第 29 卷 第 19 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 29 No 19 168 2013 年 10月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Oct 2013 主動蓄放熱 熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)在日光溫室的應(yīng)用 孫維拓 1 2 楊其長 1 2 方 慧 1 2 張 義 1 2 管道平 3 盧 威 1 2 1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 北京 100081 2 農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北 京 100081 3 北京昌平國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū) 北京 102211 摘 要 為提高主動蓄放熱系統(tǒng)集熱效率 增強(qiáng)日光溫室抵御低溫能力 設(shè)計(jì)了一套主動蓄放熱 熱泵聯(lián)合加溫系 統(tǒng) 白天運(yùn)行主動蓄放熱系統(tǒng) 將北墻獲得的太陽輻射能儲存到蓄水池中 根據(jù)天氣情況及蓄水池水溫變化適時(shí) 開啟熱泵機(jī)組 降低主動蓄放熱系統(tǒng)循環(huán)水溫 進(jìn)而提升其集熱效率 夜間室內(nèi)氣溫較低時(shí) 通過主動蓄放熱系 統(tǒng)放熱 試驗(yàn)結(jié)果表明 與對照溫室相比 試驗(yàn)溫室夜間氣溫高出 5 26 6 64 熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù) COP Hp 為 4 38 5 17 主動蓄放熱系統(tǒng)可為熱泵機(jī)組熱源提供充足的熱量 保證理想的熱源溫度 在日光溫室特定的光 熱環(huán)境下 主動蓄放熱 熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)的集熱效率達(dá)到了 72 32 83 62 總體 COP Sys 值達(dá) 5 59 節(jié)能效果 顯著 該研究為提高日光溫室夜間溫度提供了新思路 關(guān)鍵詞 溫室 熱泵 蓄熱 日光溫室 放熱 doi 10 3969 j issn 1002 6819 2013 19 021 中圖分類號 S625 4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號 1002 6819 2013 19 0168 10 孫維拓 楊其長 方 慧 等 主動蓄放熱 熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)在日光溫室的應(yīng)用 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2013 29 19 168 177 Sun Weituo Yang Qichang Fang Hui et al Application of heating system with active heat storage release and heat pump in solar greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2013 29 19 168 177 in Chinese with English abstract 0 引 言 日光溫室是中國特有的一種以日光為主要能 量來源的溫室結(jié)構(gòu)型式 具有高效 節(jié)能和低成本 等顯著特征 已經(jīng)成為中國 三北地區(qū) 蔬菜反季 節(jié)生產(chǎn)和農(nóng)民致富的重要手段 日光溫室白天利用 北墻蓄積熱量 夜晚釋放增溫 由于墻體材料的傳 熱特性和熱容量的限制 熱能蓄積與釋放過程緩 慢 蓄 放熱量有限 冬季低溫及冷害時(shí)有發(fā)生 影響作物產(chǎn)量和品質(zhì) 1 6 因此 提升日光溫室蓄放 熱能力 減少低溫冷害已經(jīng)成為當(dāng)前日光溫室最緊 迫的任務(wù) 7 13 近年來 如何提升日光溫室蓄放熱能力的研 究得到極大關(guān)注 張義等提出了主動式蓄放熱思 想 即白天利用流體介質(zhì)的循環(huán)不斷將到達(dá)墻體 收稿日期 2013 04 03 修訂日期 2013 08 25 基金項(xiàng)目 863 計(jì)劃資助課題 2013AA102407 國家自然科學(xué)基金資 助項(xiàng)目 31071833 國家科技支撐計(jì)劃 2011BAE01B00 公益性行 業(yè) 農(nóng)業(yè) 科研專項(xiàng) 201203002 作者簡介 孫維拓 1989 男 山東鄒城人 主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán) 境工程方面的研究 北京 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究 所 100081 Email swt0226 通信作者 楊其長 1963 男 安徽無為人 博士 研究員 博 士生導(dǎo)師 主要從事設(shè)施園藝環(huán)境工程研究 北京 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng) 業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 100081 Email yangq 表面的太陽輻射能吸收并蓄積起來 夜間再通過 流體的循環(huán)釋放熱量 變?nèi)展鉁厥冶粍有罘艧岱?