主动蓄放热加热基质与加热空气温室增温效果对比

p第33卷 nbsp; 第22期 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;农 业 工 程 学 报 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;Vol.33 nbsp;No.22 224 nbsp; nbsp;2017年 nbsp; nbsp; 11月 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;Nov. 2017 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;主动蓄放热加热基质与加热空气温室增温效果对比 柯行林，杨其长，张 nbsp;义※，方 nbsp;慧，和永康，张 nbsp;晨 （1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081； nbsp; 2. 农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081） 摘 nbsp;要为进一步提高日光温室内主动蓄放热热能的利用效率，该文以主动蓄放热加热基质系统（active heat storage-release substrate warming system, AHSSWS）提升栽培基质温度作为试验组，以主动蓄放热加热空气系统（active heat storage-release air warming system, AHSAWS）提升夜间气温处理作为对照组，比较了2种加温方式对基质温度、室内气温及番茄生长、产量的影响，并对2个系统的能量收支情况、设备投入、运行成本进行了比较。试验结果表明，相比主动蓄放热加热空气系统，主动蓄放热加热基质系统可提高基质温度2.5～5.3 ℃；与加热空气相比，加热基质处理可提高番茄株高及产量（增产43）。连续晴天情况下，主动蓄放热加热基质系统的 COP（coefficient of perance）为 1.5～1.9，主动蓄放热加热空气系统的COP为3.0～4.0；连续阴天情况下，主动蓄放热加热基质系统的COP为0.5～0.9，主动蓄放热加热空气系统的COP为1.0～2.2。相对于主动蓄放热加热空气系统，主动蓄放热加热基质系统的集热效率、节能率、平均COP略低；但试验组的单位产量耗能量为0.7 kJ/kg，低于对照组的单位产量耗能量（1.0 kJ/kg），从单产能耗角度来讲，主动蓄放热加热基质系统更具优势，因此可根据番茄销售价格及当地电价来选择相应的加温系统。该文研究结果为主动蓄放热热能的高效利用以及主动蓄放热加热基质系统在日光温室冬春季番茄加温栽培应用提供了理论依据。 关键词温室；温度；加温；番茄；加热设备；基质；蓄热 doi10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.029 中图分类号S625.4 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 文献标志码A nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 文章编号1002-68192017-22-0224-09 柯行林，杨其长，张 nbsp;义，方 nbsp;慧，和永康，张 nbsp;晨. 主动蓄放热加热基质与加热空气温室增温效果对比[J]. 农业工程学报，2017，3322224－232. nbsp; nbsp;doi10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.029 nbsp; nbsp;http//www.tcsae.org Ke Xinglin, Yang Qichang, Zhang Yi, Fang Hui, He Yongkang, Zhang Chen. Warming effect comparison between substrate warming system and air warming system by active heat storage-release in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE, 2017, 3322 224－232. in Chinese with English abstract nbsp; nbsp;doi10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.029 nbsp; nbsp;http//www.tcsae.org 0 nbsp;引 nbsp;言 nbsp;日光温室是中国北方蔬菜生产的重要设施，近年来节能环境调控技术的研发与应用受到了越来越多的关注。