集裝箱植物工廠新風空調一體化系統(tǒng)設計與應用

周增產(chǎn)，董 微，張曉文，姚 濤，胡福生，封喜雷

(1.北京市農(nóng)業(yè)機械研究所有限公司，北京 100096； 2.北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京 100094；3.北京市植物工廠工程技術研究中心，北京 100094)

0 引言

集裝箱植物工廠采用封閉式環(huán)境，可為植物全生長周期智能提供生長所需的光、溫、水、氣和肥，且不受外界自然環(huán)境的影響，適用于任何地區(qū)，包括自然條件極端惡劣的海島和沙漠[1-5]。傳統(tǒng)的集裝箱植物工廠沒有配置新風系統(tǒng)，無法滿足箱體內新風量的要求[6-7]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對封閉環(huán)境的要求不斷提高，如何實現(xiàn)集裝箱植物工廠內空氣自動過濾、平衡室內溫濕度環(huán)境，同時達到寧靜運行、節(jié)能減排的效果，已成為集裝箱植物工廠內環(huán)境凈化亟待解決的問題[8-10]。本文介紹一種新風空調一體化系統(tǒng)，適配于集裝箱植物工廠內，可完美解決集裝箱植物工廠內環(huán)境凈化難題，實現(xiàn)植物工廠內溫濕度均勻。

1 新風空調一體化系統(tǒng)組成

新風空調一體化系統(tǒng)由新風系統(tǒng)和空調系統(tǒng)組成，新風系統(tǒng)與空調系統(tǒng)協(xié)同調節(jié)集裝箱植物工廠內環(huán)境。新風空調一體化系統(tǒng)啟動運行后能夠快速高效向集裝箱植物工廠內輸送大量有氧新風，同時快速排出植物工廠內污濁空氣，確保植物工廠內空氣清潔。新風空調一體化系統(tǒng)在清潔集裝箱植物工廠內空氣的同時平衡了溫濕度環(huán)境，為作物打造良好生長空間，安全高效且節(jié)能環(huán)保。集裝箱植物工廠新風空調一體化系統(tǒng)示意如圖1所示，集裝箱植物工廠內外景如圖2所示。

1.集裝箱門 2.空調風道 3.栽培架 4.新風系統(tǒng) 5.空調主機 6.新風管道圖1 集裝箱植物工廠新風空調一體化系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of integrated system of fresh air and air conditioning in container plant factory

圖2 集裝箱植物工廠內外景Fig.2 Inside and outside of container plant factory

2 新風系統(tǒng)設計

新風系統(tǒng)具有空氣凈化和高效節(jié)能的功能，包括新風機組、新風入口、新風出口、空氣凈化裝置、排風機組、排風入口、排風出口和熱交換芯體，用于新風換氣和空氣過濾。新風系統(tǒng)結構如圖3所示。

1.排風出口 2.排風機組 3.熱交換芯體 4.排風入口 5.新風出口 6.新風機組 7.空氣凈化裝置 8.新風入口圖3 新風系統(tǒng)結構Fig.3 Structure of fresh air system

新風系統(tǒng)工作時，集裝箱植物工廠內外雙向換氣，持續(xù)將室外新鮮空氣輸入到集裝箱內，清新空氣無限循環(huán)通過過濾器，濾除空氣中的灰塵及粉塵。室內排風和新風分別呈正交叉方式流經(jīng)換熱器芯體時，由于氣流分隔板兩側氣流存在溫差和蒸汽分壓差，兩股氣流通過分隔板時呈現(xiàn)傳熱傳質現(xiàn)象，引起全熱交換過程，氣體交換后通過新風管道進入集裝箱植物工廠內或排到室外。夏季運行時，新風從空調排風獲得冷量，使溫度降低，同時被空調風干燥，使新風含濕量降低；冬季運行時，新風從空調室排風獲得熱量，溫度升高。新風系統(tǒng)送風風量為150～500 m3/h。通過換熱芯體的全熱換熱過程，讓新風從空調排風中回收能量，同時調節(jié)集裝箱植物工廠內溫度與濕度，平衡作物生長環(huán)境。利用空氣凈化裝置，過濾從室外進入的空氣，完成空氣潔凈的目的。

