表冷器-热泵联合集热系统不同运行模式的集热性能

2021-09-04宋卫堂王建玉刘平建陈先知王平智

农业工程学报 2021年11期

宋卫堂，耿若，王建玉，刘平建，陈先知，王平智※

（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.曹县百草庄园农业开发有限公司，菏泽 274400；4.温州科技职业学院，温州 325006）

0 引言

日光温室是中国特有的园艺设施类型，为北方地区的蔬菜越冬生产做出了巨大贡献[1]。因传统的日光温室墙体多采用夯土、黏土砖等材料建造[2]，存在着建造成本高[3]、放热可控性差[4]、占地面积大[5]等一系列问题。因此，各地逐渐显现出了利用新型保温材料取代日光温室传统墙体的发展趋势[6-7]。在该情况下，温室的蓄热结构主要由地面承担，但仅依靠地面传热，传热缓慢且传热能力有限[8]，难以有效收集并储存足够的热量，满足作物夜间生长需求[9-11]。为提高温室冬季的夜间温度，需采取加温措施，而随着国家“煤改电”政策的改进和环保政策的收紧，依靠煤炭等化石能源提供热量的传统加温方式正在被逐步淘汰[12]。因此，有必要进行利用太阳能、空气热能、地热能等清洁可再生能源的主动集放热技术的研究，来顺应设施园艺类型改变及国家环保力度加大的双重发展趋势。

近年来，日光温室主动集放热系统的研究取得了较大进展。其中温室内日间空气温度较高，蕴含了丰富的空气热能，可用于夜间增温[13-15]。孙维拓等[16]设计了一套日光温室空气余热热泵加温系统，该系统利用热泵收集日间空气余热并将其储存在蓄热水池内，然后夜间利用表冷器将热量释放到室内，从而提高日光温室夜间气温。宋卫堂等[17-20]提出了一种基于水循环蓄热的空气余热主动集放热系统—表冷器-风机主动集放热系统，该系统是通过悬挂于温室屋脊处的表冷器-风机，以水-气换热的方式，收集日间空气余热并于夜间释放以提高室内气温，实现了热量在时间、空间上“削峰填谷”式转移。但表冷器-风机主动集放热系统在多云天等太阳辐射较弱的天气条件下，系统日间集热量小、夜晚加温效果有限等问题就会暴露，主要原因是集热时的水-气温差随着水温的升高及室内气温的下降而逐渐减小，导致系统后期（主要是下午）的集热效率及集热量均下降，故而造成整体集热量变小，从而放热量也随之变小。为避免因水温升高过快导致水-气温差减小过快的问题，可采取配置较大容积的蓄热水池用以减慢水温升高速度，但这不仅占用了大量的温室室内空间，还增加了建造成本，同时较低的水温还会使系统在夜间放热时因水汽温差较小而导致放热效率不高。热泵作为节能高效型能量提升装置，能从空气、水或土壤中获取低位热能，经过耗功提供可被人们利用的高位热能[12]，因此，基于水循环的温室主动集放热系统和热泵相结合可有效降低并维持较低的循环水温，基于此特点，为了进一步提高现有温室主动集放热技术的集热潜力，越来越多的学者开展了利用热泵对温室供热的研究[21-24]。

针对表冷器-风机主动集放热系统集热能力不足的问题，在现有系统的基础上加入热泵，形成了一种包含表冷器-风机、集热池、储热池、水泵、热泵等组件的表冷器-热泵联合集热系统，为使集热过程能始终维持较大的水-气温差，提出了通过热泵将集热过程与储热过程分离的思路，试验分析了3种集热运行模式在2种典型天气情况下的集热性能，以期为无蓄热功能墙体日光温室的节能加温提供新技术，为主动集放热技术的性能提升提供新思路。

