表冷器-热泵联合集热系统的设计方法

宋卫堂，耿 若，王建玉，刘平建，陈先知，王平智

·研究速报·

表冷器-热泵联合集热系统的设计方法

宋卫堂1,2，耿 若1，王建玉1，刘平建3，陈先知4，王平智1,2※

（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）

为了加快表冷器-热泵联合集热系统在无蓄热后墙日光温室及大跨度外保温塑料大棚中的推广应用，该研究提供了一种可以在不同类型、不同规格的园艺设施中使用的该系统的设计计算方法，主要包括棚室热负荷计算、热泵的选型、集热池潜水泵的选型、储热池潜水泵的选型、储热池体积的计算以及表冷器-风机台数的确定等。并以其在一500 m2无蓄热后墙日光温室中的实际应用为例，计算得出在夜间平均气温–10℃条件下，为了维持室内气温不低于15℃，需配置FNH型表冷器-风机10台，热泵的额定输入功率为15 kW，集热池潜水泵和储热池潜水泵流量分别为15 m3/h和14 m3/h，储热池体积为19.8 m3。该研究为表冷器-热泵联合集热系统的推广应用提供了理论基础和设计实例。

温室；设计方法；塑料大棚；热泵

0 引 言

日光温室是中国独创的高效节能型园艺设施，主要依靠太阳辐射热能和自带的蓄热保温结构维持室内气温[1]，在蔬菜的周年均衡供应方面发挥了巨大作用[2]。传统的日光温室三面环墙，墙体作为最主要的围护结构之一，常采用夯土、黏土砖等材料建造，兼具保温和蓄热双重功能[3]，可在白天吸收并储存太阳辐射热并于夜间释放[4]。但该类墙体存在着建造成本高[5]、放热可控性差[6]、占地面积大[7]等一系列问题，因此，近些年各地逐渐出现了不同类型的园艺设施。其中，最为典型的是利用聚苯乙烯发泡板装配成后墙的日光温室和无后墙的大跨度外保温塑料大棚[8]。在该情况下，其主要围护结构将不再承担传统日光温室后墙的蓄热功能，仅保留保温功能，需配置主动集放热系统补偿由于取消后墙的蓄放热功能所导致的夜间供热不足等问题[9]。受温室效应的影响，在冬季正午前后，温室和大棚内的空气温度均处于较高水 平[10-12]，蕴含着丰富的空气热能[13]，利用其白天富余的空气热能用于夜间加温是实现园艺设施低碳节能生产的有效方法。王平智等[14-16]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，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，其在晴天及多云天的集热量分别仅有（454.6±55.9）和142 MJ[15]，主要原因是由于集热时的水气温差随着集热过程的进行而逐渐减小，导致出现了虽然空气热量仍有富余，但后期热交换效率很低的情况。因此，为了保持较大的水气温差以增大集热量，并有效储存空气热能以用于夜间加温，宋卫堂等[17]对表冷器-风机主动集放热系统进行改进，加入热泵，热量边收集边转移，形成了一种包含表冷器-风机、集热池、储热池、热泵、水泵等组件的表冷器-热泵联合集热系统。该系统共有三种运行模式：仅表冷器-风机集热（风机模式）、表冷器-风机集热+热泵与表冷器-风机联合集热（混合模式）、仅热泵与表冷器-风机联合集热（联合模式）。联合模式在晴天和多云天的集热量分别达到了（763.9±17.1）和（519.7±30.5）MJ，比其风机模式（与表冷器-风机主动集放热系统的集热运行模式相同）下的（439.3±4.7）和（223.1±8.9）MJ[17]，分别提高了73.9%和132.9%，证明该系统的集热量增大效果显著，设计正确可行。

为了加快该项集放热新技术在无蓄热后墙日光温室、大跨度外保温塑料大棚中的推广应用，本文提供了一种可以在不同类型、不同规格的园艺设施中使用的表冷器-热泵联合集热系统的设计计算方法，并以文献[17]中的集放热系统为例，示范了如何利用此方法进行具体的设计和计算。

