日光温室主被动相变蓄热墙体供热系统的运行控制策略研究

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日光温室作为我国独创的一种以太阳能为主要能源的设施农业建筑,为我国北方反季节蔬菜种植提供了有力保障,对保证城乡居民蔬菜长期、安全、稳定供应起到了积极的作用。我国西北地区太阳能资源丰富,日照充实,是发展日光温室的优势地区。虽然国内现有的主动蓄热日光温室墙体在一定程度上均有较好的蓄热效果,对改善室内夜间热环境起到了非常重要的作用,但仍然存在墙体主动蓄放热量小、蓄放热效率较低等问题,未能结合实际情况对主动蓄放热系统进行合理的运行控制以达到较优的效果。因此,基于西北地区日光温室作物对其室内热环境的需求,本文提出了一种日光温室主被动相变蓄热墙体供热系统,通过实验与数值模拟相结合的方法对该系统在不同运行控制策略和参数下的运行性能进行了研究,主要研究结果如下。1)本文通过总结归纳目前国内外研究学者在日光温室墙体蓄热和夜间放热取得的成就,分析了仍然存在的一些问题。结果表明:国内外关于日光温室蓄热墙体的研究大都是只针对蓄热理论和实验研究阶段,不能从根本上解决日光温室内热环境的温度问题,虽然有些研究采用了主动蓄热研究,但是在实际运行条件下未能达到最佳的效果。大多文献只针对墙体蓄热、温室通风或者室内温度场等某一部分进行研究,对于日光温室主动蓄放热系统整体在太阳辐射时间分配上的不规律性如何运行控制以提高主动蓄放热量鲜有报道。为此本文通过实验与数值模拟相结合的方法对该系统在不同运行控制策略和参数下的运行性能及可靠性进行了研究。2)搭建了该日光温室主被动相变蓄热墙体供热系统实验台,研究了该系统在定风速运行控制策略下集热器的集热性能和墙体主动蓄放热性能,并研究了该日光温室供热系统在定风速运行控制策略下的蓄放热效果,得到以下结论:在变频风机出口风速8.23m/s时,集热器集热量和墙体主动蓄热量分别为37.40MJ、20.20MJ,墙体主动蓄热效率为54.03%,之后随着变频风机出口风速的增大集热器集热量和墙体主动蓄热量上升幅度较小,墙体主动蓄热效率始终维持在54%左右。通过对定风速运行控制策略下的主动放热性能分析,发现该系统在主动放热风速4m/s、3m/s、2m/s时,在晴天夜间(22:00~次日10:00)墙体主动放热量为4.40MJ、3.29MJ、1.52MJ,在阴天夜间墙体主动放热量分别为3.92MJ、2.60MJ、1.44MJ;而在不同主动放热风速下,风速越大墙体主动放热速率越大。同时对晴天、阴天不同风速下室内墙体内表面温度、空气温度、土壤温度对比发现,较普通温室均有不同程度的提高。3)根据本文所研究的日光温室主被动相变蓄热墙体供热系统在定风速运行控制策略下的一系列数据,获得了主动蓄热量Qas与变频器出口风速v及太阳辐射强度I之间的关联式。4)根据现有试验温室的实际尺寸创建了比例为1:1的3D模型,并对网格质量按照Skewness(网格畸变度)标准进行控制,本研究中网格Skewness在0.75以下,网格质量良好。为了平衡计算时间和模拟精度,验证了模型的数值解对网格的独立性,最终确定模拟计算的网格数为2493991,其最大相对误差和平均相对误差分别为7.15%、1.89%。同时对模拟B箱体相变材料、墙体内表面温度、室内空气温度进行误差分析,发现数值模拟值与试验数据吻合程度较好,经分析其最大相对误差分别为10.56%、11.67%、10.61%,平均相对误差分别为5.09%、7.36%、6.73%,最大绝对误差分别为1.68℃、1.73℃、1.48℃。5)在定风速运行控制策略下,主动放热风速为4m/s、3m/s、2m/s时,墙体的总放热量为40.58MJ、38.86MJ、36.84MJ,较被动放热分别提高29.44%、23.96%、17.51%,较普通墙体分别提高164.88%、153.66%、140.47%;在分时段变风速运行控制策略下,结合上述分析和墙体放热量及对室内空气温度的改善效果,推荐主动放热风速为3-2-4m/s,此时墙体总放热量分别为37.33MJ,较被动放热和普通墙体分别提高19.07%、143.67%,且室内空气温度始终维持在10℃以上;在定风速变时长运行控制策略下,结合上述分析和墙体放热量及对室内空气温度的改善效果,推荐主动放热时间为8h,在放热风速为3m/s、2m/s时,墙体总放热量分别为35.9MJ、34.6MJ,较被动放热分别提高14.51%、10.37%,较普通墙体分别提高134.43%、125.85%,室内空气温度均能维持在9.4℃以上,在不同运行控制策略下室内空气温度较被动放热和普通温室均有提高。6)通过对不同运行控制策略的研究,发现在分时段变风速运行控制策略下主动放热风速3-2-4m/s时可以确保日光温室夜间室内温室在10℃以上,并通过试验台对其进行了验证,发现可达到预期的控制目标。
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