温室降温（精选五篇）
温室降温 篇1
生产实践证明, 在所有的生长条件中, 温度对作物生长发育的影响最为显著。适合作物生长的温度是有限度范围的。当温度过高时, 会影响植物体内酶的活化程度, 破坏蛋白质, 损害细胞膜;当温度低于冰点时, 由于细胞间结冰, 既伤害了细胞, 又使整个植物体因脱水而受到生理损害。只有在最适宜的温度下, 并且当其它环境条件得到满足时, 作物的生长发育才会迅速而良好。然而, 近10年来, 由于我国工业的快速发展, 空气中的CO2含量日益增多, 从而引起强烈的“温室效应”, 造成大气层温度逐年升高, 许多地区的夏季气温已大大超过作物生长的极限温度, 作物的正常生长发育受到高温的不利影响, 尤其是南方地区。
目前, 国内外专家在温室降温效果方面已作了大量研究, 但对湿热地区温室降温技术研究甚少, 已研制的降温技术不适合湿热地区的气候特点, 使得这些地区的温室在夏季基本处于瘫痪状态。这些降温技术中, 湿帘—风机降温系统的降温幅度大, 约为8～10℃, 在我国北方应用效果显著, 因而被大力推广。但是, 在我国南方采用此系统蒸发降温后, 室内平均气温比室外低4℃左右, 该气温在一段时间内仍比室内作物生长的适宜温度高4～6℃左右, 从这点来看, 湿帘风机蒸发降温在我国南方地区使用见效甚微。
因此, 本课题针对湿热地区直接蒸发降温方法的局限性, 并结合我国的基本国情, 提出了液体除湿降温系统新方案, 以期达到高温高湿地区有效降温的目的。液体除湿降温系统是对现行湿帘—风机—蒸发降温系统的改进。室外空气在进入温室前, 先被氯化钙溶液喷淋除湿, 以降低其相对湿度, 之后, 除湿后的空气穿过湿帘进行蒸发降温。
2 除湿降温的机理研究
2.1 吸湿剂溶液除湿机理
喷淋室中的除湿过程是一个复杂的传热与传质过程, 传质的推动力是空气中水蒸汽的分压力与溶液表面所形成的饱和蒸汽压之差。由于空气中水蒸汽的分压力高于吸湿剂溶液表面的饱和蒸汽压, 于是就实现了水蒸汽由气相到液相的两相传递过程。这个过程可分三个步骤: (1) 水蒸汽由空气中扩散到汽—液两相界面的汽相一侧; (2) 水蒸汽在汽—液两相界面上凝结, 并溶入溶液中; (3) 水由相界面的液相一侧扩散到溶液中。
在液体除湿的过程中, 高温高湿的空气由风机驱动自下而上通过喷淋室, 液体吸湿剂由溶液泵打到喷淋室顶部, 由上面分布均匀的喷嘴喷出, 汽液之间在室内逆向流动并进行热质交换, 由于吸湿剂溶液表面形成的饱和水蒸汽分压力低于空气中的水蒸汽分压力, 水蒸汽就由空气进入液体吸湿剂中, 从而达到除湿的目的。
2.2 湿帘风机系统的降温原理
当湿帘处于工作状态时, 水从上面淋下, 在垫面上形成一层水膜, 在风机产生的负压下, 室外空气穿过湿垫。当未饱和的空气和水膜上的自由水面相接触, 并使两者与外界热源绝热时, 由于自由水面的水蒸汽分压力比未饱和空气的水蒸汽分压力高, 便产生液面的蒸发, 水分从液体变成水汽并吸收大量的显热, 这就导致湿空气温度的下降。
蒸发降温的效率为:
式中t1—通风空气的初始温度, ℃;t2—通风空气离开湿垫时的温度, ℃;tw—通风空气的湿球温度, ℃。
2.3 除湿降温的原理
一定状态下的空气经湿垫冷却降温的极限温度为该状态空气的湿球温度。如对温度38℃, 相对湿度80%的室外空气直接用湿帘-风机降温系统进行降温, 由于该降温过程近似绝热交换过程, 即等焓过程。参见空气焓湿图可知, 其所能降到的极限温度是室外空气的湿球温度34.6℃, 若再考虑到该系统的降温效率大约只有80%, 因此所降至的温度为35.28℃, 此高温仍不适合作物正常生长。这就体现了湿帘—风机蒸发降温系统在高温高湿地区应用时的局限性。但是, 若将空气的干球温度保持不变, 仍为38℃, 而相对湿度降低为40%, 则从空气焓湿图上可看出, 该系统所能降低的极限温度是26.3℃ (如图1所示) , 即使考虑到该系统只有80%的降温效率, 最终所达到的温度为28.64℃, 仍能满足作物正常生长的需要。因此, 为了使该系统适用于高温高湿地区, 需要对其进行改进。改进的关键一步就是在保持室外空气的干球温度基本不变的情况下, 将空气的相对湿度在蒸发降温之前降低到一个较低的值, 以提高蒸发降温的降温效果。
2.4 喷淋室内的热质交换过程分析
2.4.1 空气与溶液表面之间的热质交换基本方程式。
对于一个空气调节喷淋室, 假设其横截面积为A, 高度为L, 如图2所示。
由于在喷淋室内, 空气与溶液之间的热质交换情况十分复杂, 空气不仅要同飞溅液滴的广大表面以及底池的自由液面相接触, 而且喷雾液滴的大小极不相同且很不稳定, 水气的交叉和水滴相互碰撞, 细水滴又会结合成粗水滴。因此, 要准确确定气液的实际接触面积是很困难的, 所以通常以喷淋室的单位体积所具有的接触面积进行计算。
下面分析在微元段dl长度上发生的热质传递过程。根据薄膜模型, 在气液交界面的两侧分别存在一层气膜和液膜, 气膜中的空气是饱和的, 气液之间的热质交换就是通过两层膜进行的, 两膜阻力是热质交换过程的控制因素。气液交界面上总处于平衡状态, 并且阻力为零, 所以气膜和液膜的温度都与交界面上的温度相等。
(1) 由主流空气与气液交界面上的饱和空气之间的压差产生的质交换。dGw=-Gad (d) =KdaM (d-db) dl (2)
式中Gw—单位横截面积溶液流量, kg/ (m2s) ;aM—单位体积的传质面积, (m2/m3) ;Ga—单位横截面积空气流量, kg/ (m2s) ;Kd—以压差为推动力的质交换系数, kg/ (m2s) ;d—空气含湿量, kg/kgDA;db—气液交界面上的饱和空气含湿量, kg/kgDA。
