基于毛细管网的日光温室主动式集放热系统研究

李 明 李 涵 宋卫堂 王朝元 岳李炜

(1.中国农业大学水利与土木工程学院， 北京 100083； 2.农业农村部设施农业工程重点实验室， 北京 100083)

0 引言

日光温室是我国特有的温室类型，具有良好的保温蓄热性能，在北方冬季夜间不加温或少量加温的条件下可维持较高的室内温度，满足蔬菜越冬需求[1]。截至2016年底，我国日光温室面积已经达到69.7万hm2，为解决北方地区冬季蔬菜供应不足和推动农业产业结构调整发挥了巨大作用[2-3]。

日光温室一般由后墙、后屋面、东西山墙和前屋面等构成。我国北方地区日光温室一般无加热设备，主要依靠白天蓄积太阳能来提高室内温度[4]。传统后墙兼具保温和蓄热双重功能，可在日间吸收并储蓄来自太阳辐射的热量，在夜间向室内放热，提高夜间室内气温[5-6]。马承伟等[7]研究表明，后墙在晴天夜间的放热量可使北京地区日光温室的夜间温度提高3～8℃。因此，后墙是日光温室在冬季夜间保持较高室温、满足作物生长需求的关键因素。

为获得良好的保温蓄热性能，理想的后墙应由蓄热层和保温层复合而成[8-9]。其中，蓄热层用于储蓄热量，宜使用夯土或黏土砖等密度和比热容较高的材料；保温层主要用于防止蓄热层热量向室外散失，宜使用聚苯乙烯板等导热系数较小的保温材料。因此，由黏土砖和聚苯乙烯板复合建造而成的外保温复合墙具有较高的保温蓄热性能，是保温蓄热后墙的发展趋势之一[10]。但此类墙体存在着建造成本高、放热不可控等问题，尤其在后半夜室内气温较低的情况下，墙体放热强度较低，不利于维持室温[11]。为解决上述问题，张义等[11]提出，应用主动式集放热系统、配合保温后墙，替代上述传统后墙。后墙采用轻质保温材料建造，仅具有保温功能其集放热功能由主动式集放热系统承担。主动式集放热系统在日间收集后墙获得的太阳能并储存起来，在夜间室内气温较低时集中放热，可有效避免因室内气温过低而对作物生长造成的低温胁迫。

近年来，日光温室主动式集放热系统相关的研究与应用取得了较大进展。张义等[11]利用黑色薄膜开发了一种基于水幕帘的主动式集放热系统，其夜间放热量可达4.9～5.6 MJ/m2。梁浩等[12]利用双黑膜PE板代替原有的黑色薄膜，将系统日间集热效率提高到57.7%。使用金属膜替代原有双黑膜能进一步提高系统的集放热效率[13-14]。此外，佟雪姣等[15]提出一种以水为媒介，利用PC板进行集热的主动蓄热装置，并比较了不同颜色及厚度的PC板的集热效果，结果表明，5种颜色中褐色阳光板的蓄热量最多，达到191.5 kJ/(m2·d)，3种厚度中8 mm透明阳光板的蓄热量最多，为198.2 kJ/(m2·d)。在此基础上，徐微微等[16]将PC板中水流方向改为由下向上，消除了集热板内空气对水流的影响，可使中空腔体中充满流动的水，系统总集热量达350 MJ，最大集热效率可达93%。马承伟等[17]使用日光温室骨架作为集放热单元，也获得了较好的结果。

目前，缺少关于主动式集放热系统和日光温室保温蓄热后墙的对比研究，本文设计一种基于毛细管网的主动式集放热系统(Active heat system developed with capillary tube mates，AHSCTM)，分析AHSCTM替代外保温复合墙集放热功能的可行性。

1 材料与方法

1.1 试验日光温室概况

试验日光温室(图1)位于北京市通州区潞城镇中农富通园艺有限公司通州基地(39.8°N，116.7°E)，温室东西走向，方位角偏东25°，长25 m，南北跨度8 m，后墙高2.6 m，脊高3.8 m。后屋面仰角45°，在水平地面投影宽度为1.5 m，后坡仰角45°。温室前屋面覆盖材料为0.1 mm PVC塑料薄膜。温室后墙、后坡与东西侧山墙均采用双层140 mm聚苯乙烯板建造，板材内外涂抹3 mm抗裂砂浆，无其他加热设备。