式為主動蓄放熱方式 實(shí)現(xiàn)熱量在空間 時(shí)間上 的轉(zhuǎn)移 從而提高太陽能利用效率 提升溫室夜 間溫度 14 15 但主動蓄放熱系統(tǒng)在高寒地區(qū)以及 太陽輻射較弱的天氣等條件下 室內(nèi)溫度仍難以 保證 熱泵作為一種高效的能量提升手段 被越 來越多的應(yīng)用于溫室加溫 16 29 主動蓄放熱系統(tǒng) 與熱泵結(jié)合可有效降低循環(huán)水溫 進(jìn)而提升集熱 效率 因此 為提升主動蓄放熱系統(tǒng)加溫性能和 穩(wěn)定性 提高日光溫室夜間溫度 在主動蓄放熱 思想的基礎(chǔ)上 本研究設(shè)計(jì)了一套用于日光溫室 夜間加溫的主動蓄放熱 熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng) 并 對其加溫效果和性能進(jìn)行了試驗(yàn)測試 以期為日 光溫室蓄熱保溫技術(shù)升級提供新途徑 1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 試驗(yàn)溫室 2012 年 12 月 5 日 2013 年 2 月 5 日對主動 蓄放熱 熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測試 試 驗(yàn)日光溫室位于北京市昌平區(qū)小湯山現(xiàn)代農(nóng)業(yè) 科技示范園西區(qū) 溫室東西走向 長 49 m 跨 度 8 m 后墻高 2 5 m 脊高 3 7 m 后坡長 1 5 m 后坡仰角 45 采用鋼骨架結(jié)構(gòu) 前坡覆蓋材料 第 19 期 孫維拓等 主動蓄放熱 熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)在日光溫室的應(yīng)用 169 為單層 0 08 mm PVC 塑料薄膜 北墻內(nèi)側(cè)為 12 cm 厚紅磚 外側(cè)為 24 cm 厚紅磚 中間為 10 cm 厚聚苯板 后坡內(nèi)側(cè)為 10 cm 厚預(yù)制板 外側(cè)為 10 cm 厚聚苯板 對照溫室結(jié)構(gòu) 材料和 建造時(shí)間均與試驗(yàn)溫室相同 兩溫室南北方向間 距 8 m 試驗(yàn)溫室使用主動蓄放熱 熱泵聯(lián)合加 溫系統(tǒng) 對照溫室不使用任何加溫設(shè)施 只靠后 墻蓄熱增溫 試驗(yàn)期間保溫被 08 30 揭開 16 00 覆蓋 系統(tǒng)測試前于 2012 年 12 月 2 日 12 月 3 日 進(jìn)行了室內(nèi)基礎(chǔ)氣溫的測定 結(jié)果顯示白天 08 30 16 00 試驗(yàn)溫室和對照溫室平均氣溫 分別為 11 80 和 11 40 試驗(yàn)溫室氣溫略高 主要原因是其北墻裝有主動蓄放熱裝置 黑膜太 陽輻射吸收系數(shù)高 升溫快 夜間 16 00 08 30 試驗(yàn)溫室和對照溫室平均氣溫分別為 7 36 和 7 56 單因素方差分析顯示兩者無顯著 差異 P 0 05 因此試驗(yàn)溫室和對照溫室的 選擇是合理的 1 2 系統(tǒng)組成 主動蓄放熱 熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)由主動蓄 放熱系統(tǒng) 熱泵機(jī)組和蓄熱水池等部分組成 主動蓄放熱裝置 循環(huán)水泵和循環(huán)管道構(gòu)成了 溫室的主動蓄放熱系統(tǒng) 白天用于集熱 晚上 放熱 主動蓄放熱裝置安裝于北墻內(nèi)側(cè)距地面 0 4 m 高處 集熱材料為雙層黑色 PE 膜 雙層 膜緊密貼合 循環(huán)水在雙層膜間流動 裝置采 用單元式結(jié)構(gòu) 單元高 2 m 寬 1 35 m 共 29 個(gè)單元 單元間距 0 15 m 循環(huán)水泵 2 臺 額 定流量分別為 10 和 7 m 3 h 揚(yáng)程 10 m 循環(huán)管 道由不同口徑的 PVC 管連接而成 管外覆蓋保 溫套 熱泵機(jī)組型號為 DISMY DDR 192GSPA1 PA 額定制熱量 21 kW 額定制熱 輸入功率 5 12 kW 機(jī)組水泵為格蘭富 CH4 20 蒸發(fā)器側(cè)水流量 3 3 m 3 h 冷凝器側(cè)水流量 1 8 3 9 m 3 h 蓄熱水池由蓄水池 和 組成 兩者中間由 80 的截止閥控制連通 蓄水池 為熱泵機(jī)組熱源 實(shí)際蓄水量 1 725 m 3 蓄水 池 為熱泵機(jī)組熱匯 實(shí)際蓄水量 5 625 m 3 蓄熱水池主體材料為 12 cm 厚普通黏土磚墻 外表面緊貼 10 cm 厚聚苯板 內(nèi)表面涂抹 0 3 cm 厚防滲水泥砂漿 熱泵機(jī)組和蓄水池位于溫室 中部 圖 1 為系統(tǒng)平面布局圖 1 3 系統(tǒng)工作原理 日光溫室主動蓄放熱系統(tǒng)吸收太陽輻射能 并將熱量儲存到蓄水池 中 源源不斷的為熱 泵機(jī)組熱源提供熱量 使熱泵機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)熱 