1 试验系统设计

1.1 试验温室

供试日光温室位于山东省菏泽市曹县朱洪庙乡袁庄村（34.4°N，115.3°E），东西走向，长100 m，跨度10 m，后墙高3.1 m，脊高4.5 m，后坡长2.0 m，后坡仰角45°，采用镀锌钢管结构，前坡覆盖材料为0.1 mm PO塑料薄膜，温室北墙采用130 mm聚苯乙烯发泡板装配而成，外侧采用丝绵棉被覆盖，东西侧山墙均采用宽度为370 mm的红砖建造，无其他加热设备。在温室最东侧采用塑料薄膜隔出6 m的操作间，在剩余温室东西方向的中线位置，用FRP板分隔成东、西两个区，其中东侧温室安装表冷器-热泵联合集热系统作为试验区，西侧温室不安装增温设备，作为对照区，两区面积均为470 m2。

试验期间，温室内种植黄瓜，采用漫灌灌溉，利用底部卷膜通风窗实现自然通风，保温被揭开和闭合时间分别为8:00—9:00和16:00—18:00。

1.2 系统组成

表冷器-热泵联合集热系统由表冷器-风机、集热池、储热池、循环水泵、热泵机组及循环管路组成，表冷器-风机、循环水泵及循环管路构成了温室内的主动集放热系统（图1）。该系统包含10台表冷器-风机，按4 m的间隔倾斜吊挂于屋脊下方，其风向为自南上向北下方吹送，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；循环水泵2台，额定流量均为15 m3/h，扬程均为20 m；热泵机组型号为YBF 4NCS-20.2GR，额定输入功率15 kW，额定制热量60 kW。储热池内径长3.65 m、宽3.65 m、高1.5 m，主体材料为0.35 m厚砖墙，外侧涂抹水泥砂浆，水池外表面紧贴0.1 m厚聚苯乙烯发泡板，内表面覆盖8 mm厚PP板。集热池为PE材质水桶，容积为2 m3。集热池为热泵机组热源，实际蓄水量为1.7 m3，储热池为热泵机组热汇，实际蓄水量为17 m3。以上各组件由不同内径的PPR管连接而成。

1.3 系统工作原理

表冷器-热泵联合集放热系统以水-气换热的方式，日间收集空气中盈余的热量并储存于储热池中，夜间再将这部分热量从储热池中通过水循环释放到空气中以提高温室内的气温。

系统的集热过程有2种方式，如图2所示，一是热泵与表冷器-风机联合集热，主要工作流程为：日间，集热水池中温度较低的水通过供水管路进入表冷器-风机，与在表冷器-风机作用下从进风口进入的、温度较高的空气进行热交换，温度降低后的空气从出风口排出，温度升高后的水通过回水管路直接流入热泵蒸发侧进水口处，同时，水泵将储热池中温度较低的水泵入热泵冷凝侧进水口处，热泵将收集到的热量从集热池中不断泵送至储热池中，仅利用集热池中的水实现持续收集空气中盈余热量的目的，直至达到系统停止运行的条件；二是表冷器-风机集热[19-20]，主要工作流程为：日间，储热水池中温度较低的水通过供水管路进入表冷器-风机，与在表冷器-风机作用下从进风口进入的、温度较高的空气进行热交换，温度降低后的空气从出风口排出，温度升高后的水通过回水管路流回储热水池，通过循环水泵的不断循环，仅利用储热池中的水持续进行热量的收集，直至达到系统停止运行的条件。

系统放热为表冷器-风机放热：夜间，储热水池中温度相对较高的水通过供水管路进入表冷器-风机，与在表冷器-风机作用下从进风口进入的、温度较低的空气进行热交换，温度升高后的空气从出风口排出，温度降低后的水通过回水管路流回储热水池。通过循环水泵的不断循环，持续进行热量的释放，直至达到系统停止运行的条件。

1.4 系统集热运行策略

系统的2种集热运行方式共形成3种集热运行模式：仅表冷器-风机集热（以下简称为风机模式）；表冷器-风机集热+热泵与表冷器-风机联合集热（以下简称为混合模式）；仅热泵与表冷器-风机联合集热（以下简称为联合模式）。为了全面测试该系统在不同天气、不同模式下的集热性能，在已有研究[19-20]的基础上制定了系统在不同情况下的集热运行策略，如表1所示。

