亞熱帶溫室先進節能降溫技術

刊登日期:2015/1/5
  • 字級

高緯度國家為了在冬季低溫的環境下種植作物,因此採用溫室將熱能保留在室內,提高溫室內溫度使作物能繼續生長,但亞熱帶國家所面臨的是相反的課題,亞熱帶國家的夏季高溫會使得作物的生長受到影響,因此使用溫室隔絕外部高溫環境,並且以空調、灑水、遮蔭網等方式降溫,來達到作物所需的生長溫度。

為解決亞熱帶溫室高溫與耗能等問題,本團隊提出溫室建置前環境評估,以及使用自然通風等節能策略進行溫室降溫。由於目前溫室設計並未考量當地的氣候環境與條件,而無法利用在地的自然資源,來幫助溫室降溫,因此環境評估相當重要。環境評估能夠預先了解此環境建立溫室之優勢與劣勢,以及未來所需採用的節能方法,善用其優勢條件,並針對劣勢問題進行克服,避免不必要之投資與錯誤發展方式。藉由了解當地的季風狀況,以此評估有最大通風效率的溫室側窗開啟方位,由於目前的溫室側窗與天窗設計並未充分進行流體力學相關學理分析,使得溫室的自然通風效率不佳,因此本團隊根據學理提出溫室通風設計,並且以數值模擬進行初步驗證,再於工研院溫室進行量測驗證其通風效果。

氣候評估
在氣候評估的部分,本團隊採用環境係數來呈現一年四季下,影響作物生長之重要環境因子(溫度、濕度、日照強度)的變化,方便溫室的設計與規劃。並且針對季風的風速與風向進行探討,以了解溫室側窗開啟方位,利用季風所帶來的自然通風帶動溫室空氣循環與降溫。

1. 環境係數
為了瞭解溫室所在地的氣候條件,本團隊在新竹工研院中興院區 25館溫室外進行長時間氣候觀測,量測溫度、濕度、照度等環境因子。為了要有效的表示各環境因子與作物最適生長環境間的關係,且不同環境因子之間能夠以相同的單位互相比較,因此發展環境係數來表示,其環境係數計算方式如下:

由於作物在不同的生長期會有不同的生長需求,以草莓為例,草莓 7~11月為幼苗生長期,所需的溫度為 20~30˚C,12月為花芽分化,所需溫度為 5~15˚C,於果實成長期若能長時間維持 10˚C,果實便會不斷成長,但溫度一旦偏高,果實便會成熟,必須採收。以環境係數分析的優點為,可針對不同階段植栽最適環境需求來做調整,根據本團隊於中興院區 25館外長期觀測當地氣候條件得到的資訊,若以溫室種植草莓為標的,其各環境因子之環境係數趨勢如圖一。由於草莓對於溫度此環境因子相當敏感,因此將量測溫度最高溫代入量測值,計算最高溫係數,與利用量測之最低溫度來換算最低溫係數,將此係數一併列入比較。


圖一、各月份環境係數關係圖

2. 風場特性分析
於工研院中興院區 25館室外進行風速測量結果如圖二,此風速量測時間間格為 5分鐘,連續量測9個月,由此分析圖可以看出當地長時間下來風速在 1~2 m/s之間,風速相當快,可不須加裝風扇,採用自然通風已有良好的通風效果。將不同月份風向分佈進行統計分析,結果如圖三,由圖中可得知東北風在各月份之主要風向,若分析各風速級距與風向之關係,以玫瑰圖呈現如圖四,由風場特性玫瑰圖可清楚看出,最大風速級距為東北方向。由此可知,溫室設計若能將側窗方向往東北方向與西南方向開啟,將會有最佳的自然通風效率。


圖四、風速與風向玫瑰圖

通風效率優化
由於熱空氣密度較低,因此浮力效應會將熱空氣累積於溫室屋頂,造成屋頂溫度可能高達 50~60˚C,當屋頂累積的熱無法移除,便會慢慢傳導至植物生長區,造成植栽區溫度上升,若能有效改善屋頂熱堆積的現象,將能夠有效減少空調的使用。移除屋頂熱堆積最節能的方式便是採用自然通風,因此溫室通常具備側窗與天窗以利對流的形成,但傳統溫室設計將側窗開在溫室底部,利用側窗流入之冷空氣與累積於天窗之熱空氣間的溫差,來增強對流效應。但實際探訪台灣的溫室,發現此設計下的通風效果仍無法解決溫室熱堆積的問題,其原因為此設計的通風效率不彰。根據流體力學改善通風效率的方法有兩種:1.提高進風量;2.提高風速,由學理基礎出發,本團隊提出在現有下層側窗之上加設上層側窗。

數值模擬結果
利用數值模擬估算不同高度側窗與傳統設計之間的差異,其結果如表一。模擬溫室內的溫度
……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。

作者:徐英綺 、李志杰/工研院中分院
 ★完整內容請見下方檔案。


分享
為此篇文章評分

相關廠商