主動蓄放熱空氣源熱泵系統應用效果及分析

摘要：為解決冬季日光溫室內白天高溫、夜間低溫高濕的問題，將一套主動蓄放熱空氣源熱泵系統應用于日光溫室中，并對該系統開展連續運行試驗。首先，從調溫、調濕角度分析其環境調控效果；然后，通過性能系數COP評價不同階段的系統性能；最后，結合蓄能水箱放熱率、系統運行模式和能量利用率綜合評價蓄能模塊性能，為系統及蓄能模塊提出優化建議。試驗結果表明：系統對試驗溫室白天降溫、夜間增溫降濕效果顯著。系統總性能系數為3.0～4.7；蓄能水箱能量利用率在90%以上，其工作可明顯提高系統的性能系數；系統平均運行費用為0.096元/（m2 ? d）。為日光溫室的環境調控及主動蓄放熱系統的優化提供新思路。

關鍵詞：日光溫室；主動蓄放熱；熱泵；系統優化；環境調控

中圖分類號：S625.3； S625.4" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2025） 04?0285?08

Application effect and analysis of active heat storage

and release air source heat pump system

Zhu Chao Xin Yafei Zheng Guoliang Xiang Yingfeng Sun Xianpeng

（1. State Grid Shaanxi Electric Power Research Institute， Xi'an， 710100， China; 2. Shaanxi Huadian New Energy Power Generation Co.， Ltd.， Xi'an， 710016， China; 3. College of Horticulture， Northwest A amp; F University， Yangling， 712100， China; 4. Key Laboratory of Protected Horticultural Engineering in Northwest Facilities， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Yangling， 712100， China; 5. Protected Agriculture Engineering Technology Research Center in Shaanxi Province， Yangling， 712100， China）

Abstract： In order to solve the problem of high temperature in the day and low temperature and high humidity at night in the solar greenhouse， an active heat storage and discharge air source heat pump system was applied to the solar greenhouse， and the continuous operation test of the system was carried out. Firstly， the effects of environmental regulation were analyzed from the angle of temperature and humidity regulation. Then the system performance of different stages was evaluated by the performance coefficient. Finally， combined with the heat release rate of the energy storage tank， the system operation mode and the energy utilization rate， the performance of the energy storage module was evaluated comprehensively， and the optimization suggestions for the system and the energy storage module were put forward. The test results show that the system has significant effect on cooling the greenhouse during the day and increasing the temperature and decreasing the humidity at night. The total performance coefficient ranges from 3.0 to 4.7. The energy utilization rate of the storage tank is more than 90%， and its work can obviously improve the performance coefficient of the system. The average operating cost of the system is 0.096 yuan/（m2 ? d）. This study provides a new idea for the environmental control of solar greenhouse and the optimization of active heat storage and release system.

Keywords： solar greenhouse; active heat storage and release; heat pump; system optimization; environmental regulation

0 引言

中國西北地區非耕地資源和自然光熱資源豐富，設施農業發展較為迅猛[1]，主要發展的農業設施類型為日光溫室[2]。雖然日光溫室跨季節生產能力強[3]，但由于冬季西北地區晝夜溫差大[4]，導致日光溫室應用效果不理想。因此，解決冬季日光溫室生產中溫度晝高夜低的難題一直是該地區設施農業的研究熱點。

較多學者利用太陽能[5]、地熱能[6]等清潔能源復合熱泵系統對建筑進行調溫，表現出良好效果。蔣綠林等[7]通過開展多熱源熱泵溫室加熱試驗研究，表明復合系統加溫效果和節能效果均表現良好。Sameh等[8]通過搭建太陽能輔助熱泵系統，討論了氣候條件對系統性能的影響，證明供暖系統可以滿足冬季溫室供暖的需要。Xu[9]、Yang[10]等將地源熱泵和太陽能系統結合，實現了對溫室清潔供熱。雖然復合系統解決了夜間供暖問題，但是白天溫室內溫度過高的問題還尚待解決。

