主动蓄放热-热泵联合加温系统在日光温室的应用

  日光温室是中国特有的一种以日光为主要能

 

  量来源的温室结构型式，具有高效、节能和低成本等显著特征，已经成为中国“三北地区”蔬菜反季节生产和农民致富的重要手段。日光温室白天利用北墙蓄积热量、夜晚释放增温，由于墙体材料的传热特性和热容量的限制，热能蓄积与释放过程缓慢，蓄、放热量有限，冬季低温及冷害时有发生，影响作物产量和品质[1-6]。因此，提升日光温室蓄放热能力、减少低温冷害已经成为当前日光温室最紧迫的任务[7-13]。

 

  近年来，如何提升日光温室蓄放热能力的研究得到极大关注，张义等提出了主动式蓄放热思想，即白天利用流体介质的循环不断将到达墙体表面的太阳辐射能吸收并蓄积起来，夜间再通过流体的循环释放热量，变日光温室被动蓄放热方式为主动蓄放热方式，实现热量在空间、时间上的转移，从而提高太阳能利用效率，提升温室夜间温度[14-15]。但主动蓄放热系统在高寒地区以及太阳辐射较弱的天气等条件下，室内温度仍难以保证。热泵作为一种高效的能量提升手段，被越来越多的应用于温室加温[16-29]，主动蓄放热系统与热泵结合可有效降低循环水温，进而提升集热效率。因此，为提升主动蓄放热系统加温性能和稳定性、提高日光温室夜间温度，在主动蓄放热思想的基础上，本研究设计了一套用于日光温室夜间加温的主动蓄放热-热泵联合加温系统，并对其加温效果和性能进行了试验测试，以期为日光温室蓄热保温技术升级提供新途径。

 

  1 试验系统设计

 

  1.1 试验温室

 

  2012 年12 月5 日－2013 年2 月5 日对主动蓄放热-热泵联合加温系统进行了试验测试。试验日光温室位于北京市昌平区小汤山现代农业科技示范园西区，温室东西走向，长49 m，跨度8 m，后墙高2.5 m，脊高3.7 m，后坡长1.5 m，后坡仰角45°，采用钢骨架结构，前坡覆盖材料为单层0.08 mm PVC 塑料薄膜，北墙内侧为12 cm 厚红砖，外侧为24 cm 厚红砖，中间为10 cm 厚聚苯板，后坡内侧为10 cm 厚预制板，外侧为10 cm 厚聚苯板。对照温室结构、材料和建造时间均与试验温室相同，两温室南北方向间距8 m。试验温室使用主动蓄放热-热泵联合加温系统；对照温室不使用任何加温设施，只靠后墙蓄热增温。试验期间保温被08:30 揭开，16:00覆盖。

 

  系统测试前于2012 年12 月2 日－12 月3 日进行了室内基础气温的测定， 结果显示白天08:30～16:00）试验温室和对照温室平均气温分别为11.80 和11.40℃，试验温室气温略高，主要原因是其北墙装有主动蓄放热装置，黑膜太阳辐射吸收系数高、升温快；夜间（16:00～08:30）试验温室和对照温室平均气温分别为7.36 和7.56℃，单因素方差分析显示两者无显著差异（P＞0.05），因此试验温室和对照温室的选择是合理的。

 

  1.2 系统组成

 

  主动蓄放热-热泵联合加温系统由主动蓄放热系统、热泵机组和蓄热水池等部分组成。主动蓄放热装置、循环水泵和循环管道构成了温室的主动蓄放热系统，白天用于集热，晚上放热。主动蓄放热装置安装于北墙内侧距地面0.4 m 高处，集热材料为双层黑色PE 膜，双层膜紧密贴合，循环水在双层膜间流动，装置采用单元式结构，单元高2 m，宽1.35 m，共29个单元，单元间距0.15 m；循环水泵2 台，额定流量分别为10 和7 m3/h，扬程10 m；循环管道由不同口径的PVC 管连接而成，管外覆盖保温套。热泵机组型号为DISMY DDR-192GSPA1-PA，额定制热量21 kW，额定制热输入功率5.12 kW，机组水泵为格兰富CH4-20，蒸发器侧水流量3.3 m3/h， 冷凝器侧水流量1.8～3.9 m3/h。蓄热水池由蓄水池Ⅰ和Ⅱ组成，两者中间由Φ80 的截止阀控制连通，蓄水池Ⅰ为热泵机组热源，实际蓄水量1.725 m3，蓄水池Ⅱ为热泵机组热汇，实际蓄水量5.625 m3，蓄热水池主体材料为12 cm 厚普通黏土砖墙，外表面紧贴10 cm 厚聚苯板，内表面涂抹0.3 cm厚防渗水泥砂浆。热泵机组和蓄水池位于温室中部，图1 为系统平面布局图。

