北京地區(qū)空氣源熱泵用于果蔬大棚的分析與研究

李丹+胡文舉+李德英

摘 要：為開展果蔬大棚的對(duì)比測(cè)試，在試驗(yàn)大棚設(shè)置了空氣源熱泵-風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，對(duì)比大棚保持原樣，測(cè)試兩個(gè)大棚內(nèi)空氣溫度、土壤溫度以及熱泵機(jī)組性能參數(shù)。結(jié)果表明：未設(shè)置空氣源熱泵機(jī)組時(shí)，對(duì)比大棚內(nèi)空氣平均溫度很低，平均溫度只有13.5 ℃，遠(yuǎn)低于試驗(yàn)大棚的23.8 ℃，二者最低氣溫相差14 ℃左右；試驗(yàn)大棚的土壤溫度也比對(duì)比大棚高4 ℃左右；試驗(yàn)大棚空氣源熱泵的平均COP在3左右，性能良好。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；塑料大棚；對(duì)比試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU822 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.09.018

Abstract： In order to carry out the contrast test of fruit and vegetable greenhouses， air source heat pump， fan coil system was arranged for an experimental greenhouse， and contrast greenhouse intact. The air temperature， soil temperature and heat pump unit performance parameters were tested. The results showed that when the air source heat pump unit was not set， the average temperature in the greenhouse was very low； the average temperature was only 13.5 ℃， far below the 23.8 ℃ in the experimental greenhouse. The soil temperature of the experimental greenhouse was higher than that of the greenhouse by about 4. The experimental greenhouse heat pump has good performance， the average COP was about 3.

Key words： air source heat pump； plastic greenhouse； contrast experiment

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，人口眾多。隨著人們生活水平的不斷提高，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)于一些糧食、花卉等農(nóng)產(chǎn)品的需求量越來越大，這促進(jìn)了溫室大棚技術(shù)的發(fā)展。目前，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及生活水平的提高，人們對(duì)反季節(jié)化、多樣化、反地域化和超時(shí)令生產(chǎn)的植物蔬菜的需求越來越大[1]。但是，我國(guó)溫室大棚技術(shù)發(fā)展緩慢，其中制約其發(fā)展的因素就包括溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚的使用與普及過程中，一些問題亟待解決與科研攻關(guān)，其中最重要的一個(gè)問題就是如何保證溫室內(nèi)的溫度與濕度，這與溫室內(nèi)植物的生長(zhǎng)有直接關(guān)系[1]。

農(nóng)作物的生長(zhǎng)，一方面取決于農(nóng)作物本身的遺傳特性，另一方面取決于外界環(huán)境因素。只有在具有良好的遺傳特性的前提下，同時(shí)具備適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的外界環(huán)境因素，農(nóng)作物才能健康發(fā)育[2]。因此，為農(nóng)作物創(chuàng)建適宜生長(zhǎng)的環(huán)境條件就成為農(nóng)作物健康生長(zhǎng)的重要條件。空氣源熱泵是一種利用空氣作為熱源（冷源），既能供熱又能制冷的高效節(jié)能環(huán)保型熱泵系統(tǒng)?？諝庠礋岜猛ㄟ^輸入少量的高品位能源，即可實(shí)現(xiàn)能量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移。在冬季，把空氣中的熱量“取”出來，提高溫度后供給室內(nèi)用于供暖；在夏季，把室內(nèi)的熱量“取”出來釋放到空氣中去[3]。因此，空氣源熱泵可實(shí)現(xiàn)在夏季大棚外溫度高的情況下為室大棚供冷，在冬季大棚外溫度較低的情況下為大棚內(nèi)供暖，實(shí)現(xiàn)了為農(nóng)作物創(chuàng)造生長(zhǎng)必須的溫度環(huán)境。

