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温室效应的表现范文

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温室效应的表现

第1篇

工业生产过程中排放的温室气体会造成全球变暖现象,但全球变暖与工业排放在时间上具有一定的滞后效应.通过分析地球、大气、太阳三者热平衡体系的辐射换热,建立了地球及其大气的动态数学模型;利用此模型考察了造成地球温度变化的主要原因和变暖滞后的现象.结果表明:工业温室气体的过度排放会造成大气对地球辐射的吸收系数提高,导致地球温度升高;同时,太阳辐射能量增加,地球和大气对太阳辐射吸收增加,导致地球温度升高.结合近年来人为因素造成的地球温度升高现象进行了定量热分析,预测了温室气体CO2体积分数线性增加条件下的地球温度走势.

关键词:

全球变暖; 辐射换热; 滞后现象

中图分类号:TM 124 文献标志码:A

Analysis of dynamic characteristics and hysteresis of global warming

HUANG Xiao-huang1, CUI Guo-min1, ZHANG Zhi-qin1, HUA Ze-zhao1, XU Jia-liang2

(1.Institute of New Energy Science and Technology,University of Shanghai for Science and Technology,

Shanghai 200093,China; 2.Shanghai Meteorological Bureau,Shanghai 200030,China)

Abstract:

The greenhouse gases generated by industrial production processes can result in the global warming.However, compared with the discharge of industrial waste gases, the global warming has a certain lag on time.Through an analysis of radiative heat transfer in the heat balance system of the earth, the atmosphere and the sun, a dynamic, mathematical model was established in this paper.The main reasons of changes in the earth’s temperature and the hysteresis of global warming were analyzed by this model.The results showed that an excessive discharge of industrial greenhouse gases can increase the atmospheric absorption of earth’s radiation and lead to an increase in the earth’s temperature.At the same time, the increase of solar radiation energy can raise the absorption of the earth and the atmosphere to the solar radiation and makes the earth temperature to rise.A quantitative analysis of the earth’s temperature rising phenomenon caused by human factors in recent years was carried out and the earth temperature change trend was predicted under the condition of a linear increase in the volume fraction of greenhouse gase CO2.

Key words:

global warming; radiative heat transfer; hysteresis phenomena

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次报告[1]表明,工业革命百年以来,全球温度平均升高了0.74±0.18℃.其产生的根源是由于人类活动造成温室气体浓度大幅提高的结果[2-3].地球上的温室气体主要包括H2O、CO2、CH4、N2O、O3以及氟氯烃等.其中水蒸气是体积分数最大的温室气体,但是由于其产生并非人为造成的,因此一般在探讨气候变暖时都不予考虑.而其它的温室气体,其浓度的变化都与人类的活动密切相关,因此是造成地球变暖的主要原因.目前,由于全球变暖的形势变得越来越严峻,由其产生的气候和环境问题也已经逐渐显现,因此,正确预测温室气体浓度及其产生的地球变暖,并据此给出人类排放的控制时间表,是目前解决环境保护与社会发展之间矛盾的首要问题.鉴于此,气象学家采用多种气候模型预测了地球未来的温度趋势,几乎都得到了令人不安的结果:如果不能有效地控制CO2的排放,到2100年地球表面温度可能再升高1.1~6.4℃.这将导致灾难性结果[1,4-5].

但是,尽管各种预测模型都得到了地球未来将升温的结论,然而各种结果的差异却很大.虽然最终的1.1~6.4℃的升温都是不可接受的,但是预测结果差异也表明这些模型的不确定性.同时在具体数值上的差异也是很明显的,例如,比较文献[6]和文献[7]可以看出,有些项目的数据之间存在着较大的差别,如大气层向地面的辐射能量、地球表面向外的辐射能量分别相差9 W·m-2、7 W·m-2.这些都会影响地球表面温度的变化,进而使得预测结果出现很大的差别.究其原因,是由于问题本身的复杂性以及内在机理的不确定性使然.从上述分析来看,一种准确严密的预测模型需依赖于对地球、大气、太阳构成的系统的准确数学建模,才能揭示温室效应产生的全球变暖的阶段性以及最终结果.

鉴于此,本文通过能量守恒原理分析地球、大气、太阳三者热平衡体系的能量平衡关系,基于自动控制理论建立地球及其大气的动态数学模型,考察造成地球温度变化的主要原因及其代价和滞后现象,据此揭示地球升温过程的本质和过程特点.

1 地球及其大气升温的动态数学模型

近年来,由于工业排放的作用,地球大气中的温室气体浓度出现了明显的增加,其中以CO2、CH4和N2O的增加最为明显,这主要是因为工业排放量大,并且三者都具有很长的自然滞留时间的缘故.这些温室气体的增加,无疑将导致大气对于地球辐射温室效应的增强,并且最终导致地球温度的升高.为了考察地球温度随着不同的温室效应变化(由温室气体浓度的变化决定)的规律,以地球和大气为研究对象,建立其温度变化的动态模型.忽略地球表面水蒸气蒸发潜热以及对流换热作用,地球本体得到的能量包括太阳辐射吸收部分以及温室效应造成的大气逆辐射部分,发射的能量是基于自身平均温度的黑体发射力;而对于大气来说,其能量平衡则是太阳辐射以及地球辐射能量的吸收等于其自身的发射.

根据地球及其大气能量收支关系,如果达到平衡,则有

式中,Qout为最终由地球大气系统向外太空辐射的总能量;Qnet,earth,out、Qnet,atm,out分别为地球辐射穿过大气进入太空的能量和大气辐射进入太空的部分,具有如下能量平衡关系

式中,Qearth,emit为地球本身的辐射能量; Qgreenhouse effect为由于大气温室效应吸收的能量; Qatm,emit为大气的辐射能量; Qatmsun,a为大气对太阳辐射的吸收能量; Qearth,emit为地球本身发射能量; Qearthsun,a为地球吸收太阳辐射能量; Qearthatm,a为地球吸收大气辐射能量.

当处于平衡状态时,这些能量维持上述平衡关系.但是一旦某一能量发生变化(一般都来自于发射体的温度变化),这种平衡就将被破坏,从而带来地球或者大气温度的变化,并通过改变其辐射量来平衡热量的变化.

总的来说,地球表面温度Tearth的变化与大气温度Tatm的变化存在以下关系

式中,ΔTearth为地球的温升;ΔTatm为大气的温升;A为常数.

从式(3)可以看出,地球表面的温升与大气的温升在数值上不一定相等,但是存在一定的正比例关系.这里,以“持续升温”模型,得到在外部强迫作用下地球温度升高的动态数学模型为

式中,Qatm,emit为大气温度的函数,表示为f′(Tatm).

由式(6)、式(7)构成了地球表面和大气温度变化的动态方程组,其中Tearth和Tatm为未知量,两者存在着强烈的耦合效应.根据式(6)、式(7),可以揭示地球表面升温的两个主要原因:

(1) αatm-earth提高,此时大气对地球发射的红外辐射的吸收增加,导致更为强烈的温室效应,从而将使地球温度升高.而导致αatm-earth升高的直接作用就是工业温室气体的过度排放,因此这一作用是地球升温的内因;

(2) 地球和大气对太阳辐射吸收Qsun,a提高,其包括地球和大气对太阳辐射吸收的增加.从式(6)和式(7)中可以看出,当太阳辐射增加以后,地球和大气温度都将受到影响.这一作用一般与太阳的活动周期密切相关,属于地球升温的外因.

2 温室气体造成的地球升温的滞后效应分析

由于太阳活动周期具有一定的规律,而且与人类活动没有关系,所以这里只讨论由于温室效应增强带来的地球表面升温的滞后效应.

2.1 地球和大气升温的时间常数

根据自动控制理论,将式(6)和式(7)等号右边的热量差处理扰动作用,则地球表面和大气的升温过程呈现为典型的积分环节特性,两者的传递函数分别为

从式(10)、式(11)可以看出,由于地球和大气的总热容量不同,因此在扰动作用下的地球和大气的升温也将不完全同步,存在一定的相位差.而平衡此不同步作用的方式除了大气与地球之间的辐射传热以外,对流换热将起到更大的作用,这里不作深入讨论.取地球的总质量的1/10参与升温作用,则其质量为5.69×1023 kg,并取其平均比热容为0.85 kJ·kg-1·℃-1,则其时间常数为30.49 a;取大气的总质量为5.136×1018 kg,其平均比热容为1 kJ·kg-1·℃-1,则其时间常数为2.78 h.由时间常数可见,大气和地球动态温度变化具有很大的滞后特性,而相比于大气来说,地球的滞后作用更为明显.

2.2 温室气体浓度升高后的地球温度变化

由于工业革命以来温室气体的浓度逐年升高,导致了其温室效应的逐步提高,这样就破坏了地球和大气系统的热平衡,从而导致地球的升温.鉴于此,将热量扰动与温室气体浓度升高产生的温室效应增强联系起来.以CO2为例,在近50年内其体积分数从3.20×10-4增加到3.80×10-4,假设其增加为线性变化[1],根据大气压缩模型方案[8],得到温室效应增强量ΔQ与距离1960年的时间间隔t的变化关系如图1所示.可见,其总热量基本呈现为线性变化,拟合公式为

将τearth=30 a代入式(15),得到地球在当前CO2体积分数增加情况下地球表面的温度响应,如图2所示.

从图2可知,因为人为的CO2等温室气体排放的增加,地球温度自1960年以来一直呈现上升的趋势,至2010年,气温升高了0.617 ℃,这与IPCC报告给出的数据基本相符;另一方面,由于大气中的CO2体积分数近年来基本呈线性关系变化,地球表面温度响应的滞后特性在未来将被极大地体现出来,其温度的升高在未来多年将得到一定延续,并且会出现升温加速的现象,除非其自身辐射抵消温室效应为止.此时,地球表面温度将维持在一个新的较高的水平,即所谓的“积分保持”作用,除非温室气体体积分数有所下降.因此,如何减少CO2等温室气体的排放问题已经被列入各国政府、联合国会议的首要议题,放在优先考虑的地位,成为全球亟待解决的重大战略课题[9].

3 结论

基于能量守恒及自动控制原理建立了地球变暖动态数学模型,通过此模型,考察造成地球温度变化的两个主要原因,即:温室气体的过度排放会造成地球升温加剧;太阳辐射能量增强会造成地球一定的温升.在此动态特性基础上,对于地球变暖与温室气体排放时间上的滞后现象进行了分析,得出大气和地球动态温度变化具有很大的滞后特性,大气温度变化滞后时间为2.78 h,地球表面温度变化滞后时间为30.49 a.可见,温室气体的排放,对于全球变暖具有很大的滞后效应.

根据全球变暖动态模型,本文结合现有温室气体CO2的排放水平,预测了地球温度的未来走势.结果表明,根据地球变暖滞后时间常数,可以得到任意时间的地球温度变化.同时,地球环境温度对于温室气体体积分数的响应具有显著的滞后效应,在现有排放水平不变的情况下,地球表面温度仍将进一步升高.

参考文献:

[1] OLOMON S,QIN D,MANNING M,et al.Intergovernmental Panel on Climate Change,Climate Change Physical Science Basis[R].New York:Cambridge University Press,2007.

[2] LE T H,SOMERVILLE R,CUBASCH U,et al.2007:Historical Overview of Climate Change.In:Climate Change 2007:The Physical Science Basis.Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[R].New York :Cambridge University Press,2007.

[3] FORSTER P,RAMASWAMY V,ARTAXO P,et al.2007:Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing.In:Climate Change 2007:The Physical Science Basis.Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[R].New York :Cambridge University Press,2007.

[4] MYHRE G,HIGHWOOD E J,SHINE K P,et al.New estimates of radiative forcing due to well mixed greenhouse gases [J].Geophysical Research Letters,1998,25(14):2715-2718.

[5] HAIGH J D,WINNING A R,TOUMI R,et al.An influence of solar spectral variations on radiative forcing of climate[J].Nature,2010,467(7):696-699.

[6] KIEHL J T,KEVIN E T.Earth’s annual global mean energy budget[J].Bulletin of the American Meteorological Society,1997,78(2):197-208.

[7] KEVIN E T,JOHN T F,JEFFREY K.Earth’s global energy budget[J].Bulletin of the American Meteorological Society,2009,90(3):311-323.

