【正文】 150側(cè)墻1側(cè)墻2后墻苯板14410側(cè)墻1側(cè)墻2坡屋頂草氈16050 朝陽(yáng)面泡沫65610棉被地面地面480200溫室在日落之后無(wú)法再收集太陽(yáng)輻射，溫室溫度開始下降，溫室的熱量向室外環(huán)境散失。當(dāng)溫室內(nèi)溫度降低到10℃以下時(shí)，溫室內(nèi)作物有遭受凍害的危險(xiǎn)。為維持夜間溫度，需要啟動(dòng)主動(dòng)太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)，使溫室內(nèi)溫度保持10℃以上，來(lái)維持作物正常生長(zhǎng)。嚴(yán)寒地區(qū)冬季氣溫變化比較迅速，降溫速度較快。通過(guò)對(duì)大慶市連續(xù)幾年的溫度變化情況進(jìn)行觀察測(cè)試，得出溫度變化表，如表23所示。表23 大慶地區(qū)冬季夜間溫度變化情況時(shí)間范圍夜間室外平均溫度/℃夜間室外最低平均溫度/℃10月15日10月31日11月1日11月15日11月16日11月30日12月1日12月15日12月16日12月31日1月1日1月15日1月16日1月31日2月1日2月15日2月16日2月28日3月1日3月15日3月16日3月31日4月1日4月15日.4月16日4月30日由表23可見，大慶地區(qū)夜間溫度從十月到二月是下降的過(guò)程，二月以后開始回升。為計(jì)算太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)在不同月份夜間維持運(yùn)行需要儲(chǔ)存的熱量，需要計(jì)算溫室在不同月份的熱負(fù)荷情況。根據(jù)公式(23)對(duì)溫室熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，得出大慶地區(qū)不同月份的溫室熱負(fù)荷。如表24所示。表24大慶地區(qū)冬季各月溫室熱負(fù)荷時(shí)間范圍夜間室外平均溫度/℃溫室熱負(fù)荷/kW10月15日10月31日611月1日11月15日811月16日11月30日1112月1日12月15日1212月16日12月31日131月1日1月15日121月16日1月31日132月1日2月15日132月16日2月28日133月1日3月15日123月16日3月31日104月1日4月15日.84月16日4月30日6根據(jù)表24中，各月溫室的熱負(fù)荷，可以計(jì)算出集熱器每天需要收集的熱量，合理設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱水箱。在太陽(yáng)能的利用過(guò)程中除存在分散性的缺點(diǎn)之外，還存在不連續(xù)性。夜間或陰雨天氣集熱器無(wú)法接受太陽(yáng)照射，不能收集太陽(yáng)能，因此在利用太陽(yáng)能的過(guò)程中需要將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，如：熱能、電能、化學(xué)能等，供需要時(shí)使用。由于能量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中效率不會(huì)達(dá)到100%，在每次能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中都會(huì)有能量的損耗，因此不希望能量轉(zhuǎn)換的次數(shù)過(guò)多。通常采取的辦法是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成熱能儲(chǔ)存起來(lái)。太陽(yáng)能的儲(chǔ)存方式可以分為短期儲(chǔ)熱和長(zhǎng)期儲(chǔ)熱兩種。