空氣源熱泵一般與地板輻射或者風(fēng)機(jī)盤管相結(jié)合。但是，在大棚內(nèi)，由于農(nóng)作物一般種植在地上，若再敷設(shè)地暖所用的管道等設(shè)備，無疑會(huì)占用農(nóng)作物生長(zhǎng)空間，降低農(nóng)作物產(chǎn)量。因此，為了更充分地利用大棚內(nèi)有限的空間，同時(shí)還能為大棚內(nèi)創(chuàng)造良好的環(huán)境，本試驗(yàn)采用空氣源熱泵與風(fēng)機(jī)盤管結(jié)合的方式，利用空氣源熱泵加熱空氣到一定溫度，送入大棚內(nèi)，為大棚創(chuàng)造合適的溫度環(huán)境。采用空氣源熱泵—風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)時(shí)，有兩種運(yùn)行方式：（1）大棚內(nèi)溫度達(dá)不到農(nóng)作物生長(zhǎng)要求時(shí)，空氣源熱泵和風(fēng)機(jī)盤管同時(shí)運(yùn)行，為大棚創(chuàng)造合適的溫度環(huán)境；（2）當(dāng)大棚內(nèi)溫度過高時(shí)，關(guān)閉空氣源熱泵，只運(yùn)行風(fēng)機(jī)，向大棚內(nèi)送自然風(fēng)，適當(dāng)降溫，同時(shí)為大棚內(nèi)農(nóng)作物提供生長(zhǎng)需要的氧氣和二氧化碳。

1 材料和方法

1.1 測(cè)試條件

1.1.1 測(cè)試對(duì)象 測(cè)試對(duì)象位于北京地區(qū)，為日光溫室塑料膜大棚，東西走向。溫室長(zhǎng)度60 m，跨度8 m，脊高3.5 m，后墻高2.7 m。后墻采用內(nèi)外表面為240 mm紅磚，中間夾層為100 mm聚苯保溫板的做法；前坡覆蓋聚乙烯薄膜，厚度為0.1 mm，山墻采用紅磚做法，厚度為240 mm。為了得到更好的試驗(yàn)結(jié)果，采用對(duì)比試驗(yàn)的方法，對(duì)照溫室的結(jié)構(gòu)、材料和建造時(shí)間均與試驗(yàn)溫室相同，但是不采用空氣源熱泵機(jī)組進(jìn)行供暖，僅依靠白天太陽輻射和大棚本身蓄熱能力維持室內(nèi)溫度。試驗(yàn)期間，試驗(yàn)大棚和對(duì)比大棚都種植西紅柿。西紅柿為喜溫性蔬菜，在正常條件下，生長(zhǎng)適宜溫度為22～30 ℃，同化作用最適宜溫度20～25 ℃；溫度低于15 ℃生長(zhǎng)緩慢，且不能開花或授粉不良；5 ℃莖葉生長(zhǎng)停止；1 ℃以下開始凍死；而且番茄不耐炎熱，30 ℃以上呼吸消耗作用大于同化積累作用；35 ℃以上影響開花結(jié)果；40 ℃停止生長(zhǎng)。

1.1.2 大棚供熱系統(tǒng) 供暖系統(tǒng)的熱源由兩臺(tái)空氣源熱泵并聯(lián)組成，每臺(tái)機(jī)組額定功率26 kW，額定制熱輸入功率為7.2 kW，最大輸入功率為9.6 kW，最高出水溫度為55 ℃。兩臺(tái)機(jī)組分別配置一臺(tái)循環(huán)水泵，水泵額定流量為18 m3·h-1，額定揚(yáng)程10 m，額定功率為1.2 kW，通過循環(huán)水泵，將空氣源熱泵機(jī)組生產(chǎn)的熱水送到風(fēng)機(jī)盤管，為大棚內(nèi)提供熱量，進(jìn)行供暖。該供暖系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組的回水溫度控制機(jī)組啟停，回水溫度超過設(shè)定溫度時(shí)，機(jī)組停止運(yùn)行，回水溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，機(jī)組開啟；且可以通過控制風(fēng)機(jī)盤管的水流量來調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫度。endprint

1.1.3 運(yùn)行方法 一般情況下，溫室大棚空氣源熱泵-風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)分為以下兩種運(yùn)行方法。

（1）冬季晴朗白天。在冬季的晴朗白天，由于太陽光輻射充足，圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)大棚內(nèi)的保溫作用，使得大棚內(nèi)的溫度可以達(dá)到較高溫度（33 ℃以上），而過高溫度不適合農(nóng)作物生長(zhǎng)。此時(shí)，關(guān)閉空氣源熱泵機(jī)組，只開啟風(fēng)機(jī)，向大棚內(nèi)送新風(fēng)降溫，將大棚內(nèi)溫度保持在25 ℃左右。

