表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用效果

宋衛(wèi)堂 李涵 王平智

為探究表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的集熱性能，團(tuán)隊(duì)在內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市益康農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社的某大跨度外保溫塑料大棚里進(jìn)行了測(cè)試。具體試驗(yàn)過(guò)程如下：

試驗(yàn)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)大棚

試驗(yàn)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，東西長(zhǎng)140 m;南北非對(duì)稱，南北寬16 m，其中南面寬8 m，過(guò)道寬2 m，北面寬6 m;屋脊高4.5 m，如圖1。室內(nèi)過(guò)道兩側(cè)每 2.6 m 設(shè)置1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。屋面覆蓋草簾和保溫被，北面屋面保溫被日間不揭開。試驗(yàn)期間，采用土壤栽培，棚內(nèi)南面種植番茄，北面未種植作物。利用薄膜將大棚從中間隔開，西側(cè)作為試驗(yàn)區(qū)，東側(cè)作為對(duì)照區(qū)。

集放熱系統(tǒng)的組成

如圖 1 所示，表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)由表冷器-風(fēng)機(jī)、供回水管路、潛水泵、蓄熱水池等組成。單臺(tái)表冷器-風(fēng)機(jī)的長(zhǎng)×寬×高=100 cm×20 cm×60 cm，包括 2 個(gè)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)扇葉直徑 40 cm，輸入功率 2×120 W，換熱面積 33 m2;15 臺(tái)表冷器-風(fēng)機(jī)全部安裝于屋脊下方，相鄰兩臺(tái)之間的間距約為 4 m。采用同程管路系統(tǒng)，供回水管均安裝在棚內(nèi)屋脊下方，使用直徑為 50 mm 的 PVC 管。供水管路與表冷器-風(fēng)機(jī)的進(jìn)水端相連，回水管路與表冷器-風(fēng)機(jī)的出水端相連，供水管路上安裝閘閥來(lái)控制水流量。蓄熱水池位于塑料大棚西北側(cè)，凈長(zhǎng) 4.25 m，凈寬 3.8 m，凈高 1.9 m，有效容積為 31 m3。潛水泵位于蓄熱水池內(nèi)，額定功率 2.2 kW，額定流量 15 m3/h，揚(yáng)程 20 m。

集放熱系統(tǒng)的集熱工作模式

表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的集熱過(guò)程為：日間，當(dāng)室內(nèi)氣溫達(dá)到20～22℃且高于水溫4℃時(shí)，啟動(dòng)系統(tǒng)，蓄熱水池中溫度較低的水通過(guò)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(guò)回水管路流回蓄熱水池，實(shí)現(xiàn)收集空氣中盈余熱量的目的。通過(guò)潛水泵的不斷循環(huán)，持續(xù)進(jìn)行熱量的收集，直到室內(nèi)氣溫下降到低于20℃，或水氣溫差小于4℃時(shí)，關(guān)停潛水泵，集熱結(jié)束。

集熱性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)

水媒在潛水泵的作用下流經(jīng)表冷器-風(fēng)機(jī)，與室內(nèi)熱空氣進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱，將空氣中的熱能轉(zhuǎn)移到水媒中，并運(yùn)輸、儲(chǔ)存在蓄熱水池。表冷器-風(fēng)機(jī)的集熱功率（W），可由如下計(jì)算公式得到：

試驗(yàn)設(shè)計(jì)

測(cè)試內(nèi)容

為了測(cè)試系統(tǒng)的集熱性能，采用對(duì)比試驗(yàn)的方法，利用薄膜將大棚從中間隔開，西側(cè)作為試驗(yàn)區(qū)，東側(cè)作為對(duì)照區(qū)。主要測(cè)試如下內(nèi)容：

（1）室外氣象數(shù)據(jù)，包括室外氣溫、濕度、太陽(yáng)輻射照度、風(fēng)速;

（2）試驗(yàn)大棚和對(duì)照大棚的室內(nèi)氣溫、太陽(yáng)輻射照度、濕度;

（3）蓄熱水池內(nèi)水溫、表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)出水口的水溫、潛水泵流量及水管內(nèi)水的流速;

（4）表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)口處的溫度、濕度、風(fēng)速;