短期儲(chǔ)熱是指將能量?jī)?chǔ)存一天或幾天，是太陽(yáng)能建筑中較為常見的一種儲(chǔ)熱方式，這種方式能量損耗小，建造的儲(chǔ)存設(shè)備簡(jiǎn)單，應(yīng)用較為普遍；長(zhǎng)期儲(chǔ)熱是將能量長(zhǎng)期儲(chǔ)存，儲(chǔ)存期可長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月甚至幾個(gè)月，這樣的儲(chǔ)熱方式一般規(guī)模大、系統(tǒng)復(fù)雜、投入高、能量損耗大、適用領(lǐng)域有限。太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的方式分為：顯熱儲(chǔ)存、相變儲(chǔ)熱和化學(xué)儲(chǔ)熱，逐一進(jìn)行介紹。一、顯熱儲(chǔ)存顯熱儲(chǔ)存是選用熱容量大的儲(chǔ)熱介質(zhì)來(lái)進(jìn)行的，儲(chǔ)熱介質(zhì)主要是固體或液體，通常我們選擇的液體儲(chǔ)熱介質(zhì)是水，而固體儲(chǔ)熱介質(zhì)選用的是巖石。水是一種便宜、容易得到并且可以儲(chǔ)存顯熱的有用工質(zhì)，而且其物理、化學(xué)、熱力性質(zhì)清晰穩(wěn)定，使用起來(lái)方便，所以成為了首選的液體顯熱儲(chǔ)存介質(zhì)。其儲(chǔ)存的熱量為： (210)式中：——一次循環(huán)作用下，溫差在到范圍內(nèi)的總熱容量，MJ； ——總水量，t。固體儲(chǔ)熱的儲(chǔ)熱能力只有水的1/4，雖然這樣，一些國(guó)家如美國(guó)、加拿大等對(duì)固體儲(chǔ)熱很感興趣。這種儲(chǔ)熱方式是利用松散堆積材料的熱容量進(jìn)行儲(chǔ)能的一種裝置，通常用空氣作為工質(zhì)，在流動(dòng)過(guò)程中對(duì)儲(chǔ)熱體加熱或從中提取能量。巖石是用得最多的材料，所以又稱為卵石床儲(chǔ)熱裝置。顯熱儲(chǔ)存的特點(diǎn)是：儲(chǔ)熱裝置簡(jiǎn)易、造價(jià)低廉、技術(shù)成熟、短期儲(chǔ)存效率較高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在占用空間大、不能恒溫放熱、不適合長(zhǎng)期儲(chǔ)存等缺點(diǎn)。二、相變儲(chǔ)熱相變儲(chǔ)熱是通過(guò)吸熱使物質(zhì)發(fā)生相變將熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)，是潛熱效應(yīng)。其特點(diǎn)是相變潛熱大、溫度范圍變化小、熱容量高、設(shè)備體積小、質(zhì)量輕。石蠟是比較有代表性的相變儲(chǔ)熱材料之一。設(shè)計(jì)相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)時(shí)需要注意以下問(wèn)題：發(fā)生相變的溫度范圍要符合要求；選用潛熱大的相變材料；溶化過(guò)程、凝固過(guò)程的可逆性要好，即循環(huán)次數(shù)非常高時(shí)仍能維持性能穩(wěn)定；發(fā)生相變時(shí)不出現(xiàn)明顯的過(guò)冷、過(guò)熱現(xiàn)象；選用合適的封裝材料；選取合適的取熱方法；相變材料和容器的成本要低廉。相變材料儲(chǔ)熱方程式為： (211)式中： ——相變材料質(zhì)量，kg； ——固體熱容量，L； ——液體熱容量，L； ——相變潛熱，kJ/kg。相變儲(chǔ)熱的特點(diǎn)是：應(yīng)用的相變儲(chǔ)熱材料主要為金屬及合金和氟鹽及其共晶混合物等，其中較多應(yīng)用的是氟鹽及其共晶混合物，但是由固相與液相轉(zhuǎn)化時(shí)，體積也發(fā)生較大的變化，容易導(dǎo)致“熱松脫”和“熱斑”現(xiàn)象，這對(duì)儲(chǔ)熱裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定非常不利。而且相變儲(chǔ)熱的熱導(dǎo)率也很低，相互轉(zhuǎn)化損失掉的熱量很大。三、化學(xué)儲(chǔ)熱用于儲(chǔ)熱的理想化學(xué)反應(yīng)，必須是很容易將化合物分離的，不再做進(jìn)一步反應(yīng)的吸熱反應(yīng)。