第2篇

关键词:温室;降温系统;氯化钙;除湿;液体除湿剂

中图分类号:S625文献标识码:A文章编号:1674-9944(2012)12-0245-04

1引言

在中国南方高温高湿地区,夏季温室的降温问题一直是困扰现代大型温室在该地区发展与应用的技术难题,许多大型温室在7~9月的高温季节处于“停产”状态,严重影响了温室的利用效率。虽然利用湿垫-风机降温系统在中国北方高温低湿地区有较好的降温效果,然而该系统在中国南方的高温高湿地区的应用效果并不理想。为提高现行湿垫-风机降温系统对湿热气候条件的适应性,解决湿热地区夏季温室降温问题,本课题组提出了温室液体除湿降温系统,并针对建于武汉地区的塑料温室设计了一套除湿降温系统[1~11]。参考国内外文献和本课题组实测结果[12~20],在湿热气候条件下湿垫-风机系统的最大降温幅度为 4~5℃,液体除湿降温系统最大降温幅度为 7~8℃,相对湿垫-风机系统降温幅度提高了3℃左右,能够满足湿热地区夏季温室作物生长的要求。由于中国目前针对高温高湿地区夏季温室除湿降温系统的研究相对较少,因此研究液体除湿降温系统中各主要因素对温室降温效果的影响,对优化系统结构参数和工作参数有理论意义和现实意义。

2试验装置

除湿降温系统主要由湿垫、轴流风机、除湿室(喷淋室)、除湿剂再生子系统等组成。如图 1 所示。

3正交试验

系统降温效果与空气经喷淋除湿后(亦即进入湿垫前)的相对湿度密切相关,从喷淋室出来的空气相对湿度越低,湿垫-风机系统的降温幅度则越大,为此,选定喷淋室出口空气的相对湿度为试验指标来考察各主要因素对降温效果的影响。据张继元[1]的分析,影响 CaCl2 溶液喷淋除湿效果的主要因素有进口空气的流量、溶液的流量、溶液的浓度和温度、进口空气的温度和湿度等6个因素。在进行了单因素试验后,选取了多因素试验的参数取值范围。利用正交表 L16(215)安排试验,试验结果见表1(标中的“空列”是根据现有正交表L16(215)的表头设计产生),方差分析见表2。

在表1、表2 中,A表示进口空气流量,B表示进口空气温度,C表示进口空气相对湿度,D表示溶液温度,E表示溶液质量浓度,F表示溶液流量,F×A,B×C,B×E,D×C,D×E 表示因素的交互作用。

4.2模型的验证

为检验数学模型的有效性,课题组做了 1 组试验。检验试验的条件是溶液流量为3.478×10-4m3/s,进口空气的流量为1.764m3/s。检验结果表明:出口空气相对湿度的实测值与用数学模型的计算值之间差别甚小,最大误差小于 5%,表明所建立的模型比较理想。

5结论与讨论

(1)本温室除湿降温系统对出口空气相对湿度影响显著的因子依次是进口空气的相对湿度、进口空气的温度、溶液的温度和溶液的浓度。为取得理想的除湿降温效果,降低运行费用,减少雾沫夹带,溶液的流量应较大,而进口空气的流量应较小,最佳的气液流量比应为 5058∶1。

(2)建立了当溶液的流量为 3.478×10-4m3/s,进口空气的流量为 1.764m3/s 时,本除湿降温系统中进口空气的温度、进口空气的相对湿度、溶液的温度和溶液的浓度等4因子与出口空气相对湿度之间关系的模型。经试验验证,该模型的最大相对误差

本文提出的温室液体除湿降温系统是对现有温室湿垫-风机降温系统的改进,即在湿垫-风机降温系统的基础上增加了除湿室和除湿剂再生子系统。除湿室的构建与湿垫相结合,除湿剂选用价格较低的工业氯化钙水溶液,并可利用太阳能对其进行再生。该系统具有一次性投入少、运行费用低、降温幅度大,可满足中国南方高温高湿地区的温室夏季降温的要求,具有较好的经济性和较广泛的应用前景。

参考文献:

[1]张继元,赵纯清,陈传艳. 温室除湿降温系统的研究与设计初探[C]//管小冬.国际农业生物环境与能源工程论坛文集.北京:中国农业科学技术出版社,2003.

[2]赵纯清,张继元. 温室除湿降温系统中除湿室结构的设计[J]. 华中农业大学学报,2004,23(3):355~358.

[3]赵纯清,张继元,丁淑芳. 除湿降温系统用于温室降温的可行性探索[J]. 农机化研究,2004(5):77~78.

[4]陈传艳. 温室除湿降温影响因子优化结合的研究[D]. 武汉:华中农业大学,2004.

[5]赵纯清. 温室除湿降温系统除湿剂利用及再生的实验研究[D]. 武汉:华中农业大学,2004.

[6]胡建. 重庆市玻璃温室夏季降温效果的研究[D]. 重庆:西南大学,2008.

[7]王吉庆,张百良. 几种降温措施在温室夏季降温中的应用研究[J]. 农业工程学报,2006,22(9):257~260.

[8]杨英,李心刚,李惟毅,等. 高湿环境下太阳能液体除湿特性的实验研究[J]. 河北建筑科技学院学报,1999,16(3):40~45.

[9]顾洁,温建军,田志昶,等. 氯化锂液体除湿器的试验研究[J]. 农业工程学报,2006,22(3):121~124.

[10]殷勇高,张小松,权硕,等. 溶液除湿冷却系统的再生性能实验研究[J]. 工程热物理学报,2005,26(6):915~917.

[11]丁涛,黄之栋,赵伟金,等. 太阳能除湿系统中混合盐溶液的除湿/再生效率[J]. 农业工程学报,2010,26(2):295~299.

[12]马承伟,张森文,崔引安,等. 沸腾炉式集中雾化降温系统的应用实验[J]. 农业工程学报,1998,14(1):158~162.

第3篇

作者简介:闵继胜(1983-),男,安徽枞阳人,讲师、博士,研究方向为环境经济与农产品贸易;胡 浩(1964-),男,江苏盐城人,教授、博士生导师,研究方向为畜牧经济与农业经济。

①数据来源:联合国统计司COMTRADE数据库。

②胡启山低碳农业任重道远[J]农药市场信息,2010(2)。

摘要:基于1991~2008年相关数据,对我国农产品对外贸易的温室气体排放效应进行实证分析。研究表明:农产品对外贸易对我国农业生产的温室气体排放呈现结构和规模正效应、技术负效应;由于较大的规模正效应,农产品对外贸易并未增加我国农业生产的温室气体排放量。

关键词:农产品;对外贸易;温室气体;排放强度

中图分类号:F0622;F7526 文献标识码:A 文章编号:1001-8409(2013)08-0055-05

一、引言

关于贸易对环境影响的争论由来已久,一种观点认为对外贸易对环境有害;另一种观点则认为对外贸易对环境有益。然而,这些研究均未涉及农产品对外贸易。那么,农产品对外贸易对农业环境的影响如何?Peter H May等以拉丁美洲为例,探讨农业贸易政策对拉丁美洲地区环境的影响[1];Gail M Hollander分析了农业贸易自由化对佛罗里达南部自然风光的影响[2];Rene Verburg等认为贸易自由化使得全球温室气体排放增加约6%[3]。黄濒仪认为稻米关税减让措施可能减低稻米生产资料的密集度,使环境得到好转[4];陆文聪等认为农产品贸易对农业环境既有利又有弊[5];张凌云等认为农产品进口对缓解国内环境污染作用显著,而出口导向作用则不明显[6]。

经过三十多年的改革开放,我国已成为农产品第五大出口国和第四大进口国,农产品贸易额由1978年的61亿美元增长到2010年的12199亿美元①。然而,在农产品对外贸易取得巨大进展、带动国内农业经济发展的同时,我国农业生产的温室气体排放问题也日益引起人们的关注。据测算,我国农业生产的温室气体排放量占全国排放总量的比重约为17%②。那么,农产品对外贸易是否会影响我国农业生产的温室气体排放量?影响机理如何?影响程度如何?对于以上问题的回答,可以为政府在节能减排背景下,选择合适的农产品对外贸易与农业环境政策提供理论支撑,因此具有一定的现实意义。

二、分析框架

农产品对外贸易对农业生产温室气体排放的影响,即农产品对外贸易的环境效应,主要包括规模、结构和技术效应。

1.结构效应

结构效应指农产品对外贸易会推动农业生产结构的转变,导致农业生产要素投入以及农产品品种发生变化,从而改变农业生产的温室气体排放量。根据资源禀赋理论,各国会根据自身资源的禀赋状况进行农业生产,并出口其相对丰裕、进口相对稀缺的资源密集型农产品。由于各国农业资源禀赋不同,专业化生产的农产品品种也会存在差异。若一国在“低温室气体排放强度”农产品的生产上具有比较优势,则该国就会生产并出口此类农产品,引致其国内生产规模不断扩大,此时农产品对外贸易对农业环境显现结构正效应;相反,若一国在“高温室气体排放强度”农产品的生产上具有比较优势,则该国农产品对外贸易会显现结构负效应,即增加农业生产的温室气体排放压力。

2.规模效应

规模效应指农产品贸易量增加推动农业生产规模的扩大,在温室气体排放产权界定不清晰以及农业生态系统无偿使用的情况下,农业生产规模的扩大必然导致农业生产的温室气体排放量增加。以种植业为例,长期以来化肥、农药等使用效率一直未能提升,而且农地单位面积产量增长也很缓慢,农产品贸易量增加引致的农业生产规模扩大会促使化肥、农药等使用总量不断增加;而且,若一国的农业耕地面积不能扩大,那么农业生产规模的扩大还会提高农地的复种指数和耕作强度,进一步增加单位面积的化肥、农药等施用强度,从而进一步增加温室气体排放量。

①本文假定我国进口与国内生产同类农产品的温室气体排放强度相同。

②本文进口与出口农产品的种类相同。 3.技术效应

技术效应指因农产品对外贸易诱发的先进农业生产技术的创新和传播,引致单位产品的温室气体排放强度降低,进而减少农业生产的温室气体排放量。

一方面,随着贸易开放程度不断提升,国外农业新技术的交流机会不断增多;而且随着关税或非关税壁垒的削减,农业新技术的进口壁垒及进口成本也会不断降低。另一方面,农产品对外贸易促进居民收入水平不断提升,对自身生存环境的品质要求日益增强,进而要求政府出台更严厉的环保措施和标准,迫使农业生产者对更“低碳”农业生产技术的需求不断增加,促使市场机制催生农业生产技术的不断创新。

农业技术进步对环境的影响表现为:新技术或新方法的使用可以提高单位投入的农作物产出,进而降低农业生产的环境污染量;在农业生产过程中,清洁技术的采用也可以减少对环境的污染和破坏[7]。

三、计量模型、数据来源与指标说明

1.计量模型

本文受李怀政研究成果[8]的启发,将农产品对外贸易对农业生产温室气体排放的影响界定为农产品对外贸易的环境效应,具体模型如下:

(1)农产品出口贸易的计量模型

(1)

式中,Q为农产品出口所增加的农业生产的温室气体排放量,反映出口的环境质量水平;si、ei分别为第i种农产品的出口份额和温室气体排放强度,分别反映出口结构和技术进步;X、n分别为农产品的出口总量和种类。对式(1)求一阶导数得:

(2)

式中,Q′、s′、e′、X′为Q、s、e、X的一阶导数,分别反映农产品出口的环境质量水平、出口结构、技术进步、出口规模的变化情况。式(2)可进一步表示为:

(3)

式中,农产品出口总环境效应即出口所增加的温室气体排放量的变化总量;农产品出口结构效应、技术效应和规模效应分别表示出口结构变化、温室气体排放强度变化、规模变化所导致的温室气体排放量的变化量。

(2)农产品进口贸易的计量模型

(4)

式中,M为农产品进口贸易所减少的农业生产温室气体排放量;ri、ei分别为第i种农产品的进口份额和温室气体排放强度①;Y和n分别为农产品进口总量和种类②。对式(4)求一阶导数得:

(5)

式中,M′、r′、e′、Y′分别表示M、r、e、Y的一阶导数,分别反映减排成效、进口结构、技术进步、农产品进口规模的变化情况。式(5)可进一步表示为:

(6)

式中,农产品进口的总环境效应即农产品进口所减少的温室气体排放量的变化总量;农产品进口的结构效应、技术效应和规模效应分别表示进口的结构变化、温室气体排放强度变化、规模变化所减少的温室气体排放量的变化量。

2.数据来源

(1)宏观数据

考虑到统计口径的统一性和数据的可获性,本文农产品贸易额仅包含原始和初加工农产品,贸易额来自《中国对外经济贸易年鉴》(1995~2003)和《中国商务年鉴》(2004~2009);农产品产值来自《全国农产品成本收益资料汇编》(1992~2009);农产品播种面积、农业灌溉面积和化肥、农药、农膜、柴油使用量来自《中国统计年鉴》(2009年)及《中国农业统计资料》(1991~2008);畜禽出栏量来自《中国农业统计资料》(1991~2008)和《中国畜牧业年鉴》(2009)。

(2)排放系数数据

水稻CH4排放率[9];本底N2O年排放通量、氮肥与复合肥N2O排放系数:水稻、花生、棉花和甘蔗[10],冬小麦[11],春小麦[12] ,大豆[12,13] ,玉米[13,14],蔬菜[15];畜禽出栏率和N2O排放系数[16];畜禽胃肠发酵和排泄物CH4排放系数、柴油CO2排放系数均来自IPCC(2006);CO2排放系数:化肥[17],农药[18],农膜和农业灌溉[19],翻耕[20]。

3指标说明

本文将农产品归为8大类农作物和5大类畜禽品种:稻谷(稻谷和大米)、小麦(小麦和面粉)、玉米、大豆(大豆和食用豆油)、花生(食用花生油和花生仁)、棉花、甘蔗(食糖)、蔬菜、生猪(活猪和冻猪肉)、黄牛(活肉牛和冻牛肉)、家禽(活家禽、冻家禽和鲜蛋)、奶牛(奶粉和鲜奶)和羊(活羊和冻羊肉)。

四、温室气体排放强度测算及其变化趋势

1农作物温室气体排放量测算公式

①CH4、N2O的“增温潜势”分别为CO2的21倍和310倍(FAO,2006)。

②由于畜禽饲养周期不同,需要对其年平均饲养量进行调整,具体调整方法参见胡向东等(2010)。 式中,CO2crop(i)当量为第i种农作物的CO2 排放当量,其中,CH4和N2O排放量按 “增温潜势”折算成CO2 排放当量①;si、αi、βi、Qi、γi、Tij和xij分别为第i种农作物的年播种面积、单位面积CO2 排放系数、本底N2O年排放通量、化肥年施用量、(化肥施用后)土壤的N2O排放系数、CO2 排放源的数量及各自的排放系数。

2畜禽温室气体排放量测算公式

(8)

式中,CO2live(i)当量、Ni、δi、φi分别为第i种畜禽的CO2 排放当量、年平均饲养量②、CH4和N2O排放系数。

3温室气体排放强度测算公式

温室气体排放强度指单位产值农产品农业生产过程中的温室气体排放量,即:

(9)

式中,Ei、CO2(i)当量、Yi分别为第i种农产品的温室气体排放强度、CO2排放当量和年产值。

4测算结果及变化趋势

为了更好地反映农产品对外贸易的环境效应,本文取1991~1993年和2006~2008年农产品温室气体排放强度的算术平均值分别作为初始值和当前值。由表1可知,1991~1993年,温室气体排放强度最大者为稻谷,最小者为甘蔗;排放强度前五位的品种分别为稻谷、大豆、羊、生猪和黄牛,排放强度均超过60吨/百万元。1991~2008年间排放强度前五位的品种虽没有明显变化,但其排放强度却有所增减。