温度作为重要的环境因子，合理的温度调控在日光温室中尤为重要[1-2]。日光温室内无土栽培过程中对温度的调控可分为基质温度调控和空气温度调控，其中基质温度主要影响作物的根区温度，可调节作物的根系生长、根系呼吸作用、水分及养分的吸收、根系内物质合成以及根际微生物活性、近根的分生组织生长分化等[3-8]。空气温度通过改变作物体内酶的活性影响作物光合作用、呼吸作用等，也可以调节作物的形态建成和器官分化[9-12]。但是由于传统日光温室的环境调控能力弱，冬季日光温室内的基质温度、空气温度均较低，低温胁迫已成为蔬菜生产的重要桎梏。 收稿日期2017-06-27 nbsp; nbsp;修订日期2017-11-06 基金项目863计划课题（2013AA102407）；自然科学基金项目51508560；基本科研业务费（BSRF201605） 作者简介柯行林，安徽和县人，主要从事设施农业环境工程方面研究。E ※通信作者张 nbsp;义，吉林，博士，副研究员，主要从事设施园艺环境工程研究。Emailxingfu_ 针对日光温室内冬季夜晚基质温度过低的问题，傅国海等[13]研发了一种新型的栽培方法起垄内嵌式基质栽培（soil ridge substrate-embedded cultivation, SRSC），该方法利用土垄包被基质栽培槽，有效地发挥了无土栽培的优点并利用了土垄良好的蓄热保温能力，提高了基质温度[14]，且建造成本低廉，有一定的推广价值。但SRSC方法相对于土垄栽培仅提升冬季根区温度1 ℃左右，增温幅度有限[14]，温度调节能力仍有待进一步提升。栗亚飞等[15]提出了根区局部加热利于节能的研究结论。 目前生产上可以使用的根区增温设备主要有燃煤（油）锅炉加散热管道[16]、地源热泵[17]、地下蓄热系统[18]、燃池加散热管道[19]、电加热[20]等。但以上加热设备各有不足，以燃煤（油）锅炉为代表的传统加热设备，通过燃烧煤（油）加热循环水，再通过地下加热水管来提高根区温度，该方法虽然可控性强且增温效果明显，但由于能耗大、成本高、环境污染严重，目前使用化石燃料直接作为加热热源的做法已不常见；柴立龙等[21]使用水源热泵系统将温室的平均地面温度提升至 18.4 ℃，但是水源热泵设备及施工成本高，设备操作复杂，推广难度较大。王永维等[18]设计的温室地下蓄热系统将白天温室内的空气热能储存在地下，晚上再释放出来加温，地温可提高5.5 ℃以上，然而由于其能量不集中，能量利用率第22期 柯行林等主动蓄放热加热基质与加热空气温室增温效果对比 225 低，能耗大。徐刚毅等[16]使用电加温水暖锅炉供热，在地下30 cm处布置热水管道加热，使地下15 cm处平均温度达到 19.8 ℃。赵云龙等[20]运用碳晶电地热系统加温基质，提高基质温度4.7 ℃。电加热往往通过电热元件直接加热土壤，加温效果明显且可控，但电加热并不节能，且加热元件寿命不高，一般用于早熟促成栽培或育苗等对温度敏感的生产环节。以上加热方式中，燃煤（油）锅炉加散热管道和电加热方式能耗大，水源热泵设施设备投入过大，地下蓄热系统效率低，难控制，燃池加散热管道的方式会产生空气污染问题且该方式受地域地质限制。而张义等[22]提出了日光温室主动蓄放热思想，即白天利用循环的流体收集到达日光温室后墙的太阳辐射能，夜晚低温时，通过流体介质循环释放能量。主动蓄放热系统在晴天收集的热量可达182～223 MJ/d[22-23]，该方法节能效果明显，且单位面积装置成本低[24]，具有环保可持续的特点。 日光温室内通过主动蓄放热系统获得的热能是一定的，前人的研究集中于将主动蓄放热用于加热温室空气，为了进一步提高热能的利用效率，本文结合起垄内嵌式基质栽培方式，设计了主动蓄放热加热基质系统（active heat storage-release substrate warming system, AHSSWS），并以AHSSWS提升温室内基质温度处理作为试验组，以主动蓄放热加热空气系统（active heat storage-release air warming system, AHSAWS）提升夜间温室内气温处理作为对照，比较了 2 种加温方式对基质温度、室内气温及番茄生长、产量的影响，对 2 个系统的能量收支情况、设备投入、运行成本进行分析，以期获得更优的主动蓄放热热能利用方式，为主动蓄放热系统的工程应用提供理论依据。 