CN108522097A - 一种温室集放热智能控制装置与高效控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于设施园艺环境工程领域的一种温室集放热智能控制装置与高效控制方法。所述装置其温室水循环太阳能集放热系统包括集放热器、供水管道、回水管道、分水器、集水器、蓄热水池、潜水泵、自动控制系统、水温传感器、模面装置和模面温度传感器组成；其高效控制方法包括利用模面装置表面温度与水温差值控制集放热系统的日间集热过程和利用模面装置表面温度控制集放热系统的夜间放热过程；使集放热系统在合适的时机运行，本发明是采用温室水循环太阳能集放热系统的智能控制装置，利用模面温度与水温差值控制集热系统在合适的时机运行，集热效率和集热量大，同时避免无效的运行与能耗，满足启动条件下的阴天及雾霾天气，系统也能进行集热。

Description

一种温室集放热智能控制装置与高效控制方法

技术领域

本发明属于设施园艺环境工程领域，特别是涉及一种温室集放热智能控制装置与高效控制方法；具体涉及一种利用模面装置实现温室水循环太阳能集放热系统自动运行及高效控制的方法。

背景技术

传统日光温室主要依靠墙体和地面蓄积白昼富余的太阳热能，用于夜间放热增温。但墙体和地面传热缓慢，难以有效收集并蓄积足够的能量，满足夜间作物生产需求。近年来，国内学者提出新的太阳能集放热方法，即温室太阳能主动集放热系统，尤其是温室内部水循环太阳能集放热系统得到了广泛应用和推广。如张义、杨其长等的《日光温室水幕帘蓄放热系统增温效应试验研究》(2012年)，方慧、张义等的《日光温室金属膜集放热装置增温效果的性能测试》(2015年)，佟雪姣、孙周平等的《日光温室太阳能水循环系统冬季与夏季试验效果》(2016年)，马承伟、姜宜琛等的《日光温室钢管屋架管网水循环集放热系统的性能分析与试验》(2016年)。这些系统采用的集放热运行控制模式主要包括2种：(1)根据设定时间点进行控制，如在佟雪姣、孙周平等的《日光温室太阳能水循环系统冬季与夏季试验效果》(2016年)论文中，冬季水循环时间设置为：日间10:00～15:00启动蓄热，夜间00:30～06:30启动放热；(2)依据室内气温进行控制。如在马承伟、姜宜琛等的《日光温室钢管屋架管网水循环集放热系统的性能分析与试验》(2016年)论文中，集、放热系统运行的设置分别为：①日间集热时，当室内气温升高到设定温度(一般20～22℃)以上，控制潜水泵启动运行；②夜间放热时，当室内气温降低到设定温度(一般8～10℃)以下，控制潜水泵启动运行。这两种方式初步实现了系统集放热过程的自动化，系统运行管理简单，但也存在很多问题；(1)根据设定时间点的控制方式，最大弊端是：不能准确控制集热系统在合适的时机运行；因为不同天气条件下，室内适于集热的时间，变化很大；遇到阴天，可集余热出现的时间较迟、结束时间较早，如按固定的时刻启、停系统，会使系统在无可集余热的时间运行，导致无效的运行与能耗，甚至损失系统中原蓄积的热量。反之，在晴好的天气条件下，会过晚启动或过早结束系统的运行，不利于集热量的提高。(2)依据室内气温的控制方式，不能准确地直接判定集热装置上是否有可集太阳余热，同样不能控制系统在合理的时刻运行。因为气温与集热装置上可集太阳余热的出现与大小，虽有相关关系，但并不完全一致。上午，有时温室内气温虽较低，但集热装置的集热表面上已有较强的太阳辐射，如根据气温判断，系统的运行将推迟，不利于集热量的提高。下午，有时室内气温虽然较高，但集热装置的集热表面接收的太阳辐射已较弱，如根据气温判断，系统的停止将推迟，导致无效的运行与能耗。(3)无论是根据设定时间点还是依据室内气温的控制方式，均未考虑蓄热水池中的水温，合理的运行控制方式，应参考水温的高低。在水温较低时，集热系统应该提早运行，水温较高时，集热系统应提前结束运行。否则，会产生系统集热不充分或系统无效运行两方面的问题。因此，根据设定时间点或依据室内气温的控制方式，均不是最佳的集热系统控制方式，均不能以尽可能小的系统能耗，实现尽可能高的系统集热效率和尽可能大的系统集热量。针对现有系统控制方法存在的问题，本发明提出一种利用模面装置实现温室水循环太阳能集放热系统自动运行及高效控制的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温室集放热智能控制装置与高效控制方法，其特征在于，所述温室集放热智能控制装置是采用温室水循环太阳能集放热系统的智能控制装置，其温室水循环太阳能集放热系统集放热器1、供水管道2、回水管道3、分水器4、集水器5、蓄热水池6、潜水泵7、自动控制系统8、水温传感器9、模面装置10和模面温度传感器11；其中，集放热器1上端出水口与集水器5连接，集水器5与回水管道3连通，回水管道3与蓄热水池6连通；集放热器1下端进水口与分水器4连接，分水器4与供水管道2连通，供水管道2与蓄热水池6内潜水泵7出水口连通；自动控制系统8分别与水温传感器9、模面温度传感器11及潜水泵7电连接；水温传感器安放于蓄热水池6内，模面温度传感器11安装于模面装置10上。

