水培营养液作为贮热介质的热传导规律分析*

马宇婧, 温祥珍, 杜莉雯, 李亚灵



水培营养液作为贮热介质的热传导规律分析*

马宇婧, 温祥珍**, 杜莉雯, 李亚灵

(山西农业大学园艺学院 太谷 030801)

为掌握水培营养液的热传导变化规律, 探讨叶菜生产系统营养液作为贮热介质的蓄热保温性能, 在山西农业大学设施农业工程研究所叶菜生产系统中使用SH-16路温度巡检仪, 测定多孔定植板条件下系统内不同深度(0 cm、5 cm、10 cm、15 cm)营养液的温度变化。试验结果表明: 不同深度营养液温度变化显著不同, 表层变幅最大, 越往深层变幅越小; 秋季营养液各深度最高温分别出现在14:00、16:00、17:40、20:00, 并随着营养液深度的增加而快速降低。根据各深度日较差的变化幅度, 将营养液划分为热交换层(>3 ℃)、热缓冲层( 1~3 ℃)和热稳定层( 0~1 ℃), 分别位于液面表层0~5 cm、5~10 cm和10~15 cm。叶菜生产系统营养液深度为21.5 cm时, 不同层次日较差变化符合对数关系:=-2.619ln+4.215 2, 即液面以下20 cm处日较差为0 ℃。上述结果表明能量在营养液中是逐层进行传导的。

营养液; 叶菜生产系统; 贮热介质; 热传导; 能量

水培是蔬菜根系生长过程中通过营养液提供养分、水分和氧气的栽培方式, 由于水培条件下蔬菜生育期短、生长整齐、商品性好, 水培技术现已被广泛应用于绿叶蔬菜的高效生产[1]。在水培中, 营养液温度直接影响植物根际, 根际温度对植物生长发育的影响是多方面的[2]。在影响根系水分吸收的同时也影响地上部分的蒸腾失水[3], 且根系周围的温度变化对根系的吸水和ABA的合成相关[4]。

日光温室常见的蓄热方式有主动采光蓄热、空气循环蓄热、水循环蓄热、相变材料蓄热、卵石蓄热、热泵蓄热、联合方式蓄热等[5]。其中水循环蓄热是通过设备将水循环蓄热, 以水为主要蓄热体。由于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, 所以目前国内外有很多学者对水作为蓄热体为温室供暖方面进行了研究报道。水循环蓄热目前有两种形式: 一种是张义等[6]设计的水幕帘蓄放热系统, 该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; 方慧等[7-9]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 ℃, 并利用不同材质和颜色的封装膜改进了该系统; 孙维拓等[10]将其拓展与热泵结合使用来提高蓄放热性能。另一种是马承伟等[11]研究的日光温室钢管屋架管网水循环集放热系统, 该系统的蓄热水体容积为8.6 m3, 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。虽然水循环蓄热的效果较明显, 水流也较均匀, 但对循环管道要求较高, 且在原有后墙安装集放热装置会削减后墙的蓄放热效果。这些水循环蓄热装置对水的封装性要求较高, 且造价高, 推广较困难。

我们根据大海调温原理[12], 将营养液作为一种新的缓热介质, 代替传统的土墙、砖墙及土壤储热进行主动蓄放热[13], 可减少水循环蓄热的投入, 成本低廉, 是日光温室蓄热技术利用的新方向。叶菜生产系统[14]将日光温室的结构特征和水培系统结合起来, 采用现代化技术和低成本材料, 通过蓄存水体, 将营养液作为蓄放热的载体来调节系统内环境[15], 既可为叶菜提供生长营养, 又可调节温度, 具有一定的热稳定性, 是叶菜生产系统中最重要的一部分。杜莉雯等[16]研究了叶菜生产系统中定植板覆盖率对环境热效应的影响, 发现营养液能够吸收储存热量, 并对周围环境起到一定调节作用, 但热量在营养液中的传导规律尚不明确。

营养液与土壤和土墙储热类似, 具有一定的热稳定性, 目前有关温室热传导规律的研究主要集中在墙体方面, 如温祥珍等[17]和杨艳红等[18]将墙体划分为热交换层、热缓冲层和热稳定层, 分别位于墙体从内向外的0~15 cm、15~25 cm和25 cm以后; 史宇亮[19]发现后墙体内侧约0.7 m的厚度为昼夜间蓄放热的关键厚度; 易东海[20]在墙体内找到了变温层与恒温层的界限, 并提出该界限在不同季节不同。