1 nbsp;主动蓄放热加热基质系统与主动蓄放热加热空气系统 AHSSWS 的原理是白天利用水流循环吸收到达温室后墙表面的太阳辐射热量，同时将热量储存在地下蓄热水桶中，再通过基质下的加热管道释放能量，用于提高基质温度；而AHSAWS是将白天收集的能量再通过集放热板释放，用于提升夜晚气温。 1.1 nbsp;系统组成 试验组的AHSSWS分为4个部分，如图1a所示。 1）集热系统，包括集放热板、1台1.1 kW的潜水泵及配套循环管道。其中集放热板主体结构为吹塑成型的PE 空腔板。PE 空腔板正面采用印花蚀刻以提高流水速率，表面配覆单层厚 0.15 mm 的黑色塑料膜。系统包含26块集放热板，每个集热板的高度为1.8 m，宽度为1.0 m，集放热板面积占后墙面积的 60；集放热板与垂直方向夹角为7，底部距离地面600 mm。 2）地下蓄热水桶，有效蓄水体积为 4.4 m3，材质为PE，四周及底部用40 mm厚的挤塑板进行保温处理，上方设置一个深500 mm、直径为600 mm的工作井，并采用浇筑陶粒混凝土进行保温。 3）基质增温系统，包含 1 台 1.1 kW、额定流量为15 m3/h 的潜水泵及基质加热管道。其中基质加热管道选用外径为20 mm的PPR给水管，布置于土垄内的基质袋下，基质加热管道采用同程式管道布置，各并联的加热管道水路流程相等，流量分配较均衡。 对照组的AHSAWS分成2部分，如图1b所示，1）集热系统；2）地下蓄热水桶。其规格、安装方式与试验组相同。白天集热系统通过集放热板收集热量，夜晚再将吸收的热量通过集放热板释放到空气中[20]。 a. 主动蓄放热加热基质系统 a. Active heat storage-release substrate warming system AHSSWS b. 主动蓄放热加热空气系统 b. Active heat storage-release air warming system AHSAWS 图1 nbsp;主动蓄放热加热基质系统与和 主动蓄放热加热空气系统示意图 Fig.1 nbsp;Schematic diagram of AHSSWS and AHSAWS nbsp;1.2 nbsp;系统运行模式 两个系统运行时间均为2016年11月16日2017年2月16日。运行模式为1）AHSSWS与AHSAWS的集热时间一致，即0900－1500，系统运行，集放热板开始集热，将热量储存于蓄热水桶中。2）根据系统运行预试验结果，1200－1500基质温度与蓄水池内水温平均温差最大，利于放热，故AHSSWS的基质增温系统于1200－1500运行，将热量蓄积于土垄与基质中，而且此时作物光合作用强度较大，适当的提高基质温度利于光合作用。3）夜晚0000－0800，AHSSWS 基质增温系统运行，向基质及土垄放热；对照组AHSAWS运行，向温室空气放热。 2 nbsp;试验方案 试验日光温室位于北京市顺义区大孙各庄镇中国农农业工程学报（http//www.tcsae.org） nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;2017年 nbsp; 226 业科学院农业环境与可持续发展研究所试验基地（4013′N，11665′E）。温室跨度为10 m，脊高 4.5 m，后墙净高3 m，长度60 m，相较传统日光温室，栽培空间有所扩展[25]。温室墙体采用预制装配式复合墙板（水泥板-聚苯板-水泥板复合结构），温室基础内外设置聚苯板等保温结构，冬季保温效果较好[26]。将该日光温室分为 2 个区域，温室中部用钢化玻璃墙分隔，试验组位于温室的西侧，主动蓄放热用于加热基质，对照组位于温室的东侧，主动蓄放热用于加热空气。耳房位于温室东侧，系统运行期间，温室耳房门与温室门不同时开启，温室门除人员通行外处于常闭状态，减少其对室内气温的影响。 2.1 nbsp;栽培材料及方法 种植的番茄品种为瑞克斯旺（中国）公司生产的瑞粉882，2016年10月10日播种育苗，2016年11月3日“两心一叶”时按一垄 2 行定植，南北走向，垄型如图 2所示，垄距为1.55 m，垄高为25 cm，垄上宽为35 cm，下宽为90 cm。内嵌基质袋长1 m，宽20 cm，高12 cm。土垄表面覆盖黑色塑料膜，基质袋下方开孔以泄多余的营养液，用聚乙烯编织塑料与土壤隔离。每垄放置 7 个基质袋，定植42株苗，每组处理18垄。 