式 (2) 表明, 溶液的增量与空气中水蒸汽的减少量以及传质量彼此相等。
(2) 由气液交界面上的饱和空气传给主流空气的显热量。
式中Cp—湿空气比热容, kJ/ (kg.k) ;aH—单位体积的传热面积, (m2/m3) ;ha—空气换热系数, W/m2;T—空气温度, k;Tb—气液交界面上空气温度, k。
2.4.2 影响空气与溶液表面之间热质交换的主要因素。
(1) 焓差是总热交换推动力。在确定热流方向时, 必须同时考虑显热和潜热两个方面。对于空气处理过程中的热质流量分析, 可以很方便地在焓-温 (h-T) 图上进行。
对于1kg干空气来说, 总热交换量即为焓差△h, 可以写成以下形式:△h=△hS+△hL (4)
式中△hS—显热交换量;△hL—潜热交换量。△hS与温差成正比, △hL与含湿量差成正比。
假设给空气初态参数:干球温度T1、湿球温度TS1和露点温度TL1, 改变溶液初温Tw, 那么热质流量随着液温变化的关系示于图3之中。
图3中以液温Tw为横坐标, 以△h、△hS和△hL为纵坐标, 空气得热量为正, 失热量为负。
当空气与溶液直接接触时:
(1) 总热交换量以空气初状态的湿球温度TS1为界, 当液温Tw﹥TS1时, 空气为增焓过程, 总热流方向向着空气;当Tw﹤TS1时, 空气为减焓过程, 总热流方向向着溶液。 (2) 显热交换量以空气初状态的干球温度T1为界, 当Tw﹤T1时, 空气失去显热, 当Tw﹥T1时, 空气获得显热。 (3) 潜热交换以空气初状态的露点温度TL1为界, 当Tw﹥TL1时, 空气得到潜热量, 当Tw﹤TL1时, 空气失去潜热量。 (4) 当液温Tw﹥T1, 总热流方向总是向着空气。
(2) 双膜阻力是热质交换的控制因素。
式中hb—饱和空气焓;hw—水的焓;Tb—饱和空气温度;ha—空气焓。
从式 (5) 可以看出, 焓差推动力与温差推动力之比, 正比例于两膜阻力之比, 说明膜阻愈大, 需要的推动力也愈大。因此, 双膜阻力是热质交换的控制因素。
通过进一步从气膜阻力、液膜阻力以及气液流量比等方面作分析, 得知: (1) 当空气与溶液逆向流动直接接触时, 主流空气与气液交界面上的饱和空气之间因存在压差而会产生质交换。当空气中水蒸汽分压力大于气液交界面上的饱和蒸汽压时, 空气的含湿量减少, 溶液的质量增加, 传质量由相应的热质交换基本方程式确定。 (2) 当空气与溶液逆向流动直接接触时, 主流空气与溶液之间因存在焓差而会产生热交换, 焓差是总热交换推动力。热流方向跟溶液温度与空气的干湿球温度及露点温度大小有关。当溶液温度大于空气的干球温度时, 总热流方向总是向着空气, 致使空气的温度会升高。同时, 喷淋室内空气与溶液之间的热质交换也会使空气的空气略有升高。气液交界面上的饱和空气传给主流空气的显热量由相应的热质交换基本方程式确定。 (3) 双膜阻力是热质交换的控制因素。空气质量流速vρ影响气膜阻力, vρ应该有一个合适的范围;对于低速喷雾室, 通常取vρ=1.5～3.5kg/ (m2s) 。液滴大小影响液膜阻力, 只有较小液滴才可能到达绝热过程;气液流量比影响焓差推动力, 为了降低焓差推动力, 对于气液逆向流动, 气液流量比μ应该较大。
摘要：简要阐述了研究的目的和意义, 并对液体除湿降温原理、空气与除湿剂溶液表面间的传热传质机理进行了研究分析, 为温室降温提供理论依据。
关键词：温室,除湿,降温,机理研究
参考文献
[1]徐昶昕.农业生物环境控制.北京:农业出版社, 1994, 5.
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降温技术在温室领域的应用 篇2
温度是植物生长发育的重要环境因素,它影响着植物体的一切生理变化,是植物生命活动最基本的要素。因此,对植物生长所依赖的外界温度进行调控,对于充分促进植物的生长有着深远的现实意义。温室是人类为改善和控制植物的生长环境在建筑场所内从事植物栽培的一种园艺设施,它使人为改变植物外环境成为可能。温室温度的调节可以分为加热和降温两个方面。不同于直接易操作的温室加热技术,温室降温在实施的过程中会遇到许多问题。多数情况下,配置有降温设施的温室能够很好地实现其功能,但在极限条件下相当一部分设施会失效,加之考虑经济和植物生长地域等因素,研究不同温室降温技术,分析其利弊,有着客观的必要性。
1 温室常用降温技术
1.1 通风
通风是最常见的温室降温技术。夏季温室内部温度较高,不适宜植物生长,可以将内部的热空气和外部的冷空气置换,以保证室内温度适合植物生长。按通风系统的工作动力不同,通风可分为自然通风和机械通风两种形式。
1.1.1 自然通风
自然通风是最早在温室中投入使用的降温技术,投资少,且不消耗动力,是比较经济的通风方式。科研工作者早期主要采用示踪气体法、能量平衡法及风洞实验法等方法对该技术进行研究。
近年来,主要的实验成果来自应用示踪气体技术对配备顶窗的大型连栋温室通风率的研究以及对开有顶窗和侧窗的大型温室通风率的研究,具有代表性的有DeJong[1], Kittas[2]和Baptista[3]等人。他们主要以通风口数量、安装位置、开口角度、室内外温差和风速为研究对象,分析温室通风的效果。
另外,随着研究的深入和新兴技术的产生,一些新的研究方法和技术手段也被应用到对自然通风的研究上来。Boulard等[4]使用一维或三维风速计直接测量通过通风口的空气交换计算温室内经过通风口气流的不同组成部分;Okushima[5]最早开始采用计算流体力学(CFD),对单跨度斜顶的无作物温室的通风进行模拟;T.Boular等[6]借助先进的摄影手段及图像分析技术,研究温室内的流场和温度场。