表1 不同天气表冷器-热泵联合集热系统集热运行策略Table 1 Heat collection operation strategy of fan-coil units-heat pump combined system in different weather conditions

2 试验方法

2.1 测试仪器与测点布置

室内气温与水温传感器布置如图3所示，使用Pt100型铂电阻测量（测量范围−50～200 ℃，精度±0.1 ℃），其中气温传感器做防辐射处理。室内太阳辐射照度采用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0～2000 W/m2，测量精度±3 W/m2）。水流量使用LDG-SUP型电磁流量计测量（杭州联测自动化技术有限公司，测量范围2.2～22 m3/h，测量精度0.5级）。所有设备仪器自动采集数据时间步长为5 min。

2.2 系统集热性能评价方法

1）系统温降效果评价

系统在集热过程中会造成室内气温的下降，其中平均温降 ΔTin定义为在系统集热过程中，试验区低于对照区气温的平均值。

式中Tinc为集热阶段对照区气温平均值，℃；Tint为集热阶段试验区气温平均值，℃；

2）系统的集热量及平均集热功率可由下式计算[19]：

式中Qc为系统的总集热量，kJ；cw为水的平均定压比热容，取 4.2 kJ/(kg·℃)；ρw为水的平均密度，取 1 000 kg/m³；V为储热池实际蓄水量，m³；Twe为集热结束时储热池水温，℃；Tws为集热开始时储热池水温，℃；cφ为系统的平均集热功率，kW；tc为集热时长，h。

3）系统的集热性能系数（COP）可由下式计算[19]：

式中Ec为集热期间系统的总耗电量，kW·h。

3 试验结果与分析

3.1 试验温室基础气温测试

2020年12月31 日—2021年1月1日测定了系统未运行的室内基础室温，如图4所示。2个区的气温不完全一致的主要原因为卷膜杆有一些弯曲，风口大小略有差异，气温在通风期间会有不同程度的波动，另外整个温室的进出口位置位于对照温室的西侧，夜间存在更多的冷风渗透。结果表明，白天（8:00—16:00）试验区和对照区室内平均气温分别为27.8和27.3 ℃；夜间（16:00—翌日8:00）试验区和对照区室内平均气温分别为13.3和12.8 ℃。单因素方差分析显示在白天及夜间两区均无显著差异（P>0.05），故认为对照区与试验区环境条件一致。

3.2 典型天气下系统集热性能分析

3.2.1 典型天气下系统集热运行参数

在2021年1月8日—1月30日期间有6个晴天；在2021年1月11日—2月8日期间有6个多云天（表冷器-热泵联合集热系统在白天收集热量，夜间释放热量即为完成一个集、放热周期，所以定义从早上8:00到翌日8:00为1 d）。测试期间，系统运行的相关性能参数如表2。

由表2可看出，在2种天气下，均是风机模式的集热时间最长，混合模式次之，联合模式最短，原因是由于 3种模式下对温室的温降效果不同，故达到停止集热条件时的时间也不同。联合模式对温室正午高温的降温效果最佳、集热量最大，可达(763.9±17.1) MJ，混合模式次之，而风机模式对温室日间的降温效果最小、集热量也最小。原因是在风机模式下，随着下午室内气温的逐渐下降及水温的逐渐升高，集热时水气温差也逐渐减小，故而循环水与室内热空气的换热量逐渐减小，对室内的温降调节整体不高，并且其集热量也在 3者中最低；而混合模式下，系统在后期转为热泵与表冷器-风机联合集热方式时，集热的水气温差加大，从而换热量加大，整体温降及集热量较风机模式略有提升；在联合模式下，水气温差最大，故与温室内热空气的换热量也最大，晴天时联合模式集热量分别比混合模式及风机模式高25.1%和73.9%，明显优于其他2种模式，温降效果也最佳。多云天时，联合模式集热量分别比混合模式及风机模式高40.8%和132.9%，其集热量大的优势比在晴天天气下表现得更明显。