掌握营养液的热传导变化规律, 对叶菜生产系统的蓄热保温性能分析评价有重要意义, 可为今后的系列试验提供依据。为此, 试验研究了多孔定植板条件下秋季叶菜生产系统中不同深度营养液温度变化趋势, 为丰富营养液液温管理理论, 提高叶菜生产系统产量奠定基础。

1 材料与方法

试验采用的叶菜生产系统[12]是由山西农业大学设施农业工程研究所设计, 为对称拱圆形状, 南北走向, 东西延长。东西侧高0.4 m, 中间高1 m, 宽5.4 m, 南北长6 m, 剖面图如图1所示。其中上部采光部分为拱圆形, 骨架由圆钢焊接组装而成, 采用2/3固定阳光板和1/3活动PO膜, 可通过卷帘的方式控制塑料薄膜覆盖面积进行通风。下部贮液池由角钢焊接成6 m×5.4 m×0.4 m的长方体, 角钢内嵌入4 cm厚加密聚苯板作为隔热保温材料, 减少内外能量传递。贮液池内铺防渗膜, 注入7 m3营养液, 深度约21.5 cm。营养液表面铺满厚5 cm、162孔的泡沫定植板, 试验期间不进行作物栽培, 夜间顶部用铝箔被进行保温。

为了解热量在营养液中的传递规律, 我们对营养液进行分层, 从上到下每隔5 cm设置一个测试位点, 即测定营养液表面0 cm和液面以下5 cm、10 cm、15 cm共4个层次液温, 分别用0、5、10、15表示(后文中两层营养液深层液温用深表示, 浅层液温用浅表示), 并在贮液池内选取3个位置进行重复(东北角、中间、西南角)。测试区域不同深度测试位点截面见图2。所有温度数据测定使用SH-16路温度巡检仪(深圳市深华轩科技有限公司), 传感器为镍铬-镍硅(K型)热电偶, 测温范围为-50~300 ℃。设置每10 min自动记录一组温度数据。试验于2017年11月2日—2017年11月26日进行(共25 d)。数据采用WPS软件进行处理分析。

图1 叶菜生产系统剖面图

图2 营养液不同深度(a)和不同位置(b)测试位点截面图

2 结果与分析

2.1 不同位点营养液的温度日变化

试验测定了3个不同位点营养液的温度, 如图3所示, 依次代表0 cm、5 cm、10 cm、15 cm处液温。由图3可看出, 白天蓄热期间营养液温度位点东北角>中间>西南角, 夜晚放热期间中间温度较东北角和西南角高。由于西南角白天接受太阳辐射迟, 升温较东北角和中间滞后。受边际效应的影响, 夜间东北角和西南角较中间温度低。3个测试位点温度虽有差异, 但远不及深度带来的差异, 不影响营养液整体传导规律, 故使用3个位点的平均值进行下一步分析。

图3 不同位点不同深度营养液的温度日变化

图中数据点为2017年11月2—26日共25 d 的平均值。Each data point in the figure was the average of 25 days from November 2 to 26, 2017.

2.2 不同深度营养液的温度日变化

在2017年11月2—26日测定了叶菜生产系统中不同深度营养液的温度变化, 结果见图4。不同深度营养液温度变化显著不同, 表层变幅最大, 说明能量交换最多, 越往深层变幅越小, 能量交换越少。0 cm、5 cm、10 cm和15 cm处平均温度分别为14.1 ℃、13.7 ℃、13.4 ℃和13.3 ℃, 变幅依次为4.1 ℃、2.0 ℃、0.9 ℃和0.5 ℃, 变幅越来越小, 营养液温度越来越稳定。表层蓄积热量后逐层传递,0 cm、5 cm、10 cm和15 cm处分别在14:00、16:00、17:40和20:00达到最高温, 分别为16.9 ℃、15.0 ℃、13.9 ℃和13.5 ℃, 深层较浅层滞后。表1列出营养液各深度最高温、最低温及日较差的变异系数, 营养液越深, 温度变化越小, 温度逐渐稳定。

图4 不同深度营养液的温度日变化

图中每个数据点为3个位点2017年11月2—26日共25 d 的平均值。Each data point in the figure was the average of 3 sites from November 2 to 26, 2017 for a total of 25 days.