图1 试验温室构造图Fig.1 Structure sketch of test solar greenhouse

测试时间为2017年12月31日—2018年2月19日。测试期间，温室内基质栽培番茄。保温被揭开和闭合时间分别为08:20和16:00。选取典型晴天(2018年2月7—8日)、多云天(2018年2月8—9日)和阴天(2018年2月9—10日)采集的数据进行分析。

1.2 AHSCTM结构与原理

图2 基于毛细管网的主动式集放热系统简图Fig.2 Schematic composition of active heat system developed with capillary tube mates1、2.回水管 3、4.毛细管网 5、6.供水管 7.水表 8.浮球阀 9.潜水泵 10.蓄热水池

AHSCTM由毛细管网、蓄水池、循环管道、潜水泵和控制系统等构成(图2)。其中，毛细管网由外径4.3 mm、内径3.5 mm的毛细管构成，分为后墙吊挂毛细管网和空中悬吊毛细管网两部分。后墙吊挂毛细管网安装在后墙处，含23个由96根毛细管构成的毛细管单元，每个单元宽1.0 m、长1.8 m，下端距地面1.0 m，毛细管并联在供水管和回水管之间，采取同程回水和下进上出的进水模式，保证水充满整个细管，供水管与回水管直径均为32 mm。空中悬挂毛细管网安装在前屋面上，其水平投影距前屋面底角3.2 m，同样包含23个毛细管单元，每个毛细管单元由40根毛细管构成，宽1.0 m、长0.8 m，采用U形单根毛细管，两端分别与供水管和回水管相连，采取上进上出的供水模式。

蓄热水池位于温室东侧地下，水池长×宽×高为4.2 m×2.2 m×1.4 m，有效容积13.0 m3，蓄水池内水的体积为5 m3。循环管道使用PVC管构建。潜水泵功率800 W，扬程10 m。控制系统主要由气温传感器、水温传感器和PLC控制柜组成，安装在温室的控制间内。

AHSCTM的工作模式为：日间保温被揭开后，潜水泵启动，蓄水池中的水流经毛细管，吸收太阳辐射及温室内空气中热量后，再返回蓄水池中，反复循环，热量被储存在蓄水池中。夜间，当室内气温低于11℃且小于水温1℃时，自动控制系统启动潜水泵，蓄水池中的水流过毛细管，向室内放热。当室内温度高于设定值或者水气温差小于1℃时，自动控制系统关闭潜水泵，AHSCTM停止运行。

1.3 测试方案

在测试期间试验日光温室内有基质栽培的番茄，并使用滴灌方式进行灌溉。当室内气温较高时，使用卷膜器打开顶部通风口进行自然通风。

后墙太阳总辐照度和温度测点布置位置如图1所示。后墙太阳辐照度采用太阳总辐射传感器测量并且自动采集(测量范围：0～1 280 W/m2，精度：±10 W/m2)。太阳总辐射传感器垂直悬挂在后墙中间位置，距离过道地面高度为1.35 m处。室内温度测点布置在温室水平面几何中心、距地面高度1.5 m处，采用T型热电偶测量(测量范围：-100～350℃，精度：±0.5℃)。蓄水池水温测点布置在蓄热水池水体几何中心、距离水池底部0.7 m处，采用Pt100铂电阻测量(测量范围：-50～200℃，精度：±0.1℃)。室外气温通过HOBO室外气象站采集。通过安捷伦34970A型数据采集仪自动采集T型热电偶和Pt100铂电阻的测试数据。所有数据的采集间隔均为10 min。

1.4 AHSCTM水温模拟与集放热量计算

根据AHSCTM系统特点，提出以下计算假设：①忽略毛细管外表面温度与管内水温的差异。②忽略毛细管网进水温度与蓄水池水温的差异。③忽略毛细管背面的散射光。

根据能量守恒，单位时间流经毛细管的水的内能变化量等于该时间内毛细管吸收的太阳能和空气热能，可描述为

(1)

