太阳能空气集放热系统在温室中的热性能研究

宋 磊，曹晏飞，王 浩，肖金鑫，胡艺馨，李建明

(西北农林科技大学 园艺学院 农业部西北设施园艺工程重点实验室，陕西 杨凌 712100)

温室作为一种重要的跨季节蔬菜生产栽培设施，在我国北方地区得到大面积应用，截至2018年底，我国温室种植面积达到370万hm2[1]，设施栽培面积位居世界第一。然而每年用于温室加温的费用占比较高，据统计每年用于温室加温的能耗量占温室生产总能耗量的35%，加温费用占到温室生产总费用的15%～40%[2]。因此，在温室种植面积不断增长的今天，降低温室的加温能耗[3]、提高能源的利用效率[4]，是温室发展应考虑的问题之一。

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，分布范围广[5]，加强其在农业领域的应用具有重大意义。温室的加温方式较多，有煤炭加热[6-7]、电加热[8]、生物质能加热[9-10]以及太阳能加热[11-14]等，太阳能加热作为一种低能耗、低污染、高效率的能源利用方式，在温室中的应用具有潜在优势。近些年，无土栽培技术逐渐兴起，在温室生产中基质袋培技术得到推广，但是与传统的土壤栽培相比，基质的蓄热保温性能较土壤差，常存在基质温度偏低的现象，而根据范爱武[15]的研究结果可知，植物的生长与根系温度存在密切关系，温度在2～4 ℃时根系才会有微弱的生长，在10 ℃以上根系生长才较为活跃。因此，研究一种低成本、高效率、维护管理简单的基质升温设备十分必要。

太阳能集放热的研究一直受到众多学者的关注，国外最早进行温室太阳能集放热研究的是日本的山本雄二郎，他利用太阳能集热器将加热后的水输送到温室地下1.5 m埋深的铜管中，以此来提高温室内土壤的温度[16]。国内戴巧利等[17]设计了一种主动式太阳能增温系统，可以使温室夜间地温平均提升2.3 ℃；孙先鹏等[18]利用太阳能蓄热与空气源热泵联合进行温室加热，可以使温室地温提升2.9 ℃；方慧等[19]将太阳能集热器安装在日光温室后墙上，设计了水幕帘蓄放热系统，白天利用集热器收集热量，夜间将热量转移到温室的浅层土壤中，该系统可以提高土壤温度1.6 ℃；柯行林等[20]也设计了类似水幕帘的主动蓄放热系统，利用水流循环吸收日光温室后墙表面的太阳辐射热，对基质进行加温，该系统可以使基质温度提升2.5 ℃。虽然目前的研究对于根系温度的提升具有较好效果，但是结合温室的生产实际，以上研究还存在一些瑕疵，比如将集热器安装在室外，浪费了部分耕地面积；室外集热器集热效率易受风速影响而降低，特别是在北方的冬季，室外风速一般较大，集热效率受影响更大；将集热器放置在室外，其采光面易被灰尘覆盖，需要定期清理，增加了人工成本的投入。如果将集热器安装在温室后墙上，虽可以解决风速以及灰尘对集热器集热效率的影响，但是随着太阳高度角的变化，温室后墙在白天会有一段时间无光照，并且温室内植株的生长会对温室后墙造成遮阴，使集热器的平均集热效率降低，集热量减少。另外，目前的研究由于一些装置成本高、系统安装设计复杂、维护管理困难，在温室中的推广应用受到了限制。

为此，本研究提出了一种结构简单、易于维护安装的太阳能空气集放热系统，该系统以空气为蓄热介质，以太阳能平板集热器为蓄热单元，通过空气循环实现系统的集热和放热，进而提升基质温度，促进作物的生长。为了探究该系统的热性能表现，本研究进一步对该系统的集放热性能、能量利用效率等进行了综合分析，以期为太阳能空气集放热系统的优化改进以及应用提供依据。

1 太阳能空气集放热系统介绍

1.1 工作原理

太阳能空气集放热系统的工作原理是：白天利用太阳能平板空气集热器收集温室内富余的太阳能，并对流经集热器流道内的空气进行加热，同时将加热后的空气通过管道风机抽送到基质袋下方的散热管道中使热量释放，以此来实现系统的集热与放热，进而对基质起到升温作用。