 

  1.3 系统工作原理

 

  日光温室主动蓄放热系统吸收太阳辐射能并将热量储存到蓄水池Ⅰ中，源源不断的为热泵机组热源提供热量，使热泵机组蒸发器侧热源温度稳定较高，可有效提高热泵机组COP 值。

 

  同时，热泵机组不断将蓄水池Ⅰ中的热量泵取至蓄水池Ⅱ，降低主动蓄放热系统集热阶段的循环水温，有助于提高主动蓄放热系统的集热效率并延长集热时间，最终提升系统加温性能和稳定性。

 

  1.4 系统运行方式

 

  如图2 所示系统运行分为4 个阶段：1）早上08:30 揭开保温被，同时开启循环水泵，关闭阀门1，打开阀门2 和3，主动蓄放热系统开始集热。此阶段蓄水池Ⅰ和Ⅱ连通，水温不断升高，如图2a。2）下午，根据天气情况及蓄水池水温变化适时开启热泵，同时打开阀门1，关闭阀门2 和3，一般热泵开启时间在12:00～13:30 之间，多云天气和阴天早开，晴天晚开，运行1.5～3 h。此阶段蓄水池Ⅰ和Ⅱ断开连通，蓄水池Ⅰ由主动蓄放热系统持续供热，并作为热泵机组的热源，水温逐渐下降，蓄水池Ⅱ作为热汇，水温逐渐升高，如图2b。3）保温被覆盖之前适时关闭热泵，一般预留0.5 h 单独运行主动蓄放热系统为蓄水池Ⅰ回温，然后关闭循环水泵，系统白天集热阶段结束。此阶段蓄水池Ⅰ水温升高，蓄水池Ⅱ水温不变，如图2c。4）夜间室内气温降低，00:00～08:30 运行主动蓄放热系统为温室供热。此阶段蓄水池Ⅰ和Ⅱ连通，水温逐渐降低。

 

  2 试验方法

 

  2.1 测试仪器与测点布置

 

  选用T 型热电偶作为温度传感器分别对试验温室气温、蓄水池Ⅰ和Ⅱ水温、主动蓄放热系统供回水温度、热泵蒸发器侧进出水温度、热泵冷凝器侧进出水温度进行测量，精度为±0.2℃，气温传感器做防辐射处理，水温传感器做防锈处理。选用美国坎贝尔公司生产的CR1000 数据采集仪进行数据记录。其中，试验温室气温测点5 个，分别布置于日光温室跨中距东墙12、24 和36 m 处，距东墙24 m，距北墙2 和6 m 处，测点距地面1.5 m；蓄水池Ⅰ和Ⅱ水温测点置于蓄水池中部。

 

  选用美国坎贝尔公司生产的太阳辐射传感器

 

  测量北墙太阳辐射量，准确度为0.5%，测量范围为0～2 000 W/m2，探头置于北墙内表面距东墙24 m、距地面1.5 m 高处。

 

  选用德图公司生产的testo174T 型温度自动记录仪测量对照温室气温、室外气温，精度为±0.2℃，测量范围为-30～70℃，对照温室气温测点布置同试验温室，室外气温测点置于东侧山墙外1.5 m 高处。

 

  选用普通电参数表记录热泵机组和循环水泵用电量、瞬时功率。

 

  选用大连索尼卡仪表公司生产的FV 系列手持式超声波流量计测量主动蓄放热系统循环水泵流量，热泵机组冷凝器侧、蒸发器侧水流量。所有设备仪器。

 

  3 试验结果与分析

 