式中ρw——水的密度，取998 kg/m3

cw——水的比热容，取4 183 J/(kg·K)

v——毛细管网内部水流速度，m3/h

n——毛细管数量，根

Top——毛细管出水口水温，℃

Tw——水池水温，℃

ηc——毛细管对太阳辐射照度的吸收率

qs——单根毛细管截获的太阳辐射能，W

αc——单根毛细管的表面换热系数，W/(m·K)

Apo——单根毛细管表面积，m2

Tin——室内气温，℃

根据太阳光照射下毛细管在与后墙平行平面所形成的阴影(图3)，qs计算式为

qs=InLds

(2)

(3)

ε=β-γ

(4)

式中In——后墙表面的太阳辐射强度，W/m2

L——毛细管长度，m

ds——毛细管在后墙平行面的阴影宽度，m

do——毛细管外径，m

dt——两根相邻毛细管间距，m

ε——与后墙平行平面的太阳方位角，(°)

β——太阳方位角，(°)

γ——温室方位角，(°)

图3 毛细管在后墙平行面的阴影示意图Fig.3 Schematic of capillary tube shadow on plane paralleled to north-wall

夜间AHSCTM运行时，流经毛细管的水通过毛细管表面向室内放热，水温降低。该关系描述为

(5)

AHSCTM运行期间，蓄水池内的水温受毛细管网换热和蓄水池自身热量流失影响而变化，蓄水池水温计算式为

(6)

式中Tw,m——第mΔt时刻的蓄水池水温(m=0，1，2，…)，℃

V——蓄水池中水总体积，m3

v1——后墙处毛细管网内部水流速，m3/h

Top1——后墙处毛细管网出水口水温，℃

v2——悬挂毛细管网内部水流速，m3/h

Top2——悬挂毛细管网出水口水温，℃

Δt——计算步长，取600 s

Tl——蓄水池水温降低速率，℃/s

AHSCTM停止运行期间，蓄水池水温为

Tw,m+1=Tw,m-TlΔt

(7)

日间由于AHSCTM采集后墙处太阳能和空气热能并将其储蓄在蓄水池内，AHSCTM集热量为

Ec=ρwcwV(Tw,ec-Tw,ic)/106

(8)

式中Tw,ic——集热开始时蓄水池水温，℃

Tw,ec——集热结束时蓄水池水温，℃

夜间AHSCTM向室内放热，使得蓄水池内水温下降。根据能量守恒，夜间AHSCTM向温室释放的热量为

Er=ρwcwV(Tw,ir-Tw,er)/106

(9)

式中Tw,ir——放热开始时蓄水池水温，℃

Tw,er——放热结束时蓄水池水温，℃

AHSCTM的特性系数(Coefficient of performance，COP)定义为系统1 d向温室释放的热量与系统1 d耗电能的比值，计算式为[18]

(10)

式中qp——水泵额定功率，取800 W

tr——AHSCTM夜间运行时间，s

tc——AHSCTM日间运行时间，s

根据前期测试，将毛细管网系统停止后，蓄水池温度在24 h内未出现变化，Tl可取0℃/s。根据《民用建筑设计规范》(GB 06—2016)，αc取8.7 W/(m·K)[19]。另外，毛细管为黑色，ηc取0.8[19]。β和γ参照文献[20]所采用的方法进行计算。

1.5 外保温复合墙温度模拟

根据《日光温室设计规范》(NY/T 3223—2018)，北京地区适宜的外保温复合墙可选择370 mm黏土砖和100 mm聚苯乙烯板[21]复合而成。同时，为消除日光温室施工质量、栽培管理模式等问题对外保温复合墙蓄放热性能的影响，本文采用一维差分法[22-23]计算给定条件下外保温复合墙的墙体温度，并据此计算其日间蓄热量和夜间放热量。外保温复合墙的节点划分如图4所示。

图4 外保温复合墙体节点划分图Fig.4 Nodes in external insulation composite wall

黏土砖内部控制节点i(i=1，2，3，4)的非稳态传热差分方程为

(11)

其中

Δxi=δxi-1/2+δxi/2

(12)

式中ρ1——黏土砖密度，kg/m3

c1——黏土砖比热容，J/(kg·K)

λ1——黏土砖导热系数，W/(m·K)