1.2 系统组成

太阳能空气集放热系统由太阳能平板空气集热器、散热管道和管道风机3部分组成，如图1所示。该系统的特征在于，集热和放热同步运行，即该系统通过一个风机就能实现整套系统的集热与放热，省去了传统集放热系统的热量储存装置，简化了系统结构，降低了系统能耗，同时减少了系统的造价成本以及热量在存储过程中的二次损耗；并且可以根据温室的加温需求，在温室中灵活选择装置的安装数量，每个装置独立运行，互不干扰。其中送风管道采用直径110 mm的PVC管，散热管道采用直径50 mm的 PVC管，管长6 m，管间距1 m，散热管道采用同程式布置方式，分别布置在每垄基质袋的下方。管道风机选用风速可调的变频风机，功率为30 W，最大进风量204 m3/h。

图1 太阳能空气集放热系统示意图

太阳能平板空气集热器结构设计如图2所示，单个集热器长2.0 m，宽1.0 m，内部空气流道高40 mm，金属吸热板与盖板间距为30 mm，吸热板厚度0.5 mm，外侧喷涂RLHY-2337太阳能吸热涂料，盖板为5 mm厚超白浮法玻璃，底部及四周保温层为30 mm厚橡塑保温棉，扰流板长850 mm，内部流道转弯数为17。太阳能平板空气集热器布置在温室内部，面朝南，倾斜角度为48°。

图2 太阳能平板空气集热器示意图

1.3 运行模式

太阳能空气集放热系统运行时间设为09:00-16:00，当系统在上午09:00开始运行时，太阳能平板空气集热器进行热量收集，此时管道风机同步开启，使冷空气流经集热器的流道内进行加热，同时抽送到基质袋下方的散热管道中进行热量释放，实现系统的集热和放热，16：00停止运行。

2 试验设计

试验于2019-04-01-2019-06-15在西北农林科技大学园艺场试验基地(北纬34°16′，东经108°4′)的日光温室进行。日光温室坐北朝南，为东西走向，长52 m，跨度8 m，脊高3.5 m；后墙采用粘土砖砌筑而成，高2.2 m、厚1.0 m，外表面附有一层10 cm厚的聚苯板用于墙体外保温。将该日光温室分为4个隔间，相邻隔间采用10 cm厚聚苯板作隔断处理，选取其中2个隔间进行试验，其中一个隔间安装太阳能空气集放热系统，作为试验区域；另一个隔间不安装太阳能空气集放热系统，作为对照区域。试验区域位于温室西侧，对照区域位于东侧。

2.1 试验仪器

室内空气温度、集热器内空气温度、散热管道内空气温度和基质温度采用铜-铜镍T型热电偶(温度测量范围为-40～350 ℃，测量精度为±0.1 ℃)进行测定，采用安捷伦34970A数据采集仪(美国安捷伦科技公司)自动记录热电偶所测温度值，数据采集间隔设定为10 min。太阳辐射强度采用Hobo U30气象站(美国Onset公司，测量范围为0～1 280 W/m2，测量精度为±10 W/m2)监测，数据采集间隔设定为10 min。风速采用泰仕AVM-05风速仪(泰仕电子工业股份有限公司，测量范围为0.3～45 m/s，测量精度为±0.1 m/s)测量。

2.2 相关参数测量

2.2.1 空气和基质温度测点布置 试验区域和对照区域以相同方式在温室隔间的几何中心距离北墙4.0 m处布置2个环境温度测点，测点距离地面高度分别为0.5和1.5 m；在第1垄和第3垄基质各布置3个基质温度测点，其距温室北墙的距离分别为2.5，4.0和5.5 m，各个基质温度测点布置于基质中心处，如图3所示。

▲ 环境温度测点；● 基质温度测点

2.2.2 集热器和散热管道温度测点布置 在集热器的进风口和出风口处各布置1个温度测点，在集热器流道中部布置3个温度测点，具体如图4所示。集热器内的所有温度测点均不与集热器壁面接触，以免影响热电偶的测量精度。

● 空气温度测点 Air temperature measurement point

在第1个和第3个散热管道内各布置3个温度测点，分别位于散热管道的进气口、中部和出气口，且各测点间隔3 m，另外在散热管道的总进气口处布置1个温度测点，具体如图5所示。

