基于土壤储热的温室热湿调控系统研究.pdf

第 42 卷 第 4 期2023 年 8 月内蒙古工业大学学报（自然科学版）Journal of Inner Mongolia University of Technology（Natural Science Edition）Vol.42 No.4Aug.2023基于土壤储热的温室热湿调控系统研究屈小淞1，陈辛格1,2，冯朝卿1，伍纲2，杨云帆3，马前磊3（1.内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，呼和浩特 010051；2.中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；3.中国农业科学院 都市农业研究所，成都 610213）摘要：位于中高纬度地区的温室，都难以避免遇到冬季夜间相对湿度过高、温度较低的问题。针对该问题，基于太阳能“削峰填谷”思想，提出了一种基于土壤储热和固体除湿剂除湿的温室热湿调控系统。该系统结合地中热交换技术，将固体除湿剂脱附后的余热通过土壤储存，能够在冬季将温室夜间相对湿度从92.1%的高湿区间调控到72.3%的作物正常生长区间，平均相对湿度下降19.8%，室内平均温度上升2 C。白天脱附阶段，窄槽式集热器的最高出口温度为153 C，平均集热效率为0.51。土壤白天最高温度为40.2 C，夜间最低温度为8.2 C，在冬季，可为温室中作物提供更适宜的生长环境。关键词：土壤储热；太阳能；温室；固体除湿剂中图分类号：TM 519 文献标志码：AResearch on greenhouse temperature and humidity control system based on soil heat storageQU Xiaosong1,CHEN Xinge1,2,FENG Chaoqing1,WU Gang2,YANG Yunfan3,MA Qianlei3(1.College of Energy and Power Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China;2.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture,Chinese Academy of Agriculture Sciences,Beijing 100081,China;3.Institute of Urban Agriculture,Chinese Academy of Agriculture Sciences,Chengdu 610213,China)Abstract：Greenhouses located in middle and high latitudes are unavoidably subjected to high relative humidity and low temperature at night in winter.To deal with this problem,this study proposes a temperature and humidity control system for greenhouses based on soil thermal storage and dehumidification of solid desiccant,based on the idea of peak and valley reduction by solar energy.The system combines underground ventilation.The residual heat from solid desiccant desorption is stored in soil,which can regulate the nighttime relative humidity of the greenhouse from a high-humidity range of 92.1%to a normal crop growth range of 72.3%during winter,resulting in an average decrease in relative humidity of 19.8%and an average indoor temperature increase of 2.During the daytime desiccation period,the maximum outlet temperature of the narrow trough collector is 153C and the average collection efficiency is 0.51.The maximum daytime temperature of the soil is 40.2C and the minimum nighttime temperature is 8.2C.In winter,it can provide a more suitable growing environment for crops in the greenhouse.Keywords：soil thermal storage;solar energy;greenhouse;solid desiccant在中国北方的寒冷季节，温室外的温度通常处于 0 以下1，导致限制通风开窗的时段和时长，而作物会将灌溉用水的8095用作自身的蒸腾作用2，这使得夜晚温室内部的相对湿度较高，增大作物真菌疾病和生理紊乱的风险。