刘开生1，2，谢 冬3，代治国1，雷昌浩1，张 涛4
（1．重庆市经贸中等专业学校，重庆 402160；2．重庆大学机械工程学院，重庆 400044；
3．敦煌市七里镇人民政府农林牧服务中心， 甘肃 敦煌 736200；4．甘肃农业大学工学院，兰州 730070）
摘要：为实现温室内全天供热、变温管理和节能的目的，结合大型玻璃温室和无土栽培技术要求，确定了总体加温结构设计方案和工作原理，对主要装置集热器进行选型和结构设计；利用Solidworks三维建模对太阳能板的安装和排布进行说明和分析，并结合当地的气象资料对单位面积的集热效率进行经济性分析，考虑太阳能的不稳定因素，分别设计了主加热及辅助加热系统。结果表明，对太阳能集热的设计和科学的安置有效地提高了太阳能的利用率；与传统电加温进行经济性计算，在20年内单位面积可节约能源12 942．46 kW·h，为我国现代化温室加温系统的研究提供了参考。
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关键词 ：温室采暖方式；温室采暖原理；太阳能加温；变温管理
中图分类号：S625 文献标识码：A 文章编号：0439－8114（2015）06－1479-04
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.06.051
Designing Heating System of Greenhouse Based on Solar Energy and Cultivation Bed
LIU Kai－sheng1，2，XIE Dong3，DAI Zhi－guo1，LEI Chang－hao1，ZHANG Tao4
（1．Chongqing Economy and Trade Secondary Specialized School， Chongqing 402160， China；2． College of Mechanical Engineering，Chongqing University， Chongqing 400044， China；3． Farming Forestry and Husbandry Service Center of Qili Town People＇s Government Dunhuang City，Dunhuang， 736200， Gansu， China； 4． School of Engineering， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China）
Abstract： In order to provide heating all day， manage variable temperatures， and save energy in greenhouse， the heating system of greenhouse was designed based on solar energy and cultivation bed． The overall project， operating principles and critical components of energy collection were designed according to the large automatic greenhouses and the technical requirement of soilless cultivation． The setup and assignment of solar panels was described and analyzed by using solidworks modeling operations. The heating efficiency in per unit area was analyzed based on the local meteorological data． Considering the unstable factors of solar energy， the heating system contained main heating and auxiliary system． The reasonable assignment and design of solar collector enhanced the heating efficiency． Comparing with traditional electric heating， the energy was saved 12 942．46 kW·h in per unit area． It will provide reference for heating of modern greenhouse in China．
