温室太阳能通风实验研究

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1、1温室太阳能通风实验研究摘 要: 针对现代温室降温通风能耗过高问题，提出了造价低、无能耗的温室太阳能通风技术并介绍了其通风基本机理，并在辐射较强的天气实测了太阳能通风工况下温室太阳能通风装置里的风速及温度分布，温室内部温度分布，以考察了温室太阳能通风系统的通风效果。实验结果显示：就本实验条件下，通风装置单位横截面积单位长度通风量最大可达 m/s（1100 m/h） 。温室通风换气次数约为 2050 次/h，此时在 1m 以下的作物生长区域，室内平均温度与室外环境温度差最大为 这表明在室外温度比作物生长要求温度低 2以上时，且太阳辐射较强时，使用本通风技术就可以将作物生长区控制在温度要求之内。系

2、统的平均太阳能利用系数为 阳能通风技术的优化潜力比较大。关键词：温室 太阳能通风 通风量 节能1 引言随着生活水平的提高，人们对农产品的需求越来越讲究品质，多样化，反时节化，因而可以控制作物生长环境的温室农业随之日渐升温。然而，温室环境的控制往往不尽如人意：很多的现代温室要么是热湿环境达不到作物的最佳生长要求，要么就是环境控制能耗过高 1，例如广东某培养中高档花卉的温室的环境控制能耗就高达 30Kw.h/中降温通风能耗约占 2。解决通风能耗过高的问题，最好就是采用自然通风。而目前国内的很多温室的自然通风效果都不理想 1。本文将建筑太阳能通风的技术思想应用到温室，提出了温室太阳能通风技术。2 温

3、室太阳能通风机理简析温室太阳能通风是由热压引起的自然通风。现代温室往往要安装内遮阳网和隔热网（反射型遮阳网） 。如图 1 所示，温室太阳能通风装置与温室的遮阳系统一起构成了温室太阳能通风系统。黑色的遮阳网能吸收大部分的太阳辐射，而隔热网将穿透黑色遮阳网的辐射反射回去，此大部分又被黑色遮阳网再次吸收。遮阳网将吸收的热量以对流换热的方式传给与温室顶棚之间的空气，形成高温的空气层。在顶棚的上方或者是侧边开口，将高温气流引至太阳能通风装置。在太阳能通风装置内部也布置有太阳辐射热吸收率高的黑色织物，黑色织物受辐射温度升高，以对流换热的形式继续加热来自顶棚的空气。这样形成较大的浮升力，产生烟囱效应，加速气

4、流的排出。同时，冷空气从温室下部的进风口进入温室内，透过遮阳网，形成持续不断的空气循环流动。随着浮升力的增大，流速增加，气流阻力也随之增大，最终达到热压与阻力的平衡。空气循环流动时所产生的能量转换过程为:：太阳热能(温室外)空气内能(顶棚内、太阳能通风装置内高温空气)空气动能(顶棚内、太阳能通风装置内高温空气)。23 实验目的、内容与方法通过实验考察太阳能通风系统在强辐射、低气温气候条件下的降温效果及其性能：温室通风量的变化特性；太阳能通风系统热压的变化特性；温室内部温度分布情况；温室太阳能通风系统的太阳能利用系数。图 1 温室太阳能通风原理图实验温室位于重庆市沙坪坝区。通风实验系统图见图 1

5、，温室尺寸 12m 长6m 宽3m 高，太阳能通风装置尺寸 3m 长1m 宽3m 高，安装于温室的东面山墙；装置内部挂有三张软性黑色吸热材料（为黑色的尼龙布），外围是薄膜；温室内部在 2m 高处挂有黑色内遮阳纱网，处挂有银室的进风口在西面山墙上，室内热空气从东面山墙顶部进入太阳能通风装置后排出。实验测试了：温室内 5 个垂直高度，5 个水平均匀分散点共 25 个点的温度，用以考察使用太阳能通风装置后温室内温度分布情况；通风装置内 3 个垂直高度，4 个水平分散点共 12 个点的温度，用以考察太阳能通风系统热压的变化特性；通风装置里的风速，用以得出温室通风量的变化特性；室外温度；另外由位于重庆大

6、学 B 区的建筑物理实验室的微型气象站提供了实验期间的太阳辐射强度。风速测量使用的是热球风速仪。实验于 2005 年 9 月 28 日、29 日进行，期间天气晴朗，微风。每天太阳辐射开始强烈时开始测数据。每隔 30 分钟采集 1 次数据，包括装置内风速、温度分布，以及温室内温度分布。4 通风量实测风速在 m/s 之间，平均风速为 s。温室太阳能通风量逐时变化见图 2。风量日变化从早上到下午 14：30 都比较平稳，通风量最高可达 10000m3/h（139 m3/，最小也有5000m3/h（近 70 m3/，通风换气次数约为2050 次/h。02000400060008000100001200

7、010:00 11:30 13:00 14:30 16:00时 间风量（m3/h）9月 28日 9月 29日出出()0 11:30 13:00 14:30 16:00热压值( 热 压温 室 内 温 度 分 层 产 生 的 热 压温 室 太 阳 能 通 风 装 置 产 生 热 压图 2 温室太阳能通风量逐时变化图 图 3 太阳能通风系统产生的热压整个太阳能通风系统的热压由两部分组成，一是太阳能通风装置内产生的热压 ，二是温1内由于温度分层产生的热压 。在根据气流通道内温度分布计算热压时，采用的是各不同高2处温度的加权平均值。图 3 显示了系统总热压以及各热压组分逐时变化（由于数据的重复性较好，这