资料来源:根据《全国农产品成本收益资料汇编》、《中国统计年鉴》、《中国农业统计资料》、《中国畜牧业年鉴》计算得到;农产品产值已经剔除了物价因素

资料来源:根据《中国统计年鉴》、《中国对外经济贸易年鉴》、《中国商务年鉴》计算得到;贸易额已经剔除了汇率和物价因素,下同

五、农产品对外贸易的环境效应实证分析

1农产品对外贸易的结构效应

从加权温室气体排放强度来看,2006~2008年出口

资料来源:根据《中国统计年鉴》、《中国对外经济贸易年鉴》、《中国商务年鉴》计算得到

资料来源:根据《中国统计年鉴》、《中国对外经济贸易年鉴》、《中国商务年鉴》计算得到

农产品较1991~1993年下降了356吨/百万元,降幅838%,表明我国出口农产品的加权温室气体排放强度有所下降(见表2);同期间进口农产品较1991~1993年增加了734吨/百万元,增幅达185%,原因在于温室气体排放强度较大的农产品进口有所增加(见表3)。

就结构效应而言,1991~2008年间,我国农产品出口贸易的结构变化呈现显著的环境正效应(见表2);农产品进口贸易结构的变化也呈现有利于我国农业生产温室气体减排的态势(见表3)。因此,我国农产品对外贸易结构的优化呈现显著的环境正效应。

2农产品对外贸易的技术效应

相对于1991~1993年,2006~2008年我国某些农产品的温室气体排放强度不降反升。可能原因在于:我国农业生产的环境规制措施不完善,农业生产技术的更新和传播速度缓慢,致使贸易引致的农业技术进步的减排效果不明显。

就技术效应而言,1991~2008年间,我国农业技术进步促使出口贸易呈现环境正效应(见表4);但是,同时期的农产品进口致使其丧失国内生产引致的减排机会(见表5)。因此,我国农产品对外贸易对环境呈现显著的技术负效应。

资料来源:根据《中国统计年鉴》、《中国对外经济贸易年鉴》、《中国商务年鉴》计算得到

3农产品对外贸易的规模效应

对外贸易对环境影响的规模效应包含直接和间接两个方面[8]。本文仅研究直接规模效应,即农产品外贸规模变化引致的农业生产温室气体排放量的变化。

从规模效应来看,1991~2008年间,农产品出口规模扩大引致的我国农业生产的温室气体排放量大幅增加,其中,以玉米为最,稻谷次之,表明农产品出口规模扩大呈现显著的环境负效应(见表6);农产品进口规模扩大引致的我国农业生产的温室气体减排量也大幅增加,其中,以小麦为最,大豆次之,表明农产品进口规模扩大呈现显著的环境正效应(见表7)。因此,我国农产品对外贸易对环境呈现显著的规模正效应。

六、主要结论及讨论

1991~2008年间,我国农产品对外贸易的环境效应呈现结构正效应、技术负效应和规模正效应,其中,结构效应和规模效应分别减排5836和10498万吨CO2当量,

资料来源:根据《中国统计年鉴》、《中国对外经济贸易年鉴》、《中国商务年鉴》计算得到

资料来源:根据《中国统计年鉴》、《中国对外经济贸易年鉴》、《中国商务年鉴》计算得到

而技术效应则少减排446万吨CO2当量。因此,我国农产品对外贸易累计净减排15888万吨CO2当量,表明农产品对外贸易总体呈现显著的环境正效应,即有助于我国农业生产的温室气体减排。

本文的不足在于:受数据制约,未考虑农作物通过光合作用所吸收的CO2排放量,可能会高估我国农业生产过程中的温室气体排放量;假定我国进口与国内生产同类农产品的温室气体排放强度相同,也会影响本文的实证结果。上述两个方面的问题需要进一步探究。

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第4篇

光照

是影响作物生长发育的重要环境因子之一,根据荷兰温室种植者的经验,1%的光照意味着1%的产量,由此可见光照在作物生产中的重要程度。各种原因带来温室内的光照不足都会影响温室作物的生长、发育及其产量和品质,光照已成为温室作物生产的重要限制性因素,人工补光将是必然的选择。

根据温室作物生产的特点和要求,理想的温室补光人工光源应具备低散热、低耗能、高光电转换效率、具有最适光谱、坚固耐用、使用寿命长、适合温室环境、具有一定的调控性等特点。LED(Light Emitting Diode)作为一种新型的绿色节能光源,应用于温室生产,具有白炽灯、荧光灯和高压钠灯等传统人工光源不可比拟的优点。

作为一家具有120多年历史的照明领军企业,飞利浦率先将LED应用于温室园艺补光。基于大量的研究和应用,飞利浦开发了专为设施园艺领域应用而设计的LED产品和技术。除了选择适合植物生长的光谱,秉承LED节能、低散热和使用寿命长等特点外,还充分考虑到设施园艺生产中的特殊环境,提高了LED产品自身的防水防尘等级。经过前期的试验和研发,飞利浦在2008年向市场推出了第一代园艺GreenPower LED解决方案。经过10年的持续应用实践,飞利浦园艺LED已经扩展为一系列的包含多种照明模组的解决方案,不仅质量稳定可靠,还具有寿命长、光衰低、防水防尘等级高等特性。除了过硬的产品本身,在应用层面,飞利浦还首次提出了LED“光配方”的概念,即在某种生长环境下、某种作物的某个生长阶段所需的理想光照条件,包含了3个方面的含义:①光强、光质、光均匀度、光照位置和时间;②在此“光配方”下最适宜的其它环境因子;③可以期待的使用效果(含节能效果)。光配方的理念现已被广为接受,基于光配方的指导,飞利浦园艺LED在遍布世界的温室种植中有了大量的应用。并且,飞利浦园艺LED照明团队专门设置了植物专员角色,更好地进行光配方开发以及与用户开展深度交流,这也是飞利浦园艺LED照明团队的优势和特色,是确保用户成功的重要因素之一。该文着重以各种应用为例,介绍飞利浦园艺LED在温室领域的应用实践及其效果,以期为中国设施园艺生产的补光应用提供有价值的参考。

温室果菜补光

冬季的温室果菜(番茄、黄瓜)生产光照不足,需要提供人工补光。同时,玻璃温室生产中采用高架栽培,植株高度可达4~5 m,由于植株叶片相互遮阳,导致中下部叶片缺少足够的光照,影响其光合性能的发挥,进而影响了最终产量和经济效益。在这种情况下,采用LED顶光模组和LED植株间照明模组相结合进行温室果菜栽培是优化的照明解决方案,称之为全LED补光方案(图1)。植株的顶部是LED顶光模组,替代传统的高压钠灯(HPS)。每行植株之间平行吊有2行LED植株间照明模组,2组模组在高度上保持一定的间距,消除上部叶片因遮阳对中下部叶片的影响,使得植物的中下部叶片获得更多光照,将LED模组放置在作物之间,进行植株间照明,这正是充分利用了LED低散热的特点。

采用飞利浦全LED补光方案进行温室番茄生产,提供番茄生长所需要的光照,在节能的同时,植物能更有效地利用光照,提高番茄的产量。在温度比较高并且需要补光的季节,也能够开启植株间照明模组,补充中下部叶片光合作用所需光照。反应在作物管理中,中下部叶片可以保留在植株上更久,提供更多的光合贡献。综合应用效果可以看出,采用全LED补光方案使植物生长更健壮、叶片更浓绿,成花率和坐果率得以提高。比利时Greet Biesbrouck番茄种植公司的应用结果表明,稳定的光照带来了比之前更稳定的产量,与不补光或仅仅采用高压钠灯补光相比,产量提高了20%~25%。在荷兰Delphy公司进行周年生产的试验中,更是获得了100.6 kg/m2的高产记录。在品质方面,冬季生长的番茄,果实大小、形状、色泽更均一,品质提高、风味更佳(图2)。荷兰瓦赫宁根大学的研究测试表明,番茄果实的VC、VE含量均有增加。在温室环境调控方面,也带来显著的积极效果。LED的低散热,可以更好地控制热量和光照,避免给温室内带来过剩的热量,温室不需要通过开窗而降温,进而维持了较高的CO2浓度,促进光合生产,提高产量。与顶部使用高压钠灯配合植株间补光的温室平行对比,仅使用2/3的能耗。有案例表明,在暖冬地区或暖冬年份,高压钠灯种植区的温度控制成为种植者最为头痛的问题,而LED种植区则不存在这个问题。

温室叶菜种植及育苗补光

目前,在温室内种植叶类蔬菜(以生菜为例)越来越多。同样,冬季光照不足,尤其是在冬春季节的低温寡照甚至空气严重污染的地区,补光显得尤其重要。不少生菜种植者之前选用高压钠灯作为温室生产种植的补光方案,随着植物对光照需求的提高以及种植者对节约能耗的需求增加,越来越多的温室种植者趋向于尝试LED补光方案。基利浦园艺LED在温室蔬菜种植补光的专业性,许多生菜种植者选择了飞利浦园艺LED作为温室生菜补光的优选方案。

前期的试验以及大量的应用实例表明,飞利浦LED顶光模组提供的补光方案具有以下几方面优势。首先,表现在补光时段上,在早春或者晚秋,甚至一些暖冬地区,在需要补光的时节需要开启高压钠灯补光。由于高压钠灯的高散热量,种植者在温室环境控制上有2种选择:一是在不开窗通风的情况下补光,让植物处于较高的温度中;二是开窗通风降温,但CO2浓度会急剧降低,继续加大CO2的使用量,会导致CO2的浪M。然而,这2种选择都是得不偿失的生产管理措施。于是,种植者不得不放弃补光,生产受到影响,而LED补光没有这方面的问题。其次,表现在植物生长方面,在飞利浦LED补光下种植的生菜,生长更好、生育期更短、单株生菜更重。生长过程中,使用高压钠灯时会带来的烧尖(tip burn)现象也不再发生(比利时Desmet公司)。在品质表现方面,飞利浦特有的光配方使植物的叶片更厚实,口感更佳。株型更紧凑饱满,更好的株型意味着更长的货架期,适合于产品的长途运输。并且,红叶生菜的红色着色效果更好、更快(图3)。另外,飞利浦LED顶光模组开发了特有的vision产品,使用在芬兰Nurmitarhat Oy温室种植的采收区,不仅可以补光,而且可以很好的用于采收时观察植株的长势、颜色和品质等外观是否达到采收标准。据拜耳蔬菜种子公司的种植结果,在使用飞利浦LED补光方案后,种植一茬生菜的时间缩短为未使用飞利浦LED补光时所需种植时间的一半,并且其所育成的红叶生菜品种,着色品质表现得更突出,这也使得他们的品种在市场上具有更大的竞争力。

在冬季的温室育苗中,如果连阴雨天气突袭,温室内的光照水平会更低,严重影响作物的生长发育,此关键时期的光照如果不足,蔬菜幼苗会生长欠佳,易产生徒长苗。飞利浦LED生产模组在温室内提供理想的光照环境进行温室蔬菜的育苗(图4),育成的苗子会更健壮,品质更好。

在植物的生长、发育、产量、品质取得用户满意效果的同时,种植者还发现,飞利浦LED补光方案更节能、更高效,能够节省约一半的电费,意味着生产单株生菜(单位重量)的成本更低,获益更高。

温室花卉补光

光照对于是温室切花、盆花的生产至关重要。根据温室花卉补光的目的,将温室花卉补光分为2个方面:一是光周期补光,即通过改变光照时间、调节光周期从而达到花卉的花期调控,这种方法提供的光照强度较弱,植物只需感受到光信号即可;二是生长补光,即通过对植物生长阶段提供生L所需的光照,从而促进植物更好的生长,进而形成产量和品质,这里提供的光照一般较强。

对日长比较敏感的植物,在特定时期会根据需要进行人工补光,提供长日照条件或者在夜间进行人工补光打破其暗夜,来达到调节开花期的目的。是一种短日照植物,在其开花前,必须达到一定的营养生长;或者在育种过程中为了保持母本的营养生长,必须抑制花芽分化。为了达到维持营养生长的目的,使用飞利浦LED花期灯来补光,提供长日照条件,从而达到花期调控的目的。比利时Gediflora公司应用结果表明,飞利浦LED花期灯在达到抑制花芽分化效果的同时,与原有的白炽灯相比,LED的应用节能达到60%(图5)。花期灯也可以应用在草莓生产中进行人工补光,明显促进草莓茎的抽生,提早收获期,提高果品质量,并且大大减少畸形果的数量。同时,比白炽灯节能88%(荷兰Brookberries公司,图6)。在石竹、珍珠菜属等花卉的花期调节上也有很好的应用。

花卉补光的另一方面是生长补光。众所周知,营养生长是生殖生长的物质基础,充足的光照带来充分的营养生长,能够保证开花的进行,使花朵的花型、花色有所改观。比利时Scheers Rose Nursery公司专业生产大花型切花玫瑰。出于高品质玫瑰的生产需求,近期他们温室中更新了补光方案,采用70%飞利浦LED和30%高压钠灯的组合方案。与原有高压钠灯方案相比,新方案补光强度提升至原光强的1.5倍,且产热降低了50%。如此就不需要对整个温室的供电设施进行改造。消耗相同的电量,可以提供同样的光照强度,并且可以每年多提供500~750 h的光照。温室内的CO2浓度和温度控制都更加稳定,生产出了高品质的切花玫瑰(图7)。飞利浦全LED补光方案在温室非洲菊、蝴蝶兰等花卉生产中的应用,在植物生产和经济上也取得了令人满意的效果(图8)。

现代玻璃温室的天沟高度越来越高,温室内垂直空间越来越大,使在温室内进行多层种植成为可能,而多层种植的关键条件就是光照。飞利浦LED提供了很好的解决方案。De Hoog Orchids是一家专门从事石斛兰温室生产的专业种植公司。先前采用高压钠灯种植,每年植株能够开花1次。开花前需要一段低温诱导,使用空调进行降温,产生了高额电费。为了扩大石斛兰的生产规模并实行周年种植,该公司采用了多层种植,每层均采用飞利浦LED提供生长所需的光照(图9)。“光照稳定,易于控制,使得我们很容易做到控制植物的某些性状,比如花芽分化的进程、花芽诱导数目以及一簇花的数目,这对于我们来说至关重要。稳定理想的光照也让我们能够提前进行生产的计划来更好地满足客户的要求,同时也节省了电费。最终提高了空间利用率,提高了整个温室生产的效率”。由飞利浦LED提供的光照解决方案同样应用于郁金香、长寿花。

