东北地区温室生物质能量供给系统及控制方式研究

论文摘要

目前我国东北的区总人口超过一亿人,每年蔬菜消耗量上百亿公斤以上,冬季大部分蔬菜依赖南菜北运,浪费了大量的人力和物力。主要原因是因为东北地区温室的利用率不高,目前结构最好的温室,在12月份至1月份不加温时温室内外只能保持25℃温差,10月份之前和4月份之后温室内不通风情况下会远远超过35℃,所以东北地区的温室因低温或高温等原因大部分时间处于半闲置状态。有效地提高我国温室的周年利用率及降低单位生产能耗,是温室生产面临的突出问题。本研究针对目前东北农村现状,从工程热物理学角度出发,对温室各组成部分全年的传热传质特性进行了实验和分析。研究首先对温室周边地下土壤的传热特性进行了测试分析。温室周边地表与外界直接连通,是温室热量散失的主要途径,实验结果表明普通温室内周边约有20%区域作物生长缓慢。研究中对温度变化、热量传递特性进行了综合测试,建立了土壤的换热三维非稳态传热模型。目前广泛使用的生物反应堆具有多孔结构,可以有效隔离地下热流传导,但是由于东北地区冬季温度过低,生物质反应堆无法起动,本研究提出的可控温度生物反应堆技术可以随时加温起动,超温时可以通过降温减缓其反应速度。实验结果表明使用厚度40cm,深度40cm左右的生物反应堆性价比较高,温室内低温区域从20%左右减小到3%左右。对比实验表明,在温室支撑墙上覆盖可控温度生物反应堆也具有有效温度控制作用,本研究设计的多孔夹层可控制温度生物反应堆覆盖的中空苯板隔热型支撑墙结构,使支撑墙具有放热和吸热双重功能。与普通砖墙结构对比实验表明,此模型增加调控制温度范围±3℃以上,同时,由于空气中水蒸气被可控温度生物反应堆吸收,温室内湿度降低15%以上。对土壤及温室墙体的传热传质模型实验结果分析表明,采用上述改进措施后,温室温度可提高5℃左右,但在极低温度季节仍不能满足生产需求,而春、夏、秋三季光照充足时需要降温,多余的热量无法保存。通过对热交换管换热效率相关理论的研究发现,在壁面设置粗糙元增加壁面湍流度,可有效提高换热效率,实验表明在无热泵机组的情况下,在温室地下2米以下设立苯板隔温储能池,铺设一层粗糙壁面地热交换管,当棚内温度过高时,启动循环泵,导热管与地下蓄温系统连通,将温室内过多的热量传入地下。当温室温度过低需要增温,通过循环系统将地下的热量传回温室。春季和秋季白天的储能可以与夜间平衡,夏季的储能可以与冬季平衡。本研究还设计了一种计算机控制的三次催化裂解生物质气化炉,用于在极端低温寡照天气情况时对温室增温或增加CO2浓度。最后综合应用生物质气化炉、有机无土栽培技术、可控生物反应堆及无压缩机地下热量储取交换系统构建了基于生物质的东北地区温室专家系统模型,编制了基于BP神经网络的专家控制系统,栽培了紫花宝西红柿,并对其进行了一个生产季度的试验研究及性能优化,实验表明系统控制特性可以满足吉林省地区的蔬菜冬季生产对温度、CO2浓度、湿度要求。该系统是基于虚拟仪器软件平台LabVIEW开发的,具有人机交互界面及数据学习系统,定期向操作人员进行界面沟通,询问控制结果根据用户的评价更新控制系统的控制方式路线。采用以上系统后,温室实现了超低排放,基本上实现了封闭型植物生产系统,减少了开启通风装置放风次数,隔绝了外界病虫害的影响,大大减少了农药化肥的使用量,在节能减排的同时实现了有机蔬菜的全年生产。同时由于专家系统的使用,减少了不确定性因素对人工操作的影响,使温室蔬菜的生产操作难度大幅降低,生产效率有效提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国外温室研究现状及发展趋势
• 1.2.1 国外温室控制系统的研究现状
• 1.2.2 国外温室控制系统的发展趋势
• 1.3 国内温室研究现状及发展趋势
• 1.3.1 国内温室控制系统的研究现状