源溫度穩(wěn)定較高 可有效提高熱泵機(jī)組 COP 值 同時(shí) 熱泵機(jī)組不斷將蓄水池 中的熱量泵取 至蓄水池 降低主動蓄放熱系統(tǒng)集熱階段的 循環(huán)水溫 有助于提高主動蓄放熱系統(tǒng)的集熱 效率并延長集熱時(shí)間 最終提升系統(tǒng)加溫性能 和穩(wěn)定性 1 北墻 2 過道 3 主動蓄放熱裝置 4 水泥臺 5 熱泵機(jī)組 6 膨脹閥 7 壓縮機(jī) 8 蒸發(fā)器 9 冷凝器 10 循環(huán)管道 11 循 環(huán)水泵 12 閥門 13 蓄水池 14 蓄水池 1 North wall 2 Passageway 3 Active heat storage release device 4 Cement and sand screed 5 Heat pump unit 6 Expansion valve 7 Compressor 8 Evaporator 9 Condenser 10 Circulating pipe 11 Water circulating pump 12 Valve 13 Reservoir 14 Reservoir 圖 1 主動蓄放熱 熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)平面布局圖 Fig 1 Plane layout diagram of active heat storage release associated with heat pump heating system 1 4 系統(tǒng)運(yùn)行方式 如圖 2 所示系統(tǒng)運(yùn)行分為 4 個(gè)階段 1 早 上 08 30 揭開保溫被 同時(shí)開啟循環(huán)水泵 關(guān) 閉閥門 1 打開閥門 2 和 3 主動蓄放熱系統(tǒng)開 始集熱 此階段蓄水池 和 連通 水溫不斷 升高 如圖 2a 2 下午 根據(jù)天氣情況及蓄水 池水溫變化適時(shí)開啟熱泵 同時(shí)打開閥門 1 關(guān) 閉閥門 2 和 3 一般熱泵開啟時(shí)間在 12 00 13 30 之間 多云天氣和陰天早開 晴天晚開 運(yùn)行 1 5 3 h 此階段蓄水池 和 斷開連通 蓄水池 由主動蓄放熱系統(tǒng)持續(xù)供熱 并作為 熱泵機(jī)組的熱源 水溫逐漸下降 蓄水池 作 為熱匯 水溫逐漸升高 如圖 2b 3 保溫被覆 蓋之前適時(shí)關(guān)閉熱泵 一般預(yù)留 0 5 h 單獨(dú)運(yùn)行 主動蓄放熱系統(tǒng)為蓄水池 回溫 然后關(guān)閉循 環(huán)水泵 系統(tǒng)白天集熱階段結(jié)束 此階段蓄水 池 水溫升高 蓄水池 水溫不變 如圖 2c 4 夜間室內(nèi)氣溫降低 00 00 08 30 運(yùn)行主動蓄 放熱系統(tǒng)為溫室供熱 此階段蓄水池 和 連 通 水溫逐漸降低 如圖 2d 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2013 年 170 a 階段 1 a Period 1 b 階段 2 b Period 2 c 階段 3 c Period 3 d 階段 4 d Period 4 圖 2 系統(tǒng)運(yùn)行方式示意圖 Fig 2 Schematic diagram of system operation mode 2 試驗(yàn)方法 2 1 測試儀器與測點(diǎn)布置 選用 T型熱電偶作為溫度傳感器分別對試驗(yàn)溫 室氣溫 蓄水池 和 水溫 主動蓄放熱系統(tǒng)供回 水溫度 熱泵蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)出水溫度 熱泵冷凝器側(cè) 進(jìn)出水溫度進(jìn)行測量 精度為 0 2 氣溫傳感器 做防輻射處理 水溫傳感器做防銹處理 選用美國 坎貝爾公司生產(chǎn)的 CR1000 數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)記 錄 其中 試驗(yàn)溫室氣溫測點(diǎn) 5 個(gè) 分別布置于日 光溫室跨中距東墻 12 24 和 36 m 處 距東墻 24 m 距北墻 2 和 6 m 處 測點(diǎn)距地面 1 5 m 蓄水池 和 水溫測點(diǎn)置于蓄水池中部 選用美國坎貝爾公司生產(chǎn)的太陽輻射傳感器 測量北墻太陽輻射量 準(zhǔn)確度為 0 5 測量范圍為 0 2 000 W m 2 探頭置于北墻內(nèi)表面距東墻 24 m 距地面 1 5 m 高處 選用德圖公司生產(chǎn)的 testo174T 型溫度自動記 錄儀測量對照溫室氣溫 室外氣溫 精度為 0 2 測量范圍為 30 70 對照溫室氣溫測點(diǎn)布置同試 驗(yàn)溫室 室外氣溫測點(diǎn)置于東側(cè)山墻外 1 5 m 高處 選用普通電參數(shù)表記錄熱泵機(jī)組和循環(huán)水泵 用電量 瞬時(shí)功率 選用大連索尼卡儀表公司生產(chǎn)的 FV 系列手持 式超聲波流量計(jì)測量主動蓄放熱系統(tǒng)循環(huán)水泵流 量 熱泵機(jī)組冷凝器側(cè) 蒸發(fā)器側(cè)水流量 所有設(shè)備儀器自動采集數(shù)據(jù)時(shí)間步長為 10 min 2 2 系統(tǒng)集放熱過程計(jì)算 試驗(yàn)中蓄水池 水溫變化與系統(tǒng)的集放熱過 程緊密相關(guān) 系統(tǒng)實(shí)際供熱量 