1 表冷器-热泵联合集热系统

1.1 系统组成

如图 1，表冷器-热泵联合集热系统[17]主要包括表冷器-风机（1）、热泵机组（2）、集热池潜水泵（3）、集热池（4）、储热池（5）、储热池潜水泵（6）、三通阀（7）七部分。表冷器-风机同时兼有集热与放热功能；系统共有两组供水管道和出水管道，两组供水管分别与集热池潜水泵和储热池潜水泵相连，两组出水管道分别与热泵机组蒸发侧和储热池相连；集热池与表冷器-风机相连；储热池与热泵机组冷凝测和表冷器-风机相连，通过水的流动实现热量交换。为使以上各通路不互相影响，通路交汇处均采用“L”型三通阀连接。

1. 表冷器-风机 2. 热泵机组 3. 集热池潜水泵 4. 集热池 5. 储热池 6. 储热池潜水泵 7. 三通阀

1.2 工作过程

表冷器-热泵联合集放热系统以水-气换热的方式，日间收集棚室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棚室内的气温。具体工作过程见文献[17]系统工作原理。

2 表冷器-热泵联合集热系统的设计方法

2.1 棚室热负荷计算

棚室是对供热系统的设计应该满足以下要求:首先供热系统要有足够的供热能力，能够在室外设计温度下保持室内所需要的温度，保证棚室内植物的正常生长[18]。因此对棚室最大热负荷的计算及其影响因素的量化，可为棚室设计供热系统时提供重要依据[19]。

棚室的采暖总热负荷按下式计算[18]：

=121+2+3（1）

式中为棚室采暖总热负荷，W；1为结构附加系数；2为风力附加系数；1为棚室的围护结构传热量，W；2为棚室的冷风渗透热负荷，W；3为棚室的地面传热量，W。

围护结构传热损失计算公式[18]如下：

式中K为棚室围护结构的传热系数，W/(m2·K)；F为棚室围护结构的传热面积，m2；T，T为分别为棚室内外采暖设计温度，℃。

如果围护结构的材料是由多种材料复合而成，作为一个整体，复合结构材料的传热系数按下式计算：

式中α为外围护结构内表面的对流换热系数；α为外围护结构外表面的对流换热系数；δ为外围护结构各层材料的厚度，m；λ为外围护结构各层材料的导热系数，W/(m·K)。

冷风渗透热损失计算公式如下：

式中C为空气的定压比热，C=0.000 279 kW·h/(kg·℃)；为每小时冷风渗透进入棚室的空气质量，kg/h；为棚室与外界的空气交换率，即每小时的完全换气次数；为棚室内部体积，m3；为室外温度条件下空气的容重，kg/m3。

地面传热损失计算公式如下：

式中3为通过棚室地面的总传热量，W；K为第区的地面传热系数，W/( m2·K)；F为第区的地面面积，m2。

2.2 热泵的选型

水源热泵的工作原理是基于热力学第二定律，在运转时仅压缩机消耗少量电能，将水作为载体，吸收或释放能量，经过管道流通，对途径区域进行温度调节[20-21]。

（6）

由公式（6）可得出热泵机组制热功率为

在某一工况下，当热泵机组进行制热运行时，机组制热量与机组输入功率的比值就是机组的性能系数[22]，计算公式如下：

式中N为机组的平均输入功率，kW。

2.3 集热池潜水泵的选型

据采暖热负荷计算试验棚室总需供热量（J）。计算公式如下：

式中为实际总供热量需求，J；T为为放热时长，h。

系统总集热量计算如下：

式中sys为系统的总集热量，kJ；c为水的平均定压比热容，4.2 kJ/kg·℃；ρ为水的平均密度，1 000 kg/m³；1w为集热池平均水流量，m3/h；en()为集热池进水口温度，℃；1v()为集热池出水口温度，℃；st为集热开始时刻；ed为集热结束时刻。

根据系统总集热量及实际总供热量需求，令E=，得出平均水流量1w，即为集热池潜水泵所需达到的流量。

2.4 储热池潜水泵的选型

系统总放热量计算如下：

式中sup为系统的总放热量，kJ；2w为储热池平均水流量，m³/h；en2()为储热池进水口温度，℃；1v2()为储热池出水口温度，℃；T2为放热开始时刻；T2为放热结束时刻。

