表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)不同運行模式的集熱性能

宋衛(wèi)堂，耿 若，王建玉，劉平建，陳先知，王平智※

（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.曹縣百草莊園農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，菏澤 274400；4.溫州科技職業(yè)學(xué)院，溫州 325006）

0 引 言

日光溫室是中國特有的園藝設(shè)施類型，為北方地區(qū)的蔬菜越冬生產(chǎn)做出了巨大貢獻[1]。因傳統(tǒng)的日光溫室墻體多采用夯土、黏土磚等材料建造[2]，存在著建造成本高[3]、放熱可控性差[4]、占地面積大[5]等一系列問題。因此，各地逐漸顯現(xiàn)出了利用新型保溫材料取代日光溫室傳統(tǒng)墻體的發(fā)展趨勢[6-7]。在該情況下，溫室的蓄熱結(jié)構(gòu)主要由地面承擔(dān)，但僅依靠地面?zhèn)鳠?，傳熱緩慢且傳熱能力有限[8]，難以有效收集并儲存足夠的熱量，滿足作物夜間生長需求[9-11]。為提高溫室冬季的夜間溫度，需采取加溫措施，而隨著國家“煤改電”政策的改進和環(huán)保政策的收緊，依靠煤炭等化石能源提供熱量的傳統(tǒng)加溫方式正在被逐步淘汰[12]。因此，有必要進行利用太陽能、空氣熱能、地?zé)崮艿惹鍧嵖稍偕茉吹闹鲃蛹艧峒夹g(shù)的研究，來順應(yīng)設(shè)施園藝類型改變及國家環(huán)保力度加大的雙重發(fā)展趨勢。

近年來，日光溫室主動集放熱系統(tǒng)的研究取得了較大進展。其中溫室內(nèi)日間空氣溫度較高，蘊含了豐富的空氣熱能，可用于夜間增溫[13-15]。孫維拓等[16]設(shè)計了一套日光溫室空氣余熱熱泵加溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用熱泵收集日間空氣余熱并將其儲存在蓄熱水池內(nèi)，然后夜間利用表冷器將熱量釋放到室內(nèi)，從而提高日光溫室夜間氣溫。宋衛(wèi)堂等[17-20]提出了一種基于水循環(huán)蓄熱的空氣余熱主動集放熱系統(tǒng)—表冷器-風(fēng)機主動集放熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過懸掛于溫室屋脊處的表冷器-風(fēng)機，以水-氣換熱的方式，收集日間空氣余熱并于夜間釋放以提高室內(nèi)氣溫，實現(xiàn)了熱量在時間、空間上“削峰填谷”式轉(zhuǎn)移。但表冷器-風(fēng)機主動集放熱系統(tǒng)在多云天等太陽輻射較弱的天氣條件下，系統(tǒng)日間集熱量小、夜晚加溫效果有限等問題就會暴露，主要原因是集熱時的水-氣溫差隨著水溫的升高及室內(nèi)氣溫的下降而逐漸減小，導(dǎo)致系統(tǒng)后期（主要是下午）的集熱效率及集熱量均下降，故而造成整體集熱量變小，從而放熱量也隨之變小。為避免因水溫升高過快導(dǎo)致水-氣溫差減小過快的問題，可采取配置較大容積的蓄熱水池用以減慢水溫升高速度，但這不僅占用了大量的溫室室內(nèi)空間，還增加了建造成本，同時較低的水溫還會使系統(tǒng)在夜間放熱時因水汽溫差較小而導(dǎo)致放熱效率不高。熱泵作為節(jié)能高效型能量提升裝置，能從空氣、水或土壤中獲取低位熱能，經(jīng)過耗功提供可被人們利用的高位熱能[12]，因此，基于水循環(huán)的溫室主動集放熱系統(tǒng)和熱泵相結(jié)合可有效降低并維持較低的循環(huán)水溫，基于此特點，為了進一步提高現(xiàn)有溫室主動集放熱技術(shù)的集熱潛力，越來越多的學(xué)者開展了利用熱泵對溫室供熱的研究[21-24]。