（2）冬季夜晚或者連續(xù)陰天。在冬季的夜晚或者連續(xù)的陰天，大棚內(nèi)溫度會(huì)下降到一定程度（10 ℃以下），此時(shí)就要開啟空氣源熱泵機(jī)組和循環(huán)水泵，向大棚內(nèi)供暖，保持大棚內(nèi)的溫度，并且此時(shí)的熱泵機(jī)組會(huì)采取自動(dòng)控制模式，當(dāng)大棚內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，反映到回水溫度的信號(hào)會(huì)控制機(jī)組停止運(yùn)行；當(dāng)溫度下降到設(shè)定溫度下限時(shí)，機(jī)組開始運(yùn)行。

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 供熱量 空氣源熱泵-風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)以熱水作為熱媒，用熱水加熱空氣為大棚內(nèi)供暖，其供熱量可按式（1）計(jì)算[4]：

根據(jù)式（1），測(cè)量出水的流量和供回水溫差就可以確定機(jī)組供熱量?？諝庠礋岜?風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)以熱水為熱媒，經(jīng)過機(jī)組加熱，供到風(fēng)機(jī)盤管中，對(duì)空氣進(jìn)行加熱。為了方便測(cè)量，給機(jī)組配備了JYRL-25型熱量表。熱量表每隔1 h記錄1次數(shù)據(jù)，可以自動(dòng)測(cè)量水的流量、供回水溫度、瞬時(shí)熱量以及總熱量，并可隨時(shí)查詢數(shù)據(jù)。

1.2.2 耗電量測(cè)量 為了解機(jī)組的運(yùn)行情況和能耗情況，為機(jī)組單獨(dú)設(shè)置一臺(tái)電表。采用W400型智能電量測(cè)量?jī)x，每隔1 h記錄1次。

1.2.3 溫度測(cè)量 選用銅-康銅T型熱電偶作為溫度傳感器測(cè)量室內(nèi)外氣溫、供回水溫度、進(jìn)出風(fēng)溫度等，精度為±0.1 ℃。選用Agilent數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。其中，試驗(yàn)溫室氣溫測(cè)點(diǎn)共有5個(gè)，分別布置于中軸線處，每隔15 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)距地面1.5 m。

2 結(jié)果與分析

2.1 大棚內(nèi)溫度比較

從表1可以看出，除了西瓜等少數(shù)農(nóng)作物，大部分農(nóng)作物的適宜生長(zhǎng)溫度都在30 ℃以下，所以將大棚內(nèi)溫度保持在25 ℃左右是合適的。試驗(yàn)大棚與對(duì)比大棚室內(nèi)氣溫比較如圖2所示。在連續(xù)6 d的測(cè)試中，試驗(yàn)大棚平均氣溫分別為23.8 ℃，明顯高于對(duì)比大棚，溫差為10 ℃左右；對(duì)比大棚氣溫最低值4.4 ℃時(shí)，試驗(yàn)大棚最低氣溫為18.4 ℃，溫差為14 ℃。通過比較可知，系統(tǒng)加溫效果顯著。

從圖2中可以看出：對(duì)比大棚的溫度變化差異比較大，白天太陽輻射比較高，再加上圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)溫室大棚的保溫，對(duì)比大棚白天溫度過高，高于30 ℃，有時(shí)甚至高于33 ℃，這已經(jīng)不適合農(nóng)作物生長(zhǎng)了；而到了晚上，由于與天空的輻射作用，溫度下降到10 ℃以下，有時(shí)甚至下降到5 ℃，這對(duì)大部分農(nóng)作物的生長(zhǎng)是不利的；而試驗(yàn)大棚溫差相對(duì)比較穩(wěn)定，白天溫度過高時(shí)，向大棚內(nèi)送室外冷風(fēng)降溫，晚上溫度過低時(shí)，向大棚內(nèi)送熱風(fēng)供暖，白天與晚上的溫差保持在4 ℃以內(nèi)，這為農(nóng)作物提供了良好的生長(zhǎng)條件。