1.1.2 机械通风
机械通风又称为强制通风,是依靠风机产生的风压使空气快速置换。其作用力强,通风效果稳定,常用于自然通风效果不佳的地区。Goodhind[7]最早通过对温室空气流动情况的研究指出,在温室内安装风扇,能够有效地降低温室内部温度。Carpenter和Bark[8]也指出,使用环流扇能够减少温室垂直温度梯度,消除温室两侧屋脊处高温区域,从而确定了使用风机对温室降温的可行性。
对机械通风效果的研究,各国学者主要以通风口位置以及风机的个体通风量、安装数量、位置为研究对象,观察室内气流和温度变化情况,便于在空气进入温室前进行降温处理。童莉等[9]为了解温室内部气流和热量传递过程,设计合理的通风设施,建立了无植物条件下湿帘机械通风的华北型连栋温室三维数值模拟模型,得到了对速度场分布和温度场分布数值模拟结果,并讨论入口风速和湿帘高度对温室可控距离的影响。
1.2 遮阳降温
遮阳技术利用具有一定透光率的材料对多余的光照进行遮挡,既保证温室作物正常生长所需的光照,又防止多余的太阳辐射能在温室聚集,造成室内温度过高。遮阳系统是否能够发挥其应有的功能,很大程度上取决于遮阳材料的选取。
在遮阳降温理论摸索阶段,Morris[10]最早提出了使用水膜降温的方法。此外,温室顶部涂白法也是早期研究方向之一。ASHRAE[11]发现,采用此法能使太阳辐射平均传导系数由0.62下降到0.31。
目前,常用的遮阳材料有塑料薄膜、合成纤维织品、无纺布、铝箔网、镀铝网和苇帘子等。Sethi 和Gupta[12]在印度西北部的卢迪亚纳地区,对装备有铝箔网(24μm厚)的薄膜温室进行研究。在5-7月印度夏季气温最高的月份,也只在最高气温的时段(11a.m.~4p.m.)使用铝箔网遮阳。实验数据表明:相对于未采用任何降温措施的情况,温室内日平均辐射和平均温度分别减少了43%,下降了3~4℃。在另外一个实验中,Sethi和Sidhu[13]在薄膜温室内放置了6个覆有铝箔网、内有作物的管道,用来对比环境改良后植物的生长情况。对比发现,管道内辐射强度和光照强度分别只有外部的78%和68%,植物和土壤的温度分别下降了5.5℃和2℃,而植物的生产率却高出管道外40%。此外,Camilo 等[14]还评价了覆铝聚丙烯遮阳网对桔类植物光合作用和叶片温度的影响,发现采用这类遮阳网后植物CO2获得率大约提高20%,并且能够有效防止遮荫植物光合作用下的光抑制现象的产生。
1.3 蒸发降温
蒸发降温过程是等焓加湿冷却过程,没有外界热量参与系统的热交换,系统的总热含量也就是焓不发生变化。1g液态水蒸发成1m3水蒸气能够使其自身温度降低2.5℃,蒸发降温就是根据这一现象来控制温室内部温度和湿度的。通常的蒸发降温方法有湿帘-风机降温、喷雾降温和喷淋降温。
1.3.1 湿帘-风机降温
湿帘-风机降温系统由湿帘加湿系统和风机组成。利用一种浸湿、多孔的材料使水与空气进行更为广泛的接触,而在温室的另一侧安装风机,吸收带有大量水气的空气,从而达到降低温室空气温度和提高湿度的目的。
在早期的理论研究过程中, Landsberg等[15]用计算机分析了这一系统的效率。在考虑了辐射能量荷载、外部温度和湿度等因素下,估算了温室内部温度。分析表明,即使在极热和光照极强的情况下,该系统也能使室温下降8~12℃。Chandra等[16]采用直径为0.45m、送风率为0.97m3/s的风机送风,用Landsberg模型来预测降温效果。实验表明,降温系统的成效系数在40~60之间。
近年来,针对这一技术又有更深入的研究。Kittas等[17]对装配湿帘-风机及屋顶半遮阳的玫瑰温室温度和湿度梯度研究后,发现降温效果提升80%,内外温差达到10℃。 Jain和Tiwari[18]在面积为24m2、装有湿帘-风机设备、东西侧墙尺寸为3×1.15 m2的温室中进行理论和实验研究,发现内外温差可以达到4~5℃,并且对影响降温设备效果的温室长度、空气流量和湿帘安装高度等因素进行了优化。
1.3.2 喷雾降温
喷雾降温系统的工作原理是在作物冠层以上的空间喷以浮游细雾,细雾在未落到作物叶面时便全部蒸发汽化,吸热以降低室内温度。该系统将液态水用高压的方法雾化成直径为2~60μm的水滴,以增加水滴与空气的接触面积,能更好地实现蒸发降温的功能。
Press[19]最早研究了高压喷管在系统中的应用。 Montero和 Anton[20]采用二相喷管技术,将压缩空气和有一定流速的液态水混和注入喷管。300~600kPa压强下的空气与水混和后产生的浓雾能够使室温下降3℃。
为了提高降温效果,Toida等[21]还在普通的喷管上垂直安装了两个100mm×100mm大小的风扇,来提供向上的气流,从而增强喷雾降温系统的降温效果。与只垂直方向或水平方向安装喷管而不另装风扇的该类降温系统比较,装上风扇后的蒸发率是原来的1.5倍,降温区域是原来的3倍,并且能使室温更低,且分布更均衡。
1.4 屋顶喷淋降温
屋顶喷淋降温是指在温室的顶棚喷洒一层薄水层,通过增加自由水面区来提高水的蒸发率。这种方法能够降低周围空气的湿球温度,达到降温效果。
Willits和Peet[22]对遮阳幕进行间断性喷淋实验,屋顶的水分蒸发能够吸收大约50%的太阳辐射,使通过屋顶的热通量明显下降。数据表明,相对于干燥遮阳幕能够降低18%的空气温度,湿润的遮阳幕则可以降低41%的温度。李永欣等[23]发现,不同于其他蒸发降温系统, 屋顶喷淋没有造成温室内湿度的显著增加, 室内的温度和湿度分布比较均匀。降温措施的能耗小, 可以达到温室降温和降低温室夏季生产成本的双重目的。
2 创新型降温技术
2.1 机械制冷技术
