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1個(gè)初始問題描述

1.1工作原理

日光溫室是中國獨(dú)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(jié)夜間室內(nèi)能保持一定的溫度。白天有陽光時(shí)，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(shí)候，墻體吸熱蓄熱，晚上開始放熱，但放熱的時(shí)間集中在前半個(gè)晚上(即蓋上保溫被后的1-3小時(shí)內(nèi))，此時(shí)溫室內(nèi)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(gè)晚上。因此，希望通過裝置設(shè)計(jì)，達(dá)到增強(qiáng)墻體蓄熱能力，延緩放熱速度的目的。這對(duì)降低溫室晝夜溫差，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)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(duì)設(shè)備(方案)提出理想化的限制條件，以得到理想的結(jié)果。

①該裝置安裝簡單，不改變溫室原有結(jié)構(gòu)。

②不占用種植面積，不影響種植作業(yè)。

③成本低，原料易得，無污染。

④該裝置易于拆卸和重復(fù)使用。

2其他學(xué)者的解決方案

通過對(duì)其他學(xué)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(shí)間，從而在清晨低溫時(shí)段提高室內(nèi)空氣溫度的方法，如圖2所示。

2.2水幕法

水幕蓄放熱系統(tǒng)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(shè)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(tǒng)根據(jù)墻體結(jié)構(gòu)，白天通過水循環(huán)吸收到達(dá)墻面的太陽輻射熱，并將熱量儲(chǔ)存在有保溫層的水池中。當(dāng)夜間溫室內(nèi)溫度下降到一定程度時(shí)，開啟循環(huán)水泵，將水池內(nèi)的熱量通過水幕釋放到溫室內(nèi)。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(bǔ)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(dá)到預(yù)期目標(biāo)，但缺點(diǎn)是成本高、操作繁瑣、農(nóng)民難以接受、推廣困難。同時(shí)，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(tǒng)分析

3.1.1九屏圖分析

九屏圖用來分析問題，結(jié)果如圖5所示。

日光溫室后壁蓄熱能力提高、放熱時(shí)間延遲的裝置系統(tǒng)九屏圖

圖5。日光溫室后壁蓄熱能力提高、放熱時(shí)間延遲的裝置系統(tǒng)九屏圖

從圖5可以看出，墻體材料的特性是蓄熱能力和控?zé)崮芰Φ偷闹饕颍罱K導(dǎo)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(shí)間延遲的裝置處于研究論證階段，尚未得到廣泛應(yīng)用，因此尚未達(dá)到成熟階段，處于成長期。如圖6所示。

3.1.3系統(tǒng)完備性規(guī)則等技術(shù)系統(tǒng)的演化規(guī)則。

系統(tǒng)名稱:日光溫室提高蓄熱能力、延緩后壁放熱時(shí)間的裝置

系統(tǒng)定義:有效提高墻體蓄熱能力，延緩放熱時(shí)間。

功能:提高墻體蓄熱能力，延緩墻體。

作用對(duì)象(產(chǎn)品):熱量和溫度。

實(shí)施裝置:日光溫室提高后壁蓄熱能力、延緩放熱時(shí)間的裝置。

傳輸裝置:光熱轉(zhuǎn)換過程

動(dòng)力:熱傳導(dǎo)系統(tǒng)

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(xiàn)成資源:溫室所有組成部分及室內(nèi)氣象因素。

b)衍生資源:光、空氣和水

2.可用能源:

a)現(xiàn)成資源:光、

b)衍生資源:空氣中的熱量

3.可用信息資源:

a)現(xiàn)成資源:墻體結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料比熱、密度等。

b)衍生資源:溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)

4.可用空間資源:

a)現(xiàn)成資源:墻壁周圍的空間

b)衍生資源:溫室內(nèi)部空間

5.可用時(shí)間資源:

a)現(xiàn)成資源:晝夜時(shí)間、日照時(shí)間、放熱時(shí)間

b)衍生資源:被套、被套時(shí)間。

6.可用功能資源:

a)現(xiàn)成資源:導(dǎo)熱功能和蓄熱功能

b)衍生資源:熱傳導(dǎo)

7.可用系統(tǒng)資源:

a)現(xiàn)成資源:室內(nèi)氣象要素系統(tǒng)

b)衍生資源:外部氣象因素系統(tǒng)

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(tǒng)財(cái)務(wù)報(bào)告準(zhǔn)則的定義見表1。

系統(tǒng)IFR定義

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

3.3.2使用TRIZ工具

通過解決技術(shù)矛盾提出獨(dú)到的見解。

(1)原問題技術(shù)矛盾:

改進(jìn):提高溫度，延緩放熱；

惡化:增加成本和運(yùn)行時(shí)間。

②問題模型

對(duì)應(yīng)39個(gè)通用工程參數(shù)

改進(jìn)參數(shù):17溫度

劣化參數(shù):14物質(zhì)的量，20能量消耗，36設(shè)備的復(fù)雜性和37控制的復(fù)雜性。

③求解模型

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

原則40、17、1、32可以獨(dú)立形成四個(gè)方案，但五個(gè)創(chuàng)新原則可以相輔相成，形成一個(gè)完美的方案。5 創(chuàng)新原理的1-2也可以利用技術(shù)矛盾和物質(zhì)場模型得到，這里不再贅述。

4.最終計(jì)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(fù)合墻(40復(fù)合材料法)。因?yàn)樗芰掀渴峭蛊鸬模瑥?fù)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(shí)對(duì)水進(jìn)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(fù)使用(1分離法)。

該方案對(duì)優(yōu)化日光溫室環(huán)境具有重要意義，可顯著提高夜間溫室內(nèi)溫度，但具體溫度還需進(jìn)一步測試研究。