北京地区空气源热泵用于果蔬大棚的分析与研究

李丹+胡文举+李德英

摘 要：为开展果蔬大棚的对比测试，在试验大棚设置了空气源热泵-风机盘管系统，对比大棚保持原样，测试两个大棚内空气温度、土壤温度以及热泵机组性能参数。结果表明：未设置空气源热泵机组时，对比大棚内空气平均温度很低，平均温度只有13.5 ℃，远低于试验大棚的23.8 ℃，二者最低气温相差14 ℃左右；试验大棚的土壤温度也比对比大棚高4 ℃左右；试验大棚空气源热泵的平均COP在3左右，性能良好。

关键词：空气源热泵；塑料大棚；对比试验

中图分类号：TU822 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.09.018

Abstract： In order to carry out the contrast test of fruit and vegetable greenhouses， air source heat pump， fan coil system was arranged for an experimental greenhouse， and contrast greenhouse intact. The air temperature， soil temperature and heat pump unit performance parameters were tested. The results showed that when the air source heat pump unit was not set， the average temperature in the greenhouse was very low； the average temperature was only 13.5 ℃， far below the 23.8 ℃ in the experimental greenhouse. The soil temperature of the experimental greenhouse was higher than that of the greenhouse by about 4. The experimental greenhouse heat pump has good performance， the average COP was about 3.

Key words： air source heat pump； plastic greenhouse； contrast experiment

我國是农业大国，人口众多。随着人们生活水平的不断提高，现代社会对于一些粮食、花卉等农产品的需求量越来越大，这促进了温室大棚技术的发展。目前，伴随着我国经济的发展以及生活水平的提高，人们对反季节化、多样化、反地域化和超时令生产的植物蔬菜的需求越来越大[1]。但是，我国温室大棚技术发展缓慢，其中制约其发展的因素就包括温室大棚内的环境参数。在现代农业大棚的使用与普及过程中，一些问题亟待解决与科研攻关，其中最重要的一个问题就是如何保证温室内的温度与湿度，这与温室内植物的生长有直接关系[1]。

农作物的生长，一方面取决于农作物本身的遗传特性，另一方面取决于外界环境因素。只有在具有良好的遗传特性的前提下，同时具备适宜农作物生长的外界环境因素，农作物才能健康发育[2]。因此，为农作物创建适宜生长的环境条件就成为农作物健康生长的重要条件。空气源热泵是一种利用空气作为热源（冷源），既能供热又能制冷的高效节能环保型热泵系统。空气源热泵通过输入少量的高品位能源，即可实现能量从低温热源向高温热源的转移。在冬季，把空气中的热量“取”出来，提高温度后供给室内用于供暖；在夏季，把室内的热量“取”出来释放到空气中去[3]。因此，空气源热泵可实现在夏季大棚外温度高的情况下为室大棚供冷，在冬季大棚外温度较低的情况下为大棚内供暖，实现了为农作物创造生长必须的温度环境。

空气源热泵一般与地板辐射或者风机盘管相结合。但是，在大棚内，由于农作物一般种植在地上，若再敷设地暖所用的管道等设备，无疑会占用农作物生长空间，降低农作物产量。因此，为了更充分地利用大棚内有限的空间，同时还能为大棚内创造良好的环境，本试验采用空气源热泵与风机盘管结合的方式，利用空气源热泵加热空气到一定温度，送入大棚内，为大棚创造合适的温度环境。采用空气源热泵—风机盘管系统时，有两种运行方式：（1）大棚内温度达不到农作物生长要求时，空气源热泵和风机盘管同时运行，为大棚创造合适的温度环境；（2）当大棚内温度过高时，关闭空气源热泵，只运行风机，向大棚内送自然风，适当降温，同时为大棚内农作物提供生长需要的氧气和二氧化碳。