Q Sup 系統(tǒng)總制熱量 Q Sys 熱泵機(jī)組制熱量 Q Hp 可由下式計(jì)算得出 15 1 1 2 2 Sup w w Sup Sup QCTVTV 1 1 1 2 2Sys w w Sys Sys QCTVTV 2 2 2Hp w w Hp QCTV 3 式中 w 為水的密度 取 1 0 10 3 kg m 3 C w 為水的比 熱容 取 4 2 kJ kg T 1 Sup T 2 Sup T 1 Sys T 2 Sys 分別為系統(tǒng)供熱階段 系統(tǒng)集熱階段蓄水池 水溫 變化 T 2 Hp 為熱泵機(jī)組運(yùn)行階段蓄水池 水溫變 化 V 1 V 2 分別為蓄水池 實(shí)際蓄水量 m 3 熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù) COP Hp 計(jì)算式為 26 Hp Hp Hp Q COP E 4 式中 Q Hp 為熱泵機(jī)組運(yùn)行階段制熱量 kJ E Hp 為熱泵機(jī)組運(yùn)行階段的耗電量 kJ 熱泵機(jī)組瞬時(shí) COP Hp ins 值計(jì)算式為 26 d d 3600 Co w Co w Co Hp ins Hp Hp Qt q T COP PP 5 式中 dQ Co 為單位時(shí)間內(nèi)熱泵機(jī)組冷凝器側(cè)輸出熱 量 kJ P Hp 為熱泵機(jī)組瞬時(shí)輸入功率 kW q Co 第 19 期 孫維拓等 主動蓄放熱 熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)在日光溫室的應(yīng)用 171 為熱泵機(jī)組冷凝器側(cè)循環(huán)水流量 實(shí)測 1 84 m 3 h T Co 為冷凝器側(cè)瞬時(shí)供回水溫差 主動蓄放熱系統(tǒng)的集熱效率計(jì)算式為 14 1000 Act Act Act T Act Q AIt 6 Act Sys Hp QQE 7 式中 Act 為主動蓄放熱系統(tǒng)集熱效率 Q Sys 為系統(tǒng) 集熱階段總制熱量 kJ Q Act 為主動蓄放熱系統(tǒng)集 熱量 即系統(tǒng)太陽輻射吸收總量 kJ 計(jì)算時(shí)忽略 熱泵循環(huán)的不可逆損失 A Act 為主動蓄放熱裝置有 效集熱面積 m 2 I T 為平均太陽輻射量 W m 2 t Act 為主動蓄放熱系統(tǒng)的集熱時(shí)間 s 主動蓄放熱系統(tǒng)的集熱功率計(jì)算式為 Act T Act PI 8 式中 P Act 為主動蓄放熱系統(tǒng)集熱功率 W m 2 整個(gè)系統(tǒng)的 COP Sys 值計(jì)算式為 27 Sys Sys HpPumps Q COP EE 9 式中 E Pumps 為主動蓄放熱系統(tǒng)白天集熱階段循環(huán) 水泵的耗電量 kJ 3 試驗(yàn)結(jié)果與分析 選取 2012 年 12 月 22 日 12 月 27 日此冬天最 冷的連續(xù) 5 d 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 天氣狀況為晴 天或多云 熱泵機(jī)組在 12 月 22 日 12 月 23 日運(yùn) 行 1 5 h 12 月 23 日 12 月 24 日運(yùn)行 2 75 h 其 后 3 d 運(yùn)行 2 h 主動蓄放熱系統(tǒng)在 12 月 23 日 12 月 24 日白天集熱時(shí)間為 08 30 16 00 其余 4 d 白天集熱時(shí)間皆為 08 30 15 30 由于系統(tǒng)白天集 熱 夜間放熱 為便于分析系統(tǒng)加溫規(guī)律 本文將 08 30 次日 0 8 30 視為一個(gè)加溫周期 3 1 系統(tǒng)加溫效果 3 1 1 總體加溫效果 表 1 所示為 2012 年 12 月 22 日 12 月 27 日連續(xù) 5 個(gè)夜間試驗(yàn)溫室和對照溫室室內(nèi) 外氣 溫及系統(tǒng)供熱量變化具體數(shù)值 連續(xù) 5 個(gè)夜間系 統(tǒng)實(shí)際供熱量為 3 11 10 5 3 97 10 5 kJ 試驗(yàn)溫 室平均氣溫為 9 02 10 33 比對照溫室提高 5 26 6 64 最低氣溫提高 5 19 6 38 室 內(nèi)外溫差為 21 62 27 55 白天運(yùn)行主動蓄放 熱系統(tǒng)吸收太陽輻射能 開啟熱泵進(jìn)行能量提 升 因此 夜間供熱量主要來源于太陽輻射能及 少部分的電能 這樣通過試驗(yàn)溫室和對照溫室夜 間室溫的對比 可以看出系統(tǒng)加溫效果非常明 顯 但整體室內(nèi)氣溫偏低 其原因 1 外界環(huán) 境溫度過低 最低達(dá) 18 80 2 試驗(yàn)日光溫室 已使用多年 保溫性能降低 表 1 夜間溫室內(nèi) 外熱環(huán)境參數(shù) Table 1 Thermal environmental parameters inside and outside of greenhouses at night 試驗(yàn)溫室氣溫 Experimental greenhouse indoor air temperature 對照溫室氣溫 Comparative greenhouse indoor air temperature 室外氣溫 Outdoor air temperature 