采用通風策略控制白天溫室內的溫度，會造成熱能的浪費。因此，收集溫室內白天多余的熱量，并在夜間釋放出來是解決該難題的重要思路。宋衛堂等[11， 12]設計和優化了表冷器—風機主動集放熱系統，并通過試驗證明了其調溫和節能效果良好，可以滿足溫室正常生產需求。

因此，本文對主動蓄放熱空氣源熱泵系統開展連續運行試驗，從調溫、調濕、節能和效益的角度研究系統應用效果；為避免性能系數COP[13]這一評價指標過于單一，結合放熱率、系統運行模式和能量利用效率綜合評價系統性能，為系統及蓄能模塊提出優化建議。

1 試驗系統

1.1 試驗溫室

試驗溫室是位于陜西省楊凌區（34.5°N，107.8°E）的一座東西走向日光溫室。溫室全長29 m，跨度為9.2 m，脊高為3.8 m，后墻高為3.6 m。前屋面覆蓋單層塑料薄膜，外側覆蓋保溫棉被。山墻內側表面鋪有保溫隔熱板，后墻為水泥襯砌的磚墻，整個溫室保溫性能良好。整個溫室沿長度方向被隔熱板均分成3個隔間，隔間門由雙層防風保溫門簾隔開。其中，試驗溫室為東側隔間且已安裝一套主動蓄放熱空氣源熱泵系統；對照溫室為西側隔間，未采取任何主動調溫措施。2個隔間均在同樣位置布置測量設備。

1.2 試驗系統

主動蓄放熱空氣源熱泵系統組成如圖1所示，系統包括室外機部分、室內機部分和蓄能部分[14]。系統的R22型制冷劑通過逆卡諾循環，實現熱量的轉移。室內機同時與室外機和蓄能水箱連接，兼具蓄熱和放熱功能。空氣源熱泵系統的制冷性能系數為2.7，制熱性能系數為3.0?？刂葡渫ㄟ^控制系統的2條回路實現3種工作狀態：（1）制熱狀態工作回路：室外風機盤管→第二電子閥→壓縮機→室內風機盤管→膨脹閥→第一電子閥→室外風機盤管。（2）蓄熱狀態工作回路：室內風機盤管→膨脹閥→第一電子閥→換熱盤管→第二電子閥→壓縮機→室內風機盤管。（3）放熱狀態工作回路：換熱盤管→第二電子閥→壓縮機→室內風機盤管→膨脹閥→第一電子閥→換熱盤管。

1.3 工作模式

由于系統蓄熱、放熱是一個完整的過程，因此，此次試驗設定9：00—次日9：00為一天。日光溫室室內溫度同室外溫度一樣呈日周期變化規律，為避免早上及傍晚溫度波動太大引起系統頻繁啟停，設定系統在10：00—16：00和21：00—次日8：00運行。當室內溫度持續高于或低于閾值溫度10 min時，認為室內溫度環境變化趨于穩定，系統開機工作（下述系統運行均以此為前提）。系統運行模式主要受室內外溫度影響[16]。

1） 主動蓄熱模式A。溫室內溫度場景1：室內溫度日周期變化規律中最高溫度超過一定溫度（25 ℃）且最低溫度高于一定溫度（10 ℃）。溫室內溫度超過蓄熱模式閾值溫度（25 ℃）時，系統啟動蓄熱回路，室內風機既作為末端給溫室降溫，又作為熱量收集系統將溫室內過剩的熱量儲存到蓄能水箱中，直至溫室內溫度低于一定溫度（15 ℃）時，系統停止運行。

2） 主動放熱模式B。溫室內溫度場景2：室內溫度日周期變化規律中最高溫度超過一定溫度（25 ℃）且最低溫度低于一定溫度（10 ℃）。此時系統在溫室內溫度高于一定溫度（25 ℃）時啟動蓄熱回路并收集溫室內過剩熱量；當夜間和凌晨溫室內溫度低于一定溫度（10 ℃）時，系統首先啟動放熱回路，此時室內機執行末端供暖功能；當蓄能水箱的熱量完全釋放后，溫室仍有供熱需求，則另外需要室外機執行吸收室外空氣熱能功能，此時系統啟動制熱回路。