根据系统总放热量及实际总供热量需求，令E=，得出平均水流量2w，即为储热池潜水泵所需达到的流量。

2.5 储热池体积

系统总放热量还可通过储热池中的水温变化进行计算：

式中Δ2,sup为放热阶段储热池水温变化，℃；2为储热池实际蓄水量，m³。

计算出的2是储热池实际蓄水量，考虑到需给储热水池预留一定的空间，避免在放热过程中水溢出来，选择储备系数 1.2，即储热池体积′2=1.22。

2.6 表冷器-风机数量

表冷器-风机的供热量可按下式计算[22]

式中为表冷器-风机的传热系数，W/(m2·℃)；为表冷器-风机的传热面积，m2；Δm为水与空气间的对数平均温差，℃。

对于空气加热过程来说，由于冷热流体在进出口端的温差比值常常小于2，所以可用算术平均温差Δp代替对数平均温差Δm。其中，

式中w1为进水水温，℃；w2为出水水温，℃；1为加热前的空气干球温度，℃；2为加热后的空气干球温度，℃。

式中′为单台表冷器-风机面积，m2。

3 应用实例

3.1 试验温室

试验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），温室东西走向，试验区长50 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聚烯烃塑料薄膜，温室北墙采用130 mm聚苯乙烯发泡板装配而成、东侧山墙采用三七砖墙建造，西侧紧挨对照温室，用纤维增强复合塑料板分隔，温室后坡采用0.1 mm 聚烯烃塑料薄膜和针刺毡棉被覆盖。试验期间，温室内种植黄瓜，利用底部卷膜通风窗实现自然通风。

3.2 试验温室热负荷及夜间需热量计算

北方日光温室黄瓜优质栽培中对夜间温度的要求为15～20℃[24-25]，为满足温室内种植作物生产对温度的需求，温室内气温不低于15℃。根据公式计算得出试验温室夜间采暖热负荷为46 105.3 W，按夜间共放热5 h，总需供热量为829.9 MJ。具体计算参数见表1。

根据公式计算得出：

1=32 730.5 W，2=10 320.2 W，3=2 400 W，

=121+2+3=46 105.3 W

据采暖热负荷计算试验温室实际总供热量。计算得=3 600×·T=829.9 MJ。

表1 计算参数表

3.3 热泵的选型

3.4 集热池潜水泵的选型

集热池潜水泵所需流量可根据式（10）进行估算。

其中，取集热时间为4 h，集热水池进出水温差3.5℃，得出1w=14.1 m3/h，故选集热池循环水泵的流量取整为15 m3/h，匹配扬程选择20 m。

3.5 储热池潜水泵的选型

储热池潜水泵所需流量可根据式（11）进行估算。其中，取放热时间为5 h，储热水池进出水温差3℃，得出2w=13.2 m3/h，故选储热池循环水泵的流量取整为14 m3/h，匹配扬程选择20 m。

3.6 储热池体积

储热池体积可根据式（12）进行估算。其中，放热阶段的储热池水温变化取为12 ℃，得出2=16.5 m3，取储备系数取为1.2，得出′2= 19.8 m3，储热池内壁长3.7 m，宽3.7 m，高1.5 m，其结构由内向外依次为水泥砂浆保护层、防水层、冷底子油、水泥砂浆找平层、砖体墙、挤塑板、丝网水泥砂浆，水池上部覆盖厚彩钢板保温。图2为储热池结构示意图。

1. 1：3水泥砂浆保护层 2. SBS卷材防水层 3. 冷底子油 4. 1：2.5水泥砂浆找平层 5. 砖体墙 6. 挤塑板 7.丝网水泥砂浆 8. 细石砼 9. 3：7灰土 10. 彩钢板

3.7 表冷器-风机台数

根据前期对表冷器-风机的多方面测试结果，选择了FNH 型表冷器-风机作为集放热装置，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，其中，该型号的表冷器-风机的总传热系数表达式为[25]

