一种半圆温室太阳能烟囱送风装置的制作方法

本发明涉及一种进行冬季增温保温的送风装置，具体是一种半圆温室太阳能烟囱送风装置。

背景技术：

温室是一种重要的现代农业措施，同时也是一个复杂的微环境生态系统，因此需要适宜的作物环境以适应其生长。常见的温室常采用在竹木结构或者钢结构的骨架上面覆上一层或多层保温塑料膜的人工框架覆膜结构。与温室效应相同，该薄膜在夜晚阻止了大量的温室内长波辐射，这样就形成了独立的温室空间使其内日间和夜晚都能具有良好的温度保障；此外，外膜能够有效地阻止果蔬呼吸作用所产生的二氧化碳的流失，促进植物的光合作用。因此，温室可以不受室外气候条件限制，人为的创造适宜果蔬生长的微气候环境，可调整果蔬生产季节，促进果蔬反季节生产。然而，在寒冷天气情况下，由于常规覆盖膜较薄，导热系数大，导致温室内散热较快，大多数情况下在冬季温室内无法达到果蔬生长所需的温度范围。

目前，对上述问题的解决办法大多是覆盖外加保温层来减少热损失，以覆盖草苫为常用方式。但加盖这些不透明材料不仅会降低日间的入射太阳辐射，进而影响植物进行光合作用，从而导致作物对干物质累积速率降低，作物生长收到抑制。此外，还有采用太阳能烟囱的方式，但这种方式下，由于常规的温室的结构特点是长度较长，太阳辐射早晚分布不均，使得热量沿温室长度分布不均，造成温室内果蔬生长区受热不同，从而影响其生长的一致性。

技术实现要素：

针对上述现有技术的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种温室太阳能烟囱送风装置，保证温室在冬季寒冷天气及阴天能够使其作物所需微环境，实现大跨度作物生长的一致性。

为实现上述技术任务，本发明采用下述技术方案予以实现：

一种半圆温室太阳能烟囱送风装置，包括设置在半圆形温室平面墙体上的太阳能烟囱、太阳能烟囱下端的室外进风口，以及其上端与墙体侧壁上端相通的室内进风口；同时，还包括在温室顶部设置的至少两个半圆形送风口和温室弧面墙体底部的排风口；所述送风口的出风处截面积从室内进风口处至远离室内进风口处依次增大；送风口平行于温室大棚顶部设置。

进一步的，所述送风口能够整体沿竖直方向上下移动。

进一步的，所述送风口共有15个，它们呈三列布置，从靠近太阳能烟囱一端开始的每列的送风口个数依次为六个、五个和四个。

进一步的，所述第二列送风口中的两个和第三列所有送风口的边线方程如下：

x＝5.21+0.008y+0.07y²

式中：x、y分别为温室内坐标，m。

进一步的，第一列风口距离室内进风口一侧为l/5，其余两列送风口之间间隔4l/15，每列内送风口的间距为w/6，其中，l表示温室的长度，取半圆温室的半径，w表示温室的宽度，取半圆温室的直径。

进一步的，第一列送风口、第二列送风口、第三列送风口中心距离室内进风口分别为3m、7m、11m；每列内各送风口的距离为5m；送风口的安装高度为9.5m。

进一步的，所述三列风口直径的关系如下，即l2＝1.25l1、l3＝1.875l1，l1、l2、l3分别为第一、二、三列送风口的直径。

进一步的，所述第一、二、三列送风口的直径分别为400mm、500mm和750m。

进一步的，所述第一列送风口的送风速度为：

所述第二列送风口的送风速度为：

所述第三列送风口的送风速度为：

式中，v1，v2，v3分别为第一、二、三列送风口的送风速度。

本发明旨在寒冷季节室外气候条件下，通过太阳能烟囱效应为温室送风，以补充温室由薄膜减少的热损失，同时提高作物生长取的热量分布均匀度，进而实现温室内环境控制。本发明的优点具体如下：

1、采用被动式太阳能技术，保证果蔬在冬季寒冷条件下生长的微环境，以适合其在冬季正常生长。此外，本发明采用清洁的可再生能源太阳能，利用热压驱动加热温室内空气，与采用传统能源相比，可大大节省能源和动力消耗。

2、为保证温室内果蔬生长区受热均匀，本发明沿温室长度方向上设置三列大小不同的多个半圆形送风口，保证每列风口送出的总热量一致。同时，与采用同等大小的送风口相比，采用不同大小的风口动力驱动垂直射流的风机需要的总动力减小。

