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导读 日光温室在中国设施园艺的发展过程中起到了重要的作用。从上世纪初即开始初期发展，实现了冬春季节北方栽培的突破，80 年代进入大规模发展阶段，目前，日光温室的研究内容主要集中于保温蓄热机理与实现方式，其中，节能日光温室的蓄热技术一直是国内外学者研究日光温室最重要、最集中的内容之一。 下面，就让我们来看看日光温室常见的蓄热技术有哪些吧！ 主动采光蓄热 日光温室的前屋面以平面为最佳，采光量最大，而且光照分布最均匀。为了使日光温室室内获得更多的能量，张真和通过综合分析农业气象学和光学的研究成果，确定了冬至日正午时太阳光线投射角度为50°时的采光屋面角度是合理的采光屋面角度。陈端生等利用数学方法模拟温室的采光屋面，得出了温室的采光屋面最佳的坡度并不是一个定值，而应该随太阳高度角的变化进行调整。 基于上述研究，张勇等设计了一种可变采光倾角日光温室实现主动采光蓄热（如图2 所示），并对其温光性能进行了研究，与固定采光倾角日光温室相比，典型晴、阴天时可变采光倾角日光温室内的平均光照度分别提高29.00%、22.27%，平均温度分别提高4.3、2.9 ℃；与传统8、9 m 跨的弧形采光屋面日光温室分别进行对比分析，在晴天和多云采光天气条件下，倾转屋面日光温室室内的整体采光率分别较传统8、9 m 跨固定采光面日光温室提高 41.75%、25.05%，对应的室内辐照度平均增加 69.54、38.99 W/m2，故表现为室内气温整体水平提高。张勇等还从经典光学理论出发，结合理论计算和试验测试的方法，详细分析了温室采光面在小幅调整条件下自然光的透过率以及温室采光面角度调整与室内光照强度透过率的增加之间的定量关系。
上述研究表明通过主动地改变日光温室前屋面倾角的形式可以提高采光面透光率，进而提高室内光辐射照度，解决了能量“多进”的问题。但室内墙体和土壤等蓄热体仍然为被动蓄热，被动蓄热的墙体和土壤的蓄热深度有限，未得到利用的室内富余热量仍会随着冷风渗透、地中传热、通风等途径被释放至室外，未实现能量在室内“多存”。因此，主动采光蓄热需要和其他室内主动蓄热设备或材料联合使用才能更好的发挥其效果。 空气循环蓄热 地下空气循环蓄热 地下空气循环蓄热在园艺设施的土壤中应用较早，马承伟研究了塑料大棚的地气热交换系统，结果表明，该系统可有效地贮存太阳能并用于夜间加温，能使塑料大棚在不加温条件下在夜间维持 10 ℃左右的棚内外气温差。孙忠富[50]的研究结果表明，地-气热交换系统可使塑料大棚白天降温 2.5～6.5 ℃，夜间升温 2.0～4.4 ℃。袁巧霞设计了一种半被动式塑料大棚地下热交换系统，试验表明，该系统可在夜间维持 8～9 ℃的棚内外气温差，同时棚内陆温可提高10 ℃左右。Santamouris等利用地下热交换系统对 1 000 m2 的玻璃温室进行蓄热，结果表明具有良好的白天降温、夜间增温的效果。吴德让等运用传热学的基本理论，建立了日光温室地下热交换系统土壤温度场的数学模型，同时通过试验研究了日光温室采用地下热交换系统在冬季生产喜温蔬菜的可行性和实用性，结果显示，300 m2 的日光温室采用地下热交换系统的整个冬季放热量为1.575×106 kJ、节煤量达1 950 kg。孙周平等在彩钢板保温装配式节能日光温室室内陆下 0.5 m 位置设计安装了空气—地中热交换系统进行蓄热，整个冬季的试验结果表明，该系统具有良好的蓄热效果，与温室水循环蓄热系统结合可确保试验温室内热环境满足番茄生长所需。 墙体空气循环蓄热 张勇等设计了一种能够将白天富余能量进行有效存储的日光温室空气循环式主动蓄热后墙（如图 2 所示的后墙结构），在墙体内部分层安装蓄热风道，墙体表面安装有轴流风机，风机将室内热空气抽入后墙蓄热风道，经过热交换，热量蓄积入墙体内蓄热体中，与传统9 m跨的普通砖墙日光温室进行了对比分析表明，在晴天、多云天夜间保温时段（16:00～次日 09:00），主动蓄热后墙日光温室温度较 9 m 跨普通砖墙日光温室分别提高1.8～2.8、1.6～4.2 ℃。