所述模面装置10是一种模拟水循环太阳能集放热器表面外形、状况与朝向相同的装置，放置于温室内的温室后墙12附近；模面装置10同步反映水循环太阳能集放热器表面上的太阳辐射强弱及表面与空气间的对流换热情况的装置。

所述模面装置10用于测试温室后墙水循环太阳能集放热系统时，其模面装置必须是中空形式，如此，模面装置内部形成稳定的气流，同时，不接收温室后墙的传热量，更合理反映集放热系统表面的可集余热。

所述模面温度传感器11的体积要求小，能够与模面装置集放热表面稳妥贴合，其用于测试模面装置表面温度，该模面装置表面温度能够模拟出水循环太阳能集放热器表面外形、状况与朝向相同的表面温度，是集放热器表面吸收的太阳辐射热量和表面与空气间对流换热达到平衡所取得的温度，即反映出集放热器表面能够集的余热。

一种温室集放热智能控制装置的高效控制方法，其特征在于，包括利用模面装置表面温度与水温差值控制集放热系统的日间集热过程和利用模面装置表面温度控制集放热系统的夜间放热过程；使集放热系统在合适的时机运行，具体运行按照如下步骤进行：

(1)日间集热过程

1)设置集热系统启动条件：在自动控制系统8中，设置某一模面装置表面的模面温度T_b1与水温T_w1差值T_bw作为启动条件，其T_b1-T_w1＝T_bw差值设置为正；

2)集热启动：日间，日光温室揭被后，太阳辐射增强，室内气温升高。当自动控制系统8通过水温传感器9、模面温度传感器11监测到达到设置的集热启动条件时，启动运行潜水泵7，集热开始；

3)集热过程：集放热系统集热启动后，蓄热水池6中的水不断流过集放热器1，吸收太阳辐射热量和对流传热量，再返回蓄热水池6中；通过水的不断循环，蓄热水池6水温逐渐升高，从而将日光温室内富余能量收集并储存在水池内。4)集热结束：当模面温度T_b1与水温T_w1差值不高于集放热系统启动值T_bw时，集放热系统关停潜水泵7，集热结束；

(2)夜间放热过程

1)设置放热系统启动条件：在自动控制系统8中，设置某一模面温度值T_b2及某一水温T_w2与模面温度差值T_wb为正作为启动条件；

2)放热启动：夜间，室内气温不断降低，通过水温传感器9、模面温度传感器11监测达到设置的放热启动条件时，启动运行潜水泵7，放热开始；

3)放热过程：放热系统启动后，蓄热水池6中的水不断流过集放热器1，将日间蓄积的热量通过集放热器1表面与空气的对流、辐射等换热作用传递给室内空气，再返回蓄热水池6中；通过水的不断循环，蓄热水池6水温逐渐降低，从而将日间收集的能量释放到空气中，实现集放热系统在夜间的放热加温作用；

4)放热结束：当模面温度值不高于集放热系统启动设置值T_wb，或者水温T_w2与模面温度T_b2差值不高于集放热系统启动设置值T_wb，集放热系统关停潜水泵，放热结束。

