溫室用太陽能熱泵土壤蓄能系統(tǒng)的研究

蔣綠林，蔡佳霖，胡 靜，盧 旺，呂長寧

(常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇常州 213000)

溫室主要用于栽培蔬菜植物，在不適合作物生長的季節(jié)為作物生長提供適宜的溫度。我國北方地區(qū)入秋后，晝夜溫差逐漸增大。白天氣溫較高，溫室作物能夠正常生長；夜晚氣溫驟降，溫室內(nèi)部溫度有時降到0 ℃以下。根據(jù)《中國農(nóng)業(yè)百科全書：蔬菜卷》可知，一般作物適宜的生長溫度在5～35 ℃ 之間。溫度過低不利于作物生長，因此，北方地區(qū)必須在冬季為溫室供暖。傳統(tǒng)溫室的供暖方式以燃煤鍋爐為主，這種高溫?zé)嵩捶艧岬墓┡绞讲粌H造成大量的能源浪費，而且燃煤鍋爐排放的CO2、NOx、SOx等污染物對環(huán)境也造成了嚴(yán)重污染[1]。

隨著我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，溫室大棚供暖的能源供應(yīng)不再僅限于一次能源。我國北方地區(qū)冬季太陽輻射較強，有研究者提出將太陽能熱利用技術(shù)應(yīng)用于溫室大棚供暖，并對此進(jìn)行了相關(guān)研究[2-4]。江蘇大學(xué)的毛罕平等研制了1種溫室太陽能加熱系統(tǒng)，其主要由真空管太陽能集熱器和循環(huán)管道組成，并采用電采暖作為系統(tǒng)的輔助熱源以滿足溫室的連續(xù)供暖需求[5]。陜西科技大學(xué)的蘇偉等設(shè)計了太陽能與地源熱泵聯(lián)合溫室大棚系統(tǒng)及該系統(tǒng)的可編程邏輯控制器(programmable logic controller，簡稱PLC)控制回路，并對其可行性作了簡要分析[6]。太陽能與地源熱泵聯(lián)合溫室大棚系統(tǒng)的初投資較高，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說，其系統(tǒng)投資回收期較長。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)的于威等設(shè)計了日光溫室太陽能土壤加溫系統(tǒng)，通過試驗研究在該系統(tǒng)的作用下地溫隨著不同地?zé)峁苈裆畹淖兓闆r。結(jié)果表明，太陽能土壤加溫系統(tǒng)對夜間土壤溫度有顯著提升作用[4]。根據(jù)調(diào)研，國內(nèi)溫室大棚太陽能熱利用技術(shù)大多采用太陽能悶曬水的集熱方式，依靠太陽能悶曬真空管或平板式太陽能集熱板來提升內(nèi)部水的溫度，結(jié)合儲能水箱及溫室內(nèi)部換熱系統(tǒng)對溫室進(jìn)行供暖。這種僅通過太陽悶曬來加熱水的做法，其太陽能利用率較低，無法滿足大面積溫室大棚生產(chǎn)的供暖需求，且溫室大棚供暖須配備較大的儲能水箱，浪費了土地資源，后期維護(hù)也較為麻煩。

針對以上溫室供暖技術(shù)的不足，本研究設(shè)計1種溫室用太陽能熱泵土壤蓄能系統(tǒng)，利用制冷劑R134A在平板式太陽能集熱板中采集太陽能量，通過壓縮機提升能量品位，制冷劑通過板式換熱器將熱量換熱給水，通過循環(huán)水泵使水在水平橫埋管中循環(huán)流動，以這種形式將熱量最終換熱給溫室內(nèi)部土壤，最終實現(xiàn)溫室內(nèi)部土壤及空氣溫度的提升。通過試驗對此系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析不同工況下系統(tǒng)性能及其供暖效果，得出相應(yīng)結(jié)論。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗原理及主要裝置

