外保温塑料大棚表冷器-风机集放热系统性能分析

2020-10-29宋卫堂王平智王秀芝

农业机械学报 2020年10期

李明耿若宋卫堂王平智李涵王秀芝

(1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083； 2.农业农村部设施农业工程重点实验室，北京 100083；3.赤峰市农牧科学研究院，赤峰 024000)

0 引言

我国北方冬季气候寒冷，设施蔬菜生产易受低温冷害的影响[1]。在冬季夜间进行适当加温是确保设施蔬菜正常生长的重要手段。目前，传统的加温手段，如热风加热、热水加热等，依靠煤炭、石油等化石能源提供热量，均存在加温成本高、环境污染严重等问题，不适于园艺设施的夜间加温[2-4]。因此，利用太阳能、地热能、生物质能、空气热能等可再生能源进行夜间加温的节能技术获得了快速发展。

空气热能是指高温空气所蕴含的能量。受温室效应的影响，温室在晴天日间的室内空气温度较高，蕴含丰富的空气热能，可用于夜间加温[5-6]。根据储热介质的不同，现有空气热能利用技术可归纳为地中热交换系统、卵石床热交换系统和基于水蓄热的空气余热集放热系统。地中热交换系统由风机和埋设在地下的换热管构成，可在日间将室内热空气引入地下土壤，并将部分空气余热储存在土壤中，用于夜间放热、提高室内气温[7]。一些学者研究了地中热交换系统，进行了参数设计、效果应用、模型仿真等方面的研究[8-13]。卵石床热交换系统结构和运行模式与地中热交换系统相似。文献[14]针对一栋15 m2的塑料大棚设计了四周隔热的卵石床换热系统，该系统可将室内气温保持在10℃以上。文献[15]利用埋置于地下的卵石床储蓄空气热能，在夜间通过对流换热提取热量，并在冠层水平放热，通过测试发现，该系统可将日间气温降低1.9℃，将夜间温度提高3.0℃。文献[16]使用卵石床换热系统和蓄热水袋可将温室晴天、阴天夜间温度分别提高3～5℃和2～3℃。基于水蓄热的空气余热集放热系统是近年发展起来的一种主动式集放热技术。该系统利用热泵系统或表冷器-风机收集空气余热，将其转移到水中储存，用于夜间放热，具有较高的热交换效率。国内外学者基于此原理，设计了不同类型的空气余热利用系统，并进行了热力学模型、性能及应用效果等方面的研究[17-20]。

外保温大棚是在大跨度塑料大棚的基础上覆盖保温被，其优点是内部空间大、土地利用率高、成本低、适于机械作业。近年来，种植户多选择外保温塑料大棚来替代日光温室[21]。但外保温大棚室内气温较低，容易出现夜间室内气温过低现象，对作物造成低温胁迫[22-24]。根据前期测试结果，东西向外保温大棚日间具有较高的室内气温，蕴含有丰富的空气热能，可用于调节夜间室内气温。但大量热能在日间通过通风流失到室外，未得到有效利用。

针对上述问题，本文设计一种包含表冷器-风机、蓄水池、水泵等部件的空气余热集放热系统(以下称为表冷器-风机集放热系统，Thermal collecting and releasing system developed with fan-coil units，简称TSFU系统)。该系统通过表冷器-风机收集大棚日间热空气的能量，并储存在蓄水池内，用于改善夜间室内气温。本文旨在研究该系统应用于外保温大棚的集放热性能，构建TSFU系统蓄水池温度模型，并分析表冷器、蓄水池体积等因素对TSFU系统集放热性能的影响，为进一步优化TSFU系统集放热性能提供参考。

