太阳能烟囱耦合埋地风管的通风方式对日光温室环境影响的研究

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日光温室利用太阳辐射以及围护结构优良的保温性能使室内温度在冬季可维持在适宜作物生长的区间内。但是,日光温室在午间室内温度上升极快,温室内处于高温高湿状态,导致作物减产。目前常见的降温措施为开启棚膜顶部通风口进行通风,但存在着顶部空间热空气流失过快,作物区温度下降较慢且影响棚膜使用寿命等问题。本文在前人研究的基础上,采用现场实测与数值计算相结合的方法,根据热压作用原理,将太阳能烟囱与埋地风管引入到日光温室通风系统中。利用太阳能烟囱的烟囱效应实现温室的自然通风,改善降温效果,室外冷空气通过埋地风管与土壤进行换热后送入室内。探讨了太阳能风口的安设高度、太阳能烟囱及埋地风管数量对通风降温的影响效果,并对此通风方案进行优化。主要的研究内容和结论如下:(1)对潍坊寿光民用日光温室进行现场实测,记录了温室内温湿度、CO2浓度、太阳辐射随时间的变化,以得到日光温室内环境参数随时间的变化规律,为选择合理的通风方式以改善日光温室环境提供数据支撑。测试结果表明,冬季温室内太阳辐射强度及围护结构温度变化趋势与室外太阳辐射强度变化趋势一致。夜间保温被关闭时,由于围护结构有良好的保温性能,室内温度下降缓慢,湿度缓慢上升。日间保温被开启时受太阳辐射影响,室内迅速升温,在11点至下午3点温室内温度较高,超出植物生长的适宜范围,需要进行通风降温降湿。顶部通风可使室内高温高湿的环境得到改善,并可及时补充室内二氧化碳含量,保证作物的生长。但由于空气受热膨胀后向上运动,温室顶部热空气向外流失相对作物区而言较多。顶部通风的方式使得作物区温湿度下降较慢,尤其对低植株作物而言,作物冠层区温度较高,难以满足生长需求;在冬季,利用温室底部通风口进行通风极易造成植物的冻伤。因此需要对这一传统通风方式进行改进。(2)受太阳辐射的影响,日光温室在11点至下午3点这一时间段内的温度较高,为改善温室的通风降温效果,提出了利用太阳能烟囱耦合埋地风管的自然通风方式。建立了太阳能烟囱耦合埋地风管的日光温室实验台和三维通风数值计算模型,通过实测数据验证了数值计算的准确性,并对不同高度的太阳能风口通风效果进行研究。研究发现,当埋地风口直径为0.4 m,太阳能风口尺寸为0.5 m×0.5 m,安设高度为3.5 m时,太阳能烟囱与埋地风管的组合方式可有效降低室内温度,当风口数量均取10个时,通风量可达4.85 m~3/s,室内平均风速达到0.276 m/s,可将室内平均温度维持在21.3℃。(3)由于数量较多的太阳能烟囱与埋地风管对日光温室的通风换气量较大,导致对温室的降温作用过强,且初投资和维护成本较高。因此,本研究减少了太阳能烟囱与埋地风管的数量,并讨论了不同风口布置形式对温室内气流组织的影响,以得到更为均匀的室内气流分布。研究表明,风口数量分别为6~8时,各风口间距范围在4.6 m~6 m内,气流组织分布较为均匀,平均风速维持在0.219~0.247 m/s,室内温度维持在24~26.2℃之间,符合作物的生长需求。(4)研究发现,埋地风管送风口处风速过大,不利于风口处植物的生长。因此本研究对埋地风管送风口进行了改进。结果表明,当所采用的矩形送风口宽度为0.5 m时,长度在3~4 m的范围内,不仅可改善室内气流组织分布均匀性,还可有效满足温室内风速需求,靠近风口的作物区风速也可以维持在适宜的风速范围内。
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