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TRIZ理论在优化日光温室环境研究方面的应用

编辑:白青,韩博    分类:TRIZ    时间:2019-06-25 12:45:45

日光温室也正因其卓越的保温节能性在中国北方表现出强大的生命力,在社会经济中发挥着重要作用。日光温室是我国独有的一种三面环墙的温室类型,它主要由墙体、骨架、透明薄膜、保温被组成。墙体是日光温室的主要蓄热载体,它白天吸热,夜间放热,从而保证冰冷季节夜间室内能维持一定的气温。国内学者已从不同角度进行了大量而系统的研究,为提高温室墙体蓄热能力,有关学者也提出了几种解决方案,但都停留在试验示范阶段,因成本等问题难以大面积推广使用,因此方案并不理想,如何通过理想的方案解决增加土质墙体蓄热能力和延迟墙体放热对提高温室保温性具有重要意义。

利用TRIZ理论解决日光温室墙体的保温能力是一个新命题,编辑未查到利用TRIZ理论解决日光温室环境问题的报道,本文通过对比前人方案的基础上,利用TRIZ理论提出了一项解决增加土质墙体蓄热能力和延迟墙体放热的有效方案,这不仅为解决日光温室保温性问题提出了一个可行方案,更重要的是探索了TRIZ理论在温室环境研究方面的应用,这对于丰富和完善日光温室环境研究方法起到了重要意义。

1 初始问题描述

1.1工作原理

日光温室是我国独有的一种三面环墙的温室类型,它主要由墙体、骨架、透明薄膜、保温被组成。墙体是日光温室的主要蓄热载体,它白天吸热,夜间放热,从而保证冰冷季节夜间室内能维持一定的气温。白天有阳光的时候温室墙体吸热、蓄热,夜间开始放热,维持夜间温室气温。

日光温室结构示意图 

图1日光温室结构示意图

1.2  主要问题

墙体白天有阳光的时候吸热、蓄热,在晚上开始放热,但放热时间集中在前半夜(即盖上保温被的1-3小时内),而这时温室气温较高,不需太多热量,而后半夜大量需要热量时,墙体放热量达到最弱。因此,希翼借助装置设计达到增强墙体蓄热量、延缓放热速度的目的。这对缩小温室昼夜温差、提高作物产量和品质都具有不可估量的作用。

1.3 限制条件:

为使装置可行,并能得到可行方案,对设备(方案)提出理想化的限制条件,以便得到理想的结果。

①装置易于安装、不改变温室原有结构。

②不占用种植面积、不影响种植操作。

③成本低廉,原料易于获取、无污染。

④装置易于拆除、反复多次利用。

2 其他学者的解决方案

通过其他学者的解决方案的分析,以此为对照,对比利用TRIZ理论得出方案的可行性和使用性。

2.1热阻帘法

热阻帘法是利用热阻帘以延迟墙体热量释放的时间、从而提高凌晨低温时段室内空气温度的方法,如图2所示。

热阻帘示意图 

图2 热阻帘示意图

2.2 水幕帘法

水幕帘蓄放热系统主要由水幕帘、蓄热水池、水泵及管道等组成。蓄热水池由聚酯硬质板焊接而成,水池四周外表面设置聚苯乙烯泡沫板保温层(厚度 10 cm),水箱体积 4 m3。水幕帘蓄放热系统以墙体结构为依托,白天利用水流循环吸取到达墙体表面的太阳辐射热量,同时将热量储存在带有保温层的水池中;夜晚当温室内气温降低到一定程度时,开启循环水泵,通过水幕帘将水池中的热量释放到温室中。如图3所示。

水幕帘法示意图 

图3 水幕帘法示意图

2.3“蜂窝式”墙体

“蜂窝式”墙体是通过“蜂窝”增加墙体表面积,增大墙体白天吸热面积,吸取更多热量,补充夜间热量差。如图4所示。此法效果并不显著,增温效果不明显。

“蜂窝式”墙体示意图 

图4“蜂窝式”墙体示意图

热阻帘法和水幕帘法的解决方法能达到预期目标,缺点是成本较大、操作繁琐、农户不易接受,难以推广。同时也不能满足1.3中的限制条件。在这种条件下用TRIZ解题流程来解答,寻找最佳方案。

