基于太陽能-空氣能雙能源溫室加溫的試驗平臺設計及節能效益分析

張東鳳， 劉永華， 鐘 興， 趙夢龍

(江蘇農林職業技術學院，江蘇句容 212400)

目前，我國設施農業獲得長足的發展，2014年全國溫室面積達207.97萬hm2，比2013年增加8.47萬hm2，同比增長4.25%。其中連棟溫室4.05萬hm2，日光溫室69.66萬hm2，塑料大棚132.13萬hm2。溫室在大力發展的同時也面臨著生產成本上升、效益下滑等問題，其中，冬季溫室加溫所需的能源成本就是導致設施生產成本上升的一個關鍵因素[1]。目前在溫室加溫的能源研究上有單獨電加熱、煤炭加熱、柴油、地熱泵等各種形式，但是這種單一的傳統能源消耗，帶來了酸雨霧霾、溫室效應等環境問題，而新型的太陽能-空氣能的溫室加溫系統，實現了對空氣太陽能2種可再生能源的綜合利用，對于減少化石能源消耗，改善人類生態居住環境有非常重要的意義[2]。近年的中央文件1號文件、以及國家“十三五”規劃都明確提出要大力推進農業現代化，特別提出要走高效、資源節約、環境友好的農業現代化道路，本試驗研究對于溫室生產降低能耗，實現節能減排、綠色低耗生產具有較強的指導意義。

1 太陽能-空氣能雙能源加溫系統試驗平臺的設計

本研究以江蘇省句容市江蘇農林職業技術學院機電辦公樓頂上的微型溫室為載體，采用太陽能-空氣能加熱裝置加溫并進行試驗平臺設計，進一步驗證在玻璃溫室中采用太陽能-空氣能雙能源加溫與單一的太陽能加溫、電加熱加溫相比有何優越性。該微型溫室跨度4 m，采用一跨一(尖頂)屋面；屋面傾斜角22°46′；屋脊走向為南北向(南北向排開間)；寬4 m，長6 m；總面積：4 m×6 m=24 m2；肩高 2.1 m，頂高2.94 m 。溫室四周及頂部全部采用德國拜爾質5 mm+6 mm+5 mm陽光板覆蓋，嵌鍍使用專用鋁合金型材，以密封膠密封。

太陽能-空氣能雙能源溫室加熱系統通過太陽能加熱回路和空氣能加熱回路進行蓄熱介質水的加熱，加熱后的水儲存在太陽能加熱回路和空氣能加熱回路共用的保溫水箱中，之后由溫室加溫回路進行加熱。該系統工作原理如圖1所示。

1.1 太陽能集熱器模塊設計

1.1.1 太陽能集熱器定位 太陽能集熱器傾角θ指的是太陽能集熱器表面與水平面之間的夾角，根據太陽能集熱器安裝要求，太陽能集熱器最理想的安裝角度大約為當地緯度角，江蘇句容的緯度角為31.95°，因此太陽能集熱器安裝傾角θ為31.95°。

1.1.2 太陽能集熱器面積計算[3]

(1)

式中：Ac為直接加熱系統太陽能集熱器總面積，m2；QW為日均熱水用量，kg；CW為水的定額比熱容，4.2×103J/(kg·℃)；Tend為儲熱水箱內的終止溫度或者設計溫度，℃；Tf為水的初始溫度，℃；JT為當地太陽能即熱器采光面上的年均日輻照量，kJ/m2；f為太陽能保證率；ηcd為太陽能集熱器年平均集熱效率；ηi為儲熱水箱及管路的熱損失率。

此溫室系統主要由太陽能和空氣能聯合供熱，空氣能熱泵作為系統主要設備，在夜間、陰雨天氣太陽能集熱器集熱不能滿足溫室熱量需求時，均開啟空氣能熱源泵進行加熱，因此，試驗平臺設計中太陽能集熱器面積不按照公式(1)進行計算，同時考慮到投資成本和試驗場所所限，本系統采用是采用2組50根直徑58 mm、長1 800 mm全玻璃真空管太陽能熱水器，集熱面積8 m2。

1.1.3 太陽能集熱器的連接 太陽能集熱系統是由多塊集熱器連接構成一個太陽能集熱器陣列，集熱器連接方式對集熱系統中各個集熱器的流量分配和換熱均有影響，為保證太陽能集熱系統的高效運行，系統設計須關注集熱器陣列的連接組合方式。集熱器的連接方式主要有3種：串聯、并聯和混聯[3]，本試驗平臺系統采用串聯方式如圖2所示，將2臺集熱器的出、入水口相連進行集熱。