3） 主動制熱模式C。溫室內溫度場景3：室內溫度日周期變化規律中最高溫度低于一定溫度（25 ℃）且最低溫度低于一定溫度（10 ℃）。此時蓄能水箱不進行蓄熱。當溫室內溫度低于一定溫度（如10 ℃）時，系統啟動制熱回路。

2 試驗方法

2.1 測試儀器與測點布置

如圖2所示，在2個隔間溫室空間中央距地面1 m處均布置1臺溫濕度變送器，用來采集各溫室的溫濕度數據，蓄能水箱內部中央布置熱電偶溫度傳感器，以上數據均通過無紙記錄儀每隔30 s記錄1次；室外距地面1 m處布置熱電偶傳感器，室內距地面1 m處有5個熱電偶溫度傳感器，并通過安捷倫溫度巡檢儀每30 s采集1組溫度數據；主動蓄放熱空氣源熱泵系統耗電量情況每隔1 h采集1次，并上傳云端存儲數據。

2.2 性能評價方法

該系統蓄熱階段性能系數COP1可由式（1）計算。

系統制熱和放熱運行階段，保溫被均為放下狀態，此時日光溫室是一個保溫性能良好的密閉環境。即可認為初始環境參數相同的試驗溫室和對照溫室產生的溫濕度差異，均由系統對溫室內空氣加熱造成。因此，可用試驗溫室和對照溫室內空氣的焓值變化進行相關計算分析。系統制熱和放熱階段的性能系數COP2可由式（3）得出[15]。

3 結果與分析

春節前后是日光溫室越冬茬生產中作物成型及上市的關鍵時期，該時期決定了農業生產收益水平。根據往年經驗，該時期常會有惡劣天氣來襲，在此時期作物若受低溫影響，會嚴重影響產量及品質。因此，在該時期內，為作物提供相對穩定且適宜的環境，可提高農業收益。1月28日—2月14日期間出現雨夾雪、多云、晴、中雪等多種天氣狀況，本次試驗系統運行選擇該時間段，連續運行以檢驗其應用效果和性能。

3.1 試驗系統對溫室環境調節效果分析

3.1.1 白天對溫室調節作用分析

圖3是2022年1月28日—2月14日白天（10：00—16：00）試驗溫室與對照溫室室內及室外平均氣溫變化情況。結合圖3和天氣狀況可判斷，1月28日、2月6日和2月7日由于雨雪天氣影響，系統白天處于制熱狀態，此時，試驗溫室平均溫度為10.2 ℃～11.1 ℃，對照溫室平均溫度為6.4 ℃～7.6 ℃，室外平均溫度為1.7 ℃～5.3 ℃，試驗溫室平均氣溫比對照溫室平均氣溫高3 ℃以上。1月29日和2月5日受雨雪天氣前后的影響，白天光照不充足，溫室內溫度沒有達到系統運行的閾值溫度，導致系統白天并未運行，因此，試驗溫室和對照溫室內的溫度無顯著差異，但均高于室外溫度，可見此溫室的保溫效果良好。其他時間系統均有運行蓄熱模式，此時，試驗溫室平均溫度為20.6 ℃～27.4 ℃，對照溫室平均溫度為23.8 ℃～30.7 ℃，室外平均溫度為5.7 ℃～14.6 ℃，試驗溫室平均溫降達到3 ℃以上。

圖4是2022年1月28日—2月14日白天（10：00—16：00）試驗溫室與對照溫室室內及室外最高氣溫變化情況。由圖4可知，試驗溫室最高溫度為11.7 ℃～35.9 ℃，對照溫室最高溫度為7.7 ℃～39.2 ℃，室外最高溫度為3.5 ℃～19.4 ℃。試驗溫室內的最高溫度相較于對照溫室內的最高溫度，極大地降低了作物受高溫脅迫的風險?？梢姲滋煜到y在溫室場景下運行，工作性能穩定，對溫室調溫效果明顯。

