水蒸气回收系统的结构特征的研究与推广方案

<p>水蒸气回收系统的结构特征的研究与推广方案</P> <p> </P> <p>摘要　根据地气温度差原理,设计了一个可安装在温室等农业设施内的水蒸气回收系统———地气热交换水蒸气回收系统,并对该系统的结构特征进行了实验研究.结果表明:地气热交换水蒸气回收系统的回收管道口径、长度和空气吸入量与水蒸气回收量成正比.</P> <p> </P> <p>关键词　设施农业 水蒸气 地气温度差</P> <p> </P> <p>利用大气中水蒸气资源的难点之一是大气中的水蒸气具有流动性,无法将其固定在一个封闭的空间内,因此,回收量少,工作效率低.如果大量的水蒸气被限定在一个固定的空间内的话,根据水汽相变的原理,就有可能使这部分水蒸气转化为水,而设施农业就为回收利用水蒸气资源创造了条件.本文将根据地气温度差原理,设计一个可以在农业设施中安装使用的水蒸气回收系统,并对这一系统的结构特征进行初步的分析和探讨.</P> <p> </P> <p>1　设施农业中水蒸气资源回收的意义和可行性设施农业也称保护地农业,是指在设施内(温室、大棚等)进行的作物、蔬菜、花卉、水果等生产活动.由于温室等农业设施在结构上具有封闭性,使得因土壤蒸发和植物蒸腾所产生的水蒸气被限制在有限空间内,温室内的相对湿度可以达到或超过100%.而长时间、持续地维持过高的空气湿度,不仅会对植株产生伤害,还容易诱发各种作物病害.目前控制温室内的空气湿度的主要方法有通风排湿,减少地面水分蒸发,减少薄膜、屋顶的聚水量,增加温度降湿等[1],而其中又以通风排湿使用得最普遍,效果最好.但由于通风必然带来降温,因此必须要在高温时段(中午前后)进行,这就造成了通风排湿在时间上受限制的特点,而且被排放掉的水蒸气是水资源的一部分,将其白白地放掉,也是在资源利用上的一种浪费.如何从技术上解决这一问题,对完善设施农业的环境调控技术是非常必要的.设施农业是与灌溉联系在一起的,如何提高设施农业中水资源的利用率,是设施农业面临的难题之一.除了开源节流(例如使用地下水、发展喷灌、滴灌等)之外,充分利用温室将大量水蒸气封闭在一个有限空间内的特点,将这一部分水资源(这部分水资源是经过土壤蒸发和作物蒸腾产生的,几乎不含任何污染成分,是非常宝贵的)有效地利用起来,显然会进一步提高设施农业的水资源利用率.这对促进我国的农业产业结构调整有积极的现实意义. </P> <p>目前我国的设施农业中95%以上是日光温室和塑料大棚,而日光温室中的灌溉技术仍以大水漫灌为主,有些地方的日光温室灌水量达到7 500 m3·hm2·a-1[2].如果按这种灌溉标准,以20世纪90年代末我国的设施栽培面积86万hm2来计算的话,每年设施栽培需要的灌溉用水量就可达到645×107m3,如果通过回收温室内水蒸气的方法提高水资源利用率1%的话,就可以节水645×105m3,相当于我国年均可利用水资源量的0.012 9%(我国年均可利用水资源量为5 000×108m3 [3]).</P> <p> </P> <p>2　水蒸气回收原理　</P> <p>对温室或大棚等农业设施来说,其顶部覆盖的玻璃或塑料薄膜在起到使热量易进难出作用的同时,也起到了使室内产生的水汽不易散逸的作用.温室内的相对湿度在白天可以达到85%以上,在夜间可达到100%(图1).这为水蒸气的回收利用奠定了基础. </P> <p>如何在温室内制造一个使水蒸气降温的过程,是实现温室内水蒸气回收利用的另一个关键.虽然在温室内发生的各种自然过程中没有这样一个使水蒸气自动降温的过程,但在温室内存在着可以使水蒸气降温的物理机制,这就是温室内气温和地中温度之间的温度差.地气温度差产生的原因主要在于温室的密闭性以及大气和土壤的增温机制不同.</P> <p>在一般情况下,地表面温度的日变化与太阳短波辐射的日变化基本同步,最高值出现在中午12时左右;近地面层空气增温的主要原因是要大气吸收了来自于地面的长波辐射,因此气温最高值出现的时间要落后于地面温度最高值出现的时间,大致在午后13时左右;地中温度上升的原因是地表面升温后热量逐渐向地中传导所致,而土壤的导热性能远比空气要差,因此地中温度最高值出现的时间要落后于地表面温度和气温.