1.1.4 太陽能集熱器系統工作方式及換熱方式 太陽能集熱系統的工作方式包括自然循環方式和強制循環方式；本系統為更好地利用太陽熱能，利用RS-15/6水泵提供動力進行強制循環方式對儲熱水箱中的水進行加熱。

1.2 空氣能熱組設計

空氣熱泵是通過熱媒在吸熱裝置內氣化吸收空氣或其他低溫源中的熱量(低品位熱能)，通過少量電能驅動壓縮機把熱媒壓縮成高溫氣體(高品位熱能)進入放熱裝置內，把吸收的熱能及本身所用電能轉變的熱能釋放到水中，把水不斷加熱，熱媒放熱后變成液體又回到吸熱裝置，周而復始循環工作。

1.2.1 機組能力計算 試驗中設定微型溫室內晚上21：00點至次日上午07：00的溫度為15 ℃，根據溫室熱量散失計算需要空氣熱泵機組大小。溫室熱量散失，一般需要考慮以下幾個方面：(1)溫室材料傳導和輻射所散失的熱量；(2)溫室各處縫隙的空氣流通所散失的熱量；(3)通風換氣所消耗的熱量；(4)室內水分蒸發所消耗的熱量；(5)作物生長所消耗的熱量等。其中，溫室材料傳導和輻射所散失的熱量Qs為主，由公式Qs=K·S·t·ΔT進行計算。式中：K為溫室材料傳熱系數，W/(m2·K)；S為材料表面積，m2；t為時間，s；ΔT為溫室內外溫度差，K。

另外，考慮到材料導熱以外的熱量損失，將總的熱量散失修正為Q=α·Qs，α為修正系數；本試驗中取α為2；K為溫室材料傳熱系數，3.72 W/(m2·K)；S為材料表面積，72 m2；ΔT為溫室內外溫度差，為15 K。

可計算得出供熱設備功率為：

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

據此數據，并參考空氣能熱泵設備參數，選擇KFXRS-9.0IH型號的機組(圖3)。

1.3 儲熱水箱設計

儲熱水箱容積應根據溫室熱量需求、集熱系統供熱能力和運行規律、系統太陽能保證率、加熱特性和自動控制循環溫度等因素來確定。

每小時供給溫室的熱量為：

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

根據溫室面積大小及試驗場地實際情況，供水溫度為 65 ℃，回水溫度為40 ℃攝氏度，根據公式Q=C·M·ΔT，式中C為水的比熱容，計算出每個小時供水量為：

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水箱內的水大約循環供熱1次，選取較為接近規格的儲熱水箱容量為300 L(圖4)。蓄熱水箱由內膽、保溫層和外殼組成，內膽用sus304不銹鋼焊接而成，具有較高的耐腐蝕性，防污染性；芯層為聚氨醋整體發泡的保溫材料；外殼用較薄的不銹鋼板制成，主要起到保護保溫層和美觀的作用。

1.4 溫室散熱系統設計

溫室散熱系統常用地面輻射板、頂棚輻射板、風機盤管、散熱器(放熱管或暖氣片)，現代溫室多采用圓翼形散熱器。本試驗平臺中散熱系統設計主要考慮到試驗溫室面積較小，容易快速加熱，因此使用FP-85W的風機盤管作為散熱裝置(圖5)。其原理主要靠風機的強制作用，使空氣通過加熱器表面時被加熱，強化了散熱器與空氣間的對流換熱器，能夠迅速加熱房間的空氣。

1.5 控制系統設計

為最大限度合理利用太陽能和空氣能，開發設計了基于PLC的太陽能-空氣能雙能源溫室加溫控制系統，系統包括硬件設計和軟件設計。

1.5.1 硬件設計 溫室用太陽能-空氣能雙能源加溫系統的控制系統硬件主要包括：PLC可編程控制器、儲熱水箱內溫度傳感(HS-102)、太陽能加熱循環泵(RS-15/6)、真空集熱管頂端溫度傳感器(HS-102)、溫室加熱循環泵(RS-25/6)、溫室內溫度傳感(HS-102)、風機盤管、溫室外部光照傳感器(ZD-H-AT)等。根據系統所需I/O點數、可編程控制器的可存儲量、響應速度，以及特殊功能擴展等要求，本系統選用三菱FX1N系列FX1N-24MR-001作為核心控制器。