表2 系统不同运行模式下的集热性能Table 2 Performance of collector in different operation modes of the system

晴天时，在联合模式下的集热 COP最低，仅为3.5±0.2，原因是在系统运行前期，因室内气温较高同时集热池水温较低，故刚开始集热时水气温差较大，从而表冷器-风机的集热速率高于热泵蒸发侧换热速率，但因集热池蓄水量较小难以储存较多热量，导致集热池水温上升较快，难以维持初始时较大的水气温差，造成集热量略有下降；并且热泵运行时耗电量较大，故导致联合模式下COP较低。而在风机模式下，虽集热量不高，但因运行时耗电量也最小，故其集热COP是3种模式中最高的。混合模式因不需要长时间开启热泵，故其集热量及集热COP均介于另2种模式之间。在多云天时，风机模式的集热COP最低，仅为3.2±0.1，原因是多云天气时室内气温较低，初始的水气温差也较低，随着集热的运行，储热池水温逐渐升高，水气温差会更加减小，造成集热后期的集热量较少，但耗电量不变，因此这种集热模式的总体集热COP较低；在混合模式下，因为集热后期转为了表冷器-风机与热泵联合集热，在热泵参与运行时，集热过程受室内气温影响较小，可一直维持较大的水气温差，从而加大了集热量，并且热泵并不是全程一直运行，因此整体耗电量不大，是3种模式中COP最大的。

晴天时，在风机模式下，系统的平均集热功率为(26.5±3.0) kW，是3种模式中最低的，原因是随着集热过程的进行，储热池中水温逐渐升高，并且下午室内气温在逐渐下降，导致水气温差逐渐减小，故集热功率降低；混合集热模式解决了风机模式集热后期面临的储热池中水温和气温的温差减小的问题，会在后期开启热泵与表冷器-风机联合集热，利用集热池中较低温的水进行集热，并同时转移了集热池中的热量将集热池水温维持在较低温度，从而加大了后期集热过程的水气温差，故整个集热过程的集热功率较风机模式有所提高，达到了(40.7±1.2) kW；联合模式下，因全程利用集热池中的低温水进行集热，同时通过热泵转移热量的过程贯穿集热过程始终，从而可一直维持较大的水气温差，故其平均集热功率是3种模式中最大的，为(52.6±1.5) kW。多云天时，在风机模式、混合模式下，系统的平均集热功率分别为(14.2±0.4) kW 和(30.0±1.8) kW，分别比晴天天气相同模式下的平均集热功率低86.6%和35.7%。但在联合模式下，平均集热功率为(52.5±0.1) kW，与晴天天气时的集热功率相差无几，原因是在风机模式与混合模式时，系统都不同程度的受到室内气温与储热池水温差值的影响：多云天时，室内气温较低，集热过程中的平均水气温差没有晴天时大，导致其集热功率也相应降低；而在联合模式下，因热泵转移热量的过程一直进行，集热过程几乎不受室内气温与储热池水温差值的影响，始终利用集热池的低温水进行集热，因此其集热功率与晴天时的差异很小。