2.3 不同深度营养液昼夜温差的频度及区域划分

昼夜温差即日较差, 是一日内气象要素的最大值与最小值之差[22]。温度的变化反映着能量的交换, 试验对各深度的营养液日较差进行了频度分析, 结果见表2。11月2—26日共25 d的观测中, 液面0 cm、液面以下5 cm、10 cm、15 cm处的日较差分别集中在3~6 ℃、1~3 ℃、0~2 ℃、0~1 ℃, 各有23 d、23 d、25 d、23 d, 分别占观测总天数的92%、92%、100%、92%。进一步从能量交换量看(图5), 0~5 cm、5~10 cm、10~15 cm能量交换量占总能量交换量的比值为56.69%、32.35%、10.96%, 即0~10 cm能量交换比达近90%, 是主要的能量交换部位。

综合表2和图5得出营养液日较差快速下降的部位位于液面表层0~5 cm, 变化幅度为3~6 ℃; 日较差变化平缓部位位于5~10 cm, 变化幅度为1~3 ℃; 日较差变化稳定部位位于10~15 cm, 变化幅度在0~1 ℃。据此, 将营养液划分为热交换层(>3 ℃)、热缓冲层(1~3 ℃)、热稳定层(0~1 ℃)。

表1 各深度营养液平均温度和极端温度情况

表中数据根据2017年11月2—26日每天平均温、最高温、最低温、日较差求出各自的平均值、最大值、最小值、极值以及标准差和变异系数。其中标准差通过STDEV函数计算而得, 变异系数CV=标准差/平均值×100%[21]。The data in the table was based on the daily average temperature, the highest temperature, the lowest temperature, and the daily range from November 2 to 26, 2017. The standard deviation was calculated by the STDEV function. Coefficient of variation = standard deviation / mean value × 100%[21].

表2 不同深度营养液昼夜温差的频度

表中数据来自各测点2017年11月2—26日的日较差。The data in the table were in each survey point from November 2 to 26, 2017.

2.4 营养液日较差变化趋势

为了解营养液内部热传递变化规律, 根据试验期间每日各深度的日较差, 以营养液深度为横坐标, 日较差为纵坐标绘制得图6。无论天气好坏, 25 d的趋势线均表现出营养液温度随深度增加变化稳定, 日较差渐小, 呈对数趋势递减。25 d每日各深度日较差平均值()绘制的趋势线方程为=-2.619ln+4.215 2 (式中为液层的序号, 0 cm、5 cm、10 cm和15 cm分别为1、2、3、4), 由此关系式可计算出当日较差=0 ℃时=5, 即液面以下20 cm处日较差为0 ℃。

图5 一天中不同深度营养液能量交换比率变化

能量交换比率=|浅-深|/(|0-5|+|5-10|+|10-15|)×100%,为温度, 下标的数据为营养液深度。Energy exchange rate = |shallow-depth| / (|0-5| + |5-10| +|10-15|) × 100%, in whichwas temperature, the subscripts were depths of nutrient solution.

2.5 系统热交换的速度变化

通过叶菜生产系统营养液各层热量传输过程中温度的变化, 计算出各层变化的热量, 从而得出系统热量交换速率, 绘制出图7, 图中正值表示热量损失速率, 负值表示热量蓄存速率。由图看出营养液0~5 cm白天热损失速率最高, 可达3 236 kJ×cm-1, 出现在13:20; 5~10 cm在15:20热损失速率最高, 为1 600 kJ×cm-1; 10~15 cm在17:50热损失速率最高, 为579 kJ×cm-1。5~10 cm和10~15 cm在20:00后热损失速率降到400 kJ×cm-1以下, 于0:00后趋于稳定。

图6 不同测定日期(月-日)不同深度营养液日较差变化趋势

图中每个数据点为2017年11月2—26日每日最高温与最低温的差。The daily difference of temperature in the figure was difference between the highest and lowest temperatures in every day from November 2 to 26, 2017.

图7 不同深度营养液系统热量交换的速度变化

热量损失速率=(浅-深)×6 787.8 kJ /5 cm。Heat loss rate = (shallow-depth) ×6 787.8 kJ / 5 cm.is temperature.

3 讨论与结论

水循环蓄热是近年来的研究热点, 因其比热容大可尽量多的将热量存储起来, 但水的封装需要良好的封闭性, 否则容易泄露[5]。我们将水利用起来配制成营养液来为作物提供营养, 既节省了制作密闭管道的成本又可达到水蓄热的目的。但本试验中水体处于静止状态, 分析的是静止状态下营养液的热传导规律。

从热量传递规律上来讲, 营养液类似于日光温室墙体的变化规律, 能量在营养液中是逐层进行传导的。有研究[23-25]表明烤烟漂浮育苗设施系统热量分布为基质∶水∶空气∶水泥结构=11.4∶62.3∶1∶20.1, 证实了水在漂浮育苗设施系统中起重要作用。本研究通过对多孔定植板条件下叶菜生产系统内营养液不同深度温度的测定分析, 认为营养液作为贮热体系具有实际意义。试验得出不同测试位点对营养液温度有一定影响, 但不影响整体传导规律。不同深度营养液温度变化显著不同, 表层变幅最大, 说明能量交换最多, 越往深变幅越小, 温度变化越来越稳定。各层液温分别在14:00、16:00、17:40、20:00出现峰值, 并随着营养液深度的增加而快速降低, 变异系数减小, 深层较浅层滞后。营养液作为缓冲介质, 在能量交换上可发挥一定作用。