所以，降低温室夜间的相对湿度和提升温度，对于作物有着积极文章编号：1001-5167（2023）04-0330-06收稿日期：2023-06-06基金项目：内蒙古自治区高等学校“青年科技英才”支持计划项目（NJYT23023）；内蒙古自治区科技重大专项项目（2021ZD0030）；内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目(JY20220396)第一作者：屈小淞（1999），男，2022级硕士研究生，主要从事太阳能在农业应用方面的研究。E-mail:通信作者：冯朝卿（1981），女，博士，副教授，主要从事太阳能综合高效利用方面的研究。E-mail:第 4 期屈小淞等 基于土壤储热的温室热湿调控系统研究影响3。固体除湿剂除湿是一种温室中常见有效的除湿方式，该方式通常需要采用聚光式集热器来提供热量4-5。脱附之后的余热还可供给温室增温使用。研究主要利用“削峰填谷”的思想，白天储热，夜晚放热。现有研究中，水箱蓄放热系统以水为换热工质，升温效果较为明显，但系统结构复杂，且易受沸点的限制2。相变材料、纳米流体在温室中的蓄放热系统成本较高，且技术不够成熟6-7。地中热交换系统使用空气作为传热工质，土壤为蓄热工质，系统结构较为简单，且经济性较高，但操作难度较大8-9。现有的地中热交换系统管路排布的主要方式分为横管和竖管10-11，单独的横竖管布置施工较为困难，且容易影响作物根温，给作物造成负面影响。本文提出温室地中热交换与热湿调控耦合系统，采用横管和竖管结合的地埋管排布方式，在不影响根温以及翻土的前提下，对温室内温度和相对湿度进行调节。1系统的结构与运行原理温室地中热交换与热湿调控耦合系统的工作原理如图1所示，以日光温室为示例。系统主要包括:窄槽式集热器(NTC)、除湿剂箱、进气管、出气管、U型换热管、室内风机和室外风机。图1(a)为系统的整体示意图，与热湿调控系统相同，NTC放置在日光温室外部南侧，进气管放置在日光温室内南侧，出气管则放置在北侧。除湿剂放置在除湿剂箱中，以最大限度提升温室空间利用率。图1(b)为系统地下装置示意图，系统中热量的蓄积与释放通过聚氯乙烯PVC(Polyvinyl chloride)材质的U型换热器（图1(c)）与土壤的热量交换而实现，U型换热器放置在土壤中大部分作物的根深以下，U型换热器之间通过保温管相连接，避免溢出热量对作物根温的不利影响。在夜间，夜间增温除湿系统（NAH）开启，温室内低温高湿的空气利用室内风机经进气管送入除湿剂箱中，除湿剂箱中的除湿剂对空气中的水分进行吸附并释放出吸附热，随后U型换热器将土壤中的热量带给空气，最后经出气管排出，与温室空气混合，达到温室夜间增温除湿的目的。在白天，昼间脱附集热系统（DDC）开启，室外风机将温室外的空气送入NTC中集热增温，随后通入除湿剂箱使其中除湿剂再生，余热被U型换热器储存在土壤中，最后由出气管排入温室中，达到再生除湿剂和储热图1温室地中热交换与热湿调控耦合系统Fig.1The coupling system of heat exchange and heat and humidity regulation in greenhouse331内蒙古工业大学学报（自然科学版）2023 年的目的。土壤所储存的余热在夜间又可供给温室增温使用。温室地中热交换与热湿调控耦合系统由于直接使用土壤作为储热工质，并采用除湿能力更强、除湿速率更高的复合除湿剂，系统的复杂性大大降低，其储热量、换热效率、除湿能力以及空间利用率都具备巨大的改善潜力。地埋管采用横竖管综合排布方式，不影响作物根温及温室内翻土。2系统理论分析2.1除湿部分理论2.1.1吸附平衡方程温室中水汽的主要来源为作物的蒸腾作用，而灌溉水量直接影响作物的蒸腾水量，为了简化计算，将灌溉水量和蒸腾水量的转化因子看作常数，如式(1)所示：Ftotal=Itotal(1)其中：Ftotal为作物每日蒸腾水量，kg；Itotal为每日灌溉水量，kg；X为综合转化因子。研究中使用的除湿剂平衡吸附能力采用拟合误差相对较小的 Guggenheim，Anderson，De-Boer(GAB)模型表示，如式(2)、(3)：Deq=DmCKvpr(1-Kvpr)(1-Kvpr)+CKvpr(2)vpr=vpavps(3)其中：Deq为硅胶的平衡吸附量，Dm为硅胶单层吸附量，vpa为实际蒸汽压力，vps为饱和蒸汽压力，vpr为两者比值。式(2)中C、K为模型常数，被详细描述在文献中。