用于温室的太阳能水柱系统：热性能、除湿能力及经济分析

《Renewable Energy》：A solar water column system for greenhouses: Thermal Performance, Dehumidification capacity and Economic analysis

利用高密度聚乙烯水柱被动储存白天太阳能及余热，夜间通过热对流释放热量并同步除湿，在-18.3°C至-0.7°C低温下使温室最低温提升2.9°C，湿度降低8.7%，热效率达34.08%和95.7%。通过三角函数优化安装位置，响应面法优化水柱位置、薄膜厚度和控时参数，系统投资回收期1.26年，兼具经济性与环保性。

　　

夏天阳|刘芳|李可茹|林天池|何明|李一鸣|刘星赣|李天来

中国教育部沈阳农业大学保护园艺重点实验室

摘要

太阳能温室夜间温度结合高湿度容易引发作物疾病。现有的主动加热系统能耗过高，而被动系统的功能有限且缺乏经济高效的解决方案。为了提高太阳能利用率并增强寒冷地区的适应性，本研究提出了一种仅利用多余空气热能和太阳辐射的被动加热系统，该系统采用高密度聚乙烯水柱，无需电力即可运行。它同时解决了寒冷地区温室中的加热和除湿问题。通过三角计算确定了系统的最佳宽度，并应用响应面方法优化了水柱位置、薄膜厚度和控制时机等参数，同时对系统性能进行了经济和环境分析。田间试验表明，这种新型系统的集热效率为34.08%，散热效率为95.7%。最低温度提高了2.9°C，相对湿度降低了8.7%，蒸汽压差稳定在0.44至0.51 kPa之间。投资回收期为1.26年。这种新型湿热管理系统通过被动设计实现了热性能、除湿效果和经济可行性的平衡，为寒冷地区温室的低碳冬季栽培提供了可行的解决方案。

引言

太阳能温室是专为冬季种植需热作物设计的农业结构，具有隔热、太阳能加热和高效集光等功能[1]。与传统的露天种植相比，冬季在温室中种植可以在保持最佳温度条件下提高作物产量和产品质量[2]。由于高纬度地区冬季温度较低，温室管理者通常在中午通风以减少热量积聚和过度湿度[3]。夜间，室外温度低阻碍了有效的除湿[4]。同时，温室内的高相对湿度降低了作物蒸腾效率，增加了植物病害发生的可能性[5]。在高湿度条件下，病原体繁殖更快，从而增加了霜霉病和灰霉病爆发的可能性[6]。此外，高湿度还会加速金属腐蚀和塑料降解，缩短产品寿命并增加维护成本[5]。

夜间湿度增加的主要原因是环境温度差异、植物生理活动以及通风不足[7]。温室夜间湿度增加主要是由于空气温度与其容纳水蒸气能力之间的反比关系[8]。当室内空气温度降至露点时，空气中的水蒸气开始凝结成微小液滴，导致相对湿度上升[9]。此外，温室内外土壤和植物表面的水分蒸发，加上有限的通风和封闭结构，导致水蒸气积聚，进一步增加了相对湿度[10]。为了减少夜间高湿度对作物生长的负面影响，应实施适当的温度和湿度调节策略。

当前研究表明，温室除湿技术可以分为四大类：基于通风的除湿、基于加热的除湿、基于冷凝的除湿和基于干燥剂的除湿[11]。基于通风的除湿可以通过自然通风系统（如天窗或排风扇）或机械通风实现[12]。这些方法利用室内外空气的温度差促进水蒸气交换，使基于通风的除湿成为最节能的方法之一[13]。研究表明，温室中的日间通风可以在10到15分钟内将室内相对湿度降低40%以上[14]。然而，冬季夜间低温阻碍了温室的有效通风。因此，通常使用热泵空调（利用冷凝或加热）和化学干燥剂来降低湿度[15]。安装在温室天花板上的低悬挂除湿器可以在21.51分钟内将相对湿度从90%降低到70%[16]。通过将多孔混凝土与通风盘管结合使用，可以在通风条件下迅速将湿度降低20%[17]。利用多余空气热能（SATE）的多功能空调系统将夜间最低温度提高了2.8°C，同时将相对湿度降低了13.2%[18]。此外，将地下热交换系统与复合固体干燥剂结合使用，可以将夜间相对湿度从96.5%降低到83.6%[19]。结合热泵和水箱的主动空气源热储存和释放系统可以将空气温度提高2到3°C，湿度降低20%[20]。安装在北墙上的太阳能水帘加热系统通过在白天储存热量并在夜间释放热量，将空气温度提高3.6°C，相对湿度降低6%[21]。结合热泵和埋设管道的主动空气源加热系统可以将温度提高6.3°C，相对湿度降低8.7%[22]。屋顶铜管太阳能热交换系统可以在冬季将室内温度提高4°C，相对湿度降低22%，同时使西葫芦成熟期提前16天[23]。上述研究结果表明，热泵空调、化学药剂和太阳能加热系统都能有效降低温室湿度。表S1总结了部分结果的详细信息，包括加热性能和除湿性能。