針對表冷器-風(fēng)機主動集放熱系統(tǒng)集熱能力不足的問題，在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入熱泵，形成了一種包含表冷器-風(fēng)機、集熱池、儲熱池、水泵、熱泵等組件的表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)，為使集熱過程能始終維持較大的水-氣溫差，提出了通過熱泵將集熱過程與儲熱過程分離的思路，試驗分析了3種集熱運行模式在2種典型天氣情況下的集熱性能，以期為無蓄熱功能墻體日光溫室的節(jié)能加溫提供新技術(shù)，為主動集放熱技術(shù)的性能提升提供新思路。

1 試驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 試驗溫室

供試日光溫室位于山東省菏澤市曹縣朱洪廟鄉(xiāng)袁莊村（34.4°N，115.3°E），東西走向，長100 m，跨度10 m，后墻高3.1 m，脊高4.5 m，后坡長2.0 m，后坡仰角45°，采用鍍鋅鋼管結(jié)構(gòu)，前坡覆蓋材料為0.1 mm PO塑料薄膜，溫室北墻采用130 mm聚苯乙烯發(fā)泡板裝配而成，外側(cè)采用絲綿棉被覆蓋，東西側(cè)山墻均采用寬度為370 mm的紅磚建造，無其他加熱設(shè)備。在溫室最東側(cè)采用塑料薄膜隔出6 m的操作間，在剩余溫室東西方向的中線位置，用FRP板分隔成東、西兩個區(qū)，其中東側(cè)溫室安裝表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)作為試驗區(qū)，西側(cè)溫室不安裝增溫設(shè)備，作為對照區(qū)，兩區(qū)面積均為470 m2。

試驗期間，溫室內(nèi)種植黃瓜，采用漫灌灌溉，利用底部卷膜通風(fēng)窗實現(xiàn)自然通風(fēng)，保溫被揭開和閉合時間分別為8:00—9:00和16:00—18:00。

1.2 系統(tǒng)組成

表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)由表冷器-風(fēng)機、集熱池、儲熱池、循環(huán)水泵、熱泵機組及循環(huán)管路組成，表冷器-風(fēng)機、循環(huán)水泵及循環(huán)管路構(gòu)成了溫室內(nèi)的主動集放熱系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)包含10臺表冷器-風(fēng)機，按4 m的間隔傾斜吊掛于屋脊下方，其風(fēng)向為自南上向北下方吹送，每臺表冷器-風(fēng)機換熱面積為42 m2，包含兩臺扇葉直徑0.4 m、輸入功率120 W的風(fēng)機；循環(huán)水泵2臺，額定流量均為15 m3/h，揚程均為20 m；熱泵機組型號為YBF 4NCS-20.2GR，額定輸入功率15 kW，額定制熱量60 kW。儲熱池內(nèi)徑長3.65 m、寬3.65 m、高1.5 m，主體材料為0.35 m厚磚墻，外側(cè)涂抹水泥砂漿，水池外表面緊貼0.1 m厚聚苯乙烯發(fā)泡板，內(nèi)表面覆蓋8 mm厚PP板。集熱池為PE材質(zhì)水桶，容積為2 m3。集熱池為熱泵機組熱源，實際蓄水量為1.7 m3，儲熱池為熱泵機組熱匯，實際蓄水量為17 m3。以上各組件由不同內(nèi)徑的PPR管連接而成。

1.3 系統(tǒng)工作原理

表冷器-熱泵聯(lián)合集放熱系統(tǒng)以水-氣換熱的方式，日間收集空氣中盈余的熱量并儲存于儲熱池中，夜間再將這部分熱量從儲熱池中通過水循環(huán)釋放到空氣中以提高溫室內(nèi)的氣溫。

