基于太阳能-空气能双能源温室加温的试验平台设计及节能效益分析

张东凤， 刘永华， 钟 兴， 赵梦龙

(江苏农林职业技术学院，江苏句容 212400)

目前，我国设施农业获得长足的发展，2014年全国温室面积达207.97万hm2，比2013年增加8.47万hm2，同比增长4.25%。其中连栋温室4.05万hm2，日光温室69.66万hm2，塑料大棚132.13万hm2。温室在大力发展的同时也面临着生产成本上升、效益下滑等问题，其中，冬季温室加温所需的能源成本就是导致设施生产成本上升的一个关键因素[1]。目前在温室加温的能源研究上有单独电加热、煤炭加热、柴油、地热泵等各种形式，但是这种单一的传统能源消耗，带来了酸雨雾霾、温室效应等环境问题，而新型的太阳能-空气能的温室加温系统，实现了对空气太阳能2种可再生能源的综合利用，对于减少化石能源消耗，改善人类生态居住环境有非常重要的意义[2]。近年的中央文件1号文件、以及国家“十三五”规划都明确提出要大力推进农业现代化，特别提出要走高效、资源节约、环境友好的农业现代化道路，本试验研究对于温室生产降低能耗，实现节能减排、绿色低耗生产具有较强的指导意义。

1 太阳能-空气能双能源加温系统试验平台的设计

本研究以江苏省句容市江苏农林职业技术学院机电办公楼顶上的微型温室为载体，采用太阳能-空气能加热装置加温并进行试验平台设计，进一步验证在玻璃温室中采用太阳能-空气能双能源加温与单一的太阳能加温、电加热加温相比有何优越性。该微型温室跨度4 m，采用一跨一(尖顶)屋面；屋面倾斜角22°46′；屋脊走向为南北向(南北向排开间)；宽4 m，长6 m；总面积：4 m×6 m=24 m2；肩高 2.1 m，顶高2.94 m 。温室四周及顶部全部采用德国拜尔质5 mm+6 mm+5 mm阳光板覆盖，嵌镀使用专用铝合金型材，以密封胶密封。

太阳能-空气能双能源温室加热系统通过太阳能加热回路和空气能加热回路进行蓄热介质水的加热，加热后的水储存在太阳能加热回路和空气能加热回路共用的保温水箱中，之后由温室加温回路进行加热。该系统工作原理如图1所示。

1.1 太阳能集热器模块设计

1.1.1 太阳能集热器定位 太阳能集热器倾角θ指的是太阳能集热器表面与水平面之间的夹角，根据太阳能集热器安装要求，太阳能集热器最理想的安装角度大约为当地纬度角，江苏句容的纬度角为31.95°，因此太阳能集热器安装倾角θ为31.95°。

1.1.2 太阳能集热器面积计算[3]

(1)

式中：Ac为直接加热系统太阳能集热器总面积，m2；QW为日均热水用量，kg；CW为水的定额比热容，4.2×103J/(kg·℃)；Tend为储热水箱内的终止温度或者设计温度，℃；Tf为水的初始温度，℃；JT为当地太阳能即热器采光面上的年均日辐照量，kJ/m2；f为太阳能保证率；ηcd为太阳能集热器年平均集热效率；ηi为储热水箱及管路的热损失率。

此温室系统主要由太阳能和空气能联合供热，空气能热泵作为系统主要设备，在夜间、阴雨天气太阳能集热器集热不能满足温室热量需求时，均开启空气能热源泵进行加热，因此，试验平台设计中太阳能集热器面积不按照公式(1)进行计算，同时考虑到投资成本和试验场所所限，本系统采用是采用2组50根直径58 mm、长1 800 mm全玻璃真空管太阳能热水器，集热面积8 m2。

1.1.3 太阳能集热器的连接 太阳能集热系统是由多块集热器连接构成一个太阳能集热器阵列，集热器连接方式对集热系统中各个集热器的流量分配和换热均有影响，为保证太阳能集热系统的高效运行，系统设计须关注集热器阵列的连接组合方式。集热器的连接方式主要有3种：串联、并联和混联[3]，本试验平台系统采用串联方式如图2所示，将2台集热器的出、入水口相连进行集热。

