甲魚養(yǎng)殖溫室太陽能熱泵供暖系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)建

賈少剛，劉曉勤，馬 萍，應(yīng)志軍，盧 源

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江湖州 313000）

目前，農(nóng)業(yè)溫室冬季供暖主要采用煤爐[1]，消耗大量煤炭并造成環(huán)境污染。因此，開發(fā)利用清潔能源和高效節(jié)能技術(shù)是溫室農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。太陽能是清潔可再生能源，熱泵是高效節(jié)能技術(shù)，兩者的結(jié)合應(yīng)用既克服了太陽能受天氣影響的缺點，也提高了系統(tǒng)的性能，已越來越多地應(yīng)用到了農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[2-5]，太陽能熱泵技術(shù)對解決能源與環(huán)境問題具有重要意義[6]。本文以湖州市吳興區(qū)東林鎮(zhèn)保豐村某甲魚養(yǎng)殖溫室為研究對象，取其30 m2溫室進(jìn)行了溫室熱負(fù)荷計算、太陽能熱泵供暖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與主要部件選型以及試驗臺搭建等研究工作，為下一步的供暖實驗研究打下了堅實基礎(chǔ)。

1 甲魚養(yǎng)殖溫室概況

甲魚養(yǎng)殖溫室室溫需維持在35℃，此溫度有利于甲魚的快速生長。單個養(yǎng)殖池面積為30 m2，其尺寸為5 m×6 m，一般情況一個溫室有16～18個養(yǎng)殖池，養(yǎng)殖池對稱布置，溫室四周墻體為單層磚壘砌，中間過道寬度為700 mm，養(yǎng)殖池深度為600 mm，水深為450 mm；溫室南北墻的厚度為220 mm，高度為600 mm；東西墻的厚度為120 mm，呈圓弧形，頂棚搭建在四周墻體上，頂棚最高點距底面高度為2100 mm，四周墻體大約300 mm在地面以下，其余部分在地面上。圖1為溫室結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為溫室外觀實圖。溫室頂棚采用保溫材料覆蓋，頂棚的具體布置見表1。

一個30 m2養(yǎng)殖池對應(yīng)的維護(hù)結(jié)構(gòu)的面積通過計算為：頂棚面積為37 m2；東墻的面積為7.5 m2，南北側(cè)墻的面積分別為3.6 m2。

表1 溫室頂棚的保溫材料布置（由內(nèi)向外）

2 溫室維護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷計算

2.1 基本氣象數(shù)據(jù)

溫室及太陽能熱泵系統(tǒng)的熱力計算涉及一些天氣數(shù)據(jù)，如氣溫與太陽能輻照度等[7]（表2）。

2.2 溫室維護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷Qw采用平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式（1）[8]計算即可，傳熱系數(shù)K參考相關(guān)規(guī)范[9-10]進(jìn)行計算即可，相關(guān)計算結(jié)果見表3和表4。由表3可知，冬季最冷月1月份溫度維護(hù)結(jié)構(gòu)平均熱負(fù)荷為832 W，考慮晝夜溫差變化導(dǎo)致的熱負(fù)荷波動，冬季最低氣溫約為-5℃，則1月份溫度最低時熱負(fù)荷為1.1 kW。由表4可知，維護(hù)結(jié)構(gòu)的年總耗熱量為15463.0 MJ，標(biāo)煤熱值qc為29.27 MJ/kg，則30 m2溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)年耗熱量約合標(biāo)煤530 kg。

式中：α——圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù)；F——圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積，m2；Tn——溫室室內(nèi)溫度，取35℃；Twn——室外溫度，取月均溫度，℃；K——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

表2 湖州地區(qū)月均氣溫與不同月份下太陽能日均輻射量

表3 1月份溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均熱負(fù)荷

表4 不同月份下溫室的熱負(fù)荷與需熱量

3 太陽能熱泵供暖系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔且穩(wěn)定性高，可以實現(xiàn)太陽能單獨運行、熱泵單獨運行、太陽能熱泵聯(lián)合運行三種形式，針對不同工況要求靈活切換系統(tǒng)的運行方式。通過深入分析并聯(lián)式系統(tǒng)的優(yōu)缺點，設(shè)計了如圖3所示的雙水箱并聯(lián)式太陽能熱泵供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由空氣源熱泵、平板式太陽能、蓄熱水箱、循環(huán)泵及附屬設(shè)施等組成，最大優(yōu)點是采用了雙水箱設(shè)計，既可增加水箱的蓄熱能力，又可提高太陽能集熱器的效率。因向溫室供暖時水箱水溫需保持在50～60℃，對于太陽能和熱泵來說這是處于效率較低的加熱溫區(qū)，因此，單水箱時太陽能和熱泵工作時的效率均比較低，而采用雙水箱則可以讓太陽能和熱泵分別加熱不同的水箱，太陽能可以用來制取低溫?zé)崴?，從而保持較高的效率。此系統(tǒng)中太陽能采取閉式循環(huán)方式，集熱介質(zhì)從集熱器吸收熱量后流到水箱盤管換熱器中釋放熱量加熱水箱中的水，熱泵則通過冷凝器（套管換熱器）加熱水泵強(qiáng)制送過來的水箱中的水。

