种揭帘方式的揭帘时间,结果表明,沈阳地区日出后日光温室内收到的能量超过不揭帘时,采用先揭到日光温室的2.5m高处停留20min左右、再揭到日光温室3.4m高处的方式,比直接揭到日光温室3.4m高处可理论上提早揭帘20min。6.明确了冬季夜间日光温室内的净能量值为负值,白天部分时间为正值；春季夜间和白天日光温室内的净能量都为正值。冬、春夜间日光温室北墙和后坡热量流向室内空气的值较小,棚膜向外放出能量较大,因此日光温室内冬季夜间为降温；冬、春白天流向北墙和后坡的热通量均较小,冬季白天流向棚膜的热通量最大,而春季白天流向土壤热通量最大。7.明确冬、春采用上通风口通风时,通风换热量中排风能量大于进风能量；通过采用CFD方法对日光温室内空气风速和风向状况进行仿真模拟,结果为上通风口为进风口时,气流进入日光温室后向下俯冲,到达温室底部后分为2股,并形成2个涡旋。实测日光温室内剖面上的风速分布状况为进风口附近相对风速最大,越往下风速越小冠层内相对风速最小。8.在冬季夜间热风炉加温时,冬季日光温室内不同剖面气温分布特征为热风炉所在一侧的气温明显高于远离热风炉一侧的气温,东西不同剖面温差最大可达3-4℃；在同一剖面内,夜间加温时气温的分布规律呈现出上部气温高于下部气温,温差在2-5℃；冬季不加温条件下,温室内同一剖面下部空气日平均温度大于上部空气日平均温度,温差在1～2℃。9.在冬季不加温条件下,日光温室内日平均相对湿度剖面分布规律为上部大于中下部,南侧区域大于北侧区域,同一剖面内相对湿度差在5～10%。
【关键词】：日光温室 净能量 焓 对流换热量 通风换热量 太阳辐射
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S625.1
【目录】：

• 摘要12-14
• ABSTRACT14-17
• 第一章 绪论17-26
• 1 问题的提出及研究的目的和意义17-18
• 2 国内外研究进展18-24
• 2.1 日光温室能量平衡及揭帘时间研究进展18-19
• 2.2 日光温室温、湿度研究进展19-20
• 2.3 日光温室通风研究进展20-21
• 2.4 日光温室光环境研究进展21-24
• 3 本研究的切入点及基本思路24-26
• 第二章 日光温室系统内净能量及揭帘前后的能量收支估算26-42
• 第一节 日光温室系统内净能量估算26-31
• 1 材料与方法26-28
• 1.1 试验方法26-27
• 1.2 日光温室能量平衡估算模型27-28
• 2 结果与分析28-31
• 2.1 日光温室系统内净辐射R变化规律28
• 2.2 日光温室系统内各表面热通量变化规律28-30
• 2.3 日光温室系统内净能量值B变化规律30-31
• 3 小结31
• 第二节 揭帘前后日光温室内能量收支估算31-40
• 1 材料与方法31-35
• 1.1 试验用日光温室概况31-32
• 1.2 揭帘方式32
• 1.3 日光温室揭帘时间模型构建方法32-35
• 2 结果与分析35-40
• 2.1 不同揭帘方式揭帘前后室内气温分析35-36
• 2.2 不同揭帘方式最早揭帘时间确定36-37
• 2.3 揭帘时间最小辐射值确定37-39
• 2.4 前排日光温室遮挡时棚面能量收支状况39-40
• 3 小结40
• 本章讨论40-42
• 第三章 日光温室内温、湿度分布及湿焓变化规律42-66
• 第一节 日光温室内剖面温、湿度分布特征42-53
• 1 材料与方法42-44
• 1.1 2007和2010年试验测试方法42-43
• 1.2 2011～2012年试验测试方法43-44
• 2 结果与分析44-53
• 2.1 日光温室内不同剖面温度分布特征44-46
• 2.2 不通风日光温室内同一剖面温、湿度分布特征46-49
• 2.3 通风条件下日光温室内温、湿度剖面特征分析49-53
• 3 小结53
• 第二节 日光温室内传热筒与空气间的换热量分析53-58
• 1 材料与方法53-55
• 1.1 材料与设计53-54
• 1.2 测定方法54
• 1.3 热风炉传热筒换热量的计算方法54-55
• 2 结果与分析55-58
• 2.1 热风炉传热筒筒体温度分布规律55-56
• 2.2 热风炉传热筒与空气的换热量56-58
• 3 小结58
• 第三节 日光温室湿空气焓值变化规律58-64
• 1 材料与方法58-60
• 1.1 试验方法58
• 1.2 日光温室内湿空气比焓计算方法58-60
• 2 结果与分析60-63
• 2.1 日光温室系统内湿焓值变化规律60
• 2.2 日光温室系统内温湿度变化规律60
• 2.3 日光温室系统内湿焓变化值变化规律60-63
• 3 小结63-64
• 本章讨论64-66
• 第四章 日光温室内自然通风量变化规律及剖面风速分布特征66-82
• 第一节 日光温室内自然通风量变化规律66-73
• 1 材料与方法66-68
• 1.1 日光温室自然通风压力模型66-68
• 1.2 通风量计算方法68
• 1.3 通风能量计算方法68
• 2 结果与分析68-73
• 2.1 日光温室通风口垂直风速分析68-70
• 2.2 日光温室进风量与排风量70-71
• 2.3 日光温室通风口处进入或排出空气总能量状况71-72
• 2.4 净能量与能量净值、焓值和通风量变化规律72-73
• 3 小结73
• 第二节 日光温室内剖面风速分布特征73-80
• 1 材料与方法73-75
• 1.1 风速测定方法73-74
• 1.2 CFD计算域的选择与网格划分74-75
• 2 结果与分析75-79
• 2.1 通风口下方相对风速垂直分布特征75-77
• 2.2 剖面风速分布特征77-78
• 2.3 CFD风场模拟结果78-79
• 2.4 温室内温度变化与风速关系79
• 3 小结79-80
• 本章讨论80-82
• 第五章 日光温室内透光及太阳辐射估算82-103
• 第一节 日光温室内透光率的估算82-91
• 1 采光屋面太阳高度角计算方法82-84
• 2 东西倾角对采光屋面太阳高度角的影响实例分析84-91
• 2.1 东西倾角对采光屋面坡度的影响84-85
• 2.2 东西倾角对采光屋面坡向的影响85
• 2.3 东西倾角对采光屋面太阳高度角影响的实例分析85-88
• 2.4 采光屋面太阳高度角与透光率的关系88-91
• 3 小结91
• 第二节 日光温室内太阳辐射的估算91-100
• 1 估算模型91-97
• 1.1 日光温室主要参数91-92
• 1.2 日光温室内任一点可蔽视角计算方法92-95
• 1.3 日光温室内任一点直接辐射估算方法95-96
• 1.4 日光温室内任一点散射辐射估算方法96
• 1.5 日光温室内任一点总辐射估算方法96-97
• 2 结果与分析97-100
• 2.1 透光率及直接福射转换率的估算97
• 2.2 日光温室后坡及采光屋面方程模拟97
• 2.3 大气透明系数τ的估算97
• 2.4 模型验证97-99
• 2.5 温室内总辐射在2m高度分布图99-100
• 3 小结100
• 本章讨论100-103
• 全文总结103-106
• 参考文献106-111
• 致谢111-112
• 攻读学位期间发表的学术论文112

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：657524