图2 nbsp;内嵌基质土垄栽培示意图 Fig.2 nbsp;Schematic diagram of soil ridge substrate-embedded cultivation 2.2 nbsp;参数测定方法 2.2.1 nbsp;番茄生长指标及产量的测定 株高于定植后1个月，2个月，3个月及第1次果实采收时以精度为 1 mm 的卷尺测量基质表面距离番茄最顶部叶片叶腋出的长度，记为株高。 茎粗于定植后1个月，2个月，3个月及第1次果实采收时以精度为0.01 mm的游标卡尺测量第1果穗下方2 cm处测量直径，记为茎粗[27]。 番茄产量定期采收标定行的番茄果实，使用精度为1 g的磅秤称得质量。 2.2.2 nbsp;环境参数测定 试验区和对照区的空气温度测试在试验区几何中心所在的南北截面上分别布置 8 个点，测点距离温室北墙分别为2、4、6、8 m，距离地面高度为1、2 m，如图3所示，在对照区对应位置也布置8个点。 室外空气温度测试在距离试验温室南面5 m，距地面1.5 m[23]高度（对应植物冠层）处设置一个温度测点。 试验区和对照区的基质温度及土壤温度测试各区域内从东向西选择第 5、第 9、第 14 垄作为测量垄，每垄距北墙2.7，4.7，6.7 m各布置1个点；试验区第9垄中部基质测点下方10、20、40、60 cm深布置4个测点，如图3所示。 注“”基质及土壤温度测点；“▲”空气温度测点。 Note “” Temperature measurement point of substrate and soil; nbsp;“▲” Temperature measurement point of air. 图3 nbsp;试验区截面温度测点布置图 Fig.3 nbsp;Layout of temperature measurement points in section of experimental area 试验区和对照区的水温测试AHSSWS 的蓄热水桶内几何中心，集热系统入水口、出水口，基质加热管道入水口、出水口各设置1个温度测点；AHSAWS的蓄热水桶内几何中心，集热系统进水口，集热系统出水口各设置1个温度测点。 太阳辐射强度测试于试验组集热板外表面平行于后墙，距地面1.5 m高度处设置1个太阳辐射测点。在距离试验温室南端5 m，距地面1.5 m高的开阔处设置一个太阳辐射测点。 水泵耗电量测试每个水泵开关处接1个电能表。 选用铜-康铜T型热电偶作为温度传感器，测量精度0.2 ℃，空气温度传感器加装自然通风防辐射罩，水中及基质温度传感器探头做防锈处理。太阳辐射测试选用美国坎贝尔公司的 CMP3 型太阳辐射传感器。数据采集仪选用美国坎贝尔公司生产的CR1000，用于自动记录热电偶采集的温度值和辐射传感器采集的太阳辐射强度值，数据采集间隔10 min。水泵耗电量采用电能表读取。 2.2.3 nbsp;系统性能分析方法 AHSSWS 的集热系统（主要为集放热板）蓄积的热量及基质增温管道释放的热量通过下式[23]计算 , ,, o ic w w wQ v C T T      nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;（1） ,end,start,cctc ctE Q    nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; （2） , ,, i or w w wQ v C T T        nbsp; nbsp; nbsp; （3） ,end,start,rrtr rtE Q    nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; （4） 式中 Qc,τ为在时间 τ 内集热系统平均集热功率，kW；ρw为水的密度，kg/m3，取值1.0103；vw为集热装置循环水的总体积流量，m3/s；Cw 为水的比热容，kJ/kg ℃，取值4.2； ,i tT 、 ,o tT 分别为在时间 集热装置总进水口、出第22期 柯行林等主动蓄放热加热基质与加热空气温室增温效果对比 227 水口的温度平均值，℃；Ec为集热装置蓄积的热量，kJ；,startct 、 ,endct 分别为集热阶段起、止时刻；τ为测试期间记录数据的时间间隔取 10 min，即 600s； r,τQ 为在时间 τ内基质增温循环管道平均放热功率，kW； wv为基质加温管道循环水的总体积流量，m3/s； ,iT  、 ,oT  分别为在时间τ内基质加温系统进水口、出水口的温度平均值，℃；Er为基质增温循环管道释放的能量，kJ；tr,start、tr,end分别为基质加温系统放热的起、止时刻。 