一般来说,在从地表到深度60 cm范围内,深度每增加10 cm,地中温度最高值出现的时间要落后2 h左右.10 cm地温最高值是16时,20 cm地温最高值是18时,30 cm地温最高值是21时[4]. </P> <p>正是由于地温(地面温度、地中温度)和气温在日变化上表现出的变动幅度、最高值最低值出现时间的差异,使得同一地点的地温和气温之间产生了温度差.这一温度差的大小随纬度、季节和时间的变化而有所不同,在温室和塑料大棚等农业设施内外也不完全一致.根据我们2001年11月6—8日在北京市通州区宋庄观测的结果(图2),日光温室内气温和20 cm地温的温度差在白天为正(气温>20 cm地温),最大值达到18.8℃,出现时间为13:00时;在夜间为负(气温<20 cm地温),最小值为-11.6℃,出现时间为06:00.如果将温室内聚集的水蒸气通过管道导入地下,在地气温度差的作用下,水蒸气就会被强制降温,从而使之发生凝结.3　回收系统的结构设计根据上述原理,我们设计了一个安装在温室或大棚等农业设施内可以进行水蒸气回收的系统.由于该系统利用了地气温度差原理进行地气之间的热量交换,故而称其为地气热交换水蒸气回收系统.图3是这一系统的结构设计图.系统由5个部分构成:能源供应部分1是指保证系统工作的能源供给,系统中需要消耗能源的只是通风扇和排气扇,且它们所耗能源较少,故而系统能源供应可采用多种形式,如太阳能电池、风力发电机、农电或市电等;空气吸入部分2是指安装在温室地表以上的、连接有排气扇的管道,其作用是将温室内的湿热空气吸入管道之中;地气热交换部分3是指埋藏在温室地表之下一定深度处(至少约40~50 cm,以不影响作物根系的生长发育为准)、呈倾斜状态的管道,其作用是使被吸入管道的温室内的暖湿空气在这里降温、凝结;水分回收部分4是指与地气热交换部分3相连接的集水装置(地下水窖或水桶),其作用是回收由地下管道流出的凝结水;通风部分5是指安装在温室内的、以促进温室内空气流动为目的的通风扇,其作用是使温室内的空气流向空气吸入部分2,增加进入回收管道的空气</P> <p>量. 地气热交换水蒸气回收系统的工作流程为:当温室内各种蒸发过程(土壤蒸发、植物蒸腾等)所产生的水蒸气被聚集在温室内时,空气吸入部分2和通风部分5开始工作.大量的暖湿空气通过空气吸入部分2的管道进入地气热交换部分3,由于地下管道内的温度要低于温室内的气温,被吸入的暖湿空气在这里损失热量降温,出现过饱和并凝结在管道的内壁上,凝结水顺着地下倾斜管道流进水分回收部分4,以便循环利用.</P> <p> </P> <p>4　回收系统结构的基本特征</P> <p>地气热交换水蒸气回收系统的运转试验于2001年11月—2002年4月在北京市通州区宋庄进行.试验所使用的温室为农户用于蔬菜生产的冀优Ⅰ型塑料日光温室,温室跨度5 m,全长40 m,脊高2 m,坐北朝南,后墙为直立式砖土结构,冬季一般在棚顶加盖草苫保温,严冬时利用室内火墙生火加温.试验中对系统地气热交换部分3的管道长度和口径、空气吸入部分2的排气扇的排气量大小与水蒸气回收量的关系进行了比较研究.</P> <p>4.1　不同管道口径对水蒸气回收影响的试验　不同管道口径对水蒸气回收影响的试验设计为:选择直径为160,100,75,50 mm 4种规格的PVC管材,呈直线形铺设在温室内,管道平均铺设深度为35~40 cm;管道地下部分长度为12 m,连接处均涂抹胶水粘牢,以保证没有水分渗漏;各管道之间的间距为0.5 m,湿空气吸入口距地面1 m,各管道湿空气吸入口处安装同一功率的排气扇,空气吸入量为1.4 m3·s-1. </P> <p>试验在2001年12月29日—2002年1月4日间进行.2001年12月30日和2002年1月3日早晨在温室内洒水0·1 m3,水蒸气回收状况如图4所示.从图4中可以看出,随着管道直径的减小,水蒸气日回收量呈递减趋势,即在同一湿空气吸入量的条件下,管道直径越大,水蒸气的回收量越高.其原因在于:当湿空气吸入量相同条件时,管道直径越大,管道内的空气流速就越慢,湿空气在管道内停留的时间就越长,由此造成湿空气温度降低幅度大,因此水蒸气凝结量也就越多.试验期间不同管径日平均回收量的变化也表现出同样规律(图5). </P> <p>4.2　不同管道长度对水蒸气回收影响的试验　不同管道长度对水蒸气回收影响的试验设计为:选择直径为160 mm、长度分别为12,10,8,6m的4根PVC管材呈直线形铺设在温室内,各管道湿空气吸入口处安装同一功率的排气扇,空气吸入量为1.7