（5）系統(tǒng)耗電量。

測(cè)試方案

測(cè)試時(shí)間為2019年12月10日～2020年2月12日。測(cè)試期間，大棚南面種植番茄，北面未種植。南側(cè)棚膜上覆蓋的保溫被揭開和閉合時(shí)間分別為08：30～9：30和16：00～16：30，為了避免熱量散失、保證棚內(nèi)溫度，北側(cè)保溫被不揭開。當(dāng)棚內(nèi)氣溫較高時(shí)，使用自動(dòng)放風(fēng)系統(tǒng)打開大棚頂部的通風(fēng)口進(jìn)行自然通風(fēng)。

如表1，測(cè)量?jī)x器主要包括Pt100鉑電阻、太陽(yáng)總輻射傳感器、電磁式熱量表、三相導(dǎo)軌式電能表、HOBO無(wú)線溫濕度儀、風(fēng)速變送器、SHT20芯片溫濕度傳感器、KANOMAX熱敏式風(fēng)速儀等。所有室內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)由Pt100鉑電阻測(cè)量，測(cè)量氣溫的Pt100鉑電阻做防輻射處理，Pt100鉑電阻、三相導(dǎo)軌式電能表、SHT20芯片溫濕度傳感器以及風(fēng)速變送器測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀轉(zhuǎn)化信號(hào)，再通過(guò)RS485通訊統(tǒng)一傳輸，儲(chǔ)存在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

水溫測(cè)點(diǎn)布置：6個(gè)水溫測(cè)點(diǎn)均布置在實(shí)驗(yàn)區(qū)，分別是蓄熱水池中的水平三等分點(diǎn)、距離水池底部深度為0.5和1 m處，以及供水管與回水管上各1處。室內(nèi)氣溫測(cè)點(diǎn)布置：試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)氣溫測(cè)點(diǎn)布置位置相同，各4個(gè)點(diǎn)，水平方向上為東西向三等分分別與距離最南邊4 m、最北邊4 m的交點(diǎn)垂直方向距離地面高度為1.5 m處。

其他測(cè)點(diǎn)：自西向東第三臺(tái)表冷器-風(fēng)機(jī)的前后布置溫、濕度測(cè)點(diǎn);室外溫度、濕度、風(fēng)速以及太陽(yáng)輻射照度測(cè)點(diǎn)，均布置在大棚操作間頂部。

基礎(chǔ)條件測(cè)試

試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)基礎(chǔ)氣溫對(duì)比

系統(tǒng)集放熱性能正式測(cè)試前，于2019年12月3～5日對(duì)室內(nèi)的基礎(chǔ)氣溫進(jìn)行了測(cè)定。如圖3所示，日間，試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)氣溫變化趨勢(shì)相同，差異較小;夜間，試驗(yàn)區(qū)平均氣溫為 11.1℃，較對(duì)照區(qū)低1.4℃，分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：大棚位于山頂風(fēng)口位置，大棚的進(jìn)出口位于西側(cè)試驗(yàn)區(qū)，冷風(fēng)滲透較嚴(yán)重。

蓄熱水池保溫性能測(cè)試

于2019年12月4～5日對(duì)蓄熱水池的保溫性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試期間未運(yùn)行系統(tǒng)，蓄熱水池蓄水量為22 m3。如圖4所示，24 h內(nèi)，蓄熱水池的水溫基本穩(wěn)定，從17.4℃降低到17.1℃，降溫速率為0.0115℃/h，熱量損失 25.41 MJ，熱損失功率為0.2941 kW，蓄熱水池保溫性能較好。

試驗(yàn)結(jié)果分析

集熱性能分析

為了探究表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的性能，在冬季溫度最低的2019年12月、2020年1～2月進(jìn)行了測(cè)試。選取2019年12月14日～2020年1月14日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，系統(tǒng)日間集熱天數(shù)為25天。對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行期間的蓄水量、水溫變化、集熱量、集熱COPc等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，結(jié)果如表2所示。其中集熱量與集熱COPc分別根據(jù)公式（3）和（4）計(jì)算得到。

在系統(tǒng)集熱運(yùn)行的時(shí)間段，室內(nèi)平均太陽(yáng)輻射照度為147.2～273.9 W/m2，系統(tǒng)的集熱量為62.6～806.5 MJ，平均集熱量為430.3 MJ;集熱功率為13～57.6 kW，平均集熱功率為38.5 kW;平均集熱時(shí)間為180 min;集熱COPc為4.4～10.9，平均集熱COPc為7.5，說(shuō)明該系統(tǒng)具有較好的集熱能力和能效比。