3、本发明结合温室内部送风口高度处的温度场，研究了其温度梯度分布，并对部分送风口的边线进行了优化，确立了其边线方程，优化的风口较原先的风口使得在保证生长去温度情况下送风量减小，降低噪音的同时实现了送风装置的节能化，并对解决温度沿温室长度分布不均的问题更具有优越性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。(a)为本发明的总的结构示意图，(b)为太阳能烟囱通风示意图；

图2为本发明的温室太阳能烟囱送风装置的三视图；(a)为主视图，(b)为侧视图，(c)为俯视图；

图3为温室太阳能烟囱送风装置送风口布置图；

图4为温室太阳能烟囱送风装置球形喷口与半圆形送风口轴心速度对比图；

图5为温室太阳能烟囱送风装置送风口安装高度处温度分布图；

图6为温室太阳能烟囱送风装置立面速度分布对比图，(a)为无送风口速度分布图；(b)为增加送风口后速度分布图；

图7为送风口和优化送风口温度分布图，(a)为送风口原图；(b)为优化送风口图；

图8为有无送风口工况下作物区温度曲线图。

具体实施方式

本发明的主要思路是：利用太阳能烟囱通风原理，通过在半圆形温室的平面的一侧(如图1)墙体上搭建太阳能烟囱，并设置室外进风口1、室内进风口3和排风口5，这种方式依据热压作用下的自然通风原理，以太阳辐射对太阳能烟囱内空气产生的密度差为流动的驱动力，将辐射热能转化为空气动能，以增大空气压头将受热空气送入烟囱顶部，通过室内送风口3直接送入温室内部。上述方案虽然补充了一定的热损失，保证了作物在冬季寒冷条件下生长的微环境，但由于当由太阳能烟囱加热的空气进入温室内，其会漂浮在顶部，并且在温室长度方向上有速度和温度的衰减，因此本发明在温室顶部沿长度方向上(如图1)，根据送风口下送气流垂直温差射流轴心速度，设置了不同大小的多个半圆形送风口，同时确定不同送风口的压力，并结合温室内温度场对送风口4进行优化设计，以保证由送风口4向下送出的热流热量相同，实现整个温室微环境控制的均匀性。

参见图1，本发明提供了一种半圆形温室太阳能烟囱送风装置包括设置在半圆形温室平面墙体上的太阳能烟囱2、太阳能烟囱2下端的室外进风口1，以及其上端与墙体侧壁上端相通的室内进风口3；同时，还包括在温室顶部设置的至少两个半圆形送风口4和温室弧面墙体底部的排风口5；所述送风口的出风处截面积从室内进风口处至远离室内进风口处依次增大；送风口平行于温室大棚顶部设置。

上述技术方案通过利用太阳能烟囱热压驱动的特点，将太阳能加热的热空气通过太阳能烟囱送入温室内，并在温室顶部设置不同尺寸的半圆形送风口4，送风口与温室顶面相似，使送风口形状与室内流场吻合，有利于减小送风对气流的扰动，提高温度分布均匀性，同时控制送风口4的风机采用不同送风速度向温室内送风，在满足果蔬生长区的风速要求的同时使得的风机总动力降低，不同的送风口尺寸也保证了寒冷季节送入温室室内热量的均匀性。因此，上述技术方案利用太阳能烟囱的热压效应，通过室内进风口3及温室顶部的送风口4对温室内送热风，弥补了冬季温室内热量的不足，为果蔬提供较好的生长微环境。

本发明根据《温室加热系统建设设计规范》，对太阳能烟囱2的设计如下：首先确定需要加热的空气量，即所需加热的温室的体积与换气次数乘积。本发明换气次数按《温室加热系统建设设计规范》取1次/h。为保证太阳墙系统的初投资的经济性，又能获得较高的加热温度，在选择单位面积太阳墙板通过的空气量时，一般取30～50m³/h·m²。因此，根据以上数据来确定太阳墙板的使用面积，太阳墙板面积＝需要加工的空气量/单位面积太阳墙板通过的空气量。

优选的，所述送风口4共有15个，它们通过承重装置6安装在温室顶部，承重装置6采用架体。

经试验，送风口4的个数为15个且呈三列布置时，使得温室内的热分布更加均匀；同时，15个送风口已经能够满足温室内微环境要求，布置过多个送风口将会造成作物生长区过热及资源浪费。

为保证在冬季寒冷条件下温室内果蔬更好地生长，本发明的重点是上述多个大小不同的送风口4作为一个整体对温室内进行的微环境控制，产生均匀性高的热流。本发明通过以下过程确定各个送风口送风速度、出风热量以及风口形式的优化。