系統(tǒng)的集熱過程有2種方式，如圖2所示，一是熱泵與表冷器-風(fēng)機聯(lián)合集熱，主要工作流程為：日間，集熱水池中溫度較低的水通過供水管路進入表冷器-風(fēng)機，與在表冷器-風(fēng)機作用下從進風(fēng)口進入的、溫度較高的空氣進行熱交換，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直接流入熱泵蒸發(fā)側(cè)進水口處，同時，水泵將儲熱池中溫度較低的水泵入熱泵冷凝側(cè)進水口處，熱泵將收集到的熱量從集熱池中不斷泵送至儲熱池中，僅利用集熱池中的水實現(xiàn)持續(xù)收集空氣中盈余熱量的目的，直至達到系統(tǒng)停止運行的條件；二是表冷器-風(fēng)機集熱[19-20]，主要工作流程為：日間，儲熱水池中溫度較低的水通過供水管路進入表冷器-風(fēng)機，與在表冷器-風(fēng)機作用下從進風(fēng)口進入的、溫度較高的空氣進行熱交換，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儲熱水池，通過循環(huán)水泵的不斷循環(huán)，僅利用儲熱池中的水持續(xù)進行熱量的收集，直至達到系統(tǒng)停止運行的條件。

系統(tǒng)放熱為表冷器-風(fēng)機放熱：夜間，儲熱水池中溫度相對較高的水通過供水管路進入表冷器-風(fēng)機，與在表冷器-風(fēng)機作用下從進風(fēng)口進入的、溫度較低的空氣進行熱交換，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儲熱水池。通過循環(huán)水泵的不斷循環(huán)，持續(xù)進行熱量的釋放，直至達到系統(tǒng)停止運行的條件。

1.4 系統(tǒng)集熱運行策略

系統(tǒng)的2種集熱運行方式共形成3種集熱運行模式：僅表冷器-風(fēng)機集熱（以下簡稱為風(fēng)機模式）；表冷器-風(fēng)機集熱+熱泵與表冷器-風(fēng)機聯(lián)合集熱（以下簡稱為混合模式）；僅熱泵與表冷器-風(fēng)機聯(lián)合集熱（以下簡稱為聯(lián)合模式）。為了全面測試該系統(tǒng)在不同天氣、不同模式下的集熱性能，在已有研究[19-20]的基礎(chǔ)上制定了系統(tǒng)在不同情況下的集熱運行策略，如表1所示。

表1 不同天氣表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)集熱運行策略Table 1 Heat collection operation strategy of fan-coil units-heat pump combined system in different weather conditions

2 試驗方法

2.1 測試儀器與測點布置

室內(nèi)氣溫與水溫傳感器布置如圖3所示，使用Pt100型鉑電阻測量（測量范圍?50～200 ℃，精度±0.1 ℃），其中氣溫傳感器做防輻射處理。室內(nèi)太陽輻射照度采用YGC-TBQ型太陽總輻射傳感器測量（武漢辰云科技有限公司，測量范圍0～2000 W/m2，測量精度±3 W/m2）。水流量使用LDG-SUP型電磁流量計測量（杭州聯(lián)測自動化技術(shù)有限公司，測量范圍2.2～22 m3/h，測量精度0.5級）。所有設(shè)備儀器自動采集數(shù)據(jù)時間步長為5 min。

2.2 系統(tǒng)集熱性能評價方法

1）系統(tǒng)溫降效果評價

系統(tǒng)在集熱過程中會造成室內(nèi)氣溫的下降，其中平均溫降 ΔTin定義為在系統(tǒng)集熱過程中，試驗區(qū)低于對照區(qū)氣溫的平均值。

式中Tinc為集熱階段對照區(qū)氣溫平均值，℃；Tint為集熱階段試驗區(qū)氣溫平均值，℃；

2）系統(tǒng)的集熱量及平均集熱功率可由下式計算[19]：

式中Qc為系統(tǒng)的總集熱量，kJ；cw為水的平均定壓比熱容，取 4.2 kJ/(kg·℃)；ρw為水的平均密度，取 1 000 kg/m3；V為儲熱池實際蓄水量，m3；Twe為集熱結(jié)束時儲熱池水溫，℃；Tws為集熱開始時儲熱池水溫，℃；cφ為系統(tǒng)的平均集熱功率，kW；tc為集熱時長，h。