• 1.3.2 国内温室控制系统的发展趋势
• 1.4 传热传质理论在温室研究中的应用
• 1.4.1 多孔介质传热传质理论
• 1.4.2 换热器传热传质理论
• 1.5 人工智能在温室中的应用
• 1.5.1 人工智能应用现状及发展
• 1.5.2 温室应用人工智能控制的现状
• 1.5.3 温室控制应用人工智能控制的目的和意义
• 1.6 本文的主要研究内容及章节安排
• 第2章 温室各组成结构热能传导途径及隔离方法研究
• 2.1 多孔介质传热特性研究
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 非饱和多孔介质传热与流动的控制方程
• 2.1.3 非饱和多孔介质输运机制
• 2.2 隔离区温度特性研究
• 2.2.1 无隔离层三维热传导模型建立
• 2.2.2 非控制性生物反应堆隔温特性研究
• 2.2.3 可控温度生物反应堆隔温特性研究
• 2.3 中空苯板可控生物反应堆夹层型支撑墙传热特性研究
• 2.3.1 多孔结构设计
• 2.3.2 吸热及放热特性研究
• 2.4 棚膜角度及结构研究
• 2.5 本章小结
• 第3章 无热泵地下储能系统研究
• 3.1 引言
• 3.2 浅层地源热利用原理及现状
• 3.2.1 浅层地源热利用原理
• 3.2.2 浅层地源热利用现状
• 3.3 热交换管结构设计
• 3.3.1 换热器的选型
• 3.3.2 换热器的强化换热方法
• 3.4 表面加工换热管效果测试
• 3.4.1 数据分析方法
• 3.4.2 实验数据对比
• 3.5 地下储能性能分析
• 3.5.1 地下土壤状态及水含量垂直分布状态
• 3.5.2 无热泵地下储能系统的特点
• 3.5.3 无热泵地下储能系统的结构
• 3.6 本章小结
• 第4章 远程控制三次催化裂解气化炉
• 4.1 引言
• 4.2 生物质制热方法
• 4.2.1 生物质直接燃烧法
• 4.2.2 生物质热化学转化
• 4.2.3 其它生物质转换技术
• 4.3 生物质催化裂解
• 4.3.1 国内外生物质气化研究现状
• 4.3.2 国内外生物质催化裂解研究现状
• 4.3.3 催化剂的选用
• 4.4 远程控制三次催化裂解气化炉设计
• 4.4.1 炉体设计
• 4.4.2 性能测试
• 4.4.3 远程控制系统
• 4.5 本章小结
• 第5章 传感器研究
• 5.1 引言
• 5.2 土壤水分传感器
• 5.2.1 单片平板式电容理论分析
• 5.2.2 不同规格单片平板式电容试验板
• 5.2.3 单片平板式电容试验板处理电路
• 5.2.4 土壤水分电容叉齿与测量关系分析
• 5.3 空气湿度传感器
• 5.4 本章小结
• 第6章 温室专家控制系统及实验结果分析
• 6.1 引言
• 6.2 输入输出隶属函数表
• 6.2.1 室内温度隶属函数关系表
• 6.2.2 栽培基质湿度隶属函数关系表
• 2浓度隶属函数关系表'>6.2.3 CO₂浓度隶属函数关系表
• 6.2.4 光照度隶属函数关系表
• 6.2.5 保温被开启程度隶属函数关系表
• 6.3 温室总体结构硬件设计
• 6.4 有机无土栽培环境
• 6.5 控制软件设计
• 6.5.1 BP神经网络
• 6.5.2 软件系统结构
• 6.5.3 虚拟仪器LabVIEW实现
• 6.6 实验结果分析
• 6.6.1 温室内部温度控制
• 6.6.2 土壤湿度的控制
• 2浓度的控制'>6.6.3 CO₂浓度的控制
• 6.7 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 研究工作总结
• 7.2 创新点
• 7.3 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间研究成果