1.5.2 軟件設計 溫室用太陽能-空氣能雙能源加溫系統由集熱回路和供熱回路組成。為保證在不同天氣情況下系統可靠運行，其溫室加熱控制策略為：蓄熱過程：在白天晴天狀態下，當光照傳感器監測光照度大于20 000 lx，且太陽能集熱管上端溫室傳感器監測水溫高于40 ℃時，控制器開啟太陽能集熱器循環水泵，對蓄熱介質水進行循環加熱，保存到儲熱水箱中，否則關閉；在白天陰天或夜晚狀態下，當保溫水箱溫度低于控制器設置溫度時，控制器控制空氣能熱泵進行蓄熱介質水加熱。溫室加熱過程為當溫室內空氣溫度低于控制器設置的溫度時，控制器控制溫室加熱循環水泵工作，進行溫室加熱[4]。

針對以上控制策略，采用三菱GX-DEVELOPER編程軟件的梯形圖語言進行編寫，流程如圖6所示。

2 太陽能空氣能系統裝置的試驗節能效益分析

2.1 試驗平臺概況

該試驗平臺裝置主要包括2組50根直徑58 mm、長 1 800 mm 太陽能集熱模塊、KFXRS-9.0IH空氣能輔熱機組、300 L集熱水箱、FP-85W制熱風機盤管、FX1N-24MR-001核心控制器、RS-15/6太陽能循環水泵、RS-25/6溫室熱水循環水泵、溫度傳感器、光照傳感器、普通溫度計、單相電子式電能表及其他輔助材料[5]。微型溫室太陽能-空氣能雙能源加溫系統試驗平臺如圖7所示。

2.2 測試裝置與測量參數

試驗中主要涉及到溫度采集、太陽輻照量采集、用電度數采集等。通過溫度傳感器采集實時溫度數據，直接讀取，另外輔助普通溫度計(量程：-30～150 ℃；準確度：±0.2 ℃分辨率：0.1 ℃)獲取溫度值[3]；采用單相電子式電能表(參比電壓：220 V，電流規格1.5(6)A，額定頻率50 Hz，準確度2級)獲取消耗電量值。主要測量參數包括：室外太陽輻照量、溫室每天24 h消耗的電量、儲熱水箱水溫、室外環境溫度、溫室溫度。

2.3 系統效益評價

2.3.1 不同系統節能效益比較 本試驗平臺在2016年12月份利用太陽能-空氣能雙能源、空氣能，電加熱3種加溫系統給微型溫室單獨進行加熱，晚上溫室內溫度控制在15 ℃左右[6]。3種系統單獨給微型溫室進行加溫消耗電量的部分數據見表1。另外，以3種系統每天單獨給溫室加溫形成的耗電量平均值為縱坐標，形成3種系統單獨加溫消耗電量的柱狀圖(圖8)。

表1 2016年12月溫室系統加熱系統耗電量數據采集記錄

注：記錄天氣都是晴天，室外溫度、太陽輻照量等都相差不大，忽略其他因素，直接以記錄消耗的的電量作為衡量的參數進行節能效益比較。

通過分析所記錄的數據，給微型溫室單獨采用太陽能-空氣能雙能源加溫系統比單獨采用空氣能加溫系統平均節省電量1.77 kW·h/d，比單獨采用電加熱加溫系統平均節省電量5.54 kW·h/d。由此可見在溫室上采用太陽能-空氣能雙能源加溫系統可以節約能耗，比單獨電加熱加溫系統節約10%以上的能耗。

3 結語

本研究提出了基于太陽能-空氣能雙能源加溫的新型可再生能源系統，該系統采用基于PLC可編程控制器進行系統控制，最大限度合理利用太陽能和空氣能，節約常規能源。同時建立微型溫室加溫系統試驗平臺，進一步對該系統進行節能效益分析，為該系統在現代溫室的廣泛應用提供一定參考。

[1]徐 茂，鄧 蓉. 國內外設施農業發展的比較[J]. 北京農學院學報，2014，29(2)：74-78.

[2]劉 寅. 太陽能-空氣復合熱源熱泵系統性能研究[D]. 西安：西安建筑科技大學，2010：12-13.

[3]陳華山. 溫室太陽能與鍋爐聯合供熱系統的研究[D]. 昆明：昆明理工大學，2013：38-52.

[4]趙夢龍，張東鳳，董燕紅. 太陽能-空氣能雙熱源溫室加熱控制系統設計[J]. 科技創新與應用，2016(34)：76-77.

[5]陳 冰，羅小林，畢方琳，等. 溫室太陽能與空氣源熱泵聯合加溫系統的試驗[J]. 中國農業科技導報，2011，13(1)：55-59.

[6]趙建偉，楊 帆，戚 磊. 太陽能室溫調節系統的研究[J]. 山西電子技術，2016(3)：80-82.