通過對試驗溫室、對照溫室和室外白天平均氣溫及最高氣溫的對比分析，可以得出：在運行周期內，除特殊天氣狀況外，試驗溫室內的氣溫均低于對照溫室內的氣溫，主要是因為此期間系統通過運行蓄熱模式，將試驗溫室內的熱量儲存到蓄能水箱，達到溫室內降溫的目的；且由于系統設定了閾值溫度，使得試驗溫室內的氣溫在系統運行周期中保持在相對穩定范圍內。雨雪天室外氣溫較低的情況下，系統運行制熱模式滿足了作物生長最低溫度需求；雨雪天前后，溫室內氣溫并未達到制熱模式或蓄熱模式的閾值溫度，因此，系統并未運行，但由于溫室自身保溫性能良好，室內氣溫保持在作物適宜生長的范圍內。

3.1.2 夜間對溫室調節作用分析

圖5是2022年1月28日—2月14日夜間（21：00—次日8：00）試驗溫室與對照溫室室內及室外平均氣溫變化情況。由圖5可知，試驗溫室夜間平均溫度為8.5 ℃～12.6 ℃，對照溫室夜間平均溫度為5 ℃～12.6 ℃，室外夜間平均溫度為-3.8 ℃～3.8 ℃，試驗溫室平均升溫達到3 ℃以上。由于2月13日為晴天，夜間溫度較高，因此，夜間系統并沒有運行，2個溫室夜間平均溫度分別為12.5 ℃、12.6 ℃（誤差范圍內認為兩者相同）。

圖6是2022年1月28日—2月14日夜間（21：00—次日8：00）試驗溫室與對照溫室室內及室外最低氣溫變化情況。由圖6可知，試驗溫室最低溫度為7.5 ℃～10.5 ℃，對照溫室最低溫度為4.5 ℃～9.9 ℃，室外最低溫度為-6.4 ℃～2.1 ℃。試驗溫室最低溫度高于大部分作物的最低生長溫度，說明系統對夜間的調溫效果良好。

圖7為2022年1月28日—2月14日夜間（21：00—次日8：00）試驗溫室與對照溫室室內平均相對濕度變化。高濕是植物病害產生的重要因素，因此，夜間降濕也是日光溫室環境調控研究中的重點。從圖7可以看出，試驗溫室夜間平均相對濕度為44.1%～66.1%，對照溫室夜間平均相對濕度為60.5%～73.6%。試驗溫室夜間平均濕度比對照溫室夜間平均相對濕度低10%以上?？梢娫撓到y夜間不僅調溫效果明顯，降濕效果也顯著。

通過對比分析夜間試驗溫室、對照溫室和室外的氣溫和相對濕度，可以得出：夜間室外氣溫和室內氣溫在運行周期內變化趨勢相同，但室內氣溫的變化較穩定，其中試驗溫室的夜間最低氣溫為7.5 ℃～10.5 ℃，波動幅度較小，且高于大部分作物最低生長溫度，這是由于夜間室內氣溫降低，低于系統運行閾值溫度后，系統會及時放熱或制熱，為溫室提供熱量。夜間系統運行時，還會有降濕的效果，其原理為：夜間試驗溫室內氣溫升高，空氣飽和壓力增大，可容納的水蒸氣質量增大，導致空氣的相對濕度降低。

本次系統試驗時間段為設施農業越冬茬栽培中作物成型及上市的關鍵時期。此期間，經歷雨雪天、晴天和多云天，從圖3～圖7對比分析可知，在不同的天氣狀況下，系統運行效果良好，可以為作物提供適宜的溫濕度環境，為作物越冬生產提供保障，為設施農業環境調控提供思路。

3.2 試驗系統運行性能分析

3.2.1 白天運行性能

圖8為系統白天蓄熱階段性能參數。在連續18天的運行中，系統表現出良好的節能效果。

結合天氣狀況和圖8可知，1月28日、2月6日和2月7日由于雨雪天氣影響，系統白天運行制熱模式，制熱量為1.44×105～1.5×105 kJ，系統性能系數COP1為3.3～3.6。1月29日和2月5日受雨雪天氣前后的影響，系統白天并未運行。其他時間系統蓄能水箱均蓄熱，蓄熱量為1.91×104～6.11×104 kJ，系統性能系數COP1為2.4～4.9。1月28日水箱溫度降低是由于蓄能水箱熱量自然流失造成的，而1月29日、2月5日、2月6日和2月7日這4天盡管蓄能水箱沒有蓄熱，但是水箱溫度仍上升，原因可能是：測量裝置誤差；水箱溫度低于室內溫度，引起蓄能水箱和空氣熱交換。2月14日系統性能系數COP1為2.4，明顯低于其他時間段的原因是：2月13日夜間蓄能水箱未放熱，導致2月14日白天蓄能水箱溫度較高，蓄熱效果較差。

