表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用效果＊
——以寧城大跨度外保溫大棚為例（上）

宋衛(wèi)堂，李 涵，王平智，王秀芝，邵岐祥，何雪穎，李 明，程杰宇，孟令強(qiáng)

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京 100083；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市農(nóng)牧科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古赤峰 024000；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市益康農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社，內(nèi)蒙古赤峰 024000）

與日光溫室相比，大跨度外保溫塑料大棚不僅造價低，土地利用率高，還具有較大的室內(nèi)空間，能滿足大多數(shù)農(nóng)機(jī)裝備的作業(yè)要求。但該類設(shè)施與傳統(tǒng)日光溫室相比，缺乏蓄熱構(gòu)件，冬季室內(nèi)夜間氣溫會比較低，很難滿足喜溫蔬菜作物的溫度要求，在我國西北、華北、東北的大部分地區(qū)應(yīng)用需要進(jìn)行額外輔助加溫。而傳統(tǒng)的、以吸收太陽輻射熱能為主的主動集放熱系統(tǒng)，由于集放熱原理與裝置結(jié)構(gòu)的限制，并不適合在大跨度外保溫塑料大棚中使用。

為了解決外保溫塑料大棚缺乏蓄熱體的難題，研發(fā)了表冷器-風(fēng)機(jī)主動集放熱系統(tǒng)。它是通過懸掛在室內(nèi)的表冷器-風(fēng)機(jī)，在日間收集并儲存空氣中盈余的熱量，夜間再將熱量釋放到室內(nèi)提高溫度，以滿足喜溫蔬菜作物的溫度要求，實現(xiàn)熱量在時間和空間上的轉(zhuǎn)移、使用。

系統(tǒng)模型

系統(tǒng)組成

如圖1所示，表冷器-風(fēng)機(jī)主動集放熱系統(tǒng)主要包括表冷器-風(fēng)機(jī)、供水管路、回水管路、蓄熱水池、閘閥、潛水泵等6部分。作為集熱和放熱裝置的表冷器-風(fēng)機(jī)，進(jìn)水端與供水管相連，回水端與回水管相連。蓄熱水池中的水通過潛水泵、閘閥進(jìn)入供水管路，在表冷器-風(fēng)機(jī)中進(jìn)行水-氣熱交換后，再通過回水管路返回蓄熱水池中。

系統(tǒng)運行原理

表冷器-風(fēng)機(jī)主動集放熱系統(tǒng)是通過表冷器-風(fēng)機(jī)，以水-氣換熱的方式，日間收集空氣中盈余的熱量并儲存在蓄熱水池中，夜間再將這部分熱量從蓄熱水池中釋放到空氣中以提高溫室內(nèi)的氣溫。系統(tǒng)的工作過程，主要包括集熱和放熱兩個過程。

◆集熱過程如圖2a所示，日間，當(dāng)室內(nèi)氣溫達(dá)到作物適宜生長溫度后，啟動系統(tǒng)，蓄熱水池中溫度較低的水通過供水管路進(jìn)入表冷器-風(fēng)機(jī)，與在風(fēng)機(jī)作用下從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的、溫度較高的空氣進(jìn)行熱交換，溫度降低后的空氣從出風(fēng)口排出，溫度升高后的水通過回水管路流回蓄熱水池，實現(xiàn)收集空氣中盈余熱量的目的。通過潛水泵的不斷循環(huán)，持續(xù)進(jìn)行熱量的收集，直至達(dá)到系統(tǒng)停止運行的條件。

◆放熱過程如圖2b所示，夜間，當(dāng)室內(nèi)氣溫低于一定值后，啟動系統(tǒng)，蓄熱水池中溫度相對較高的水通過供水管路進(jìn)入表冷器-風(fēng)機(jī)，與在風(fēng)機(jī)作用下從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的、溫度較低的空氣進(jìn)行熱交換，溫度升高后的空氣從出風(fēng)口排出，溫度降低后的水通過回水管路流回蓄熱水池，實現(xiàn)放熱提高空氣溫度的目的。通過潛水泵的不斷循環(huán)，持續(xù)進(jìn)行熱量的釋放，直至達(dá)到系統(tǒng)停止運行的條件。

