基于燃池利用的日光温室供暖系统研究

摘要

我国传统日光温室独有的特点是北墙的存在，从理论上讲，白天温室北墙吸收太阳能并进行热量的转化储存，夜间储存在温室北墙的热量会释放到室内以提高室内空气温度，但是受墙体蓄放热能力有限的影响，日光温室太阳能利用率低，从而导致室内空气温度可能会出现满足不了植物正常生长需要的情况。针对这一问题，在本课题组长期研究燃池阴燃能量梯级利用的基础上，以提高日光温室太阳能利用率为目的，本文设计基于燃池利用的日光温室供暖系统，将重点围绕基于燃池利用的日光温室供暖系统设想提出的前期研究、系统设计搭建及实验测试分析开展以下研究内容。
　　首先，为探明日光温室热环境中存在的问题，以日光温室热环境为研究对象，从实测、理论两个方面对研究对象进行深入分析。选取三个不同城市的日光温室进行实测调研，通过对实测数据的分析，明确实际运行中传统日光温室室内热环境主要存在的问题;同时基于日光温室REPS概念，本文建立日光温室与外界热交换的热平衡方程，分析日光温室得热和失热的途径，以建筑节能设计中的开源节流原则为理论依据，提出如何改善日光温室热环境的方法;此外还以大连温室为对象建立北墙墙体一维非稳态传热模型，对传热模型进行有限差分并利用MATLAB编制相应的求解程序，用实测数据验证模型的准确性，并以数值模拟计算的数据为基础，分析墙体能量流动途径及有效蓄放热能力，并证明保温板的存在对减少墙体热量损失的重要性。
　　其次，根据前期研究日光温室热环境存在的问题，本文提出基于燃池利用的日光温室供暖系统，并对该系统的构成及工作原理进行阐述。通过对系统各组成装置进行细化设计及系统的搭建，本文对搭建的系统设计实验测试方案，并在采暖期进行实验测试。通过对实验测试结果的分析，实验温室的平均温度分别比对比温室1平均温度高3.92℃、对比温室2平均温度高12.23℃;实验温室的土壤平均温度比对比温室1高1.2℃，表明基于燃池利用的日光温室供暖系统的增温效果比较显著;同时对实验温室室内环境因子（CO2、空气湿度、风速）的测试数据进行分析，以相应的国家标准作为评判依据，表明系统的使用不会对植物的生长起抑制作用，并利用测试数据对系统的热特性进行理论分析，系统中的主动蓄放热装置能够提高22.8％的太阳能利用率，测试期间系统的平均供暖能力为0.26MJ，系统三种能源利用的分配率大小为生物质能＞太阳能＞地热能。从系统的作用效果和热特性上表明系统具有实际可行性。
　　最后，系统的经济性和是否符合国家政策等评价指标对成果的推广应用具有重要意义。本文利用系统实验的测试数据，对系统的节能率、生态效益、植物营养品质、经济性进行分析，通过与电加热系统相比，基于燃池利用的日光温室供暖系统的节能率为82.9％;在一个采暖周期内，系统运行过程中所释放的二氧化碳量为278.1kg，与温室锅炉热水供暖系统相比，系统能够减少673.19kg二氧化碳的释放量，具有较大的生态效益;通过利用辐热积模型对在基于燃池利用的日光温室供暖系统作用下的小白菜的营养品质进行模拟计算分析，实验温室小白菜的维生素、纤维素、可溶性糖、可溶性蛋白模拟值依次比对比温室1高4.66 mg·100g-1、0.72％、0.05 mg·g-1、0.04 mg·g-1，说明系统的作用有利于提高室内生产作物的营养品质，进而可以增强生产作物在市场上的竞争力。通过对系统进行经济性综合评价分析，与热风供暖系统和锅炉热水供暖系统相比，基于燃池利用的日光温室供暖系统的费用年值、费用现值均是最低的;根据生产经验，实验温室按照每年800元的生产效益计算，贷款年利率按10％计算，经计算基于燃池利用的日光温室供暖系统的投资回收期为2.7a，比热风供暖系统和锅炉热水供暖系统的投资回收期分别低0.2a、0.3a，因此基于燃池利用的日光温室供暖系统的经济性评价优于这两个传统能源供暖系统;
　　本文对传统日光温室室内热环境分别进行实测和理论的研究，总结其存在的问题;根据其存在的问题设计基于燃池利用的日光温室供暖系统，从实验测试、理论分析、综合性评价三方面表明系统的可行性和实用性，为基于燃池利用的日光温室供暖系统的实际应用提供可靠的依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 温度对植物生长影晌研究

1．2．2 温室围护结构的热工性能研究

1．2．3 温室供暖技术研究

1．2．4 温室微气候研究

1．3 本文的研究目标与研究内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．4 本研究的技术路线

1．5 本章小结

2 基于燃池利用的日光温室供暖系统理念的基础研究

2．1 日光温室热环境实测调研研究

2．1．1 实测对象

2．1．2 测试系统

2．1．3 实测结果分析

2．2 日光温室热环境模型及改善途径研究

2．2．1 资源-环境-植物系统的建立

2．2．2 热环境模型的建立

2．2．3 改善途径分析

2．3 北墙传热数学模型研究

2．3．1 假设条件

2．3．2 传热模型数学方程

2．3．3 求解与分析

2．3．4 保温层对墙体热稳定层的影响分析

2．4 本章小结

3 基于燃池利用的日光温室供暖系统研制

3．1 系统构成及工作原理

3．1．1 系统构成

3．1．2 工作原理

3．2 系统设计及搭建

3．2．1 主动式蓄放热装置

3．2．2 土壤-空气热交换装置

3．2．3 燃池热辅助装置

3．3 本章小结

4 基于燃池利用的日光温室供暖系统实验研究

4．1 实验温室概况

4．1．1 气候分析

4．1．2 热负荷计算

4．2 实验系统设计

4．2．1 测点布置

4．2．2 测试仪器

4．2．3 运行控制

4．3 实验结果分析

4．3．1 热环境分析

4．3．2 空气品质分析

4．3．3 系统热性能分析

4．4 本章小结

5 基于燃池利用的日光温室供暖系统综合性评价研究

5．1 节能率及碳排放分析

5．1．1 节能率分析

5．1．2 碳排放分析

5．2 植物营养品质分析

5．2．1 辐热积模型概述

5．2．2 模拟计算分析

5．3 系统经济分析

5．3．1 设备投资分析

5．3．2 运行费用分析

5．3．3 经济综合评价

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 研究结论

6．2 课题展望

6．3 创新点

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

攻读硕士学位期间发表专利情况

攻读硕士学位期间参与科研工作

致谢