最大集熱量為806.5 MJ，出現(xiàn)在1月3日，該日蓄熱水池里的水被用來(lái)進(jìn)行了灌溉，重新加入了冷水，集熱初始水溫為11.1℃，集熱期間室內(nèi)氣溫為26.0～33.2℃，水氣溫差較大，且該日集熱時(shí)間長(zhǎng)，充分收集了空氣中盈余的熱量，集熱功率為56 kW，集熱COPc為10.9。最小集熱量為62.6 MJ，出現(xiàn)在1月6日，該日為多云天氣，集熱時(shí)長(zhǎng)僅為70 min，集熱流量為13 W，集熱COPc為4.4。

可見，表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)具有顯著的集熱能力以及能效比。通過(guò)理論計(jì)算，該型號(hào)表冷器-風(fēng)機(jī)集熱功率為3800 W，但試驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)的集熱功率低于理論值，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是在集熱過(guò)程中，為了滿足大棚內(nèi)作物生產(chǎn)，上風(fēng)口被打開，棚外的冷空氣進(jìn)入棚內(nèi)，導(dǎo)致棚內(nèi)上部空氣溫度較低，而表冷器-風(fēng)機(jī)正是安裝在風(fēng)口的下方來(lái)進(jìn)行熱量收集的，這就極大降低了系統(tǒng)的集熱效果。后面，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)在風(fēng)口密閉條件下的集熱性能進(jìn)行分析。

集熱性能的影響因素探究

水氣溫差對(duì)集熱性能的影響

選取12月20～21日的數(shù)據(jù)，進(jìn)行水氣溫差對(duì)系統(tǒng)集熱性能影響的分析，如表2所示。這兩天集熱過(guò)程中蓄熱水池的蓄水量均為26 m3，水流量均為12 m3/h。系統(tǒng)運(yùn)行集熱的時(shí)間段分別是12：00～14：20和11：30～14：40，集熱初始水溫分別是16℃和12.1℃，集熱期間平均進(jìn)風(fēng)溫度分別為21℃和22.2℃。

如圖 5 所示，集熱過(guò)程中，進(jìn)出水溫差與水氣溫差的變化趨勢(shì)基本一致。12月20日，進(jìn)出水溫差隨著水氣溫差的上升而緩慢上升至3.3℃，此時(shí)水氣溫差為4.5℃，隨后隨著水氣溫差下降而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì);12月21日，開始集熱時(shí)，水氣溫差為10.7℃，此時(shí)的進(jìn)出水溫差為9.6℃，隨著水溫不斷升高，水氣溫差逐漸降低，進(jìn)出水溫差也呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。集熱期間，12月21日平均水氣溫差為6.7℃，較12月20日提高87.6%，進(jìn)出水溫差為4.7℃，較12月20日提高88%。說(shuō)明進(jìn)出水溫差與水氣溫差變化呈正相關(guān)，在其他條件不變的情況下，水氣溫差越大，進(jìn)出水的溫差也越大。

集熱過(guò)程中，12月21日水溫上升5.9℃，上升速率為0.00054℃/s，較12月20日高 62.1%;集熱量為 638.8 MJ，集熱功率為 56 kW，較12月20日高51.0%，集熱COPc為10.8，較12月20日高54.3%。說(shuō)明水氣溫差直接影響系統(tǒng)的集熱能力與能效比。

由此可見，水氣溫差直接影響系統(tǒng)的集熱能力與能效比，水氣溫差越大水溫上升越快，系統(tǒng)收集的熱量越多，系統(tǒng)COPc越大。而影響水氣溫差的因素分別是集熱初始水溫、蓄熱水池中的蓄水量以及進(jìn)風(fēng)溫度。由于集熱期間，兩天的蓄熱水池中蓄水量相等，平均進(jìn)風(fēng)溫度差僅為 1.2℃，影響水氣溫差的主要因素是集熱初始水溫：集熱開始時(shí)，水溫越低，集熱性能越好。在實(shí)際運(yùn)行中，連續(xù)晴天且保證次日能集熱的情況下，可在夜間盡可能的將熱量釋放完全，如果夜間室內(nèi)氣溫滿足作物生長(zhǎng)且熱量未釋放完全，次日集熱前可將溫度較高的水用于灌溉以提高地溫，再重新放入冷水。除此之外，蓄熱水池中的蓄水量也是影響集熱性能的重要因素。增加蓄熱水池中的蓄水量， 可以減緩集熱過(guò)程中水溫上升速率，在進(jìn)風(fēng)氣溫一定的條件下提高水氣溫差，從而增大系統(tǒng)集熱能力與能效比。