3.2 太陽能集熱器面積計算

假定溫室所需熱負(fù)荷全部由太陽能提供，由公式（2）計算得到不同月份下所需的集熱器面積（表5），可知12月、1月及2月份所需集熱器面積最多，取這3個月的平均值進(jìn)行配置可基本滿足冬季時溫室所需，經(jīng)計算面積為23.5 m2，2 m×1 m規(guī)格平板式集熱器采光面積為1.9 m2，則需12.4塊，取整數(shù)值即12塊。

式中：Ac——集熱器面積，m2；Qu——溫室1 d的總耗熱量，MJ/d；ηc——集熱器平均集熱效率，40%[11]；Ic——單位面積平均每天太陽能輻射總量，MJ/（m2·d）。

3.3 水箱容積計算

水箱的容積決定其蓄熱能力大小，也影響熱泵運行時的啟停時間間隔，初步選擇水箱容積V為200 L，由公式（3）進(jìn)行計算，計算時相關(guān)條件為：①按照冬季1月份溫室平均熱負(fù)荷Qw=832 W計算；②熱泵單獨運行，水箱水溫達(dá)到60℃后熱泵停運，待水溫降至50℃時再啟動。

表5 不同月份下30 m2溫室所需太陽能集熱器面積

計算結(jié)果為160 min，即當(dāng)熱泵將水箱中的水加熱到60℃停止運行后再間隔160 min后需再開啟運行，這是熱泵單獨運行時的間隔時間，也是水箱溫降10℃可以持續(xù)供暖的時間，若太陽能同時工作則此時間會更長，不會造成熱泵頻繁啟動的狀況。

式中：Q——溫室熱負(fù)荷，832 W；t——時間，min；Cp——水的定壓比熱容，4.18 kJ/（kg·℃）；V——水箱容積，200 L；ρw——水的密度，1000 kg/m3；△T——水的溫差，10℃。

3.4 熱泵機(jī)組選型計算

夜間和陰雨天太陽能無法工作時熱泵承擔(dān)溫室全部熱負(fù)荷，冬季夜間最冷時的供暖熱負(fù)荷為1.1 kW，富裕系數(shù)選為1.2，則兩者相乘得到熱泵的制熱功率為1.32 kW。以空氣源熱泵COP=2.0[12]計算，熱泵壓縮機(jī)功率為0.66 kW，因此，選擇壓縮機(jī)功率為1 P（0.75 kW）左右的熱泵機(jī)組即可。

3.5 太陽能熱泵供暖系統(tǒng)配置與構(gòu)建

綜上所述，養(yǎng)殖面積為30 m2的甲魚養(yǎng)殖溫室設(shè)計的雙水箱并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)的主要配置見表6。由表6可知，該系統(tǒng)主要硬件設(shè)備的費用要達(dá)到3萬元（不包括系統(tǒng)的安裝等費用），該費用遠(yuǎn)高于小鍋爐等供暖設(shè)備的初投資。因此，初投資費用較高限制了太陽能熱泵裝置的推廣應(yīng)用。根據(jù)此設(shè)計方案構(gòu)建的太陽能熱泵供暖系統(tǒng)實驗臺如圖4所示。

表6 太陽能熱泵供暖系統(tǒng)主要部件配置與費用概算

4 結(jié)論與討論

根據(jù)甲魚養(yǎng)殖溫室的需要，針對一個30 m2的養(yǎng)殖溫室所需設(shè)計并構(gòu)建了一套太陽能熱泵供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備如下特點：

太陽能熱泵供暖系統(tǒng)能較好地解決目前溫室燃煤供暖的能耗與廢氣污染問題，其環(huán)保效益良好；但與燃煤鍋爐相比，太陽能熱泵的初投資費用較高，限制了它的推廣應(yīng)用。

并聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)可以實現(xiàn)太陽能單獨運行、熱泵單獨運行、太陽能熱泵聯(lián)合運行三種形式，可針對不同工況要求靈活切換系統(tǒng)的運行方式，雙水箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計可盡量多地利用太陽能，提高了系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)性。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算可以為同類設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用提供參考。

當(dāng)前溫室甲魚養(yǎng)殖行業(yè)正面臨著行業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級，而應(yīng)用節(jié)能環(huán)保的太陽能熱泵供暖系統(tǒng)能夠推動該行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，太陽能熱泵技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。

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