2.1.2湿度转化方程在进行实验时，和相对湿度的数值变化相比，绝对湿度的变化更能说明硅胶的吸附能力，通过式(4)，可将绝对湿度和相对湿度进行转化12：dt=622(2vpsP-2vps)t(4)2.2再生部分理论2.2.1窄槽式集热器能量平衡方程首先建立NTC的传热模型，假设空气在集热管中受热均匀，则管内换热流体温度Thef可看为集热管出口温度(Tout)与入口温度(Tin)的平均值，如式(5)：Thef=()Tout+Tin2(5)星型接收器的能量平衡过程可用式(6)表示13：AabsopDNI-(Qabs-hef+abs-pi)=0(6)其中：DNI为太阳直射辐射，W/m2；Aabs为星型接收器的接收面积，m2；op为 NTC 光学效率，%；Qabs-hef为星型接收器与换热流体之间的对流换热，W；abs-pi为星型接收器和玻璃管内壁面之间的辐射换热，W；换热流体的能量平衡如式(7)、(8)14所示：Qabs-hef=Quse+Qhef-pi(7)Quse=cpqm(Tout-Tin)(8)其中：cp为空气的比热容，1.003 kJ/(kg)；qm为空气的质量流量，kg/s；Qhef-pi为换热流体与集热管内壁面的对流换热，W。2.2.2除湿剂理论吸热量除湿剂的含水量可由式(9)求得：Mr=mt-mg(9)其中：Mr为除湿剂含水量，kg；mt为t时刻除湿剂质量，kg；mg为除湿剂完全干燥状态下的质量，kg。再生过程的理论吸热量可由式(10)表示：Qr=MrDH(10)其中：Qr为除湿剂再生所需热量，kJ；H为水分解析吸附热，3 000 kJ/kg。3系统性能测试3.1试验设置为了探究温室地中热交换与热湿调控耦合系统的有效性，于2023年2月，在北京市顺义区（北纬40.13，东经116.65）的一座小型尖顶温室中进行了试验，试验时段室外最低温度8，最高温度1，室外辐照度最高值为955 W/m2，如图2所示。按照温室模型等比例缩小，小型温室长5 m，宽2.5 m，高2.2 m，地埋管路埋入温室下方的土壤中并位于温室中心，管路东西长度为3 m，最大限度消除土壤传热对试验的负面影响。昼间将室外空气经槽式集热器增温后通入除湿剂管，余热通过U型换热管与土壤热量交换，随后送回室外。夜间在温室内湿度需要进行降低时，将温室内空气通入除湿剂管进行除湿，随后通过U型换热管与土壤进行换热，经过除湿和增温的空气最终通入温室内部。试验中保温被覆盖时332第 4 期屈小淞等 基于土壤储热的温室热湿调控系统研究间为16:00-8:00；通风口开启时间11:30-13:00；DDC运行时间9:00-16:00；NAH运行时间17:00-8:00。如图3(a)所示，U型换热管通过横管相连接，综合排布在土壤下方，除U型换热管外，其余管路均包裹保温棉进行保温，防止其影响作物根部温度。图3(b)为地埋管路的正视图，其中地埋管整体高度为1.2 m，U型换热管高度为0.7 m，连接U型换热管的横管长1 m，管路水平跨度3 m。3.2温室空气状态分析温室地中热交换与热湿调控耦合系统的目的在于采用优化后的手段对温室内的温湿度进行调节，所以系统的温湿度调控效果仍值得关注。由于温室面积较小，具有很强的温室效应，正午时温室内温度超过30，于11:00-13:00开启通风口，以保证温室内作物的正常生长14。试验期间温室内的温度和相对湿度变化如图4所示，当白天DDC系统开启后，热空气的通入以及太阳辐照度的升高导致温室内温度升高，在正午通风口开启后，温度急剧下降，通风口关闭后温度迅速回升，形成白天的温度波谷。DDC系统开启时段内，由于太阳辐照度和室外温度的影响，第二天温室内的温度要稍低于第一天，但两天的温度均位于18.734.3 之间，这处于作物的正常生长温度区间。在夜间覆盖保温被（16:00）之后的1个小时后，温室内的相对湿度急剧上升到90%以上，温度缓慢下降到10 以下，此时的低温高湿环境不利于作物的正常生长。于17:00开启NAH系统对温室内的温湿度进行调控，可以发现，在第一天系统开启后，相对湿度从92.1%下降到72.3%，且整夜的相对湿度均保持在90%以下，平均相对湿度为77.7%。温度从8.05 上升到10.4，随后缓慢下降，但大部分时间保持在5 以上，第一天和第二天的平均温度分别为6.5 和9.1。温室内的空气状态变化表明，DDC系统在白天时通入室内的热空气并未对温室内的作物造成负面影响，同时夜间的NAH系统具备较为优良的温度和相对湿度调控能力。此系统足够为大多数作物提供所需的温湿度环境15。3.3集热器集热性能分析窄槽式集热器集热效率是系统运行中的的重要性能。为了测得其实际接收的辐射量，太阳辐照仪安装在集热器玻璃盖板的平面上。由于正常情况下只能利用直射辐射进行集热，在进行集热效率计算时采用直射辐射进行代入。窄槽式集热器的集热量(Quse)和集热效率(he)可通过式(11)、(12)计算得到：Quse=cpqm(Tout-Tin)(11)he=QuseAgDNI(12)其中：Ag为窄槽式集热器玻璃盖板面积，m2。如图5所示，NTC的出口温度与太阳辐照度的变化趋势相同。但由于太阳光线作用在集热管上需要一定的响应时间，集热器空气出口温度的变化趋势相对于太阳辐照度存在一定的滞后性。