基于空气源热泵的温室冬季加温效果分析

王 强 杨禹尧 夏礼如 鲍恩财 曹 凯 伍德林*

（1安徽农业大学工学院，安徽合肥 230036；2江苏省农业科学院农业设施与装备研究所，农业农村部长江中下游设施农业工程重点实验室，江苏南京 210014）

温室是指能控制或部分控制植物生长环境的建筑物，主要用于种植非季节性和非此地域的植物。国外温室最早起源于罗马（陈国辉 等，2004），在20世纪下叶开始大规模发展，目前日本、荷兰、美国的温室技术处于世界领先行列（申泰雄 等，1999；温祥珍，1999；彭靖里 等，2001），这些国家研究起步较早，对温室环境的综合控制技术较成熟。我国在20世纪70年代末才开始引进先进技术发展温室，80年代才相继出现了塑料大棚和日光温室，90年代开始我国温室逐步规模化、产业化（张晓文，2006）。温室加温技术能够有效调控温室内的温湿度，为蔬菜作物生长所需环境条件提供保障。现阶段我国温室主要加热方式为热水采暖、热风加温、电热采暖和火道加温等（盛国成，2006；王顺生 等，2007）。这些传统加温方式耗能较大，排放的尾气中含有大量的CO2、CO、SO2、NOx等有害气体，对环境污染严重（王建辉 等，2014）。

随着温室效应导致的全球变暖，节能减排一直是我国关注的重点，开发新能源和提高能源利用率等各种技术受到前所未有的重视。随着国家“煤改电”政策的推进和环保政策的收紧，传统的燃煤锅炉设备正在被淘汰。热泵是能从自然界的空气、水或土壤中获取低位热能，经过电能做功，提供可被人们所用的高位热能的装置，具有节能环保、供热稳定等优点，且耗能较低，是近年来在全世界倍受关注的新能源技术。

热泵根据所利用热源的不同主要分为水源热泵、空气源热泵和土壤源热泵三大类。国外学者将热泵应用到温室中较早，Marsh和Singh（1994）采用生命周期成本分析法（life cycle costing，LCC），分析了以矿井中的恒温空气为热源的空气源热泵对温室进行加温的可行性；Bot等（2005）分析了热泵夏季储热为冬季供热的温室节能模式，理论节能率超过60%；Ozgener和Hepbasli（2005）测试得到土壤源热泵对温室供热的性能系数（coefficient of performance，COP）为2.13（多云天）～2.84（晴天）；Yang和Rhee（2013）通过空气源热泵对温室进行冬季加温、夏季降温，节能效果显著。热泵蓄热的COP一般都在2以上，避免了环境污染，节能效果显著，但该系统结构复杂，初始投资较高，系统性能的可靠性、稳定性有待于进一步验证；热泵蓄热结合其他蓄热方式应用较单一应用的效果会有所提高，在冬季供暖中具有良好的应用前景，如何进一步合理利用、合理配置温室地源热泵系统，完善相关技术，降低其建设费用、运行能耗和费用，将是今后重点研究解决的问题。

进入21世纪，国内学者开始探索热泵在日光温室上的应用，柴立龙等（2010）在北京地区日光温室利用以地下水为热源的热泵系统进行了加温试验研究，结果表明热泵的COP为3.83，与燃煤锅炉相比节能42%。孙维拓等（2013）设计了一套日光温室水循环主动蓄放热与热泵联合加温系统，热泵机组提供热源为主动蓄放热系统，结果表明试验温室夜间气温比对照温室升高5.26～6.64 ℃，系统集热效率达到了72.32%～83.62%，机组COP值为5.59，若只使用热泵制热的COP在4.38～5.17之间。王建辉等（2014）在河北省石家庄市某农业高科技园区蔬菜基地2号温室采用地源热泵机组进行加温处理，得出地源热泵加温系统平均COP为5.83，节能效果显著，热泵加温后夜间室内气温和地温稳定在10 ℃以上，可以满足冬季蔬菜生长要求。柴立龙等（2008）采用地源热泵系统对温室进行降温处理，结果表明制冷COP平均值达到3.01，具有明显的降温和除湿效果。不同类型的热泵在不同工况环境下供热与制冷性能系数会有很大差别，温室供热则需根据不同的地理位置和条件选择适合的热泵进行供热与制冷，但在保证供热制冷指标和效果的前提下，因地制宜的发展热泵技术，尽最大可能减小能耗，达到节能要求，才是符合中国国情的发展目标（陈冰，2011）。