鲍恩财等改进了原有的后墙空气循环蓄热系统，将原有进风口和出风口之间的距离由80 m 缩短至 40 m，并利用试验地（内蒙古乌海地区）丰富的沙土作为后墙蓄热体的一部分，实测结果表明，典型晴天条件下，固化沙主动蓄热后墙日光温室室内日平均气温较固化沙被动蓄热后墙日光温室和普通砖墙日光温室分别高3.3、3.6 ℃，典型阴天的夜间气温分别高3.2、3.8 ℃；固化沙主动蓄热后墙温室的墙体内部恒定温度区域处于740～1 000 mm 之间，蓄热体厚度超过740 mm，其中固化沙蓄热厚度超过620 mm，蓄热风道上下表面各200 mm 的高度范围内均属于蓄热体。王昭等测试了基于太阳能光伏板提供电能的后墙主动蓄热日光温室，与当地普通日光温室对比发现，后墙主动蓄热日光温室较普通日光温室晴、阴天夜间平均温度分别高 2.1、0.9 ℃，试验温室蓄热体厚度为 320～520 mm，番茄采收期产量提高 17.8%。 王庆荣等设计了一种中空墙体，该墙体可实现与室内空气的自然对流循环蓄热，通过测试及 Fluent 软件模拟分析，发现墙体构造所形成的循环气流可以在一定程度上扰动室内空气，进而在温室内走道和作物栽培行间等位置形成气流。 上述研究表明可以通过强迫对流或自然对流的方式将室内富余热量蓄积进入较深层的土壤或墙体内储存起来，对室内气温的提高具有一定的效果。强迫对流需要增加通风管道、风机等设备投入，且运行过程消耗电能，因此，在安装制作之前，需要计算土壤或墙体可蓄积的能量与电能消耗量，并确定是否具有节能性；自然对流依靠温差形成气流，故气流速度较小，为最大化利用墙体的蓄放热潜力，可通过增加变频风机继续研究不同流速对蓄放热量的影响，进而分析得到最佳风速及其控制策略。气流运动对室内温度场、湿度场、气体浓度场均会产生影响，今后在气流运动均匀性方面需加强研究。 水循环蓄热 水的比热容较大且易于流动，适于作为热能的贮存和传递介质，国内外学者均有将水作为蓄热体为温室供热的研究报道。Zaragoza 等介绍了热水供暖在农业建筑（包含温室）上的应用前景及趋势；Sethi 等采用地下水（24 ℃）对温室开展冬季供暖及夏季降温试验研究，发现冬季可提高室内气温 7～9 ℃；Attar 等使用太阳能热水加温系统对温室加热，将毛细热交换管布置在地下作物根部附近，并使用 TRNSYS 软件模拟了毛细热交换管的适宜长度和水流速度。 水幕帘蓄放热系统 张义等设计了一种水幕帘蓄放热系统，该系统以日光温室墙体结构为依托，以水为介质进行热量的蓄积与释放，白天利用水循环通过水幕帘吸收太阳能，同时将能量储存在水池中，夜晚利用水循环通过水幕帘释放热量，该水幕帘蓄放热系统可使温室内夜间气温提高5.4 ℃以上，作物根际温度提高 1.6 ℃以上。Fang 等利用不同材质和颜色的封装膜改进了该水幕帘蓄放热系统，如图 3 所示。测试结果表明，晴、阴天时采用双黑膜封装的蓄放热装置能将温室夜间平均气温分别提高4.6、4.5 ℃，与电加热方式相比该系统的节能率超过51.1%；采用金属膜封装的蓄放热装置集热效率达到了83%，对太阳辐射的吸收率为 0.81，优于双黑膜封装的蓄放热装置。孙维拓等进一步拓展了水幕帘蓄放热系统的应用，或将其与热泵结合使用提高蓄放热性能，或应用于大跨度日光温室中。
管道水循环蓄热 一些学者将太阳能热水系统引入日光温室中，如方慧等以温室浅层土壤为蓄热体，白天将后墙集热器获得的热量收集并储存到温室浅层土壤中，夜间通过土壤的自然放热将热量释放到温室中，与对照相比夜间平均气温差为 4.0 ℃；王双喜等在日光温室的后墙顶部安装太阳能热水器，热水管道埋置于室内土壤中；余学江将加热盘管在靠近地面位置进行迂回铺设；于威等利用 ANSYS 软件分析了日光温室地中埋热水管对土壤加温效果的影响，结果表明，水温对地表温度影响显著，管道内水流速≥0.10 m/s 时地表温度变化不大，在长期平稳条件下，埋管深度、管径对地表温度影响不大，而管间距对土壤温度分布影响显著，筛选出适宜管间距200 mm、管径 25 mm。 