3）系統(tǒng)的集熱性能系數(shù)（COP）可由下式計算[19]：

式中Ec為集熱期間系統(tǒng)的總耗電量，kW·h。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗溫室基礎(chǔ)氣溫測試

2020年12月31 日—2021年1月1日測定了系統(tǒng)未運行的室內(nèi)基礎(chǔ)室溫，如圖4所示。2個區(qū)的氣溫不完全一致的主要原因為卷膜桿有一些彎曲，風(fēng)口大小略有差異，氣溫在通風(fēng)期間會有不同程度的波動，另外整個溫室的進出口位置位于對照溫室的西側(cè)，夜間存在更多的冷風(fēng)滲透。結(jié)果表明，白天（8:00—16:00）試驗區(qū)和對照區(qū)室內(nèi)平均氣溫分別為27.8和27.3 ℃；夜間（16:00—翌日8:00）試驗區(qū)和對照區(qū)室內(nèi)平均氣溫分別為13.3和12.8 ℃。單因素方差分析顯示在白天及夜間兩區(qū)均無顯著差異（P>0.05），故認(rèn)為對照區(qū)與試驗區(qū)環(huán)境條件一致。

3.2 典型天氣下系統(tǒng)集熱性能分析

3.2.1 典型天氣下系統(tǒng)集熱運行參數(shù)

在2021年1月8日—1月30日期間有6個晴天；在2021年1月11日—2月8日期間有6個多云天（表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)在白天收集熱量，夜間釋放熱量即為完成一個集、放熱周期，所以定義從早上8:00到翌日8:00為1 d）。測試期間，系統(tǒng)運行的相關(guān)性能參數(shù)如表2。

由表2可看出，在2種天氣下，均是風(fēng)機模式的集熱時間最長，混合模式次之，聯(lián)合模式最短，原因是由于 3種模式下對溫室的溫降效果不同，故達到停止集熱條件時的時間也不同。聯(lián)合模式對溫室正午高溫的降溫效果最佳、集熱量最大，可達(763.9±17.1) MJ，混合模式次之，而風(fēng)機模式對溫室日間的降溫效果最小、集熱量也最小。原因是在風(fēng)機模式下，隨著下午室內(nèi)氣溫的逐漸下降及水溫的逐漸升高，集熱時水氣溫差也逐漸減小，故而循環(huán)水與室內(nèi)熱空氣的換熱量逐漸減小，對室內(nèi)的溫降調(diào)節(jié)整體不高，并且其集熱量也在 3者中最低；而混合模式下，系統(tǒng)在后期轉(zhuǎn)為熱泵與表冷器-風(fēng)機聯(lián)合集熱方式時，集熱的水氣溫差加大，從而換熱量加大，整體溫降及集熱量較風(fēng)機模式略有提升；在聯(lián)合模式下，水氣溫差最大，故與溫室內(nèi)熱空氣的換熱量也最大，晴天時聯(lián)合模式集熱量分別比混合模式及風(fēng)機模式高25.1%和73.9%，明顯優(yōu)于其他2種模式，溫降效果也最佳。多云天時，聯(lián)合模式集熱量分別比混合模式及風(fēng)機模式高40.8%和132.9%，其集熱量大的優(yōu)勢比在晴天天氣下表現(xiàn)得更明顯。

表2 系統(tǒng)不同運行模式下的集熱性能Table 2 Performance of collector in different operation modes of the system