3 空調系統(tǒng)設計

空調系統(tǒng)包括空調機組和風道，用于溫度的調節(jié)。空調機組冬季制熱、夏季制冷，通過風道將適宜溫度的空氣傳遞到集裝箱植物工廠內，與新風系統(tǒng)協(xié)助調節(jié)種植內環(huán)境。本系統(tǒng)采用冷暖兩用空調，制冷劑是氟利昂。利用制冷劑氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時，釋放大量的熱量；由液態(tài)轉變?yōu)闅鈶B(tài)時，會吸收大量熱量的原理調節(jié)溫度。

4 試驗設計與方法

4.1 試驗設計

2020年11月19日進行了集裝箱植物工廠室內外溫度、濕度測試試驗，測試時間為9∶00—17∶00，溫濕度每隔30 min記錄測試數(shù)據(jù)。

4.2 測試儀器

試驗采用RC-4HC型溫濕度測量儀，數(shù)量13個。

4.3 試驗方法

將集裝箱植物工廠內一側栽培架分為A、B和C共3個測試區(qū)(圖4)，每個區(qū)域垂直方向設置4個溫濕度測試點，每個測試點距離燈管20 cm。室外溫濕度測試點應選取背陰處，避免太陽光直射對測試數(shù)據(jù)的影響。

圖4 溫濕度測點布置Fig.4 Layout of temperature and humidity measuring points

5 結果與分析

5.1 溫度

各層溫度平均值對比如圖5所示。測試期間栽培架上A、B、C試驗區(qū)同一水平方向上的3點溫差0～1.5 ℃，A區(qū)垂直方向溫差1.1～2.8 ℃，B區(qū)垂直方向溫差0.9 ℃～2.9 ℃，C區(qū)垂直方向溫差1.1～2.6 ℃，室外測點溫度5.2～10.7 ℃。13∶00時，室外溫度達到全天最高值10.3 ℃，各層平均值達到最高值。此時集裝箱植物工廠內栽培架上A、B、C試驗區(qū)同一水平方向上的3點溫差0.7～1.3 ℃；A區(qū)垂直方向溫差2.8 ℃；B區(qū)垂直方向溫差2.9 ℃；C區(qū)垂直方向溫差2.6 ℃，各區(qū)域垂直方向溫差達到最大值。測試期間，新風空調一體化系統(tǒng)一直處于制冷狀態(tài)。由此可見，新風空調一體化系統(tǒng)具有良好的降溫均勻性。明期集裝箱內溫度總平均值23.2 ℃，滿足集裝箱植物工廠的設計要求。

圖5 各層溫度平均值對比Fig.5 Comparison of average temperature of each layer

5.2 濕度

各層濕度平均值對比如圖6所示。測試期間栽培架上A、B、C試驗區(qū)同一水平方向上的3點濕度差1.9%～18.3%，A區(qū)垂直方向濕度差5.4%～22.8%，B區(qū)垂直方向濕度差6.0%～17.1%，C區(qū)垂直方向濕度差4.4%～15.5%，室外測點濕度33.3%～60.6%。17∶00時，室外濕度達到測試期間最高值60.6%，此時栽培架上A、B、C試驗區(qū)同一水平方向上的3點濕度差1.8%～14.0%，A區(qū)垂直方向濕度差8.9%，B區(qū)垂直方向濕度差8.4%，C區(qū)垂直方向濕度差14.9%。明期集裝箱內濕度總平均值57.4%，滿足集裝箱植物工廠的設計要求。

圖6 各層濕度平均值對比Fig.6 Comparison of average humidity of each layer

6 結論

測試期間栽培架上A、B、C試驗區(qū)同一水平方向上的3點溫差0～1.5 ℃，濕度差1.9%～18.3%；A區(qū)垂直方向溫差1.1～2.8 ℃，濕度差5.4%～22.8%；B區(qū)垂直方向溫差0.9～2.9 ℃，濕度差6.0%～17.1%；C區(qū)垂直方向溫差1.1～2.6 ℃，濕度差4.4%～15.5%。

明期集裝箱內溫度總平均值23.2 ℃，濕度總平均值57.4%，滿足集裝箱植物工廠的設計要求。通過集裝箱植物工廠運行試驗測試，其結果表明新風一體化系統(tǒng)具有基本保持集裝箱植物工廠內部溫濕度恒定、噪聲小、降溫速度快、節(jié)能等優(yōu)點，可在溫室工程中廣泛應用。