1 材料与方法

1.1 外保温试验大棚

试验用外保温大棚位于内蒙古自治区宁城县大城子镇(118.9°E，41.7°N)，东西走向，东西长140 m、脊高4.5 m。试验大棚山墙采用黏土砖建造，南侧和北侧屋面均为曲面，在水平地面的投影宽度分别为8 m和6 m。屋面覆盖塑料薄膜和保温被(草苫+太空棉)。大棚屋脊下方设有两排间距为2 m的立柱，每排立柱的间距为2.6 m。利用塑料薄膜将试验大棚从中间隔开，西侧作为试验区，东侧作为对照区，试验区和对照区的栽培管理模式完全一致。试验期间，大棚南面种植番茄，北面未种植作物，采用滴灌灌溉。北侧屋面保温被始终保持闭合状态，以减少大棚屋面散热。南侧屋面保温被揭开和闭合时段分别为08:30—09:30和16:00—16:30。当室内气温较高时，打开南侧屋面顶部的通风口进行自然通风。

1.2 TSFU系统结构与运行模式

TSFU系统由表冷器-风机、蓄热水池、潜水泵和循环管路组成。该系统包含15台表冷器-风机，按4.0 m的间隔吊挂在屋脊下方。每台表冷器-风机换热面积为42 m2，包含两台扇叶直径0.4 m、输入功率120 W的风机。蓄热水池位于大棚西北侧，有效容积为31 m3，蓄水池内水的体积为26 m3。WQ15-20-2.2型潜水泵功率为2.2 kW，扬程为20 m，安装在蓄热水池内。上述各构件通过直径为50 mm的PVC管、以同程进水和出水的方式连接在一起。

在日间，当室内气温(Tin)达到20～22℃，且比水温(Tw)高4℃时，TSFU系统启动，潜水泵和风机同时运行，驱动蓄水池中的水流经表冷器-风机，并吸收大棚内空气中热量，然后再返回蓄水池中，将收集的空气热能储存在蓄水池中；当Tin低于20℃，或Tin-Tw小于4℃时，系统关闭，停止集热。在夜间，当Tin低于10℃，且Tw-Tin低于4℃时，TSFU系统启动，潜水泵和风机同时运行，通过循环蓄水池中的水，利用表冷器-风机将蓄水池中的热量释放到棚内，加热大棚。若Tin高于13℃或Tw-Tin小于2℃时，系统关闭，停止放热。

1.3 测试方案

大棚内Tin和Tw传感器的布置方式如图1所示。室外气温和太阳辐照度传感器布置在外保温大棚操作间屋顶。其中，Tin和Tw使用Pt100型铂电阻测量(测量范围：-50～200℃，测量精度为±0.1℃)。室外气温采用SHT20型芯片温湿度传感器测量(测量范围：-40～125℃，精度为±0.3℃)，室内外太阳辐照度采用YGC-TBQ型太阳总辐射传感器测量(武汉辰云科技有限公司，测量范围0～2 000 W/m2，测量精度为±3 W/m2)。

试验中所有仪器记录的间隔时间为10 min。选择2020年1月16日08:30—18日08:30为典型晴天，选择2020年1月18日08:30—20日08:30为典型多云天。

1.4 TSFU系统性能评估

TSFU系统的热交换速率计算公式为

qi+1=ρwcwV(Tw,i+1-Tw,i)/1 000

(1)

式中qi+1——第(i+1)Δt(Δt是计算步长，取600 s)时刻TSFU系统的热交换速率，kW

ρw——水的密度，取1.0×103kg/m3

cw——水的比热容，取4.2 kJ/(kg·K)

V——蓄热水池中水的体积，取26 m3

Tw,i——第iΔt时刻的水温，℃

为避免受系统运行过程中系统回水在蓄水池内分布不均匀对热交换速率计算造成的影响，使用模拟的水温进行热交换速率计算，TSFU系统集热量和放热量计算公式为

Qc=ρwcwV(Tw,ce-Tw,cs)/106

(2)

Qr=ρwcwV(Tw,re-Tw,rs)/106

(3)

式中Qc——系统集热量，MJ

Qr——系统放热量，MJ

Tw,cs——TSFU系统集热阶段开始时刻蓄热水池的Tw，℃

Tw,ce——TSFU系统集热阶段结束时刻蓄热水池的Tw，℃

Tw,rs——TSFU系统放热阶段开始时刻蓄热水池的Tw，℃

Tw,re——TSFU系统放热阶段结束时刻蓄热水池的Tw，℃

TSFU系统性能系数(COP)计算公式为

(4)

