日光溫室是一種依靠太陽能進行反季節(jié)蔬菜種植的設(shè)施農(nóng)業(yè)建筑。由于太陽能的不穩(wěn)定性,加上西北地區(qū)冬季天氣寒冷,晝夜溫差大,使得日光溫室墻體采用被動蓄熱方式無法維持作物生長所需的熱環(huán)境,導致作物凍害頻繁發(fā)生。為了挖掘被動蓄熱方式的優(yōu)勢,提升墻體內(nèi)部蓄放熱能力,提高被動式蓄熱溫室對太陽能和土地的利用率,本文采用實驗測試與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,重點圍繞日光溫室微熱管陣列蓄熱墻體構(gòu)筑方法、微熱管陣列蓄熱墻體熱工性能及其對溫室內(nèi)環(huán)境的改善作用、微熱管砌塊在溫室北墻上的陣列方式等方面進行了創(chuàng)新型研究:首先,通過對我國現(xiàn)有溫室墻體結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),常物性材料及變物性材料的運用雖可在一定程度上加強墻體蓄放熱量,但是墻體內(nèi)仍存在較厚的溫度穩(wěn)定區(qū),而主動蓄熱方式又會增加成本、管理費用。針對上述不足之處,結(jié)合仿生學“脈絡(luò)”功能和微熱管陣列強化傳熱技術(shù),提出了一種日光溫室微熱管陣列蓄熱墻體設(shè)計理念,即將彎曲的“乙”字形微熱管陣列與水泥砂漿砌筑成微熱管砌塊,多個微熱管砌塊陣列于北墻內(nèi)部,通過微熱管陣列強大的傳熱能力將熱量傳遞給墻體,此方法將熱量直接導入墻體內(nèi)部,加深熱量傳遞深度,提高墻體內(nèi)部溫度,增強墻體整體蓄放熱量。其次,基于微熱管陣列蓄熱墻體構(gòu)筑理念,對平直與彎曲微熱管陣列基本傳熱性能進行了實驗測試。結(jié)果表明,35℃、45℃、55℃、65℃加熱溫度下,“乙”字形微熱管陣列響應(yīng)時間比平直微熱管陣列的分別滯后20s、50s、100s、150s,但考慮到白天通常太陽輻照時間為10:00 a.m.-17:30 p.m.,在長達7.5小時的蓄熱時間下,彎曲對微熱管所產(chǎn)生的響應(yīng)時間滯后的影響較小,且其軸向最大溫差僅比平直微熱管的低約1℃,說明彎曲的微熱管陣列仍具有良好的基本傳熱性能。第三,對由“乙”字形微熱管陣列和水泥砂漿構(gòu)筑的微熱管砌塊進行了蓄放熱性能研究,并與普通砌塊作為對照。結(jié)果表明,400W/m~2穩(wěn)定工況下,微熱管砌塊最大有效蓄熱量較普通砌塊的提升7.76%;400-800-400W/m~2變化工況下,微熱管砌塊最大有效蓄熱量較普通砌塊的提升15.61%。這表明無論是在輻射強度穩(wěn)定的工況還是變化的工況下,微熱管砌塊蓄放熱性能均優(yōu)于普通砌塊。第四,在對微熱管砌塊與普通砌塊模擬值與實驗值吻合較好的條件下,建立2D微熱管陣列蓄熱墻體溫室,并與普通溫室作對比。模擬結(jié)果表明,典型晴天條件下,微熱管陣列蓄熱墻體溫室內(nèi)空氣溫度分布更加均勻;微熱管陣列蓄熱墻體內(nèi)表面溫度最大值為22.09℃,較普通墻體提升16.02%,最小值為11.93℃,較普通墻體的高出3.47%。微熱管陣列蓄熱墻體最大蓄、放熱量較普通墻體的分別提高48.91%、21.63%;微熱管陣列蓄熱墻體平均蓄、放熱速率較普通墻體分別提升29.25%、10.74%。第五,通過建立3D微熱管陣列蓄熱墻體模型,計算分析了微熱管砌塊均勻陣列和分組陣列的溫室墻體溫度場分布特點,結(jié)果表明,兩種陣列方式中的微熱管砌塊蓄放熱性能良好,可在一定程度上提高磚墻部分的溫度。但相比較而言,分組陣列的微熱管砌塊使熱量過于集中,在長度方向的熱量傳遞面積較小,傳熱時間上也存在滯后現(xiàn)象。本文提出的微熱管陣列蓄熱墻體能夠充分利用太陽能,提高墻體內(nèi)部蓄放熱能力,有效改善日光溫室內(nèi)熱環(huán)境,為西北地區(qū)日光溫室現(xiàn)代化發(fā)展提供了參考。