Ti,m——控制节点i在第mΔt时刻的温度，℃

Δxi——控制节点i的控制区宽度，取0.074 m

聚苯乙烯板节点6的非稳态传热差分方程为

(13)

式中ρ2——聚苯乙烯板密度，kg/m3

c2——聚苯乙烯板比热容，J/(kg·K)

λ2——聚苯乙烯板导热系数，W/(m·K)

T6,m——控制节点6在第mΔt时刻的温度，℃

δx5——控制节点5、6之间的距离，取0.05 m

δx6——控制节点6、7之间的距离，取0.05 m

Δx6——控制节点6的控制区宽度，取0.05 m

黏土砖和聚苯乙烯板交界处控制节点5的一维非稳态传热差分方程为

(14)

外保温复合墙内表面节点0和外表面节点7的一维非稳态传热差分方程为

(15)

(16)

其中

Δx0=δx0/2

(17)

Δx7=δx6/2

(18)

式中 Δx0——控制节点0的控制区宽度

ηe——墙体内表面对太阳辐射照度的吸收率

Δx7——控制节点7的控制区宽度

αi——墙体内表面换热系数，W/(m·K)

αo——墙体外表面换热系数，W/(m·K)

Tout——室外气温，℃

δx0——控制节点0、1之间的距离，取0.74 m

由于外保温复合墙是通过提高蓄热层温度来储蓄热量，可根据深度x处墙体在日间初始时刻的温度(Tx,start)和结束时刻的蓄热层温度(Tx,end)来计算其日间蓄热量。蓄热层厚度利用温差法[23]计算。考虑到聚苯乙烯板蓄热能力较小，可认为主要由黏土砖部分承担蓄热功能，外保温复合墙日间储热量(Qc，MJ)可根据深度x处蓄热层在日间初始时刻的温度(Tx,start)和结束时刻的蓄热层温度(Tx,end)来计算。即

(19)

式中S——蓄热墙体表面积，m2

dw——蓄热层的厚度，m

Tx,start和Tx,end随x变化的方程可在上述模拟结果的基础上通过回归分析获得。

夜间外保温复合墙通过对流换热和辐射换热的方式向室内散热，其放热量为

(20)

其中

qr,k=αiS(T0,k-Tin,k)

(21)

式中Qr,m——外保温复合墙在mΔt时间内的放热量，MJ

qr,k——外保温复合墙在第kΔt时刻的放热功率，J

T0,k——外保温复合墙内表面在k时刻温度，℃

Tin,k——温室内k时刻空气温度，℃

上述模型中所涉及的材料热工参数如表1所示[19]。由于黏土砖表面为红褐色，根据《民用建筑设计规范》(GB 06—2016)，ηe取0.8，αi取8.7 W/(m·K)，αo取23.0 W/(m·K)[19]。

2 结果与分析

2.1 后墙内表面太阳辐射及室内外气温

后墙内表面太阳辐照度和室内外气温变化如图5所示。日间和夜间分别定义为保温被揭开(08:20—16:00)和闭合期间(16:00—08:20)。

表1 外保温复合墙材料热工参数Tab.1 Thermal parameters of material involved in external insulation composite wall

图5 室内外空气温度与后墙内表面太阳辐照度变化曲线(2018-02-07—2018-02-09)Fig.5 Variations of indoor and outdoor air temperatures and solar radiation on inner surface of north wall

在晴天和多云日间，后墙内表面太阳辐照度总体呈先增后减的变化趋势，最高太阳辐照度分别为503.1、286.9 W/m2。室外气温(Tout)分别在-2.8～3.9℃和-9.6～4.2℃的范围内变化，也呈先升高后降低的趋势。室内气温(Tin)在保温被揭开之后随时间快速提升，中午时由于通风而出现波动。在晴天和多云日间，Tin分别在11.3～32.6℃和9.6～29.6℃范围内变化，室内外最大温差分别为30.9、27.4℃。

在阴天太阳辐射较弱，最高太阳辐照度为73.4 W/m2，仅为晴天的14.6%。Tout在-11～5.4℃范围内变化，室内外温差最高为17.5℃。虽然阴天Tin不高，但温室管理人员依然在中午实施通风，导致阴天中午Tin出现了小幅下降。

