日光温室浅层土壤水媒蓄放热系统及其与热泵结合的试验研究

摘要

日光温室中的能量主要通过太阳能获得。白天,太阳辐射到温室后使室内温度升高,在晴天最高温度能达到35℃以上,部分以热量的形式存储在后墙、山墙和土壤中；夜晚,当室内气温下降时,墙体和土壤中蓄积的热量又源源不断地向温室供应。由于日光温室的蓄热和保温能力有限,后半夜温度往往比较低,难以满足作物生长需求。针对这一问题,本文提出利用“日光温室浅层土壤水媒蓄放热及热泵加温”的节能增温思路,并进行了相关试验研究,具体结论如下。
　　 在晴天试验温室以太阳能为热源,以水为蓄热介质,以温室浅层土壤为蓄热体,白天通过水的循环将热量收集并储存到温室浅层土壤中,夜间通过土壤的自然放热将热量释放到温室中,提高温室夜间温度。结果表明:此蓄热方法增加了温室的蓄热量,在盖上保温被以后,试验温室与对照温室温差开始增加,平均温差为4.0℃。试验温室土壤60cm以上区域温度一直高于对照温室,0cm处夜间平均温差为3℃,30cm处夜间平均温差为3℃,60cm处夜间平均温差为5℃。
　　 在阴天温室太阳辐射较小,白天蓄积的热量较小时,温室的加热可以通过两个过程来实现,前半夜通过热量的自然释放加热温室；当温室温度较低时,再启动热泵系统加热,保证整个夜间环境温度。在开启热泵加热时,由于浅层土壤中的热量是通过热泵进行提升后转移到温室后墙散热管中,再通过后墙的散热来加热温室,热量是从北向南流动,往往会造成温室南北温度分布不均匀。一般温室的最低温出现在揭开保温被之前,所以在设定加热时间段时要考虑到这个时间点,在阴天一般设定为2:00～7:00。
　　 通过模型模拟试验温室跨中空气温度模拟值与实测值的变化趋势一致,模拟值与实测值的绝对误差为±1.3℃,平均相对误差为8.2％,IA值为0.65；试验温室土壤10cm处模拟温度值与测量值的变化趋势一致,模拟值与测量值的绝对误差为±0.4℃,相对误差为1.1％,IA值为0.73；30cm处土壤实测值和模拟值接近,模拟值略高于实测值,曲线吻合度较好,模拟值和实测值的绝对误差为±0.1℃,相对误差为0.3％,IA值为0.99；50cm土壤深度模拟值高于实测值,但模拟值与实测值的变化趋势相同,模拟值和实测值的绝对误差为±1℃,相对误差为4％,IA值为0.76。
　　 通过验证后的模型分析了不同埋管深度对作物根层(30cm深度)温度的影响,虽然埋管深度的增加能够增加30cm处的土壤温度,但在36cm以后增加幅度较小,而增加埋管深度就会增加人工劳动成本,因此,温室内的最佳埋管深度是36cm,这样既保证了30cm处土壤温度少受换热管内的水温下降的影响又减少了不必要的人工成本。