国内在高档花卉的温室种植中也对飞利浦LED补光方案做了试验,在小玫瑰和姜荷花的试验中均取得了很好的效果,补光后的植物长势更好、叶片更绿、分枝增加、发花更多、花苞更大(图10)。

第5篇

关键词:地热技术 温室供暖 技术应用

中图分类号:TE44文献标识码: A 文章编号:

前言

地热技术是一种地面采暖技术,地面底层铺设的管道内有不超过60度的热水流经,热量也因此地面也因此被辐射、传导到地面。在管道内部施加不大于0.8mpa的气压,让热水循环性在通过管道在地底流动,从而将地面的热量提升。整个地面犹如散发热量的机器,将从热水管处得来的热量散发至温室内的空气中,一般高度的温室地面温度适宜20至24度,而1.8米高的温室地面温度只需18至20度即可。我国北方地区由于冬季寒冷农作物难以生长的问题因地热技术的应用被彻底解决了。地热技术与日光温室以及地膜栽培技术相比,经济上所得的效益要高上几倍。通过地热技术将农作物的生长环境控制到如夏天一样。优点有,投入低,获得收益快,只需投入一次,就可长期使用等。其便捷的管理,可以实现最大限度节约能源,将现有耕地面积充分利用以达到高产的原则。解决了北方地区冬季严寒,昼夜温度相差大的生产难题,使其也能自产冬季蔬菜水果,并对国家建设节能型社会的国策做出了响应。由于气候变更、自然灾害很难对其造成损伤,所以经济效益较稳定,适宜在进行大面积推广,提高农民收入,改变农业生产经济链。

1传统的温室供暖方式

蔬菜、水果大棚是传统温室种植方式中的一种,其也是冬季种植的蔬菜和水果的方式之一。有些气候相当寒冷的地区其所搭建的蔬菜、水果大棚往往会由于墙等结构的缺陷,被室外冷空气侵入,从而导致大棚内种植的蔬菜、水果等受到损伤。这些地区人们往往在大棚内部布置取暖设施,以免经济收入被影响。内部放置炉子是常用的方式,但这些方式管难以将大棚内部的温度整体提升,管理上也不易,而且供热很不稳定。所以新型供暖设施的研发刻不容缓。

当前,冬季温室大棚的主要供暖方式是自然光。四周封闭严密的温室大棚,将阳光透过大棚上部光膜传递进来的热量积蓄起来,提升棚内的温度。但提升的温度仅能为棚内植物的叶、茎光合作用服务,扎于土壤内部的植物根系温度却没有得到提升。地表温度过低,造成植物在土壤内部吸收的养分、水分根本不足以满足其生长所需。同时根系温度过低也会影响植物的生长。一般情况下植物在距地表20到25cm的位置扎根,地表温度20到30℃才能满足植物正常生长的需求。大棚内的植物要想生长正常,就必须将棚内地表温度白天保持在20到22℃,夜晚保持在15到18℃。

使用传统采暖方式的温室大棚,具有昼夜温度相差大,温度变动大等缺点。而棚内室温和地表温度相差大,也容易引起植物发生病害,防治病害会投入更多成本。棚内温度不稳定,导致植物出现各种病害,生长周期也因此被影响。减产的蔬菜和水果直接减少了农民的经济收益。

此外,传统形式的日光温室大棚还有很多缺陷。如结构不完善,高度和跨度较小,采光保温性能低等,冬季若低温连绵或冷空气盘桓植物低温冷害及病虫害就易发生。

冬季气温过低,种植的种类单一, 棚内地表温度过低,高杆及有茎杆的植物难以生长,只能种植因受冬季寒冷气候的影响,种植品种单一,因地面温度低而不能正常种作物,只有种植菠菜、香菜等无杆的短茎作物,产量往往都不高。人们的经济收益低,而劳动强度却没有减轻。

2 温室大棚中的新型地热供暖技术

温室大棚中采用地热技术供暖的原理是:地底靠近地表的位置铺设热水管道,让温度在50℃以下的热水在管道内以循环的形式流动。热量从地表传出将土壤温度提升,进而提升整个大棚的温度。该方式原本是在民用建筑、工业建筑中应用的,现在被扩展应用在蔬菜大棚中。加热管道的埋藏位置一般是距地底40cm处,因为多数蔬菜和水果的生长根系一般在地表40---50cm以下,侧根系分布在5到20cm处,侧根一般长30至40cm处,所以将热水管道埋藏在40cm处对植物的生长并不造成影响。冬季时,管道内循环性流动40到50度的低温热水来加热,并安装自动温控热源生热保护混流器及温控分水器,埋设感温探头,与混流器相连,以便可以人工控制水管水温,从而控制室内及地表的温度。地热技术是现代农业科技温室供暖技术中一种先进技术,它的优点有,无荫蔽处,不额外占据土地,提高温室利用效率,不影响生产活动等。

蔬菜大棚冬季供暖方式采用地热技术,从根本上解决寒冷气候制约蔬菜、水果生长的问题。传统的供暖方式无法提升大棚地表温度,由于生长根部所需的温度不足,蔬菜一会长一会停,甚至进入冬眠,生长的周期被严重影响,植物经常处于生病状态。该技术将棚内环境营造成夏季状态,稳定合理的地表、棚内温度促进植物健康的生长。

3地热技术在温室供暖应用中需要解决的技术问题

温室大棚在使用地热技术生产反季蔬菜时需要解决下述技术问题。

3.1.果菜类蔬菜生产需较高的土壤温度

地热技术在没有实行前,大棚内部的传统供热方式是,自然光通过棚顶光膜加热棚内温度、再使用火炉、散热器等加热装备进行补充性加热,温室内采用上述方式,阴天气温仅有12℃左右,夜晚更低6℃左右,10到20cm深的土壤温度只有9℃左右。这样的温度条件,温室内仅能种植一些叶菜类,无法生产一些果菜类蔬菜;此外山区的一些逆温带温室,冬季灌溉水源的温度仅有4℃左右,棚内地表温度在灌溉后大幅下降,也是影响果菜类蔬菜生长的一大问题。

3.2大棚温室内地温不均匀

太阳光并不能完全均匀的照射在温室中,栽培床土壤势必会出现受热不均的情况。一般情况下,温室大棚南侧散发热量的速度快,所以地温通常是呈南低北高的不均匀形式分布。因此必须要采取一定的措施,将温室的地表温度有效提升,使其分布较为均匀,以确保果蔬类蔬菜有一个好的生长环境。

3.3创造各种作物根系需要的适宜地温

《蔬菜作物主要根群深度及温度要求表》上明确说明了各类作物的根系深度不同,对气温及土壤温度的需求也各不相同。因此大棚内种植的果菜类蔬菜作物生长所需的温度条件只有通过人工创造才能得到满足。

3.4技术关键要点

地热技术在温室供暖中的应用是一种补充性的供暖方式,温室内的主要热源是太阳辐射,而温室吸收太阳辐射的能力与其结构、材料、朝向以及保温方式等有关。我们将土壤作为传播热量的媒介,将用来给地表增热的热水管埋入其中。土壤与一般的工程建设中的传热媒介不同,其导热能力不能简单的套用公式计算,而需将各种作物的生长机能以及土壤的传热性能考虑进去。对土壤传热性能造成影响的因素主要有土壤导热率、土壤的热容量及土壤的热扩散率等几方面。

3.5技术难点

为作物创造一个适宜的生长环境,是使用地热技术为温室供暖的目的,以期取得更好的经济收益。然而各种作物所需的温度(气温、地温)、水分及养分等需求各不相同,甚至同一作物在不同时期的需求也不同,必须随时要对温度进行调整。这也为地热技术在温室供暖中的运行增加了难度,若使用机器调控温度成本太高,当前只能是人工进行观测调节。

3.6创新性

我国北方一些省市首先将地热技术应用在园艺中,依据该地区的气候特性和土壤、温室结构及栽培技术,研究出日光温室中需补充热量的计算方法及地表温度的调节措施。将困扰新疆地区多年的冬季地温偏低影响果菜生长的技术难题攻克。不仅可以在冬季为该地提供新鲜果菜还可以提高农民的经济收益,有助农民奔向小康社会。。

4效益分析

推广一向新技术的目的都是为了取得更高的经济收益以及社会效益,否则该技术就没有推广的必要。

4.1经济效益

经过几年的效益估算,使用地热技术与传统的供热措施(火炉供热)相较,一年的收入便可将铺设热水管道的全部成本收回。该项目的效益系数(静态下)E为0.96,项目的效益费用比R值为10.29,项目的内部回收率(内部报酬率)为95.8%。

4.2社会效益

温室中使用地热技术进行供暖够,既降低了能源消耗又将供热的效率提升了,将人们的劳动量减轻,劳动强度降低。也促进了能源的多样化,在燃料稀少的地区,特别是广大农牧区都能得到应用。

地热技术在一些冬季气候严寒的北方地区得到应用后,既能大量的生产反季果菜类蔬菜和花卉以及水果以满足市场对新鲜蔬菜、瓜果的需求,又能提升农民的收入,从而为农民造就一条园艺致富的道路。

小结

采用地热技术进行地面增温后,温室内将不会出现由于火炉而引起的烟尘弥漫、煤灰充斥的现象,使温室内的空气环境得到很大改良,为温室工作人员营造了一个健康卫生的工作环境,为瓜果、蔬菜提供了一个良好的生长环境。该技术的应用将温室作物的生长环境彻底改善,也提升了温室吸收太阳光照的能力,为作物的光合作用提供良好条件。

参考文献

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第6篇

自20世纪下半叶开始,伴随极端气候现象的出现,全球气候变化渐渐进入了人们的视野,因化石燃料燃烧大量产生的温室气体被普遍认为是诱导全球气候变化的关键原因,成为悬在全人类头顶的达摩克利斯之剑。人类生产、生活过程的碳足迹均被纳入对温室气体效应影响的评判中,筑坝蓄水的温室气体效应也备受关注。

科学研究对自然现象的认识往往是以自然观作为预设前提的,在这样的基础上产生相应的科学认识的方法论原则和具体实践方案,在“螺旋上升”的往复认识中逐步完善对自然现象和过程的系统认识。对水库温室气体效应的认识亦有赖于此。

设计客观合理的水库温室气体监测方案,需要充分认识水库生态系统特征及其碳循环特点,辨识在人类活动干涉下水库温室气体可能产生的途径与过程,提出关于水库温室气体通量特征典型代表性时空区段的预判并开展跟踪观测。

对水库温室气体效应的跟踪观测,起始于上世纪70―80年代巴西、加拿大等国的早期研究。根据地表系统温室气体(CO2、CH4、N2O)通量的基本特征和近地层大气中气体传输机制,科学家们发展了各种温室气体通量监测方法,主要有模型估算法(化学平衡法)、通量箱法、微气象法、遥感反演法等,并延伸发展了10余种界面温室气体监测技术得到广泛运用。虽然方法的改进为人们更好地认识水库温室气体交换通量强度提供了强有力的技术支持,但很显然,对特定水库温室气体效应的系统认识还需辅以适配于水库水文地理条件与生态特征的系统监测方案,在不断的科学修正中探究水库温室气体通量特征的真实本质。

水库是人类高强度流域开发的产物,同湖泊千百年来自然缓慢演进与沉积相比,筑坝蓄水诱发的各种生态响应是在一个相对短暂的历史时期发生发展的,其环境本底状态同成库前的土地和水域利用情况密切相关,在很大程度上影响了水库温室气体强度的大小。譬如,在成库前有机质丰富的农田与贫瘠的土壤,其在受淹后所能够释放的温室气体强度存在显著差异,而成库前流动溪流与静止湖盆,它们形成水库后的温室气体效应也明显不同。另一方面,水库温室气体通量的改变,与水库生态系统重建和完善过程息息相关,受水库利用方式与水域功能的发挥影响显著。

水库作为介于河流与湖泊之间的人工水体,在人类利用下往往可能表征出近似于河流的搬运型特点(如河道型的发电水库),也可能表征出类似湖泊的沉积型特点(如渔业用水库),其温室气体的产生途径与释放过程受人类利用方式的胁迫十分复杂,并具有不确定性。

合理的布设监测布点与科学的选择监测时空频次是水库温室气体监测方案的两个关键组成部分,典型性与代表性通常是监测方案的两个基本要求。这不仅归因于在有限的资源(人力、物力)投入下较快获取监测数据的现实要求,而且是保证主观认识与客观规律辩证统一的科学基础,犹如仅占体表万分之四却能影响各项生理机能的人体穴位。

而随着水库库龄的增加,水库生态系统演化的过程将可能影响温室气体强度的大小,甚至逆转温室气体的源汇特征。加拿大等国的经验表明,水库成库后15―20年,温室气体释放强度将恢复到天然河道的水平,但其经验是建立在其独特的水库水文地理背景和人类利用方式基础上,而在其他水域的情况则仍不确定。因此,设计客观合理的水库温室气体监测方案,需要充分认识水库生态系统特征及其碳循环特点,辨识在人类活动干涉下水库温室气体可能产生的途径与过程,提出关于水库温室气体通量特征典型代表性时空区段的预判并开展跟踪观测。

合理的布设监测布点与科学的选择监测时空频次是水库温室气体监测方案的两个关键组成部分,典型性与代表性通常是监测方案的两个基本要求。这不仅归因于在有限的资源(人力、物力)投入下较快获取监测数据的现实要求,而且是保证主观认识与客观规律辩证统一的科学基础,犹如仅占体表万分之四却能影响各项生理机能的人体穴位。虽然野外监测提供了有限时间与空间范围内的水库温室气体通量特征,但却需要系统表征出水库全水域的温室气体效应。

当现有技术手段和经济条件不足以支持连续跟踪观测时,在全天或全年的哪一个时段实施监测能够客观反映温室气体通量特征是值得探究的。

对监测布点的合理分布与监测时空频次的优化分配需考虑众多对温室气体产生过程的潜在影响。例如在深水河道型水库中,入库后伴随河道纵向输移的颗粒物质在大坝拦蓄的条件下逐渐沉积,形成了“河流区―过渡区―湖泊区”的纵向梯度。