该技术设备运行及控制可靠,在外界温度条件不同的情况下,也能使温室达到设计要求的温度。例如,我国上海飞机研究所缪根红等[24]在设计和生产的温室中,将涡轮降温技术应用于实际中。在种苗温室里,先将温室外空气引入系统,经过涡轮降温后,出口处空气温度很低,再将低温空气和温室内温度较高的空气进行混合后注入温室内来降低室温,以满足生产需求。该强制冷系统能够将冷气均匀分布于苗床下面,提供62802kJ/h左右的制冷量。
2.2 空气-土壤热交技术
土壤常年温度一般在26~28℃,而夏季室温可以达到40~50℃,利用两者之间的温差进行热交换可以实现温室降温。该系统由地下埋管及风机组成。白天室内气温升高到一定程度时,启动风机使室内空气流过管道。这时,空气温度高于土壤温度,将热量耗散在土壤中,回流出来的空气温度明显下降。
Levit等[25]最早在位于阿根廷的温室中对空气-土壤热交换器系统进行了模拟仿真。Santamouris[26]研究了空气-土壤热交换系统储存能量的表现,并对典型玻璃温室内埋管长度、直径以及流经埋管的空气速度等参数进行了分析。在另一项研究中,Ghosal和Tiwari[27]构建了一个热量模型来衡量土壤用于温室降温而存储热量的能力,阐述了埋管长度、直径、深度和空气流速对降温的影响。通过实验发现,与不采用土壤-空气热交换系统相比,温室室温降低5~6℃。
2.3 地下水降温技术
将远低于室温的地下水与温室内空气充分接触以进行显热交换,从而降低室内空气的温度。用低于露点的冷水降温,可达到除湿和降温的双重效果。
印度旁遮普大学Sethi和Sharma[28]共同设计含水层耦合空腔环流热交换系统,用于农用温室的降温和加热。该系统抽取常温为24℃的地下水至土壤表层,配以简单的蒸发降温系统,来实现降温功能。实验结果表明,在夏季极限条件下,室内空气温度能降低6~7℃。另外,Sethi和Sharma[29]还构建了与该系统相关联的热量模型。模型预测值与实验测量值之间的均方差为3.12%,并以此来优化系统的参数。
3 结论
1) 以上介绍的温室降温相关的方法,无论对于温室使用者,还是对基于温室系统性能、地区气候条件和植物类型等因素考虑选择合适温室降温方法的研究者来说,都是很有必要性和实际意义。这些方法也各自存在着局限和不足,没有任何一种单独降温方式能够满足所有要求。选择合适的降温系统应该基于气候类型、植物类型、费用、可操作性、可靠性和使用寿命等因素综合考虑。
2) 通风可以降低室内温度,使之与外部温度相接近,使用顶开窗、侧开窗的自然通风能够很好地达到效果。当开窗面积为温室面积的15%~30%时,被认为是足够的,超过30%部分对降温效果影响很小。安装在通风窗口的防虫网会明显降低气流速,使温室内温度梯度升高。在外部环境温度高于35℃、温室内部温度高于42℃的热带无风地区,自然通风系统的降温效果不显著,并且在植物开花和座果期间只能使室温降低2~3℃,远不能够满足植物生长的要求。
3) 虽然机械通风能够使温室内空气交换量大增,但在夏季极热条件下,只采用风扇设备移出室内热空气是远不能达到明显降温效果的,并且常态下当基本通风量超过0.05m3/m2·s时,风机降温效果也不再明显。只有在空气流入的区域相对大且范围包括整堵墙时,室内空气流和温度分布才平稳,风机降温效果才明显。
4) 遮阳技术使用铝制的反射片在控制温室内光照强度和辐射强度的同时,能够使夏季温室室温降低3~6℃。温室顶棚装备有水幕可以降低4~6℃室温。虽然使用遮阳反射设备后能够限制太阳辐射进入温室,但是在夏季极热条件下只可以使植株温度下降4~6℃,不能明显降低室温。
5) 湿帘-风机系统能够有效降低温室室内温度,单独采用该系统时,能够降温4~6℃;与遮阳网配合使用时,能够降温4~12℃。在夏季干燥环境下,该系统能够满足温室80%的降温效果。当每小时通过湿帘的空气体积是温室容积20倍的情况下,能够满足湿润环境温室的降温要求。湿帘-风机系统只能湿润和冷却从入口处进入的空气,对于由太阳光积累的过多热量产生的升温没有影响。另外,过高的温室湿度也容易使微生物滋长,增加植物感染病菌的机会。
6) 雾化系统能够降低室温3~8℃,并且能够提供温室较平稳的温度值和湿度值分布,但该系统由于要配置高压雾化水滴的喷头以及喷管网,成本过高,并且存在和湿帘-风机系统同样的使温室内部湿度过高,从而使微生物滋长、增加植物感染病菌的机会等问题。另外,当外界湿度过高(如梅雨季节)时,雾化系统降温效果将明显下将。
7) 与湿帘-风机和雾化等蒸发降温系统相比,屋顶喷淋系统增加的是屋顶的相对湿度,并没有影响室内湿度,所以避免了前两者促进微生物生长的问题,但通常只能降低3~5℃室温。由于喷淋系统安装在温室顶部,只能降低位于顶部的空气温度。
8) 机械制冷一般除了应用于特殊环境下(如组织培养和控制水培中)的营养液温度外,在大型温室或大棚中因其面积较大,热负荷高,而机械制冷的设备和运行费用高昂,使用极不经济。
9) 土壤-空气热交换降温系统与控制温室相比,能降低3~5℃室温,但其最大的缺点是耗资大,大量的资金需用于挖土和埋地下管道。在2~4m深的地下布置管道网络技术难度相对较大,并且不易对设施进行日常维护和防止管道泄漏。另外,金属或塑料管道的腐蚀也不利于植物生长。
温室降温 篇3
随着农业科学技术的不断进步和农业生产的现代化, 设施农业在我国迅速兴起。温室作为设施农业的主要类型, 具有明显的社会效益和经济效益, 因而得到了广泛的应用。但是它在应用过程中也存在一系列的问题, 其中夏季温室的降温问题一直被广大农业科学工作者所关注。重庆地区7-8月是全年中最热的月份, 月平均气温大都在27～28℃, 温室内“温室效应”的存在使室内温度可达50℃以上, 作物完全不能生存, 从而造成全年1/3左右的时间温室处于“闲置”状态。因此, 温室在夏季必须考虑采取相应的降温措施, 使其能正常组织生产, 从而提高温室的周年使用率, 并且为作物提供一个良好的生长环境, 以实现高产、优质和高效的集约化生产方式, 满足人们生活的需求, 提高土地的利用率。