佟雪姣等采用聚乙烯（polyethylene，PE）软管为输水管道，以聚碳酸酯（polycarbonate，PC）板为集/散热装置，研究日光温室太阳能水循环系统冬季的蓄热增温效果，对 PC 板的不同颜色、厚度、黑膜添加方式及水的不同流量开展了研究，试验结果表明，同等条件下褐色、8 mm 厚的 PC 板的蓄热量最多，透明阳光板内外侧均添加黑膜后蓄热量增加 20%，当流量为4.4～4.5 L/h时，8 mm 的透明阳光板蓄热效果最好；冬季晴天，日光温室内光照条件好，水循环系统日蓄热量为 159.8 MJ，可将温室内夜间温度提高3～5 ℃，集热效率为54.5%，蓄热增温效果明显。马承伟等研究了日光温室钢管屋架管网水循环集放热系统（图 4），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%；测试结果表明，与对照日光温室相比，平均提高夜间室内最低气温2.4 ℃，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，夜间水体日平均放热温降2.5 ℃，平均放热量为 78.9 MJ。
水循环蓄热的效果较为明显，水流的均匀性较好，但缺点也较为明显，即对循环管道的密闭性和抗腐蚀性要求较为严格，且施工过程增加了水池、管道、水泵等设备，故施工工艺要求较高。在原有后墙南侧安装水循环蓄热的集/放热装置会削减后墙的蓄放热效果，应分析水循环蓄热与原有墙体蓄热之间的“竞争”关系并量化，在维持室内作物生产适宜热环境的基础上，可适当降低后墙蓄热结构部分的厚度或减少水循环蓄热的投入以达到最佳投入。 相变材料蓄热 相变材料在日光温室中具有白天“削峰”、夜间“填谷”的作用，国内外学者主要从相变材料的筛选制备、封装、与温室的结合方式等方面进行了大量研究。主要筛选的材料有石蜡、芒硝基、 Na2SO4·10H2O、CaCl2·6H2O 、Na2HPO4·12H2O、脂肪酸类等。采用的封装方式有共混浸泡、砌块封装、稻壳吸附、石墨吸附等，制备成微胶囊、板材、砌块。与温室的结合方式主要是将封装之后的相变材料放置在温室的北墙，或利用板材或砌块直接砌筑在日光温室后墙内侧。 近年来，也有学者将相变材料与太阳能集热器结合应用于温室中，并取得了一定的效果，如 Benli等利用相变材料与太阳能平板集热器为温室供热，测试发现该系统为试验温室提供了每日热能需求量的 18～23%，闫彦涛分析得到太阳能相变蓄热器单位面积放热量为4.05 MJ/m2；凌浩恕等将多曲面槽式空气集热器结合相变材料应用于带竖向风道的日光温室后墙 （图 5），研究发现，当墙体内竖向空气通道间距为400 mm、空气通道内空气速度为0.26 m/s、空气流动方向为上进下出时，相变蓄热墙体换热效率为 66.2%，主动蓄热量约为 9.43 MJ/m3。
相变材料种类繁多，但真正种类却屈指可数，且需要契合日光温室冬季室内温度环境；相变材料在使用过程中体积变化率大，对封装密闭性的要求较高，目前的封装方式都有不同程度的泄露问题，有一定的环境污染风险。因此，需要进一步筛选适宜日光温室使用的材料种类及混合配比，并在封装技术上加强研究。 卵石蓄热 卵石是良好的显热储能材料，国外一般在温室中部的地下土壤中埋置卵石床，而国内将卵石作为日光温室蓄热材料有 2种形式，一种是直接作为墙体材料；一种是作为蓄热床。张洁等以铅丝网笼装填卵石作为墙体主要材料，认为卵石之间的缝隙可以加强热空气的流动，从而增强墙体的蓄热性能，与普通砖墙日光温室相比，卵石墙体温室内平均气温在典型晴天高4.0 ℃。Chen 等将卵石床铺在室内土壤表面，研究发现卵石孔隙率一定时，应适当增大卵石床的粒径，当卵石粒径大于一定值时，适当增加卵石床孔隙率可以增强卵石床与温室气流，以及卵石床内部的对流换热。张峰等测试发现卵石床地下蓄热系统的蓄热功率约为 94 W/m2，大于地下埋管蓄热系统（蓄热功率约为 76 W/m2），该日光温室的夜间最低温度比无蓄热装置的对照温室提高了 5～8 ℃。 卵石的传热速率较快，卵石之间的孔隙也有利于对流传热，但在冬季夜间卵石放热过快会导致前半夜室内气温较高、后半夜室内气温偏低。因此，需要研究如何减缓卵石所蓄积热量的释放，或将卵石所蓄积热量传导至其他材料中储存起来。 热泵蓄热 热泵根据所利用热源的不同主要分为水源热泵、空气源热泵和土壤源热泵 3 类。 