在晴天、多云及阴天夜间，Tout分别在-12.1～2.1℃、-15.8～2.5℃和-11.1～3.9℃范围内变化。保温被闭合后，室内气温以约2.4℃/h的速度下降。当室内气温低于11℃时，AHSCTM开始向室内放热，室内气温下降的速度减至0.2℃/h。

2.2 AHSCTM集热与放热性能

试验期间蓄水池水温(Tw)变化曲线如图6所示，根据式(8)和式(9)计算集放热量，计算结果见表2。日间AHSCTM运行期间，Tw随时间持续上升，分别在晴天、多云和阴天日间上升了8.2、6.0、1.7℃，日间集热量(Ec)分别为171.2、125.2、35.5 MJ；夜间放热量(Er)分别为123.2、116.9、60.5 MJ，根据式(10)计算COP分别为2.4、1.9、1.1。

图6 AHSCTM蓄水池实测水温、模拟水温和改进AHSCTM的模拟蓄水池水温(2018-02-07—2018-02-09)Fig.6 Measured and simulated water temperature of AHSCTM and simulated water temperature of improved AHSCTM

日期改进前改进后Ec/MJEr/MJCOPEc/MJEr/MJCOP02-07171.2123.22.4340.2365.37.002-08125.2116.91.9204.6196.23.502-0935.560.51.166.8156.52.8

以单位墙体面积计算，AHSCTM夜间放热量为0.9～1.9 MJ/m2，而基于水幕帘的主动式集放热系统的夜间放热量可高达4.9～5.6 MJ/m2 [9]。因此AHSCTM的夜间放热量较少。另外，AHSCTM的COP同样低于基于水幕帘的主动式集放热系统，需进一步优化[11，24]。

2.3 改进AHSCTM的储放热性能

2.3.1模型验证

为提升AHSCTM的储放热性能，利用试验测得的参数对本文构建的AHSCTM蓄水池水温模型进行了验证(图6)。结果表明模拟水温与实测水温一致性较高，两者之间平均偏差0.4℃，最大偏差1.3℃。因此，数学模型准确度较高，可以用来分析不同参数条件下的主动式集放热系统的集放热性能。

2.3.2AHSCTM改进

由于后墙吊挂的毛细管仅占后墙面积的26.3%，通过加大毛细管的数量和延长毛细管长度进行改进。改进后毛细管数量和长度分别为4 416根和2.6 m。又因为空中悬吊毛细管网会对地面植物产生阴影，去除不要，最终，改进后AHSCTM的毛细管外表面积较现有系统增加了62.4%。

根据构建的水温模型，在2018年2月7—9日期间测定的室内气温和太阳辐射条件下，改进AHSCTM可在晴天、多云和阴天日间使Tw分别升高16.3、9.8、3.2℃(图6)，Ec达到340.2、204.6、66.8 MJ，分别较现有系统增加98.7%、63.4%、88.2%(表2)。另外，改进AHSCTM在晴天、多云和阴天的Er可达365.3、196.2、156.5 MJ，分别较现有系统增加196.5%、67.8%、158.7%。

以单位墙体面积计算，改进AHSCTM夜间放热量达到2.4～5.6 MJ/m2，COP可达2.8～7.0，与基于水幕帘的主动式集放热系统在放热性能和COP的差距大幅缩减[11,24]。

2.4 外保温复合墙储放热性能

外保温复合墙温度随时间变化如图7所示。图中0、0.074、0.148、0.222、0.296 m表示到复合墙体内表面的距离。在日间保温被揭开后，后墙内表面温度先升高后降低，其他深度的墙体温度变化趋势与内表面温度变化相同，但具有一定的滞后性，且变化幅度不断随深度增加而减小。这与李明等[25]的研究结果一致。

图7 外保温复合墙体各节点温度变化曲线(2018-02-07—2018-02-09)Fig.7 Variation curves of temperatures at each node of insulation composite wall