水流速度對(duì)集熱性能的影響

水流速度是影響系統(tǒng)換熱量的另一個(gè)重要因素。圖6為2020年1月31日和2月1日集熱過(guò)程中水溫以及集熱功率的變化。蓄水量均為25.9 m3，每個(gè)表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)水口的水流速度分別為1.2 m/s和0.7 m/s，集熱期間平均水氣溫差分別是7.3℃和7.2℃，僅相差0.1℃，可認(rèn)為水氣溫差一致。

從圖6a的水溫變化曲線可看出，1月31日水溫變化曲線斜率較大，水溫升高速率較快，通過(guò)計(jì)算，1月31日水溫平均上升速率為0.00064 ℃/s，較2月1日高48.7%。如圖6b，在11：05，兩日的水氣溫差均為7.3℃，1月31日的集熱功率為63.5 kW，較2月1日高16.5%;在11：30，兩日的水氣溫差均為7.1℃，1月31日的集熱功率為72.5 kW。較2月1日高99.7%。通過(guò)計(jì)算，1月31日的集熱功率、集熱量和集熱COPc均高于2月1日，兩天的集熱功率分別為36.6～136.0 kW和27.2～72.5 kW，平均集熱功率分別是75.2 kW和47.1 kW，集熱量分別為472.1 MJ和278.9 MJ，集熱COPc分別為14.4和9.5。

可見，表冷器-風(fēng)機(jī)的水流速度與系統(tǒng)的集熱性能呈正相關(guān)，水流速度越大，水溫上升速率越快，系統(tǒng)的集熱功率與集熱COPc越大。因?yàn)橄到y(tǒng)的水流速度與潛水泵的揚(yáng)程和流量有關(guān)，通過(guò)配置流量、揚(yáng)程適宜的潛水泵，可以提高系統(tǒng)內(nèi)的水流速度從而改善系統(tǒng)的集熱性能。

大棚密閉運(yùn)行集熱對(duì)棚內(nèi)溫濕度的調(diào)控效果

為了提高棚內(nèi)上部空氣的溫度，減少冷空氣滲入，提高表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的集熱性能，在風(fēng)口密閉的條件下進(jìn)行了集熱試驗(yàn)，探究系統(tǒng)在密閉運(yùn)行時(shí)集熱過(guò)程對(duì)棚內(nèi)溫濕度的調(diào)控作用。選取2020年1月31日9：00～16：40期間系統(tǒng)密閉運(yùn)行的集熱數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖7，在保溫被打開的時(shí)間段內(nèi)，室內(nèi)太陽(yáng)輻射照度最高為414 W/m2，平均太陽(yáng)輻射照度為281.5 W/m2，室外氣溫在-13.3～5.3℃變化，最低值出現(xiàn)在2020年1月31日8：00。

如圖 8，日間保溫被開啟，10：55 試驗(yàn)區(qū)氣溫達(dá)到 27.4℃，此時(shí)水溫為 13.1℃，較試驗(yàn)區(qū)室內(nèi)氣溫低 14.3℃，表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)啟動(dòng)，開始集熱。10：55～11：20，試驗(yàn)區(qū)氣溫在 27.5～28.5℃范圍波動(dòng);對(duì)照區(qū)氣溫逐漸升高，11：20 到達(dá)31.5℃，為不對(duì)番茄造成傷害，開啟對(duì)照區(qū)風(fēng)口。11：20～12：40，試驗(yàn)區(qū)風(fēng)口仍保持關(guān)閉，氣溫仍在 27.5～28.5℃范圍波動(dòng);對(duì)照區(qū)風(fēng)口開啟（風(fēng)口寬度 15 cm），氣溫穩(wěn)定在 30℃左右。12：40 集熱過(guò)程結(jié)束后，試驗(yàn)區(qū)氣溫快速上升到 31.6℃，隨后開啟頂風(fēng)口，氣溫逐漸下降。表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)日間集熱 105 min，水溫上升了 4.4℃，蓄熱水池蓄水量為 25.9 m3，收集熱量 472.1 MJ，集熱功率為 74.9 kW，集熱COPc為14.4。