进入21 世纪，国内学者开始探索热泵在日光温室上的应用，柴立龙等采用地下水作为热源的热泵系统对北京地区日光温室进行了供暖试验研究，结果表明，整个供暖期（2007-10-15～2008-03-10）热泵的 COP 为3.83，与燃煤热水采暖相比，可节约42%的能源消耗。孙维拓等[75,120]设计了一套日光温室水循环主动蓄放热与热泵联合加温系统（如图 6 所示），主动蓄放热系统为热泵机组提供热源，与对照温室相比，试验温室夜间气温高出 5.26～6.64 ℃，系统集热效率达到了 72.32%～83.62%，总体 COP 值达 5.59，而单纯使用热泵制热的COP 为 4.38～5.17。孙维拓等还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，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；与对照温室相比，试验温室白天平均气温降低 3.7～5.2 ℃，相对湿度降低12.3%～16.5%；夜间平均气温高出 2.8～4.4 ℃，相对湿度降低 8.0%～11.5%。孙先鹏等采用太阳能联合空气源热泵供热系统为日光温室供热，在西安地区－6～10 ℃冬季气温条件下开展了试验研究，结果表明，在试验天气条件下，热泵单独供热时系统的 COP 在2.09～2.45 之间，太阳能联合空气源热泵供热时系统的COP 在 3.45～5.56 之间，具有显著的节能减排效果。
热泵系统具有节能环保、供热稳定的优点，但设备投资较高、运行耗电量较大，在日光温室中的应用研究还处于初级阶段，其系统参数配置、加工工艺等还有待优化。在使用热泵蓄热时，对日光温室的蓄热性能要求降低，因此可适当减少温室蓄热墙体结构的投入，同时在运行时间上与峰谷电价相结合，可降低部分运行成本。 联合方式蓄热 为了提高蓄热技术的应用效果，部分学者将 2 项或以上蓄热方式结合应用到日光温室中，如Benli将地源热泵与相变材料蓄热技术结合应用于温室采暖；孙周平等在大跨度日光温室中将空气—地中热交换系统与水循环蓄热系统结合使用可代替传统土墙的蓄热能力，经过整个冬季的测试发现，该联合系统可以确保日光温室冬季的热环境满足作物所需；凌浩恕等将相变材料、带空气通道的后墙与太阳能空气集热器结合构建带竖向空气通道的太阳能相变蓄热墙体体系；Kürklü 等将卵石蓄热与地下空气循环蓄热结合应用；孙维拓等将水循环主动蓄放热系统与热泵机组联合使用，测试发现，联合系统的效果大于单一使用热泵的效果，也远高于传统太阳能热水系统以及地源热泵，节能效果显著；高文波等[125]将主动采光与墙体空气循环主动蓄热结合，典型晴天、多云天主动采光蓄热型日光温室室内平均光照度分别提高了 21.28%、11.73%，平均气温分别提高了5.6、2.1 ℃。 除此之外，部分学者还就温室蓄热相关技术做了前言探索性研究，如 Liu 等开发了一种新型的由乙烯—四氟乙烯（ETFE）膜和相变材料 RT28 组成的温室薄膜，对该薄膜的光学性能进行了试验研究，结果表明，相变材料在液态下，薄膜的透射率高于固态，此外，透光率与相变材料的温度有关。Anifantis 等结合光伏制氢技术与地源热泵技术为温室供暖，白天通过光伏板电解产生 H2，然后将其储存在压力罐中，夜间H2 通过燃料电池转化为电力，为地源热泵供电，从而为温室供暖。 上述研究表明，从目前联合方式蓄热的发展现状来看，国内较国外的技术更加成熟和丰富，尽管国外的前沿性研究较多，但仍处于初期阶段。要实现蓄热技术在日光温室上的推广应用，除技术先进、符合科技发展趋势外，也要满足市场现状。因此，应加强对蓄热技术的技术经济性指标分析。 编辑 ：张可臻 审核 ： 戴 晔 文章内容由“温室园艺资讯”公众号编辑整理，版权归作者所有。文章来源：鲍恩财,曹晏飞,邹志荣,申婷婷,张勇.节能日光温室蓄热技术研究进展[J].农业工程学报,2018,34(06):1-14。 声明：本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容！ |
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