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南方型节能日光温室应用设想及理论初探

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南方型节能日光温室应用设想及理论初探

p收稿日期 2015 -09 -24; 修订日期 2015 -10 -29作者简介 周 坚 1965 - ,男,本科,高级工程师,主要从事设施农业科学与工程的研究 。基金项目 江西省星火计划资助项目 20141BBf61049 ; 江西省对外科技合作计划项目 20142BDH80007 。*通讯作者 李宝光 1968 - ,男,研究生,副研究员,主要从事设施农业科学与工程方面的研究工作 。Email 18970085017189. cn。第 33 卷 第 6 期2015 年 12 月江 西 科 学JIANGXI SCIENCEVol.33 No.6Dec.2015doi 10.13990/j. issn1001 -3679.2015.06.022南方型节能日光温室应用设想及理论初探周 坚1,李宝光2* 1. 江西省农业机械研究所, 330044,南昌; 2. 江西省农业科学研究院蔬菜花卉研究所, 330200,南昌摘要 基于中国南北方光热资源的对比分析及前人对北方节能日光温室的研究成果,在国内率先提出周年生产日光温室节能保温和降温原理及垂直温差正压送风风机水帘降温技术,阐述了南方型节能日光温室改造的理论基础,初步提出了设计的基本思路,并分析了其主要特点 、优越性能及应用前景 。关键词 南方型; 节能日光温室; 应用设想; 理论初探中图分类号 S625 文献标识码 A 文章编号 1001 -3679 2015 06 -883 -06The Tentative Plan of Application and Academic Pre-Testof Southern Type Energy-Saving Sunlight GreenhousZHOU Jian1, LI Baoguang2* 1. Jiangxi Agricultural Machinery Research Institute, 330044, Nanchang, PRC;2. Jiangxi Agricultural Academy of Science, 330200, Nanchang, PRCAbstract Based on the on the er research and comparison of southern light and heat index val-ues to the North District III in china, this paper first proposed energy-saving insulation and coolingprinciple of solar greenhouse for all year production and the vertical temperature difference of posi-tive pressure air blower water curtain cooling technology, stated the theoretical foundation of southerntype energy-saving sunlight greenhouse renovation, initially putted forward the basic ideas of its de-sign, and analyzed its main features and superior perance and application prospects.Key words South; energy-saving sunlight greenhouse; tentative plan of application; academic pre-test0 引言节能日光温室始于 20 世纪 80 年代中期,是充分利用我国北方冬季光热资源最典型的设施类型 。起初节能日光温室完全在不加温的情况下进行喜温蔬菜越冬生产,其温室环境调控水平较差,在连续阴雨雪等恶劣气候条件下,蔬菜生产风险较大 。