系统停止运行后，因为蓄热水桶不是绝热体，所以蓄积的热量也会有损失，热损失量通过式（5）计算。 l w w s tE C T T     nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; （5） 式中 El为系统停止运行后到系统再次开始运行这段时间内系统损失的热量，kJ；v为地下蓄热水桶内水的体积，m3，这里取值4.4；Ts为系统停止运行时刻的蓄热水桶内几何中心的水温，℃；Tt为系统再次运行时刻的蓄热水桶内几何中心的水温，℃。 集放热板的瞬时集热效率 c 为循环水获得的能量与到达集放热板表面的太阳辐射量的比值 , ,,, , o ic w w wcc c c cQ v C T TA I A I        nbsp; nbsp; nbsp;（6） 式中Ac为集热面积，m2； ,cI  为时间 内后墙表面的太阳辐射强度的平均值，kW/m2。 运行一个蓄热周期后，可计算总的集热效率 ,totc 。 ,end,start,tot,ccc cctsc ctE EE A I  （7） 式中Es为照射到集放热板上总的太阳辐射量，kJ。 对照组内AHSAWS的相关计算亦对照上述公式进行。 试验期间，1d定义为从该天的0830至次日0830，如2017年1月10日定义为1月10日830至1月11日0830。AHSSWS的COP（coefficient of perance）定义为1 d内系统向土垄有效放热量与系统运行1 d的耗电电能比值[28]；AHSAWS的COP定义为1 d内集放装置放热量与系统1 d内运行的耗电电能比值。 wpCOP rEE nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; （8） 式中 wpE 为系统运行一周期循环水泵的耗电电能，kJ。 若将系统运行期间总的放热量为电加热产生的热量，系统节能率[29]可根据式（9）计算。 ,tot wp,tot,totrrE ERE nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;（9） 式中 R 为系统加热的节能率； ,totrE 为系统运行期间总的放热量，kJ； wp,totE 为系统运行期间总的耗电量，kJ。 因两系统能耗与产量均有差异，可比较两者单位产量的耗能量Ep，kJ/kg。 wp,totpEEM nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; （10） 式中M为各试验区域的采收总产量，kg。 3 nbsp;结果与分析 3.1 nbsp;增温效果分析 选取2017年1月12日1月17日共6 d的典型室外气象条件下的测量数据进行分析，其中 1 月 12 日1月14日这3 d为连续晴天，1月15日1月17日这 3d为连续阴天，分析这2种工况条件下系统的运行情况。 3.1.1 nbsp;不同天气条件下试验区与对照区的基质温度比较 图 4 为连续晴天条件下试验区与对照区的基质温度比较，2017年1月12日1月14日为连续晴天，由图4知 3 d 中试验区的全天平均基质温度为 20.5、20.8、20.7 ℃，对照区的平均基质温度为15.8、15.9、16.1 ℃。在1200－1500 AHSSWS放热阶段，试验区与对照区平均基质温差分别为 4.7、5.0、4.8 ℃；0000－0800 AHSSWS 放热阶段，试验区与对照区平均基质温差分别为5.0、5.3、4.6 ℃。3d内试验区的基质温度均高于18 ℃，增温效果明显。 对照区的基质最高温度出现在1930前后，最低温度出现在0930－1000，而董海泉[30]发现日光温室内土壤栽培条件下，试验期间 15 cm 深的土壤最高温度出现在1700，最低温度出现在0930，日温差为4.5 ℃，而对照区的基质平均日温差为1.9 ℃，小于深15 cm处的土壤日温差，说明内嵌基质土垄内基质温度较稳定。如图 4 所示，试验区基质温度每天出现2次波峰、2次波谷。第1次波谷出现在1200－1210，此时为第1次加热开始后的10 min 内，此后的 3 h 基质温度上升，平均增温速率为1.1 ℃/h，第1次波峰出现于1520，即停止加热后20 min，一是由于热量在基质中传递需要时间，二是由于系统关闭后，加热管内仍然存有热水，继续传递热量；第2次波谷出现 0010，这是第 2 次加热开始后 10 min，此后在整个加热阶段基质温度先升后降，第2次波峰较第1次波峰平缓，出现于 0300－0400，该段时间基质加热管释放的能量与基质散失的热量相当，基质温度基本不变，而此时对照区的基质温度持续降低。