日期 Date 平均值 Average 最低值 Minimum 平均值 Average 最低值 Minimum 平均值 Average 最低值 Minimum 供熱量 Q Sup Heating load kJ 2012 12 22 至 2012 12 23 9 12 7 82 3 86 2 63 13 45 15 10 3 14 10 5 2012 12 23 至 2012 12 24 10 05 8 55 3 41 2 17 17 50 18 80 3 97 10 5 2012 12 24 至 2012 12 25 9 67 8 68 3 98 3 13 11 95 13 50 3 39 10 5 2012 12 25 至 2012 12 26 10 33 8 94 3 79 2 63 15 38 16 50 3 78 10 5 2012 12 26 至 2012 12 27 9 02 7 94 3 46 2 47 14 98 15 70 3 11 10 5 注 溫度及供熱量為系統(tǒng)供熱階段 00 00 08 30 不包括 00 00 數(shù)據(jù) Note Temperatures and heating load were the data during system heating period 00 00 8 30 exclusive of 00 00 3 1 2 溫室晝夜氣溫變化特征 選取 2012 年 12 月 24 日 12 月 25 日典型晴 天分析試驗(yàn)溫室和對照溫室室內(nèi)氣溫日變化特 征 圖 3 所示為 12 月 24 日 12 月 25 日室內(nèi) 外氣溫及太陽輻射量變化曲線 可以看出白天和 夜間試驗(yàn)溫室氣溫均高于對照溫室 白天 08 30 16 00 前半夜 16 00 24 00 和后 半夜 00 00 0 8 30 溫差分別為 3 29 2 06 和 5 69 系統(tǒng)加溫效果顯著 24 日早上 08 30 揭 開保溫被 試驗(yàn)溫室氣溫 8 78 對照溫室氣溫 2 37 溫差為 6 41 這是系統(tǒng)夜間供熱的結(jié) 果 隨著太陽輻射量的增加 試驗(yàn)溫室和對照溫 室氣溫逐漸升高且前者氣溫一直高于后者 前者 在 13 20 達(dá)到最高值 27 39 后者在 13 10 達(dá)到 最高值 26 60 主要原因 1 試驗(yàn)溫室初始?xì)?溫高于對照溫室 2 在試驗(yàn)溫室中 11 00 之前循 環(huán)水溫度一直高于室內(nèi)氣溫且最大溫差為 8 82 主動蓄放熱系統(tǒng)在吸收太陽輻射的同時(shí) 也在向室內(nèi)空氣釋放熱量 由于室外溫度很低 溫室向外散失熱量迅速 13 20 以后隨著太陽輻 射量降低 室內(nèi)氣溫開始下降 即使此階段運(yùn)行 熱泵 主動蓄放熱系統(tǒng)循環(huán)水溫仍高于試驗(yàn)溫室 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2013 年 172 氣溫 溫差從 0 41 逐漸增大到 6 66 循環(huán)水 不斷向室內(nèi)空氣釋放熱量 直至 15 30 系統(tǒng)運(yùn)行 結(jié)束 16 00 覆蓋保溫被時(shí)試驗(yàn)溫室氣溫 13 63 對照溫室氣溫 11 67 溫差為 1 96 前半夜室 內(nèi)氣溫下降相對平緩 到 24 00 主動蓄放熱系統(tǒng) 供熱之前 試驗(yàn)溫室和對照溫室氣溫分別降至 7 24 和 5 23 溫差為 2 01 主要原因 1 16 00 覆蓋保溫被時(shí)試驗(yàn)溫室基礎(chǔ)氣溫比對照溫室高 2 在試驗(yàn)溫室中 雖然蓄水池保溫性能良好 但水溫 與室內(nèi)氣溫 土溫具有較大溫差 此階段蓄水池也 會向室內(nèi)空氣和土壤散失熱量 對室內(nèi)氣溫產(chǎn)生一 定影響 經(jīng)計(jì)算 16 00 24 00 蓄水池散失熱量 7 04 10 4 kJ 后半夜系統(tǒng)供熱 試驗(yàn)溫室氣溫先升 高再緩慢下降 對照溫室氣溫逐漸下降 注 2012 年 12 月 24 日至 12 月 25 日 Note From Dec 24 to Dec 25 2012 圖 3 試驗(yàn)溫室與對照溫室室內(nèi)氣溫對比 Fig 3 Indoor air temperature comparison between experimental and comparative greenhouse 3 1 3 試驗(yàn)溫室南北方向氣溫分布 圖 4 所示為 2012 年 12 月 24 日 12 月 25 日 沿試驗(yàn)溫室東西中心線南北方向氣溫分布情況 可以看出白天距北墻 2 4 和 6 m 處溫度變化基本 相同 其中距墻 2 m 處平均氣溫為 19 93 比距 北墻 4 和 6 m 處分別低 0 17 和 0 10 覆蓋保溫 被以后 前半夜距北墻 2 4 和 6 m 處平均氣溫分 別為 10 24 10 21 和 10 01 距北墻 6 m 處氣溫 略低 這是由于北墻蓄積的熱量在前半夜緩慢向 溫室釋放 離北墻越近溫度越高 同時(shí)與北墻及 后坡相比 前坡的保溫覆蓋材料傳熱系數(shù)更大 再加上保溫被并不能完全覆蓋前坡 特別是在前 坡與基墩結(jié)合處的部分區(qū)域塑料薄膜直接與外界 環(huán)境接觸 使得距離北墻越遠(yuǎn)的區(qū)域氣溫越低 后半夜系統(tǒng)供熱 距北墻 2 m 處氣溫為 10 14 比距墻 4 和 6 m 處分別高出 0 47 和 0 