本发明的有益效果：1.采用本发明的方法，温室内部水循环太阳能集放热系统的集放热控制将实现智能化、高效化。2.采用本发明的方法，控制系统利用模面温度同步反映集热器集热表面上的太阳辐射强弱及表面与空气间的对流换热情况，将能合理判定集热器上是否有可集余热，有利于系统的集热。3.采用本发明的方法，控制系统利用模面温度表征夜间加温时的室内气温，合理替代室内气温测点，将能合理判定散热器的启动时间，有利于系统的放热。4.采用本发明的方法，控制系统利用模面温度与水温差值控制集热系统的运行，综合考虑集热器表面的可集余热和蓄热水池的水温，能准确控制集热系统在合适的时机运行，尽可能小的系统能耗，实现尽可能高的系统集热效率和尽可能大的系统集热量，同时避免无效的运行与能耗，特别是满足启动条件下的阴天及雾霾天气，系统也能进行集热。

附图说明

图1为水循环太阳能集放热系统结构示意图。

图2为后墙水循环太阳能集放热系统的模面温度测试示意图。

图中，1集放热器、2供水管道、3回水管道、4分水器、5集水器、6蓄热水池、7潜水泵、8自动控制系统、9水温传感器、10模面装置、11模面温度传感器、12温室后墙。

具体实施方式

本发明提供一种温室集放热智能控制装置与高效控制方法，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1所示为水循环太阳能集放热系统结构示意图。图中所示温室集放热智能控制装置是采用温室水循环太阳能集放热系统的智能控制装置，其温室水循环太阳能集放热系统集放热器1、供水管道2、回水管道3、分水器4、集水器5、蓄热水池6、潜水泵7、自动控制系统8、水温传感器9、模面装置10和模面温度传感器11；其中，集放热器1上端出水口与集水器5连接，集水器5与回水管道3连通，回水管道3与蓄热水池6连通；集放热器1下端进水口与分水器4连接，分水器4与供水管道2连通，供水管道2与蓄热水池6内潜水泵7出水口连通；自动控制系统8分别与水温传感器9、模面温度传感器11及潜水泵7电连接；水温传感器安放于蓄热水池6内，模面温度传感器11安装于模面装置10上；其中模面装置10是一种模拟水循环太阳能集放热器表面外形、状况与朝向相同的装置，放置于温室内的温室后墙12附近；模面装置10同步反映水循环太阳能集放热器表面上的太阳辐射强弱及表面与空气间的对流换热情况的装置。在用于测试温室后墙水循环太阳能集放热系统时，其模面装置必须是中空形式，如此，模面装置内部形成稳定的气流，同时，不接收温室后墙的传热量，更合理反映集放热系统表面的可集余热。所述模面温度传感器11的体积要求小，能够与模面装置集放热表面稳妥贴合，其用于测试模面装置表面温度，该模面装置表面温度能够模拟出水循环太阳能集放热器表面外形、状况与朝向相同的表面温度，是集放热器表面吸收的太阳辐射热量和表面与空气间对流换热达到平衡所取得的温度，即反映出集放热器表面能够集的余热。

图2所示为后墙水循环太阳能集放热系统的模面温度测试示意图。具体说明温室集放热智能控制装置的高效控制原理，包括利用模面装置表面温度与水温差值控制集放热系统的日间集热过程和利用模面装置表面温度控制集放热系统的夜间放热过程；使集放热系统在合适的时机运行，结合下面实施例来具体述说明温室集放热智能控制装置的高效控制原理。

实施例一，

本实施例是在北京市通州区潞城镇的北京国际都市农业科技园日光温室内进行。温室东西长50m，南北跨度8m，脊高3.8m，后墙高2.6m。温室后墙内表面安装一种后墙水循环太阳能集放热系统，共20个集放热单元，每块集放热单元的高2.11m，宽2m，总有效集放热面积为84.4m²。2017年12月31日，日间运行14块集热单元，夜间运行20块集热单元。具体包括：

(1)日间集热过程，

1)设置集热系统启动条件：在自动控制系统8中，设置模面温度与水温差值7℃作为启动条件。

2)集热启动：日间，日光温室揭被后，太阳辐射增强，室内气温升高。当自动控制系统8通过水温传感器9、模面温度传感器11监测到达到设置的集热启动条件时，启动运行潜水泵7，集热开始。

3)集热过程：系统集热启动后，蓄热水池6中的水不断流过集放热器1，吸收太阳辐射热量和对流传热量，再返回蓄热水池6中。通过水的不断循环，蓄热水池6水温逐渐升高，从而将日光温室内富余能量收集并储存在水池内。