空气源热泵是以空气作为冬季热源和夏季冷源向温室供热降温的系统，它不受气候影响，一年四季均可使用，而且系统初始投资较低，具有节能环保的优点，在民用建筑上应用较为广泛，但在温室蔬菜生产上的应用研究还处于初级阶段。孙维拓等（2015）设计了一套日光温室空气余热热泵加温系统，系统白天适时工作，将日光温室内多余的空气热能吸收到蓄热水池中；夜间室内温度较低时，风机和水泵开始工作，当蓄热水池水温降到一定温度后，热泵系统反向运行放热；试验温室白天平均气温比对照温室降低了3.7～5.2 ℃，相对湿度降低了12.3%～16.5%；夜间平均气温提高了2.8～4.4 ℃，相对湿度降低了8.0%～11.5%。孙先鹏等（2016）在西安地区采用太阳能联合空气源热泵供热系统为日光温室供热，选取冬季6～10 ℃的气温条件下对热泵系统进行测试研究，结果表明在低温条件下，热泵单独供热时系统的COP为2.09～2.45，太阳能联合空气源热泵供热时系统的COP为3.45～5.56。孙先鹏等（2015）还在西安地区进行了太阳能联合空气源热泵供热系统对比试验，结果表明单独使用空气源热泵时系统的COP在2.2～3.5之间；太阳能联合空气源热泵供热时，系统的COP为2.9～6.0，空气源热泵节能效果显著。

空气源热泵的性能会随室外气候变化而变化，特别是冬季运行易结霜导致机组效率降低，我国长江中下游及以南地区温度普遍较高，空气源热泵不易结霜，因此有很好的应用前景（张昌，2008）。空气源热泵的送、回风管道的排布方式直接影响热泵的使用效率和制热效果，本试验设计基于空气源热泵的连栋薄膜温室冬季加温系统，通过管道送风对温室进行冬季加温，测试室内热环境，以期为空气源热泵在温室上的应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验温室

供试温室位于江苏省苏州市张家港市常阴沙农场（31°43′N，120°52′E），为圆弧形连栋薄膜温室结构，屋脊为南北走向，东西单个跨度为8.0 m，共12跨，南北单个开间为4.0 m，共10个开间，肩高3.0 m，脊高5.0 m。选取供试温室北侧中部2跨2开间作为试验温室，并在试验温室西侧选取同等尺寸作为对照温室，均采用聚乙烯薄膜（polyethylene，PE）进行全封闭（图1）。

1.2 热泵加温系统

空气源热泵机组（广东菲拉利空调设备有限公司生产）型号为AWRZ120S-ZD-WS，额定输入功率为14.2 kW，额定电流为27.3 A，制冷剂为R410a，制冷输出功率为35 kW，制热输出功率为38 kW，排湿量为30 kg·h-1。

图1 试验温室

试验过程中，热泵供热为风管送风式，空气源热泵安装在试验温室外侧东部，送、回风管道分别连通空气源热泵对应的送风口和回风口。两根送风管道连接空气源热泵，然后靠温室北侧通往温室东西中央线处，两根回风管道安置在东、西侧温室壁距地面3.0 m处（肩高位置），送、回风管道外径均为400 mm、壁厚12.3 mm，材质为聚氯乙烯（polyvinyl chloride pipe，PVC），每根管道上开设小孔，小孔直径100 mm，间距600 mm，开孔角度分别为斜向下45°和斜向上45°间隔布置。

1.3 试验方法

2018年12月25日至2019年2月28日对试验温室中空气源热泵加温系统的加温效果进行数据采集。其中试验温室温湿度测点4个，分别布置于温室几何中心处地上1.5 m处、东西管道中部风口各1处、中部管道出风口1处（管道中的温湿度测点用来测量进出风口温差使用，几何中心处用来测量温室的温湿度）；对照温室温湿度测点位于温室几何中心处地上1.5 m处；室外温湿度测点位于距地面1.5 m高处。土壤温度测点分别布置于试验温室与对照温室几何中心处及试验温室西部边际中部，土壤深度分别为距离地表以下10、20、30、40、50、60 cm。风速仪分别放置在送、回风管道中部风口处测量风速。太阳总辐射测点分别放置在试验温室和对照温室中部距地面1.5 m高处。室外环境数据测点布置在距试验温室正西方10 m处的空旷场地，温湿度测点和太阳总辐射测点的水平高度均与温室内测点一致（图2、3）。

