第 10 卷 第 6 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 Vol 10 No 6 2020 年 6 月 Agricultural Engineering Jun 2020 收稿日期 2020 01 03 修回日期 2020 02 16 作者簡(jiǎn)介 董微 碩士 研究方向 生物安全 E mail dongwei2016 126 com 在線投稿 www d1ae com 集裝箱植物工廠變頻空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 董 微 1 2 3 周增產(chǎn) 1 2 3 姚 濤 1 2 3 封喜雷 1 3 李秀剛 2 3 田鳳梅 2 3 1 北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司 北京 100096 2 北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司 北京 100094 3 北京市植物工廠工程技術(shù)研究中心 北京 100094 摘 要 為解決集裝箱植物工廠運(yùn)行時(shí)內(nèi)部溫度偏高且不均勻 無(wú)法滿足植物生產(chǎn)所需最佳溫度等問(wèn)題 對(duì)集裝箱植 物工廠變頻空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì) 通過(guò)對(duì)工廠的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行統(tǒng)計(jì)安排 以及總負(fù)荷的計(jì)算 確定變頻空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方 案 通過(guò)測(cè)試室內(nèi)外溫度 濕度和光照 結(jié)果顯示 明期集裝箱內(nèi)溫度總平均值為 26 3 濕度總平均值為 44 8 光照總平均值為 12 082 lx 滿足集裝箱植物工廠的設(shè)計(jì)要求 該設(shè)計(jì)可加快集裝箱內(nèi)的降溫速度 實(shí)現(xiàn)溫度的精確 控制 關(guān)鍵詞 集裝箱 植物工廠 變頻空調(diào)系統(tǒng) 中圖分類號(hào) S316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095 1795 2020 06 0046 05 Design and Application of Frequency Conversion Air Conditioning System in Container Plant Factory DONG Wei 1 2 3 ZHOU Zengchan 1 2 3 YAO Tao 1 2 3 FENG Xilei 1 3 LI Xiugang 2 3 TIAN Fengmei 2 3 1 Beijing Agricultural Machinery Institute Co Ltd Beijing100096 China 2 Beijing Kingpeng International Hi Tech Corporation Beijing 100094 China 3 Beijing Plant Engineering Technology esearch Center Beijing 100094 China Abstract In order to solve problems of high internal temperature and non uniform which can not meet optimal temperature for plant production a variable frequency air conditioning system of container plant factory was designed Through the statistical ar rangement of plant structure and calculation of total load design scheme of variable frequency air conditioning system was deter mined The temperature humidity and light in and out of the factory were tested esults showed that average temperature humidity and illumination in the container were 26 3 44 8 and 12 082 lx which meet design requirements of container plant factory The design could speed up cooling speed