3.2.2 夜間運行性能

圖9為系統夜間運行性能參數。結合天氣狀況和圖9可判斷，1月28日、1月29日、2月5日、2月6日和2月7日這5天受天氣狀況影響，蓄能水箱白天并未蓄熱，從而夜間蓄能水箱放熱量為0，此時系統運行制熱模式，系統COP2為2.7～3.5。由于2月13日溫室內夜間溫度并沒有低于運行閾值溫度（10 ℃），因此，蓄能水箱夜間沒有放熱。蓄能水箱溫度降低是由于熱量自然流失造成。其他時間水箱放熱量為4.3×104～5.99×104 kJ。系統COP2為4.1～5.1，水箱放熱率與系統性能系數呈正比趨勢。機組夜間總放熱量為1.64×105～3.3×105 kJ。蓄能水箱放熱率為17%～25%，主要是因為蓄能水箱容量較小，白天儲存的熱量少。

3.2.3 整體運行性能分析

系統在長達18天的連續運行中，經歷雨雪天、晴天和多云等不同天氣狀況，均表現出優異的性能。如表1所示，試驗期間，系統的總性能系數為3.0～4.7，系統蓄能水箱能量利用效率為31%～88%。分析可知，2月13日蓄能水箱夜間沒有放熱，所以水箱能量利用效率為0；1月28日、1月29日、2月5日、2月6日和2月7日期間，由于白天蓄能水箱并未蓄能，所以水箱能量利用效率為0。2月14日蓄能水箱能量利用效率為313%，是由于前一日蓄能水箱夜間沒有放熱，導致當天的放熱量高于當天的蓄熱量。系統溫度感應裝置和換熱盤管位于蓄能水箱正中央，導致系統運行時，水箱內溫度場不均勻，邊緣溫度會短暫滯后于中央溫度，造成蓄能水箱放熱不完全，而未完全放出的這部分熱量會在下一個放熱周期放出，這是2月3日和2月12日蓄能水箱能量利用效率高于100%的原因。在18天試驗中，系統有5天運行模式C，1天運行模式A，12天運行模式B，且運行模式B時的系統總性能系數高于運行模式A和模式C，這是因為運行模式B時，蓄能水箱會釋放儲存的熱量，降低了系統能耗。

3.3 試驗系統效益分析

熱泵系統為作物提供適宜生長環境的同時，還應考慮其運行成本。表2是試驗當地農業用電計價方式及系統用電情況。系統運行18天，共消耗電量391.33 kW ? h，其中高峰時段總耗電量為62.22 kW ? h，占總耗電量的16%；低谷時段總耗電量為229.40 kW ? h，占總耗電量的59%；平價時段總耗電量為99.71 kW ? h，占總耗電量的25%；總費用為156.16元，系統為一棟90 m2、280 m3的日光溫室調溫的平均運行費用為0.096 元/（m2 ? d），相比于地源熱泵系統的運行費用（地源熱泵系統運行費用為0.12 元/（m2 ? d）[16]），主動蓄放熱系統可降低運行成本20%?？梢姡ㄟ^蓄放熱策略，可以調節系統的用電時間段，降低高峰時間段耗電量占比，降低用電成本。

試驗期間系統夜間共釋放熱量4 397 MJ，若使用燃煤供暖同樣多的熱量，則需要226 kg標準煤（設燃煤鍋爐效率為0.7，管網輸送效率為0.95，標準煤的熱值為29 260 kJ/kg[17]，燃燒1 kg煤將釋放3.67 kg的CO2[18]），因此，火力發電燃燒標準煤所排放的CO2量為829.42 kg；消耗電量為308.41 kW ? h，折算成標準燃煤為114 kg（設火力發電廠的發電效率為0.35，輸配電效率為0.95[17]），排放CO2量為418.38 kg，較燃煤供暖方式降低98.2%。隨著清潔能源技術的推廣普及，該系統的溫室氣體排放可進一步降低，為綠色發展作出貢獻。