Key words： greenhouse heating； cultivation bed； solar energy； variable temperature management
收稿日期：2014－12－16
基金项目：国家中等职业教育改革发展示范学校建设计划项目（CQ201208）；干旱环境作物学重点实验室开发基金项目；“十二五”国家科技
支撑计划项目（2012BAD14B10）
作者简介：刘开生（1988－），男，重庆铜梁人，助教，硕士，主要从事机械设计和农业工程技术研究与装配研究，（电话）15808039139（电子信箱）
liukaisheng@126．com；通信作者，张 涛（1989－），男，主要从事农业机械和农业设施结构研究。
温室采暖方式根据设施种类、规模、栽培品种与方式、气候和燃料等条件的不同而分类复杂，而目前常用的采暖方式有烟道加温、热水加温、蒸汽加温、热风加温、电加温等。节能环保温室采暖系统的设计建立了温室供热负荷的数学模型，并提出了地下蓄热加温系统［1］。在玻璃钢架水暖温室结构的研究中，着重对玻璃温室内的分布和安排进行了系统的研究［2］。传统的加温方式普遍存在热力供应量小、预热时间较长、燃料费用较高、温度波动较大、耗能多等缺点，不适合现代大型温室节能智能化管理等要求。
太阳能资源清洁无污染，而且取之不竭、用之不尽［3－5］。某宾馆太阳能预加热热水系统设计方案研究对合理有效地利用太阳能进行了科学的计算［6］。太阳能跟踪系统设计提出了如何最大限度地吸收太阳能设计方案，通过电子系统的融入使太阳能利用更加智能化［7］。将太阳能合理利用到温室加温系统中，结合大型温室栽培床生长模式，利用单片机控制系统设计了一种能够实时监控、调整翻转集热器角度的管理系统，以期为我国温室智能化管理及太阳能在温室中的利用提供参考。
1 工作原理及装置组成
1．1 设计目标
大型玻璃温室透光性强、空间大，便于种植操作，是现代化农业的一种产物［8，9］。基质栽培和营养液栽培均在大型玻璃温室中得到大力的推广和应用，这不但解决了温室的连作障碍和空间的有效利用，而且提高了温室的经济效益，以及便于操作［10，11］。
太阳能栽培床加温系统是指利用源源不断的太阳能作为温室的热源，通过集热片对比热容最高的水加热，然后通过循环管道输送给栽培床下部加温管道，利用管道散热给温室加热，循环泵加压使水以一定的速度流动保持温室内温度。
1．2 主要装置
由图1可以看出，太阳能结合温室栽培床加温系统主要装置有集热系统（平板集热器、集热控制器）；控制系统（单片机控制器、伺服电机）；主副加热系统（水箱、保温箱、电磁阀、循环泵、吸水泵、进出水管）。栽培床下部管道蓄热系统各参数根据温室系统的热容量、供热量和栽培床形状及体积等温室加温系统要求确定，从而进一步确定太阳能集热片数量和面积、水箱体积、进水管道、加热管道型号、管道布置、循环泵、电磁阀等各个设备参数。
1．3 工作原理
热水进入进水管后通过循环泵送往各个加热栽培床，提高温室种植区域的空气温度，最后循环流动到出水管被吸水泵又运送到水箱里通过太阳能循环加热，电磁阀能精确控制水流的每个去向和控制区域，保证植物的最佳生长状态。因考虑夜间、阴天或雨天等自然因素，设计了辅助加热系统，辅助加热系统包括两个，一个是由集热片加热过的部分高于循环流动的热水贮存于保温箱，夜间开启保温箱中的热水以一定的速度流动维持植物夜间生长所需的最低热量；另一个是通过锅炉辅助加热，在遇到阴天或雨、雪天开启锅炉加热系统。太阳能集热系统通过伺服电机驱动，能够实现工作时间内全程跟踪太阳运行辐射，以保证太阳光与集热器之间的最大辐射角不变，提高太阳能利用率。
2 关键部件的设计
2．1 集热系统的设计
由于传统的集热器存在腐蚀、泄露、结冰等缺点，为了提高温室加温系统的使用寿命，集热器选择蛇形太阳能集热器，其属于平板非渗透太阳能集热器。集热器主要由透光盖板、吸热板、保温层和边框等组成，为了提高集热器的集热性能，中间需安装隔板和导流板［12］，蛇形太阳能平板集热器如图2所示。集热器作为加温的核心部件，多在户外运行，所以应设计除尘装置，将透光盖板设计成可拆卸的组件，方便装卸和清洗。集热器的合理设计可以有效地提高其使用效率，并且能够在夜间保持植物温度，保温层的材料和排布也极其重要，集热器内部结构具体如图3所示。