表冷器-風(fēng)機(jī)主動集放熱系統(tǒng)的設(shè)計方法

表冷器-風(fēng)機(jī)的選型

表冷器-風(fēng)機(jī)是系統(tǒng)的核心，承擔(dān)收集和釋放熱量的作用。在工程實踐中，對表冷器-風(fēng)機(jī)有以下技術(shù)要求：①換熱能力強(qiáng)——可以吸收更多的空氣盈余熱量；②節(jié)能性能優(yōu)——消耗更少的電能，節(jié)約運行成本；③使用年限長——節(jié)約建造成本。為了滿足上述技術(shù)要求，選型過程中需要綜合考慮表冷器-風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量、換熱系數(shù)、換熱面積、功率以及換熱材料等多種因素。

表冷器-風(fēng)機(jī)換熱量的計算

◆表冷器-風(fēng)機(jī)的換熱模型

對于風(fēng)量、水量、水初溫相同的同一表冷器而言，與某一濕工況進(jìn)出風(fēng)比焓以及接觸系數(shù)相等的干工況，為該濕工況的等價干工況[1]。采用干濕轉(zhuǎn)換法[2]，利用干工況來替代當(dāng)前濕工況建立表冷器-風(fēng)機(jī)換熱模型[3]，進(jìn)行熱力計算，以便消除析濕系數(shù)對傳熱系數(shù)的影響。

如圖3所示，點1′和點2′為進(jìn)出風(fēng)狀態(tài)，點1′和點2′連線的延長線與飽和線相交于點3（點3表示理想條件下空氣能達(dá)到的終狀態(tài)），過點3的等焓濕線d1與比焓值為h1、h2的等焓線，分別相交于點1和點2。干工況1-2為濕工況1′-2′的等價干工況。

表冷器-風(fēng)機(jī)接觸系數(shù)ε2（實際溫降與理想溫降的比值）可以表示為：

等價干工況換熱效率系數(shù)ε1定義為：

式中：tw1為進(jìn)水溫度，℃。

結(jié)合公式（1）和公式（2）可得：

◆總傳熱系數(shù)

對于給定的表冷器-風(fēng)機(jī)換熱器，總傳熱系數(shù)K[W/(m2·℃)]主要由內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)αi[W/(m2·℃)]和外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)αo[W/(m2·℃)]決定[4]。通?？梢院雎詫?dǎo)熱系數(shù)的影響，計算公式如下：

式中：φ為肋表面全效率；ε為析濕系數(shù)；p為特定的常數(shù)；τ為肋化系數(shù)。對于特定的換熱器，φ和τ可以認(rèn)為是常數(shù)。

對于結(jié)構(gòu)一定的風(fēng)機(jī)盤管，外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)αo是空氣流速υa（m/s）的函數(shù)，內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)αi是水流速度w（m/s）的函數(shù)：

式中：A1，B1，n為特定的常數(shù)。

不同型號的表冷器-風(fēng)機(jī)總換熱系數(shù)不同，系數(shù)A、n可通過干工況下變流量試驗確定，系數(shù)B可通過變風(fēng)量試驗確定。

一般情況下，干工況下，取析濕系數(shù)ε為1，將式（6）和（7）帶入式（5）簡化為：

由換熱理論可知，換熱效率系數(shù)ε1定義為實際傳熱量與最大可能傳熱量的比值[5]，則可以表示為：

式中：β為傳熱單元數(shù)；為水當(dāng)量比。

β，的定義分別如下：

式中：F為換熱面積，m2；G為通風(fēng)量，kg/s；cp為空氣的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；W為水流量，kg/s；cw為水的比熱容，kJ/(kg·℃)。

根據(jù)換熱理論，接觸系數(shù)ε2可表示為：

干工況條件下，一定型號的表冷器-風(fēng)機(jī)，當(dāng)風(fēng)量、水量已知，任何初始狀態(tài)下空氣的換熱效率系數(shù)ε1和接觸系數(shù)ε2都是定值[5]。

◆換熱量的簡化計算

采用對數(shù)平均溫差法[5]計算表冷器-風(fēng)機(jī)的換熱效率（W），計算式如下：

式中：Δtm為對數(shù)平均溫差，℃。按照逆流傳熱過程進(jìn)行計算：

為了簡化計算，在誤差允許范圍內(nèi)，可以用算數(shù)平均溫差進(jìn)行計算，算數(shù)平均溫差為換熱器進(jìn)出兩端溫差的算數(shù)平均值[5]。

