通风热回收在温室冬季生产中的应用

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1、精品论文通风热回收在温室冬季生产中的应用贾蕾，杜震宇 太原理工大学环境工程系，太原 (030024) E-mail：jialei9617摘要：针对日光温室冬季存在的高湿、结露、CO2 浓度较低等问题，本文提出在冬季温室 生产过程中采取机械通风与热回收相结合的方法，既可以改善室内农作物生长环境又可以在 一定程度上节约能源。在理想状态下，利用全面通风的基本微分方程，近似求解出在一定时 间内达到适宜作物生长的湿度和 CO2 浓度所需要的全面通风量。以通风量为基础从理论上 计算分析了采用热回收的必要性和意义。结果表明，热回收通风装置能够回收排气中的70%90%的能量，且全热回收器的节能效果明显要比显热

2、回收器好。 关键词：日光温室；通风；热回收；空气品质中图分类号：S2 农业工程0温室通风的研究现状日光温室兼有塑料大棚和加温温室的优点，可以在不加温或少量加温的条件下在北方越 冬生产蔬菜、水果等，有着很好的经济效益。长期以来，日光温室作为北方地区冬季生产蔬 菜的主要基地，为社会的发展、人民生活水平的提高做出了重大贡献1。温室通风的研究大多从以下三个方面进行：第一，从节约能源的角度，论述利用热压、 风压等原理，采用天窗、侧窗等方式得到较为满意的自然通风效果；第二，研究不同的送风 方式产生不同的速度场，导致不同的热湿环境，分析各种送风方式的优越性；第三，用计算 流体力学技术来研究温室的通风问题，如

3、预测温室内部的流场和温度分布，并且与现有的实 验数据进行比较。目前，尚未看到热回收与机械通风相结合降湿和提高 CO2 浓度的相关论 文。1温室在热湿环境方面存在的问题1.1 高湿冬季为达到保温的目的，日光温室通常处于封闭的状态，室内湿气不易散逸，由于地面 和植物蒸腾作用使空气湿度很高。湿度过高会对农作物的生长带来一系列不利因素，例如影 响作物生长、作物生理失调、影响光合作用、影响养分吸收、导致病虫害，尤其是病虫害发 生率高，将直接影响农作物的质量和产量，大多数导致病虫害的真菌孢子只有在高湿环境下 或者水中才能萌发，经研究观察发现，相对湿度超过 94%时作物叶片开始结露并结孢2。1.2 结露由于

4、温室内外的温差，造成了温室内潮湿的空气在采光材料的内表面形成冷凝水，冷凝 水滴落在植物上，造成花瓣和叶片的灼烧或引发植物疾病，而且它会形成一个个半圆形的凸 面镜反射阳光，从而使温室内的透光率降低，影响植物的光合作用3。1.3 CO2 浓度低温室内的温度和 CO2 浓度对作物的生长和发育起着重要的作用。在适宜的 CO2 浓度条 件下，作物生长发育迅速，否则会影响作物生长。白天温室内农作物光合作用强烈，在光合 作用下室内 CO2 的浓度急剧下降，下午温室内 CO2 的浓度可能仅为 7080mL/m3，远远低- 5 -于室外的浓度。作物往往会处于一种 CO2 浓度较低的饥渴状态。CO2 亏缺影响作物

5、光合作用，造成作物减产和品质下降4。2全面通风量的计算2.1 全面通风量的计算方法全面通风的效果不仅与通风量有关，而且与通风气流组织有关。为了分析室内有害物浓 度与通风量之间的关系，假设在最佳气流组织情况下，室内空气中有害物浓度分布是均匀的， 送风气流和室内空气的混合在瞬间完成，送排风气流是等温的。在以上假设的前提下可以使用不稳定状态下的全面通风量计算式进行计算，即5：L =式中L-全面通风量，m3/sx V fy2 y0 y2 y1y2 y0(1-1)x -有害物散发量，g/sy0-送风空气中有害物浓度，g/m3y -在某一时刻室内空气中有害物浓度，g/m3Vf-温室体积，m3d-某一段无限

6、小的时间间隔，sdy-在 d 时间内温室内有害物浓度的增量，g/m32.2 通风量的计算2.2.1 消除余湿所需通风量 计算消除余湿所需要的通风量时，采用式(1-1)进行计算，式中：y0-送风空气中湿空气的绝对湿度，g/m3x -温室内水蒸气蒸腾量，g/sy -在某一时刻室内空气的绝对湿度，g/m3dy-在 d 时间内温室内空气绝对湿度的增量，g/m3根据查阅文献资料，不同的作物有不同的湿度要求，一般在 60%85%之间，但在冬季 生长阶段，由于光照差，温度相对较低，生长和生产量都较小，湿度一般掌握在 70%80% 为好6。以位于太原的体积 Vf=2000 m3、面积为 1200m2 的一个温