對于太陽能熱泵土壤蓄能系統(tǒng)，制冷劑R134A在太陽能集熱蒸發(fā)器內(nèi)吸收熱量，經(jīng)壓縮機壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱倪^熱蒸氣，再經(jīng)溫室內(nèi)地埋管側(cè)板式換熱器冷凝后，進(jìn)入膨脹閥節(jié)流為低溫低壓的氣液兩相混合物，最后回到太陽能集熱蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)，如此完成1個循環(huán)過程。在白天，隨著太陽能熱泵的持續(xù)運行，系統(tǒng)能夠收集較多能量，通過埋深為 40 cm 的水平橫埋管將能量換熱給土壤，土壤溫度不斷升高；在夜晚，釋放儲存在土壤中的能量向溫室供暖。由于白天土壤中儲存了較多能量且土壤的放熱速度較慢，因此土壤對溫室供暖的持續(xù)時間較長，能夠滿足夜間溫室作物的正常溫度需求。隨著系統(tǒng)的正常運行，溫室的土壤溫度及空氣溫度得到明顯提升。

溫室用太陽能熱泵土壤蓄能系統(tǒng)(圖1)所選用的壓縮機為上海日立家用電器有限公司W(wǎng)HP09800DCV-C9EU型轉(zhuǎn)子式壓縮機，其額定制熱量為9.97 kW，額定功率為 2.46 kW。太陽能集熱蒸發(fā)器是由12塊太陽能集熱板并聯(lián)而成，集熱板選用江蘇省常州海卡太陽能熱泵有限公司生產(chǎn)的有玻璃蓋板的平板式太陽能集熱板，尺寸為1 000 mm×2 000 mm×80 mm，朝正南方向放置，與水平面夾角為60°。

1.2 試驗方法

以山西省大同市一溫室大棚為例，該溫室大棚長為 60.0 m，寬為8.0 m，背墻高度為2.5 m，墻厚為0.5 m，設(shè)計總暖負(fù)荷為20 kW。溫室夜間覆蓋保溫棉被，16：00覆蓋，次日09：00揭開。為分析太陽能熱泵土壤蓄能系統(tǒng)的運行效果，用隔熱板將溫室隔成東、西2個相同的區(qū)域進(jìn)行對比試驗，東半部鋪設(shè)地埋管，而西半部設(shè)為無地埋管的對照區(qū)。太陽能熱泵運行時間為08：00—17：00。

對有太陽能熱泵土壤蓄能系統(tǒng)和無太陽能熱泵土壤蓄能系統(tǒng)的溫室分別進(jìn)行試驗測試。測試記錄的數(shù)據(jù)(0.5 h采集1次)包括太陽輻射強度、地埋管總管水流量(qm)、主機功率(W)、地埋管總管的供/回水溫度(T1/T2)。圖2為試驗溫室/對照溫室地面往下20 cm、地面往上1.5 m處的溫度(T3/T5、T4/T6)(視作溫室的土壤溫度、空氣溫度)、室外環(huán)境溫度(T7)。所用的試驗儀器主要包括太陽輻射強度測量采用的北京中西遠(yuǎn)大科技有限公司生產(chǎn)的輻射量采集儀，水流量的測量采用的江蘇進(jìn)源儀表有限公司生產(chǎn)的渦輪流量計，主機功率測量采用的浙江喬宇電氣有限公司生產(chǎn)的RS485通信遠(yuǎn)程控制電能表，溫度測定選用的江蘇省常州市金艾聯(lián)電子科技有限公司生產(chǎn)的JK-16U多路溫度巡檢儀。

2 結(jié)果與分析

試驗工況包括晴天工況和多云工況2個部分。

2.1 晴天工況下試驗

2.1.1 系統(tǒng)性能分析 由圖3可知，太陽輻射良好，輻射強度峰值出現(xiàn)在13：30，為1 018 W/m2；系統(tǒng)供水溫度在15.1～21.0 ℃之間，峰值出現(xiàn)在14：00；系統(tǒng)回水溫度在 13.7～17.6 ℃ 之間，峰值出現(xiàn)在15：30；系統(tǒng)供回水溫差在1.4～3.4 ℃之間，峰值出現(xiàn)在14：00。