● 空气温度测点 Air temperature measurement point

2.2.3 太阳辐射测点布置 在距离地面1.5 m高度且与集热器平行位置布置1个太阳辐射测点，并用Hobo U30进行太阳辐射的自动记录，数据记录间隔为10 min。

2.2.4 空气流速测量 空气流速测量过程中，手持风速仪应与集热器进气口保持平行并靠近进气口中心处，同时调节管道风机的调速开关，使空气流速达到预定的测量值为准。

2.3 系统性能分析

(1)太阳能空气集放热系统蓄积的有效热量通过下式计算[21-24]：

(1)

(2)

式中：Qc为集放热系统的瞬时集热量，即空气流进集热器获得的能量(W)；ρ为空气密度，取1.29 kg/m3；ν为集热器进气口的空气流速(m/s)；d为集热器进气口的直径，d=0.11 m；Cp为空气的定压热容，取值1.005 kJ/(kg·℃)；T0为集热器出气口空气温度(℃)；T1为集热器进气口空气温度(℃)；Ec为系统蓄积的总热量，以下简称集热量(kJ)；ts、te分别为系统的起、止时刻；t为记录数据的时间间隔，t=10 min。

(2)太阳能空气集放热系统散热管道释放的热量通过下式计算[21-24]：

(3)

(4)

式中：Qr为集放热系统单位时间内的放热功率，即散热管道释放的热量(W)；ν′为散热管道内的空气流速(m/s)；d′为散热管道直径，d′=0.05 m；T0′为散热管道进气口温度(℃)；T1′为散热管道出气口温度(℃)；Er为系统散热管道释放的总热量，以下简称放热量(kJ)。

(3)太阳能空气集放热系统的瞬时集热效率通过下式计算[25]：

(5)

式中：η为集放热系统的瞬时集热效率(%)，E为太阳辐射强度(W/m2)，Ag为系统的集热面积(m2)。

(4)太阳能空气集放热系统的能量利用效率通过下式计算[20]：

(6)

2.4 研究内容

2.4.1 空气流速对系统集热性能的影响 根据2.2.4节所述的空气流速测量方法，在2019年4月，分别测试了1.4, 1.6, 1.8, 2.0, 2.2和2.4 m/s 6种不同空气流速下系统的集热性能，确定系统合适的空气流速。因测试发生在不同的天气条件下，为排除太阳辐射对系统集热性能(集热效率和瞬时集热量)的干扰，在测试期间只选取太阳辐射强度在700～800 W/m2的数据进行比较分析，并将瞬时集热量量化到单位集热面积(m2)上。

2.4.2 环境温度对系统集热性能的影响 选取2019-05-22和2019-06-13的数据比较环境温度对集放热系统集热效率的影响。这两天的空气流速均为2.0 m/s，平均太阳辐射强度分别为803和809 W/m2，温度分别为30.9～42.4 ℃和27.8～40.0 ℃，平均温度分别为37.7和33.1 ℃。

2.4.3 太阳辐射强度对系统集热性能的影响 在空气流速为2.0 m/s的条件下，选取2019-06-13的数据分析了集热器进出口温差、集热效率和瞬时集热量与太阳辐射强度之间的关系，瞬时集热量量化到单位集热面积(m2)上。

2.4.4 集热器和散热管道温度的变化 在系统稳定运行的典型晴天(2019-06-13)条件下，分析集热器和散热管道内温度的变化情况，以此来探究系统的集热和放热性能。

2.4.5 系统能量利用效率 在连续晴天(2019-06-11-2019-06-13)条件下，对系统的集热量、放热量以及能量利用效率进行计算分析，并将集热量和放热量量化到单位集热面积(m2)上。

2.4.6 典型晴天条件下系统对基质温度的影响 在晴天(2019-06-13)条件下，对试验区域(安装太阳能空气集放热系统)与对照区域(不安装太阳能空气集放热系统)的基质进行温差分析，以探究系统对温室基质的升温效果。