集热器集图2温室地中热交换与热湿调控耦合系统试验Fig.2Test of the coupling system of heat exchange and heat and humidity regulation in greenhouse图3地埋管实物图Fig.3Physical view of buried pipe08:0016:0000:0008:0016:0000:0008:00-10010203040温度相对湿度NAHDDCNAHDDC020406080100温度/相对湿度/%时间图4温室全天温湿度变化趋势Fig.4Change of temperature and relative humidity in greenhouse throughout the day333内蒙古工业大学学报（自然科学版）2023 年热效率在全天大部分时间保持在0.50以上，日平均集热效率为0.51。集热器集热性能良好，且集热器的玻璃盖板具有良好的密封性，降低了对流散热损失。其中上午和下午的集热效率相比正午较高，这是由于正午时集热器出口温度较高，与环境空气的对流换热较大，散热较为严重。NTC进口空气和出口空气一直保持较大温差，在10:40-15:20温差保持在100137 之间。出口空气温度在13:20达到最大值153。这表明窄槽式集热器具有良好的集热性能，其收集的温度品级和足够的高温时长，可以保证除湿剂管中除湿剂的脱附。3.4土壤蓄放热性能分析探究系统中管内及土壤中的热量传递规律也同样重要，图6为地埋管附近土壤不同深度的温度分布情况，测点分布如图6(c)所示。其中：C0为土壤表面温度，C1、C2为U型换热管上方绝热竖管温度。从图6(a)可以发现，所有靠近换热管的土壤温度趋势均相同，说明系统能够从土壤中蓄积与释放热量。并且越靠近U型换热管上端，土壤温度变化越明显，白天温度越高，夜间温度越低，C4白天最高温度为40.2，夜间最低温度为8.2，而C7的白 天 最 高 温 度 仅 为 28.5 ，夜 间 最 低 温 度 为12.6，这主要由于管道内温度的衰减所引起的。如图6(b)所示，靠近竖管位置的温度测点C1和C2，温度变化几乎不受系统影响，说明竖管保温良好，不会对作物的根温产生负面影响。C8和C9测点位于U型换热管的下方，其温度变化几乎不受系统影响，温度和响应度稍高于保温竖管的两个测点，说明U型换热管对下方土壤的温度影响较小。C1和C2两测点温度整体高于C8和C9，是由于C1和C2处管路绝热，且相比于C8和C9距离地面较近，与环境空气之间的对流换热较强，散热较大。4结论为了有效调节北方温室内的空气环境，本研究提出了一种温室地中热交换与热湿调控耦合系统，与可再生能源相结合，具备昼夜双循环模式的热湿调控模式，并进行了试验研究。试验结果表明：1）系统开启后，温室内平均相对湿度为77.7%，平均温度为9.1，位于作物理想生长区间内。系统的增温除湿能力能够为大多数作物提供生长所需温湿度环境。2）所有靠近换热管的土壤温度趋势均随系统开启呈正弦型变化，白天最高温度为40.2，夜间最200406080100120140160DNI 集热效率集热效率 槽入口温度 槽出口温度4006008001 0001 2000.40.50.60.70.8温度/09:1010:0011:0012:0016:0015:0014:0013:00DNI(W/m2)时间图5窄槽式集热器集热效率Fig.5Narrow trough collector collection efficiency08:0016:0000:0008:0016:0000:0008:00-10010203040温度/温度/时间 C0 C4 C5 C6 C708:0016:0000:0008:0016:0000:0008:00-10010203040时间 C1 C2 C8 C9(a)响应度较高测点温度分布(b)响应度较低测点温度分布地面保温1.2 m0.25 m0.14 mC0C1C2C3C4C5C6C7C8C9(c)测点位置分布图6不同高度土壤温度比较Fig.6Comparison of soil temperature at different heights334第 4 期屈小淞等 基于土壤储热的温室热湿调控系统研究低温度为8.2。系统能够有效从土壤中蓄积与释放热量。3）本系统采用横管与竖管相结合的埋布方式，便于放置，且竖管保温良好，不会对作物根温产生负面影响。本文内容验证了温室地中热交换与热湿调控耦合系统的可行性，并分析与探究了系统中温度和相对湿度的分布趋势，为系统后续工程应用提供了经验基础。参考文献1ZHOU B,ZHANG Y,YANG Q C,et al.Dehumidification in a Chinese solar greenhouse using dry outdoor air heated by an active heat storage-release systemJ.Applied Engineering in Agriculture,2016,32(4):447-456.2YANG L,LIU H J,COHEN S,et al.Microclimate and plant transpiration of tomato(Solanum lycopersicum L.)in a sunken solar greenhouse in North ChinaJ.Agriculture,2022,12(2):260.3PALDIR E,EROGLU H A.Therapeutic potential of ozone and L-carnitine