Energy|中国日光温室中的热湿耦合调控系统：中温集热过程的光/热特性分析

论文信息：

Chen, X., Liang, H., Wu, G., Feng, C., Tao T., Ji Y., Ma Q.,Tong Y. Coupled heat and humidity control system of narrow-trough solar collector and solid desiccant in Chinese solar greenhouse: Analysis of optical / thermal characteristics and experimental study. Energy, 2023.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.127198

研究背景

位于中高纬度地区的温室，都难以避免的遇到冬季夜间室内相对湿度过高的问题。日光温室作为中国北方的所特有的温室类型，在设施农业产业中占比较大，其中的空气质量会对温室内的作物生产造成较大影响。而冬季日光温室的室外温度通常处于0℃以下，在夜晚时可以达到-10℃甚至更低。导致其通风开窗的时段与时长受到很大限制，作物会将灌溉用水的80％-95％用作于自身的蒸腾作用，致使夜间温室内部的相对湿度保持在一个较高的水平，并对作物的蒸腾作用产生一定影响。这会加速真菌孢子的萌发和菌丝的发育，并大大增加了作物真菌疾病和生理紊乱的风险。因此，降低温室夜间较高的相对湿度和提高较低的室内温度，对提高温室作物的产量和质量具有重要意义。本研究以中国日光温室为研究对象，提出了一种将窄槽式集热器（NTC）与固体除湿剂相结合的温室热湿调控系统。系统为昼夜双循环模式，利用固体除湿剂能够实现多次吸附和脱附再生，其相变吸附过程亦能够产生吸附热。在以太阳能为主要能源供给的基础上，实现了一种可持续性的调控手段。

相关成果以“Coupled heat and humidity control system of narrow-trough solar collector and solid desiccant in Chinese solar greenhouse: Analysis of optical / thermal characteristics and experimental study”为题发表在期刊《Energy》（IF= 8.857，JCR一区，中科院一区TOP）上。文章第一作者为内蒙古工业大学能源与动力工程学院硕士研究生陈辛格，通讯作者为中国农业科学院副研究员伍纲，内蒙古工业大学的冯朝卿副教授为共同通讯作者。

研究内容

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热湿调控系统分为两部分：日间脱附/集热系统（DDC）和夜间吸附/增温系统（NAH）。NAH的工作原理如图1b所示，将温室夜间的低温高湿空气直接引入除湿剂管，硅胶吸附气体中的水分并释放吸附热，获得温度升高的低湿空气（E→F）。然后，DDC积累的热量通过换热器用来加热空气（F→G），温度进一步升高的低湿空气被释放（G→H），与温室中的空气混合，随后又被NAH系统吸入（H→E）。DDC的工作原理如图1c所示，室外低温常湿的空气被NTC加热，获得高温常湿的空气（A→B），被引入除湿剂管中。除湿剂管中的硅胶吸收热量解吸水分，以获得温度有所降低的高湿空气（B→C）。随后，经换热器的冷凝和换热（C→D），空气的温度和相对湿度进一步降低。最后与温室空气进行混合（D→I）。I→ E为温室空气白天到晚上的自然变化过程。

图1 热湿调控系统工作原理

由于槽式集热器技术较其他集热手段技术相对成熟，且聚光比大，接收效率高，可以满足除湿剂的再生温度需求，且可以安装在日光温室外侧，其与日光温室的结合对农业种植和能源收集方面都有着促进作用。系统中槽式集热器采用小开口的窄槽结构，能够尽可能的减小其对温室的遮荫面积，更有效地同日光温室结构特点进行结合（如图2a）。为了获得理想的光学效率，如图2b所示，NTC由玻璃盖板、集热管、反射壁面和星型接收器组成。为了得到较好的光学效率，NTC沿东西向放置在日光温室外部的南侧，并朝正南倾斜一定角度摆放。由于太阳方位角的影响，太阳南北向高度角存在一定偏差，这对模拟其光学特性时会产生一定影响，故建立了NTC在高度角和方位角共同影响下的入射角模型对入射角关系进行分析（如图2c）。

图2 (a) NTC和日光温室相对位置；(b) NTC结构组成；(c)基于NTC玻璃盖板的入射角模型.