系統(tǒng)供水溫度受太陽輻射強度的影響較為明顯。隨著輻射強度的增強，供水溫度隨之升高，而回水溫度變化相對較平緩，供回水溫差加大，土壤的熱量增大。隨著太陽輻射強度的減弱，供/回水溫度也隨之下降。另外，由于土壤具有較大的熱容量，供/回水溫度及其溫差出現(xiàn)峰值的時間均晚于太陽輻射最強時的時間。

對系統(tǒng)的性能系數(shù)(coefficient of performance，簡稱COP)進(jìn)行分析。COP的計算公式如下：

(1)

Q=C0qm(T1-T2)。

(2)

式中：Q為系統(tǒng)的制熱量，kW；W為系統(tǒng)運行時的主機輸入功率(包括壓縮機、水泵的耗功)，kW；C0為水的比熱容，4.186 kJ/(kg·K)；T1、T2為供/回水溫度，℃；qm為水的質(zhì)量流量，kg/s，根據(jù)試驗，系統(tǒng)水平橫埋管中水的質(zhì)量流量qm趨于穩(wěn)定，其值約為0.94 kg/s。

由圖4可知，系統(tǒng)的制熱量隨太陽輻射強度的變化而變化，而主機的輸入功率相對變化不大。將系統(tǒng)的制熱量和主機輸入功率代入COP的計算公式，得到相應(yīng)的COP。結(jié)果表明，系統(tǒng)的COP隨太陽輻射強度增強而增大，隨太陽輻射強度減弱而減小。根據(jù)計算，晴天工況下系統(tǒng)的平均COP為4.05。

2.1.2 供暖效果分析 由圖5可知，在白天地埋管與土壤的持續(xù)換熱下，系統(tǒng)對土壤溫度有明顯提升。與對照溫室相比，試驗溫室的土壤溫度日平均提升3.3 ℃，最大提升時間在14：00，提升3.9 ℃。另外，結(jié)合圖3可以看出，白天的各個時段，試驗系統(tǒng)的回水溫度在13～18 ℃范圍內(nèi)波動，而試驗溫室土壤溫度在10～16 ℃范圍內(nèi)波動，回水溫度高于試驗溫室土壤溫度，說明白天系統(tǒng)運行期間，地埋管與土壤換熱良好，土壤持續(xù)吸收地埋管熱量。

由圖6可知，在白天將溫室保溫棉被揭開后，溫室空氣在太陽輻射下不斷升溫。地埋管與土壤換熱對溫室空氣溫度提升較小，試驗溫室與對照溫室空氣溫度相差不大；到了晚上由于儲存在土壤中的熱量會緩慢地釋放到溫室內(nèi)，試驗溫室比對照溫室中空氣溫度高，試驗溫室中空氣夜晚溫度(17：00至次日08：00)比對照溫室平均高1.4 ℃，說明本研究的系統(tǒng)對溫室空氣的增溫效果明顯。

晴天工況下白天(08：00—17：00)室外環(huán)境溫度在4～14 ℃ 之間，夜間(17：00至次日08：00)溫度在5～8 ℃之間，晝夜溫差較大。白天試驗溫室中空氣溫度比環(huán)境溫度高5～8 ℃，夜間高3～5 ℃。由于在白天系統(tǒng)運行的同時，溫室也在被動的吸收、儲存太陽能量，所以試驗溫室較室外環(huán)境溫度高。溫室溫度能滿足作物生長需求。

