主动式太阳能空气集热—土壤蓄热温室增温系统的研究

【摘要】： 太阳能是新能源中分布最广、使用最方便、最清洁的可再生能源。我国的大部分地区太阳能资源较丰富,具有利用太阳能的良好条件。但是我国的太阳能热利用目前仍然集中在太阳能热水器,利用太阳能的温室增温技术发展缓慢,远未实现市场化。因此,太阳能温室增温技术有着广阔的应用前景。 本论文研制一种以空气为载热介质的太阳能空气集热-土壤蓄热的增温系统,应用于农业温室。论文主要包括以下内容: 1.设计研制一种新型的主动式太阳能空气集热-土壤蓄热温室增温系统。该系统包括空气集热系统和土壤蓄热系统两部分。其中集热系统由平板型空气集热器组成,集热器布置在南北走向的温室大棚的东西两侧,面向正南。土壤蓄热系统由两根布置在温室内土壤80cm深处的东西两侧的纵向主管和若干根横穿温室土壤的PVC散热管组成。白天利用太阳能空气集热器加热空气,由风机把热空气抽入地下,通过地下管道与土壤的热交换,将热量传给土壤储存。夜间热量缓慢上升至地表,从而使土壤保持恒温。当夜间温室气温过低时,系统将自动启动风机,把地下贮存的热量,通过气流带到地上。由于土壤巨大的热容量,不仅可以将热量保持至夜间,甚至可以保持多天,供阴雨天加温,从而达到节约能源,使作物高产的目的。 2.设计制作了带空气夹层的双层薄膜覆盖保温层和保温门。加温温室的保温覆盖材料采用双层0.08mm厚的聚氯乙烯长寿无滴塑料薄膜,在两层塑料薄膜之间有10cm厚的空气层,用很轻的泡沫做成的长圆柱管支撑,既廉价又实用。与对照温室相比,采用带空气夹层的双层保温覆盖具有良好的保温效果,可有效避免温室在夜间的逆温现象。此外,在温室大棚的进出口处采用有隔层的保温门,可有效避免冬季人员进出温室引起的棚内热空气和棚外冷空气之间的强对流热损失。 3.对所设计的主动式太阳能空气集热—土壤蓄热温室增温系统进行了连续加温试验。试验结果表明:利用太阳能空气集热—土壤蓄热的温室增温系统,可使温室内气温平均每天提高3.3℃,地温平均每天提高2.5℃。夜间地温提高2.3℃,气温提高3.8℃。且温室增温系统具有良好的蓄热性能,白天的蓄热量可达228.9～319.1MJ,平均蓄热功率密度为211.9～295.5 W/m~2。试验结果表明,利用太阳能空气集热—土壤蓄热的温室增温系统是可行的,具有明显的白天蓄热、夜间放热的效果,并且还具有长期蓄热的潜力,可以满足农作物在连续阴天时的地温需要。 4.分析了主动式太阳能温室地下土壤的传热机理,在此基础上建立土壤蓄热系统的二维非稳态模型,并对其进行数值计算。此外,还分析了普通塑料大棚的能量收支情况,在此基础上对太阳能加温温室的保温覆盖材料、室内空气、室内水分、室内表层土壤进行了热平衡分析,并建立了各自的热平衡方程。 5.对温室地下土壤蓄热系统和主动式太阳能温室分别建立了三维数学模型,采用管道热空气进口速度和温度、天空辐射温度、室外空气温度、室外太阳辐照度、温室围护结构外表面的对流辐射换热系数、温室内1m深土壤温度等作为边界条件,选用标准k—ε湍流模型,运用Fluent6.0的分离隐式求解器进行三维非稳态数值模拟。通过模拟结果发现,模拟的土壤温度的变化规律与实际的土壤温度测量值的变化规律相同,实验值和模拟值吻合较好,二者的差值不超过2℃。 【关键词】：太阳能温室 太阳能空气集热器 土壤蓄热 温室增温
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TK513
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-27
• 1.1 引言12-13
• 1.2 太阳能热利用13-15
• 1.2.1 太阳能简介13
• 1.2.2 我国的太阳能资源13-14
• 1.2.3 太阳能的特点及热利用领域14-15
• 1.3 被动式太阳能温室的研究15-20
• 1.3.1 被动式太阳能温室采光性能的研究15-16
• 1.3.2 被动式太阳能温室保温性能的研究16-18
• 1.3.3 被动式太阳能温室微气候的研究18-20
• 1.4 主动式太阳能温室的研究20-25
• 1.4.1 地中热交换系统20-23
• 1.4.2 主动式太阳能温室加温系统23-25
• 1.5 本课题主要研究目标25-27
• 第二章 主动式太阳能空气集热-土壤蓄热温室增温系统的设计27-39
• 2.1 引言27-28
• 2.2 主动式太阳能空气集热-土壤蓄热温室增温系统的工作原理28-29
• 2.3 主动式太阳能空气集热系统的设计29-35
• 2.3.1 太阳能集热器的结构及其分类29-30
• 2.3.2 太阳能空气集热器的结构及特点30-31
• 2.3.3 太阳能空气集热器设计31-35
• 2.4 地下蓄热系统结构的设计35-38
• 2.4.1 热空气输送管道的选取36
• 2.4.2 散热横管的埋设深度及管间距的确定36-37
• 2.4.3 风机的选择37-38
• 2.5 小结38-39
• 第三章 主动式太阳能空气集热-土壤蓄热温室增温系统的试验研究39-50
• 3.1 实验温室的选择及保温层的设计39-40
• 3.1.1 实验温室的选择39
• 3.1.2 加温温室的双层保温覆盖材料及保温门的设计39-40
• 3.2 试验方法40-43
• 3.2.1 实验运行过程40-41
• 3.2.3 测试时间及测试参数41
• 3.2.4 测试仪器41-42
• 3.2.5 测试方法42-43
• 3.3 试验结果与分析43-47
• 3.3.1 两个温室大棚内气温的变化情况43-44
• 3.3.2 两个温室大棚内地温的变化情况44-46
• 3.3.3 集热器的进口流速测量46-47
• 3.4 太阳能温室增温系统的蓄热性能分析47-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第四章 主动式太阳能温室的热分析及地温模型的建立50-61
• 4.1 温室的能量收支情况50-51
• 4.2 主动式太阳能温室各组成部分的能量平衡方程51-53
• 4.3 主动式太阳能温室加温系统地下土层的传热机理研究53-55
• 4.4 主动式太阳能温室地下加温系统的数学模型55-60
• 4.4.1 物理模型及边界条件56-57
• 4.4.2 加热温度场控制方程的求解57-60
• 4.5 小结60-61
• 第五章 主动式太阳能温室增温系统的数值模拟61-74
• 5.1 数值方法简介61-62
• 5.2 温室地下蓄热系统的数值模拟62-69
• 5.2.1 物理模型及基本假设62-64
• 5.2.2 控制方程和边界条件64-66
• 5.2.3 模拟结果与讨论66-68
• 5.2.4 改变土壤导热系数对模拟结果的影响68-69
• 5.3 主动式太阳能温室的数值模拟69-73
• 5.3.1 物理模型及边界条件69-71
• 5.3.2 模拟结果及分析71-73
• 5.4 小结73-74
• 第六章 全文总结及展望74-76
• 6.1 论文主要完成的工作74-75
• 6.2 存在的问题及未来的研究方向75-76
• 参考文献76-81
• 致谢81-82
• 攻读学位期间发表的论文82

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