式中v为空气流速，m/s；为水流速度，m/s。

其中，空气流速取3.5 m/s，主管直径取为65 mm，故集热和放热时的水流速度分别按照其对应流量计算得到0.8和0.7 m/s，故其相应的传热系数为21.6和 21.4 W/m2·℃，在集热时取平均水气温差为8℃，在放热时取平均水气温差为6℃，由此可得出集热和放热时单台表冷器-风机的换热功率为7 253.3 W和5 388.6 W，并可得出理论集热台数及放热台数为6.4台和8.6台，选取安全系数为1.1，则得出实际集热台数及放热台数为7.0台和9.4台，选取二者中较大值取整为10台。

3.8 表冷器-热泵联合集热系统的布置

根据日光温室的结构，为不影响日常作业，将管路紧贴于后墙，将一条主供水管路与一条主回水管路固定于屋脊下方，将另一条主回水管路固定于后墙中部，采用同程进水和出水的方式连接，供水和回水主管均使用直径为65 mm的 PPR管。其中因日间热空气上升环流，为提高对温室内热量收集的效率，采用将表冷器-风机的出风口与后墙相对的安装方式，其风向为自南向北下方吹送，如图3所示为表冷器-热泵联合集热系统在夜间放热时的示意图。

图3 系统在夜间放热时的示意图

4 讨 论

本文表冷器-热泵联合集热系统中表冷器-风机成本约为1.1万元，储热池与集热池成本约为1.4万元，热泵成本约为3.7万元，循环水泵、供、回水管路成本约为1.2万元，合计建造成本约7.4万元。在文献[17]中，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3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，假设放热完全，每晚放400 MJ的耗电量约为26.2 kW·h，即在一天之内的运行电量为风机模式41.9 kW·h；混合模式52.3 kW·h；联合模式60.3 kW·h，试验基地正常电价0.58元/(kW·h)，折合为电费，运行成本分别为24.3、30.3和35.0元。在试验条件下，如果使用燃气热风炉（天然气供暖）提供同样的400 MJ热量，需消耗天然气18.5 m3（设天然气能源转化效率为80%，天然气热值为37.59 MJ/m3）[30]。根据菏泽市曹县发展和改革局发布的《关于非居民用天然气销售价格的通知》，非居民用户天然气售价为2.82元/m3，那么燃气热风炉的加温成本为52.2元，分别较风机模式、混合模式和联合模式高出114.8%、72.3%和49.1%，由此可见，表冷器-热泵联合集热系统虽然前期投资成本较大，但热泵的加入，有效提高了整个系统的集、放热效率，并减小了水池容量，有利于增强系统抵抗连阴天等极端天气的能力，总的来看，在运行成本、抗风险能力上都有较大的优势。

本文旨在提供表冷器-热泵联合集热系统的设计方法及应用实例，没有涉及实际运行效果的相关分析，系统本身的加温效果及放热性能分析，将作为以后的研究内容。为尽力保证试验温室内空气的均匀度，温室内10 台表冷器-风机按4 m的间隔倾斜吊挂于屋脊下方，但是尚未进行均匀性模拟和具体的测试。如何减小集放热过程中温室温度的不均匀性，将在以后的研究中深入探索。

4 结 论

1）研究提出了表冷器-热泵联合集热系统的设计方法。设计方法主要包括棚室热负荷计算、热泵的选型、集热池潜水泵的选型、储热池潜水泵的选型、储热池体积的计算以及表冷器-风机台数的确定等。此方法可针对不同温室大棚进行表冷器-热泵联合集热系统主要参数的计算。

2）以无蓄热后墙试验日光温室为例，进行了表冷器-热泵联合集热系统的计算设计。

试验温室东西走向长100 m，其中试验区长50 m，南北跨度宽10 m，屋脊高4.5 m，在夜间平均气温为–10℃的条件下，为了保持棚内夜间气温不低于15℃，需要配置FNH型表冷器-风机10台，热泵的额定输入功率为 15 kW，集热池潜水泵流量为15 m3/h，储热池潜水泵流量为14 m3/h，储热池体积为19.8 m3。