1、送风口的送风速度、出风热量的确定

首先，等温射流的轴心速度可表示为如下形式：

式(1)中：

v0-送风口风速，m/s；

vm-等温射流轴心速度，m/s；

a-紊流系数，圆形喷管为0.08，条缝形喷口为0.11～0.12；

s-射流射程长度，m；

r0-送风口半径或当量半径，m；

本发明中，需要对非等温射流轴心速度进行计算，计算公式的推导是建立在前苏联r.h.阿勃拉莫维奇所得到的有关研究成果基础上的，当射流存在温度差时，非等温差射流要比等温射流多一个因流体密度差而引起的浮力项。因此，由作物区引起的空气温差具有上升的加速度am：

式(2)中：

am-气流上升加速度(m/s²)；

ti-射流在第i列送风出风口处的绝对温度，k；

th-射流在生长区0.1h高度处的加权平均绝对温度，k；

δt0-＝ti-th-第i列送风口处射流温差，k；

g-重力加速度，m/s²。

因此，在非等温射流中需要对射流轴心速度vm进行修正。对于非等温射流vm'，设其轴心速度改变量dvm'，针对方向向下的射流，该射流的加速度为对等式两侧进行时间积分可得到垂直向下温差圆射流轴心速度的计算式：

对于半圆形风口，射流会很快从半圆形发展为圆形，可按照圆形射流处理；当风口为半圆形时，应以半圆形风口的当量半径r0＝0.565l代入圆形射流的计算式中计算，l为半圆形直径。最终的垂直向下温差射流轴心速度表示为如下形式：

查阅《实用供热空调设计手册第二版》可知，球形喷口的紊流系数为0.08，对于式(4)中紊流系数a的确定，则是通过在等温射流工况下进行实验测试，对比了采用球形喷口与采用本发明提出的半圆形送风口4射流轴心速度，如图4所示，可推出本发明提出的送风口4所对应的紊流系数值为0.14。故将a＝0.14带入式(4)可得到式(5)：

三列风口之间存在一定的耦合关系，不可独立求解，为了确定送风口的送风速度，仍需预先确定送风口面积和风口处温差。根据送风口常用规格尺寸，结合温室长度方向的温度场变化，在0.95h(h表示温室高度)高度处设置15个不同大小的半圆形送风口4(见图1)，并为它们装设送风机。在距离太阳能烟囱2的一侧布置6个送风口，其后每列减少一个，共布置三列，从靠近太阳能烟囱开始的每列的送风口个数依次为六个、五个和四个，编号依次为第一送风口4-1、第二送风口4-2、第三送风口4-3、……、第十五送风口4-15。第一列送风口基于吊装安全性与送风均匀性考虑，距离太阳能烟囱出风口l/5(l表示温室长度)，其余送风口之间间隔4l/15排列，每列的送风口之间间距为w/6(w表示温室宽度)布置，如图3所示。

以下分别进行确定每列风口出风速度：

(1)确定第一列风口的出风速度：

对采用太阳能烟囱的温室在无送风装置的情况下的室内流场进行数值仿真模拟，得到温室内的温度场分布；截取送风口安装高度处沿温室长度方向的截面温度场云图，得到沿温室长度方向的温度分布规律符合expdec3曲线分布样式，其函数表达式为：

式中：x为送风口沿温室长度的位置坐标(方向为从室内送风口3到排风口5)，m；l为温室长度，m；t1沿温室长度方向上绝对温度，k；

将式(6)中的t1作为流射在送风口处的绝对温度代入式(5)，得到生长区内的射流轴心速度：

由无送风装置的情况下的室内流场数值仿真模拟计算，得到生长区0.1h高度处的加权平均温度th，取为309.6k；且根据温室内对于生长区风速的要求，在生长区高度处的射流轴心速度vm'取为1m/s，第一列风口布置在l/5处(即x取l/5)，利用式(7)计算得第一列出风口处的出风速度v1，具体表示如式8：

在温室内布置送风口需达到均匀送风的要求，为了使不同安装位置处的送风口送出的热量达到均匀，即不同位置送风口的送风热流量相同，则沿温室长度方向需设计不同尺寸大小的送风口，以保证温室内温度场分布均匀。根据热量计算公式，得到第一列送风口处送风热量的计算式：