68 溫差 比白天明顯 但最大不超過 0 93 由此可見 系統(tǒng)運(yùn)行對溫室南北方向溫度梯度影響較小 室 內(nèi)氣溫分布比較均勻 注 2012 年 12 月 24 日至 12 月 25 日 Note From Dec 24 to Dec 25 2012 圖 4 試驗(yàn)溫室南北方向氣溫變化曲線 Fig 4 Indoor air temperature curves of the experimental greenhouse in south north direction 3 2 系統(tǒng)及組件性能分析 3 2 1 熱泵機(jī)組性能 表 2 為連續(xù) 5 d 熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)間及制熱工 況性能參數(shù) 可以看出熱泵機(jī)組 COP Hp 值為 4 38 5 17 冷凝器側(cè)出水溫度為 41 11 46 92 隨著冷凝器側(cè)出水溫度的提高 熱泵 COP Hp 值逐漸降低 傳統(tǒng)水 地源熱泵在制熱工 況下 當(dāng)蒸發(fā)器的進(jìn)水溫度升高時(shí)蒸發(fā)溫度升高 蒸發(fā)壓力增大 制熱量增加 但因此引起的壓縮 機(jī)輸入功率的增加緩慢 COP Hp 值增大 當(dāng)蒸發(fā) 器側(cè)進(jìn)水溫度增大到一定數(shù)值后 進(jìn)水溫度對 COP Hp 值的影響減小 30 31 12 月 24 日 12 月 27 日連續(xù) 3 d 熱泵開啟時(shí)間皆為 2 h 蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)水 溫度為 23 94 27 74 熱泵機(jī)組制熱量 1 933 10 5 1 944 10 5 kJ 相差較少 且隨著蒸發(fā) 器側(cè)進(jìn)水溫度的升高 熱泵制熱量逐漸增加 但 小于能耗增加幅度 COP Hp 值逐漸降低 這說明 相對于蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)水溫度 冷凝器側(cè)出水溫度成 為制約熱泵 COP Hp 值的主要因素 因此 在冬季 晴天及多云天氣 主動蓄放熱系統(tǒng)可以為熱泵熱 源提供充足的熱量 保證理想的熱源溫度 12 月 25 日 12 月 26 日白天平均太陽輻射量 為 305 65 W m 2 12 月 26 日 12 月 27 日白天平均 太陽輻射量為 196 11 W m 2 在 13 00 開啟熱泵時(shí) 第 19 期 孫維拓等 主動蓄放熱 熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)在日光溫室的應(yīng)用 173 蓄水池 水溫分別為 29 73 和 24 98 前者大于后 者 冷凝器側(cè)水溫和冷凝溫度升高 熱泵機(jī)組 COP Hp 值前者低于后者 圖 5a 所示為 12 月 25 日熱 泵機(jī)組運(yùn)行階段瞬時(shí) COP Hp ins 值及蓄水池 水 溫隨時(shí)間變化曲線 從 13 00 起蓄水池 斷開 連通 蓄水池 作為熱泵熱匯水溫逐漸升高 蓄水 池 水溫變化受多種因素影響 熱泵啟動時(shí)初始水 溫 29 83 13 10 到達(dá)最大值 30 28 此階段主 動蓄放熱系統(tǒng)提供的熱量大于熱泵蒸發(fā)器側(cè)吸收 的熱量 水溫不斷升高 13 10 14 00 熱泵穩(wěn)定運(yùn) 行 隨著太陽輻射量由 294 3 W m 2 逐漸下降到 77 01 W m 2 如圖 5b 主動蓄放熱系統(tǒng)提供的熱 量小于熱泵蒸發(fā)器側(cè)吸收的熱量 水溫下降至 26 02 14 10 太陽輻射量突然增加至 388 5 W m 2 之后蓄水池 熱量出入基本持平 水溫變化不大 熱泵機(jī)組啟動電流大 能耗高 2 臺壓縮機(jī)啟動具 有時(shí)間間隔 因此在熱泵開啟后的 10 min 內(nèi)瞬時(shí) COP Hp ins 值較小 13 10 以后熱泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常 瞬時(shí) COP Hp ins 值隨蓄水池 水溫的升高逐漸降低 受蓄 水池 I 水溫變化影響較小 由此可見 在太陽輻射 相對較弱的天氣 熱泵開啟時(shí)蓄水池 基礎(chǔ)水溫 低 熱泵 COP Hp 值大 系統(tǒng)節(jié)能效果更顯著 表 2 熱泵機(jī)組制熱工況性能參數(shù) Table 2 Performance parameters of heat pump unit under heating working conditions 蓄水池 水溫 Temperature of reservoir 日期 Date 熱泵機(jī)組 啟停時(shí)間 Heat pump unit start stop time 蒸發(fā)器側(cè) 進(jìn)水口溫度 Evaporator inlet temperature 冷凝器側(cè) 出水口溫度 Condenser outlet temperature 始溫 Initial 終溫 Final 溫升 Increase 熱泵機(jī)組 制熱量 Q Hp Heat pump unit heating capacity kJ 熱泵機(jī)組 耗電量 E Hp Heat pump unit electricity consumption kW h COP