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项目年度编号
2400161682
中图分类号
S625
成果公布年份
2024
关键词
日光温室 太阳能利用 微热管阵列相变蓄热墙体传热机理
成果简介
①课题来源与背景：
该课题来源于国家自然科学基金项目。甘肃省是中国西北地区发展日光温室的优势区域，特别是为冬季反季节蔬菜生产提供了良好的自然条件。但是伴随着甘肃省日光温室产业的快速发展，现有日光温室存在的诸多缺陷也暴露无疑。首先，甘肃现有日光温室常用墙体结构有土质墙体，砖包土墙体，空心砌块墙体等，都属于被动式显热蓄热墙体结构，主要依靠白天北墙体吸收太阳辐射能进行被动显热蓄热，夜间墙体再将蓄集的热能向温室内释放。因受温室墙体材料热惯性及其传输能力的限制，白天经温室前屋面透射进来的太阳能对北墙体蓄热层的作用深度仅为40cm左右，其有效蓄放热区厚度有限，墙体内部存在很厚的温度稳定区，且温度较低，墙体的蓄热与供热能力未得到充分利用。其次，甘肃广大地区由于深秋、冬季和早春季节气候寒冷，尤其当寒潮或强冷空气侵入时，现有日光温室内夜间温度在不加热条件下很难满足作物生长的要求。最后，甘肃经济相对落后，针对当地日光温室需求的热环境基础理论研究非常薄弱，且缺乏系统性、适用性，特别是新型温室墙体结构的研发与太阳能高效利用技术等方面的研究都相当匮乏。
②研究目的与意义：
甘肃日光温室如继续延续现有水平已难以进一步健康发展。为了提升日光温室对室内热环境的调控能力，迫切需要改进现有的日光温室构筑理论与方法，寻求绿色经济的日光温室增温技术与方法已成为解决该地区冬季日光温室高效生产的关键问题，也是该课题研究的根本目的。
③主要论点与论据：
该课题结合甘肃地区丰富的太阳能资源、温室建造运行条件以及温室作物生长需求，基于仿生学“脉络”的功能和相变蓄热的优势，将微热管阵列强化传热技术与相变蓄热技术引入到日光温室蓄热墙体构筑中，提出了日光温室微热管阵列相变蓄热墙体(MHPA)。该墙体一方面运用相变蓄热技术，通过墙体内表面的相变材料板层将白天透射到墙体内表面的大量的太阳能存储在相变板层和部分承重砌块层内，防止能量聚集在墙体表面，避免了温室内出现高温；另一方面，采用微热管阵列强化传热技术，将温室内部分热量快速的传输到墙体内部，进一步提升承重砌块层内部的温度，以充分利用承重砌块层的蓄热潜力，提高墙体的蓄热量。夜间，当温室内空气温度降低时，微热管阵列相变蓄热墙体将以面热源被动方式向温室内供热，提高了蓄热墙体调控温室内热环境的能力。该墙体完全采用被动方式来充分利用墙体材料的蓄放热能力，在提高蓄热墙体调控温室热环境能力的同时，也有效的降低了运行成本。通过该课题的实施，其研究的主要结果及关键数据阐述如下。1)基于实验测试，研究了微热管阵列形状变化对其热传输性能影响，确定出适用于日光温室的微热管阵列结构形式和参数值。2)采用实验和理论分析的方法，厘清了微热管阵列砌块构筑方法及其蓄放热特性。3)搭建了微热管阵列相变蓄热墙体蓄放热系统的热工性能实验台，开展了微热管阵列相变蓄热墙体蓄、放热性能研究。4)将静态评价和动态评价相结合，通过一系列的研究探索，初步形成了一套较为完备的日光温室微热管阵列相变蓄热墙体热工性能评价方法。5)通过数值分析的方法，以甘肃兰州地区为例，对微热管阵列相变蓄热墙体结构参数进行了优化研究，得到该地区微热管阵列相变蓄热墙体中微热管阵列相变蓄热砌块的排列方式、布置深度以及各墙体层厚度的较优参数，即对于兰州地区，微热管阵列相变蓄热墙体中各层的相变材料板层、砌块砖层以及保温板层的较优厚度分别为40mm、480mm和70mm。
④创见与创新：
1)该课题基于仿生学“脉络”的功能，将微热管阵列强化传热技术引入到日光温室蓄热墙体的构筑中，并结合相变蓄热技术，提出了新型日光温室微热管阵列相变蓄热墙体被动蓄放热系统；2)建立微热管阵列相变蓄热墙体在被动蓄放热工况下，室内外空气与墙体以及不同墙体层间耦合传热的模型；3)确定微热管阵列相变蓄热墙体蓄放热系统的动态热工性能评价方法及其墙体结构参数优化方法，体现了评价优化方法的创新。
⑤社会经济效益，存在的问题：
在课题执行期内，先后发表学术论文15篇，其中SCI或EI检索学术论文7篇，核心期刊发表学术论文1篇，国内外重要学术会议发表学术论文3篇；授权国家发明专利1项；课题组成员参加了7场共计10人次的国内外学术会议，其中参加国际学术会议3场4人次，参加国内学术会议4场6人次；项目执行期间共培养5名硕士研究生顺利毕业，还有1名硕士研究生将于2023年6月毕业，培养青年教师1名获得教授职称，指导的研究生获国家级竞赛三等奖2项。在该项目资助下，通过研究提出了“一种日光温室微热管阵列蓄热墙体”，并在2019年获得国家发明专利授权。由于该研究在设施农业领域有着较好的应用前景，得到国内多家建筑节能领域企业的关注，正与丹东欣鑫节能环保设备有限公司洽谈专利权转让事宜，期待该研究成果能够落地应用推广。
⑥历年获奖情况：
无。
完成单位
兰州交通大学
完成人
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