  选取2012 年12 月22 日－12 月27 日此冬天最冷的连续5 d 的试验数据进行分析，天气状况为晴天或多云。热泵机组在12 月22 日－12 月23 日运行1.5 h，12 月23 日－12 月24 日运行2.75 h，其后3 d 运行2 h；主动蓄放热系统在12 月23 日－12月24 日白天集热时间为08:30～16:00，其余4 d白天集热时间皆为08:30～15:30。由于系统白天集热、夜间放热，为便于分析系统加温规律，本文将08:30～次日08:30 视为一个加温周期。

 

  3.1 系统加温效果

 

  3.1.1 总体加温效果

 

  表1 所示为2012 年12 月22 日－12 月27日连续5 个夜间试验温室和对照温室室内、外气温及系统供热量变化具体数值。连续5 个夜间系统实际供热量为3.11×105～3.97×105 kJ，试验温室平均气温为9.02～10.33℃，比对照温室提高5.26～6.64℃，最低气温提高5.19～6.38℃，室内外温差为21.62～27.55℃。白天运行主动蓄放热系统吸收太阳辐射能，开启热泵进行能量提升，因此，夜间供热量主要来源于太阳辐射能及少部分的电能，这样通过试验温室和对照温室夜间室温的对比，可以看出系统加温效果非常明显，但整体室内气温偏低，其原因：1）外界环境温度过低，最低达-18.80℃；2）试验日光温室已使用多年，保温性能降低。

 

  3.1.2 温室昼夜气温变化特征

 

  选取2012 年12 月24 日－12 月25 日典型晴天分析试验温室和对照温室室内气温日变化特征。图3 所示为12 月24 日－12 月25 日室内、外气温及太阳辐射量变化曲线，可以看出白天和夜间试验温室气温均高于对照温室， 白天（08:30～16:00）、前半夜（16:00～24:00）和后半夜（00:00～08:30）温差分别为3.29、2.06 和5.69℃，系统加温效果显著。24 日早上08:30 揭开保温被，试验温室气温8.78℃，对照温室气温2.37℃，温差为6.41℃，这是系统夜间供热的结果。随着太阳辐射量的增加，试验温室和对照温室气温逐渐升高且前者气温一直高于后者，前者在13:20 达到最高值27.39℃，后者在13:10 达到最高值26.60℃，主要原因：1）试验温室初始气温高于对照温室；2）在试验温室中11:00 之前循环水温度一直高于室内气温且最大温差为8.82℃，主动蓄放热系统在吸收太阳辐射的同时也在向室内空气释放热量。由于室外温度很低，温室向外散失热量迅速，13:20 以后随着太阳辐射量降低，室内气温开始下降，即使此阶段运行热泵，主动蓄放热系统循环水温仍高于试验温室气温，温差从0.41℃逐渐增大到6.66℃，循环水不断向室内空气释放热量，直至15:30 系统运行结束，16:00 覆盖保温被时试验温室气温13.63℃，对照温室气温11.67℃，温差为1.96℃。前半夜室内气温下降相对平缓，到24:00 主动蓄放热系统供热之前，试验温室和对照温室气温分别降至7.24 和5.23℃，温差为2.01℃，主要原因：1）16:00覆盖保温被时试验温室基础气温比对照温室高；2）在试验温室中，虽然蓄水池保温性能良好，但水温与室内气温、土温具有较大温差，此阶段蓄水池也会向室内空气和土壤散失热量，对室内气温产生一定影响，经计算16:00～24:00 蓄水池散失热量7.04×104 kJ。后半夜系统供热，试验温室气温先升高再缓慢下降，对照温室气温逐渐下降。

 

  3.1.3 试验温室南北方向气温分布

 

  图4 所示为2012 年12 月24 日-12 月25 日

 

  沿试验温室东西中心线南北方向气温分布情况，可以看出白天距北墙2、4 和6 m 处温度变化基本相同，其中距墙2 m 处平均气温为19.93℃，比距北墙4 和6 m 处分别低0.17 和0.10℃。覆盖保温被以后，前半夜距北墙2、4 和6 m 处平均气温分别为10.24、10.21 和10.01℃，距北墙6 m 处气温略低，这是由于北墙蓄积的热量在前半夜缓慢向温室释放，离北墙越近温度越高，同时与北墙及后坡相比，前坡的保温覆盖材料传热系数更大，再加上保温被并不能完全覆盖前坡，特别是在前坡与基墩结合处的部分区域塑料薄膜直接与外界环境接触，使得距离北墙越远的区域气温越低。

 

  后半夜系统供热，距北墙2 m 处气温为10.14℃，比距墙4 和6 m 处分别高出0.47 和0.68℃，温差比白天明显，但最大不超过0.93℃。由此可见，系统运行对温室南北方向温度梯度影响较小，室内气温分布比较均匀。

 

  注：2012 年12 月24 日至12 月25 日。

 

  Note: From Dec.24 to Dec.25, 2012.