【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：20194
【分類號】：TU111.4;S625
【圖文】：

1.1.2 課題研究的目的和意義日光溫室是一種以太陽能為熱源并運用溫室效應(yīng)實現(xiàn)冬季蔬菜生產(chǎn)的設(shè)施園藝建筑，是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分。十九大報告指出，我國城鎮(zhèn)化率由1978年的17.9%上升到2016年的57.35%[1]。隨著我國城市化進程的不斷推進，保障城市冬季蔬菜安全穩(wěn)定供應(yīng)已成為設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的重要任務(wù)之一。據(jù)統(tǒng)計，截止到2014年我國溫室總面積達到205.8萬公頃，其中日光溫室面積為69.66萬公頃，占溫室總面積的33.8%[2](如圖1.1所示)。日光溫室的發(fā)展壯大促進了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實現(xiàn)了蔬菜產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，增加了農(nóng)戶的收益。根據(jù)日光溫室發(fā)展的環(huán)境條件，北緯32°以北地區(qū)被選定為我國適宜日光溫室發(fā)展的區(qū)域。據(jù)2009-2014年全國農(nóng)業(yè)機械化統(tǒng)計年報統(tǒng)計，在2009-2014年間，西北地區(qū)日光溫室面積從3.8萬公頃增長至9.47萬公頃。僅甘肅省2014年底以節(jié)能日光溫室為主體的設(shè)施面積就達2.28萬公頃[3](如圖1.2所示)。

日光溫室是一種為反季節(jié)蔬菜作物提供良好生長環(huán)境的設(shè)施農(nóng)業(yè)建筑，北墻、東西墻、前后坡屋面等圍護結(jié)構(gòu)將溫室內(nèi)外劃分為兩種截然不同的氣候環(huán)境，形成了日光溫室半封閉空間內(nèi)的能量交換系統(tǒng)。日光溫室傳熱過程復雜，一方面，溫室圍護結(jié)構(gòu)外表面受到太陽輻射、室外空氣溫度以及風速等外界環(huán)境因素周期性作用的影響；另一方面圍護結(jié)構(gòu)各內(nèi)表面之間也存在能量交換，其中包括墻體對太陽輻射的收集與積蓄，墻體與溫室內(nèi)空氣的對流換熱作用以及墻體之間、墻體與其他圍護結(jié)構(gòu)之間的輻射換熱作用。與此同時，日光溫室通風與空氣滲透又將溫室內(nèi)外環(huán)境緊密聯(lián)系在一起。圖 2.1 為日光溫室傳熱過程示意圖。白天，太陽能中的短波輻射透過前坡屋面進入日光溫室內(nèi)部，透射到室內(nèi)的太陽能一部分被植物吸收，用于光合作用，剩余部分則穿過室內(nèi)空氣投射到溫室土壤及北墻內(nèi)表面上，此時土壤及北墻內(nèi)表面溫度升高，隨著太陽輻射強度的增強，大量熱量堆積在土壤及北墻內(nèi)表面上，其內(nèi)表面與內(nèi)部之間存在溫差，在此溫度差的驅(qū)動下，聚集在表面的熱量向各自內(nèi)部進行傳遞。同時，室內(nèi)空氣溫度在太陽輻射作用以及各壁面的自然對流作用下逐漸升高，而升溫后的空氣又以對流換熱的形式向溫室外環(huán)境散失熱量，溫室內(nèi)的空氣溫度始終保持著動態(tài)熱平衡。

 

本文編號：2750006