基于太陽能-空氣能雙能源溫室加溫的試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及節(jié)能效益分析

張東鳳， 劉永華， 鐘 興， 趙夢龍

(江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇句容 212400)

目前，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)獲得長足的發(fā)展，2014年全國溫室面積達(dá)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(fā)展的同時(shí)也面臨著生產(chǎn)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(dǎo)致設(shè)施生產(chǎn)成本上升的一個(gè)關(guān)鍵因素[1]。目前在溫室加溫的能源研究上有單獨(dú)電加熱、煤炭加熱、柴油、地?zé)岜玫雀鞣N形式，但是這種單一的傳統(tǒng)能源消耗，帶來了酸雨霧霾、溫室效應(yīng)等環(huán)境問題，而新型的太陽能-空氣能的溫室加溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)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(tài)居住環(huán)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(guī)劃都明確提出要大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，特別提出要走高效、資源節(jié)約、環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路，本試驗(yàn)研究對于溫室生產(chǎn)降低能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色低耗生產(chǎn)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1 太陽能-空氣能雙能源加溫系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

本研究以江蘇省句容市江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)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(jìn)行試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步驗(yàn)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(yōu)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?yàn)槟媳毕?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(zhì)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(tǒng)通過太陽能加熱回路和空氣能加熱回路進(jìn)行蓄熱介質(zhì)水的加熱，加熱后的水儲(chǔ)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(jìn)行加熱。該系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

1.1 太陽能集熱器模塊設(shè)計(jì)

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(jù)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(dāng)?shù)鼐暥冉?，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(jì)算[3]

(1)

式中：Ac為直接加熱系統(tǒng)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(chǔ)熱水箱內(nèi)的終止溫度或者設(shè)計(jì)溫度，℃；Tf為水的初始溫度，℃；JT為當(dāng)?shù)靥柲芗礋崞鞑晒饷嫔系哪昃蛰椪樟?，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(chǔ)熱水箱及管路的熱損失率。

此溫室系統(tǒng)主要由太陽能和空氣能聯(lián)合供熱，空氣能熱泵作為系統(tǒng)主要設(shè)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(shí)，均開啟空氣能熱源泵進(jìn)行加熱，因此，試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)中太陽能集熱器面積不按照公式(1)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮到投資成本和試驗(yàn)場所所限，本系統(tǒng)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(tǒng)是由多塊集熱器連接構(gòu)成一個(gè)太陽能集熱器陣列，集熱器連接方式對集熱系統(tǒng)中各個(gè)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(tǒng)的高效運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)須關(guān)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(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)[3]，本試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)采用串聯(lián)方式如圖2所示，將2臺(tái)集熱器的出、入水口相連進(jìn)行集熱。

1.1.4 太陽能集熱器系統(tǒng)工作方式及換熱方式 太陽能集熱系統(tǒng)的工作方式包括自然循環(huán)方式和強(qiáng)制循環(huán)方式；本系統(tǒng)為更好地利用太陽熱能，利用RS-15/6水泵提供動(dòng)力進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)方式對儲(chǔ)熱水箱中的水進(jìn)行加熱。

1.2 空氣能熱組設(shè)計(jì)

空氣熱泵是通過熱媒在吸熱裝置內(nèi)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(qū)動(dòng)壓縮機(jī)把熱媒壓縮成高溫氣體(高品位熱能)進(jìn)入放熱裝置內(nèi)，把吸收的熱能及本身所用電能轉(zhuǎn)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(fù)始循環(huán)工作。

1.2.1 機(jī)組能力計(jì)算 試驗(yàn)中設(shè)定微型溫室內(nèi)晚上21：00點(diǎn)至次日上午07：00的溫度為15 ℃，根據(jù)溫室熱量散失計(jì)算需要空氣熱泵機(jī)組大小。溫室熱量散失，一般需要考慮以下幾個(gè)方面：(1)溫室材料傳導(dǎo)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(fēng)換氣所消耗的熱量；(4)室內(nèi)水分蒸發(fā)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(dǎo)和輻射所散失的熱量Qs為主，由公式Qs=K·S·t·ΔT進(jìn)行計(jì)算。式中：K為溫室材料傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；S為材料表面積，m2；t為時(shí)間，s；ΔT為溫室內(nèi)外溫度差，K。

另外，考慮到材料導(dǎo)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(shù)；本試驗(yàn)中取α為2；K為溫室材料傳熱系數(shù)，3.72 W/(m2·K)；S為材料表面積，72 m2；ΔT為溫室內(nèi)外溫度差，為15 K。

可計(jì)算得出供熱設(shè)備功率為：

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

據(jù)此數(shù)據(jù)，并參考空氣能熱泵設(shè)備參數(shù)，選擇KFXRS-9.0IH型號的機(jī)組(圖3)。

1.3 儲(chǔ)熱水箱設(shè)計(jì)

儲(chǔ)熱水箱容積應(yīng)根據(jù)溫室熱量需求、集熱系統(tǒng)供熱能力和運(yùn)行規(guī)律、系統(tǒng)太陽能保證率、加熱特性和自動(dòng)控制循環(huán)溫度等因素來確定。

每小時(shí)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(jù)溫室面積大小及試驗(yàn)場地實(shí)際情況，供水溫度為 65 ℃，回水溫度為40 ℃攝氏度，根據(jù)公式Q=C·M·ΔT，式中C為水的比熱容，計(jì)算出每個(gè)小時(shí)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(nèi)的水大約循環(huán)供熱1次，選取較為接近規(guī)格的儲(chǔ)熱水箱容量為300 L(圖4)。蓄熱水箱由內(nèi)膽、保溫層和外殼組成，內(nèi)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(fā)泡的保溫材料；外殼用較薄的不銹鋼板制成，主要起到保護(hù)保溫層和美觀的作用。