0810 以后试验区基质温度下降速率大于对照区，这是由于此时试验区基质温度较高，试验区基质温度与其室温温差大，散热速率较高。 图4 nbsp;连续晴天条件下试验区与对照区的基质温度比较 （2017年1月12日－1月14日） Fig.4 nbsp;Substrate temperature comparison between experimental and control area under continual sunny days Jan.12-Jan.14, 2017 农业工程学报（http//www.tcsae.org） nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;2017年 nbsp; 228 图 5 为连续阴天条件下试验区与对照区的基质温度比较，2017年1月15日多云、1月16日小雪转多云、1月17日霾（中度污染，空气污染指数255），由图5 知3d中试验区的平均基质温度分别为18.4、17.0、16.7 ℃，对照区的平均基质温度为 15.1、14.4、14.1 ℃。在1200－1500 AHSSWS放热阶段，试验区与对照区平均基质温差分别为3.6、2.8、2.5 ℃；0000－0800 AHSSWS放热阶段，试验区与对照区平均基质温差分别为3.4、2.7、2.9 ℃。15 日早上 0900 试验区与对照区蓄热水桶水温分别为31.9、27.7 ℃，温度较高，所以15日试验区和对照区平均基质温差高于17日和18日。17日和18日两区基质温差逐渐减小，这是由于阴天条件下集热板收集的热量减少，水温也逐渐降低，AHSSWS向基质中传热量逐渐减少。 图5 nbsp;连续阴天条件下试验区与对照区的基质温度比较 （2017年1月15日-1月17日） Fig.5 nbsp;Substrate temperature comparison between experimental and control area under continual overcast days nbsp;Jan.15-Jan.17, 2017 由图 5 可知，一天中对照区的基质最高温度出现在1730－1830，最低温度出现在 1100－1130，相较于连续晴天下对照区的基质温度，其最高温度出现时间提前而最低温度出现时间延迟。3d 内基质的温度变化幅度分别为 0.4、0.7、1.0 ℃，相较于连续晴天条件下其日变化幅度较小。如图 5 所示，试验区基质温度每天出现 2 次波峰、2次波谷。波峰波谷出现的时间与连续晴天状况下一致，第1次波谷出现在1200－1210，此后的3h基质温度上升，平均增温速率为0.4 ℃/h，低于连续晴天状况下的平均增温速率，第1次波峰出现于1520前后；第2次波谷出现0010前后，即AHSSWS第2次开启后10 min前后，此后在系统运行时间内基质温度先升后降，第 2次波峰较第1次波峰平缓，出现于0300－0400。 3.1.2 nbsp;不同天气状况下试验区与对照区空气温度比较 图 6 为连续晴天条件下试验区与对照区的空气温度比较，如图 6 所示，正午时温室内温度较高，种植人员打开上通风口，受室外气流的影响，室内气温变动幅度较大，0900-1500期间试验区平均气温比对照区高1.5、3.5、1.2 ℃，这可能是由于1200-1500试验区内AHSSWS向基质放热时，间接提高了其空气温度。夜晚，AHSAWS的集放热板向温室空气放热，0000－0800放热阶段，对照区平均气温比试验区高出 1.2、1.2、1.8 ℃。当 0800系统关闭时，系统内的水还会短暂放热，温度传感器设置于温室中部，热量从温室北侧集放热板到达温室中部需要一段时间，故平均温差最大值出现时间晚于 0800。两区空气温差不大的原因可能是温室保温被保温性能较差，室内热量散失较多；加热基质过程中一部分热量通过基质间接加热室内空气。 图6 nbsp;连续晴天条件下试验区与对照区的空气温度比较 （2017年1月12日-1月14日） Fig.6 nbsp;Air temperature comparison between experimental and control area under continual sunny days Jan.12-Jan.14, 2017 图 7 为连续阴天条件下试验区与对照区的空气温度比较，如图 7 所示，0900-1500 期间试验区平均气温高于对照区，特别是1月17日白天蓄热阶段试验区平均气温比对照区高2.1 ℃。