滿足條件如下：

由于干工況下空氣不發(fā)生相變，根據(jù)能量平衡可得：

式中：ma為換熱過程空氣質(zhì)量，kg；mw為換熱過程水的質(zhì)量，kg。

根據(jù)公式（17）可以得到：

根據(jù)公式（9）和（12）計算出ε1和ε2，帶入公式（3）和（4）計算等價干工況下的t1和t2，聯(lián)立公式（13）、（16）～（18），得出濕工況下的換熱功率為：

由公式可知，對于特定的表冷器-風(fēng)機(jī)，換熱功率僅由表冷器-風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量、水流量、進(jìn)水溫度和進(jìn)風(fēng)溫度等因素確定[3]。

大棚夜間需熱量的計算

系統(tǒng)的配置與設(shè)計，需要以冬季采暖期間大棚采暖系統(tǒng)的最大熱負(fù)荷作為依據(jù)[7]，根據(jù)采暖熱負(fù)荷計算夜間需熱量（J），計算公式如下：

式中：Qh為采暖熱負(fù)荷，W；Tr為放熱時間，h。采暖熱負(fù)荷計算公式如下：

式中：Qw為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失，即通過屋頂、地面、門窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳散失的熱量，W；Qv為冷風(fēng)滲透的傳熱損失，即通過門、窗及圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙滲入的冷空氣散失的熱量，W；Qf為地中傳熱損失，W。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失Qw的計算公式如下：

式中：μj為第 j 種維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Aj為第 j 種維護(hù)結(jié)構(gòu)的面積，m2；ti和to為溫室內(nèi)外采暖設(shè)計溫度，℃。

墻體的傳熱系數(shù)計算公式如下：

式中：αi為墻體內(nèi)表面的換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；d為墻體厚度，m；λ為墻體材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·℃)；αo為墻體外表面的對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

大棚的冷風(fēng)滲透熱損失Qv計算公式如下：

式中：n為棚內(nèi)換熱系數(shù)，次/h；V為棚內(nèi)的體積，m3；ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；cp為空氣的定壓比熱容，J/(kg·℃)。

地中傳熱損失Qf計算公式如下：

式中：K0為第 k 區(qū)地面的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Ak為第k 區(qū)地面的面積，m2。

表冷器-風(fēng)機(jī)臺數(shù)的確定

需要從日間集熱量和夜間放熱量兩方面確定表冷器-風(fēng)機(jī)的數(shù)目。

◆集熱方面根據(jù)能量守恒，表冷器-風(fēng)機(jī)主動集放熱系統(tǒng)日間收集的熱量，用于滿足夜間室內(nèi)加溫需求，集熱所需表冷器-風(fēng)機(jī)的數(shù)目Nc（臺）的計算公式如下：

式中：q為室內(nèi)采暖所需熱量，J；Qc為集熱功率，W；Tc為集熱時長，h。

◆放熱方面根據(jù)能量守恒，表冷器-風(fēng)機(jī)主動集放熱系統(tǒng)夜間釋放的熱量，用于滿足夜間室內(nèi)加溫需求，放熱所需表冷器-風(fēng)機(jī)的數(shù)目Nr（臺）的計算公式如下：

式中：q為室內(nèi)采暖所需熱量，J；Qr為放熱功率，W；Tr為集熱時長，h。

為了同時滿足日間集熱和夜間放熱的需求，需取二者中較大者作為表冷器-風(fēng)機(jī)的數(shù)目N（臺）?？紤]到系統(tǒng)在使用過程中的積垢等因素，選取安全系數(shù) 1.1～1.2[7]。

蓄熱水池有效容積的計算

表冷器-風(fēng)機(jī)收集的熱量儲存在蓄熱水池的水里，為滿足溫室內(nèi)夜間加溫需求，需要計算蓄熱水池的有效容積。

蓄熱水池的蓄水體積V（m3）為：

式中：ρw為水的密度，kg/m3；ΔTw集熱前后蓄熱水池中水的溫差，℃。

為避免在集放熱過程中水從蓄熱水池中溢出，在設(shè)計過程中給蓄熱水池預(yù)留一定的空間，可選擇安全系數(shù)1.1～1.2。

試驗大棚的表冷器-風(fēng)機(jī)主動集放熱系統(tǒng)的設(shè)計

試驗大棚

試驗塑料大棚位于內(nèi)蒙古自治區(qū)寧城縣大城子鎮(zhèn)（118.9°E，41.7°N），東西走向，南北非對稱。東西長140 m，南北寬16 m，其中南面寬8 m，過道寬2 m，北面寬6 m，屋脊高4.5 m（圖4～5）。室內(nèi)過道兩側(cè)每2.6 m設(shè)置一根鋼管柱，以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。塑料大棚的東西山墻由磚墻建造。屋面覆蓋草墊和保溫被，北面屋面保溫被日間不揭開。采用薄膜將溫室從中間隔開，西側(cè)作為試驗區(qū)，東側(cè)作為對照區(qū)。