其中

Ep=Pp(tc+tr)

(5)

Ef=nPf(tc+tr)

(6)

式中COP——TSFU系统性能系数

Ep——循环水泵的耗电量，kW·h

Ef——表冷器-风机的耗电量，kW·h

Pp——循环水泵功率，kW

Pf——表冷器-风机的功率，kW

tc——TSFU系统日间集热过程运行时间，h

tr——TSFU系统夜间放热过程运行时间，h

n——TSFU系统表冷器-风机的数量

1.5 TSFU系统蓄水池水温模拟

为简化Tw模拟，提出以下假设:表冷器-风机的进风温度与Tin相同；表冷器-风机的进水温度与Tw相同。

表冷器-风机的全热交换效率η是表冷器-风机的重要技术参数，该值在水流速度和风速一定的条件下为定值[25]，计算公式为

(7)

式中Tine——表冷器-风机的出口空气温度，℃

表冷器-风机处空气和水之间的热交换满足公式

nGcp(Tin-Tine)=-ρwcwv(Tw-Twe)

(8)

式中G——表冷器-风机的空气流速，取1.11 m3/s

cp——空气的定压比热容，取1 240 J/(m3·K)

v——系统中的水循环速率，m3/h

Twe——表冷器-风机的出口水温，℃

根据蓄水池能量和质量平衡，TSFU系统Tw计算公式为

(9)

式中Twe,i——第iΔt时刻的Twe，℃

将式(7)和式(8)代入式(9)，消去Twe和v，可得到

(10)

式中Tin,i——第iΔt时刻的Tin，℃

当系统不运行时，Tw保持不变。

2 结果与分析

2.1 室外太阳辐射与室内外气温分析

测试期间室外太阳辐照度R与空气温度Tout如图2所示。根据外保温大棚保温被管理模式，将日间和夜间分别定义为保温被揭开和闭合期间。晴天日间R最大值为(402.0±3.0) W/m2，出现在12:00—13:00期间。该期间累积太阳辐射能达到了(7.3±0.1) MJ/(m2·d)。在多云天日间，R最大值分别达到了375 W/m2和508 W/m2，但该期间累积太阳辐射能仅(5.5±0.07) MJ/(m2·d)，是晴天的(75.0±0.3)%。

图2 室外太阳辐照度R与空气温度Tout变化(2020年1月16—20日)Fig.2 Outdoor solar irradiance (R) and air temperature(Tout ) (Jan.16—20, 2020)

试验期间Tout呈二次函数开口向下的形式变化。日间Tout在-14.4～0.2℃范围内先升高后降低。保温被闭合之后，Tout持续下降。晴天夜间Tout平均值为(-11.8±0.2)℃，最低值为-16.7℃，出现在1月18日07:30。多云天夜间Tout平均值和最低值分别为(-6.5±0.9)℃和-11.3℃，分别较晴天夜间高(5.2±1.1)℃和5.4℃。

室内气温Tin变化趋势如图3所示。在晴天日间保温被揭开后，试验区和对照区Tin随时间快速提升，在午间受通风的影响出现波动，该期间试验区和对照区Tin最高可达28.9℃和33.3℃。午后Tin开始下降。由于午间试验区风口较大，加之TSFU系统运行集热的影响，导致午间试验区Tin低于对照区。Tin在多云天日间的变化规律与晴天相同。由于午间没有通风，且TSFU系统运行时间较短甚至不运行，对照区和试验区Tin没有显著区别，但受太阳辐照度变化而出现较大波动。

图3 外保温大棚试验区和对照区空气温度变化(2020年1月16—20日)Fig.3 Indoor air temperature of test and control areas of plastic tunnel covered with thermal blanket (Jan.16—20, 2020)