图2 试验温室平面图

图3 试验温室剖面图

室内外温湿度采用HOBO UX100-011温湿度数据记录器（温度测量范围：-40～70 ℃，测量精度：±0.21℃；湿度测量范围：0～100%，测量精度：±2.5%）测量；土壤温度采用T型热电偶温度传感器〔合柔（上海）电线电缆有限公司生产，测量精度：±0.2 ℃〕测量；光辐射照度采用荷兰Kipp &Zonen公司生产的CMP3太阳总辐射传感器（温度测量范围：40～80 ℃；湿度测量范围：0～100%）测量。T型热电偶温度传感器、光辐射照度传感器均使用LoggerNet软件配合CR1000数据采集仪（美国Campbell公司生产）进行数据记录。上述仪器自动记录数据的时间间隔均为30 min。风速采用testo425热敏风速仪〔德国Testo公司生产，测量精度：风速±（0.03 m·s-1+5%测量值）；分辨率：0.01 m·s-1〕进行测量和记录。

1.4 节能效果与COP计算

试验过程中，选取天气晴好、空气源热泵运行稳定的一天（2019年1月24日）对空气源热泵供热系统实际加热效果进行测量，空气源热泵24 h工作自动调节。凌晨0：00开始记录数据，每次测量时间间隔为10 min。记录试验温室内外温差以及与对照温室的温差，观察并记录电表读数。对照温室采用市网集中供暖，记录0：00～24：00的室内外温差。分别计算试验温室和对照温室的总能耗，折合为标准煤后进行节能效果比较。

空气源热泵的COP值表示系统的加热性能，COP值越大则节能效果越好，其计算公式为：

式中：COP为空气源热泵实际加热系数；Qact为主动蓄热循环系统的换热量；vτ为τ时段风道内空气流速；A为风道截面面积；Vin、Vout分别为τ时段进、出口空气的比容；Hin、Hout分别为τ时段进、出口空气的焓值；tτ为测试期间记录数据的时间间隔，即600 s；P为空气源热泵系统总输入功率。Hin、Hout、Vin、Vout由文献（马承伟和苗香雯，2005）计算得来。

节能率计算（王吉庆和张百良，2005）：在计算空气源热泵与传统燃煤锅炉加温相比的节能率时，可以将空气源热泵加温所用的耗电量换算为标准煤；根据空气源热泵加温所获得的热量换算为采用燃煤锅炉加温所需的标准煤，再将两者进行比较。

温室获得的热量Qact若为燃煤锅炉获得，则用燃煤锅炉时消耗的标准煤计算，公式为：

式中，QH为标准煤的热值，取29 260 kJ ·kg-1；ηg为燃煤锅炉效率，取0.7；ηgm为管网输送效率，取0.95。

温室加热消耗的电量W转换为标准煤，计算公式为：

式中，QH为标准煤的热值，取29 260 kJ ·kg-1；ηd为火力发电厂的发电效率，取0.35；ηp为输配电效率，取0.95。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel 2007软件进行数据分析及做图。

2 结果与分析

2019年1月24～29日连续6 d天气晴好，空气源热泵运行稳定，选取这一时间段的数据为代表进行分析。

2.1 空气源热泵对温室内温湿度的影响

图4为1月25日典型晴天的监测结果：8：00～18：00试验温室的室温在17.70～34.10℃之间变化，平均室温为24.68 ℃，比对照温室（7.30～26.14 ℃）和室外（5.49～12.87 ℃）的平均温度分别提高了6.22 ℃和13.93 ℃，说明空气源热泵的增温效果明显。

图4 日光温室采用空气源热泵加热处理的单日温度变化（2019年1月25日）

图5为2019年1月24～29日的监测结果：试验温室6 d平均室温白天为23.09 ℃，比对照温室（16.14 ℃）和室外（9.08 ℃）分别提高了6.95 ℃和14.01 ℃；夜间为8.68 ℃，比对照温室（4.69 ℃）和室外（3.56 ℃）分别提高了3.99 ℃和5.12 ℃，说明空气源热泵的增温效果持续稳定。