Hp 值 COP Hp value 2012 12 22 至 2012 12 23 13 30 15 00 25 99 41 63 26 35 32 22 5 87 1 387 10 5 8 05 4 79 2012 12 23 至 2012 12 24 13 00 15 45 29 97 46 92 28 68 39 66 10 98 2 594 10 5 16 45 4 38 2012 12 24 至 2012 12 25 13 00 15 00 26 66 43 88 27 15 35 36 8 21 1 940 10 5 11 40 4 73 2012 12 25 至 2012 12 26 13 00 15 00 27 74 46 49 29 73 37 96 8 23 1 944 10 5 11 85 4 56 2012 12 26 至 2012 12 27 13 00 15 00 23 94 41 11 24 98 33 16 8 18 1 933 10 5 10 39 5 17 注 各參數(shù)為系統(tǒng)白天集熱熱泵運(yùn)行階段數(shù)據(jù) Note Parameters were the data during the heat pump unit running in the daytime a 熱泵機(jī)組瞬時(shí) COP Hp ins 值與蓄水池水溫變化 a Curves of instantaneous COP Hp ins value of heat pump unit and water temperature of the reservoirs b 太陽輻射量變化 b Amount of solar radiation curves 注 2012 年 12 月 25 日 Note Dec 25 2012 圖 5 熱泵機(jī)組瞬時(shí) COP Hp ins 值與蓄水池水溫及太陽輻射量變化 Fig 5 Curves of instantaneous COP Hp ins value of the heat pump unit water temperature of the reservoirs and amount of the solar radiation 3 2 2 主動蓄放熱系統(tǒng)供回水溫度變化 圖 6 所示為 2012 年 12 月 24 日主動蓄放熱系統(tǒng) 白天集熱階段供回水溫度變化曲線 可以看出 09 30 之前室內(nèi)氣溫較低 循環(huán)水吸收的太陽輻射能小于向 室內(nèi)空氣釋放的熱量 回水溫度小于供水溫度 09 30 以后主動蓄放熱系統(tǒng)開始有效蓄熱 隨著太陽輻射量 和室內(nèi)氣溫的升高 供回水溫差逐漸增加 12 00 供 回水溫差達(dá)到最大值 1 28 此時(shí)太陽輻射量 414 3 W m 2 室內(nèi)氣溫 26 45 供水溫度 24 17 由于水溫的升高及太陽輻射量的降低 12 00 13 00 供回水溫差逐漸下降至 1 16 13 00 15 00 熱泵開 啟 供水溫度逐漸下降 但隨著太陽輻射量和室內(nèi)氣 溫的降低 供回水溫差先略微上升然后逐漸下降至 0 80 15 00 15 30 蓄水池 I 供水溫度回升 供回 水溫差繼續(xù)降低 在整個(gè)集熱階段 供回水溫差即主 動蓄放熱系統(tǒng)的集熱功率主要取決于太陽輻射量 受 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2013 年 174 室內(nèi)氣溫與供水溫度的制約 開啟熱泵可有效降低供 水溫度 在系統(tǒng)設(shè)計(jì) 施工時(shí) 將主動蓄放熱系統(tǒng)循 環(huán)水泵放于靠近熱泵蒸發(fā)器側(cè)出水口位置 降溫效果 更加明顯 注 2012 年 12 月 24 日 Note Dec 24 2012 圖 6 主動蓄放熱系統(tǒng)白天集熱階段供回水溫度變化曲線 Fig 6 Supply and return water temperature curves of active storage release system during heat collecting period 3 2 3 系統(tǒng)整體性能 表 3 所示為 2012 年 12 月 22 日 12 月 27 日白 天集熱階段系統(tǒng)及其組件集熱參數(shù) 12 月 22 日 12 月 23 日白天系統(tǒng)集熱階段室內(nèi)平均氣溫為 21 54 僅比 12 月 24 日 12 月 25 日高 1 02 太陽輻射也最為接近 但前者主動蓄放熱系統(tǒng)的集 熱效率為 5 d 中最高 后者為 5 d 中最低 這是由 于 12 月 22 日 12 月 23 日蓄水池初始水溫為 14 17 12 月 24 日 12 月 25 日為 19 33 分別 為 5 d 中循環(huán)水初始進(jìn)水溫度的最低和最高值 可 見循環(huán)水溫對主動蓄放熱系統(tǒng)的集熱效率影響很 大 水溫越低 集熱效率越高 連續(xù) 5 d 中 適時(shí) 開啟熱泵將蓄水池 中的熱量泵至蓄水池 主動 蓄放熱系統(tǒng)集熱階段的循環(huán)水最高進(jìn)水溫度被控 制在 25 02 31 25 可將主動蓄放熱系統(tǒng)的集熱 效率 Act 提升至 72 32 83 62 集熱功率 P Act 為 156 26 258 05 W m 2 系統(tǒng)耗能組件包括熱泵機(jī)組和主動蓄放熱系 統(tǒng)循環(huán)泵 