晴天時，在聯(lián)合模式下的集熱 COP最低，僅為3.5±0.2，原因是在系統(tǒng)運行前期，因室內(nèi)氣溫較高同時集熱池水溫較低，故剛開始集熱時水氣溫差較大，從而表冷器-風(fēng)機的集熱速率高于熱泵蒸發(fā)側(cè)換熱速率，但因集熱池蓄水量較小難以儲存較多熱量，導(dǎo)致集熱池水溫上升較快，難以維持初始時較大的水氣溫差，造成集熱量略有下降；并且熱泵運行時耗電量較大，故導(dǎo)致聯(lián)合模式下COP較低。而在風(fēng)機模式下，雖集熱量不高，但因運行時耗電量也最小，故其集熱COP是3種模式中最高的?；旌夏Ｊ揭虿恍枰L時間開啟熱泵，故其集熱量及集熱COP均介于另2種模式之間。在多云天時，風(fēng)機模式的集熱COP最低，僅為3.2±0.1，原因是多云天氣時室內(nèi)氣溫較低，初始的水氣溫差也較低，隨著集熱的運行，儲熱池水溫逐漸升高，水氣溫差會更加減小，造成集熱后期的集熱量較少，但耗電量不變，因此這種集熱模式的總體集熱COP較低；在混合模式下，因為集熱后期轉(zhuǎn)為了表冷器-風(fēng)機與熱泵聯(lián)合集熱，在熱泵參與運行時，集熱過程受室內(nèi)氣溫影響較小，可一直維持較大的水氣溫差，從而加大了集熱量，并且熱泵并不是全程一直運行，因此整體耗電量不大，是3種模式中COP最大的。

晴天時，在風(fēng)機模式下，系統(tǒng)的平均集熱功率為(26.5±3.0) kW，是3種模式中最低的，原因是隨著集熱過程的進行，儲熱池中水溫逐漸升高，并且下午室內(nèi)氣溫在逐漸下降，導(dǎo)致水氣溫差逐漸減小，故集熱功率降低；混合集熱模式解決了風(fēng)機模式集熱后期面臨的儲熱池中水溫和氣溫的溫差減小的問題，會在后期開啟熱泵與表冷器-風(fēng)機聯(lián)合集熱，利用集熱池中較低溫的水進行集熱，并同時轉(zhuǎn)移了集熱池中的熱量將集熱池水溫維持在較低溫度，從而加大了后期集熱過程的水氣溫差，故整個集熱過程的集熱功率較風(fēng)機模式有所提高，達到了(40.7±1.2) kW；聯(lián)合模式下，因全程利用集熱池中的低溫水進行集熱，同時通過熱泵轉(zhuǎn)移熱量的過程貫穿集熱過程始終，從而可一直維持較大的水氣溫差，故其平均集熱功率是3種模式中最大的，為(52.6±1.5) kW。多云天時，在風(fēng)機模式、混合模式下，系統(tǒng)的平均集熱功率分別為(14.2±0.4) kW 和(30.0±1.8) kW，分別比晴天天氣相同模式下的平均集熱功率低86.6%和35.7%。但在聯(lián)合模式下，平均集熱功率為(52.5±0.1) kW，與晴天天氣時的集熱功率相差無幾，原因是在風(fēng)機模式與混合模式時，系統(tǒng)都不同程度的受到室內(nèi)氣溫與儲熱池水溫差值的影響：多云天時，室內(nèi)氣溫較低，集熱過程中的平均水氣溫差沒有晴天時大，導(dǎo)致其集熱功率也相應(yīng)降低；而在聯(lián)合模式下，因熱泵轉(zhuǎn)移熱量的過程一直進行，集熱過程幾乎不受室內(nèi)氣溫與儲熱池水溫差值的影響，始終利用集熱池的低溫水進行集熱，因此其集熱功率與晴天時的差異很小。