1.1.4 太阳能集热器系统工作方式及换热方式 太阳能集热系统的工作方式包括自然循环方式和强制循环方式；本系统为更好地利用太阳热能，利用RS-15/6水泵提供动力进行强制循环方式对储热水箱中的水进行加热。

1.2 空气能热组设计

空气热泵是通过热媒在吸热装置内气化吸收空气或其他低温源中的热量(低品位热能)，通过少量电能驱动压缩机把热媒压缩成高温气体(高品位热能)进入放热装置内，把吸收的热能及本身所用电能转变的热能释放到水中，把水不断加热，热媒放热后变成液体又回到吸热装置，周而复始循环工作。

1.2.1 机组能力计算 试验中设定微型温室内晚上21：00点至次日上午07：00的温度为15 ℃，根据温室热量散失计算需要空气热泵机组大小。温室热量散失，一般需要考虑以下几个方面：(1)温室材料传导和辐射所散失的热量；(2)温室各处缝隙的空气流通所散失的热量；(3)通风换气所消耗的热量；(4)室内水分蒸发所消耗的热量；(5)作物生长所消耗的热量等。其中，温室材料传导和辐射所散失的热量Qs为主，由公式Qs=K·S·t·ΔT进行计算。式中：K为温室材料传热系数，W/(m2·K)；S为材料表面积，m2；t为时间，s；ΔT为温室内外温度差，K。

另外，考虑到材料导热以外的热量损失，将总的热量散失修正为Q=α·Qs，α为修正系数；本试验中取α为2；K为温室材料传热系数，3.72 W/(m2·K)；S为材料表面积，72 m2；ΔT为温室内外温度差，为15 K。

可计算得出供热设备功率为：

P=2·Qs/t=2×3.72 W/(m2·K)×72 m2×15 K=8 035.2 W。

据此数据，并参考空气能热泵设备参数，选择KFXRS-9.0IH型号的机组(图3)。

1.3 储热水箱设计

储热水箱容积应根据温室热量需求、集热系统供热能力和运行规律、系统太阳能保证率、加热特性和自动控制循环温度等因素来确定。

每小时供给温室的热量为：

Q=α·Qs=2×3.72 W/(m2·K)×72 m2×3 600 s×15 K=28 926.72(kJ)。

根据温室面积大小及试验场地实际情况，供水温度为 65 ℃，回水温度为40 ℃摄氏度，根据公式Q=C·M·ΔT，式中C为水的比热容，计算出每个小时供水量为：

M=Q/(C·ΔT)=28 926.72 kJ/[4.2 kJ/(kg·K)×25 K]=275(kg)；

V=m/ρ=275 kg/1 kg/m3=275(m3)。

假定1 h水箱内的水大约循环供热1次，选取较为接近规格的储热水箱容量为300 L(图4)。蓄热水箱由内胆、保温层和外壳组成，内胆用sus304不锈钢焊接而成，具有较高的耐腐蚀性，防污染性；芯层为聚氨醋整体发泡的保温材料；外壳用较薄的不锈钢板制成，主要起到保护保温层和美观的作用。

1.4 温室散热系统设计

温室散热系统常用地面辐射板、顶棚辐射板、风机盘管、散热器(放热管或暖气片)，现代温室多采用圆翼形散热器。本试验平台中散热系统设计主要考虑到试验温室面积较小，容易快速加热，因此使用FP-85W的风机盘管作为散热装置(图5)。其原理主要靠风机的强制作用，使空气通过加热器表面时被加热，强化了散热器与空气间的对流换热器，能够迅速加热房间的空气。

1.5 控制系统设计

为最大限度合理利用太阳能和空气能，开发设计了基于PLC的太阳能-空气能双能源温室加温控制系统，系统包括硬件设计和软件设计。

1.5.1 硬件设计 温室用太阳能-空气能双能源加温系统的控制系统硬件主要包括：PLC可编程控制器、储热水箱内温度传感(HS-102)、太阳能加热循环泵(RS-15/6)、真空集热管顶端温度传感器(HS-102)、温室加热循环泵(RS-25/6)、温室内温度传感(HS-102)、风机盘管、温室外部光照传感器(ZD-H-AT)等。根据系统所需I/O点数、可编程控制器的可存储量、响应速度，以及特殊功能扩展等要求，本系统选用三菱FX1N系列FX1N-24MR-001作为核心控制器。