夜间保温被闭合后，对照区和试验区Tin随时间不断下降。在晴天夜间，对照区Tin保持在(12.6±2.4)℃，最低值为(9.9±0.1)℃，较室外气温高(24.3±0.7)℃。另一方面，由于对照区密封程度优于试验区，导致对照区Tin在TSFU系统未运行期间较试验区高(0.7±0.1)℃。在后半夜，由于TSFU系统启动放热，试验区Tin升高并超过对照区(2.5±0.4)℃。

在多云天夜间，对照区Tin平均值为(11.6±1.7)℃，最低值为(9.6±0.1)℃，较室外气温高(18.0±1.6)℃。受大棚密封性能的影响，对照区Tin在TSFU系统未运行期间较试验区高(1.2±0.2)℃。随后受TSFU系统启动放热的影响，试验区Tin升高并比对照区高(1.1±0.3)℃。

2.2 蓄水池水温与系统集放热性能分析

试验期间蓄水池水温Tw变化如图4所示，在晴天日间，受TSFU系统运行集热的影响，Tw迅速升高。当系统停止后，Tw保持平稳。在夜间，当Tin低于10℃时，TSFU系统运行放热，并导致Tw快速下降。根据测试，TSFU系统在晴天日间和夜间分别运行(3.0±0.6) h和5.7 h。Tw在日间升高了(4.8±1.1)℃，而在夜间降低了(4.1±0.2)℃。在多云天日间，由于Tin较低，TSFU系统仅在19日日间运行了1.2 h，Tw上升了1.1℃。尽管如此，TSFU系统依然在19日和20日夜间运行了3.3 h和2.8 h，向室内放热。该期间Tw分别下降了2.0℃和1.7℃。

图4 TSFU系统实测水温Tw,m、模拟水温Tw,s和热交换速率q的变化Fig.4 Measured (Tw,m) and simulated water temperature (Tw,s) and heat exchange rate (q) of TSFU system

为避免Tw测试值波动对q计算引起的误差，利用Tw的模拟值Tw,s来计算系统q的变化。根据测试与计算结果，Tw实测值Tw,m与Tw,s之间的偏差为(0.2±0.2)℃，最大偏差为0.9℃。二者之间的线性方程为Tw,m=0.99Tw,s(R2=0.99)，Tw,m与Tw,s具有较好的一致性。根据上述关系，日间q以二次函数开口向下的形式变化，最高可达59.8 kW(图4)。夜间|q|在TSFU系统运行的初始时刻最大，而后随时间快速减小，导致试验区Tw,s在TSFU系统运行期间不断下降。晴天和多云天夜间的|q|分别为(21.9±7.4) kW和(17.3±5.6) kW，在放热结束时的最低值分别为14.2 kW和-11.7 kW。

晴天TSFU系统集热量(Qc)和放热量(Qr)分别为(454.6±55.9) MJ和(433.0±48.6) MJ，COP达到了2.9(表1)。Qr是Qc的(95.3±1.0)%。而在多云天，TSFU系统的Qr为(199.3±0.1) MJ，为晴天的46.0%。该期间，TSFU系统在19日的Qc为142.0 MJ，仅为晴天的31.1%。另外，虽然多云天的Qr较低，但该期间TSFU系统的电耗主要用于夜间供热，所以该期间COP达到3.1，表明TSFU系统具有显著的节能效果。

表1 TSFU系统集放热阶段性能参数Tab.1 Heat collection and release performances of TSFU system

2.3 η和n对TSFU系统集放热性能影响

为评估表冷器-风机全热交换效率η和表冷器-风机数量n对TSFU系统集放热性能的影响，利用上述数学模型对不同条件的Tw进行了模拟，并据此计算TSFU系统Qc、Qr和COP(表2)。

表2 表冷器-风机全热交换效率η、表冷器-风机数量n以及蓄水池体积V对TSFU系统集放热性能的影响Tab.2 Effects of overall heat exchange efficiency (η) and number (n) of fan-coil units and water volume in tank (V) on its heat collection and release performances of TSFU system