3.2.2 典型天氣下3種集熱模式運行時水氣溫差

晴天時，在 3種集熱運行模式中各選擇其中一天在集熱時的水氣溫差（氣溫與集熱時所利用的相應(yīng)池子的水溫的差值）如圖5所示，在風(fēng)機模式下，集熱全程均為表冷器-風(fēng)機集熱方式，水氣溫差先升高再下降，在正午時刻，因室內(nèi)氣溫較高，室內(nèi)氣溫升高的速度大于儲熱池水溫升高的速度，故水氣溫差呈現(xiàn)一直升高的趨勢，最大達到了 9.9 ℃，到了下午，隨著室內(nèi)氣溫的逐漸下降及水溫的逐漸升高，集熱時水氣溫差也逐漸減小，直至達到系統(tǒng)停止的條件，整個集熱過程的平均水氣溫差為8.4 ℃；在混合模式下，集熱前期（11:15—13:45）為表冷器-風(fēng)機集熱方式，水氣溫差同樣呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，在前期集熱時水氣溫差最大為 9.9 ℃，平均為9.1 ℃，集熱后期（13:45—15:15）為熱泵與表冷器-風(fēng)機聯(lián)合集熱方式，因集熱池初始水溫較低，故轉(zhuǎn)變集熱方式的一瞬間造成了集熱的水氣溫差抖升，達到了14.3 ℃，隨著熱泵運行逐漸穩(wěn)定，水氣溫差穩(wěn)定于9.7～11.8 ℃，平均為10.6 ℃，整個集熱過程的平均水氣溫差為9.8 ℃，較風(fēng)機模式有所提升；在聯(lián)合模式下，集熱全程為熱泵與表冷器-風(fēng)機聯(lián)合集熱方式，在系統(tǒng)開啟一瞬間，水氣溫差為 14.3 ℃，待熱泵運行穩(wěn)定后，水氣溫差始終穩(wěn)定于10.3～11.9 ℃，整個集熱過程的平均水氣溫差可達11.1 ℃，為3種模式中最高。結(jié)果表明，熱泵與表冷器-風(fēng)機聯(lián)合集熱方式彌補了表冷器-風(fēng)機集熱方式下因集儲熱一體造成的、系統(tǒng)集熱后期水氣溫差減小的缺陷，可一直維持較高的水氣溫差進行集熱，提高集熱效率。

多云時，在 3種集熱運行模式中各選擇其中一天在集熱時的水氣溫差如圖6所示，在風(fēng)機模式下，因多云天室內(nèi)氣溫較低，故隨著集熱過程的進行，水氣溫差呈現(xiàn)一直下降的趨勢，初始水氣溫差最大，為10.5 ℃，整個集熱過程的平均水氣溫差為 6.2 ℃，比典型晴天時相同模式下水氣溫差低35.5%；在混合模式下，集熱前期（11:15—13:40）為表冷器-風(fēng)機集熱方式，水氣溫差在前期集熱時水氣溫差最大為 9.5 ℃，平均為8.4 ℃，集熱后期（13:40—14:35）為熱泵與表冷器-風(fēng)機聯(lián)合集熱方式，水氣溫差為 10.4～12.3 ℃，平均為10.8 ℃，整個集熱過程的平均水氣溫差為 9.1 ℃，比晴天時相同模式下水氣溫差低 7.7%；在聯(lián)合模式下，水氣溫差為 9.1～12.3 ℃，平均水氣溫差為 11.0 ℃，與晴天時相同模式下平均水氣溫差相差無幾。結(jié)果表明，熱泵與表冷器-風(fēng)機聯(lián)合集熱方式解決了表冷器-風(fēng)機集熱方式下因室內(nèi)氣溫較低易造成的集熱量較少的問題，可不受室內(nèi)氣溫與儲熱池水溫的影響，在多云天也可維持較大的水氣溫差進行集熱。