1 试验条件与测试方案
1.1 试验地点
本试验在西南大学工程技术学院节水灌溉增效示范实验室内进行。该实验室为4连跨文洛式一跨三屋脊大型高档玻璃温室, 如图1所示。该温室呈南北走向, 其总面积为9.6m/跨×4跨×36m=1382.4m2。一共分为4个区:一区为蔬菜区;二区为花卉区;三区为果类育苗区;四区为育苗区。每个区域的面积均为9.6m×36m=345.6m2, 在花卉区的前端设有中央控制室。所有温室的顶部及四周均采用4mm国产优质浮法玻璃覆盖, 透光率大于90%, 传热系数K=6.6 W/ (m2·℃) , 采用温室的专用铝合金型材固定, 橡胶条密封。
1.2 试验仪器和设备
1) 温室内设的自然通风系统、机械通风系统、湿垫风机系统和外遮阳系统。
2) 16个热电偶传感器, 其中室外放置1个, 室内放置15个, 分别位于3个平面上。TRM-2型太阳能热水器热性能测试系统 (锦州阳光科技发展有限公司开发) 用于温度数据的自动记录, 设定时间为每30min记录1次。
3) 3个干湿球温度计, 其中室外放置1个, 室内放置2个, 分别用来测定室外与室内的干球温度、湿球温度和相对湿度。
4) 计算机主要用于数据的导出和利用相关软件对数据进行相应处理。
1.3 试验测点布置
本试验在温室的第2个区—花卉区进行, 如图2所示。温室被过道分成两个对称的工作区域, 在右侧区域的水平面上设置了6个观测位置, 用于分析降温过程中室内温度在水平面上的分布规律。其中, 在位置 (3) 处距离地面20cm的地下安放了一个温度传感器, 用于测定整个实验过程地温的变化规律;室外设置了一个观测点 (7) , 用于监测室外温度的变化情况。此外, 在温室内放置了两个干湿球温度计, 室外放置了1个干湿球温度计, 用于测定室内外的相对湿度变化规律。
图3为温度各测点的垂直分布图。在垂直方向上一共设置了3个平面, 平面 (3) 距离地面500mm, 平面 (1) 距离天沟500mm, 用来测定温度在垂直方向上的变化情况。所有温度数据均采用TRM-2型太阳能热水器热性能测试系统, 每隔30min自动记录, 相对湿度每隔30min由人工进行记录。
2 试验结果与分析
2.1 自然通风降温效果
试验前温室密闭, 早晨9:00, 当室内温度均值为34℃、室外温度31.6℃时, 打开轴流风机百叶窗、湿垫防虫网和顶开窗进行自然通风, 如图4所示。通风后, 温室内各平面温度缓慢上升, 但是升温速度小于室外温度的增幅;到10:00后与室外温度的升温趋势基本趋于一致;到午后13:00左右, 各平面温度达到最大值, 比室外温度分别超出7.9℃, 5.4℃, 5.3℃。此后, 随着室外温度的降低, 室内各平面温度也缓慢下降, 截至试验结束, 室内最低温度在37.4℃, 超出了作物正常生长的温度范围。在整个自然通风过程中, 室外湿度保持相对较高的水平, 而室内相对湿度变化明显, 呈现逐渐下降的趋势, 最低点33%出现在午后的14:30。此后, 随室外湿度的增加室内温度也逐渐增加, 如图5所示。
从以上分析可以看出:重庆地区夏季高温高湿的气候情况下, 欲通过自然通风来降低温室内的温度以达到作物的生长需求是不可行的, 必须采取其他方式来达到降温的目的。
2.2 机械通风降温效果
利用轴流风机作为动力, 把室内空气抽出室外, 使之形成负压, 强制实现室内外通风换气。该方式虽消耗一定的能源, 但其通风效果可靠, 且便于根据需要进行调节和控制, 但是温度调控范围也有限, 最多只能调控到室外温度水平, 如图6所示。
通过机械通风的强制作用, 加强了室内外的空气交换, 正午12:00之前和下午16:00之后平面 (2) 和平面 (3) 的温度与室外温度基本相当;在12:00-16:00之间的这段时间里, 由于太阳辐射增强, 两平面温度比室外温度平均高出2℃左右。靠近屋顶的平面1由于空气交换作用很弱, 其温度在整个实验过程中都比室外温度高, 其中12:30最高温度达42.9℃, 比室外温度高出5.8℃。进行机械通风后, 室内相对湿度随室外湿度的降低而逐渐降低, 到10:00出现交叉点 (54%) , 温室内外湿度相等, 这与实际是相吻合的。此后, 随室内温度的增加, 相对湿度呈现降低的趋势, 最低下降到44%, 如图7所示。
通过以上分析可以看出:当室外温度不超过35℃时, 通过机械通风能够使室内温度保持在35℃左右, 具有一定的降温效果, 同时还具有一定的除湿效果。这对于重庆高温高湿的气候特征来说, 在一定的条件下不失为一种较为理想的降温方式。
2.3 湿垫风机降温效果
湿垫风机降温是现代温室中主要的降温方式, 技术成熟, 降温效果明显, 已经得到了广泛的应用, 如图8和图9所示。打开湿垫风机降温系统, 室内温度出现明显的下降, 30min后室内温度降到31.7℃, 同时室内相对湿度也由降温前的60.5%增加到75%, 相对湿度增加了24个百分点。此时, 平面 (2) 和平面 (3) 温度都显著下降到室外温度以下。9:30后, 两平面与室外温差基本保持稳定, 两个平面最高温度为35℃, 降温效果非常明显;平面1温度也有所下降, 但是始终高于室外温度, 最高达到44.6℃。