因此,在 20 世纪 90 年代,我国学者就得出此温室只能在我国冬季光照条件较好的北纬 32~43N 之间地区应用的结论[ 1]。近年来,依据地区自然资源合理布局设施园艺生产,日益受到学术界和专业界的关注 。张亚红 、陈青云等认为 我国南方各省冬季具有相对优越的热量资源,多数省份或地区还具有较长的冬季日照时数 ,可适当发展适合南方气候条件,类似北方的日光温室,但夏季降温和除湿是实现其温室周年利用的关键问题[ 2]。另外,随着北方节能日光温室产业的发展,温室环境控制水平不断提高,原本只在大型连栋温室中使用的环控设备已被成功改造用于北方节能日光温室,用生产实践证明通过人工调控温室环境完全能够解决高温和高湿等关键问题[ 3]。因此,笔者提出大胆设想 改造北方节能日光温室用于南方高附加值园艺作物周年生产,并初步提出南方型节能日光温室的设计思路 。1 基于中国南北方光热资源的对比分析张亚红,陈青云等认为 我国设施园艺气候区域规划可分成 9 个一级区域 北方 Ⅰ ~ Ⅴ,南方Ⅰ~Ⅵ[ 4]。我国北方多数地区,冬季太阳辐射强 、日照时数较长,光资源比较丰富,但冬季有效积温和气温低,热量资源相对匮乏,应充分利用太阳光能发展日光温室 。按照张亚红 、陈青云等的研究结论[ 5],北方 Ⅱ和 Ⅲ区,主要位于我国北纬32 ~43N 之间,是我国节能日光温室发展的主要区域,与节能日光温室设施蔬菜的研究结果一致[ 1]。但北方 Ⅰ区的北部地区和北方 Ⅴ区的南部地区,均超出了北纬 32 ~43N 的范围 。表 1 中国南北方光热资源对照表光热指标北方 Ⅲ与北方 Ⅲ相比南方 Ⅰ 南方 Ⅱ 南方 Ⅲ 南方 Ⅴ 南方 Ⅵ 平均总辐射 MJm-2 /6 338 5 652/89 4 687/74 4 559/72 5 002/79 4 030/64 4 786/76日照时数 h / 2 681 2 259/84 2 054/77 1 736/64 2 029/76 1 339/50 1 883/70冬季日照时数 h /641 671/104 398/62 300/47 397/62 194/30 392/61日照百分率 /61 51/84 46/46 39/64 46/75 30/49 42/69有效生长积温 ℃ /1 047 5 320/508 5 008/478 6 410/612 7 958/760 4 853/464 5 910/5641 月气温 ℃ / ℃-9 9.4/18.4 2.9/11.9 9.2/18.2 15/24 4.9/13.9 8.3/17.3注 数据根据参考文献[ 6]进行整理 。北方 Ⅲ区是全国最大的设施园艺生产基地,也是我国节能日光温室的发源地[ 5]。以北方 Ⅲ区的光热指标作为标准与南方各区进行对比,具有较强的代表性 。与我国北方相比,南方 5 个气候分区的光照资源相对匮乏,其总辐射 、日照时数 、冬季日照时数 、日照百分率等指标的平均值分别占北方 Ⅲ区的 76、70、61 和 69。其中南方 Ⅰ区与北方 Ⅲ区光照资源指标比较接近,总辐射 、日照时数和日照百分率均占北方 Ⅲ区各指标的 80 以上,尤其是冬季日照时数还高于北方 Ⅲ区 表 1 。但我国南方的热量资源远优于北方 南方 5 个气候分区的平均有效生长积温是北方 Ⅲ区的 5. 9 倍,一月份平均温度比北方 Ⅲ区高 17.3 ℃。冬季温室光照具有双重作用,即将太阳能转化成热能维持温室内温度和热量平衡的同时还必须为温室内种植作物提供光合作用的光源[ 7]。从光能转化成热能的角度分析,南方地区可以充分利用冬季十分充足的热量资源和人工加温的方法弥补光照不足造成的热能转化率低的缺陷 。从满足种植物光合作用的角度分析,南方加温温室设施园艺作物周年生产的生产实践已经表明,虽然南方光照资源相对匮乏,但也基本能够满足温室内种植作物光合作用的需求 。北方节能日光温室最大的优势是充分利用太阳能和最大限度地保存室内热量 。目前已成为我国北方最主要的设施类型,也是促进北方设施园艺产业快速发展的根本所在 。而我国南方除少量能够进行周年生产的大型连栋温室外,设施类型仍以塑料大棚为主 。与北方节能日光温室相比,大型连栋温室不仅建造成本高,运行成本更高; 塑料大棚虽然建造成本较低,但冬季隔热保温和夏488 江 西 科 学 2015 年第 33 卷季降温性能很差 ,通常只能进行园艺作物春节早熟和秋季延迟生产 。