根据前期测试结果，同等条件下表冷器-风机的η可达0.44，高于试验中所采用的0.28。若试验中TSFU系统的η为0.44，Tw的变化速率和变化幅度显著增加，最高和最低Tw可分别较现有系统高2.0℃和低0.4℃(图5)。另一方面，q的变化趋势与现有系统相同(图6)。但受η和Tw变化的综合影响，|q|在晴天日间和夜间分别较现有系统高(38.0±25.2)%和(57.7±26.1)%，而在多云天日间和夜间则分别较现有系统高(67.1±4.0)%和(19.6±16.5)%。此外，由于晴天放热结束后Tw较低，不利于TSFU系统在多云天夜间放热，导致|q|在18日夜间系统放热后期低于现有系统。根据模拟的Tw计算得出，该条件下TSFU系统在晴天的Qc与Qr可分别较现有系统增大(40.3±6.2)%和(67.4±14.9)%，COP较现有系统升高2.0±0.4，达到4.9±0.4；而多云天的Qc与Qr分别较现有系统增大48.0%和(14.9±7.6)%，COP升高0.5±0.2，达到3.6±0.6(表2)。

图5 表冷器-风机全热交换效率η和表冷器-风机数量n对TSFU系统水温Tw的影响Fig.5 Effects of overall heat exchange efficiency (η) and number (n) of fan-coil units on water temperature (Tw) of TSFU system

图6 表冷器-风机全热交换效率η和表冷器-风机数量n对TSFU系统热交换速率q的影响Fig.6 Effects of overall heat exchange efficiency (η) and number (n) of fan-coil units on heat exchange rate (q) of TSFU system

n对TSFU集放热的影响与η相似。n越多，Tw在日间和夜间的变化幅度越大，Qc和Qr越高。当n提高到20时，最高和最低Tw分别较现有系统高2.2℃和低0.5℃(图5)。晴天日间和夜间的|q|分别较现有系统增加(43.6±27.8)%和(64.8±31.6)%(图6)。多云天日间和夜间的|q|则分别提高了(78.3±5.0)%和(21.4±20.3)%。同样受晴天TSFU系统放热结束后Tw较低的影响，18日夜间出现TSFU系统放热后半段|q|低于现有系统的现象。根据模拟的Tw计算得出，该条件下TSFU系统晴天Qc与Qr分别较现有系统增大(46.1±6.3)%和(76.1±14.7)%，COP较现有系统升高2.2±0.4，达到了5.6±1.0；而多云天的Qc与Qr分别较现有系统增大58.0%和(17.0±4.5)%，COP升高0.7±0.3，达到了3.8±0.1。

根据上述分析，提高TSFU系统表冷器-风机的η和n可促进TSFU系统与室内空气的热交换，进而提高TSFU系统的集放热性能。但另一方面，该条件下TSFU系统放热结束之后的Tw较低，不利于在多云天放热，易出现放热后半段|q|较低的情况，不利于保持较高的Tin。

2.4 V对TSFU系统集放热性能的影响

蓄水池水体积(V)主要通过Tw来影响Qc和Qr。为分析上述影响，利用上述数学模型计算不同V下Tw变化，并据此计算TSFU系统q、Qc、Qr和COP。

当V增大到52 m3时，Tw变化幅度减小，其最高值和最低值分别较现有系统低1.2℃和高1.5℃(图7)。受此影响，晴天日间和夜间的|q|是现有系统的(111.0±12.7)%和(97.5±17.8)%(图8)。另外，夜间|q|变化较为平稳，尤其是在放热后期高于现有系统，有助于改善TSFU系统对Tin的提高效果。另一方面，由于晴天TSFU系统放热结束之后Tw较高，不利于19日日间集热，该期间|q|较现有系统低了(13.1±1.8)%。而在多云天夜间，较高的Tw有利于TSFU系统放热，使得|q|较现有系统增加了(44.6±14.2)%。根据模拟的Tw计算得出，在该条件下，晴天Qc较现有系统增大(11.8±4.8)%，而Qr和COP为现有系统的(95.4±20.9)%，未显著改善。与此相反，多云天Qc较现有系统减小了23.2%，而Qr增大(31.7±20.3)%，COP提高了1.0±0.7，达到4.1±1.0。