1.5.2 软件设计 温室用太阳能-空气能双能源加温系统由集热回路和供热回路组成。为保证在不同天气情况下系统可靠运行，其温室加热控制策略为：蓄热过程：在白天晴天状态下，当光照传感器监测光照度大于20 000 lx，且太阳能集热管上端温室传感器监测水温高于40 ℃时，控制器开启太阳能集热器循环水泵，对蓄热介质水进行循环加热，保存到储热水箱中，否则关闭；在白天阴天或夜晚状态下，当保温水箱温度低于控制器设置温度时，控制器控制空气能热泵进行蓄热介质水加热。温室加热过程为当温室内空气温度低于控制器设置的温度时，控制器控制温室加热循环水泵工作，进行温室加热[4]。

针对以上控制策略，采用三菱GX-DEVELOPER编程软件的梯形图语言进行编写，流程如图6所示。

2 太阳能空气能系统装置的试验节能效益分析

2.1 试验平台概况

该试验平台装置主要包括2组50根直径58 mm、长 1 800 mm 太阳能集热模块、KFXRS-9.0IH空气能辅热机组、300 L集热水箱、FP-85W制热风机盘管、FX1N-24MR-001核心控制器、RS-15/6太阳能循环水泵、RS-25/6温室热水循环水泵、温度传感器、光照传感器、普通温度计、单相电子式电能表及其他辅助材料[5]。微型温室太阳能-空气能双能源加温系统试验平台如图7所示。

2.2 测试装置与测量参数

试验中主要涉及到温度采集、太阳辐照量采集、用电度数采集等。通过温度传感器采集实时温度数据，直接读取，另外辅助普通温度计(量程：-30～150 ℃；准确度：±0.2 ℃分辨率：0.1 ℃)获取温度值[3]；采用单相电子式电能表(参比电压：220 V，电流规格1.5(6)A，额定频率50 Hz，准确度2级)获取消耗电量值。主要测量参数包括：室外太阳辐照量、温室每天24 h消耗的电量、储热水箱水温、室外环境温度、温室温度。

2.3 系统效益评价

2.3.1 不同系统节能效益比较 本试验平台在2016年12月份利用太阳能-空气能双能源、空气能，电加热3种加温系统给微型温室单独进行加热，晚上温室内温度控制在15 ℃左右[6]。3种系统单独给微型温室进行加温消耗电量的部分数据见表1。另外，以3种系统每天单独给温室加温形成的耗电量平均值为纵坐标，形成3种系统单独加温消耗电量的柱状图(图8)。

表1 2016年12月温室系统加热系统耗电量数据采集记录

注：记录天气都是晴天，室外温度、太阳辐照量等都相差不大，忽略其他因素，直接以记录消耗的的电量作为衡量的参数进行节能效益比较。

通过分析所记录的数据，给微型温室单独采用太阳能-空气能双能源加温系统比单独采用空气能加温系统平均节省电量1.77 kW·h/d，比单独采用电加热加温系统平均节省电量5.54 kW·h/d。由此可见在温室上采用太阳能-空气能双能源加温系统可以节约能耗，比单独电加热加温系统节约10%以上的能耗。

3 结语

本研究提出了基于太阳能-空气能双能源加温的新型可再生能源系统，该系统采用基于PLC可编程控制器进行系统控制，最大限度合理利用太阳能和空气能，节约常规能源。同时建立微型温室加温系统试验平台，进一步对该系统进行节能效益分析，为该系统在现代温室的广泛应用提供一定参考。

[1]徐 茂，邓 蓉. 国内外设施农业发展的比较[J]. 北京农学院学报，2014，29(2)：74-78.

[2]刘 寅. 太阳能-空气复合热源热泵系统性能研究[D]. 西安：西安建筑科技大学，2010：12-13.

[3]陈华山. 温室太阳能与锅炉联合供热系统的研究[D]. 昆明：昆明理工大学，2013：38-52.

[4]赵梦龙，张东凤，董燕红. 太阳能-空气能双热源温室加热控制系统设计[J]. 科技创新与应用，2016(34)：76-77.

[5]陈 冰，罗小林，毕方琳，等. 温室太阳能与空气源热泵联合加温系统的试验[J]. 中国农业科技导报，2011，13(1)：55-59.

[6]赵建伟，杨 帆，戚 磊. 太阳能室温调节系统的研究[J]. 山西电子技术，2016(3)：80-82.