2.2 多云工況下試驗

2.2.1 系統(tǒng)性能分析 由圖7可知，太陽輻射強度波動劇烈，隨著系統(tǒng)的運行，系統(tǒng)供/回水溫度一定程度上隨著輻射強度的波動而波動，但由于土壤具有較大的熱容量，供/回水溫度不會出現(xiàn)像太陽輻射強度那樣劇烈的變化，二者達(dá)到動態(tài)平衡。隨著輻射強度的不斷減弱，供水、回水溫差不斷減小。在16：00以后，太陽輻射強度降至100 W/m2以下，此時的供水、回水溫差僅有0.2 ℃左右，地埋管與土壤基本不換熱。

由圖8可知，系統(tǒng)制熱量的波動受太陽輻射強度的影響較明顯，而其主機輸入功率依然波動不大，因此系統(tǒng)的COP變化受太陽輻射強度影響明顯。16：00以后，太陽輻射強度過低，系統(tǒng)制熱量降到2 kW左右，而此時的主機輸入功率略低于制熱量，系統(tǒng)能效比過低，主機應(yīng)停止運行。根據(jù)計算，多云工況下系統(tǒng)COP平均值為2.50。

2.2.2 供暖效果分析 由圖9可知，在多云工況下，與對照溫室相比，試驗溫室土壤溫度日平均提升2.28 ℃。由圖10可知，在白天試驗溫室與對照溫室中空氣溫度相差不大；夜晚(17：00至次日08：00)試驗溫室比對照溫室中空氣溫度高，平均高1.0 ℃，可見本研究的系統(tǒng)對溫室增溫效果明顯。

在多云工況下，白天(08：00—17：00)室外溫度在6～9 ℃ 之間，夜間(17：00至次日08：00)溫度在5～6 ℃之間，晝夜溫差較大。白天，在系統(tǒng)和被動式溫室太陽能蓄能的共同影響下，試驗溫室內(nèi)部空氣溫度比環(huán)境溫度高2～5 ℃；夜間高3～4 ℃。溫室中空氣溫度明顯提升，有利于作物生長。

3 結(jié)論

溫室用太陽能熱泵土壤蓄能系統(tǒng)在晴天和多云天氣工況下運行情況良好。系統(tǒng)的供/回水溫度及性能系數(shù)(COP)均受太陽輻射強度影響，輻射增強，供/回水溫度及COP隨之升高，反之則降低。由于土壤具有較大熱容量，系統(tǒng)供/回水溫度波動滯后于太陽輻射強度且較為平緩，二者達(dá)到動態(tài)平衡；晴天和多云天氣工況下，系統(tǒng)的平均COP分別為4.05、2.50。

系統(tǒng)供暖效果明顯。在晴天工況下，與對照溫室相比，試驗溫室土壤溫度日平均提升3.24 ℃，夜間溫室空氣溫度平均提升1.49 ℃；在多云天氣工況下，與對照溫室相比，試驗溫室土壤溫度日平均提升2.28 ℃，夜間溫室空氣溫度平均提升 1.02 ℃；同時，在太陽能熱泵土壤蓄能系統(tǒng)和被動式溫室太陽能蓄能的共同影響下，溫室內(nèi)部空氣溫度比室外環(huán)境溫度提升大，溫度提升2～8 ℃，在較大程度上提高了作物的生長環(huán)境溫度。

根據(jù)調(diào)研，溫室年供暖平均天數(shù)約為120 d，其中陰、雨、雪等惡劣天氣天數(shù)占15%。在連續(xù)惡劣天氣工況下，太陽能熱泵土壤蓄能系統(tǒng)無法滿足溫室的供暖需求。因此，考慮增加輔助能源來保證系統(tǒng)的全年穩(wěn)定運行。下一步工作集中在選擇合適的輔助供暖設(shè)備來匹配太陽能熱泵土壤蓄能系統(tǒng)，并對結(jié)合輔助供暖設(shè)備的系統(tǒng)進(jìn)行全年運行的應(yīng)用研究。