一般外保温复合墙通过提高自身温度来储蓄热量。根据模拟结果，后墙不同位置温度的日变化幅度随深度增加不断减小。在深度为0.296 m处，其日变化幅度不到10%。认为外保温复合墙在试验条件下的蓄热层厚度为0.296 m。通过回归分析可获得保温被揭开和闭合时刻后墙蓄热层温度随深度变化的回归方程(表3)。表中回归方程x的取值范围为0～0.296 m。根据式(19)，外保温复合墙在晴天、多云和阴天的日间储热量(Qc)分别为203.0、118.4、31.5 MJ(表4)。但由于墙体的热交换过程不可控，墙体内表面温度从15:00左右高于室内气温，导致墙体提前放热，该部分热量达到了88.6、52.5、19.3 MJ，是Qc的43.6%、44.3%、61.3%。在夜间，外保温复合墙持续向室内放热，其夜间放热量(Qr,m)分别为160.0、116.1、80.9 MJ。阴天虽然Qc较低，但因夜间室内温度较低，外保温复合墙依然向室内放热，以致阴天Qr,m大于Qc。

2.5 AHSCTM与外保温复合墙储放热性能对比

AHSCTM在晴天、多云和阴天日间的储热量分别是相同条件下的外保温复合墙的84.4%、105.7%、111.3%。这可能是由于晴天日间太阳辐射较强，系统水温升高过快，AHSCTM下午的集热能力下降所造成的。另一方面，AHSCTM在晴天、多云和阴天夜间的放热量分别是外保温后墙的77.0%、100.7%、74.8%，但在AHSCTM夜间运行期间，AHSCTM放热量是相同时间段内外保温复合墙的放热量的172.5%、183.8%、98.2%。因此，与外保温复合墙相比，AHSCTM在储放热性能方面的优势并不明显，但由于放热过程可控，能在室内气温较低的时集中放热，对晴天和多云夜间最低气温的调节能力优于外保温复合墙。

表3 墙体蓄热层温度随深度变化的回归方程Tab.3 Fitting equations of wall temperature in heat storage layer varied with depth

表4 外保温复合墙日间储热量和夜间放热量Tab.4 Stored heat in daytime and released heat in night of external insulation composite wall MJ

改进AHSCTM的储放热较现有系统有了较大提升。改进AHSCTM在晴天、多云和阴天日间的储热量可较外保温复合墙分别高67.6%、72.8%、112.1%，夜间放热量则较外保温复合墙高128.3%、69.0%、93.5%；而在夜间AHSCTM运行期间，改进AHSCTM的放热量更是外保温复合墙的5.1、3.1、2.5倍。该结果表明，改进AHSCTM在日间储热量和夜间放热量上超过外保温墙体，能更有效地避免室内最低气温的发生。

当然，AHSCTM的运行过程离不开水泵运行，即使经过改善，依然需要一定的电力投入。而外保温后墙的运行不需要消耗电力，运行成本较低。另外二者在严格相同条件下对室内气温的影响也缺乏研究。因此，还需从建造成本、室内气温变化、作物产量和品质等角度对二者进一步对比，明确AHSCTM的替代传统保温蓄热后墙的可行性。

3 结论

(1)测试条件下，AHSCTM日间储热量和夜间放热量分别为35.5～171.2 MJ和60.5～123.2 MJ，COP为1.1～2.4。

(2)改进AHSCTM的日间储热量和夜间放热量分别较现有系统增加63.4%～98.7%和67.8%～158.7%，COP可达2.8～7.0。

(3)在相同条件下，AHSCTM的日间储热量为外保温复合墙84.4%～111.3%，夜间放热量为外保温复合墙74.8%～100.7%；在夜间运行期间，AHSCTM夜间放热量是相同时间段内外保温复合墙的放热量的98.2%～172.5%。因此，AHSCTM的储放热性能未明显优于外保温复合墙，但由于AHSCTM放热过程可控，在提高室内最低气温方面优于外保温复合墙。

(4)改进AHSCTM的日间储热量和夜间放热量分别较外保温复合墙高67.6%～112.1%和69.0%～128.3%。尤其在AHSCTM运行期间，改进AHSCTM的夜间放热量是外保温复合墙的2.5～5.1倍。因此，改进AHSCTM的储放热性能优于外保温复合墙，利用改进AHSCTM配合保温墙体替代传统保温蓄热后墙具有一定的可行性。