1個初始問題描述


1.1工作原理


日光溫室是中國獨一無二的三墻溫室。它主要由墻體、骨架、透明膜和保溫被組成。墻體是日光溫室,白天吸熱,晚上放熱的主要蓄熱載體,保證了寒冷季節夜間室內能保持一定的溫度。白天有陽光時,溫室壁吸熱蓄熱,晚上開始放熱,維持夜間溫室溫度。


1.2主要問題


白天有陽光的時候,墻體吸熱蓄熱,晚上開始放熱,但放熱的時間集中在前半個晚上(即蓋上保溫被后的1-3小時內),此時溫室內溫度高,不需要多少熱量,而墻體放熱最弱的是需要大量熱量的后半個晚上。因此,希望通過裝置設計,達到增強墻體蓄熱能力,延緩放熱速度的目的。這對降低溫室晝夜溫差,提高作物產量和品質有著不可估量的作用。


1.3限制:


為了使裝置可行,得到可行的方案,對設備(方案)提出理想化的限制條件,以得到理想的結果。


①該裝置安裝簡單,不改變溫室原有結構。


②不占用種植面積,不影響種植作業。


③成本低,原料易得,無污染。


④該裝置易于拆卸和重復使用。


2其他學者的解決方案


通過對其他學者的解決方案的分析,本文使用TRIZ 理論,比較了這些解決方案的可行性和可用性。


2.1熱幕法


熱阻幕法是利用熱阻幕延緩墻體放熱時間,從而在清晨低溫時段提高室內空氣溫度的方法,如圖2所示。


2.2水幕法


水幕蓄放熱系統主要由水幕、蓄熱池、水泵和管道組成。蓄熱池由聚酯硬板焊接而成。水池周圍外表面設置聚苯乙烯泡沫板保溫層(厚度10 cm),水箱容積4 m3。水幕蓄熱釋熱系統根據墻體結構,白天通過水循環吸收到達墻面的太陽輻射熱,并將熱量儲存在有保溫層的水池中。當夜間溫室內溫度下降到一定程度時,開啟循環水泵,將水池內的熱量通過水幕釋放到溫室內。如圖3所示。


2.3“蜂窩”墻


“蜂窩”墻體是通過“蜂窩”增加墻體的表面積,白天增加墻體的吸熱面積,吸收更多的熱量,晚上補充熱量差。如圖4所示。這種方法效果不明顯,增溫效果也不明顯。


熱阻幕法和水幕法的解決方案都能達到預期目標,但缺點是成本高、操作繁瑣、農民難以接受、推廣困難。同時,1.3中的限制無法滿足。在這種情況下,使用TRIZ問題解決流程來尋找最佳解決方案。


3 TRIZ問題解決流程


3.1系統分析


3.1.1九屏圖分析


九屏圖用來分析問題,結果如圖5所示。


日光溫室后壁蓄熱能力提高、放熱時間延遲的裝置系統九屏圖


圖5。日光溫室后壁蓄熱能力提高、放熱時間延遲的裝置系統九屏圖


從圖5可以看出,墻體材料的特性是蓄熱能力和控熱能力低的主要原因,最終導致供熱不平衡。


3.1.2壽命曲線


日光溫室后壁蓄熱能力提高、放熱時間延遲的裝置處于研究論證階段,尚未得到廣泛應用,因此尚未達到成熟階段,處于成長期。如圖6所示。


3.1.3系統完備性規則等技術系統的演化規則。


系統名稱:日光溫室提高蓄熱能力、延緩后壁放熱時間的裝置


系統定義:有效提高墻體蓄熱能力,延緩放熱時間。


功能:提高墻體蓄熱能力,延緩墻體。


作用對象(產品):熱量和溫度。


實施裝置:日光溫室提高后壁蓄熱能力、延緩放熱時間的裝置。


傳輸裝置:光熱轉換過程


動力:熱傳導系統


控制裝置:蓄熱和控制裝置


外部控制:人


3.2資源分析


1.可用材料資源:


a)現成資源:溫室所有組成部分及室內氣象因素。


b)衍生資源:光、空氣和水


2.可用能源:


a)現成資源:光、


b)衍生資源:空氣中的熱量


3.可用信息資源:


a)現成資源:墻體結構參數、材料比熱、密度等。


b)衍生資源:溫室結構參數


4.可用空間資源:


a)現成資源:墻壁周圍的空間


b)衍生資源:溫室內部空間


5.可用時間資源:


a)現成資源:晝夜時間、日照時間、放熱時間


b)衍生資源:被套、被套時間。


6.可用功能資源:


a)現成資源:導熱功能和蓄熱功能


b)衍生資源:熱傳導


7.可用系統資源:


a)現成資源:室內氣象要素系統


b)衍生資源:外部氣象因素系統


3.3理想的解決方案和TRIZ工具


3.3.1理想的解決方案


系統財務報告準則的定義見表1。


系統IFR定義


主要原因是墻體材料的比熱低。據此推斷,可利用的資源應該是陽光、氣溫、熱量、水等。


3.3.2使用TRIZ工具


通過解決技術矛盾提出獨到的見解。


(1)原問題技術矛盾:


改進:提高溫度,延緩放熱;


惡化:增加成本和運行時間。


②問題模型


對應39個通用工程參數


改進參數:17溫度


劣化參數:14物質的量,20能量消耗,36設備的復雜性和37控制的復雜性。


③求解模型


根據Archie Schuler矛盾矩陣表,參考文獻創新原則有15條,篩選后保留5條創新原則(表2):


原則40、17、1、32可以獨立形成四個方案,但五個創新原則可以相輔相成,形成一個完美的方案。5 創新原理的1-2也可以利用技術矛盾和物質場模型得到,這里不再贅述。


4.最終計劃


最終方案如圖8所示。將廢塑料瓶(22)裝滿水,在壁面上形成水墻,形成復合墻(40復合材料法)。因為塑料瓶是凸起的,復合壁的表面積無疑增加了(17維法),與空氣的接觸面也增加了。同時對水進行染色(32色法),使墻體吸收更多的陽光(熱量)。更重要的是,塑料瓶可以隨意拆卸、組裝、重復使用(1分離法)。


該方案對優化日光溫室環境具有重要意義,可顯著提高夜間溫室內溫度,但具體溫度還需進一步測試研究。


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