7、室为例，设有全面通风系 统，当室内湿空气相对湿度达到 90%时进行通风，60min 达到适宜作物生长的相对湿度上限80%，送风空气相对湿度为 51%，室内设定温度为 20，则在大气压力为 919.20hPa 时相对 湿度为 90%、80%对应的绝对湿度分别为 15.5 g/m3、13.8 g/m3，室外温度采用冬季通风温度， 对应的绝对湿度为 1.4g/m3，土壤和农作物的蒸腾率为 0.015g/ (m2s) 7,则根据式(1-1)计算得 通风量为 1.5m3/s。2.2.2 提高 CO2 浓度所需通风量在计算提高 CO2 浓度所需要的通风量时，同样采用式(1-1)进行计算，式中 y 代表在某

8、 一时刻室内空气中 CO2 浓度。室外空气 CO2 浓度一般可取为 500ppm（即 y0=0.98g/m3） 4 。 CO2 浓度在正常条件下（0.6g/m3）的倍增可使 C3 植物增产三分之一左右8，目前二氧化碳 施肥的设定下限和上限分别为 500 和 1200 L/L 9 （即 0.982.35g/m3），由于本文不考虑CO2 施肥，通过通入室外新鲜空气满足植物生长适宜的 CO2 浓度，因此设定 CO2 浓度下限为 0.6g/m3，即风机启动前室内空气 CO2 浓度 y1=0.6g/m3，60min 达到 y2=0.7g/m3。土壤呼吸 所释放的 CO2 是生物圈向大气圈释放 CO2 的

9、主要来源之一，在温室中也不是一个可以忽略 的 CO2 来源，此外叶片光合作用是温室 CO2 浓度降低的主要原因，光合作用速率和呼吸作 用速率之差为植物叶片的净光合速率。日出后植物的净光合速率为 0.4310-3 g/m2s。根据方 精云的估算，在年平均温度为 0时，土壤仍有少量 CO2 释放，为 312.9 g/m2a，大约相当于0.0110-3 g/m2s8，其中较肥沃土壤呼吸强度可由下式确定：tPs = Ps (0) 310式中 Ps(0)-土壤 0时的 CO2 释放量，g/m2s，t-土壤温度，由上式可确定 20时土壤呼吸强度为 0.0910-3 g/m2s8。则根据式(1-1)计算得通

10、风量为1.66m3/s。由以上计算可知，60min 内消除余湿所需通风量和提高 CO2 浓度所需通风量分别为1.5m3/s 和 1.66m3/s，最后选取温室适宜的通风量为 1.66m3/s。同理可得 30min、90min 的适 宜通风量，见表 1。表 1 不同时间要求下温室的通风量Tab.1 Under different time request greenhouse ventilation时间（min）除湿所需通 风量（m3/s）提高 CO2 浓度所需通风量（m3/s）适宜通风 量（m3/s）601.501.661.66901.001.101.101200.750.830.831500

11、.600.660.663热回收的作用3.1 通风热回收简介通风热回收是建立在空气流动和传热、传质理论基础上，采用热回收装置，进行潜热和 显热交换。原理是：当室内的排风和室外的新风经过热回收器时，由于隔板两侧气流存在温 差和水蒸气压力差，两股气流间发生传热、传质现象，引发热湿交换过程。目前市场上的热 回收设备有两类，显热回收型和全热回收型。显热回收是通过新风和排风之间存在的温差进 行热量交换，新风和排风的含湿量不变；全热回收是 通过新风和排风之间的焓差进行能量交换，不仅有热 量交换，而且有湿交换（即潜热交换）10。3.2 热回收量的计算与比较3.2.1 没有热回收时新风需要的加热量对上述体积 V

12、f=2000 m3 的一个温室采用机械通风，取 除湿和满足 CO2 浓度所需通风量两者之中较大的一个 作为该温室的通风量（即 1.66m3/s），下面以空气处理 过程焓湿图（图 1）的基础知识为依据，计算没有热图 1 空气处理过程焓湿图Fig1 Air treatment process enthalpy wet chart回收时室外空气达到室内温度所需要的加热量 Q1:Q1=CM0(TN-TW)=1.0051.661.2(207)=54.0kJ/s。3.2.2 采用显热回收时新风需要的加热量据市场调研显热回收器效率一般在 65%72%之间，则本文用效率为 70%的显热交换器 计算新风需要的加

13、热量。由于排风量与通风量相等，则新风经热回收器后的温度为T1=TW+(Tn-TW)=-7+70%（20+7)=11.9在室外状态点的等湿线上由干球温度 TW1=11.9确定室外新风回收排风中能量后的状 态点 1，则根据焓湿图可得室外空气加热到室内温度所需要的加热量 Q2:：Q2=CM0(TN-T1)= 1.0051.661.2(20-11.9)= 16.3 kJ/s3.2.3 采用全热回收时新风需要的加热量据市场调研全热回收器效率一般在 68%78%之间，则本文用效率为 70%的显热交换器 计算新风需要的加热量。由于排风量与通风量相等，新风经热回收器后的焓值为h2=hW+(hn-hW)=-4.