 

  图4 试验温室南北方向气温变化曲线

 

  Fig.4 Indoor air temperature curves of the experimentalgreenhouse in south-north direction3.2 系统及组件性能分析

 

  3.2.1 热泵机组性能

 

  表2 为连续5 d 热泵机组运行时间及制热工

 

  况性能参数，可以看出热泵机组COPHp 值为

 

  4.38 ～ 5.17 ， 冷凝器侧出水温度为41.11 ～46.92℃，随着冷凝器侧出水温度的提高，热泵COPHp 值逐渐降低。传统水、地源热泵在制热工况下，当蒸发器的进水温度升高时蒸发温度升高，蒸发压力增大，制热量增加，但因此引起的压缩机输入功率的增加缓慢，COPHp 值增大；当蒸发器侧进水温度增大到一定数值后，进水温度对COPHp 值的影响减小[30-31]。12 月24 日－12 月27日连续3 d 热泵开启时间皆为2 h，蒸发器侧进水温度为23.94 ～ 27.74 ℃ ， 热泵机组制热量1.933×105～1.944×105 kJ，相差较少，且随着蒸发器侧进水温度的升高，热泵制热量逐渐增加，但小于能耗增加幅度，COPHp 值逐渐降低，这说明相对于蒸发器侧进水温度，冷凝器侧出水温度成为制约热泵COPHp 值的主要因素。因此，在冬季晴天及多云天气，主动蓄放热系统可以为热泵热源提供充足的热量，保证理想的热源温度。

 

  12 月25 日－12 月26 日白天平均太阳辐射量为305.65 W/m2，12 月26 日-12 月27 日白天平均太阳辐射量为196.11 W/m2，在13:00 开启热泵时蓄水池Ⅱ水温分别为29.73 和24.98℃，前者大于后者，冷凝器侧水温和冷凝温度升高，热泵机组COPHp 值前者低于后者。图5a 所示为12 月25 日热泵机组运行阶段瞬时COPHp,ins 值及蓄水池Ⅰ、Ⅱ水温随时间变化曲线。从13:00 起蓄水池Ⅰ、Ⅱ断开连通，蓄水池Ⅱ作为热泵热汇水温逐渐升高。蓄水池Ⅰ水温变化受多种因素影响，热泵启动时初始水温29.83℃，13:10 到达最大值30.28℃，此阶段主动蓄放热系统提供的热量大于热泵蒸发器侧吸收的热量，水温不断升高；13:10～14:00 热泵稳定运行，随着太阳辐射量由294.3 W/m2 逐渐下降到77.01 W/m2（如图5b），主动蓄放热系统提供的热量小于热泵蒸发器侧吸收的热量，水温下降至26.02℃；14:10 太阳辐射量突然增加至388.5 W/m2，之后蓄水池Ⅰ热量出入基本持平，水温变化不大。

 

  热泵机组启动电流大，能耗高，2 台压缩机启动具有时间间隔，因此在热泵开启后的10 min 内瞬时COPHp,ins 值较小，13:10 以后热泵运转正常，瞬时COPHp,ins 值随蓄水池Ⅱ水温的升高逐渐降低，受蓄水池I 水温变化影响较小。由此可见，在太阳辐射相对较弱的天气，热泵开启时蓄水池Ⅱ基础水温低，热泵COPHp 值大，系统节能效果更显著。

 

  3.2.2 主动蓄放热系统供回水温度变化

 