3.3 典型天氣下系統(tǒng)集熱模式選擇

從上面的分析可以看出，3種集熱模式在不同天氣條件下各有優(yōu)點，為了綜合比較并選擇在不同天氣條件下最佳的運行模式，按照表3的方法對每種評價指標(biāo)進行賦分（根據(jù)冬季大量試驗數(shù)據(jù)，在所獲取的各指標(biāo)數(shù)據(jù)的上限和下限之間取整后等步長分為 6個級別，并賦予各個級別相應(yīng)的分值，從0～5分不等）。其中，集熱量直接決定夜間放熱量，集熱COP與系統(tǒng)的節(jié)能性密切相關(guān)，這兩項指標(biāo)為評定溫室主動集放熱系統(tǒng)性能的最主要參數(shù)[24-25]。此外，集熱功率與平均溫降也可間接體現(xiàn)出系統(tǒng)的運行效果。再根據(jù)不同天氣下的具體需求設(shè)定不同占比（如表4、表5），以最終綜合得分最高者為該天氣條件下的最佳集熱運行模式。

表3 各指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Evaluation criteria for indicators

3.3.1 典型晴天天氣

晴天天氣，因日間室內(nèi)溫度較高，土壤蓄熱量大，夜間土壤放熱量可使室內(nèi)溫度達到一個相較高的溫度，對主動放熱量需求較低，對主動集熱量的需求也較低，因此此種情況下要更注重系統(tǒng)的COP：占總分的50%，其次為集熱量，占30%，集熱功率和平均溫降各占10%。按照表3的標(biāo)準(zhǔn)賦分并按比例計算后，3種模式的得分如表4所示?？偡?集熱COP×50%+集熱量×30%+集熱功率×10%+平均溫降×10%。

表4 典型晴天天氣下系統(tǒng)不同集熱運行模式賦分及總分表Table 4 Score table of different heat collection operation modes of the system in typical sunny weather

由表4可知，在賦分取值后，風(fēng)機模式、混合模式、聯(lián)合模式3種集熱模式下，系統(tǒng)加權(quán)總分分別為3.1±0.4、3.6±0.1和3.2±0.1，混合模式下的綜合得分最高，因此晴天時可采取混合模式運行系統(tǒng)進行集熱。

3.3.2 典型多云天氣

多云天氣，因日間室內(nèi)溫度較低，土壤蓄熱量較少，夜間面臨著較大的主動放熱需求，因此在多云天氣情況下，應(yīng)更注重系統(tǒng)的集熱量：占總分的 50%，其次為集熱COP，占30%，集熱功率和平均溫降各占10%。按照表3的標(biāo)準(zhǔn)賦分并按比例計算后，3種模式的得分如表5所示?？偡?集熱量×50%+集熱 COP×30%+集熱功率×10%+平均溫降×10%。

表5 典型多云天氣下系統(tǒng)不同集熱運行模式賦分及總分表Table 5 Score table of different heat collection operation modes of the system in typical cloudy weather

由表5可知，在賦分取值后，多云天下各集熱運行模式的得分都較晴天天氣下的偏低。風(fēng)機模式、混合模式、聯(lián)合模式 3種集熱模式下，系統(tǒng)加權(quán)總分分別為0.6±0.1、2.1±0.1 和 2.8±0.1，聯(lián)合模式下的綜合得分最高，因此多云時可采取聯(lián)合模式進行集熱。

4 討 論

表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于，可將集熱過程與儲熱過程進行分離，利用熱泵將收集到的熱量隨時轉(zhuǎn)移進行儲存，始終維持較大的水氣溫差進行集熱。試驗期間，在聯(lián)合模式運行過程中，平均水氣溫差為(11.1±1.1) ℃，日間集熱量(519.7±30.5)～(763.9±17.1) MJ，集熱功率(52.5±0.1)～(52.6±1.5) kW；而采用風(fēng)機模式，平均水氣溫差為(7.3±2.4)℃，日間集熱量(223.1±8.9)～(439.3±4.7) MJ，集熱功率(14.2±0.4)～(26.5±3.0) kW?？梢姡砝淦?熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)提升了表冷器-風(fēng)機主動集放熱系統(tǒng)的集熱功率及集熱量，同時在不同天氣下還可根據(jù)不同需求選擇不同的最佳集熱模式，更加節(jié)能高效地收集白天溫室內(nèi)富余的空氣熱能，避免了單一模式易出現(xiàn)的集熱量不夠的問題。