目前,我国南方地区的主要设施类型均很难满足农户进行设施园艺作物周年生产的需求 。南方地区缺乏适于农户进行周年生产的温室设施已成为限制南方设施园艺发展的重要瓶颈 。如何充分利用南方冬季的光热资源,借鉴北方节能日光温室设计 、建造中的经验,设计建造适于我国南方气候特点的节能日光温室对于促进我国南方设施园艺发展具有重要意义 。2 周年生产日光温室节能保温和降温原理的提出节能日光温室合理采光主要是指尽可能增加温室内太阳辐射,主要通过增大温室采光面角度,提高太阳光能薄膜透过率,以最大限度利用太阳光能[ 7]。而对于周年生产温室而言,夏季降温通常需要通过遮阳的方法减轻温室效应造成温室内温度的持续升高 。显然,合理采光对温室冬季保温和夏季降温均有重要影响,原有的节能日光温室合理采光原理不适于夏季温室降温采光的需求 。因此,笔者认为温室合理采光应包含增强或者降低温室内太阳辐射 2 个方面,温室采光面的设计,应按照冬季保温的要求进行设计,而夏季则可以通过遮阳的方法减少温室内太阳辐射,从而满足周年生产温室冬季保温和夏季降温采光的需求 。温室维护结构的隔热性能对于减少温室内外热量交换维持温室内温度的平衡具有重要作用[ 7]。与连栋薄膜温室和钢架大棚相比,节能日光温室墙体 、后坡及夜间采光面覆盖草帘或者保温被使得温室维护覆盖层的传热系数远小于普通温室,隔热保温性能明显提高 。生活经验告诉我们 建筑物良好的隔热性能不仅有利于冬季保温,也有利于夏季降温,并为解决南方温室夏季尤其是夜间降温难题创造了一个有利的条件 。北方节能日光温室墙体,除了具有承重和良好的隔热性能外,还有白天蓄热和夜间放热功能[ 7]。这种功能对于越冬型生产温室而言是非常有利的,但对于周年生产温室来说,无疑进一步增加了夏季夜间降温的难度 。南方夏季降温尤其是夜间降温更为困难,改造北方节能日光温室,用于南方高附加值园艺作物周年生产,如何克服夏季降温难题最为关键 。温室墙体蓄热和放热是基于温差原理 、发生于温室内部的 2 次吸热和放热的热量平衡过程,其实质是通过白天墙体吸热和夜间墙体放热缓冲温室内气温变化 。无疑这种温度缓冲作用对于夏季白天节能降温也是非常有利的,关键是如何将白天吸收的热量排出到温室外部 。众所周知,水具有较大的比热容,对于气候的温度变化有显著的影响 。在同样受热或冷却的情况下,水能够吸收或放出较多的热能,但温度变化较小,同时水还具有的流动性特点 。另外,地下深井水受地面温度影响很小,具有冬暖夏凉的特性 。利用水的上述特性,在温室内部或者利用温室墙体蓄水,在冬季和夏季白天缓冲温室内温度的变化,而在夏季夜间则可以用深井水置换温室内吸收较多热量的存水,将白天吸收的热量排到温室外部,并进一步吸收温室内的热量促进夜间降温 。温室空间大小对于温室冬季保温和夏季降温亦有重要影响 。由于冷热空气具有不同的物理特性,在夏季温室内,冷空气密度小,主要集中于温室地面附近,温室上部空间则聚集含有大量潜热的湿热空气,温度垂直分布的温差较大,温室内部空间的冷热空气也不断进行热量交换,因此,要提高降温的效果,一方面需要有较大的温室空间,尤其是高度空间,以尽量减少温室内作物生长区域空间的冷热空气交换; 另一方面,需要加强通风换气,及时排除温室顶部包含大量潜热的湿热空气 。问题在于夏季降温的这种需求与冬季应尽可能创造较小的密闭空间以利于冬季保温的要求是矛盾的 。温室一旦建成后,温室空间高度即已确定,因此,对于周年生产的节能日光温室而言,应首先满足夏季降温对温室空间高度和通风换气的要求,冬季保温则可以在作物生长区域空间通过在温室内部通过薄膜覆盖创造密封性较好的小区域空间方法加以解决 。依据以上分析,笔者提出周年生产日光温室节能保温和降温原理 。该原理至少包含 “合理采光 ”、“隔热 ”、“蓄水调温 ”和 “合理调控作物生长区域空间 ”4 个方面的内容 。合理采光应包含增强或者降低温室内太阳辐射 2 个方面,温室采光面的设计,应按照冬季保温的要求进行设计,而夏季则可以通过遮阳的方法减少温室内太阳辐射,从而满足周年生产温室冬季保温和夏季降温采光的需求 。隔热即增强温室维护结构的隔热能力,减少温室内外热量交换 。隔热不仅有利于冬季保588第 6 期 周 坚等 南方型节能日光温室应用设想及理论初探温 ,也有利于夏季降温 。