系統以較低的運行成本，為日光溫室作物生產關鍵時期提供適宜的環境，提高了農業收益，同時又降低了用能時的碳排放，可見該系統適用于大面積推廣。

3.4 優化分析

系統長時間連續運行表現出優異的性能，但仍有進一步優化的空間。從圖8、圖9和表1可以看出，蓄能水箱能量利用率在90 %以上，但水箱放熱率僅為17 %～25 %，可見蓄能水箱的容量偏小，存儲的熱能不能滿足夜間溫室熱量的需求，對此，應該評估溫室白天過剩的熱量及夜間需要的熱量，設計較匹配的蓄能水箱體積。同時增大水箱體積后，在儲存和釋放相同熱量時，水箱溫度變化較小，有利于換熱盤管熱量交換，系統的能耗會進一步降低。

對于蓄能水箱內溫度場不均勻問題，隨著對蓄能水箱容量的增大，該問題會更加突出，因此，可通過加裝循環裝置實現蓄能水箱溫度均勻分布，從而實現蓄能水箱蓄放的熱量在一個周期內高效利用。

從表1可以看出，系統運行模式B時的總性能系數高于運行模式A和模式C。一個完整的蓄放熱周期包括蓄熱階段和放熱階段。蓄能水箱是否蓄熱，應該取決于夜間溫室是否有供熱需求。光照充足的冬季，日光溫室內會出現夜間最低溫度高于放熱閾值溫度的情況，采用人工智能手段預測夜間溫度變化情況，對模式A的運行策略做出調整，決定蓄能水箱工作情況，從而避免不必要的蓄熱，減少能源浪費，達到節能目的。模式C屬于應急模式，受雨雪天或連續雨雪天的影響，蓄能水箱白天無法蓄熱，在室內氣溫較低時，系統處于制熱狀態，此時耗電量較大。通過預測未來天氣變化，在雨雪天到來之前增加蓄熱量，可以有效降低雨雪天系統運行制熱模式的耗電量。為此，通過優化蓄能水箱蓄熱策略，可以有效降低系統運行能耗。

該系統的蓄能水箱預留有水回路接口，可以實現根據不同地區的優勢能源，利用不同種類的能源，例如，通過太陽能集熱裝置、風能攪拌制熱裝置、地熱能利用裝置、電廠余熱利用裝置等清潔能源利用裝置，將熱量儲存到蓄能水箱中，實現日光溫室生產時能源的清潔高效利用。

4 結論

1） 該系統對日光溫室環境調控效果顯著。白天試驗溫室平均降溫3 ℃以上；夜間試驗溫室最低溫度高于大部分作物的最低生長溫度，同時夜間相對濕度降低10%以上。溫濕度參數均更有利于植物生長。

2） 系統節能效果明顯，系統白天蓄熱階段性能系數COP1為2.4～4.9；夜間性能系數COP2為2.7～5.1，系統總性能系數為3.0～4.7。蓄能水箱利用率在90%以上，水箱放熱率為17%～25%，蓄能水箱工作可明顯提升系統的性能系數。系統平均運行費用為0.096 元/（m2 ? d），且碳排放較燃煤供暖方式降低98.2%，系統的經濟效益和環保效益較好。

3） 系統的運行效果和性能仍有很大提升空間。在后續的研究中，可以通過優化蓄能水箱的容量，進一步提升蓄能水箱放熱率，從而提高系統性能；優化傳感器位置，加裝循環裝置實現蓄能水箱溫度均勻分布，進一步提升蓄放熱效率；調整系統模式A和模式C的運行策略，根據天氣狀況，控制蓄能水箱的蓄熱量，提高蓄熱階段性能系數；通過清潔能源利用裝置，將熱量儲存到蓄能水箱中，進一步實現能源的清潔高效利用。

參 考 文 獻

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