combined administrations against experimentally-induced acetaminophenJ.Journal of Animal and Plant Sciences,2021,31(5):1302-1308.4HUSSAIN M I,ALI A,LEE G H.Performance and economic analyses of linear and spot Fresnel lens solar collectors used for greenhouse heating in South KoreaJ.Energy,2015,90,Part 2:1522-1531.5AWAN A B,KHAN M N,ZUBAIR M,et al.Commercial parabolic trough CSP plants:research trends and technological advancementsJ.Solar Energy,2020,211:1422-1458.6CHEN C,LING H S,ZHAI Z Q John),et al.Thermal performance of an active-passive ventilation wall with phase change material in solar greenhousesJ.Applied Energy,2018,216:602-612.7YUAN Y,FANG H,WU G,et al.Experimental investigation of full solar spectrum utilization based on nanofluid spectral splitter for greenhouse applicationsJ.Energy Conversion and Management,2022,254:115215.8ATTAR I,NAILI I,KHALIFA N,et al.Parametric and numerical study of a solar system for heating a greenhouse equipped with a buried exchangerJ.Energy Conversion and Management,2013,70:163-173.9FONG M,ALZOUBI M A,KURNIA J C,et al.On the performance of ground coupled seasonal thermal energy storage for heating and cooling:a Canadian contextJ.Applied Energy,2019,250:593-604.10 LI Z Y,MA X L,ZHAO Y S,et al.Study on the performance of a curved Fresnel solar concentrated system with seasonal underground heat storage for the greenhouse applicationJ.Journal of Solar Energy Engineering,2019,141(1):011004.11 KHOSRAVI N,AYDIN D,KARIM NEJHAD M,et al.Comparative performance analysis of direct and desiccant assisted evaporative cooling systems using novel candidate materialsJ.Energy Conversion and Management,2020,221:113167.12 JIN R H,ZHENG H F,MA X L,et al.Performance investigation of integrated concentrating solar air heater with curved Fresnel lens as the coverJ.Energy,2020,194:116808.13 YUAN Y,WU G,YANG Q C,et al.Experimental and analytical optical-thermal performance of evacuated cylindrical tube receiver for solar dish collectorJ.Energy,2021,234:121301.14 SUN W T,WEI X M,ZHOU B C,et al.Greenhouse heating by energy transfer between greenhouses:system design and implementationJ.Applied Energy,2022,325:119815.15 李文,杨其长,张义,等.日光温室主动蓄放热系统应用效果研究J.中国农业气象,2013,34(5):557-562.335