該系統(tǒng)具有節(jié)能減排效益，在晴天和多云 2種典型天氣下，先進行表冷器-風(fēng)機集熱后、再進行熱泵與表冷器-風(fēng)機聯(lián)合集熱的組合方式，在提高集熱量的基礎(chǔ)上最大程度地降低了能耗，集熱COP分別達到了5.3±0.4和4.8±0.3，節(jié)能效果顯著。按照實際集熱量與實際耗電量等比例計算的方法進行該系統(tǒng)減排指標(biāo)的估算。晴天，假設(shè)3種模式下系統(tǒng)均需收集400 MJ的熱量，按照試驗期間實際耗電量進行等比例估算，風(fēng)機模式、混合模式、聯(lián)合模式三種集熱模式的日間集熱耗電量分別為 15.7、26.1和34.1 kW·h。折合成標(biāo)準(zhǔn)煤分別為0.6、1.1和1.4 kg（設(shè)火力發(fā)電廠的發(fā)電效率為0.35，輸配電效率為0.95，標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為 29 260 kJ/kg）[12]，燃燒 1 kg煤將釋放3.67 kg的CO2[26-27]，故其火力發(fā)電燃燒相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)煤所排放的CO2量分別為2.2、4.0和5.1 kg，若使用燃煤熱水供暖提供同樣的400 MJ熱量，則需9.1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤（設(shè)燃煤鍋爐效率為0.7，管網(wǎng)輸送效率為0.95）[12]，將釋放CO2量33.4 kg，分別較風(fēng)機模式、混合模式和聯(lián)合模式高出93.4%、88.0%和 84.7%，此外，隨著清潔能源發(fā)電技術(shù)的逐漸推廣應(yīng)用，該系統(tǒng)也有望實現(xiàn)真正意義的溫室氣體零排放，環(huán)境效益突出。

該系統(tǒng)集熱降溫的功能可避免日光溫室正午高溫對作物產(chǎn)生的高溫脅迫[28]，可實現(xiàn)延遲通風(fēng)甚至不通風(fēng)，最大限度降低溫室熱量損失。且系統(tǒng)為成熟的工業(yè)化產(chǎn)品組合，無需漫長的研發(fā)周期，在各類園藝設(shè)施及養(yǎng)殖場中皆具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前系統(tǒng)的應(yīng)用研究還處于初級階段，系統(tǒng)的參數(shù)配置及加工工藝等還有待完善，系統(tǒng)對溫室小氣候的影響等仍需進一步試驗。

5 結(jié) 論

1）提出了集熱、儲熱分開進行的集熱思路，將集熱過程與儲熱過程分離。利用熱泵將集熱池中收集到的熱量立即轉(zhuǎn)移到儲熱池中儲存，使得集熱過程能始終維持較大的水氣溫差，從而提升系統(tǒng)的集熱性能。

2）3種運行模式中，聯(lián)合模式的集熱量在典型晴天及多云條件下均最多，分別可達(763.9±17.1) MJ和(519.7±30.5) MJ；風(fēng)機模式的集熱 COP在晴天時最高，為 6.0±0.7；混合模式的集熱 COP在多云天時最高，為4.8±0.3，晴天條件下性能居中。

3）在典型晴天和多云天，平均水氣溫差均呈現(xiàn)出風(fēng)機模式、混合模式、聯(lián)合模式遞增的趨勢，其中多云天風(fēng)機模式和混合模式分別比晴天時相同模式下低 35.5%和7.7%，聯(lián)合模式下水氣溫差在2種天氣條件下相差無幾。

4）晴天時，因溫室室內(nèi)氣溫較高，對主動放熱量需求較低，故以集熱性能系數(shù)COP為最高權(quán)重綜合得出優(yōu)選混合模式集熱。多云天氣，聯(lián)合模式集熱更適合，因考慮了多云天夜間面臨著較大的主動放熱需求，應(yīng)以集熱量為先。