3 结果与分析

3.1 空气流速对太阳能空气集放热系统集热性能的影响

图6反映了6种不同空气流速下系统瞬时集热量和集热效率的变化情况。由图6可知，随着空气流速的逐渐增加，系统的集热效率和瞬时集热量均不断增大，在空气流速达到2.0 m/s时，系统的集热效率最高，为67.7%，此时其瞬时集热量也达到最大，为494.4 W/m2；之后随着空气流速的继续增加，集热效率和瞬时集热量均降低，这是因为当空气流速超过2.0 m/s后，由于空气流速过大，导致集热器内部空气来不及与集热器进行充分热交换就被吹出，从而导致系统集热效率降低。通过以上分析得出，系统在空气流速为2.0 m/s时其集热效率和瞬时集热量较佳，因此在试验期间，选择空气流速为2.0 m/s作为太阳能空气集放热系统的运行风速值。

图6 不同空气流速下太阳能空气集放热系统瞬时集热量和集热效率的变化(太阳辐射强度为751.0～799.4 W/m2)

3.2 环境温度对太阳能空气集放热系统集热性能的影响

图7为不同环境温度下系统集热效率的变化情况。由图7可知，在相同的空气流速和近乎一致的太阳辐射强度条件下，5月22日和6月13日系统的集热效率不同，但变化趋势一致，前者的集热效率大于后者，这是因为5月22日的环境温度大于6月13日，环境温度越高，则系统集热器内部温度与环境温度差值越小，系统通过集热器表面的热量损失就越小，因而集热效率越高。经测算，这两天的环境温差平均为4.6 ℃，平均集热效率差值为4.1%。综合以上分析可以得出，集放热系统的集热效率与环境温度有关，在太阳辐射强度、空气流速相同的情况下，其集热效率随着环境温度的升高而提高。

图7 不同环境温度下太阳能空气集放热系统集热效率的变化

3.3 太阳辐射强度对太阳能空气集放热系统集热性能的影响

图8为系统集热性能与太阳辐射强度之间的关系。由图8可知，系统的瞬时集热量和进出口温差均与太阳辐射强度变化趋势保持一致，均表现为先增加后降低的趋势。晴天上午09:00-13:00，随着太阳辐射强度的逐渐升高，系统进出气口温差从13.8 ℃快速增加到38.3 ℃，瞬时集热量从170.0 W/m2增加到472.5 W/m2；晴天下午13:00-16:00，随着太阳辐射强度的逐渐降低，系统进出气口温差从38.6 ℃迅速下降到13.2 ℃，瞬时集热量从476.1 W/m2下降到163.4 W/m2。

图8 太阳能空气集放热系统进出口温差和瞬时集热量随时间的变化

表1反映了系统集热效率与太阳辐射强度的关系。由表1可知，系统集热效率随着太阳辐射强度的增加逐渐提高，但当太阳辐射强度大于800 W/m2时，系统集热效率变化趋势较为平缓，只是出现小幅提升，并没有显著增加。这是因为太阳辐射强度大于800 W/m2时，随着太阳辐射强度的增加，系统的集热量也在增加，然而系统运行的空气流速恒定，其进行热交换的量基本维持不变，导致此时系统内部的热量有富余，没被空气从集热器出气口完全带出，造成系统内部温度偏高，使得系统与环境的温差增大，从而促进了系统玻璃盖板表面与环境的热交换，系统的热损失增大，进而影响其集热效率的增加，因此当太阳辐射强度继续增加时，系统集热效率并未显著提升。

表1 太阳能空气集放热系统瞬时集热效率随时间的变化

3.4 太阳能空气集放热系统的热性能分析

3.4.1 集热器内部温度的变化 图9为太阳能平板空气集热器一天内的温度变化情况。由图9可以看出，集热器内部的温度总体呈现出先增加后降低的趋势，其变化趋势与当天太阳辐射强度的变化一致。在13:00时，集热器内部温度达到了一天中的最高值，此时出气口的温度达到了71.9 ℃，此阶段集热器内空气介质的温度提升了38.3 ℃；集热器从早上09:00开始运行到下午16:00停止运行的这一段时间内，出气口温度一直维持在41 ℃以上；集热器在运行时段内，其出气口温度平均为61 ℃，集热器内空气温度平均提升27 ℃，集热效果明显。