基于上述研究，仍有四个挑战尚未解决。首先，主动系统通过电能消耗实现加热和除湿，但能源效率低且成本高。其次，空间优化不足，缺乏结合热储存和北墙隔热的集成设计。传统热储存介质的热效率低，而化学除湿剂存在安全隐患且成本高。最后，以往的研究仅关注系统性能，往往忽略参数优化或仅进行单因素优化。例如，仅优化遮阳而不考虑储存材料特性和运行时间之间的协同作用，无法确定最佳配置。鉴于寒冷地区温室显著的昼夜温差、夜间高湿度需求以及运营成本的敏感性，目前仍缺乏能够有效应对这些挑战的低成本加热和除湿系统。

本研究的目的是开发一种低能耗的加热和除湿系统，以优化成本效率和空间利用。通过结合三角函数和响应面分析，系统最佳安装位置和参数配置得到了系统地确定。通过与其他系统的投资回收期进行比较并进行成本敏感性分析，确定了经济可行性。冬季田间试验验证了系统的性能，并量化了其减排效果，从而展示了明显的环境效益。这些结果为寒冷气候下冬季农业生产的低成本加热和除湿提供了可行的解决方案。

本研究的具体重点是提出在温室北墙安装被动加热水柱，以优化空间利用。该设计创新地将高密度聚乙烯（HDPE）水储存集成到温室北墙结构中（太阳能水柱系统，SWCS），从而结合了热能储存和北墙隔热的功能。这种方法不同于依赖单独热泵或空调单元进行加热和除湿的传统加热方法。它在运行过程中不消耗能量，同时满足空间优化和成本降低的双重需求。此外，本研究还考虑了温室结构对北墙的遮阳效果。通过三角计算，确定了所提系统的最佳安装位置。这解决了以往北墙加热装置铺设在整个表面上导致某些装置效率降低的问题。考虑到性能受安装位置、材料厚度和隔热层封闭时间的影响，响应面方法可以优化多个独立参数。通过根据计量设备初始投资和冬季试验的收益效益计算系统的投资回收期和碳排放，结果表明该系统可以在冬季实现气候稳定性和经济可行性之间的平衡。

部分摘录

材料与方法

本研究方法的新颖性体现在三个方面：设计、结构优化和性能评估。在设计方面，采用高密度聚乙烯（HDPE）材料构建水储存柱，利用白天的剩余空气热量和被动太阳能热储存来消除主动能耗。在结构设计中，通过三角优化来确定水柱的位置。

SWCS在温室中的热性能

为了评估SWCS的有效性，在冬季最寒冷的时期（12月12日至12月19日）进行了为期7天的实验。北墙的日峰值太阳辐射在316至614 W m^?2之间变化，而室外空气温度在?18.3至?0.7 °C范围内波动（图5a）。平均夜间最低温度比传统未加热温室高2.9 °C。水温度在

SWCS的优势

本研究中提出的太阳能水柱加热系统（SWCS）以被动模式运行，既不需要电力也不需要化石燃料。它通过在白天吸收太阳辐射和多余空气热能（SATE）来储存热能，然后在夜间通过对流释放这些热量，这一过程由水柱与周围空气之间的温差驱动。这使得整个过程中无需外部能量输入即可实现高效的热循环

结论

本研究中提出的太阳能水柱系统（SWCS）有效解决了寒冷地区冬季温室“低温和高湿度”的核心问题。通过被动的热量收集和释放循环，即使在室外温度在?18.3至?0.7 °C之间，该系统也能保持温室内的稳定温暖环境。它实现了平均每日3.94 MJ m^?2的热量收集和3.77 MJ m^?2的热量释放，同时控制了夜间相对湿度

CRediT作者贡献声明

夏天阳：撰写——初稿。刘芳：数据整理。李可茹：正式分析。林天池：项目管理。何明：撰写——审阅与编辑。李一鸣：撰写——审阅与编辑。刘星赣：资源获取、资金筹集。李天来：资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划项目（2024YFD2001005-05）和中国农业研究系统（CARS-23）的支持。