通过以上数据分析可以看出, 湿垫风机降温系统具有很好的降温效果, 基本上能够使室内温度保持在作物正常生长的范围内, 但是温度降低的同时室内湿度也迅速升高, 如果持续时间过长可能会引发病虫害, 且湿度过高会使叶片气孔开张度减小, 从而抑制作物的蒸腾作用, 影响作物对水分、养料的吸收和运输。为此, 可考虑和机械通风间隔使用, 从而达到除湿的目的, 消除室内的高湿环境。
2.4 外遮阳降温
根据遮阳网的安放位置, 可以分为外遮阳和内遮阳。其中, 内遮阳网会使大量热量聚集在遮阳网与屋顶之间, 阻止室内热量散失, 不利于夏季降温, 故只考虑外遮阳降温。外遮阳降温有两种试验方法:一是在温室密闭的情况下展开外遮阳, 采集室内外温湿度数据;二是先打开顶开窗通风待室内外温湿度已相对平稳的状态下, 再展开外遮阳关, 闭顶开窗, 采集数据。根据实际情况, 第1种方法没有现实意义, 因为在温室密闭的情况下, 室内空气无法与外界流通, 室内温度很高, 作物根本无法生存, 实际温室生产中不可能会出现这种情况。于是采取第2种方式。试验结果如图10和图11所示。
试验前打开温室顶开窗通风, 上午10:00待室内外温湿度已相对平稳状态下, 当室内温度均值35℃、室外温度33.7℃时, 打开外遮阳并关闭顶开窗。外遮阳在10:00展开后, 室内各平面温度都下降:10:30平面 (1) 温度由初始值36.5℃下降到35.1℃;平面 (2) 温度由初始值34.4℃下降到33.7℃;平面 (3) 温度由初始值34.2℃下降到33.2℃。此刻室外温度为34.4℃, 平面 (2) 和平面 (3) 的温度均低于室外温度, 直到11:30两平面的温度与室外温度出现交叉点, 随后的时间里由于太阳辐射的增强, 室内温度呈现走高趋势。由于外遮阳的作用, 室内外湿度在10:30基本保持在57%, 在随后的时间里二者呈现交替变化趋势, 但是相差都比较小。
3 结论
分别采用自然通风、机械通风、湿垫风机和外遮阳等4种降温措施, 对室内高温环境均有一定的缓解作用。要想进一步降低夏季温室内的温度, 必须采取组合降温方式才能达到目的。
1) 湿垫风机的降温效果最好, 室内工作面温湿度的变化受室外温湿度变化的影响不大, 且温度在水平方向上分布不均匀, 波动性较大。如果室外空气的相对湿度过大, 则降温效果会受到很大的影响。另外, 该降温方式会使室内湿度增幅很大, 达到24个百分点, 抑制作物的蒸腾作用。为此, 可以考虑和机械通风间隔使用, 从而达到除湿的目的, 改善室内的高湿环境。
2) 展开外遮阳降温后, 温室内工作面温度能够降低到室外温度以下, 且工作面温度水平分布较为均匀, 能够一直持续到正午, 且对室内湿度的影响不大。
3) 通过机械通风能够加强室内外的空气交换。当室外温度不超过35℃时, 可以将室内温度控制在35℃左右, 基本上能够满足作物的生长需求, 同时还具有一定得除湿效果, 可以和其他降温系统配合使用, 以达到除湿的目的。
4) 自然通风很难达到降温的效果。当室外太阳辐射强度不大时, 可以采用此方法。在多云的阴天, 通过自然通风能够加强室内外空气交换, 降低室内的湿度。
参考文献
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[3]王本根, 苗香雯.华东连栋塑料温室夏季降温效果比较研究[J].农机化研究, 2004 (5) :187-193.
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温室通风降温的两种空气流动模型 篇4
通风降温是温室工程的重要组成部分, 通风形式及风量直接决定着降温效果。强制通风和自然通风都是温室通风的常用手段, 在设计和应用上各有优点:强制通风效果好, 但能耗高;自然通风效果稍差, 但能耗极低。通风量和通风形式的选择与温室结构、外部环境等多个因素有关, 如何合理选择, 才能保证温室降温顺利、又可有效节能?本文通过建立2个通风模型, 以期为设计和应用者提供参考及指导。
1 模型建立
1.1 空气平移模型
如图1所示, 通风时空气的流动方向从左往右。假设空气在流动过程中从没有发生热和质的扩散, 处于理想的平移状态, 那么, 在某一时刻t, 空气微元 (即dx) 吸收的热量为:
式中, Q为温室与外界热辐射交换量, kW;W为温室的宽度, m;dt为空气移动dx所需的时间微元。
式中, G为通风体积风量, m 3/s;H为温室平均高度, m;L为温室长度, m。
空气微元dx的温升
式中, C为空气比热, kJ/kg·K;ρ为空气密度, kg/m3;L·H·dx为空气体积。
联合式 (1) ～ (3) , 可得
当环境温度或被湿帘处理后的空气温度为T0时, 取初始条件t=0, T=T0, 对式 (4) 进行定积分得
同理, 联合式 (1) ～ (3) , 对T与x的关系式定积分得
1.2 空气均匀混合模型
假设, 通风时温室内空气间的热质扩散十分快, 各处空气始终保持着同一状态。在某一时间微元dt内, 温室空气净吸收的热量总和为:
式中, G为温室与外界通过热质扩散的交换风量, m 3/s;T0为环境温度或被湿帘处理后的空气温度, ℃;T为温室内空气温度, ℃, Q为温室与外界的纯热交换量, k W;V为温室体积, m 3。
在时间dt内温室内部空气温度变化为
当温度相差较少时, 空气密度ρ=ρ0, 式 (8) 化简后为:
把初始条件, t=0时, 温室内空气温度T=T1, 对式 (9) 进行定积分得
2 模型的分析
2.1 空气平移模型分析
式 (6) 中, 当其它参数为定值时, T (x) 为x的单调增函数, 如图1, 随着空气微元dx往右移动, 温度随着上升, 当x=W时T取得最大值