  图6 所示为2012 年12 月24 日主动蓄放热系统白天集热阶段供回水温度变化曲线，可以看出09:30之前室内气温较低，循环水吸收的太阳辐射能小于向室内空气释放的热量，回水温度小于供水温度；09:30以后主动蓄放热系统开始有效蓄热，随着太阳辐射量和室内气温的升高，供回水温差逐渐增加，12:00 供回水温差达到最大值1.28℃，此时太阳辐射量414.3 W/m2，室内气温26.45℃，供水温度24.17℃；由于水温的升高及太阳辐射量的降低，12:00～13:00供回水温差逐渐下降至1.16℃；13:00～15:00 热泵开启，供水温度逐渐下降，但随着太阳辐射量和室内气温的降低，供回水温差先略微上升然后逐渐下降至0.80℃；15:00～15:30 蓄水池I 供水温度回升，供回水温差继续降低。在整个集热阶段，供回水温差即主动蓄放热系统的集热功率主要取决于太阳辐射量，受室内气温与供水温度的制约，开启热泵可有效降低供水温度，在系统设计、施工时，将主动蓄放热系统循环水泵放于靠近热泵蒸发器侧出水口位置，降温效果更加明显。

 

  3.2.3 系统整体性能

 

  表3 所示为2012 年12 月22 日－12 月27 日白天集热阶段系统及其组件集热参数。12 月22 日－12 月23 日白天系统集热阶段室内平均气温为21.54℃，仅比12 月24 日－12 月25 日高1.02℃，太阳辐射也最为接近，但前者主动蓄放热系统的集热效率为5 d 中最高，后者为5 d 中最低，这是由于12 月22 日－12 月23 日蓄水池初始水温为14.17℃，12 月24 日－12 月25 日为19.33℃，分别为5 d 中循环水初始进水温度的最低和最高值，可见循环水温对主动蓄放热系统的集热效率影响很大，水温越低，集热效率越高。连续5 d 中，适时开启热泵将蓄水池Ⅰ中的热量泵至蓄水池Ⅱ，主动蓄放热系统集热阶段的循环水最高进水温度被控制在25.02～31.25℃，可将主动蓄放热系统的集热效率ηAct 提升至72.32%～83.62%，集热功率PAct为156.26～258.05 W/m2。

 

  系统耗能组件包括热泵机组和主动蓄放热系

 

  统循环泵，热泵机组在不同工况下输入功率不同，实测2 台循环水泵运行总功率为1 700 W。测得连续5 d 系统白天集热总耗电量为118.49 kW·h，蓄热总量2.39×106 kJ，整个系统的COPSys 值为5.59，节能效果显著。

 

  4 结论与讨论

 

  应用主动蓄放热-热泵联合加温系统提高日光温室夜间温度是可行的，应用热泵提升主动蓄放热系统集热效率，增加总体蓄热量是有效的，通过本试验研究，得出以下结论：

 

  1）冬季晴天或多云天气运行主动蓄放热-热泵联合加温系统，试验温室白天和夜间气温均大于对照温室，可提升夜间气温5.26～6.64℃。

 

  2）本试验条件下，连续5 d 热泵机组COPHp值为4.38～5.17，主动蓄放热系统可为热泵热源提供充足的热量，保证理想的热源温度，冷凝器侧出水温度成为影响热泵COPHp 值的主要因素，水温提升越高，COPHp 值越低。

 

  3）在日光温室特定的光热环境下，适时运行热泵机组1.5～3 h，可将主动蓄放热系统的集热效率提升至72.32%～83.62%，集热功率为156.26～258.05 W/m2，整个系统COPSys 值为5.59，节能效果显著。

 

  此外，主动蓄放热装置采用廉价材料，与传统水、地源热泵机组相比，本系统以太阳辐射能作为热源，无需打井或埋管，夜间通过主动蓄放热系统进行放热，也无需安装风机盘管等散热设备，因此这种做法大大降低了初投资费用及运行费用。为进一步节约能耗，在太阳辐射强烈的晴天也可单独采用主动蓄放热系统为温室加温；在连阴天和雪天，可连续运行热泵机组提升蓄水池水温，用作应急加热。该系统的应用研究刚刚开始，还处于试验的初级阶段，系统各组件参数配置、施工工艺还有待优化和完善，不同天气条件下的运行控制模式、加温效果、能耗以及经济性都会在后续的试验中加以分析和验证。