夜晚，对照区的集放热板向温室空气放热，0000－0800放热阶段对照区的平均气温分别为10.8、10.4、8.3 ℃，而试验区的平均气温分别为 10.4、10.2、7.9 ℃，此时段对照区平均空气温度比试验区高出0.4、0.2、0.4 ℃，相较于晴天，连续阴天致使集热量减少，水温较低，加热效果不理想。 图7 nbsp;连续阴天条件下试验区与对照区的空气温度比较 （2017年1月15日-1月17日） Fig.7 nbsp;Air temperature comparison between experimental and control area under continual overcast days Jan.15-Jan.17, 2017 3.2 nbsp;两系统能量与节能效果分析 AHSSWS 的集热时段是白天 900－1500，集热量Ec通过式（1）和式（2）计算，而 1200－1500、0000－0800 基质增温管道向基质放热，不同时段的放热量 Er均通过式（3）和式（4）计算。白天 0900－1500 是对照组的AHSAWS的集热阶段，0000－0800为其放热时段，集热量计算参照式（1）和式（2），放热量计算参照式（3）和式（4）。 3.2.1 nbsp;连续晴天状况下两系统集放热性能分析 将连续晴天2017年1月12日－1月14日各系统蓄第22期 柯行林等主动蓄放热加热基质与加热空气温室增温效果对比 229 热量、释放热量和集放热板表面太阳总辐射量统计如表1所示。各系统对能量的利用效率可通过 Er/Ec计算。由表1 可知，连续晴天状况下试验组的平均能量利用率为65.3，通过式（5）计算得到 1500－0000 系统关闭时间内蓄水池能量散失平均值为20.6 MJ，散失总量占总蓄热量的 8.0，可见蓄热水桶的保温性能有待提高。连续晴天状况下试验组的集放热板平均集热效率为56.3，对照组的平均集热效率为84.7，本试验中使用的集放热板就集热效率方面优于金属膜集放热装置[22]。6d 内试验组的平均COP为1.5～1.9，低于对照组的平均COP（3.0～4.0）。试验组的平均能量利用率和COP较低的原因是，夜晚系统运行时段基质与循环水的温差小于空气与循环水的温差，且加热管与基质的换热系数小于集放热板与空气的换热系数。由于释放热量较少，0800放热结束后，试验组的蓄水桶水温高于对照组。 3.2.2 nbsp;连续阴天状况下两系统集放热性能分析 如表 1 所示，从晴天转向阴天时，阴天早上的水温较高，而阴天室内空气温度较低，出现水温高于集热阶段室内空气温度的情况，所以15日、16日集放热板在集热阶段放热。许多热量没有用于夜晚加温，而是在白天就释放到空气中。此时有效放热量不及晴天条件下的一半，系统性能系数COP很低，试验组的COP仅为0.9、0.5、0.7，部分能量没有用于有效加温，这也是试验区与对照区3d空气温度相差不多的主要原因。 表1 nbsp; AHSSWS和AHSAWS的蓄放热参数及能效比 Table 1 nbsp;Parameters about heat storage-release and COP of AHSSWS and AHSAWS 日期 Date 系统 Systems 集放热板表面 太阳总辐射量 Total quantity of solar radiation on surface of heat storage-release plates Es/MJ 集放热板收集的热量Collected heat capacity of heat storage-release plates Ec/MJ 集放热板集热效率 Heat collecting efficiency of heat storage-release plates Ec/Es/ 系统释放的热量 Released heat capacity of system Er/MJ 能量利用效率 Utilization ratio of collected heat Er/Ec/ COP AHSSWS 155 55 114 74 1.7 2017-01-12 AHSAWS 283 245 86 223 91 4.0 AHSSWS 186 58 125 68 1.9 2017-01-13 AHSAWS 318 243 77 211 87 3.8 AHSSWS 178 56 98 55 