表冷器-風(fēng)機(jī)的選型

根據(jù)前期對多種型號表冷器-風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、排管排列形式、集熱量、耗電量等性能的測試結(jié)果，選取FNH型表冷器-風(fēng)機(jī)作為集放熱裝置。結(jié)構(gòu)尺寸長×寬×高=100 cm×20 cm×60 cm；包括2個風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)扇葉直徑40 cm，輸入功率2×120 W；表冷器換熱面積33 m2/臺。

表冷器-風(fēng)機(jī)換熱量的計算

為了計算表冷器-風(fēng)機(jī)的換熱量，首先需要確定其總傳熱系數(shù)。不同類型的表冷器-風(fēng)機(jī)，總傳熱系數(shù)不同。通過前期測試單臺表冷器-風(fēng)機(jī)的性能，由式（8）得到該型表冷器-風(fēng)機(jī)的總傳熱系數(shù)表達(dá)式為：

假設(shè)系統(tǒng)日間集熱過程中平均水氣溫差為5℃，在夜間放熱過程中平均水氣溫差為4℃，風(fēng)機(jī)風(fēng)速為5 m/s，水流速度為2 m/s，將公式（29）帶入公式（19），計算得到單臺風(fēng)機(jī)集熱功率和放熱功率分別為3773.7 W和3120.7 W，取整后，集熱功率和放熱功率分別為3800 W和 3200 W。

大棚夜間需熱量的計算

為了保證在夜間室外平均氣溫為-15℃的情況下，棚內(nèi)的夜間氣溫不低于10℃，根據(jù)公式（20）～（25）計算得到棚內(nèi)夜間采暖熱負(fù)荷為35908.6 W。假設(shè)一晚加溫時長為9 h，加溫需要的熱量為 1163.4 MJ。具體計算參數(shù)見表1。

表冷器-風(fēng)機(jī)臺數(shù)的確定

表冷器-風(fēng)機(jī)的數(shù)目N（臺）可根據(jù)公式（26）和（27）進(jìn)行估算。由于試驗地所在的地理位置，冬季日間時間較短，取集熱時長為 5 h，計算得到集熱所需表冷器-風(fēng)機(jī)17.0臺，選取安全系數(shù)1.1，為18.7臺；取夜間放熱時長為 9 h，計算得到放熱所需表冷器-風(fēng)機(jī)數(shù)目為11.2臺，選取安全系數(shù)1.1，為12.3臺。取二者的較大值18.7臺，取整為19臺。

表1 計算參數(shù)表[7]

如果夜間使用全部的表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)行放熱，使得放熱功率過大，從而導(dǎo)致前半夜熱量釋放過多、后半夜熱量不足，室內(nèi)氣溫上升過快、熱損失增加。因此，夜間采用13臺（12.3臺取整得到）表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)行放熱。

蓄熱水池有效容積的計算

表冷器-風(fēng)機(jī)收集的熱量儲存在蓄熱水池的水里，為滿足試驗大棚夜間加溫需求，根據(jù)公式（27）計算蓄熱水池的有效容積。假設(shè)集熱后水溫上升 5℃，計算得到水池蓄水體積為 55.4 m3。考慮到需給蓄熱水池預(yù)留一定的空間，避免在集放熱過程中水溢出來，選擇儲備系數(shù) 1.1，計算蓄熱水池有效容積為61 m3。

圖6為蓄熱水池結(jié)構(gòu)示意圖。蓄熱水池長6.5 m，寬3.8 m，高2.5 m，位于大棚西北側(cè)。其結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外依次為面層、防水混凝土、防水層、砌筑水泥磚，上面覆蓋塑料薄膜。