熱泵機(jī)組在不同工況下輸入功率不同 實(shí)測 2 臺循環(huán)水泵運(yùn)行總功率為 1 700 W 測得連 續(xù) 5 d 系統(tǒng)白天集熱總耗電量為 118 49 kW h 蓄熱 總量 2 39 10 6 kJ 整個(gè)系統(tǒng)的 COP Sys 值為 5 59 節(jié) 能效果顯著 表 3 系統(tǒng)及其組件集熱參數(shù) Table 3 Heat collecting parameters of the system and its components 日期 Date 太陽輻射量 I T Solar radiation W m 2 系統(tǒng)總 制熱量 Q Sys Heating capacity of the whole system kJ 主動蓄放熱 系統(tǒng)集熱量 Q Act Heat collecting capacity of the AHSRS kJ 主動蓄放熱 系統(tǒng)集熱效率 Act Heat collecting efficiency of the AHSRS 主動蓄放熱 系統(tǒng)集熱功率 P Act Heat collecting power of AHSRS W m 2 2012 12 22 至 2012 12 23 287 77 5 04 10 5 4 75 10 5 83 62 240 63 2012 12 23 至 2012 12 24 343 31 6 05 10 5 5 46 10 5 75 17 258 05 2012 12 24 至 2012 12 25 258 19 4 09 10 5 3 68 10 5 72 32 186 72 2012 12 25 至 2012 12 26 321 42 5 23 10 5 4 80 10 5 75 71 243 36 2012 12 26 至 2012 12 27 208 81 3 46 10 5 3 08 10 5 74 84 156 26 注 太陽輻射量為白天系統(tǒng)集熱階段試驗(yàn)溫室北墻太陽輻射量均值 AHSRS 表示主動蓄放熱系統(tǒng) Note Solar radiation was the average value reaching the north wall surface during system heating period in the daytime AHSRS is the active heat storage release system 4 結(jié)論與討論 應(yīng)用主動蓄放熱 熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)提高日光 溫室夜間溫度是可行的 應(yīng)用熱泵提升主動蓄放熱 系統(tǒng)集熱效率 增加總體蓄熱量是有效的 通過本 試驗(yàn)研究 得出以下結(jié)論 1 冬季晴天或多云天氣運(yùn)行主動蓄放熱 熱泵 聯(lián)合加溫系統(tǒng) 試驗(yàn)溫室白天和夜間氣溫均大于對 照溫室 可提升夜間氣溫 5 26 6 64 2 本試驗(yàn)條件下 連續(xù) 5 d 熱泵機(jī)組 COP Hp 值為 4 38 5 17 主動蓄放熱系統(tǒng)可為熱泵熱源提 供充足的熱量 保證理想的熱源溫度 冷凝器側(cè)出 水溫度成為影響熱泵 COP Hp 值的主要因素 水溫提 升越高 COP Hp 值越低 3 在日光溫室特定的光熱環(huán)境下 適時(shí)運(yùn)行 熱泵機(jī)組 1 5 3 h 可將主動蓄放熱系統(tǒng)的集熱效 率提升至 72 32 83 62 集熱功率為 156 26 258 05 W m 2 整個(gè)系統(tǒng) COP Sys 值為 5 59 節(jié)能效 果顯著 此外 主動蓄放熱裝置采用廉價(jià)材料 與傳統(tǒng) 水 地源熱泵機(jī)組相比 本系統(tǒng)以太陽輻射能作為 熱源 無需打井或埋管 夜間通過主動蓄放熱系統(tǒng) 進(jìn)行放熱 也無需安裝風(fēng)機(jī)盤管等散熱設(shè)備 因此 這種做法大大降低了初投資費(fèi)用及運(yùn)行費(fèi)用 為進(jìn) 第 19 期 孫維拓等 主動蓄放熱 熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)在日光溫室的應(yīng)用 175 一步節(jié)約能耗 在太陽輻射強(qiáng)烈的晴天也可單獨(dú)采 用主動蓄放熱系統(tǒng)為溫室加溫 在連陰天和雪天 可連續(xù)運(yùn)行熱泵機(jī)組提升蓄水池水溫 用作應(yīng)急加 熱 該系統(tǒng)的應(yīng)用研究剛剛開始 還處于試驗(yàn)的初 級階段 系統(tǒng)各組件參數(shù)配置 施工工藝還有待優(yōu) 化和完善 不同天氣條件下的運(yùn)行控制模式 加溫 效果 能耗以及經(jīng)濟(jì)性都會在后續(xù)的試驗(yàn)中加以分 析和驗(yàn)證 參 考 文 獻(xiàn) 1 李建設(shè) 白青 張亞紅 日光溫室墻體與地面吸收放熱量 測定分析 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2010 26 4 231 236 Li Jianshe Bai Qing Zhang Yahong Analysis on measurement of heat absorption and release of wall and ground in solar greenhouse J Tra