如圖9，10：55～11：20，試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)均為密閉運(yùn)行，在此情況下，一臺(tái)表冷器-風(fēng)機(jī)可產(chǎn)生冷凝水約 1.5 L，因此，試驗(yàn)區(qū)相對(duì)濕度持續(xù)下降，從 65.7%下降到 60.8%，與對(duì)照區(qū)的濕度差距逐步拉大，說(shuō)明表冷器- 風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)具有一定的除濕效果。

綜上所述，表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)在密閉運(yùn)行條件下集熱，集熱COPc達(dá)到 14.4，較非密閉條件下平均集熱COPc增加約1倍;集熱期間，系統(tǒng)能夠維持室內(nèi)氣溫在27.4～28.4℃，較開啟風(fēng)口的對(duì)照區(qū)低3℃左右;室內(nèi)濕度逐漸下降，與對(duì)照區(qū)差距逐漸增大?？梢?，系統(tǒng)具有較好的集放熱性能以及降溫除濕效果。未來(lái)，如果再結(jié)合CO2施肥，有望實(shí)現(xiàn)塑料大棚的密閉運(yùn)行生產(chǎn)。

集熱性能的優(yōu)化

由理論分析可知，表冷器-風(fēng)機(jī)集熱系統(tǒng)的集熱能力與水氣溫差、水流速度、總換熱系數(shù)、通風(fēng)量和換熱面積有關(guān)。其中通風(fēng)量和換熱面積與表冷器-風(fēng)機(jī)自身參數(shù)有關(guān)，一旦表冷器-風(fēng)機(jī)的型號(hào)選定，不能進(jìn)行更改;總換熱系數(shù)除了與表冷器-風(fēng)機(jī)的型號(hào)有關(guān)外，還與水流速度有關(guān)，水流速度越大，總換熱系數(shù)越大。因此，對(duì)于已定的表冷器-風(fēng)機(jī)，可以從增大水氣溫差和水流速度兩個(gè)方面來(lái)提高其集熱性能。

增大水氣溫差，可以從提高室內(nèi)氣溫和降低蓄熱水池的水溫兩方面進(jìn)行考慮，具體方法包括：①縮短風(fēng)口開啟時(shí)間從而減少棚內(nèi)熱量損失，保持較高的室內(nèi)氣溫;②降低集熱開始時(shí)蓄熱水池中水溫，可將一部分熱水用于灌溉，再加入冷水;③增大蓄熱水池有效容積，加大蓄水量，可減緩集熱過(guò)程中水溫上升速率，增大水氣溫差。增大水流速度，可以通過(guò)適當(dāng)加大潛水泵的揚(yáng)程和流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

結(jié)論

在內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市益康農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社的某大跨度外保溫塑料大棚里，進(jìn)行了表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)集熱性能的試驗(yàn)，分析了系統(tǒng)的集熱性能，探究了影響系統(tǒng)集熱性能的主要因素。得出以下主要結(jié)論：

（1）表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)具有較好的集熱能力以及能效比。12月14日～1月 14日期間，系統(tǒng)的集熱量為62.6～806.5 MJ，平均集熱量為430.3 MJ;集熱功率為13～57.6 kW，平均集熱功率為 38.5 kW;集熱COPc為 4.4～10.9，平均集熱COPc為7.5。

（2）水氣溫差和水流速度，對(duì)表冷器-風(fēng)機(jī)集熱系統(tǒng)的集熱性能具有顯著影響。水氣溫差越大，系統(tǒng)集熱能力越強(qiáng)，集熱 COPc越大;水流速度越大，系統(tǒng)集熱能力越強(qiáng)，集熱COPc越大。

（3）表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)，具有較好的集熱性能以及降溫除濕效果。在密閉運(yùn)行集熱期間，對(duì)棚內(nèi)溫濕度都具有較好的調(diào)節(jié)作用，有望在結(jié)合空氣滅菌、CO2施肥等調(diào)控手段下， 實(shí)現(xiàn)大棚的密閉運(yùn)行生產(chǎn)。

*項(xiàng)目支持：國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金（CARS-23-C02）。

作者簡(jiǎn)介：宋衛(wèi)堂（1968-），男，河南西平人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：設(shè)施機(jī)械化裝備工程、設(shè)施園藝環(huán)境工程、無(wú)土栽培技術(shù)與裝備。

[引用信息]宋衛(wèi)堂，李涵，王平智，等.表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用效果——以寧城大跨度外保溫大棚為例（中）[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（13）：52-58.