2.2 土壤溫度對(duì)比

從圖3中可以看出，在下午的時(shí)候，土壤溫度最高，在凌晨時(shí)，土壤溫度最低。通過兩個(gè)大棚的比較可以看出，沒有設(shè)置空氣源熱泵機(jī)組的對(duì)比大棚，其土壤溫度比較低，平均溫度為11.8 ℃，在凌晨時(shí)最低溫度降低至5 ℃左右，這樣的溫度容易影響根部的生長(zhǎng)，甚至可能導(dǎo)致深部受凍傷，且從表1中可以看出，大部分農(nóng)作物的根系適溫最低都在20 ℃左右，至少為17 ℃以上，而對(duì)比大棚的土壤溫度已經(jīng)不適應(yīng)農(nóng)作物根系的正常需要了。而在設(shè)置了空氣源熱泵的試驗(yàn)大棚，其土壤溫度就相對(duì)升高，平均溫度達(dá)到16 ℃，即使在凌晨溫度最低時(shí)也能達(dá)到14 ℃，比未設(shè)置空氣源熱泵的對(duì)比大棚的土壤溫度更接近農(nóng)作物根系適溫，但是也沒能完全達(dá)到要求，因此后續(xù)的研究就是通過優(yōu)化控制機(jī)組參數(shù)，以同時(shí)滿足大棚內(nèi)室溫和土壤溫度的要求。

2.3 系統(tǒng)性能分析

在進(jìn)行試驗(yàn)的6 d里，除去太陽輻射供熱量，空氣源熱泵為試驗(yàn)大棚提供的總供熱量為2.67×105 kJ，合計(jì)88.71 kWh。圖4為試驗(yàn)期間機(jī)組每天COP變化。從圖4可以看出，雖然室外溫度波動(dòng)較大，但是系統(tǒng)的日平均COP并不會(huì)出現(xiàn)太大波動(dòng)，系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定。室外平均氣溫在0 ℃以下，系統(tǒng)COP基本保持在2.5以上，甚至能達(dá)到3或者以上。測(cè)試期間，室外濕度較低，并未出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)霜情況。

3 結(jié) 論

采取對(duì)比試驗(yàn)的方式，在試驗(yàn)大棚里安裝空氣源熱泵機(jī)組，白天送新風(fēng)適當(dāng)降溫，晚上進(jìn)行供暖，并與對(duì)比大棚相對(duì)比。結(jié)果表明：安裝了空氣源熱泵的試驗(yàn)大棚，平均氣溫要比未安裝空氣源熱泵對(duì)比大棚高10 ℃左右，夜間最低氣溫要比對(duì)比大棚高14 ℃左右，并且試驗(yàn)大棚白天和晚上溫差較??；對(duì)比二者土壤溫度，試驗(yàn)大棚土壤溫度比對(duì)比大棚高5 ℃左右，平均溫度達(dá)到14 ℃，后續(xù)工作的重點(diǎn)就是要同時(shí)滿足大棚室溫和土壤溫度。測(cè)試期間，空氣源熱泵的COP保持在2.5以上，有時(shí)可以達(dá)到3，完全滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，實(shí)用性和適用性都較好。

參考文獻(xiàn)：

[1]果海鳳.相變蓄熱技術(shù)應(yīng)用于溫室大棚中的傳熱和節(jié)能特性研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2008.

[2]劉峰.地源熱泵和熱管技術(shù)用于提高溫室地溫的研究[C]//中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì).走中國(guó)特色農(nóng)業(yè)機(jī)械化道路——中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)2008年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（下冊(cè)）.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)，2008.

[3]蘇偉，穆青，董繼先，王彬權(quán).太陽能與地源熱泵聯(lián)合溫室大棚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2015（2）：290-294.

[4]張帥，胡文舉，李德英，等. 空氣源熱泵-散熱器供暖系統(tǒng)用于北京地區(qū)某農(nóng)村住宅的實(shí)測(cè)分析[J]. 暖通空調(diào)，2015（8）：80-83，79.

[5]彭月明，權(quán)志鵬. 地面輻射采暖應(yīng)用于溫室大棚的策略研究[J]. 吉林農(nóng)業(yè)，2013（10）：48-49.endprint