1.4 溫室散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫室散熱系統(tǒng)常用地面輻射板、頂棚輻射板、風(fēng)機(jī)盤管、散熱器(放熱管或暖氣片)，現(xiàn)代溫室多采用圓翼形散熱器。本試驗(yàn)平臺(tái)中散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮到試驗(yàn)溫室面積較小，容易快速加熱，因此使用FP-85W的風(fēng)機(jī)盤管作為散熱裝置(圖5)。其原理主要靠風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制作用，使空氣通過加熱器表面時(shí)被加熱，強(qiáng)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(tǒng)設(shè)計(jì)

為最大限度合理利用太陽能和空氣能，開發(fā)設(shè)計(jì)了基于PLC的太陽能-空氣能雙能源溫室加溫控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

1.5.1 硬件設(shè)計(jì) 溫室用太陽能-空氣能雙能源加溫系統(tǒng)的控制系統(tǒng)硬件主要包括：PLC可編程控制器、儲(chǔ)熱水箱內(nèi)溫度傳感(HS-102)、太陽能加熱循環(huán)泵(RS-15/6)、真空集熱管頂端溫度傳感器(HS-102)、溫室加熱循環(huán)泵(RS-25/6)、溫室內(nèi)溫度傳感(HS-102)、風(fēng)機(jī)盤管、溫室外部光照傳感器(ZD-H-AT)等。根據(jù)系統(tǒng)所需I/O點(diǎn)數(shù)、可編程控制器的可存儲(chǔ)量、響應(yīng)速度，以及特殊功能擴(kuò)展等要求，本系統(tǒng)選用三菱FX1N系列FX1N-24MR-001作為核心控制器。

1.5.2 軟件設(shè)計(jì) 溫室用太陽能-空氣能雙能源加溫系統(tǒng)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(tǒng)可靠運(yùn)行，其溫室加熱控制策略為：蓄熱過程：在白天晴天狀態(tài)下，當(dāng)光照傳感器監(jiān)測光照度大于20 000 lx，且太陽能集熱管上端溫室傳感器監(jiān)測水溫高于40 ℃時(shí)，控制器開啟太陽能集熱器循環(huán)水泵，對蓄熱介質(zhì)水進(jìn)行循環(huán)加熱，保存到儲(chǔ)熱水箱中，否則關(guān)閉；在白天陰天或夜晚狀態(tài)下，當(dāng)保溫水箱溫度低于控制器設(shè)置溫度時(shí)，控制器控制空氣能熱泵進(jìn)行蓄熱介質(zhì)水加熱。溫室加熱過程為當(dāng)溫室內(nèi)空氣溫度低于控制器設(shè)置的溫度時(shí)，控制器控制溫室加熱循環(huán)水泵工作，進(jìn)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(jìn)行編寫，流程如圖6所示。

2 太陽能空氣能系統(tǒng)裝置的試驗(yàn)節(jié)能效益分析

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)概況

該試驗(yàn)平臺(tái)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(jī)組、300 L集熱水箱、FP-85W制熱風(fēng)機(jī)盤管、FX1N-24MR-001核心控制器、RS-15/6太陽能循環(huán)水泵、RS-25/6溫室熱水循環(huán)水泵、溫度傳感器、光照傳感器、普通溫度計(jì)、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(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。

2.2 測試裝置與測量參數(shù)

試驗(yàn)中主要涉及到溫度采集、太陽輻照量采集、用電度數(shù)采集等。通過溫度傳感器采集實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，直接讀取，另外輔助普通溫度計(jì)(量程：-30～150 ℃；準(zhǔn)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(guī)格1.5(6)A，額定頻率50 Hz，準(zhǔn)確度2級)獲取消耗電量值。主要測量參數(shù)包括：室外太陽輻照量、溫室每天24 h消耗的電量、儲(chǔ)熱水箱水溫、室外環(huán)境溫度、溫室溫度。

2.3 系統(tǒng)效益評價(jià)

2.3.1 不同系統(tǒng)節(jié)能效益比較 本試驗(yàn)平臺(tái)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(tǒng)給微型溫室單獨(dú)進(jìn)行加熱，晚上溫室內(nèi)溫度控制在15 ℃左右[6]。3種系統(tǒng)單獨(dú)給微型溫室進(jìn)行加溫消耗電量的部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。另外，以3種系統(tǒng)每天單獨(dú)給溫室加溫形成的耗電量平均值為縱坐標(biāo)，形成3種系統(tǒng)單獨(dú)加溫消耗電量的柱狀圖(圖8)。

表1 2016年12月溫室系統(tǒng)加熱系統(tǒng)耗電量數(shù)據(jù)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(shù)進(jìn)行節(jié)能效益比較。

通過分析所記錄的數(shù)據(jù)，給微型溫室單獨(dú)采用太陽能-空氣能雙能源加溫系統(tǒng)比單獨(dú)采用空氣能加溫系統(tǒng)平均節(jié)省電量1.77 kW·h/d，比單獨(dú)采用電加熱加溫系統(tǒng)平均節(jié)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(tǒng)可以節(jié)約能耗，比單獨(dú)電加熱加溫系統(tǒng)節(jié)約10%以上的能耗。

3 結(jié)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(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于PLC可編程控制器進(jìn)行系統(tǒng)控制，最大限度合理利用太陽能和空氣能，節(jié)約常規(guī)能源。同時(shí)建立微型溫室加溫系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)一步對該系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能效益分析，為該系統(tǒng)在現(xiàn)代溫室的廣泛應(yīng)用提供一定參考。

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