在连续的区段内,水动力等的物理背景差异使得碳、氮的生物地球化学循环过程和生态系统组成呈现较大差别,温室气体产生和界面释放呈现连续波动变化的特征。这使得在纵向的空间监测布点中,不仅需要考虑水库物理背景改变导致生境条件差异而在各区段呈现的典型特征,而且在同一监测区段内的具体点位布设亦需要予以充分考虑,局部的空间点位显然不足以代表温室气体产生及其通量过程。另一方面,当现有技术手段和经济条件不足以支持连续跟踪观测时,在全天或全年的哪一个时段实施监测能够客观反映温室气体通量特征是值得探究的。

随着昼夜和季节变化,温室气体通量特征亦呈现出时间上的连续变化特征。日渐光照增强与水温、压强的改变直接影响了温室气体在水一气、土一气界面间的交换特征,而伴随藻类光合作用进行,温室气体的交换通量受控于水生生物生长衰亡的影响而产生改变。虽然人们通常以每月一次或每月二次的监测频次开展野外跟踪观测以期反映水库温室气体通量的全年特征,而采用日变化过程的24小时跟踪观测反映日变化下的温室气体通量特征,但明确水库监测时段的代表性,分析在某一时间内开展监测能够客观反映出所研究时间区段的水库温室气体特征并不容易。

水库温室气体监测工作开展的第三个关键环节是水库温室气体监测工作的长期性与持久性,以期能够在充足的历史序列上提供关于水库温室气体效应的系统认识。

不仅如此,水库温室气体监测工作开展的第三个关键环节是水库温室气体监测工作的长期性与持久性,以期能够在充足的历史序列上提供关于水库温室气体效应的系统认识。诚如前面提到,已有的研究经验表明在成库后的15―20年内,水库温室气体通量将恢复到成库前的水平,但问题在于水库对碳、氮等生源要素的转运或埋藏以及水库温室气体释放特征同水库流域内人类生产生活水平、水库利用方式密切相关,当水库生态系统长期受迫于人类活动干扰而呈现往复变动的特征时,是否这样的状态能否让水库温室气体通量特征恢复到成库前的水平?长期持续的跟踪观测显然是回答这一问题的最好办法。

通过前述分析可以看出,在充分认识水库温室气体产汇过程的基础上,科学制定水库温室气体监测方案是客观评判水库温室气体效应的关键前提,在这一过程中,五个方面的要素是值得考虑的,即:1)成库前的土地利用历史和环境本底特征;2)成库后的水库功能与运行方案;3)水库不同时空区段内的水文地理特征;4)水库温室气体关键环境要素的时空分布特点与关键生态过程;5)适配于水库特征的温室气体监测技术。

第7篇

中国式日光温室(CSG)是我国独有的一种温室结构型式,具有高效、节能和低成本等显著特征。然而,随着日光温室的迅速发展,其自身存在的问题也日益凸显,具体表现在:(1)冬季夜晚室温低、湿度大。由于日光温室的保温蓄热能力有限,冬春季节夜晚低温高湿(温度低于8 ℃、相对湿度接近100%)现象极为普遍,严重影响蔬菜产量与品质;(2)墙体厚度不断增加,土地资源浪费严重。一些地区为了增加墙体蓄热量,提高日光温室夜晚温度,盲目增加北墙厚度,甚至达6~8 m,既浪费土地资源又难以达到理想的增温效果。

针对上述问题,本研究团队在多年研究的基础上,设计了一种轻简装配式主动蓄能型日光温室,在保持日光温室自身优点的基础上,将墙体的功能分为两部分,一部分为蓄放热功能,由基于水媒介质的主动蓄放热系统来实现,一部分为保温隔热功能,由轻简结构可装配式保温墙体来完成。同时,温室的骨架也采用标准化装配式设计,实现日光温室结构的轻简化、可装配功能,大大提高了土地利用效率,并实现日光温室的温度可调控。

主动蓄放热系统

大量的前期试验研究表明,我国北方地区到达日光温室北墙的太阳辐射能最大可达400 W/m2~500 W/m2,但仅有20%~30%的能量能被墙体有效蓄积与释放,这种墙体被动式蓄热方式难以满足温室的增温需求。为此,作者所在研究团队以最大化收集并储存到达墙体热能、提高热能利用效率为目标,以太阳能光热转换原理为基础,提出了一种以流体为媒介的日光温室主动式蓄放热思想,白天利用流体循环不断地将到达墙体表面的太阳辐射能吸收并蓄积起来,夜晚再通过流体的循环释放热量,变被动为主动,使热能蓄积释放效率成倍提升,可显著提高日光温室冬季夜晚温度。

研究团队在日光温室主动蓄放热理论及工程技术参数研究基础上,先后研制出墙面集热管―浅层土壤主动蓄放热系统、透光水幕帘主动蓄放热系统、双黑膜水幕主动蓄放热系统,以及金属膜水幕主动蓄放热系统等系列化成套技术装备,具体研究成果可参考文献[1-5]。

所研制的主动蓄放热系统主要以水为蓄热介质,白天将到达温室墙体表面的辐射热通过集热材料与循环水持续不断地收集并储存到蓄热水池;夜晚根据作物对温度的需求,利用水媒循环进行热量释放,增加室内温度。该系统由集放热板、蓄热水池、水泵、连接管道及控制系统等组成(图 2)。

装配式温室设计

结构及骨架

针对北方地区气候特征,在设计中重点突出温室采光、保温性能。温室跨度10 m,脊高4.5 m,后墙净高3 m,长度60~100 m,前屋面角27°,后坡仰角40°。前坡底脚70°,距南底脚1 m处前坡高度1.6 m,相对传统温室,栽培空间大幅扩展。前坡由两段直线、两段圆弧组成,既可满足加工工艺要求,又能有效提高温室采光量。骨架可采用圆管桁架、扁圆钢管、几字钢等结构,现场拼接安装。温室骨架结构示意图如图 4所示。

温室基础

为减少温室土壤散热量,在温室外四周需设置防寒沟或保温结构,以保障冬季温室保温、夏季隔热的需要。在温室防寒设计方面,采用在基础内外两侧安放厚60 mm,密度20 kg/m3聚苯板保温的方式。基础施工截面图如图 5所示。

温室墙体

温室墙体主要起保温隔热作用,后墙、后坡、山墙墙体材料为水泥板-聚苯板-水泥板复合三明治结构,水泥板厚8 mm,聚苯板厚150 mm。保温墙板安装时用专用挂钩螺栓与后骨架拉筋管拉紧固定,板间间隙中喷注发泡胶,避免形成空腔,填充均匀后,用黑色建筑密封胶对墙板所有缝隙进行勾缝。

温室冬季性能

冬季试验表明:轻简装配式主动蓄能型日光温室较普通红砖日光温室室内冬季夜间最低温度高5.4 ℃以上,作物根际温度高1.6 ℃以上;当室外气温在-12 ℃的低温时,该温室室内温度仍可维持在16.3 ℃,根际温度维持在17.5 ℃;主动蓄放热系统的放热量可达4.9~5.6 MJ/m2,远远大于普通温室北墙的散热量(0.35 ~2.5 MJ/m2)[1],使番茄的上市时间提前20 天以上。

轻简装配式主动蓄能型日光温室保留传统日光温室“三面墙一面坡”结构特点,其温室骨架可与主动蓄放热系统结合为一体,相比于传统砖墙日光温室,温室冬季夜晚温度可以提高5.4 ℃以上。该温室可实现整体式装配安装,大大减少了建设安装成本,同时,后墙厚度小于35 cm,与土厚墙温室相比,显著提高了土地利用效率。该温室目前已在东北、西北、华北等地区进行中试示范,取得了良好的应用效果,未来可望在全国进行大面积推广应用。

【参考文献】

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[2] 李文,杨其长,张义,方慧.日光温室主动蓄放热系统应用效果研究[J]. 中国农业气象, 2013,34(5): 557-562.

[3] 孙维拓,张义,杨其长,方慧,卢威,胡永逵.温室主动蓄放热-热泵联合加温系统热力学分析[J].农业工程学报,2014,30(14):179-188.

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[5] Fang Hui,Yang Qichang,Zhang Yi,Sun Weituo,Lu Wei,Tong Yuxin,Liang Hao. Performance of a solar heat collection and release system for improving night temperature in a Chinese solar greenhouse. Applied Engineering in Agriculture,31(2): 283-289.

第8篇

关键词: 混合控制; 模糊专家控制; PID控制; 高效节能; 温室

中图分类号: TN876?34; TP391 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2017)08?0014?05

Research on greenhouse temperature increase algorithm of fuzzy?expert and

PID hybrid control

WANG Honglei1,2, LI Xiaodong3, XU Pingping1

(1. National Key Lab for Mobile Communications Research, Southeast University, Nanjing 210096, China;

2. School of Information and Electrical Engineering, Xuzhou College of Industrial Technology, Xuzhou 221140, China;

3. School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining Technology, Xuzhou 221116, China)

Abstract: A Matlab simulation model for the greenhouse environment is created according to the energy?balanced greenhouse temperature digital model and the specific parameters of the actual greenhouse. The correlation coefficient (0.96887707) of predicted data and actual data, and the key coefficient (0.93872278) were obtained according to the results of analysis on the temperature forecast and the error statistics. A hybrid algorithm combining the fuzzy expert control with PID control is proposed. The algorithm can choose different control algorithms according to the comparison result between the deviation between the actual temperature and set temperature, and the specified threshold on each time slice. If the temperature deviation is greater than the threshold value, the fuzzy expert control is selected; if the threshold is less than the threshold value, the control mode is switched to the PID control. The algorithm gives consideration to both dynamic and steady states. The simulation results show that the proposed algorithm can save energy by 13.68% compared with the non?optimized switch control, save energy by 9.07% compared with the PID control algorithm, and save energy by 5.89% compared with the expert fuzzy control algorithm. The practical application shows that the temperature increasing system controlled by the algorithm can increase the yield of the winter tomato by 2.1%, compared with the traditional switch control system in the greenhouse.

Keywords: hybrid control; fuzzy expert control; PID control; efficient energy saving; greenhouse

0 引 言

温室的高效调控是作物高产、优秀的必要条件,然而温室生产的高能耗已成为温室发展的主要障碍[1]。在温室产业较发达的欧洲,荷兰温室生产能耗最高达1 900 MJ・m-2,纬度更高的瑞典加温所耗能源占全部温室生产能耗[2?4]的65%~85%。因此,在满足作物正常生产前体现,减低温室能耗是实际生产中迫切需要解决的问题。

温室环境控制策略和方法近年来取得反馈前馈线性化解耦算法[5],基于预测PI 的先进控制[6]和最优控制[7]等很多研究成果,这些研究对于温室生产工程应用提供了重要的理论依据,但是在温室实际生产中难以实现,常规的PID控制结构简单,易实现,在温室工程应用控制器的设计中被广泛使用[8]。但是常规PID控制无法及时跟踪对象特性的偏差较大的变化,很难达到满意的控制效果[9]。虽然温室环境控制算法等方面也取得了不少成果,但能有效应用于实际温室控制的成果却不多。最主要原因是缺乏温室环境控制所需要的温室系统精确模型。温室环境是多变量、高耦合的复杂系统,不易建立精确的模型[10]。

综上所述,理论研究的温室高效控制方法和实际生产过程中控制方法存在脱节现象[11],中国大多数的温室环境控制以人工感官和经验管理为主[10],现代化设施农业基地中自动化控制系统主要依靠开关量进行操作。因此,本研究针对苏北冬季寒冷天气需要加热控制为前提,利用太阳能加热相变材料解决冬季给温室高效储能的问题,设计了一种基于模糊专家与PID混合控制算法的温室控制方法,通过此算法控制循环泵,降低复杂的智能算法对控制器处理能力要求,在满足环境要求的前提下,降低循环泵开启时间,减少能量输出。

1 温室温度动态数学模型建立与结果分析

1.1 温室温度动态数学模型理论分析

本研究采用灰箱模型法建模。基于θ攘看递的物理过程分析确立温室温度模型的结构,根据试验数据辨识模型参数,进行参数估计[12]。因为在不同地区及不同环境条件下气候各异,所以建立的温室温度动态数学模型结构及其参数差异较大。文献[13]给出了温室温度的动态数学模型:

(1)

式中:为温室空气中增温量;为太阳辐射热量;为加热能量;为通风热交换能量;为覆盖层与外界交换的损失热量;为空气与土壤热交换能量;为空气与植物叶面的热传导能量;为降温设备带走的能量;为植物蒸腾所需要的能量;为植物光合作用能量。

为了降低模型的复杂程度,温室内空气均匀分布且室温与土表温度可视为相同,所以忽略温室内空气与土表之间的热量交换,忽略温室内土壤温度的横向传递,只考虑纵向的一维热传递;温室内作物冠层温度均匀分布[14]。在冬季寒冷情况下,为了更好增温,天窗基本处于关闭状态,不考虑通风热交换,同时由于天气寒冷,植物呼吸热量,土壤与空气交换热量和植物光合作用热量等能量交换也可忽略[15]。

1.2 温室温度动态数学模型的建立

本文温室模型是根据徐州农业科学研究所示范基地温室设计。处于暖温带半湿润季风气候区。温室东、西、北三面为砖墙,南面为PVC板,温室长60 m,宽8 m,北墙高3 m。加热管道表面积为铺设暖气软管表面积,在温室内实际铺设直径为1寸的暖气管长度约1 018 m,1寸管直径2.54 cm,加热管道表面积约为1 018×(2.54÷100×3.14)=81.2 m2,与棚内面积比值为0.169。其他各温室参数值如表1所示。

被控对象的数学模型见式(6),其是一个非线性对象。模型不能显式地给出热水管道输出温度与室内温度之间的关系,室内温度同时还受室外太阳辐射与室外温度的影响。

由于各变量之间的复杂关系,直接建模比较困难。这里借助模块化设计的思想,从能量的角度,将系统划分成不同的子系统。再依照各子系统变量之间的关系,建立被控对象温室内环境温度的Matlab仿真系统框图,如图1所示,其中Ra为输入实时日光温度值,为输入室外温度值,为温室最终温度。

图1中,为室外太阳辐射,为室外气温,两者都是自然因素。为热水管道的温度,温室温度控制系统通过控制管道热量来实现温室内温度的控制。框图内各子系统依照各自的数学模型(式(2)~式(6))进行功能运算函数的编制,完成整个温室内气体温度数学模型的Matlab建模。

