苦咸水温室淡化系统参数敏感性分析及性能优化

作     者：江稔 

作者单位：山东建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨洛鹏

授予年度：2023年

学科分类：082802[工学-农业水土工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 

主      题：苦咸水温室淡化 敏感性分析 正交试验 热分层 性能优化 

摘      要：近年来,人口增长、工业和农业发展已经使世界陷入淡水危机,联合国有关组织预计到2025年全球将有48个国家极度缺水。作为最大的水消耗部门,农业面临着严重的用水压力,寻找替代的水资源来解决农业发展和淡水短缺之间的矛盾显得尤为重要。温室大棚不仅能够抵御外界环境的干扰,实现作物增量增产,同时温室内较高的相对湿度有效减少了作物蒸腾量,间接节省了灌溉耗水。尤其国外干旱地区更是开发了一种“海水温室项目,利用空气加湿除湿的原理给温室降温,同时从海水(或苦咸水)中生产淡水用于灌溉目的。对“海水温室中空气、蒸汽、水和土壤多相流的复杂流动传热过程及其优化的研究吸引了国内外学者的广泛关注。本文综合利用了“海水温室和夏季温室通风降温技术,提出了一种有回风苦咸水温室淡化系统,通过回收冷凝器除湿后的冷空气经干帘进一步降低相对湿度后沿温室南北宽度方向送入温室内作物区,保证了作物区舒适生长的温湿度要求,同时南北宽度方向流动的冷空气与温室东西长度方向流动的热空气形成热分层,将温室内空间竖向划分为植被层区和上方空气层区。为了探究系统的性能,本文建立了一维稳态条件下的有回风苦咸水温室淡化系统的数学模型,基于Matlab软件对苦咸水温室淡化系统的数学模型进行计算。在东营盐碱地夏季典型日室外参数条件下,通过控制变量法分别讨论了一级湿帘厚度、二级湿帘位置、植被层空气流速、冷凝器入口苦咸水温度及流量对系统产水量、植被层温度和湿帘蒸发量及降温效率的影响。基于正交试验原理对有回风苦咸水温室淡化系统的参数进行敏感性分析和性能优化,以期实现温室种植和淡水生产的有效耦合。本研究主要得出以下结果:1)本文所建立的苦咸水温室淡化系统模型可划分为加湿、温室通风降温和除湿三个子系统模型,经与文献实验对比证明苦咸水温室淡化系统模型具有较高的准确度。2)有回风苦咸水温室淡化系统的单因素分析结果表明:一级湿帘厚度对植被层温度和产水量的影响比较紊乱;二级湿帘位置和植被层空气流速对系统产水量和植被层温度有正面影响;冷凝器入口苦咸水温度对产水量有负面影响,对植被层温度有正面影响;冷凝器入口苦咸水流量的影响与冷凝器入口苦咸水温度影响相反。3)得到了早、中、晚三个时刻影响因素的显著性排序,室外环境参数是早、中、晚三个时刻影响因素显著性排序存在差异的主要原因。通过传统和有回风苦咸水温室淡化系统的因素显著性排序对比发现,影响传统苦咸水温室淡化系统的植被层温度和产水量的显著因素存在差异,而有回风苦咸水温室淡化系统中的热分层现象能够将影响植被层温度和产水量的显著因素归结为冷凝器入口苦咸水温度和流量,避免了传统苦咸水温室淡化系统在同时优化植被层温度和产水量时出现参数调控之间的矛盾;之后着重讨论了显著因素对植被层温度和产水量的影响关系。4)根据早、中、晚三个时刻的系统优化分析,同理可得到8时至17时有回风苦咸水温室淡化系统的优化调控规律,结果表明有回风苦咸水温室淡化系统能始终保证番茄作物开花期生长的适宜温湿度条件(t=24℃,RH=55%),同时日产淡水量1118L,能够满足番茄作物开花期日灌溉用水1082L的需求,真正实现了温室种植和淡水生产的耦合。有回风苦咸水温室淡化系统为实现温室自给自足提供了一种可行性的方案。