利用Solidworks对太阳能板的安置进行三维建模，其效果图如图4所示。太阳能板在安装架上采用串联方式安装，冷水从进水口进入，逐级经过太阳能板加热，最后通过出水口输送到温室各个加温管道中。为了最大限度地吸收太阳辐射量，因此设计太阳能板时要根据太阳辐射角的变化而变化，固定架分为前后两个支架，后固定架配有十字轴承，所以调动时可以任何角度、上下转换，并起到支撑作用，前固定架两边液压系统1的作用是上下升降，液压系统2的作用是通过拉杆作用调整角度，这样可以完成太阳板无死角的调整。
太阳能结合栽培床加温系统将太阳辐射的能量转换成水的热能，传送到温室内栽培床底下。其热效率是衡量集热器性能的主要指标，合理有效地使用太阳能板可以很大程度上提高植物产量和降低传统加温设备所耗能量。太阳能板的集热效率用公式（1）至公式（4）进行了理论分析，在设计和安装太阳能板的角度时可作为参考依据。
集热器输出的能量用QU表示［13］，则：
式中，m为水的流量，kg/s；Cf为集热器内水平均温度条件下的比热容，J/（kg·℃）；ΔT为集热器进、出口水的温差，℃；t0为集热器出口温度，℃；ti为集热器进口温度，℃。
太阳辐射在集热器釆光面积上的能量用QA表示：
式中，AC为太阳能空气集热器的采光面积，m2；G为太阳辐射照度，W/m2。由公式（1）和（3）可得，集热器的瞬时热效率为η：
2．2 智能控制系统的设计
控制系统由温度采集模块（温度传感器）、驱动和执行模块（液压伺服电机）、上位机管理系统模块等组成。单片机是智能控制系统的核心，主要用于现场实地检测及控制，完成数据处理［13］。本系统采用RS－485总线来实现上位机与下位机的通信，一般PC机只有RS－232接口，若实现RS－485标准接口通信必须采用RS－232/485转换器，具体如图5所示。
在进行单片机软件程序设计时，使用C＃语言编写和调试。整体上软件程序主要有远程信号采集运算、实时监控、显示、通信、参数设定、声光报警等功能，包括主循环程序模块、信号采集和处理模块、实时控制模块、采样模块、串行通信模块、键盘输入和显示输出模块等，且模块之间通过系统数据相互关联［14］，系统界面框架如图6所示。
3 系统管理与节能分析
3．1 生育适温与变温管理
日间温度管理的目的就是要增加光合作用产物及促进产物的输送、贮藏和有效分配，抑制不必要的呼吸消耗［15］。据研究，上午的光合产物约占全天的3/4，下午约占1/4；白天输送的光合产物约占全天的3/4，前半夜仅占1/4。上午采用适当高于白天适温以促进光合产物的形成，下午适当低于白天的适温，以一定的光合强度及产物输送；前半夜适当高于夜间的适温以促进光合产物的输送和分配，后半夜在适当低于夜间适温以抑制呼吸消耗［16］。
3．2 经济与节能性分析
为了充分利用现有集热器面积产热能力，合理确定预加热温度［17］，选择甘肃省兰州市气象局提供的2010年4～10月太阳辐射量的参数进行计算，其各月系统参数计算结果见表1。
由表1可以看出，2010年4～10月太阳能集热器每平方米可为温室提供2 213．78 MJ的热量，使用寿命20年内则单位面积可集热44 275．60 MJ的热量，这部分热量通过电辅助热源提供，电加热效率为95％。经过计算可知，单位面积每年可以减少用电647．12 kW·h，20年共节电12 942．46 kW·h，按电费0．55元/（kW·h）计，单位面积可节约能源费用约7 118元。由此可见，通过太阳能加热系统可以产生较好的节能效果和经济效益。
4 小结
1）本研究通过设计太阳能结合栽培床的加温方式，有效地降低了常规能源、节约了生产成本。考虑到太阳能的不稳定因素，分析主加热系统和辅助加热系统的工作原理，对太阳能板集热器的结构进行了单独的设计，利用三维建模科学地设计出太阳能板的布置与角度调整装置。
2）从变温管理角度增强了现代温室智能控制技术的要求，利用RS－485总线来实现上位机与下位机的通信，信号转换器选择RS－232/485转换器。上位机管理界面采用模块化管理，本研究提出了系统界面图为今后管理系统的编程提供参考依据。
3）利用当地气象局提供的太阳辐射量等数据对单位面积集热器集热效率进行计算，并和传统电源供热，在20年内单位面积可以节省约7 118元，其节能和经济效益非常可观。
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