在体系营养液深度为21.5 cm条件下, 不同层次日较差变化符合对数关系:=-2.619ln+4.215 2。0~5 cm、5~10 cm、10~15 cm各层能量交换量各占总交换量的56.69%、32.35%、10.96%。根据各深度日较差的变化幅度, 将营养液划分为热交换层(>3 ℃)、热缓冲层(1~3 ℃)、热稳定层(0~1 ℃), 分别位于液面表层0~5 cm、5~10 cm和10~15 cm。营养液0~5 cm、5~10 cm、10~15 cm白天热损失速率最高可达3 236 kJ×cm-1、1 600 kJ×cm-1和579 kJ×cm-1, 分别出现在13:20、15:20和17:50。上述结果表明营养液作为贮热介质具有明显的热传导规律, 能量在营养液中是逐层进行传导的。

事实上, 由于我们的叶菜生产系统体积较小, 空气所占容积小, 气温变化1 ℃仅需20.55 kJ, 而1 m3营养液变化1 ℃则需4 190 kJ, 可见营养液中能储存大量能量, 在环境调控以及蓄热上能发挥作用。试验仅对静止状态的营养液传导规律进行了分析, 后期我们将对动态营养液即将营养液循环起来分析其热传导规律。

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Heat conduction law of hydroponic nutrient solution as heat storage medium*

MA Yujing, WEN Xiangzhen**, DU Liwen, LI Yaling

(School of Horticulture, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China)

In order to grasp the characteristics of heat transfer of hydroponic nutrient solution as heat storage medium and the related heat storage and preservation performance, nutrient solutions of leaf vegetable production systems were used for experimentation. The experiment was conducted at the solar greenhouse of Agricultural Engineering Institute of Shanxi Agricultural University. In this study, SH-16 road temperature inspection was used in leaf vegetable production systems and sensor elements placed at several different depths of different positions to monitor solution temperature. The regulation of temperature change of nutrient solutions in the system under porous planting plates were discussed. The experimental results showed that temperature change in nutrient solution at different depths were significantly different. The largest amplitude of temperature variation of nutrition solutions was at surface layer. The deeper the nutrient solution, the smaller was the variation. The highest temperature of nutrient solution in autumn decreased rapidly with increasing nutrient solution depth, and happened at 14:00, 16:00, 17:40 and 20:00 for the solution depths of 0 cm, 5 cm, 10 cm and 15 cm respectively. Based on the daily range of temperature at different depths, nutrient solutions were divided into three temperature layers — heat exchange layer (daily range of temperature > 3 ℃), heat buffer layer (daily range of temperature of 1–3 ℃) and heat stability layer (daily range of temperature at 0–1 ℃), which were located in the solution layers of 0–5 cm, 5–10 cm and 10–15 cm, respectively. When the nutrient solution depth of leaf vegetable production system was 21.5 cm, the relationship between daily temperature difference and solution depth (0 cm, 5 cm, 10 cm, 15 cm were expressed as 1, 2, 3 and 4 in the function) was described with the logarithmic function=-2.619ln+ 4.215 2. That indicated that daily temperature difference at 20 cm below solution surface was 0 ℃. The above results indicated that energy was conducted on a layer-by-layer basis in the nutrient solution of hydroponic system.

Nutrient solution; Leaf vegetable production system; Heat storage medium; Heat conduction; Energy

, E-mail: 330821473@qq.com

Apr. 9, 2018;

Aug. 13, 2018

S625.1

A

1671-3990(2018)12-1773-08

10.13930/j.cnki.cjea.180359

* 国家自然科学基金重点项目(61233006)和山西省煤基重点科技攻关项目(FT201402-05)资助

温祥珍, 主要从事设施园艺方面的研究。E-mail: 330821473@qq.com

马宇婧, 主要研究方向为设施园艺。E-mail: 563264114@qq.com

2018-04-09

2018-08-13

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (61233006) and Shanxi Coal-based Key Scientific and Technological Projects (FT201402-05).

马宇婧, 温祥珍, 杜莉雯, 李亚灵. 水培营养液作为贮热介质的热传导规律分析[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(12): 1773-1780

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