蓄水调温即利用水具有较大的比热容 、流动性和地下深井水温度相对稳定的特性,在温室内部或者利用温室墙体蓄水,在白天和冬季的夜间,通过温室蓄水的白天吸热和冬季夜间放热,缓冲温室内气温变化; 而在夏季夜间则可以用温度较低的井水置换温室内吸收较多热量的存水,并进一步促进夜间降温 。合理调控作物生长区域空间是指周年生产温室应首先应根据夏季降温要求建造具有良好通风换气环境的较大空间,而在冬季则可以在作物生长区域,通过薄膜覆盖创造密封性较好的小区域空间,以利于作物生长区域空间的保温 。3 垂直温差正压送风风机 -湿帘降温技术的提出风机 -水帘降温系统是目前国内外使用最为广泛和有效的一种蒸发降温技术 。该系统通过风机强制排风,温室形成负压,室外空气以一定的速度从水帘的缝隙穿过,导致水分蒸发 、降温,在流经温室过程中,吸收室内热量使温室降温,然后经风机排出,从而达到循环降温的目的 。笔者称之为水平温差负压排风风机水帘降温技术 。这种降温方法存在 2 个主要问题 1 温室风机与湿帘之间的距离对降温效果影响极大,温室水平分布存在较大温差; 2 温室风机排风形成温室内负压,温室顶部积聚的湿热空气难以及时排出,从而影响温室降温效果 。有鉴于此,笔者提出垂直温差正压送风风机 -湿帘降温技术 。即在节能日光温室后墙外部安装湿帘冷风机,冷风机产生的冷风通过风机正压送入温室内苗床底部,吸收温室内热量后温度升高,聚集温室顶部,通过温室顶部的无动力排风扇排出温室,实现循环降温的目的 。4 南方型节能日光温室初步设计方案南方型节能日光温室由双层棚架结构 、6 层保温结构 、双层遮阳结构 、隔热水墙调温结构 、加温和降温系统及自动控制系统 6 个部分共同组成 图 1 。温室棚架由内外 2 层组成,外层棚架覆盖薄膜和遮阳网,内层棚架覆盖薄膜 、遮阳网和保温被 。双层拱架上的双层薄膜 、冬季温室内设置的活动内保温薄膜 、双层拱架薄膜之间和内层拱架薄膜与内保温薄膜之间形成的空气隔热层及内层拱架上覆盖的保温被在冬季构成具有良好隔热和无动力排风扇外层遮阳网外层薄膜空气隔热层外层遮阳网内层薄膜内保温薄膜内置保温被冷风机活动通气窗风机盘管自动控制系统图 1 南方型节能日光温室结构示意图密闭性性能良好的六层保温结构 图 2 。内外层遮阳网设置于双层拱架的薄膜之上 图 2 ,并通过卷膜机自动卷放 。隔热水墙调温结构主要由内外侧钢架支撑结构 、聚苯板隔热层 、钢丝网支撑结构 、土工布防水层和薄膜隔水层 图 3 及深水井和水循环系统 图略 等组成 。加温系统采用水暖热风加温系统,由常压热水锅炉 、水循环管道 图略 和安装于温室内的风机盘管组成 图 2 。降温系统采用垂直温差正压送风风机湿帘降温系统和水冷冷风降温系统 。垂直温差正压送风风机水帘降温系统主要由深水井 图略 、安装于后墙外的湿帘冷风机 、水循环系统 、温室内层拱架后侧顶部的活动通风口和温室外层拱架顶部的无动力排风扇等组成 图 1 ; 水冷冷风降温系统主要以深井水为冷源,利用冬季水暖热风加温系统中的水循环管道和风机盘管进行冷水快速循环降温 。如果对温室夜间低温要求在 20 ℃以下的温室,还可以在水循环管道中加装工业用冷水机,对井水进一步降温以后再进行冷水循环降温 。自动控制系统主要对温室内外遮阳 、内置保温被的自动卷放 、温室加温和降温系统进行自动控制 。无动力排风扇外层拱架活动通气窗内层拱架外层遮阳网外层薄膜空气隔热层内置保温被内层薄膜空气隔热层内保温薄膜图 2 采光屋面结构示意图5 南方型节能日光温室主要特点及优越性分析笔者主要围绕 1 个目标 、2 个核心 、3 个重点进行南方型节能日光温室设计 。1 个目标即以满足高附加值园艺作物周年生产 为目标 。其原因有二 1 高附加值园艺作物周688 江 西 科 学 2015 年第 33 卷内外侧钢架连接外侧钢架支撑结构聚苯板隔热层钢丝网支撑结构土工布防水层塑料薄膜隔水层内侧钢架支撑结构图 3 隔热水墙结构示意图年生产温室对环境条件要求较高,在此获得成功的基础上,再设计建造适于其它园艺作物种植需求各种类型的南方型节能日光温室就比较容易;2 对环境条件要求较高的温室建造成本也相对较高,通过高附加值的园艺作物周年生产,大幅度提高温室利用率和温室生产的经济效益 。2 个核心即以人工环境控制和节能设计为核心 。