1.3 温室温度动态数学模型结果分析

为了验证上述温室温度模型的有效性和准确性,利用自行开发基于无线传感器网络的农业环境监控系统通过温湿度传感器和光照传感器记录2015年11月28日实际室外辐射强度和室外温度信息。

将采集的室外气候数据引入到温室模型,根据模型仿真预测出大棚温度,根据温度实测曲线和预测曲线进行了统计学分析,详情请见表2。预测数据与真实数据的相关系数为0.968 877 07,决定系数为0.938 722 78, 表明每个预测值的误差都很小,各样本预测值准确性普遍较高。

表2 温度预测误差统计分析

2 专家模糊与PID混合控制算法设计

将PID控制策略引入专家模糊控制器,构成专家模糊与PID混合控制,e为输入(设定室温)减输出(实际室温),称为温度偏差,e0为阈值。根据仿真比较,e0设为3。当e>e0,选择专家模糊控制;否则,切换到PID控制,根据PID参数与系统性能的关系,反复调节PID的参数。其中P=835.7,I=13.6,D=2。实现动态性能和稳态性能兼顾,达到在规定的温度条件下所消耗的能耗最低的要求。仿真模型如图2所示。

采用Matlab中的FIS编辑器,进行模糊控制器的设计。选择模糊专家控制器的输入变量为温度偏差e及温差变化率ec(即e的变化率),输出变量tp为太阳能加热管道阀门的开通时间,即加热量。相应的模糊集为E,EC,TP,是一个双输入单输出的二维模糊控制器。温度偏差e和温差变化率ec的量化论域划一致,都选用三角形隶属度函数。输出控制量tp同样选用三角形隶属函数,用ZO(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)四个模糊状态来描述。即将增温管道的循环泵开关时间分为4个等级,分别为[0,1]。根据循环泵的通断时间调节管道内热水流量,从而改变管道温度,提供不同的能量输出使温室环境温度在满足作物生长要求的同时尽量节省能量输出,减少增温系统成本投入,起到高效利用热能的作用。

对专家的理论知识和实践经验的总结,得到温室环境温度控制的两条总体经验规则:

(1) IF室内温度偏差负大,THEN循环泵采用常开状态,处于高增温阶段;

(2) IF室内温度偏差负小AND温差变化方向为正 ,THEN循环泵采用断续状态,处于低增温阶段。

温室环境内的温度控制可以根据温室内温度偏差e以及偏差变化率ec来消除温度偏差,相应的控制规则可用如表3所示。

模糊逻辑推理方法采用Mamdani极大极小推理法。采用重心法(Centroid)为清晰化(Defuzzification)方法。

3 温室环境系统智能优化的仿真控制结果分析

本地区冬季室外温度-4~16 ℃,最适合植物生长温度为16~25 ℃,特别是夜晚温度不能低于16 ℃。在满足最适合植物生长的温度控制的前提下,分别通过开关控制、PID控制、专家模糊控制、专家模糊与PID混合控制太阳能加热管道阀门的开通时间,以消耗的热水能耗和循环泵本身能耗总和最低为优化目标,计算比较得出最优。以11月28日气候条件为例,设储热罐水温为50 ℃,要求18点―次日7点不低于16 ℃,7点―18点不低于23 ℃。循环泵选型为32?200,口径为32 mm,流量为6.3 m3/h;扬程为50 m;转速为2 960 r/min;配带电机功率为4 kW;效率为33%。通过Matlab仿真,得出温室能耗设备的运行动作指令控制矩阵序列,序列表示温室中循环泵的工作时间和工作状态。如表4所示,第1列表示整点时间,第2列~第11列将1 h平均分成10份,每列表示6 min的循环泵开关状态,0表示关6 min、0.333表示开2 min,0.666表示开4 min,1表示开6 min。以专家模糊与PID混合算法控制策略下仿真设备运行部分状态为例。

优化前开关控制、PID控制、专家模糊控制、专家模糊与PID混合控制算法都基本达到控制要求,模糊专家系统控制波动较大。

表4 模糊专家与PID混合算法控制策略下设备运行状态

总能耗包括循环泵本身能耗和消耗的热水热量总和,将各类控制策略能耗M行比较后得出模糊专家与PID混合算法比其他算法控制分别节能13.68%,9.07%,5.89%,如表5所示。

4 实际应用分析

2015年11月―2016年4月期间,本文提出的高效控制算法与传统开关控制在徐州农业科学研究所示范基地2号温室实现越冬番茄苏粉11种植对比实验,通过塑料薄膜隔开两间长宽高分别为8 m×3 m×5 m的完全相同的温室,在棚内温度控制范围、太阳能光热管数、散热管道长度、储水箱体积、温室种植体积、作物以及种植密度完全相同的前提下,采用本文提出的混合算法与传统开关分别控制两间温室的太阳能加热管道阀门的通断,以提高棚内温度,实际应用如图3所示。

本文提出的高效控制算法比传统开关控制算法实际节能12.1%,株高平均增加2.5%、茎粗平均增加1.1%、生长势指标(叶绿素)平均增加10.8%,产量增加2.1%。

5 结 语

本文基于对热量传递的物理过程分析确立温室温度模型的结构,建立温室温度动态数学模型,经温度预测误差统计分析,预测数据与真实数据的相关系数为0.968 877 07,决定系数为0.938 722 78, 表明每个预测值的误差都很小,各样本预测值准确性普遍较高。提出一种基于模糊专家控制与PID控制相结合的混合算法,该算法根据全天24 h分成240份时间片的实际温度与设定温度之间温度偏差与设定阈值比较选择不同控制算法。当温度偏差大于阈值时,选择模糊专家控制,小于阈值时,切换到PID控制,兼顾动态和稳态特性。仿真实验表明,本文提出的算法比优化前的开关控制、PID控制算法、专家模糊控制算法分别节能13.68%,9.07%,5.89%,起到高效节能的作用。实际应用证明,使用该算法控制的增温温室比传统开关控制的增温温室内种植的越冬番茄增产2.1%。

参考文献

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第9篇

大家知道,化石燃料的燃烧能产生大量的二氧化碳。排放到大气中的二氧化碳,一般人们不认为是污染物,不过大气中二氧化碳的增多会引起“温室效应”。这是因为空气里的二氧化碳含量升高会增强大气对太阳光中红外线辐射的吸收能力,并阻止地球表面热量向空间散发。

据估算,大气中的二氧化碳含量增加一倍,全球年平均气温就会升高2℃~3℃。近些年来,由于人们大量地燃烧化石燃料,导致大气中的二氧化碳不断增多,从而使世界气候呈现变暖的趋势。

气象记录表明,近百年来全球增温大约0.6℃。有人认为,全球变暖将可能导致两极的冰川融化使海平面升高,淹没许多城市。世界上大约有三分之一的人口生活在沿海岸线60千米范围以内,35座最大城市中有20座地处沿海,因此海平面升高无疑将对人类构成巨大的威胁。

地球表面气温升高,各地降水和干湿状况也会发生变化。现在温带的农业发达地区,由于气温升高、蒸发加强,气候会变得炎热,农业区会退化成“草原”,干旱区会变得更加干旱,土地沙漠化加重,农业减产。

但是,也有人认为大气中的水蒸气、云量、颗粒物有可能抵消“温室效应”。另外,森林的多少、水利工程的有无和灌溉面积的大小都会对气温产生影响,因而对未来全球气候的总趋势还不能作出推断。还有人认为二氧化碳含量的增加,将有利于绿色植物的光合作用,世界会变得更绿。

虽然目前还不能对未来全球气候总趋势作出推断,但是有一点可以肯定,即大气污染对气候的影响已明显表露出来,至少是引起近年来世界气候异常的原因之一。

二氧化碳等温室气体在大气中含量不断增加的确是个事实,它对全球气候的影响是人类必须面对的复杂课题。

为了保护人类赖以生存的地球,人类共同防止温室效应的意识必须进一步增强。比方说,我们必须节约能源,减少使用煤、石油、天然气等化石燃料;必须更多地利用太阳能、风能、地热等,还要大力植树造林,严禁乱砍滥伐森林,使温室效应得到有效的控制。

(选自《科学24小时》2011年第10期)

【阅读训练】

1.这篇说明文说明的对象是什么?

2.文章为什么要从“温室”写起呢?

3.地球上为什么会形成“温室效应”呢?

4.文中的画线句主要运用了什么说明方法?其作用是什么?

5.作为一名中学生,你将为防止温室效应做哪些有意义的事情呢?

(周俊根 设计)

第10篇

温室效应,又称“花房效应”,是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面,但地表受热后向外放出的大量长波热辐射线却被大气吸收,使地表与低层大气温作用类似于栽培农作物的温室,故名温室效应。自工业革命以来,人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加,大气的温室效应也随之增强,其引发了一系列问题已引起了世界各国的关注。

引起温室效应的直接原因:主要是由于现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气,产生的和大量排放的汽车尾气中含有的二氧化碳气体进入大气造成。

特点:温度室内高;不散热。

(来源:文章屋网 )

第11篇

关键词:建筑节能;舒适性:围护结构;保温

中图分类号:TU111.4

文献标识码:B

文章编号:1008-0422(2009)05-0175-02

1 前言

随着国家科学发展观的提出,建筑节能工作近几年被日益重视,相关的设计规范、施工验收规范也不断推出,在工程实践中,关于建筑节能的理解和实施还存在很大的讨论空间,以下几点是笔者在设计和施工服务中对建筑节能的几点体会。

2 围护结构的热阻和结露

结露是指围护结构表面温度低于附近空气露点温度时,在其表面出现冷凝水的现象。根据传热理论,当围护结构两侧存在有温差时,热量由温度高的一侧流向温度低的一侧,温度也随之由高到低,传热量、温度差与热阻相关。

在室内温度高于室外温度时的温度变化曲线,其中tn表示室内温度,tw表示室外温度,tnl,表示围护结构内表面温度,在稳态传热的条件下,tn与tnl的差值由内表面放热系数所构成的热阻与围护结构总热阻的比例确定。对于不允许围护结构内表面结露的建筑物,只要保证tnl大于室内空气状态下的露点温度td,就可以避免结露。

由于围护结构的热阻,室内外的温度变化经历了几个阶段的变化,围护结构也就是我们平常理解的墙体部位,在材料均匀、稳定传热的假定条件下,温度的变化是线性变化,保温层部分由于热阻较大,温降也较大。

3 建筑节能对室内舒适性的影响

从前面的分析可以看出由于建筑采取节能措施后,墙体部位的热阻增加,内外表面的温度降加大,相应的围护结构内表面温度提高了,图2是假定室内18℃、室外0℃时,节能建筑和普通建筑内表面温度的对比。

由于内表面温度的提高,结露的可能性降低,室内因温度差形成的气流也小了,更重要的是人在室内活动时,人体向围护结构的辐射传热量降低了,同样的室内温度而人的舒适感提高了,这也可以解释为什么在没有采取节能措施的房间里围着火炉取暖时,面朝火炉的一面很热而背后仍然是冷飕飕的令人不舒服。

冬季室外温度低于室内温度的情况,在夏季室外温度高于室内温度时,保温房间内表面温度要低于未采取保温措施的建筑,室内人员的烤热感大大降低,室内人员的舒适感加强了。

加强保温可以提高室内舒适感,但以此为理由推论出保温层越厚越好也不恰当,对于长沙这种夏热冬冷地区来说,夏季防热也是要重点考虑的,打个比方就是人穿衣服要适当,过度保温就象是夏天捂个大棉袄,室内人员活动、灯光设备的散热不易散出,室内热量需要通过空调制冷带出,反而违背了建筑节能的初衷。以长沙地区的建筑为例,适当的保温并采取通风换气的措施是比较合理的方案。

4 建筑材料含水率对保温性能的影响

围护结构的热阻主要由建筑材料的导热系数确定,而建筑材料的含水率对材料导热系数有非常直接的影响。根据资料介绍,一般建筑材料每增加1%,其导热系数增加约为4~8%,增加幅度随材料不同而不同,而且同一种材料在不同含水率的条件下,其导热系数增长不一定呈线性关系。

可以推断,对于建筑物的围护结构,室外的风霜雨雪、室内的散湿情况都会对其材料的含水率产生影响并加大其导热系数。就算是在设计中严格按要求设计了围护结构的热工性能,但如果没有考虑其受含水率变化的影响,围护结构仍然有可能会出现结露。为解决这一问题,根本的办法是在建筑构造上采取措施,即在保温层外设置隔汽层,防止水汽进入保温材料导致导热系数增大。对于一般的建筑,由于室内没有明显的散湿,主要是受室外气象因素的影响,一般将隔汽层设在室外侧。实践表明,设置隔汽层可以有效地防止围护结构内部冷凝受潮。

5 内保温与外保温

内保温还是外保温?在设计中我们常常被问到类似这样的问题。一般来说内保温施工简单,费用低,常被建设单位青睐,外保温则具有对户内使用面积影响小,不存在室内装修施工破坏因素的影响等优点。如果深层次地分析,内保温由于将建筑围护结构的基体材料隔在外边,建筑蓄热能力小,温度变化快,波动也快,但相应的建筑围护结构基体材料的内外表面温差加大,温度应力增加,出现裂纹的可能性增加,因此在屋顶保温中是要求保温层外置。外保温则相反,由于蓄热能力的增加,建筑内温度变化慢,波动小,舒适性较好。

如果说建筑为使用时间不长、间断使用的公共建筑,采用内保温对节能较为有利,而对使用时间较长、室内人员较为稳定的建筑如住宅楼、宾馆、办公楼等,外保温较好。

6 热桥部位的形成与对策

由于建筑材料材质的不均匀或是在同一断面上采用不同材料所造成的围护结构热阻的差异称为热桥,其根本原因是材料的导热系数不同造成的。热桥可以视为围护结构上的薄弱环节,它将使围护结构的热阻小于计算得出的理论热阻。热桥的存在使我们可以经常看到结露最先是在一个局部产生,这一部位也必然是热桥部位。对于不允许外墙和顶棚内表面结露的房间,设计应保证热桥部位的内表面温度高于室内空气的露点温度。