4)集热结束：当模面温度与水温差值不高于系统启动值7℃时，系统关停潜水泵7，集热结束。

(2)夜间放热过程，

1)设置放热系统启动条件：在自动控制系统8中，设置模面温度值11℃及某一水温与模面温度差值2℃作为启动条件。

2)放热启动：夜间，室内气温不断降低，通过水温传感器9、模面温度传感器11监测到达到设置的放热启动条件时，启动运行潜水泵7，启动运行潜水泵7，放热开始。

3)放热过程：系统放热启动后，蓄热水池6中的水不断流过集放热器1，将日间蓄积的热量通过集放热器1表面与空气的对流、辐射等换热作用传递给室内空气，再返回蓄热水池6中。通过水的不断循环，蓄热水池6水温逐渐降低，从而将日间收集的能量释放到空气中，实现系统在夜间的放热加温作用。

4)放热结束：当模面温度值不高于系统启动设置值11℃，或者水温与模面温度差值不高于系统启动设置值2℃，系统关停潜水泵，放热结束。

实施例二

本实施例仍在实施例一所在北京市通州区潞城镇的北京国际都市农业科技园日光温室内进行。时间为2018年1月27日，日间运行10块集热单元，夜间运行10块集热单元。具体包括：

(1)日间集热过程

1)设置集热系统启动条件：在自动控制系统8中，设置某一模面温度与水温差值5℃作为启动条件。

2)集热情况：该天日间阴天，且轻度污染，未能满足系统集热运行条件，所以，日间系统未能进行集热。

(2)夜间放热过程

1)设置放热系统启动条件：在自动控制系统8中，设置某一模面温度值9℃及某一水温与模面温度差值2℃作为启动条件。

2)放热启动：夜间，室内气温不断降低，通过水温传感器9、模面温度传感器11监测到达到设置的放热启动条件时，启动运行潜水泵7，启动运行潜水泵7，放热开始。

3)放热过程：系统放热启动后，蓄热水池6中的水不断流过集放热器1，将日间蓄积的热量通过集放热器1表面与空气的对流、辐射等换热作用传递给室内空气，再返回蓄热水池6中。通过水的不断循环，蓄热水池6水温逐渐降低，从而将日间收集的能量释放到空气中，实现系统在夜间的放热加温作用。

4)放热结束：当模面温度值不高于系统启动设置值9℃，或者水温与模面温度差值不高于系统启动设置值2℃，系统关停潜水泵，放热结束。

实施例三

本实施例同实施例一在北京市通州区潞城镇的北京国际都市农业科技园日光温室内进行。时间是2018年2月5日，日间运行20块集热单元，夜间运行20块集热单元。具体包括：

(1)日间集热过程

1)设置集热系统启动条件：在自动控制系统8中，设置某一模面温度与水温差值5℃作为启动条件。

2)集热启动：日间，日光温室揭被后，太阳辐射增强，室内气温升高。当自动控制系统8通过水温传感器9、模面温度传感器11监测到达到设置的集热启动条件时，启动运行潜水泵7，集热开始。

3)集热过程：系统集热启动后，蓄热水池6中的水不断流过集放热器1，吸收太阳辐射热量和对流传热量，再返回蓄热水池6中。通过水的不断循环，蓄热水池6水温逐渐升高，从而将日光温室内富余能量收集并储存在水池内。

4)集热结束：当模面温度与水温差值不高于系统启动值5℃时，系统关停潜水泵7，集热结束。

(2)夜间放热过程

1)设置放热系统启动条件：在自动控制系统8中，设置某一模面温度值18℃及某一水温与模面温度差值2℃作为启动条件。

2)放热启动：夜间，室内气温不断降低，通过水温传感器9、模面温度传感器11监测到达到设置的放热启动条件时，启动运行潜水泵7，启动运行潜水泵7，放热开始。

3)放热过程：系统放热启动后，蓄热水池6中的水不断流过集放热器1，将日间蓄积的热量通过集放热器1表面与空气的对流、辐射等换热作用传递给室内空气，再返回蓄热水池6中。通过水的不断循环，蓄热水池6水温逐渐降低，从而将日间收集的能量释放到空气中，实现系统在夜间的放热加温作用；

4)放热结束：当模面温度值不高于系统启动设置值18℃，或者水温与模面温度差值不高于系统启动设置值2℃，系统关停潜水泵，放热结束。

通过上面三个实施例的测试结果如表1所示。

表1后墙水循环太阳能集放热系统的逐日集放热性能数据统计

注：系统集热效率出现高于100％，集热效率出现高于100％，说明板内水流吸收的热量有时高于板表面接收的太阳辐射热量，这是因为集热板除直接吸收太阳辐射热量外，由于有时室内气温高于板内水温，还从空气中吸收一部分对流传热量的缘故。