in container and realize precise control of temperature Keywords container plant factory variable frequency air conditioning system 0 引言 隨著我國(guó)植物工廠技術(shù)的不斷完善和提高 微型 化 迷你型植物工廠已應(yīng)用于人們生活的各種環(huán) 境 1 在人口 耕地資源緊缺的大背景下 將我國(guó) 大量淘汰棄用的集裝箱重新利用 改造成為集裝箱植 物工廠 不但可以提高資源利用率 降低植物工廠建 設(shè)成本及運(yùn)行成本 而且可以解決環(huán)境惡劣地區(qū)諸如 海島荒漠等地的蔬菜生產(chǎn)問(wèn)題 2 10 為保證集裝箱植 物工廠內(nèi)部的環(huán)境條件滿足種植植物的生長(zhǎng)需求 通 過(guò)對(duì)其內(nèi)部的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 采用空調(diào)壓縮 機(jī)和強(qiáng)制通風(fēng)換氣相結(jié)合的降溫模式 可達(dá)到大幅度 降低能耗成本的目的 11 1 設(shè)計(jì)概況 本設(shè)計(jì)為北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司集裝箱 植物工廠變頻空調(diào)系統(tǒng) 集裝箱植物工廠變頻空調(diào)系 統(tǒng)設(shè)計(jì)需滿足集裝箱內(nèi)植物生長(zhǎng)整個(gè)周期的溫度需 求 集裝箱植物工廠外形尺寸為 12 m 2 1 m 2 5 m 維護(hù)結(jié)構(gòu)為 75 mm 凈化板 集裝箱植物工廠內(nèi)設(shè) 計(jì)溫度為 16 28 室外相對(duì)濕度為 40 60 光照為 9 000 18 000 lx 集裝箱植物工廠內(nèi)景如圖 1 所示 集裝箱植物工廠所在地基本參數(shù)情況如表 1 所 示 集裝箱植物工廠所在地夏季環(huán)境條件參數(shù)如表 2 所示 董微 等 集裝箱植物工廠變頻空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 圖 1 集裝箱植物工廠內(nèi)景 Fig 1 Interior view of container plant factory 表 1 集裝箱植物工廠所在地基本參數(shù) Tab 1 Basic parameters of container plant factory location 項(xiàng)目 參數(shù) 國(guó)家 中國(guó) 省份 北京市 經(jīng)度 E 116 47 緯度 N 39 8 表 2 集裝箱植物工廠所在地夏季參數(shù) Tab 2 Summer parameters of container plant factory location 項(xiàng)目 參數(shù) 夏季大氣壓 Pa 99 987 夏季室外空調(diào)計(jì)算日平均溫度 29 1 夏季室外空調(diào)計(jì)算干球溫度 33 6 夏季室外空調(diào)計(jì)算濕球溫度 26 3 夏季室外平均風(fēng)速 m s 1 2 2 大氣透明度等級(jí) 4 2 負(fù)荷計(jì)算 2 1 建筑概況 集裝箱植物工廠各項(xiàng)基本情況如表 3 所示 表 3 集裝箱植物工廠基本情況 Tab 3 Basic information of container plant factory 項(xiàng)目 參數(shù) 建筑體積 m 3 63 建筑高度 m 2 5 外表面積 m 2 120 9 建筑層數(shù) 1 2 2 建筑物 2 2 1 外墻 集裝箱植物工廠設(shè)計(jì)使用的外墻材料傳熱系數(shù)如 表 4 所示 2 2 2 屋面 集裝箱植物工廠設(shè)計(jì)使用的屋面材料傳熱系數(shù)如 表 5 所示 2 3 設(shè)計(jì)負(fù)荷統(tǒng)計(jì) 將空調(diào)區(qū)的各分項(xiàng)冷負(fù)荷按各計(jì)算時(shí)刻累加 得 出空調(diào)區(qū)總冷負(fù)荷逐時(shí)值的時(shí)間序列 之后找出序列 中的最大值 即作為該空調(diào)區(qū)的計(jì)算冷負(fù)荷 集裝箱 植物工廠冷負(fù)荷如表 6 所示 表 4 外墻傳熱系數(shù) Tab 4 Heat transfer coefficient of external wall 材料名稱 厚度 mm 干密度 kg m 3 導(dǎo)熱系數(shù) W m 1 K 1 比熱容 kJ kg 1 K 1 導(dǎo)熱系 數(shù)修正 熱阻 m 2 K W 1 建筑鋼材 1 7 850 58 2 0 48 1 0 礦棉巖棉玻璃棉氈 140 75 140 0 04 1 34 0 97 1 72 建筑鋼材 1 