在实际工程中,热桥的产生是不可避免的,雨棚、空调机搁板、遮阳板、梁柱部位均是热桥部位。一般说来对于由材质不均匀导致的热桥可以在计算中考虑对其导热系数加保险系数的方法解决;对于大面积有规律的围护结构如红砖砌体、水泥沙浆砌筑加气混凝土条形板等可以采用综合热阻来计算;对于局部土建梁、柱等引起的热桥则可局部校验并局部加强保温。

在保温施工的标准图中,对于阳台、窗套、空调机板等外挑热桥部位,是要求保温层覆盖保温,但施工中往往难以实施,大多采取保温砂浆加厚的措施,而保温砂浆在热工性能上比保温材料还是相差很大,应核算这些部位的热阻是否满足不结露要求,如不满足则建议增加局部内保温措施。

7 有效利用太阳辐射热

对于长沙地区来说,气候特点是夏热冬冷,防热要求与保温要求同等重要,而太阳辐射热的引入对冬季采暖有利,夏季空调不利,能否因势利导、有效利用成为我们经常探讨的话题。

长沙地区冬季和夏季的太阳入射角不同,夏季大而冬季小,在南向外窗、阳台门上设遮阳板时可以根据入射角计算遮阳板的最佳宽度,在夏季阳光不直接射入室内,而冬季阳光可以最大幅度地射入室内,这样就可以实现有效利用太阳辐射热的目的了。

第12篇

1、限根技术的应用

从初步的试验得知,对于温室桃来说,用铺设隔离层来限制桃根系的垂直扩展,效果不佳。分析原因,主要是桃树根系分布较浅,隔离层如果过深,对桃树根系起不到作用,当达到起作用的程度时,隔层则必须在地表下25-35cm的范围内,浇水时常出现表水下渗受阻,地表积水的现象。具体限根技术的应用,以剪根措施为佳,剪根方法分多次进行。首先,在果实采收后,结合施基肥对垂直根进行断根处理,要求根据树体高度,在树下25~35cm处将垂直根切断,靠近棚的最南端的树体要最矮,断根的深度要浅,往棚内北端空间逐渐增大,树体逐渐增高,断根深度稍深。垂直断根后,根据树体的生长情况对树体周围的水平根进行断根,由于水平根一般分布在树冠下15~35cm土深范围内,断根较容易,但注意断根程度不要一次过大,以免给树体造成损伤。水平断根可少量多次进行,时间以6月上旬到7月中旬为宜,一般进行3-5次。

2、起垄技术的应用

此技术试验应用效果非常理想,分析原因主要是由于起垄后,根部上移,根周围土壤加强了同温室内空气环境的联系,温室温度上升时,桃树根系的温度也能很快提高,解决了原栽培模式下的温室内气温与树体根部地温的差异对树体生长结果产生的不利影响。具体起垄方法较简单,只要掌握好垄向与行向相同,垄高30-40cm,宽40-50cm就可以了,简单、实用、效果好。

3、定植密度问题

初步试验表明,应用此技术的温室桃较适宜的株行距为1m×1.5m,并且要求配置两个以上品种为授粉树,以提高坐果率和果实品质。

4、产量的控制问题

产量过高,会影响果实的品质,产量低,则会影响生产效益,因此这是一个易被人忽视的重要问题。从多年的生产实践来看,该技术条件下温室桃的合理亩(1亩=1/15ha)产应控制在2.5t左右。

第13篇

【关键词】温室气体温室效应二氧化碳

导言:当今,环境问题已经成为一个世界性的问题,不论是发展中国家还是发达国家,都已经意识到了其重要性,并且几乎都开展了这方面的研究工作。在诸多的不幸问题中,气候变暖问题是显著的问题之一。由于人类大量使用煤,石油,天然气等矿物燃料,大量砍伐森林,开垦荒地,使大气中温室气体的含量不断的增加,温室效应对气候的影响日益增强。

一. 温室效应的产生的原因:

温室效应主要是由于现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气,大量排放尾气,这些燃料燃烧后放出大量的二氧化碳气体进入大气造成的。二氧化碳气体具有吸热和隔热的功能。它在大气中增多的结果是形成一种无形的玻璃罩,使太阳辐射到地球上的热量无法向外层空间发散,其结果是地球表面变热起来。因此,二氧化碳也被称为温室气体。

温室气体二氧化碳增加的原因:

1. 矿物燃料的燃烧。目前全世界矿物能源的消耗大约占全部能源消耗的90%,排放到大气中二氧化碳主要是燃烧矿物燃料产生的,据估算,矿物燃料燃烧所排放的二氧化碳占排放总量的70%,由于人们对能源利用量逐年增加,因而使大气中的二氧化碳的浓度逐年增加。

2. 森林的毁坏。有人将森林比作“地球的肺”,森林中植物繁多,生物量最高。绿色植物的光合作用大量大量吸收二氧化碳。由于人类大量砍伐森林,毁坏草原。使地球表面的植被日趋减少,以致降低了植物对二氧化碳的吸收作用,这是导致全球性气温升高的又一个重要原因。

二.温室气体排放、温室效应的影响

1) 气候转变:‘全球变暖’

温室气体浓度的增加会减少红外线辐射放射到太空外,地球的气候因此需要转变来使吸取和释放辐射的份量达至新的平衡。 这转变可包括‘全球性’的地球表面及大气低层变暖,因为这样可以将过剩的辐射排放出外。虽然如此,地球表面温度的少许 上升可能会引发其他的变动,例如:大气层云量及环流的转变。当中某些转变可使地面变暖加剧(正反馈),某些则可令变暖过 程减慢(负反馈)。

利用复杂的气候模式,‘政府间气候变化专门委员会’在第三份评估报告估计全球的地面平均气温会在2100年上升1.4至5.8℃。这预计已考虑到大气 层中悬浮粒子倾于对地球气候降温的效应与及海洋吸收热能的作用 (海洋有较大的热容量)。但是,还有很多未确定的因素会影响 这个推算结果,例如:未来温室气体排放量的预计、对气候转变的各种反馈过程和海洋吸热的幅度等等。

2) 地球上的病虫害增加

温室效应可使史前致命病毒威胁人类。美国科学家近日发出警告,由于全球气温上升令北极冰层溶化,被冰封十几万年的史前致命病毒可能会重见天日,导致全球陷入疫症恐慌,人类生命受到严重威胁。

纽约锡拉丘兹大学的科学家在最新一期《科学家杂志》中指出,早前他们发现一种植物病毒TOMV,由于该病毒在大气中广泛扩散,推断在北极冰层也有其踪迹。于是研究员从格陵兰抽取 4块年龄由 500至14万年的冰块,结果在冰层中发现TOMV病毒。研究员指该病毒表层被坚固的蛋白质包围,因此可在逆境生存。

这项新发现令研究员相信,一系列的流行性感冒、小儿麻痹症和天花等疫症病毒可能藏在冰块深处,目前人类对这些原始病毒没有抵抗能力,当全球气温上升令冰层溶化时,这些埋藏在冰层千年或更长的病毒便可能会复活,形成疫症。科学家表示,虽然他们不知道这些病毒的生存希望,或者其再次适应地面环境的机会,但肯定不能抹煞病毒卷土重来的可能性。

3) 海平面上升

假若‘全球变暖’正在发生,有两种过程会导致海平面升高。第一种是海水受热膨胀令水平面上升。第二种是冰川和格陵兰及南 极洲上的冰块溶解使海洋水份增加。预期由1900年至2100年地球的平均海平面上升幅度介乎0.09米至0.88米之间。

全球暖化使南北极的冰层迅速融化,海平面不断上升,世界银行的一份报告显示,即使海平面只小幅上升1米,也足以导致5600万发展中国家人民沦为难民。而全球第一个被海水淹没的有人居住岛屿即将产生――位于南太平洋国家巴布亚新几内亚的岛屿卡特瑞岛,目下岛上主要道路水深及腰,农地也全变成烂泥巴地。

4) 气候反常,海洋风暴增多

5) 土地干旱,沙漠化面积增大

三.控制温室效应的对策

第14篇

1引言

学校建筑是学生学习生活的场所,调查研究表明:学生在教室和宿舍的时间占总在校时间的80%[1],随着我国经济的高速发展,人们生活质量不断提高,学生对室内热环境的要求也越来越高,而高校建筑室内热环境对学生身心健康和学习效率也有较大的影响。

我国学者对高校建筑室内热环境的研究主要采用调查问卷、现场实地测试及数值软件模拟等方面进行研究,其中软件模拟主要是采用DEST(建筑环境及HVAC系统模拟的软件)、PKPM模拟软件(PK:排架框架设计、PMCAD:平面辅助设计,合称PKPM)和CFD(计算流体力学软件)对室内的热环境及能耗进行数值模拟,分析室内温度、风速、相对湿度、平均辐射温度等因素的影响。

本文总结了我国高校教学楼及学生宿舍在夏季的室内热环境,并从节能技术和典型项目等方面对近几年学者相关的研究成果进行分析、归纳,了解他们的研究动态,提出了此类研究发展的趋势。

2建筑热舒适性

2.1热舒适性定义及意义

“热舒适”是指人体对热环境的主观热反应。2013年,美国供暖、制冷与空调工程师协会标准(ASHRAE Standard 55-2013)[2] 中对热舒适的定义是指对热环境表示满意的意识状态,即人体对自身的热平衡条件和感觉到的环境状况综合获得是否舒适的感觉。Gagge[3]将热舒适定义为,一种对环境既不感到热也不感到冷的舒适状态, 即人们在这种状态下会有“中性”的热感觉。Bedford[4]1936年提出热舒适的 7级评价指标,这一指标也反映出热舒适和热中性是同义的。1966年ASHRAE 开始使用7级热感觉指标(表1)。

以往人们在一定的实验环境下,来研究人们对环境的热感觉,这样受试者可以很好的回答对环境冷热感觉的真实感受,也会很方便填写调查问卷。但这种研究方法,不能反应热环境的动态变化对人体热舒适的影响。Cabanac[5]认为,将“热舒适”定义为“主观上对热环境满

2.2室内热舒适性的影响因素

关于室内热环境参数对热舒适的影响,许多学者作了大量的调查研究和理论分析。1962年,Macpherson[7]定义了影响热舒适感觉的6个因素:空气温度、空气流速、相对湿度、平均辐射温度、新陈代谢率和衣服热阻。在这6个因素的基础上,通过可控制环境参数的人工实验室和稳态条件下能量平衡的热舒适模型研究, Fanger[8]建立了热舒适方程,在搜集了1 396名美国与丹麦受测对象的热感觉表决票的基础上,他提出了一个较为客观的度量热感觉的尺度指标―预期平均评价指标PMV( Predicted Mean Vote),以反映对同一环境绝大多数人的冷热感觉。

建筑物室内热环境参数,如空气温度、空气流速、相对湿度、平均辐射温度等对热舒适均有影响,我们不仅要考虑单一参数对热舒适的影响,同时要针对不同参数的相互组合来讨论人体热舒适。实验测试可以发现各个影响因素是相互关联的,其中人体的新陈代谢、穿衣热阻因个体的差异而显得不同,实验测试起来差别较大,相对研究的比较少,其余四个因素的研究相对比较多。例如,当室内风速小于0.05m/s时,室内风速对热舒适几乎没有影响,空气相当于静止,人们会感到稍微不舒服;当风速达到0.2m/s时,人们可接受的热舒适区相当于降低1.1℃,此时人们也不会产生吹风感,反而觉得很舒适。由以上数据可以看出室内空气流动速度较小,应控制在0.2m/s左右[9]。

2.3热舒适性的评价指标

在长期的研究中,由于不同学者采用不同的研究方法,因而迄今为止提出的热舒适指标非常多,总的来说,大概有:预测平均投票值 PMV、等效温度Teq(Equivalent Temperature)、新有效温度ET(New Effective Temperature)、标准有效温度SET(Standard Effective Temperature)、主观温度Tsub(SubjectiveTemperature)、作用温度OT(Operative Temperature)等。这些指标由于建立时,出发点的不同以及不同的有关变量,造成它们各自相应的作用和适用范围,不过在环境偏离舒适条件不远的范围内,它们的评价结果或者说指标值是比较接近的,但如果超出此范围,特别是在高温高湿区,不同指标的结果有较大的差别,有些指标甚至不能用。在这些指标中,只有PMV 指标和SET 指标综合考虑了影响人体热舒适的6 个因素,因而得到了广泛的应用。

3高校建筑室内热环境的研究

3.1高校教学楼

近些年,重庆大学、西安建筑科技大学、湖南大学等学者对学校教学楼室内热环境进行了研究,取得了一定的研究成果。大学教室的主要使用者是18~28岁左右的青年,这个年龄段学生身体对环境变化的适应能力比较强,这是学者通过调查问卷及实地测试结果存在差异的主要原因,表明学生对温度、湿度、风速的可接受热舒适区范围比较广,比理论计算的数值范围要大一些。

2005年,重庆大学的罗明智[10]等学者以重庆地区高校的教学楼为研究对象,利用问卷调查和现场测试的方法,从主观和客观两方面描述了夏季教室内热环境的状况,实测得到学生中性温度(中性温度是一个人感觉最舒适的环境温度,在这个环境温度中,人们皮肤的蒸发、散热量最低,整个新陈代谢率也处于最低状态)为27.7 ℃,比预测中性温度高0.3 ℃,教室内的舒适区为ET(新有效温度)25.5~29.8 ℃,并分析了风速对人体热感觉的影响,认为高温的教室环境中,学生对风速的忍受极限相应增加,增加室内风速成为他们改善室内热环境的有效手段之一。

2010年,闫丙宏[11]等学者对天津某高校主教学楼室内热环境状况进行研究。首先,收集了180份问卷用以调查参与者在教室内的热感觉。然后以现场测试数据为基础,利用DEST软件对全年教室内的温度变化进行模拟。研究结果表明:在夏季,教学楼一楼阴面教室室内温度较阳面教室室内温度低1.5~2 ℃,室内热环境较好,现场测试结果与模拟结果基本一致。