8、里仅引用 9 月 29 日的数据，下同） 。装置产生的热压在午前至午后时段出现最大值，均为1右，单位通风装置高度产生热压 m。在早上以及傍晚比较小，但也有约 位通风装置高度产生热压 m。太阳能通风装置产生的热压绝大多数都占整个通风系统热压的70以上，远大于温室内温度分层产生的热压。这说明通常温室直接在顶棚上开口通风的效果远不如安装了太阳能通风装置后的效果好。太阳能通风系统阻抗情况我们这里首先假设系统的流动是处于阻力平方区的，认为阻力与流量的平方成正比，计算出的阻抗情况见图 4。从图可以发现，系统的阻抗比较小，但却是变化的，这表明本实验的气流流动不一定都处于阻力平方区。0 11:30 13:00

9、 14:30 16:00阻抗（kg/月 28日 9月 29日0 11:30 13:00 14:30 16:00温差()H= 太阳能通风系统阻抗逐时变化图 图 5 太阳能通风时温室内不同高度处与室外环境温度之温差逐时变化图 温室的热环境状况因为在重庆强辐射低气温的时间非常有限，在实验期间室外气温有高达 30 多度的情况，因此4以室内温度分布衡量通风效果意义不大，所以这里采用的是室内温度与室外环境温度之差作为衡量室内环境的参考。实验结果显示在 因次高度 =的平均温度与室外环境温度，最大温差为 在 1m 以下（，该温差最大为 有时还会比室外气温低，这主要时因为地面温度较低，湿度较大。见图 5。这说明

10、在作物生长区以及工作区，通风降温效比较显著。其降温效率优越于一般机械通风降温效率。一般温室在室内外温差控制在 2时，需要的通风量约为 90 次/h，而本系统仅需要 2050 次/h。这是因为遮阳网遮挡了的太阳辐射热经过太阳能通风装置及时排出，而不致扩散到整个温室种植区域的缘故。太阳能烟囱太阳辐射利用系数这里定义太阳能利用系数（2）0式中，c空气定压比热，J/(太阳能通风流道内空气平均密度，kg/m 3L太阳能通风系统风量，m 3/阳能通风装置出口温度与环境温度之差，射到太阳能通风系统有效采热面（即遮阳网、装置内太阳辐射吸收织物）上的太阳辐射，验期间的太阳辐射情况由位于重庆大学 值在 17859

11、7W/算出的太阳能利用系数见图 6。该值上午比较大，出现了 上的高值，而午后有较大的下降。平均太阳能利用系数为 当于一般的平板型太阳能热水器的热效率。理论上若透明围护的透过率达 90%，吸收率达 93%，热导系数达 90%，该太阳能利用系数可以达到 说明本太阳能通风系 图 6 温室太阳能通风系统的太阳能利用系数 统还有很大的优化空间。而出现 上的高值可以从太阳能利用系数的定义式 上分析，除却测量的误差原因，另外比较可能的原00:00 12:00 14:00 16:00太阳能利用系数月 28日 9月 29日5因是受到环境风压的影响，同时风速、温度记录的时间和太阳辐射记录的时间不够同时所至。5 结

12、论及建议通过实验主要得出以下结论：就本实验条件下，1 个 1m3m3m 的太阳能通风装置的通风量最高可达 10000m3/h（139 m3/，最小也有 5000m3/h（近 70 m3/。对于实验的 12m 长6m 宽3m 高的温室来说，其通风换气次数约为 2050 次/h。此时在 1m 以下（作物生长区域，室内平均温度与室外环境温度温差最大为 这就说明在室外环境温度比温室内设计温度低 2以上，太阳辐射较强的时候，采用此通风技术就能达到温室内环境控制的要求。而制作通风装置采用的材料：透明围护可用塑料薄膜、吸热材料可用黑色织物或者就用遮阳高率的吸热型遮阳网，取材简便，造价低廉。就本实验采用的太阳

13、能通风装置，其造价约为：薄膜60 元、吸热织物 30 元、木框架 30 元、人工费 100 元，共计 220 元。而 1 台风量为 10000 m3/h 的轴流风机价格约需 1000 元，远高于太阳能通风装置的制作成本。运行该 10000m3/h 的风机，每小时耗电量约为 太阳能不用付费。因此，无论从初投资还是运行费用上说，本技术都具有良好的经济效益。太阳能通风装置产生的热压绝大多数都占整个通风系统热压的 70以上，而温室自身产生的热压只占系统总热压的 20%30%。这表明直接在温室的顶棚上开口通风的效果远不如安装了太阳能通风装置后的效果好。这也是为什么目前很多靠自然通风的温室，通风降温效果不

14、佳的原因所在。本实验得出系统的平均太阳能利用系数为 说明本太阳能通风系统还有很大的优化空间。实验初步表明了温室太阳能通风技术的效果以及潜力，为该技术的深入研究及推广提供了依据：可以改进太阳能通风装置的设计：从吸热材料及其布置形式，透明外围护，外形尺寸优化。然而实验条件毕竟有限，建议通过 拟研究。可以进一步研究温室太阳能通风时温室内热环境状况，以及最佳气流组织方式。可以进一步研究温室太阳能通风的适用区域。致谢：衷心感谢重庆大学建筑物理实验室唐鸣放老师对本文的大力支持与帮助！6 参考文献1 李蕾，付祥钊，王勇. 川渝地区现代温室环境控制系统调查与分析. 制冷与空调，2005，73：44 郭永聪，付祥钊. 珠江三角洲现代温室环境与能耗水平调查. 重庆建筑大学学报，2006，28(1)：101