反應(yīng)方程式：AB+熱→A+B若逆反應(yīng)允許放出儲(chǔ)存的能量，該反應(yīng)就可用來(lái)儲(chǔ)能。幾種可用來(lái)做化學(xué)儲(chǔ)熱的物質(zhì)如下：該反應(yīng)的溫度范圍為300800℃，溫度范圍300350℃， MJ/kg。溫度范圍375℃溫度范圍550℃化學(xué)儲(chǔ)熱的特點(diǎn)：化學(xué)儲(chǔ)熱首先選擇的反應(yīng)物能夠發(fā)生可逆反應(yīng)，反應(yīng)物和生成物均無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、無(wú)污染，化學(xué)儲(chǔ)熱具有熱能密度高，可長(zhǎng)期儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)。但要求反應(yīng)溫度較高，在溫室大棚中的主動(dòng)太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)中難以達(dá)到。綜上所述，在設(shè)計(jì)太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的需要合理選擇儲(chǔ)熱方式。在即采即用的太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)中，儲(chǔ)熱系統(tǒng)需要滿足以下幾點(diǎn)要求： 儲(chǔ)熱工質(zhì)要能夠高效率地將熱能儲(chǔ)存起來(lái)； 需要價(jià)格低廉的儲(chǔ)熱工質(zhì)及設(shè)備； 儲(chǔ)熱設(shè)備需要持久耐用，工質(zhì)要求長(zhǎng)期穩(wěn)定； 白天收集的熱量夜間使用，儲(chǔ)存時(shí)間短，不要求長(zhǎng)期儲(chǔ)存，工作程序簡(jiǎn)單。比較以上三種儲(chǔ)熱方式，可得出顯熱儲(chǔ)存是最優(yōu)存貯方式。而顯熱儲(chǔ)存中用水作為介質(zhì)儲(chǔ)熱的能力遠(yuǎn)高于巖石等固體儲(chǔ)熱，所以本文選擇水作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，以提高太陽(yáng)能的利用率。在日光溫室的主動(dòng)太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)中，儲(chǔ)熱裝置設(shè)計(jì)是為了儲(chǔ)存白天的太陽(yáng)能供夜間或陰雨天使用，屬于短期儲(chǔ)熱，在上面三種儲(chǔ)熱方式中選擇了顯熱儲(chǔ)存。再根據(jù)溫室大棚的要求進(jìn)行儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)。溫室的儲(chǔ)熱裝置應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn)要求：有足夠的容量，可以儲(chǔ)存足夠的熱能來(lái)補(bǔ)給夜間損失的熱量。儲(chǔ)熱系統(tǒng)要有較高的儲(chǔ)熱效率，熱量損耗小。儲(chǔ)熱水箱的體積一般較大，為了不遮擋陽(yáng)光，應(yīng)盡量將水箱設(shè)置在對(duì)作物生長(zhǎng)沒(méi)有影響的位置，可設(shè)置在溫室中間靠近后墻的位置。為了減小儲(chǔ)熱時(shí)能量損失，將儲(chǔ)熱水箱設(shè)置在溫室內(nèi)。這樣一則提高了儲(chǔ)熱水箱所處的環(huán)境溫度，二則水箱向外散失的熱量傳遞到了溫室，提高了溫室的室內(nèi)溫度。計(jì)算上認(rèn)為太陽(yáng)輻射從8:00開始到16:00結(jié)束，直觀上看，從16:00到次日8:00是需要向溫室補(bǔ)充熱量的時(shí)間。