由于NTC安置在两日光温室之间的空地上，在日光温室间距固定的情况下，如何放置NTC使其在不对温室内作物产生光线遮挡的前提下，保证最大集热时间与集热效率是一个关键问题: 如图3所示(右上)，太阳高度角随时间的变化做周期性增减，太阳高度角会从清晨的0°逐渐增大，当边缘光线由于太阳高度角的增大变为ray2时，NTC开始接收太阳光线进行集热。而边缘光线到达ray1时，NTC的光线接收率达到100％，由于边缘光线由ray2变为ray1的时段，NTC并未具有100％的光线接收率，所以该时段NTC的集热过程不被看作有效集热。故边缘光线位于ray1和ray3之间时视为满足NTC有效集热的第一个条件。而NTC有效集热的第二个条件为：边缘光线为ray1和ray3之间时其与NTC法线的夹角β位于集热器有效集热角度之中(即-20°≤ β ≤ 20°)。以此为基础，对NTC的最佳安放倾角进行了分析。

图3 NTC与日光温室的几何关系

NTC热量传递过程如图4所示，星型接收器将集热管分为6个体积相同的工作区域。由于传热过程受重力影响较小，故所有工作区域的传热分析被近似看为等同过程。将接收器翅片的辐射传热和对流传热过程，分别在左右两个区域(区域4和5)中进行分析。建立了集热器传热过程的数学模型，并通过试验验证了该模型的准确性。

图4 NTC热量传递图

为了测试热湿调控系统的实际效果，对其进行了试验。由图5可以看出，NAH运行夜间时段(21：30-8：00)，试验温室相较对照温室相对湿度平均下降12.3%，并在22：20达到最低相对湿度（约80.1%）。而试验温室相较对照温室温度平均上升1.2 ℃。表明热湿调控系统能够在夜晚表现出较为明显的除湿效果和一定的增温效果。将温室整个夜间的相对湿度调控到了90%以下，更有利于西红柿、黄瓜等作物的生长，给温室作物的生长创造了更为良好的环境。

图5 试验、对照温室温度和相对湿度的变化

图6展示了NAH开启时，除湿剂管中硅胶的吸附情况。图6a中NAH开启（21：30）之后，除湿剂管的进出口温差在1个小时内快速升高了9℃，然后呈较为平缓的下降趋势。这是由于硅胶吸附空气中的水蒸气，并释放吸附热，且该过程存在一定的滞后。1小时后吸附热量达到最大，随着硅胶含水量的增加，对水分子的吸附能力会逐渐渐弱，释放的吸附热也逐渐减小。和相对湿度的数值变化相比，绝对湿度的变化更能说明硅胶的吸附能力，如图6b所示，瞬时除湿速率Dt在NAH刚开启时就达到最大值5.55 g/kga，半小时后下降到4.45 g/kga，随后下降趋势逐渐平缓，且Dt始终保持在2.5 g/kga以上。这表明硅胶在吸附之初具备较大的吸附能力，而后随着吸附量的增加，吸附速率开始逐渐下降。硅胶吸附趋势正常，证明除湿剂管结构对硅胶吸附效果无负面影响。在前人的类似研究中发现，温室中番茄植株覆盖率为74%，且每平方米种植4株作物的情况下，蒸腾作用约为13.0 g/s·m-2，而本研究中除湿速率为11.6 g/s·m-2，表明NAH系统除湿性能良好。

图6 NAH开启时除湿剂管参数变化 (a)进出口温度变化；(b) 进出口绝对湿度的变化

结论与展望

研究结果表明，窄槽式集热器与固体除湿剂相结合的温室热湿调控系统，在使用绿色能源的基础上，有效对温室夜间的相对湿度进行调控，具备一定的增温能力。能够将室内夜间相对湿度从94.2%的高湿区间，调控到81.3%的作物正常生长区间，平均相对湿度下降12.9%。室内平均温度上升1.2℃。在三月份的实验期间， NTC在位于北纬40°的北 京具有良好的集热效果，理论集热效率和实际集热效率基本吻合。最高空气出口温度约为136℃，平均集热效率为0.63。能够有效为系统提供热能。但如何进一步减少系统成本和提升温室的空间利用率，是亟待解决的问题。

https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.127198

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