南方型节能日光温室设计中借鉴了北方节能日光温室的合理采光设计,以充分利用冬季晴天时的太阳光能,在此基础上主要以冬季加温和夏季降温及加强通风换气等人工环境控制措施克服冬季寡照造成的低温 、高湿及夏季的高温难题,通过温室隔热和蓄水调温设计增强了温室冬季保温和夏季降温的效果,从而大幅度降低温室加温和降温的运行成本 。3 个重点即以夏季降温设计 、建筑结构设计和温室设施 、设备的综合利用为重点 。南方型节能日光温室设计主要针对南方地区冬季热量资源比较丰富 、夏季降温困难的气候特点,充分利用温室建筑结构与温室加温设施,通过增大温室空间 、遮阳 、蓄水调温 、墙体及前屋面夜间加盖保温被隔热 、白天和夜间采用不同降温技术 白天采用垂直温差风机水帘降温,夜间采用水冷冷风降温等多重方法突出夏季节能降温设计,克服夏季降温,尤其是夜间降温难题 。按照夏季降温的要求,南方型节能日光温室需要较大的温室空间,温室空间的增大,一方面便于种植高大的园林树木,或者园艺作物的立体种植; 另一方面对温室建筑结构设计要求更高,温室建造的成本也将相应提高 。如何既能满足温室结构安全性的需要,又能较好的控制建造成本是南方型节能日光温室必须要考虑的重要问题 。笔者采用 AutoCAD 三维建模和有限元分析的方法将建筑轻钢结构中的网壳结构用于温室采光面的结构设计有效地解决了这一问题 。笔者的设计方案中通过双层棚架设置自动卷放内外遮阳网 、通过垂直温差风机水帘降温系统实现蒸发降温 、自然通风和温室内强制空气循环多重功能,通过冬季水暖热风加温的水循环系统和夜间覆盖保温被实现夏季夜间隔热节能降温等作用,实现了温室建筑结构与环境控制的高度统一和温室设施设备的综合利用,以达到降低温室综合造价的目的 。与北方节能日光温室相比,笔者设计的南方型节能日光温室摒弃了异质多功能墙体的建筑方式,采用钢架 、聚苯板 、塑料薄膜等隔热材料作为围护结构并通过墙体蓄水调温,不仅继承了异质多功能墙体隔热保温和墙体在冬天蓄热调温的功能,同时又大降低了北方节能日光温室异质多功能墙体的建造成本 降低 30以上 ,更为重要的是通过墙体蓄水调温克服了北方节能日光温室墙体蓄热造成夏季夜间降温困难的难题,如果再配合垂直温差正压送风风机水帘降温技术,可有效降低夏季温室温度,解决南方温室夏季降温难题 夏季白天最高温度可控制在 30 ℃左右,夜间控制在 20 ℃左右 。与南方能够周年生产连栋温室相比,南方型节能日光温室单位面积建造成本略高于连栋薄膜温室 ≯15 ,但其冬季隔热保温和夏季隔热降温能力远胜于连栋薄膜温室,节能效果超过50。另外,虽然其单位面积建造成本略高,但由于为独栋温室,整栋温室建造成本并不高,因此其冬季辅助加温和夏季降温耗能也远低于连栋薄膜温室 。这种温室更适合农户和小微企业,是农户和小微企业能够建得起 、用的起的温室,更适合我国当前的国情 。依据以上分析,笔者设计的南方型节能日光温室具有经济效益和人工环境控制水平高 、温室建造和运行成本相对较低 、可利用温室空间较大等优点,不仅在南方设施园艺产业化中有广阔的应用前景,对于北方周年生产型节能日光温室设计建造也具有一定的参考价值 。6 结束语南方型节能日光温室主要依据南方地区的气 下转第 893 页788第 6 期 周 坚等 南方型节能日光温室应用设想及理论初探3 结论1 在 WC-8 Fe-Co-Ni 合金粘结相中添加不同含量的 Mo,可以降低 WC 在液相中溶解度,抑制了 WC 晶粒在液相中溶解 -析出的过程,起到了细化晶粒的作用,随着粘结相中 Mo 含量的增加,WC 颗粒先减小后增大,但是相较于未添加 Mo时,晶粒度仍然要小得多 。2 随着粘结相中添加 Mo 含量的增加,合金断口组织的晶粒分布逐渐趋于均匀化,当粘结相中 Mo 含量达到 5 时,组织结构呈现致密化状态,没有明显孔隙,合金的各项物理性能均优于未添加 Mo 的合金试样 。3 在粘结相中添加 Mo 改善了合金的组织结构,提升了合金的综合性能 。合金的抗弯强度得到有效的改善; 硬度得到明显的提升; 当 Mo 添加量为 5时, WC-8 Fe-Co-Ni 合金的综合性能最佳 。参考文献[ 1] 张卫兵,刘向中,陈振华,等 . 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