7 850 58 2 0 48 1 0 各層之和 77 1 72 傳熱系數(shù) K 0 53 表 5 屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù) Tab 5 Heat transfer coefficient of roof 材料名稱 厚度 mm 干密度 kg m 3 導(dǎo)熱系數(shù) W m 1 K 1 比熱容 kJ kg 1 K 1 導(dǎo)熱系 數(shù)修正 熱阻 m 2 K W 1 建筑鋼材 1 7850 58 2 0 48 1 0 礦棉巖棉玻璃棉氈 140 75 140 0 04 1 34 0 97 1 72 建筑鋼材 1 7850 58 2 0 48 1 0 各層之和 77 1 72 傳熱系數(shù) K 0 53 74 農(nóng)業(yè)工程 生物環(huán)境與能源 表 6 集裝箱植物工廠冷負(fù)荷 Tab 6 Cooling load of container plant factory 時(shí)間 冷負(fù)荷 W m 2 0 00 14 702 3 00 14 575 6 00 14 499 9 00 15 185 12 00 15 677 15 00 15 868 18 00 15 703 21 00 14 960 時(shí)間 冷負(fù)荷 W m 2 1 00 14 659 4 00 14 543 7 00 14 677 10 00 15 411 13 00 15 716 16 00 16 159 19 00 15 500 22 00 14 839 時(shí)間 冷負(fù)荷 W m 2 2 00 14 614 5 00 14 513 8 00 14 936 11 00 15 578 14 00 15 791 17 00 15 828 20 00 15 179 23 00 14 758 2 4 負(fù)荷構(gòu)成 根據(jù)集裝箱植物工廠內(nèi)部的配置情況 初步估算 各部分負(fù)荷如表 7 所示 集裝箱植物工廠負(fù)荷構(gòu)成如 圖 2 所示 圖 2 集裝箱植物工廠負(fù)荷構(gòu)成 Fig 2 Load composition of container plant factory 3 變頻空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 根據(jù)集裝箱植物工廠室內(nèi)冷負(fù)荷計(jì)算 集裝箱植 物工廠空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分為 4 項(xiàng) 第一 送風(fēng)方式 是采用 PVC 方形風(fēng)管送風(fēng) PVC 風(fēng)管具有不生銹 耐腐蝕 質(zhì)量輕 便于搬運(yùn)安裝 價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn) 第二 送風(fēng)口形式是將送風(fēng)口放置到集裝箱中間走道 頂部 以便氣流均勻擴(kuò)散 送風(fēng)風(fēng)口為帶調(diào)節(jié)閥雙層 百葉 價(jià)格便宜且實(shí)用 雙層百葉風(fēng)阻小 可較容易 實(shí)現(xiàn)送風(fēng)距離 送風(fēng)角度可調(diào)整 第三 室內(nèi)機(jī)選型 要考慮空調(diào)設(shè)備使用效果并兼顧經(jīng)濟(jì)性 選用 1 臺(tái) 5HP 定頻空調(diào) 1 臺(tái) 5 HP 變頻空調(diào) 室內(nèi)機(jī)送風(fēng)口 機(jī)外靜壓 80 120 Pa 的 2 檔可調(diào) 滿足長(zhǎng)距離送風(fēng)需 求 定頻空調(diào)負(fù)責(zé)處理室內(nèi)燈光負(fù)荷 變頻空調(diào)負(fù)責(zé) 處理集裝箱內(nèi)維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱 通風(fēng)和植物散發(fā)冷負(fù) 荷 第四 室外機(jī)采用上海日立高品質(zhì)壓縮機(jī) 振動(dòng) 小 效率高 運(yùn)行平穩(wěn) 噪聲低 同時(shí)設(shè)備使用壽命 長(zhǎng) 可靠性高 滿足空調(diào)在惡劣環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間不間斷 運(yùn)轉(zhuǎn)需求 4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法 4 1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 對(duì)集裝箱植物工廠室內(nèi)外溫度 濕度和光照進(jìn)行 測(cè)試試驗(yàn) 測(cè)試時(shí)間為 9 00 17 00 溫濕度每隔 30 min 