1 材料和方法

1.1 测试条件

1.1.1 测试对象 测试对象位于北京地区，为日光温室塑料膜大棚，东西走向。温室长度60 m，跨度8 m，脊高3.5 m，后墙高2.7 m。后墙采用内外表面为240 mm红砖，中间夹层为100 mm聚苯保温板的做法；前坡覆盖聚乙烯薄膜，厚度为0.1 mm，山墙采用红砖做法，厚度为240 mm。为了得到更好的试验结果，采用对比试验的方法，对照温室的结构、材料和建造时间均与试验温室相同，但是不采用空气源热泵机组进行供暖，仅依靠白天太阳辐射和大棚本身蓄热能力维持室内温度。试验期间，试验大棚和对比大棚都种植西红柿。西红柿为喜温性蔬菜，在正常条件下，生长适宜温度为22～30 ℃，同化作用最适宜温度20～25 ℃；温度低于15 ℃生长缓慢，且不能开花或授粉不良；5 ℃茎叶生长停止；1 ℃以下开始冻死；而且番茄不耐炎热，30 ℃以上呼吸消耗作用大于同化积累作用；35 ℃以上影响开花结果；40 ℃停止生长。

1.1.2 大棚供热系统 供暖系统的热源由两台空气源热泵并联组成，每台机组额定功率26 kW，额定制热输入功率为7.2 kW，最大输入功率为9.6 kW，最高出水温度为55 ℃。两台机组分别配置一台循环水泵，水泵额定流量为18 m3·h-1，额定扬程10 m，额定功率为1.2 kW，通过循环水泵，将空气源热泵机组生产的热水送到风机盘管，为大棚内提供热量，进行供暖。该供暖系统根据机组的回水温度控制机组启停，回水温度超过设定温度时，机组停止运行，回水温度低于设定温度时，机组开启；且可以通过控制风机盘管的水流量来调节大棚内温度。endprint

1.1.3 运行方法 一般情况下，温室大棚空气源热泵-风机盘管系统分为以下两种运行方法。

（1）冬季晴朗白天。在冬季的晴朗白天，由于太阳光辐射充足，围护结构对大棚内的保温作用，使得大棚内的温度可以达到较高温度（33 ℃以上），而过高温度不适合农作物生长。此时，关闭空气源热泵机组，只开启风机，向大棚内送新风降温，将大棚内温度保持在25 ℃左右。

（2）冬季夜晚或者连续阴天。在冬季的夜晚或者连续的阴天，大棚内温度会下降到一定程度（10 ℃以下），此时就要开启空气源热泵机组和循环水泵，向大棚内供暖，保持大棚内的温度，并且此时的热泵机组会采取自动控制模式，当大棚内温度达到设定温度时，反映到回水温度的信号会控制机组停止运行；当温度下降到设定温度下限时，机组开始运行。

1.2 测试方法

1.2.1 供热量 空气源热泵-风机盘管系统以热水作为热媒，用热水加热空气为大棚内供暖，其供热量可按式（1）计算[4]：

根据式（1），测量出水的流量和供回水温差就可以确定机组供热量。空气源热泵-风机盘管系统以热水为热媒，经过机组加热，供到风机盘管中，对空气进行加热。为了方便测量，给机组配备了JYRL-25型热量表。热量表每隔1 h记录1次数据，可以自动测量水的流量、供回水温度、瞬时热量以及总热量，并可随时查询数据。

1.2.2 耗电量测量 为了解机组的运行情况和能耗情况，为机组单独设置一台电表。采用W400型智能电量测量仪，每隔1 h记录1次。

1.2.3 温度测量 选用铜-康铜T型热电偶作为温度传感器测量室内外气温、供回水温度、进出风温度等，精度为±0.1 ℃。选用Agilent数据采集仪进行数据记录。其中，试验温室气温测点共有5个，分别布置于中轴线处，每隔15 m布置一个测点，测点距地面1.5 m。

2 结果与分析

2.1 大棚内温度比较

从表1可以看出，除了西瓜等少数农作物，大部分农作物的适宜生长温度都在30 ℃以下，所以将大棚内温度保持在25 ℃左右是合适的。试验大棚与对比大棚室内气温比较如图2所示。在连续6 d的测试中，试验大棚平均气温分别为23.8 ℃，明显高于对比大棚，温差为10 ℃左右；对比大棚气温最低值4.4 ℃时，试验大棚最低气温为18.4 ℃，温差为14 ℃。通过比较可知，系统加温效果显著。