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Design method for fan-coil units-heat pump combined heat collection system

Song Weitang1,2, Geng Ruo1, Wang Jianyu1, Liu Pingjian3, Chen Xianzhi1, Wang Pingzhi1,2※

(1.,,100083, C;2.,,100083, C;3.,274400,;4.325006)

In the new solar greenhouse with walls without heat storage function and a plastic tunnel covered with thermal blanket without walls (PTET), auxiliary heating measures should be taken to make up the lack of heat supply caused by canceling the heat storage and heat release function of the rear wall. At noon in winter, the temperature in greenhouses and plastic tunnels is higher, indicating that the air is rich in heat energy. It is an effective way to realize low-carbon and energy-saving production of horticultural facilities by using the excess air heat energy for night heating. Therefore, a thermal collecting and releasing developed with fan-coil units and heat storage pool for heat collection (TSFU), has been developed. But the heat collection capacity of this system is only (454.6±55.9) MJ and 142 MJ in sunny and cloudy days, respectively. Therefore, on the basis of this system, a heat pump is added, thus forming a combined heat collection system with fan-coil units and heat pump (FUHPS), aiming at improving the heat collection capacity of TSFU. FUHPS has three heat collection modes: fan-coil units heat collection mode (fan mode); fan-coil units+heat pump mixed heat collection mode (mixed mode); Combined heat collection mode of fan-coil units+heat pump (combined mode). The combined mode of sunny and cloudy days achieves (763.9±17.1) and (519.7±30.5) MJ respectively,which was higher than (439.3±4.7) and (223.1±8.9) MJ in the fan mode (which is the same as the heat collection operation mode of the TSFU), which are increased by 73.9% and 132.9% respectively. These results prove that the heat collection capacity of the system is significantly increased and the design is correct and feasible. In order to speed up the popularization and application of this new technology in solar greenhouses without heat storage function and plastic tunnels covered with thermal blanket, a design and calculation method of FUHPS which can be used in different types and specifications of horticultural facilities was provided. The design method mainly includes the calculation of greenhouse heat load, the selection of heat pump, the selection of submersible pump in heat collection pool and heat storage pool, the calculation of heat storage pool volume and the determination of the number of fan-coil units, etc. This method can be used to calculate the main parameters of the FUHPS for different greenhouses. Taking its practical application in 500 m2solar greenhouse without heat storage function as an example, it was calculated that at –10℃ at night, in order to keep the indoor temperature not lower than 15℃, 10 FNH fan-coil units were needed, the rated input power of heat pump was 15 kW, the flow rates of submersible pump in heat collection pool and submersible pump in heat storage pool were 15 and 14 m3/h respectively, and the volume of heat storage pool was 19.8 m3. The total investment in the early stage of this system is 74,000 yuan. On sunny days, assuming that 400 MJ of heat needs to be collected, the heating cost of gas-fired hot-blast stove is 114.8%, 72.3% and 49.1% higher than that of fan mode, mixed mode and combined mode of this system, respectively. It can be seen that although the early stage investment cost of this system is relatively high, the operating cost is relatively low.

greenhouse; design method; plastic tunnel; heat pump

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.036

S625.4

A

1002-6819(2021)-21-0315-06

宋卫堂，耿若，王建玉，等. 表冷器-热泵联合集热系统的设计方法[J]. 农业工程学报，2021，37(21)：315-320.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.036 http://www.tcsae.org

Song Weitang, Geng Ruo, Wang Jianyu, et al. Design method for fan-coil units-heat pump combined heat collection system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 315-320. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.036 http://www.tcsae.org

2021-09-11

2021-10-29

国家重点研发计划项目（2020YFD1000300）；浙江省科技计划项目（2019C02009）；现代农业产业技术体系建设专项资金项目（CARS-23-D02）

宋卫堂，博士，教授，研究方向为设施园艺工程。Email：songchali@cau.edu.cn

王平智，工程师，研究方向为设施农业工程。Email：wpz@cau.edu.cn