記錄測(cè)試數(shù)據(jù) 光照每隔 1 h 記錄測(cè)試數(shù)據(jù) 4 2 測(cè)試儀器 試驗(yàn)采用的是 C 4HC 溫濕度測(cè)量?jī)x 數(shù)量 11 個(gè) PLA 20 植物光照分析儀 數(shù)量 1 個(gè) 4 3 試驗(yàn)方法 溫濕度測(cè)試需要將集裝箱植物工廠一側(cè)栽培架分 成 A B 的 2 個(gè)測(cè)試區(qū) 每個(gè)區(qū)域垂直方向設(shè)置 5 個(gè) 測(cè)試點(diǎn) 每個(gè)測(cè)試點(diǎn)距離燈管的距離為 10 cm 室外 溫濕度測(cè)試點(diǎn)應(yīng)選取背陰處 避免太陽(yáng)光直射對(duì)測(cè)試 數(shù)據(jù)的影響 光照測(cè)試是在栽培架 A3 位置的 4 組光 源中間 光照分析儀距離光源 20 cm 處進(jìn)行測(cè)試 溫 濕度測(cè)點(diǎn)布置如圖 3 所示 圖 3 溫濕度測(cè)點(diǎn)布置 Fig 3 Layout of temperature and humidity measuring points 5 結(jié)果與分析 5 1 溫度 各測(cè)點(diǎn)溫度對(duì)比如圖 4 所示 測(cè)試期間栽培架上 A B 兩區(qū)同一水平方向上的兩點(diǎn)溫差范圍為 0 1 9 A 區(qū)垂直方向溫差范圍為 3 3 3 9 B 區(qū)垂 直方向溫差范圍為 3 1 3 9 室外測(cè)試點(diǎn)溫度范 圍為 0 4 3 7 12 00 時(shí) 室外溫度達(dá)到全天最 高值 3 7 此時(shí)集裝箱植物工廠內(nèi)栽培架上 A B 兩區(qū)同一水平方向上的兩點(diǎn)溫差范圍為 0 3 1 0 A 區(qū)垂直方向溫差為 3 9 B 區(qū)垂直方向溫差為 3 9 室外溫度達(dá)到最高值時(shí) A B 兩區(qū)垂直方 向溫差均達(dá)到最大值 測(cè)試期間 變頻空調(diào)系統(tǒng)一直 處于制冷狀態(tài) 由此可見 變頻空調(diào)系統(tǒng)具有良好的 降溫均勻性 明期集裝箱內(nèi)溫度總平均值為 26 3 表 7 集裝箱植物工廠負(fù)荷構(gòu)成 Tab 7 Load composition of container plant factory 科目 人體 燈光 75 mm 凈化板 東側(cè) 75 mm 凈化板 西側(cè) 75 mm 凈化板 南側(cè) 75 mm 凈化板 北側(cè) 75 mm 凈化板 頂面 空氣滲透 負(fù)荷 W 280 12 600 544 635 99 70 740 1 191 84 董微 等 集裝箱植物工廠變頻空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 圖 4 各測(cè)點(diǎn)溫度對(duì)比 Fig 4 Temperature comparison of each measuring point 圖 5 各測(cè)點(diǎn)濕度對(duì)比 Fig 5 Humidity comparison of measuring point 滿足集裝箱植物工廠的設(shè)計(jì)要求 5 2 濕度 各測(cè)點(diǎn)濕度對(duì)比如圖 5 所示 測(cè)試期間栽培架 上 A B 兩區(qū)同一水平方向上的兩點(diǎn)濕度差范圍為 0 2 9 8 A 區(qū)垂直方向濕度差范圍為 7 2 19 4 B 區(qū)垂直方向濕度差范圍為 2 0 19 3 室外 測(cè) 點(diǎn) 濕 度 范 圍 為 42 4 46 6 11 00時(shí) A B 兩區(qū)垂直方向濕度差均達(dá)到各自最 大值 此時(shí)室外濕度為 45 5 栽培架上 A B 兩 區(qū)同一水平方向上的兩點(diǎn)濕度差范圍為 2 4 8 0 17 00 時(shí) 室外濕度達(dá)到測(cè)試期間最高值 46 6 此時(shí)栽培架上 A B 兩區(qū)同一水平方向上 的兩點(diǎn)濕度差范圍為 3 9 A 區(qū)垂直方向濕度 差為 11 1 B 區(qū)垂直方向濕度差為 9 5 明期 集裝箱內(nèi)濕度總平均值為 44 8 滿足集裝箱植物 工廠的設(shè)計(jì)要求 5 3 光照 如圖 6 所示 測(cè)試期間栽培架 A3 位置的 4 組光 源光照范圍為 9 227 15 857 lx 光照總平均值為 12 082 lx 滿足集裝箱植物工廠的設(shè)計(jì)要求 圖 6 各測(cè)點(diǎn)光照對(duì)比 Fig 6 Light contrast of each measuring point 6 結(jié)論 1 測(cè)試期間栽培架上 A B 兩區(qū)同一水平方向 上的兩點(diǎn)溫差為 0 1 9 濕度差為 0 2 9 8 A 區(qū)垂直方向溫差為 3 3 3 9 濕度差為 7 2 94