3  TRIZ解题流程

3.1  系统分析

3.1.1  九屏图分析

利用九屏图分析问题,结果如图5所示。

日光温室后墙体蓄热能力提高、放热时间延后的装置系统的九屏图

图5、日光温室后墙体蓄热能力提高、放热时间延后的装置系统的九屏图

由图5可知,墙体材料的特性是导致蓄热能力和控热能力低的主因,最终导致热量供应不平衡。

3.1.2  生命曲线

日光温室后墙体蓄热能力提高、放热时间延后的装置处于研究示范阶段,并未大面积推广应用,所以还未达到成熟期,正处于成长期。如图6所示。

日光温室后墙体蓄热能力提高、放热时间延后的装置的生命曲线图 

图6、日光温室后墙体蓄热能力提高、放热时间延后的装置的生命曲线图

3.1.3系统完备性法则等技术系统进化法则

系统名称:日光温室后墙体蓄热能力提高、放热时间延缓的装置

系统定义:有效提高墙体蓄热能力、延缓放热时间

系统功能:提高墙体蓄热能力、延缓墙体。 

作用对象(产品):热、温度。

实行装置:日光温室后墙体蓄热能力提高、放热时间延缓的装置

传动装置:光热转化过程

动力装置:热传导系统

控制装置:蓄热、控热装置

外部控制:人

日光温室后墙体蓄热能力提高、放热时间延后的装置的系统组成

图7 日光温室后墙体蓄热能力提高、放热时间延后的装置的系统组成

3.2资源分析

1、可利用物质资源:

A)现成资源:温室各个组成部分、室内气象因子。

B)派生资源:光、空气、水

2、可利用能量资源:

A)现成资源:光、

B)派生资源:空气中的热

3、可利用信息资源:

A)现成资源:墙体结构参数、材料比热、密度等。

B)派生资源:温室结构参数

4、可利用空间资源:

A)现成资源:墙体周边空间

B)派生资源:温室内部空间

5、可利用时间资源:

A)现成资源:昼夜时间、阳光照射时间、放热时间

B)派生资源:盖被、起被时间

6、可利用功能资源:

A)现成资源:导热功能、蓄热功能

B)派生资源:热传导

7、可利用系统资源: 

A)现成资源:室内气象因子系统

B)派生资源:外界气象因子系统

3.3理想解及TRIZ工具

3.3.1  理想解

系统IFR定义见表1。 

表1                                                         系统的IFR

系统IFR定义

主要原因是:墙体材料比热低。据此,推测可利用的资源应为:阳光、空气温度、热量、水等。

3.3.2  运用TRIZ工具

运用技术矛盾解决方法提出原理解

①原问题技术矛盾:

改善:提高温度、延缓放热;

恶化:增加成本、操作时间。

②问题模型

对应的39个通用工程参数

改善的参数:17温度

恶化的参数:14物质的量、20能量耗能、36装置复杂性、37控制复杂性。

③解决方案模型

对应查看阿奇舒勒矛盾矩阵表得到参考创新原理为15个,经筛选,保留5个创新原理(表2):

表2                                      保留的5个创新原理及对本项目的启示

TRIZ理论在优化日光温室环境研究方面的应用

原理40、17、1、32分别可独立形成4个方案,但是5个创新原理可以优势互补,形成1个完美方案。利用技术矛盾和物场模型也可得出5个创新原理中的1-2个原理,在此不作赘述。

4.最终方案

最终方案如图8所示,利用废旧塑料瓶(22变害为利)装满水,在墙体表面形成一面水墙,组成复合墙体(40复合材料法),由于塑料瓶是凸起状的,无疑增大了复合墙体的表面积(17多维法),增加与空气的接触面,同时将水染色(32色彩法)使墙体吸取更多的阳光(热量)。更重要的是塑料瓶可随意拆除组装,反复利用(1分离法)。

最终方案示意图    最终方案示意图-正面图

a.侧视图                                         b.正面图(局部)

图8 最终方案示意图

这个方案对优化日光温室环境具有重要意义,能够显著提高夜间温室内气温,但具体温度需进一步测试研究。


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