3.2.2 典型天气下3种集热模式运行时水气温差

晴天时，在 3种集热运行模式中各选择其中一天在集热时的水气温差（气温与集热时所利用的相应池子的水温的差值）如图5所示，在风机模式下，集热全程均为表冷器-风机集热方式，水气温差先升高再下降，在正午时刻，因室内气温较高，室内气温升高的速度大于储热池水温升高的速度，故水气温差呈现一直升高的趋势，最大达到了 9.9 ℃，到了下午，随着室内气温的逐渐下降及水温的逐渐升高，集热时水气温差也逐渐减小，直至达到系统停止的条件，整个集热过程的平均水气温差为8.4 ℃；在混合模式下，集热前期（11:15—13:45）为表冷器-风机集热方式，水气温差同样呈现出先升高后下降的趋势，在前期集热时水气温差最大为 9.9 ℃，平均为9.1 ℃，集热后期（13:45—15:15）为热泵与表冷器-风机联合集热方式，因集热池初始水温较低，故转变集热方式的一瞬间造成了集热的水气温差抖升，达到了14.3 ℃，随着热泵运行逐渐稳定，水气温差稳定于9.7～11.8 ℃，平均为10.6 ℃，整个集热过程的平均水气温差为9.8 ℃，较风机模式有所提升；在联合模式下，集热全程为热泵与表冷器-风机联合集热方式，在系统开启一瞬间，水气温差为 14.3 ℃，待热泵运行稳定后，水气温差始终稳定于10.3～11.9 ℃，整个集热过程的平均水气温差可达11.1 ℃，为3种模式中最高。结果表明，热泵与表冷器-风机联合集热方式弥补了表冷器-风机集热方式下因集储热一体造成的、系统集热后期水气温差减小的缺陷，可一直维持较高的水气温差进行集热，提高集热效率。

多云时，在 3种集热运行模式中各选择其中一天在集热时的水气温差如图6所示，在风机模式下，因多云天室内气温较低，故随着集热过程的进行，水气温差呈现一直下降的趋势，初始水气温差最大，为10.5 ℃，整个集热过程的平均水气温差为 6.2 ℃，比典型晴天时相同模式下水气温差低35.5%；在混合模式下，集热前期（11:15—13:40）为表冷器-风机集热方式，水气温差在前期集热时水气温差最大为 9.5 ℃，平均为8.4 ℃，集热后期（13:40—14:35）为热泵与表冷器-风机联合集热方式，水气温差为 10.4～12.3 ℃，平均为10.8 ℃，整个集热过程的平均水气温差为 9.1 ℃，比晴天时相同模式下水气温差低 7.7%；在联合模式下，水气温差为 9.1～12.3 ℃，平均水气温差为 11.0 ℃，与晴天时相同模式下平均水气温差相差无几。结果表明，热泵与表冷器-风机联合集热方式解决了表冷器-风机集热方式下因室内气温较低易造成的集热量较少的问题，可不受室内气温与储热池水温的影响，在多云天也可维持较大的水气温差进行集热。

3.3 典型天气下系统集热模式选择

从上面的分析可以看出，3种集热模式在不同天气条件下各有优点，为了综合比较并选择在不同天气条件下最佳的运行模式，按照表3的方法对每种评价指标进行赋分（根据冬季大量试验数据，在所获取的各指标数据的上限和下限之间取整后等步长分为 6个级别，并赋予各个级别相应的分值，从0～5分不等）。其中，集热量直接决定夜间放热量，集热COP与系统的节能性密切相关，这两项指标为评定温室主动集放热系统性能的最主要参数[24-25]。此外，集热功率与平均温降也可间接体现出系统的运行效果。再根据不同天气下的具体需求设定不同占比（如表4、表5），以最终综合得分最高者为该天气条件下的最佳集热运行模式。

表3 各指标评价标准Table 3 Evaluation criteria for indicators

3.3.1 典型晴天天气

晴天天气，因日间室内温度较高，土壤蓄热量大，夜间土壤放热量可使室内温度达到一个相较高的温度，对主动放热量需求较低，对主动集热量的需求也较低，因此此种情况下要更注重系统的COP：占总分的50%，其次为集热量，占30%，集热功率和平均温降各占10%。按照表3的标准赋分并按比例计算后，3种模式的得分如表4所示。总分=集热COP×50%+集热量×30%+集热功率×10%+平均温降×10%。

表4 典型晴天天气下系统不同集热运行模式赋分及总分表Table 4 Score table of different heat collection operation modes of the system in typical sunny weather