式中：

c-比热容，j/kgk；

m-送风质量，kg；

δt-送风温差，k；

ρ-空气密度，kg/m³；

l1-第一列送风口直径，m；

v1-第一列送风口风速，m/s；

th-射流在生长区1m高度处的绝对温度，k；

x-送风口沿温室长度方向的位置坐标，m；

l-温室长度，m。

(2)确定第二列风口的出风速度：

对采用太阳能烟囱的温室在布置有第一列送风口时的室内流场进行数值仿真模拟，得到温室内的温度分布。并提取送风口安装高度处沿x方向的温度分布，得到沿温室长度方向的温度分布规律符合expdec3曲线分布样式，其函数表达式为：

式中：x为沿温室长度方向的位置坐标，m；l为温室长度，m。

将式(10)中的t2作为射流在送风口处的绝对温度，代入式(5)，得到生长区内的射流轴心速度：

式(11)中，由无送风装置的情况下的室内流场数值仿真模拟计算得到生长区0.1h高度处的加权平均温度th，取为309.6k；并且根据温室内对于生长区风速的要求，在生长区高度处的射流轴心速度vm'取为1m/s，第二列送风口布置在7l/15处(即x取7l/15)，由(11)式计算得到第二列送风口处的出风速度v2，如式12所示：

在温室内布置风口需达到均匀送风的要求，为了使不同安装位置处的送风口送出的热量达到均匀，即不同位置送风口的送风热量相同，本发明沿温室长度方向设计不同尺寸大小的送风口，以保证温室内温度场分布均匀。根据第一列送风口与第二列送风口处的送风热量相等，可得：

q1＝q2

式中：

c-比热容，j/kgk；

m-送风质量，kg；

ρ-空气密度，kg/m³；

l1-第一列送风口直径，m；

l2-第二列送风口直径，m；

v1-第一列送风口风速，m/s；

v2-第二列送风口风速，m/s；

th-射流在生长区1m高度处的绝对温度，k；

x-送风口沿温室长度方向的位置坐标，m；

l-温室长度，m。

求解式(13)，可得出第二列送风口直径l2，如式14所示：

l2＝1.25l1(14)

由此得到满足沿温室长度方向不同位置处，保证送风热量相同下，不同风口尺寸间的对应关系。

(3)确定第三列风口的出风速度：

对采用太阳能烟囱的温室在布置有第一、第二列送风口时的室内流场进行数值仿真模拟，得到温室内的温度场分布。并提取送风口安装高度处沿x方向的截面温度分布，得到沿温室长度方向的温度分布规律符合expdec1曲线分布样式，其函数表达式为：

式中：x为沿温室长度方向的位置坐标，m；l为温室长度，m。

将(15)式中的t3作为射流在送风口处的绝对温度，代入(5)式可得到生长区内的射流轴心速度计算公式，如下所示：

式(16)中，由无送风装置的情况下的室内流场数值仿真模拟计算得到生长区0.1h高度处的加权平均温度th，取为309.6k；并且根据温室内对于生长区风速的要求，在生长区高度处的射流轴心速度vm'取为1m/s，第三列送风口布置在11l/15处，因此x取值为11l/15，由(16)式计算得到第三列送风口处的出风速度v3，具体形式如式17所示：

在温室内布置风口需达到均匀送风的要求，为了使不同安装位置处的风口送出的热量达到均匀，需沿温室长度方向设计不同尺寸大小的送风口，以保证温室内温度场分布均匀。根据第一列送风口与第三列送风口处的送风热量相等，可得：

q1＝q3

式中：

c-比热容，j/kgk；

m-送风质量，kg；

ρ-空气密度，kg/m³；

l1-第一列送风口直径，m；

l3-第三列送风口直径，m；

v1-第一列送风口风速，m/s；

v3-第三列送风口风速，m/s；

th-射流在生长区1m高度处的绝对温度，k；

x-沿温室方向的位置坐标，m；

l-温室长度，m。

求解式(18)，可得出第三列送风口直径l3，如式19所示：

l3＝1.875l1(19)

由此得到满足沿温室长度方向不同位置处，保证送风热量相同下，不同风口尺寸间的对应关系。

至此，根据本发明修正后的垂直温差射流轴心速度的计算式，得到了送风口的速度分布。同时采用递推的方法，结合太阳能烟囱温室在无送风口4的情况下的温度场分布，从前一个送风口参数推出后一个送风口参数，最终确定沿温室长度方向不同位置风口尺寸之间的函数关系，平衡送风热量，实现均匀送风。