图7 蓄水池体积V对TSFU系统水温Tw的影响Fig.7 Effects of water volume (V) in tank on water temperature (Tw) of TSFU system

当V减小到13 m3时，Tw变化幅度增大，其最高值和最低值分别较现有系统高2.9℃和低0.8℃(图7)。受此影响，晴天日间和夜间的|q|分别是现有系统的(80.4±19.1)%和(92.9±26.4)%(图8)。在19日日间，受TSFU系统在晴天放热之后Tw较低的影响，|q|较现有系统高(8.3±4.8)%。但在19日和20日夜间，|q|依然较现有系统低(36.2±17.5)%。另外，试验期间，|q|变化幅度较大，在晴天夜间放热后半段和整个多云天放热期间低于现有系统，不利于保持较高的Tin。根据模拟的Tw计算得出，该条件下晴天Qc较现有系统减小了(11.9±3.6)%，而Qr为现有系统的(101.9±7.0)%，COP为3.0±0.2，未显著改善。多云天Qc和Qr分别较现有系统减小了3.9%和(37.8±4.4)%，COP减小了1.2±0.3，达到1.9±0.1。

图8 蓄水池体积V对TSFU系统热交换速率q的影响Fig.8 Effects of water volume (V) in tank on heat exchange rate of (q) TSFU system

根据上述分析，在现有系统的基础上将V提高到52 m3可减小TSFU系统Tw和|q|的变化幅度，并增加多云天夜间的Qr，避免TSFU系统|q|在放热期间急速下降而对Tin产生的影响，但没有显著改善晴天Qc和Qr。而当V减小至13 m3时，Tw和|q|变化剧烈，晴天Er未受影响，但多云天Qr较小，且TSFU系统|q|在放热期间急速下降，不利于提高外保温大棚在冬季夜间的最低Tin。因此，在生产中应根据实际条件合理选择V，以充分发挥TSFU系统的集放热性能。

2.5 经济性分析

在本试验条件下，TSFU系统包含表冷器-风机、供回水管路、潜水泵、蓄热水池等构件，其中表冷器-风机的成本为1.5～1.7万元，蓄热水池的建造成本为2.0～2.7万元，供回水管道的成本约为0.2万元，潜水泵与电气控制设备等的成本约为0.2万元，合计3.9～4.3万元，折合单位面积的建造成本为35.3～37.9元/m2，为试验大棚造价的9.8%～10.5%。

试验条件下TSFU夜间累计供热1 269.5 MJ，总耗电量为118.1 kW·h。根据《内蒙古自治区发展和改革委员会关于合理调整电价结构有关事项的通知》(内发改价字〔2017〕954号)，农业用电价格为0.421元/(kW·h)，TSFU在试验期间的加温成本为49.7元。在试验条件下，使用燃气热风炉(天然气供暖)提供同样的热量需消耗天然气42.2 m3(设天然气能源转化效率为80%，天然气热值为37.59 MJ/m3)[26]。根据《内蒙古自治区发展和改革委员会关于调整居民和非居民用管道天然气销售价格的通知》(内发改价字〔2019〕251号)，内蒙古自治区非居民用户天然气售价最低为1.97元/m3，则试验条件下燃气热风炉的加温成本为83.1元，TSFU系统较燃气热风炉节约了40.2%的成本。若将表冷器-风机的η提高为0.44时，TSFU系统夜间累计供热1 912 MJ，该条件下使天然气供暖提供同样的热量需消耗天然气63.6 m3，运行成本为142.8元，使用TSFU系统供热可节约成本65.2%。

在试验大棚中使用TSFU系统需要投入一定的建造成本和运行成本，但另一方面，该系统的使用有助于改善作物生长环境，提高产量。