但16:00時(shí)溫室內(nèi)空氣溫度比較高一般可達(dá)到15℃以上，溫室內(nèi)空氣溫度隨著溫室熱量損失而不斷下降，直至降至10℃時(shí)，儲(chǔ)水箱開始向溫室補(bǔ)熱?？諝庥?5℃下降至10℃所釋放的熱量為6652kW，根據(jù)熱負(fù)荷13kW，得到這一過(guò)程所需要的時(shí)間為9min。保險(xiǎn)起見，儲(chǔ)水箱補(bǔ)熱工作時(shí)間仍取16:00到次日8:00，合計(jì)16小時(shí)。 儲(chǔ)水箱能量平衡儲(chǔ)水箱存在如公式(212)的能量平衡： (212)式中：——儲(chǔ)水箱夜間向溫室補(bǔ)充熱量，kJ； ——儲(chǔ)水箱白天散熱損失，kJ； ——儲(chǔ)存到儲(chǔ)水箱中的熱量，kJ。在此，有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：（1）儲(chǔ)水箱夜間熱量釋放速度我們希望白天儲(chǔ)水箱儲(chǔ)存的熱量能夠均勻的在夜晚釋放出來(lái)，以維持溫室內(nèi)部空氣溫度恒定。避免出現(xiàn)儲(chǔ)水箱內(nèi)熱水儲(chǔ)存的大部分熱量在短時(shí)間內(nèi)釋放。（2）減少白天儲(chǔ)水箱的散熱損失由于白天太陽(yáng)輻射作用，溫室內(nèi)部空氣溫度較高，此時(shí)不希望儲(chǔ)水箱向溫室內(nèi)補(bǔ)充熱量，以便儲(chǔ)存更多的熱量到夜間釋放。 儲(chǔ)水箱參數(shù)確定1．儲(chǔ)水箱夜間向溫室補(bǔ)充熱量?jī)?chǔ)水箱夜間向溫室補(bǔ)充熱量即為溫室的散熱損失，前面計(jì)算得到，大慶地區(qū)1月16日~1月31日期間夜間溫度最低，溫室熱負(fù)荷為13kW，補(bǔ)熱工作時(shí)間為16小時(shí)，儲(chǔ)水箱夜間向溫室補(bǔ)充熱量=105kJ。2．水溫確定儲(chǔ)水箱內(nèi)的水白天吸收太陽(yáng)輻射熱而被加熱，儲(chǔ)存的熱量到夜間釋放。因此儲(chǔ)水箱內(nèi)的水溫存在最大值和最小值。白天儲(chǔ)水箱內(nèi)的水吸收熱量，溫度由最小值逐漸達(dá)到最大值；夜間儲(chǔ)水箱內(nèi)的水放熱，水溫由最大值變到最小值。綜合考慮農(nóng)作物的耐熱能力和換熱效果，水的最高溫度和最低溫度分別取50℃和25℃。這樣既保證了水溫與室溫之間保持一定傳熱溫差，又能防止局部溫度過(guò)高，有損農(nóng)作物。3．儲(chǔ)水箱尺寸確定儲(chǔ)水量計(jì)算公式為 (213)式中：——儲(chǔ)水量，t； ——儲(chǔ)水箱夜間向溫室補(bǔ)充熱量，kJ； ——水的比熱，kJ/(kgK)； ——水溫最大值與最小值之間溫差，℃。經(jīng)計(jì)算。因此?？紤]到減少儲(chǔ)水箱外表面積，以降低成本與散熱損失，，最大容積為8m3。 儲(chǔ)水箱保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與散熱損失為減少白天儲(chǔ)水箱內(nèi)熱水的散熱損失，需要在儲(chǔ)水箱表面加一層保溫結(jié)構(gòu)。對(duì)大慶奧創(chuàng)泡沫塑料制造有限公司生產(chǎn)的聚氨酯絕熱材料進(jìn)行了性能測(cè)試。選定保溫厚度后，對(duì)儲(chǔ)水箱白天散熱損失進(jìn)行了計(jì)算。1．聚氨酯性能室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)大慶奧創(chuàng)泡沫塑料制造有限公司生產(chǎn)的聚氨酯的密度、最高使用溫度以及導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。使用了如下儀器：導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定采用了平板法穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱儀，；密度測(cè)定的主要儀器為高精度電子天平，；和恒溫干燥箱，；線收縮率測(cè)試使用的儀器主要有恒溫干燥箱和鋼尺；最高使用溫度測(cè)試的主要儀器為恒溫干燥箱。 