日光溫室是一種依靠太陽(yáng)能進(jìn)行反季節(jié)蔬菜種植的設(shè)施農(nóng)業(yè)建筑。由于太陽(yáng)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(dòng)蓄熱方式無(wú)法維持作物生長(zhǎng)所需的熱環(huán)境,導(dǎo)致作物凍害頻繁發(fā)生。為了挖掘被動(dòng)蓄熱方式的優(yōu)勢(shì),提升墻體內(nèi)部蓄放熱能力,提高被動(dòng)式蓄熱溫室對(duì)太陽(yáng)能和土地的利用率,本文采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,重點(diǎn)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(duì)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(jìn)行了創(chuàng)新型研究:首先,通過(guò)對(duì)我國(guó)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(yùn)用雖可在一定程度上加強(qiáng)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(dòng)蓄熱方式又會(huì)增加成本、管理費(fèi)用。針對(duì)上述不足之處,結(jié)合仿生學(xué)“脈絡(luò)”功能和微熱管陣列強(qiáng)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(jì)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(gè)微熱管砌塊陣列于北墻內(nèi)部,通過(guò)微熱管陣列強(qiáng)大的傳熱能力將熱量傳遞給墻體,此方法將熱量直接導(dǎo)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(qiáng)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(duì)平直與彎曲微熱管陣列基本傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)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(yáng)輻照時(shí)間為10:00 a.m.-17:30 p.m.,在長(zhǎng)達(dá)7.5小時(shí)的蓄熱時(shí)間下,彎曲對(duì)微熱管所產(chǎn)生的響應(yīng)時(shí)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(shuō)明彎曲的微熱管陣列仍具有良好的基本傳熱性能。第三,對(duì)由“乙”字形微熱管陣列和水泥砂漿構(gòu)筑的微熱管砌塊進(jìn)行了蓄放熱性能研究,并與普通砌塊作為對(duì)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(wú)論是在輻射強(qiáng)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(duì)微熱管砌塊與普通砌塊模擬值與實(shí)驗(yàn)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(duì)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(guò)建立3D微熱管陣列蓄熱墻體模型,計(jì)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(chǎng)分布特點(diǎn),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(guò)于集中,在長(zhǎng)度方向的熱量傳遞面積較小,傳熱時(shí)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(yáng)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(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：20194
【分類號(hào)】：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(yáng)能為熱源并運(yùn)用溫室效應(yīng)實(shí)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(bào)告指出，我國(guó)城鎮(zhèn)化率由1978年的17.9%上升到2016年的57.35%[1]。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，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(jì)，截止到2014年我國(guó)溫室總面積達(dá)到205.8萬(wàn)公頃，其中日光溫室面積為69.66萬(wàn)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(jìn)了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)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(guó)適宜日光溫室發(fā)展的區(qū)域。據(jù)2009-2014年全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化統(tǒng)計(jì)年報(bào)統(tǒng)計(jì)，在2009-2014年間，西北地區(qū)日光溫室面積從3.8萬(wàn)公頃增長(zhǎng)至9.47萬(wàn)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(dá)2.28萬(wàn)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(zhǎng)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(hù)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(guò)程復(fù)雜，一方面，溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面受到太陽(yáng)輻射、室外空氣溫度以及風(fēng)速等外界環(huán)境因素周期性作用的影響；另一方面圍護(hù)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(duì)太陽(yáng)輻射的收集與積蓄，墻體與溫室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱作用以及墻體之間、墻體與其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的輻射換熱作用。與此同時(shí)，日光溫室通風(fēng)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(guò)程示意圖。白天，太陽(yáng)能中的短波輻射透過(guò)前坡屋面進(jìn)入日光溫室內(nèi)部，透射到室內(nèi)的太陽(yáng)能一部分被植物吸收，用于光合作用，剩余部分則穿過(guò)室內(nèi)空氣投射到溫室土壤及北墻內(nèi)表面上，此時(shí)土壤及北墻內(nèi)表面溫度升高，隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)，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(dòng)下，聚集在表面的熱量向各自內(nèi)部進(jìn)行傳遞。同時(shí)，室內(nèi)空氣溫度在太陽(yáng)輻射作用以及各壁面的自然對(duì)流作用下逐漸升高，而升溫后的空氣又以對(duì)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(dòng)態(tài)熱平衡。

 

本文編號(hào)：2750006