即排出温室的热量达到最大值, 此时, 通风降温的效果最佳。换言之, 空气平移模型是效率最高的通风降温模型。从流体力学的角度分析, 当空气流程 (W) 越短、温室壁面越光滑、通风截面 (H×L) 越接近正方形, 则实际通风过程越接近空气平移模型。
2.1.1 风量计算
如图1, 温室L=100 m, H=4 m, W=40 m, 没有遮荫系统, 环境空气温度或经湿帘后空气温度T0=25℃, 若出口x=W处的设计温度低于T<28℃, 求通风量G。
空气比热C=1.01 kJ/kg.K, 密度ρ=1.2 kg/m3, 在我国南方地区夏日中午温室单位面积吸收太阳辐射能为0.3～0.4 kW, 则温室与外界热辐射交换量Q= (0.3～0.4) .L.W[1,2]=1 200～1 600 kW, 把上述参数代入式 (6) 得
2.1.2 降温时间
已知G=330 m3/s, T0=25℃。当室内温度T1=3 5℃时, 启动通风风机, 求需多长时间才能使T=28.2℃。
由于空气在温室内作平移运动, 原有热空气被新进空气挤往室外, 降温时间为室内换气一次的时间, 与初始温度T1无关, 所以
2.2 空气均匀混合模型分析
式 (10) 表达了通风过程中, 温室内温度T的变化与通风时间t的关系。由于空气的混合十分迅速, T与空气在温室内的位置无关, 当温室内循环风机的混风效果越好, 越接近空气均匀混合模型。
以空气平移模型的温室为例, 当室内温度T1=35℃时, 启动通风风机, 求需多长时间t才能使T=28.2℃。
已知Q=1 200 kW, G=330 m3/s, V=H.L.W=16 000 m3, 代入式 (10) 得t=172.4 s。
3 两种模型对比
由于式 (10) 中自然对数必须满足
为空气均匀混合模型的降温下限;而空气平移模型的降温上限为式 (11) , 即, 两者相差, 与空气进出温室温升的比值为, 所以, 空气均匀混合模型的降温下限与空气平移模型的降温上限相近, 甚至可认为相等。
4 结束语
1) 同一风量G, 空气平移流动的通风降温效果优于均匀混合的效果。
2) 理想的平移流动和理想的均匀混合都是不可能的, 实际应用时只在温室内的局部区域发生, 所以, 温室通风降温设计时可增加平移流动的区域。
3) 若把温室划分为多个相对独立的区域, 选用适合的模型, 可掌握该区域的温度变化情况。
参考文献
[1]刘清化.智能型太阳能干燥器设计探讨.现代农业装备, 2006 (1) :57-59.
温室降温 篇5
华南地区地处亚热带季风气候区, 冬天温暖, 除了低温阴雨外, 温室冬季大部分时间不需加温。而夏季炎热气温高, 高温高湿天气时间长, 温室内湿热空气不易散发, 需配置通风降温设施, 满足农作物生长需求, 避免温室闲置荒废, 实现周年轮作, 提高设施的利用率。
自然通风、机械强制通风降温是华南地区温室大棚最主要的通风降温形式。通过温室顶窗和侧窗进行自然通风排热排湿, 湿帘风机进行强制降温, 同时, 配置循环风机改善提高室内气体温度和湿度分布的均匀性。
1 温室自然通风降温原理及设施的设计
1.1 温室自然通风降温原理
自然通风降温主要是利用风压作用实现, 利用温室的迎风面产生正压, 背封面产生负压, 使室内外形成压差产生空气流动, 使空气从一侧墙面进入, 穿过植物后从另一侧墙面或天窗出去, 将湿热空气排出。另外, 还可通过热压作用利用热湿空气上升的原理进行自然通风, 但效果相对于风压作用要小得多。
自然通风降温基本不消耗能耗, 适合在夏天气温不太高, 湿度不太大和有经常可利用的风的区域使用, 适合栽种蒸发量大的作物。
1.2 自然通风降温设施类型的选择
自然通风一般是在温室顶部或四周侧墙设置开窗设施, 利用风压或热压进行通风, 可通过调节开窗的幅度来调节通风量。自然通风设施的类型形式根据温室面积大小、建造费用决定。通常采用屋顶与侧墙联合通风, 通风量大、效果好。宽度30 m以内的温室, 以侧墙通风为主, 大型连栋温室, 以屋顶通风为主。
1.3 自然通风降温设施的布置
自然通风降温通风口的设置要符合风压原理和热压原理, 屋顶通风口应尽量设在屋面的高处, 形成最大高差。侧墙通风口应尽量设在低处, 场地允许条件下, 侧窗朝向当地夏季季风的主导风向。
1.4 温室通风窗结构的设计
华南地区常见的温室类型有单脊双坡顶玻璃温室、圆拱形顶或锯形顶塑料薄膜温室、PC板拱形顶温室和及全开屋面温室等, 其通风窗设计有以下几种形式:
1.4.1 卷膜窗的结构
由手动或电动卷膜器、卷膜轴、伸缩杆等组成。卷膜窗是将塑料薄膜卷于卷膜轴上, 卷膜器带动卷膜轴转动, 从而对塑料薄膜实施卷放操作, 开闭通风窗。塑料薄膜拱形温室和锯齿形温室的天窗和侧窗多为此结构。卷膜器应在允许的最大的长度范围内使用。
1.4.2 齿轮齿条连片式外翻窗的结构
由带限位开关的减速电机、传动轴、齿轮齿条、轴承座等组成。由齿条直接推动通风窗启闭。塑料薄膜拱形温室、玻璃温室、全开屋面温室天窗和外翻侧窗多为此结构。
减速电机固定在开窗支架上, 输出端与传动轴通过链轮链条连接传递动力, 传动轴通过轴承座固定在开窗支架上。齿轮固定在传动轴上, 齿条一端与齿轮啮合, 另一端与通风窗边连接。当减速电机转动时带动传动轴及固定其上面的齿轮转动, 齿轮带动齿条移动, 实现外翻窗的开闭。
1.4.3 齿轮齿条推杆外翻天窗的结构
由带限位开关的减速电机、传动轴、齿条、齿轮、滑轮座、推杆、支杆、连片式通风窗等组成, 推杆开窗由齿轮齿条将动力传递至固定在滑轮座上的推杆, 再由推杆传递至开窗支杆, 由开窗支杆推动通风窗开闭。PC波浪板拱形温室的外翻天窗多为此结构。