1.5 2017-01-14 AHSAWS 316 287 91 165 58 3.0 AHSSWS -72 62 0.9 2017-01-15 AHSAWS 87 -47 119 2.2 AHSSWS -19 33 0.5 2017-01-16 AHSAWS 93 15 16 56 1.0 AHSSWS 57 40 47 82 0.7 2017-01-17 AHSAWS 141 99 70 110 2.0 3.2.3 nbsp;主动蓄放热加热基质系统能耗及节能效果分析 AHSSWS有2个放热阶段，分别是1200－1500和次日的0000－0800，连续晴天状况下2个阶段AHSSWS释放的热量、功率如表2所示。 表2 nbsp;连续晴天状况下主动蓄放热加热基质系统不同放热阶段的放热量 Table 2 nbsp;Heat released of AHSSWS in different heat release period under continual sunny days 日期 Date 放热时间段 Heat release periods 放热功率 Heat release power/kW 放热总量 Heat release capacity/MJ 1200-1500 2.0 22 2017-01-12 0000-0800 3.2 92 1200-1500 2.2 24 2017-01-13 0000-0800 3.5 102 1200-1500 2.1 23 2017-01-14 0000-0800 2.6 75 不同阶段放热功率不同，如表2所示，1200－1500时段平均放热功率为 2.1 kW，0000－0800 时段的平均放热功率为 3.1 kW。1200－1500 时段外界气温较高，基质温度也在上升，随着基质温度增加，基质与水温的差值越来越小，所以系统的放热量有所减少。而0000－0800时段，室内空气温度较低，此时基质与土垄向空气传热，因此系统放热功率较1200－1500时段要大。 连续晴天条件下2个系统节能率通过式（9）计算，3d中AHSSWS日均消耗电能67 MJ，AHSSWS释放出的热量分别为114、125、98 MJ，由式（9）得其节能率分别为 41.2、46.4、31.6，节能效果明显。AHSAWS日均消耗电能55 MJ，其在夜间向温室中释放的热量分别为223、211、165 MJ，由式（9）得其节能率分别为75.3、73.9、66.7，AHSAWS节能效果更加明显。 3.3 nbsp;不同加温方法对番茄生长、产量的影响 试验区的基质温度明显高于对照区，但是加热阶段对照区的夜间平均气温比试验组高 1.2～2.0 ℃，所以通过比较两组番茄生长状况[31]对于说明主动蓄放热热能的不同应用方式所产生的效果更有实际意义。 不同时期试验组与对照组番茄株高、茎粗如表 3 所示，可以看出不同时期试验组的番茄株高均高于对照组，两者差距随时间先变大后变小，这是因为到了试验后期，温室基础空气温度较高，主动蓄放热系统增温对作物生长的影响日渐减少。而对照组的茎粗较试验组显著增加，这可能是由于白天对照组的平均气温低于试验组，而且试验组植株生长较对照组均匀，组内植株株高差异小。 农业工程学报（http//www.tcsae.org） nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;2017年 nbsp; 230 表3 nbsp;不同时期2种加温方式下的番茄株高和茎粗 Table 3 nbsp;Plant height and stem diameter of tomato under two different heating ways in different period 时间 Date 系统 Systems 株高 Plant height/cm 茎粗 Stem diameter/mm AHSSWS 32.74.8a 7.380.43a 2016-12-03 AHSAWS 29.62.9a 7.940.92a AHSSWS 101.19.7a 11.490.83b 2017-01-03 AHSAWS 81.66.6b 12.230.97a AHSSWS 147.47.6a 12.200.96b 2017-02-03 AHSAWS 117.811.1b 13.101.03a 2017年3月31日第一次采收番茄，直至5月12日，共采收5次，采收期间试验组采收果实数量为43个/m2，采收番茄质量为6.73 kg/m2，对照组为25个/m2，采收番茄质量为3.83 k/p