14、22+70%(52.42+4.22)=35.4 kJ/kg全热回收器回收排风中的水分，由于新风量等于排风量，所以新风增加的含湿量等于排风减少的含湿量，即新风经过全热回收器后的状态点在室内外两点含湿量连线的中值线上， 则由 d2=6.92g/kg干空气、h2=35.4 kJ/kg 可以确定室外新风回收排风中能量后的状态点 2，得 T2=17.5，则根据焓湿图可得此时室外空气达到室内温度所需要的加热量 Q3:：Q3=CM0(TN-T2)=1.0051.661.2(20-17.5)= 5.0kJ/s3.3 小结由以上计算和图分析可知，热回收通风装置作为一种强制通风系统通常有以下优势： 它是一种动态平

15、衡的通风系统，也就是说新风供给量和排风量是相等的，不会因为热回收通 风装置的运行导致室内压力不平衡，这样能够提高能源利用效率，也不会增加室外冷量的渗 透；热回收通风装置能够回收排气中的70%90%的能量，并把它重新送回室内； 全 热回收器的节能效果明显要比显热回收器好；状态点2的含湿量明显高于状态点1的含湿 量，说明全热回收器回收了排风中的一部分水，这样不利于温室除湿，所以显热回收型更适 合于日光温室除湿。4结论温室通常通过加强密闭效果来提高能源利用效率，降低能耗费用，密闭性好的温室必须 安装通风设备以确保室内空气品质。通常，如果这些气体直接通过排风系统排除室外，空气 中的能量将会全部损失掉，

16、通过“空气空气热交换器”使排放气体中的热量转移到新风中， 达到节能的目的。因此，热回收通风装置不但能够极大地提高室内空气品质，而且能够回收 排放气体中的绝大部分能量。参考文献1潘锦泉 我国日光温室的发展 石河子农学院学报，1996，第 3 期，1-42张文艺 基于日光温室湿度模型的热交换除湿研究，中国农业科学研究院硕士学位论文，2006，6 3曲梅 温室地板加热系统的研究，2002，64崔庆法 王静 延长通风时间与增施 CO2 对温室生态因子及黄瓜光合特性的影响研究，中国生态农业学报，2004-4，12（2）84-855 孙一坚主编 工业通风（第三版），中国建筑工业出版社6李春藻主编 “731

17、5”型第二代日光温室蔬菜高产栽培技术，中国农业科技出版社7戴剑锋 金亮 罗卫红 倪纪恒 李永秀 袁昌梅 徐刚 长江中下游 Venol 型温室番茄蒸腾模拟研究，农业工 程学报，2006，3，22 卷第 3 期，99-1038董仁涛 日光温室 CO2 浓度预测模型，中国农业大学硕士学位论文，2005，39李萍萍 毛罕平 王多辉 谢明岗 陈庆芳 智能温室综合环境因子控制的技术效果及合理的环境参数研究，农业工程学报，1998 年 第 3 期10陆亚俊 马最良 邹平华 暖通空调，中国建筑工业出版社Application of heat recovery and ventilation in the wi

18、nter greenhouseJia Lei，Du ZhenyuTaiyuan University of Technology, Taiyuan (030024)AbstractThe solar greenhouse insulation resulted in air quality issues，for example：high humidity、easy dew andlow CO2 concertation .The point of heat recovery and ventilation were put forward in winter.So the air qualit

19、y can be improved and energy can be saved to a certain extent. Under the perfect condition, using the comprehensive ventilated basic differential equation, which solves approximately the amount of ventilated in certain amount of time achieves the suitable humidity and the CO2 density.The function an

20、d significance were analyzed from the point of theory. The result show that the heat recovery and ventilation installation can recycle 70%90% energies , and We find the Full-heat recovery must be better than the sensible-heat recovery in power saving.Keywords: solar greenhouse，ventilation，heat recovery，air quality作者简介：贾蕾，女，1985 年生，硕士研究生，主要研究方向是建筑节能。