2、送风口形式的优化

根据风机的流量-压力特性曲线可知，送风口速度与送风机压力存在一定的函数关系，进而可根据射流流速和射流横断面积计算射流流量，从而算出送风口处的压力。另外，本发明还对送风口风速、压力已定情况下，结合流场温度分布特性，对位于第二列的第八送风口4-8、第九送风口4-9和第三列所有送风口边缘线分别进行了优化。具体方法如下：

首先，对采用太阳能烟囱的温室在未布置送风口4工况进行数值仿真模拟，得到温室内的温度场分布，提取送风口4安装高度处的温度分布云图。由温度分布云图可知，在送风口4布置处，整个温度场存在较大的温度梯度，各条温度等值线呈现出相同的分布规律，选取其中一条进行数据拟合，得到各条等温线的分布规律满足poly曲线的分布样式，优化后的送风口边线符合函数表达式(20)：

x＝5.21+0.008y+0.07y²(20)

式中：x、y分别为温室内坐标，坐标原点设置在温室底面半圆的圆心上，x轴的正方向由太阳能烟囱2一端水平指向排风口5，y轴垂直于x方向且平行于温室底面，z的正方向沿温室的高度方向向上。温室的长度、宽度方向分别为x、y方向，温室的长度l取值为温室半圆的半径，宽度w取温室半圆的直径。

根据公式q＝cmδt计算每个送风口的送风热量，其中，δt为送风口处温度加权平均值与生长区内温度加权平均值之差。由图5可知，送风口处温度梯度较大，导致长度方向后面各列送风口送风温度不断降低使得其与生长区的温差减小，为保证送风热量均匀，会造成送风量增大。为降低能耗，降低风机噪声，节约运行成本，在保证送风热量不变的前提下，将送风口边缘线与式20所述等温线重合，提高其加权面积平均送风温度，使送风温差提高，降低单个送风口的送风量的同时也减小送风口尺寸，实现风机降耗，风口耗材减少的双效节能。

优选的，在沿温室长度方向呈三列布置共15个送风口的方式下，第一列送风口、第二列送风口、第三列送风口距离室内进风口3分别为3m、7m、11m；每列中的送风口4间距为5m；送风口4的安装高度为9.5m，如图3所示。

优选的，送风口4均采用半圆形。优选的，第一、二、三列送风口的直径分别为400mm、500mm和750mm。

为了适应作物不同的生长阶段生长高度不同，所有送风口4能够整体沿竖直方向一定范围内上下移动。具体的，采用能够在竖直方向伸缩的承重装置6，优选的，可将承重装置通过多个伸缩杆安装在温室顶板的下方。所述伸缩杆可采用手动控制伸缩或自动控制伸缩，这种方式下，可以带动安装在承重装置6沿竖直方向在一定范围内上下移动，从而调整送风口4相对于作物的距离，以适应作物不同的生长阶段中不同的生长高度。

实施例：

本实施例中温室的直径30m，高10m。温室体积7065m³，换气次数根据《温室加热系统建设设计规范》取1次/h，因此太阳能板的大小根据温室体积与换气次数相除得到7065m3/h。风口形状与温室形状相同，根据发明内容中对不同位置风口直径的函数关系的推导，即l2＝1.25l1，l3＝1.875l1，本实施例中采用半圆形风口送风，预先设定第一列风口的直径l1为400mm，则根据不同位置风口直径的函数关系式可得，第二、第三列风口的直径分别为500mm、750mm。同时优化风口形状使之与等温线重合，风口外边缘曲线满足poly曲线的分布样式，其函数表式达为：

x＝5.21+0.008y+0.07y²

式中：x,y分别为温室内坐标。

本实施例中送风效果见图6，从图6可以看出，在没有安装送风装置时，生长区内速度较小，温室内上部热量不能有效输送至生长区内，没有足够的热量补给作物生长。增加送风装置后，温室上部热空气迅速进入生长区，可以为生长区提供适宜温度，进而为果蔬创造了一个合适的生长微环境。由图8可以看出，增加送风装置后两侧温度场分布更加均匀，整体温度提高，可有效改善生长区内的环境，保证冬季期间果蔬的正常生长。同时为满足节能要求，通过改变送风口装置形式，使之与等温线趋势相一致，如图7所示。原风口布置处温度梯度较大，使送风温度降低，改变形状后送风口送风温度提高，在保证风口送风热量相同的情况下，可以降低送风量，从而达到节能目的。在本实施例中可看出，增设太阳能烟囱和送风口装置能有效将热量较快地输送至生长区，送风口尺寸沿长度方向不断变化，可保证各个送风口送风热量一致，使得温室内温度分布均匀。此外，大小变化的送风口也能使风机总压降低，降低整个送风装置能量消耗。