从图2中可以看出：对比大棚的温度变化差异比较大，白天太阳辐射比较高，再加上围护结构对温室大棚的保温，对比大棚白天温度过高，高于30 ℃，有时甚至高于33 ℃，这已经不适合农作物生长了；而到了晚上，由于与天空的辐射作用，温度下降到10 ℃以下，有时甚至下降到5 ℃，这对大部分农作物的生长是不利的；而试验大棚温差相对比较稳定，白天温度过高时，向大棚内送室外冷风降温，晚上温度过低时，向大棚内送热风供暖，白天与晚上的温差保持在4 ℃以内，这为农作物提供了良好的生长条件。

2.2 土壤温度对比

从图3中可以看出，在下午的时候，土壤温度最高，在凌晨时，土壤温度最低。通过两个大棚的比较可以看出，没有设置空气源热泵机组的对比大棚，其土壤温度比较低，平均温度为11.8 ℃，在凌晨时最低温度降低至5 ℃左右，这样的温度容易影响根部的生长，甚至可能导致深部受冻伤，且从表1中可以看出，大部分农作物的根系适温最低都在20 ℃左右，至少为17 ℃以上，而对比大棚的土壤温度已经不适应农作物根系的正常需要了。而在设置了空气源热泵的试验大棚，其土壤温度就相对升高，平均温度达到16 ℃，即使在凌晨温度最低时也能达到14 ℃，比未设置空气源热泵的对比大棚的土壤温度更接近农作物根系适温，但是也没能完全达到要求，因此后续的研究就是通过优化控制机组参数，以同时满足大棚内室温和土壤温度的要求。

2.3 系统性能分析

在进行试验的6 d里，除去太阳辐射供热量，空气源热泵为试验大棚提供的总供热量为2.67×105 kJ，合计88.71 kWh。图4为试验期间机组每天COP变化。从图4可以看出，虽然室外温度波动较大，但是系统的日平均COP并不会出现太大波动，系统运行比较稳定。室外平均气温在0 ℃以下，系统COP基本保持在2.5以上，甚至能达到3或者以上。测试期间，室外湿度较低，并未出现严重的结霜情况。

3 结 论

采取对比试验的方式，在试验大棚里安装空气源热泵机组，白天送新风适当降温，晚上进行供暖，并与对比大棚相对比。结果表明：安装了空气源热泵的试验大棚，平均气温要比未安装空气源热泵对比大棚高10 ℃左右，夜间最低气温要比对比大棚高14 ℃左右，并且试验大棚白天和晚上温差较小；对比二者土壤温度，试验大棚土壤温度比对比大棚高5 ℃左右，平均温度达到14 ℃，后续工作的重点就是要同时满足大棚室温和土壤温度。测试期间，空气源热泵的COP保持在2.5以上，有时可以达到3，完全满足相关标准的要求，实用性和适用性都较好。

参考文献：

[1]果海凤.相变蓄热技术应用于温室大棚中的传热和节能特性研究[D].北京：北京工业大学，2008.

[2]刘峰.地源热泵和热管技术用于提高温室地温的研究[C]//中国农业机械学会.走中国特色农业机械化道路——中国农业机械学会2008年学术年会论文集（下册）.北京：中国农业机械学会，2008.

[3]苏伟，穆青，董继先，王彬权.太阳能与地源热泵联合温室大棚系统的设计[J]. 浙江农业学报，2015（2）：290-294.

[4]张帅，胡文举，李德英，等. 空气源热泵-散热器供暖系統用于北京地区某农村住宅的实测分析[J]. 暖通空调，2015（8）：80-83，79.

[5]彭月明，权志鹏. 地面辐射采暖应用于温室大棚的策略研究[J]. 吉林农业，2013（10）：48-49.endprint