平板法穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱儀 高精度電子天平 恒溫干燥箱被測(cè)聚氨酯性能測(cè)試結(jié)果如表24所示。表24 聚氨酯性能測(cè)試結(jié)果序號(hào)項(xiàng)目名稱單位測(cè)試結(jié)果1密度kg/m3472線收縮率%23最高使用溫度℃1404導(dǎo)熱系數(shù)50℃W/（mK）100℃5導(dǎo)熱系數(shù)方程2．保溫厚度與散熱損失儲(chǔ)水箱的保溫厚度直接影響其散熱損失。本論文計(jì)算不同保溫厚度的散熱損失，進(jìn)而選擇合適的保溫厚度。計(jì)算儲(chǔ)水箱白天散熱損失時(shí)，為方便計(jì)算，在此結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況提出幾點(diǎn)假設(shè)：①忽略儲(chǔ)水箱輻射熱損失；②白天溫室內(nèi)空氣溫度恒定。在傳熱過(guò)程中，儲(chǔ)水箱內(nèi)的水由于不停吸收來(lái)自集熱器的熱量，水溫不斷升高，因此，該傳熱過(guò)程是非穩(wěn)態(tài)的。實(shí)際該傳熱問(wèn)題可看作是一維非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，由于儲(chǔ)水箱半徑較大，可簡(jiǎn)化為一維非穩(wěn)態(tài)平板傳熱過(guò)程。由于一維非穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題求解起來(lái)有一點(diǎn)難度，在此，將時(shí)間離散，在任意微元時(shí)間內(nèi)，可將其視為穩(wěn)態(tài)問(wèn)題。時(shí)間內(nèi)傳熱量計(jì)算公式為： (214)式中：——時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)水箱散熱損失，J； ——計(jì)算時(shí)刻儲(chǔ)水箱內(nèi)水溫，℃； ——溫室內(nèi)白天空氣溫度，℃； A——儲(chǔ)水箱外表面積，m2； ——水與儲(chǔ)水箱之間對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2K)； ——空氣與儲(chǔ)水箱之間對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2K)； ——保溫厚度，m； ——保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)。由于水與儲(chǔ)水箱之間傳熱環(huán)節(jié)的傳熱熱阻遠(yuǎn)比導(dǎo)熱熱阻以及空氣側(cè)熱阻小得多，因此，上式可以簡(jiǎn)化為： (215)時(shí)間內(nèi)，水吸收集熱器熱量是自身溫度升高，可由公式表示為： (216)由于白天初始時(shí)刻，儲(chǔ)水箱內(nèi)水溫即為夜間補(bǔ)熱后的最低溫度25℃,補(bǔ)充的初始條件為： (217)解上述方程，即可得到不同保溫厚度條件下，儲(chǔ)水箱白天的散熱損失。不同保溫厚度儲(chǔ)水箱白天散熱損失計(jì)算結(jié)果見表。表25 不同保溫厚度儲(chǔ)水箱白天散熱損失計(jì)算結(jié)果散熱時(shí)間/h總散熱面積/m2保溫厚度/mm散熱損失/kJ8601048801038100103前面已計(jì)算，儲(chǔ)水箱夜間向溫室補(bǔ)充熱量=105kJ，可見，儲(chǔ)水箱白天散熱損失占的1%左右。因此，保溫后，儲(chǔ)水箱白天散熱損失對(duì)儲(chǔ)水箱水溫影響不大。保溫厚度對(duì)整個(gè)補(bǔ)水系統(tǒng)影響也很小，大慶奧創(chuàng)泡沫塑料制造有限公司生產(chǎn)的聚氨酯型材的厚度為60mm，在此選擇保溫厚度為60mm，104kJ。 本章小結(jié)