Claims (5)

1.一种温室集放热智能控制装置，其特征在于，所述温室集放热智能控制装置是采用温室水循环太阳能集放热系统的智能控制装置，其温室水循环太阳能集放热系统包括集放热器(1)、供水管道(2)、回水管道(3)、分水器(4)、集水器(5)、蓄热水池(6)、潜水泵(7)、自动控制系统(8、水温传感器(9)、模面装置(10)和模面温度传感器(11)；其中，集放热器(1)上端出水口与集水器(5)连接，集水器(5)与回水管道(3)连通，回水管道(3)与蓄热水池(6)连通；集放热器(1)下端进水口与分水器(4)连接，分水器(4)与供水管道(2)连通，供水管道(2)与蓄热水池(6内潜水泵(7)出水口连通；自动控制系统(8)分别与水温传感器(9)、模面温度传感器(11)及潜水泵(7)电连接；水温传感器安放于蓄热水池(6)内，模面温度传感器(11)安装于模面装置(10)上。

2.根据权利要求1所述一种温室集放热智能控制装置，其特征在于，所述模面装置是一种模拟水循环太阳能集放热器表面外形、状况与朝向相同的装置，放置于温室内的温室后墙(12)附近；模面装置(10)同步反映水循环太阳能集放热器表面上的太阳辐射强弱及表面与空气间的对流换热情况的装置。

3.根据权利要求1所述一种温室集放热智能控制装置，其特征在于，所述模面装置用于测试温室后墙水循环太阳能集放热系统时，其模面装置必须是中空形式，如此，模面装置内部形成稳定的气流，同时，不接收温室后墙的传热量，更合理反映集放热系统表面的可集余热。

4.根据权利要求1所述一种温室集放热智能控制装置，其特征在于，所述模面温度传感器的体积要求小，能够与模面装置集放热表面稳妥贴合，其用于测试模面装置表面温度，该模面装置表面温度能够模拟出水循环太阳能集放热器表面外形、状况与朝向相同的表面温度，是集放热器表面吸收的太阳辐射热量和表面与空气间对流换热达到平衡所取得的温度，即反映出集放热器表面能够集的余热。

5.一种权利要求1所述温室集放热智能控制装置的高效控制方法，其特征在于，包括利用模面装置表面温度与水温差值控制集放热系统的日间集热过程和利用模面装置表面温度控制集放热系统的夜间放热过程；使集放热系统在合适的时机运行，具体运行按照如下步骤进行：

(1)日间集热过程

1)设置集热系统启动条件：在自动控制系统(8)中，设置某一模面装置表面的模面温度T_b1与水温T_w1差值T_bw作为启动条件，其T_b1-T_w1＝T_bw差值设置为正；

2)集热启动：日间，日光温室揭被后，太阳辐射增强，室内气温升高。当自动控制系统(8)通过水温传感器(9)、模面温度传感器(11)监测到达到设置的集热启动条件时，启动运行潜水泵(7)，集热开始；

3)集热过程：系统集热启动后，蓄热水池(6)中的水不断流过集放热器(1)，吸收太阳辐射热量和对流传热量，再返回蓄热水池(6)中；通过水的不断循环，蓄热水池(6)水温逐渐升高，从而将日光温室内富余能量收集并储存在水池内；

4)集热结束：当模面温度T_b1与水温T_w1差值不高于系统启动值T_bw时，集放系统关停潜水泵(7)，集热结束；

(2)夜间放热过程

1)设置放热系统启动条件：在自动控制系统(8)中，设置某一模面温度值T_b2及某一水温T_w2与模面温度差值T_wb为正作为启动条件；

2)放热启动：夜间，室内气温不断降低，通过水温传感器(9)、模面温度传感器(11)监测达到设置的放热启动条件时，启动运行潜水泵(7)，放热开始；

3)放热过程：放热系统启动后，蓄热水池(6)中的水不断流过集放热器(1)，将日间蓄积的热量通过集放热器(1)表面与空气的对流、辐射等换热作用传递给室内空气，再返回蓄热水池(6)中；通过水的不断循环，蓄热水池(6)水温逐渐降低，从而将日间收集的能量释放到空气中，实现集放热系统在夜间的放热加温作用；

4)放热结束：当模面温度值不高于集放热系统启动设置值T_wb，或者水温T_w2与模面温度T_b2差值不高于集放热系统启动设置值T_wb，集放热系统关停潜水泵，放热结束。