推杆与齿条顺序相连, 支杆一端固定于推杆上, 另一端分别固定于外翻窗边和屋顶檩条上, 一个开间设置一套齿轮齿条推杆机构, 由四根支杆支撑。减速电机和传动轴通过链轮链条连接, 工作时减速电机通过传动轴上的齿轮带动齿条移动, 齿条推动推杆彺复移动将推力或拉力传递至支杆, 将通风窗打开或关闭。
1.5 温室通风窗通风面积的确定
自然通风性能的一个重要指标是实际通风口面积与温室建筑面积的百分比值。百分比值越大, 通风效果越好。侧窗通风面积最少为侧墙面积一半以上, 天窗面积不小于温室面积的15%~20%。
2 温室机械强制通风降温原理及设计
2.1 温室机械强制通风降温原理
在华南地区, 夏季室外温度高达35~40℃, 进入温室的空气进一步吸收太阳的辐射热, 产生了使作物难以承受的高温, 只用自然通风难满足对环境条件要求苛刻的作物生长, 必须通过机械强制通风降温来控制温室的温度和湿度。
机械强制通风降温原理是在通风的条件下, 利用蒸发原理, 使温室内空气干球的温度降低, 通常采用湿帘风机降温装置实现。风机在将温室内高温的空气排出时, 使室内处于负压状态, 由于室内外的气压差, 室外空气便透过湿帘进入室内, 过帘空气的显热被湿帘的水分蒸发而被吸收, 自身的干球温度降低。湿帘风机系统由轴流风机、湿帘箱、循环供水装置、电气控制系统组成。
2.2 温室机械强制通风降温设施的选择布置
机械强制通风降温设备的选择与布置取决于温室的结构形式与大小、气流在温室中的流动方向以及气流速度, 此外, 还应考虑空气密度、光照强度和温室进出口气流的允许温升。
要获得最佳通风降温性能, 通风口的尺寸和位置应能在作物生长区内提供均匀分布的无紊乱气流, 进风口设置应导引空气在作物层高度沿水平方向运动, 避免上下偏向, 并保持低速以降低紊流, 避免和温室顶部的热空气混合。同时, 空气进风口设置要连续, 才能保证气流分布均匀, 方向给定准确。
2.3 温室机械强制通风降温设施的设计
2.3.1 总通风设计流量的确定
由于进入温室的太阳辐射与温室地面面积成正比, 所以通风流量通常由单位温室地面面积上单位时间内的气流容积来确定 (国际单位一般为每平方米地面面积上的m3/m2) 。设计计算如下:
式中Q风为总通风设计流量, m3/min;q温室为温室基本通风量, m3/m2·min;A温室为温室面积, m2;f温室为温室通风系数。
式中f高为海拔刻度系数;f光为室内太阳辐射强度系数;f温升为温室内允许温升系数。
一般室内辐射强度在50 000 1x左右时, 2.5m3/m2·min的基本通风量即可大体上满足温室降温要求。在实际的设计通风量时, 如果温室所在地区海拔高度>300 m、室内太阳辐射强度>50 000 lx、温室内允许温升>5°和风机湿帘间距离<30 m时, 则要对上述基本通风量进行相应的调整。
如果湿帘与风机间距离太短 (小于30 m) , 设计的通风量虽能满足热平衡的要求, 但断面气流速度低, 因此, 应以风速因子设计计算 (L为湿帘与风机间距离) , 使室内获得最佳的气流速度。风机与湿帘间最佳距离在30~70 m之间。
2.3.2 风机数量的设计计算
风机数量应满足在25 Pa空气静压下所需要的通风量 (25 Pa空气静压大约相当于7.2 m/s的风速) , 采用轴流风机。设计计算公式
式中N为风机数量;Q风为总通风量, m3/h;q单机为单机流量, m3/h。
2.3.3 风机的布置
1) 风机布置在下风侧侧墙和山墙上, 相邻风机的间距不大于8 m, 风机如布置于上风侧, 设计通风量至少应增加10%;
2) 风机排气口之间的净距或与障碍物之间的距离大于风机直径的1.5倍。
2.2.4湿帘的设计
1) 湿帘的面积:湿帘应能在静压损失不超过15 Pa, 过帘气流速度不超过1.0~1.5 m/s的条件下达到75%以上的蒸发效率。根据设计总通风流量和过帘气流速度, 湿帘面积计算为:
式中S为湿帘面积, m2;v为过帘风速, m/s。
由于结构限制湿帘面积不能满足设计要求时, 最大可减少到设计面积的75%, 但减小湿帘面积同时也会降低降温效率, 因此, 必须加强温室的密封性。
2) 湿帘的布置。湿帘安装在与风机相对的另一侧墙上, 全长设置。尽量布置在温室的上风向, 朝向当地主导风向。而且最好安装在空气进口的内侧, 这样可使通过温室的气流避免过强的紊流。对多个装有湿帘风机的温室, 温室间距离要超过15m, 不然一个温室排气口与临近温室的湿帘进气口要错开。
另外, 从进气口导入的冷空气在经过温室的过程中将以约7°的扩散角扩散, 亦即气流每流动2.5m将扩散0.3 m, 在设置苗床栽培床的温室内, 部分冷空气会穿过苗床下部流向风机降低降温效果, 从苗床向地面方向设置2/3床高的导流板强制冷空气流向作物层, 提高对作物的降温效率。如果室内装有内遮阳网, 风机湿帘上缘不超过遮阳网高度。
2.2.5湿帘循环供水系统设计
1) 供水泵流量计算。湿帘的供水应控制在水能均匀浸透湿帘, 湿帘表面不能形成连续的水膜, 保证过帘空气流通顺畅, 获得良好的蒸发降温效果。供水泵流量按以下公式计算:
式中Q水为供水泵流量, m3/h;k为系数, 1.1~1.4, 一般取1.2;q湿帘为湿帘供水量定额, m3/m·h;L湿帘为湿帘长度, m。
2) 水池容量计算。按照定额, 每m2瓦楞纸湿帘的供水池最小设计容量为0.03 m3/m2 (100 mm厚) , 0.04 m3/m2 (150 mm厚) , 计算公式为
式中V水池min为供水池最小容量, m3;q水池供水池最小设计容量;S湿帘为湿帘面积, m2。
3 小结
1) 在华南地区建设温室, 利用自然通风是解决夏季通风、排热和排湿的有效办法。
2) 机械强制通风降温一般是在自然通风效果不明显, 或还不能满足种植作物的需求情况下使用。