水泵的選型需要根據(jù)所需的流量和揚程進(jìn)行選擇，為保證管路中水流速度為2 m/s，所需水泵流量大于10 m3/h，為保證將蓄熱水池底部的水輸送到掛在大棚屋脊的表冷器-風(fēng)機(jī)中，所需潛水泵揚程大于9 m，選擇潛水泵型號為WQ40-10-2.2，功率2.2 kW，流量40 m3/h，揚程10 m。

表冷器-風(fēng)機(jī)主動集放熱系統(tǒng)的安裝布置

如圖7所示，根據(jù)試驗大棚的結(jié)構(gòu)，為了不影響棚內(nèi)日常的農(nóng)事作業(yè)，將供水管道布置在屋脊下方，采用同程式系統(tǒng)，以保證各并聯(lián)環(huán)路管路長度相等、阻力大致相同、流量分配均勻。表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)水端與供水管相連，出水端與回水管相連。供水和回水主管均使用直徑為50 mm的PVC管，供水管上安裝閘閥來控制流量。

圖8為棚內(nèi)表冷器-風(fēng)機(jī)主動集放熱系統(tǒng)的實物圖，棚內(nèi)上層空氣通過風(fēng)機(jī)自北向南流動，再在下層自南向北流動，形成空氣環(huán)流。

經(jīng)濟(jì)性能的初步分析

以該大跨度外保溫塑料大棚（占地面積70 m×16 m=1120 m2）為例，計算表冷器-風(fēng)機(jī)主動集放熱系統(tǒng)建造成本。19臺表冷器-風(fēng)機(jī)的成本為20000～21000元，容積61 m3蓄熱水池的建造成本為30000～32000元，供回水管道的成本約為3000元，水泵與電氣控制設(shè)備等的成本約為2000元，合計建造成本為55000～58000元，折合單位面積的建造成本為49.1～51.8元/m2；設(shè)備、設(shè)施按10年使用期進(jìn)行折舊，則平均每年的折舊費為4.9～5.2元/m2。與其他太陽能集放熱系統(tǒng)[8,12]相比，本集放熱系統(tǒng)的單位面積建造成本比較低。

以在內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)使用本集放熱系統(tǒng)為例，估算系統(tǒng)的運行成本。按照前面的假設(shè)，每天系統(tǒng)運行14 h（集熱5 h、放熱9 h），共耗電81.6 kW·h；按照0.5元/（kW·h）的電價，則每天集放熱需要40.8元的電費，折合單位面積的運行成本為0.036元/（m2·天）。一個冬季需累積運行大約80～100天，則需要耗電約6528～8160 kW·h，需要電費3264～4080元。與其他太陽能集放熱系統(tǒng)[9-12]相比，本集放熱系統(tǒng)單位面積的運行成本也比較低。

另外，表冷器-風(fēng)機(jī)主動集熱系統(tǒng)對大棚原有的構(gòu)造不產(chǎn)生影響，建造、維護(hù)簡單方便，還具有較長的使用年限。

結(jié)論

（1）構(gòu)建了表冷器-風(fēng)機(jī)主動集放熱系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，并闡述了系統(tǒng)的工作原理。

（2）構(gòu)建了表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的換熱模型。并由此分析得出，對于特定的表冷器-風(fēng)機(jī)，換熱量僅由表冷器-風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量、水流量、進(jìn)水溫度和進(jìn)風(fēng)溫度等因素確定。

（3）提出了表冷器-風(fēng)機(jī)主動集放熱系統(tǒng)的設(shè)計方法。設(shè)計方法主要包括表冷器-風(fēng)機(jī)的選型、表冷器-風(fēng)機(jī)換熱量的計算、溫室大棚夜間加溫需熱量的計算、表冷器-風(fēng)機(jī)臺數(shù)的確定以及蓄熱水池有效容積的計算等。此方法可針對不同溫室大棚進(jìn)行集放熱系統(tǒng)主要參數(shù)的計算。

（4）對試驗大棚進(jìn)行了表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的計算設(shè)計。試驗大棚東西走向長70 m，南北跨度寬16 m，屋脊高4.5 m，在夜間平均氣溫為-15℃的條件下，為了保持棚內(nèi)夜間氣溫不低于10℃，需要配置FNH型表冷器-風(fēng)機(jī)19臺，蓄熱水池的有效容積61 m3。

（5）表冷器-風(fēng)機(jī)主動集放熱系統(tǒng)，建造成本和運行成本比較低，且建造簡易，易于維護(hù)，使用年限長。