2012年,清华大学的曹彬[12]通过对北京某高校教学楼和办公楼进行测试,分别测试其室内空气温度、平均辐射温度、相对湿度、风速等环境参数,并加以问卷调查的形式了解受试者个人主观热感觉,建立了人体热感觉与室内操作温度的对应关系。作者将受试者所在地以长江为界分为北方和南方,对其实测热感觉投票值TSV与室内操作温度(综合考虑了空气温度和平均辐射温度对人体热感觉的影响而得出的合成温度)分别进行线性回归所得方程如下所示:

由此得出,北方人实测中性温度(受试者的实际热感觉投票值TSV=0的温度)为26.87 ℃略高于南方人实测中性温度;由于TSV值随操作温度变化直线的斜率表示受试者对温度的敏感程度,可得出北方人对温度的敏感程度高于南方人。

为了更明确体现操作温度或新有效温度ET对人体热感觉的影响,本文现将国内部分高校建筑现场研究的操作温度与实际热感觉投票值TSV进行线性回归,所得方程如表2所示。其中TSV值随操作温度或新有效温度ET的变化直线的斜率表示受试者对温度的敏感程度。通过对比分析得出,我国由北向南地区受试者对温度的敏感程度依次降低,而实测中性温度则依次增加。

3.2高校学生公寓

学生公寓因其室内人员密度较大,人员年龄结构比较单一,与一般的居住建筑有一定的差别。据统计,学生宿舍占高校建筑总建筑面积的比例大约为 15%~21%,学生在校期间,宿舍生活的时间占总时间的40%\[17\]。

我国地域辽阔,可以分为5个大的建筑气候区:严寒地区、寒冷地区、温和地区、夏热冬冷地区及夏热冬暖地区。对于严寒地区、寒冷地区和夏热冬冷地区的高校建筑室内热舒适性研究的比较多,而对于夏热冬暖、温和地区的高校建筑室内热舒适性研究的还相对较少。

哈尔滨属于严寒地区,西安属于寒冷地区,重庆、成都、上海属于夏热冬冷地区,对比可以发现:在严寒地区,夏季室外气温昼夜变化较大,建筑围护结构传热系数小,屋内较凉爽,出现高温情况较少,昼夜温差比较大,人们着装较其它地区厚,学生对宿舍的热环境相对比较满意\[18\];在寒冷地区,夏季的室外气温比较高,而且太阳辐射比较强,90%以上学生对宿舍的热环境感到不满意,宿舍内需要进行安装吊扇、外窗户需加外遮阳挡板来改善室内热环境\[19\];在夏热冬冷地区,夏季这些地区不但室外温度高而且各区域的空气相对湿度也比较大,因此其高校公寓建筑的室内热环境比较恶劣,需安装空调系统进行调节室内热环境\[20\]。

2006年,同济大学夏博、刘加平院士\[19,21\]等学者,以西安某高校学生宿舍为研究对象,针对宿舍内的夏季热环境状况,利用问卷调查和现场测试的方法从主观和客观两个方面描述了公寓室内热环境状况。结果表明,学生宿舍内热环境处于ASHRAE给定的舒适区之外,80%以上的学生对室内热环境表示不满,明显感到夏季的炎热,建筑不能很好发挥其隔热的功能;并提出了可通过改善室外微气候、采用被动式的建筑手段和改进管理方法等方面改善室内热环境。

2009年,重庆大学王琳\[22\]通过对重庆地区高校学生宿舍调查和测试,对学生宿舍室内热环境进行了主观评价与客观分析;然后结合调查结果,利用DESTh软件模拟了不同围护结构热工性能和通风换气次数下室内的热环境参数,结合有效实感温度AT值(Ambient Temperature)的舒适度模型所确定热舒适评价标准,其模型是根据人体热平衡原理和我国人体特点所建立的,模型中AT值包含了四个影响人体热舒适的参数,分别是空气温度、相对湿度、风速和平均辐射温度。

通过理论计算的数据,可回归求得偏热、偏冷环境下的AT值简化公式:

ATr,h=-1.481+0.916Ta+0.949Pa(Ta>21℃)

8.152+0.665Ta-0.645Pa(Ta≤21℃)

其中,Ta为室内空气温度(℃),Pa为空气中的水蒸气分压力(kPa)。AT值不受地区的限制,适用于全国各地。利用AT公式计算上海、武汉、北京的AT值并与我国目前应用的地方人体舒适度统计模型计算结果相比较,可以确定出AT值的舒适度区间:AT28 时为高温不适,15≤AT≤28 时为舒适区。

作者同时对围护结构传热系数、外窗遮阳系数及通风换气次数等因素对室内热环境的影响分别进行了定量分析,得到了不同建筑形式、不同使用特征和不同位置学生宿舍室内冷、热不舒适时数和全年任意时刻室内的最佳通风换气次数。其中调查结果表明:夏季60%以上的学生可接受的温度范围为24~32 ℃,可接受的湿度范围为50%~90%,学生对湿度的敏感程度低于温度;模拟评价结果显示:单元型宿舍(如图1)不同朝向室内的热不舒适时数大小为:南向热不舒适时数最少,北向比南向高37~120 h,西向比南向高79~152 h,东向比西向高5~36 h。

2013年,东华大学张宁波\[20\]等学者,以上海高校居住建筑为例,对我国的夏热冬冷地区室内热舒适性进行了研究,通过对自然通风条件下学生宿舍室内热环境进行了连续7 d实测,分析了不同朝向宿舍室内热环境特征。结果表明:夏季在自然通风条件下,尽管夜间室内热环境略好于昼间,但温度均高于26 ℃;由于室内通风状况良好,房间内热湿环境仍处于多数学生可以接受的

图1单元式学生宿舍标准层平面

范围内,室内空气品质较好;另外,太阳辐射对房间内温度分布有重要影响,南向房间平均温度高于北向房间约0.8 ℃,昼间两者最大温差达2.6 ℃。

2015年,东北林业大学的程卫红\[18\]等对哈尔滨地区夏季自然通风下高校学生宿舍人体热舒适进行了研究,问卷调查分析统计:90%左右的学生对所处环境下的热湿感觉表示满意,99%学生对调查时所处环境下的吹风感表示可以接受。测试结果分析表明: 在哈尔滨市夏季自然通风学生宿舍内,学生的热中性温度为23.2 ℃ ,热期望温度约25.2 ℃ 。

3.3改善高校建筑室内热环境的措施

通过对学校建筑室内热环境的研究,并结合学者对建筑节能改造技术的研究,总结出学校建筑室内热环境改善的主要措施如下\[23,24\]。

(1)对建筑围护结构进行改造:外墙和屋面的保温;确定合理的窗墙比,控制建筑物开窗面积;对外窗增设遮阳措施;尽量使用平开式外窗,其优点是开启面积大、通风、保温、抗渗性能良好。

(2)对建筑布局进行改造:合理的建筑布局使建筑形成穿堂风和利用楼梯间的烟囱效应,促进建筑内自然通风。

(3)对建筑外部环境进行改造:根据当地的气候条件和地理环境,合理规划布置建筑物;尽量增加建筑物外的绿化面积,改善建筑物的微环境。

(4)在建筑物的屋顶种上绿色植物,建成绿色屋顶,植物对于太阳辐射有很好的吸收效果,可以防止顶层房屋室内的温度过高。

4国内外高校典型节能建筑项目

高校作为教学、生活及科研的大型综合体,也是主要的能源单位之一。调查发现,目前全国校园能耗占社会总能耗的8%\[25\],高校建筑能耗占学校总能耗的24%左右,并且通过调查夏热冬冷地区的13所高校的平均能耗发现,其平均能耗为全国人均能耗的2倍左右,其中最高的达到4倍之多,可见高校建筑能耗存在较大的节能潜力\[26,27\]。

我国高校建筑节能主要有4个方面,分别是建筑围护结构保温、建筑室内用电设备节能、可再生能源应用技术和建筑管理措施节能。部分高校在校园建筑和改造项目中采用了多种节能相关技术,其中,清华大学、同济大学文远楼和山东建筑工程学院分别根据其建筑节能方面的研究成果,建设了校园节能示范性建筑,表3列出了其代表性建筑采用的建筑节能技术[28~32]。从表3中可见,这3个高校的示范性节能建筑都综合采用了多项节能技术,包含了建筑形式及围护结构、室内环境控制、能源系统、测量和控制系统等多方面的优化技术。

5结语

(1)我国高校建筑夏季热环境普遍集中在对温度、湿度、平均辐射温度、空气流速的影响,而缺少了对服装热阻及人体的新陈代谢率影响的研究,而国外学者对这个两个方面的影响已经开始研究。

(2)对于严寒地区、寒冷地区和夏热冬冷地区的高校建筑夏季室内热舒适性研究的比较多,而对于夏热冬暖、温和地区的高校建筑夏季室内热舒适性研究的还相对较少,可进一步对这两个气候区的高校建筑进行研究,进而总结出适用于高校建筑的热舒适性标准。

第15篇

臭氧稀薄热浪滚滚温室效应惩戒世人

近年来,热浪已成为全球新闻的焦点,从美洲,到欧洲,再到亚洲,到处都是热浪,热死人的事也屡见不鲜。据联合国今年7月初在日内瓦发表的一份报告指出,在人口集中的大城市,将会有越来越多的人因为热浪而致死。另据科学家估计,排除人口增长的因素,到公元2050年前后,全世界各大都市每年死于热浪的人数都会增加数千人。

那么,地球为什么变得这么热呢?科学家将其归结为地球隔热的功能正在日趋衰弱,而这又与大气层遭受破坏有着密切关系,其中为害最烈的莫过于臭氧层破裂、温室效应和酸雨。由于三者多半系交互作用,因此即使是最先进的超级电脑也都很难区别出各自的污染后果。

科学家认为导致全球气温升高的很大原因是臭氧层受到破坏,高空(地表上空10公里至80公里高度)平流层的臭氧层越来越稀薄,自1986年科学家在南极天空首度发现一个臭氧稀薄的破洞后,又在北极和青藏高原的天空发现两个臭氧层破洞。

而臭氧层之所以受到破坏,罪魁祸首是空气污染和全球温室效应。所谓温室效应是指4大温室气体——二氧化碳、甲烷、氟氯碳化物(CFC)和氧化亚氮等浓度越来越高,从而使地球温度也越来越高。

原本这些气体扮演着维持地表温度、使生物得以生存的角色,但是由于人类活动过度制造这些气体,却导致地表温度不断升高,反而威胁到人类的生存。

先看二氧化碳,人吸进氧气,呼出二氧化碳。而树木行光合作用需要二氧化碳,并释放出氧气。如果两者达到平衡,就不会有温室效应问题。

但是由于现代医学的发达,以及对营养和健康的重视,人类的寿命已经大为延长,而且人口增长率也大为提高,从几十年前的一二十亿增加到现在突破50亿,人类呼出的二氧化碳也更多。加上热带雨林遭到砍伐和空气受严重污染,导致大气层中的二氧化碳已经多到无法控制,成为温室效应的最大成因,占温室效应成因的50%。

至于CFC,最初发明问世时被视为本世纪的魔术化学品。由于沸点低,可以用作冰箱、冷藏器和冷气机的冷媒。但它的破坏力与其冷却力一样强。1973年,美国麻省理工学院的大气化学专家英里纳与加州大学厄尔文分校的化学家罗兰德,率先提出CFC破坏臭氧层的理论,自此,世人即深信,CFC是破坏臭氧层的大毒瘤之一,因为它的吸热能力而助长了温室效应。它约占温室效应成因的25%。

甲烷则要对温室效应负15%的责任。说来令人难以置信,甲烷的主要来源是牛和稻田。由于人类对牛肉需求甚大,导致畜牧业者砍伐森林以便放牧,这使得二氧化碳增加,而且牛只越来越多,复杂的牛消化系统排放出来的甲烷,也使温室效应更为严重。

温室效应成因的最后10%,来自一种常见的污染物,名叫氧化亚氮,它和二氧化碳形成汽车废气的主要部分。目前全球有5亿辆汽车行驶在街道上,到2030年可望增加一倍。燃烧矿物废料也会产生氧化亚氮。此外,现代农民大量使用的氮肥,也是大气层中氧化亚氯增加的因素。

据统计,自工业革命以来,大气内二氧化碳的浓度增长了1/4,其他的温室气体,如甲烷增长了100%,氧化亚氮增长了19%,地球的热辐射留在地表上空的比例也越来越高,导致大气温度逐年升高。自工业革命以来,地球平均温度约升高0·5——1摄氏度。而1995年则是近百年来地球平均温度最高的一年。

而据联合国赞助的跨国气候变化研究组织预测,人类若再不控制温室气体的排放量,则在未来100年间,全球的平均气温还将上升1—3.6摄氏度,这种加

温速度比过去9000年的任何温度改变阶段都要来得快,大概只有冰河期的温差变化差可比拟。届时,我们现在看似科幻小说的情景就有可能成为真实的事实:地表加速沙漠化,人类将面临严重的粮荒和水荒;各国为了争夺生命要素而兵戎相向;从南半球到北半球的黎民百姓将长期受困于疟疾、登革热、血吸虫病、病毒性脑脊髓炎、霍乱、食物中毒等“热病”的折磨。

这绝不是危言耸听,事实上,自1940年以来,南极洲的温度升高了摄氏2·5度,导致海平面上升,一些岛屿国家,如马尔代夫已经面临陆沉的危险。而臭氧层的稀薄,则增加了人们患皮肤癌的可能性,在南极臭氧层附近的智利爱伦娜岬,人们出门必须要涂抹防晒油、戴墨镜,许多动物的眼睛都瞎了。而最新消息指出,今年年中,全世界臭氧层最薄的地方在美国的观光胜地夏威夷,这对于喜爱大自然洗礼的人们来说,似乎是个相当沮丧的警讯。

厄尔尼诺天侯大乱风调雨顺几成梦想

俗话说,风调雨顺,国泰民安。但近几年来,全球气候变化多端,该降雨的地方频闹干旱,该冷的地方又热得出奇,不仅使人类生活大乱,就是农作物也跟着产量失序。

科学家认为,造成目前全球气候一团乱的因素虽不止一个,但其元凶却是厄尔尼诺现象。每隔2—7年的圣诞节前后,太平洋东部从厄瓜多尔、秘鲁到智利附近海域的温度便会突然上升2—4度,并往往维持半年至一年左右。