图6为温室内外相对湿度的变化情况，因对照温室有塑料薄膜覆盖，温室内的相对湿度要高于室外，试验温室在开启空气源热泵的作用下，相对湿度与室外和对照温室相比均有明显的下降。连续晴天条件下，试验温室内白天相对湿度平均为47.45%，比对照温室（66.01%）和室外（61.76%）分别降低了18.56、14.31个百分点；夜间相对湿度平均为70.02%，比对照温室（88.77%）和室外（74.03%）分别降低了18.75、4.01个百分点。

图5 日光温室采用空气源热泵加热处理的6 d温度变化（2019年1月24～29日）

图6 日光温室采用空气源热泵加热处理的6 d湿度变化（2019年1月24～29日）

2.2 空气源热泵对温室内土壤温度的影响

试验温室、对照温室及室外土壤温度的变化趋势基本一致，均随着土层深度的增加波动幅度变小。选取土层深度10、30、50 cm的温度数据为代表进行分析。

由图7可见，试验温室50 cm土壤6 d平均白天温度为14.88 ℃，比对照温室（12.31 ℃）和室外（12.02 ℃）分别提高了2.57 ℃和2.86 ℃；夜间温度为14.13 ℃，比对照温室（11.84℃）和室外（11.60℃）分别提高了2.29 ℃和2.53 ℃。

由图8可见，试验温室30 cm土壤6 d平均白天温度为15.67 ℃，比对照温室（14.49 ℃）和室外（13.65 ℃）分别提高了1.18 ℃和2.02 ℃；夜间温度为12.25 ℃，比对照温室（11.01 ℃）和室外（10.63℃）分别提高了1.24 ℃和1.62 ℃。

图7 日光温室采用空气源热泵加热处理的50 cm土壤温度变化（2019年1月24～29日）

图8 日光温室采用空气源热泵加热处理的30 cm土壤温度变化（2019年1月24～29日）

由图9可见，试验温室10 cm土壤6 d平均白天温度为14.86 ℃，比对照温室（14.06 ℃）和室外（12.81 ℃）分别提高了0.80 ℃和2.05 ℃；夜间温度为12.14 ℃，比对照温室（10.84 ℃）和室外（10.27 ℃）分别提高了1.30 ℃和1.87 ℃。

图9 日光温室采用空气源热泵加热处理的10 cm土壤温度变化（2019年1月24～29日）

综上可以看出，土层越深，室外和对照温室土壤温度差异越小，50 cm土层仅相差0.24～0.29℃，而10 cm土层相差0.57～1.25 ℃；采用空气源热泵加热处理，50 cm土层土壤温度可以提高2.5℃左右，10～30 cm土层可以提高2.0 ℃左右。

2.3 节能效果

2019年1月24日天气晴好，空气源热泵运行稳定，试验温室内外温差10.1～17.2 ℃，电表读数日均耗电量212.5 kWh，空气源热泵的COP值为1.76，与对照温室相比节能23.4%，节能效果显著。

3 结论与讨论

本试验结果表明，测试期间空气源热泵系统运行稳定，平均COP值为1.76，与传统燃煤锅炉加热相比节能23.4%，节能效果明显。连续晴天条件下，采用空气源热泵加温，温室白天平均温度可达23.09 ℃，夜间8.68 ℃，比对照温室分别提高6.95℃和3.99 ℃，可以满足蔬菜作物越冬生产，但增温效果不够稳定。空气源热泵系统同其他加温措施相比各有优劣，由于空气能是分散能源，故加热速度慢，热效率不是很高；另外，空气源热泵容易出现结霜问题，受地域限制。因此，空气源热泵在我国中南部地区的应用前景较为良好。

连续晴天条件下，试验温室白天的相对湿度比对照温室降低18.56个百分点，夜间降低18.75个百分点，说明空气源热泵具有良好的除湿性。由于用管道进行加温和除湿，温室内的湿度与温度存在着某种关系相互制约，对于如何平衡温室内的加温与除湿有待进一步研究。

本试验中，连续晴天条件下，50 cm土层的土壤温度变化较为平稳，土层越浅土壤温度波动幅度越大。土壤在温室中具有一定的蓄热性，可以将白天的多余热量储存到夜间进行释放。充分利用土壤的蓄热性能对温室进行加温、降温可以作为今后的研究方向。张家港地区位于长江边，拥有丰富的地下水资源，降雨量充沛。试验过程中土壤测温挖深时在50 cm处有少量地下水溢出，可见地下水位较高。富水土壤对管道的换热效果有促进作用，接下来的研究可以考虑将地中热交换系统加入到温室中来提高室内夜间温度等。