由表4可知，在赋分取值后，风机模式、混合模式、联合模式3种集热模式下，系统加权总分分别为3.1±0.4、3.6±0.1和3.2±0.1，混合模式下的综合得分最高，因此晴天时可采取混合模式运行系统进行集热。

3.3.2 典型多云天气

多云天气，因日间室内温度较低，土壤蓄热量较少，夜间面临着较大的主动放热需求，因此在多云天气情况下，应更注重系统的集热量：占总分的 50%，其次为集热COP，占30%，集热功率和平均温降各占10%。按照表3的标准赋分并按比例计算后，3种模式的得分如表5所示。总分=集热量×50%+集热 COP×30%+集热功率×10%+平均温降×10%。

表5 典型多云天气下系统不同集热运行模式赋分及总分表Table 5 Score table of different heat collection operation modes of the system in typical cloudy weather

由表5可知，在赋分取值后，多云天下各集热运行模式的得分都较晴天天气下的偏低。风机模式、混合模式、联合模式 3种集热模式下，系统加权总分分别为0.6±0.1、2.1±0.1 和 2.8±0.1，联合模式下的综合得分最高，因此多云时可采取联合模式进行集热。

4 讨论

表冷器-热泵联合集热系统的最大优势在于，可将集热过程与储热过程进行分离，利用热泵将收集到的热量随时转移进行储存，始终维持较大的水气温差进行集热。试验期间，在联合模式运行过程中，平均水气温差为(11.1±1.1) ℃，日间集热量(519.7±30.5)～(763.9±17.1) MJ，集热功率(52.5±0.1)～(52.6±1.5) kW；而采用风机模式，平均水气温差为(7.3±2.4)℃，日间集热量(223.1±8.9)～(439.3±4.7) MJ，集热功率(14.2±0.4)～(26.5±3.0) kW。可见，表冷器-热泵联合集热系统提升了表冷器-风机主动集放热系统的集热功率及集热量，同时在不同天气下还可根据不同需求选择不同的最佳集热模式，更加节能高效地收集白天温室内富余的空气热能，避免了单一模式易出现的集热量不够的问题。

该系统具有节能减排效益，在晴天和多云 2种典型天气下，先进行表冷器-风机集热后、再进行热泵与表冷器-风机联合集热的组合方式，在提高集热量的基础上最大程度地降低了能耗，集热COP分别达到了5.3±0.4和4.8±0.3，节能效果显著。按照实际集热量与实际耗电量等比例计算的方法进行该系统减排指标的估算。晴天，假设3种模式下系统均需收集400 MJ的热量，按照试验期间实际耗电量进行等比例估算，风机模式、混合模式、联合模式三种集热模式的日间集热耗电量分别为 15.7、26.1和34.1 kW·h。折合成标准煤分别为0.6、1.1和1.4 kg（设火力发电厂的发电效率为0.35，输配电效率为0.95，标准煤的热值为 29 260 kJ/kg）[12]，燃烧 1 kg煤将释放3.67 kg的CO2[26-27]，故其火力发电燃烧相应标准煤所排放的CO2量分别为2.2、4.0和5.1 kg，若使用燃煤热水供暖提供同样的400 MJ热量，则需9.1 kg标准煤（设燃煤锅炉效率为0.7，管网输送效率为0.95）[12]，将释放CO2量33.4 kg，分别较风机模式、混合模式和联合模式高出93.4%、88.0%和 84.7%，此外，随着清洁能源发电技术的逐渐推广应用，该系统也有望实现真正意义的温室气体零排放，环境效益突出。

该系统集热降温的功能可避免日光温室正午高温对作物产生的高温胁迫[28]，可实现延迟通风甚至不通风，最大限度降低温室热量损失。且系统为成熟的工业化产品组合，无需漫长的研发周期，在各类园艺设施及养殖场中皆具有广阔的应用前景。但目前系统的应用研究还处于初级阶段，系统的参数配置及加工工艺等还有待完善，系统对温室小气候的影响等仍需进一步试验。