图9 太阳能空气集放热系统集热器内部温度的变化

3.4.2 散热管道空气温度的变化 图10为晴天条件下太阳能空气集放热系统散热管道内空气温度的日变化情况。由图10可知，系统在09:00-16:00这段运行时间内，散热管道内的温度先升高后降低，在13:00时温度达到最高，与集热器出气口温度变化趋势一致，系统散热管道内的平均温度为40.4 ℃，比环境温度高7 ℃。

图10 太阳能空气集放热系统晴天条件下散热管道内空气温度的变化

如图11所示，从散热管道的进气口到出气口，温度是逐渐降低的，这是因为随着散热管道长度的增加，管道内空气的热量损失也逐渐增加。系统在运行期间，散热管道进气口的平均温度为49.6 ℃，到出气口平均温度下降约16.2 ℃，其放热性能较佳。在10:00-15:00时间段内，散热管道内的空气温度始终高于外界环境温度，并且其进出气口温差显著；但是在16:00时，散热管道中部至末端的温度要低于外界环境温度，因为此时太阳辐射强度逐渐下降，集热器的集热性能有所降低，另外16:00风机关闭，系统内部空气循环停止，导致系统内部热量流通停止，因此离集热器较远的散热管道部位温度较低。综合以上分析可知，在晴天条件下，系统散热管道内空气温度要远远大于外界环境温度，使得散热管道不断与环境进行热交换，进而释放热量，对基质起到升温作用。

图11 晴天条件下太阳能空气集放热系统散热管道内不同测点温度的比较

3.5 太阳能空气集放热系统的能量利用效率分析

如表2所示，在连续晴天条件下，系统在2019-06-11-2019-06-13的能量利用效率分别为78.2%，78.2%和73.0%，平均能量利用效率达到76.5%，其能量利用效率较高；系统在这3天的集热量分别为8.3，6.0和9.3 MJ/m2，放热量分别为6.5，4.7和6.8 MJ/m2，表明该系统的集放热性能较好。

表2 太阳能空气集放热系统的集放热参数及能效利用结果

3.6 太阳能空气集放热系统对基质温度的影响

表3为2019-06-13试验区域与对照区域基质温差的变化情况。由表3可知，在典型晴天条件下，温室试验区域与对照区域的基质温差始终为正值，平均温差为2.7 ℃。

表3 太阳能空气集放热系统对温室基质温度的提升效果

4 结论与建议

本研究设计了一种太阳能空气集放热系统，为了探究该系统在温室中的推广与应用价值，对其各项性能参数进行了详细测评，并从系统的集热量、放热量、集热效率以及能量利用效率等方面进行分析，得到以下结论：

(1)太阳能空气集放热系统集热效率随着空气流速的增加呈先增加后降低的趋势，在空气流速为2.0 m/s时，系统的集热性能表现较佳，集热效率达到67.7%。系统的集热效率还受环境温度和太阳辐射强度的影响，其中与环境温度呈正相关；当太阳辐射强度不超过800 W/m2时，集热效率随着太阳辐射强度的增加而逐渐增大，但当太阳辐射强度超过800 W/m2后，集热效率的变化趋势较平缓。

(2)太阳能空气集放热系统在2.0 m/s的空气流速运行时，集热器进出口最大温差达38.3 ℃，散热管道进出口平均温差为16.2 ℃，此阶段系统集热量为6.0～9.3 MJ/m2，放热量为4.7～6.8 MJ/m2，系统的能量利用效率平均为76.5%，其能效利用效率较高，集热和放热性能较好。

(3)该太阳能空气集放热系统具有较好的集放热性能和较高的能量利用效率，适合在温室中推广应用。

太阳能空气集放热系统虽然表现较优，但仍有需要改进和优化的地方，具体建议如下：

(1)太阳能空气集放热系统运行期间，从集热器出气口至加热管道进气口，空气温度降幅较大，最大为14.4 ℃，平均温降为10.6 ℃，这部分的热量损失较大。建议通过选用热阻系数较大的保温材料或增加保温材料厚度来对这部分管道加强保温，减少其热量损失，进而提升系统的集热性能。

(2)可采取在集热器的扰流板上开孔[26]或改变集热器流道形式等[25,27]措施，来对集热器进行优化改进，提升系统的集热性能。