表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)的設(shè)計方法

宋衛(wèi)堂，耿 若，王建玉，劉平建，陳先知，王平智

·研究速報·

表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)的設(shè)計方法

宋衛(wèi)堂1,2，耿 若1，王建玉1，劉平建3，陳先知4，王平智1,2※

（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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）

為了加快表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)在無蓄熱后墻日光溫室及大跨度外保溫塑料大棚中的推廣應(yīng)用，該研究提供了一種可以在不同類型、不同規(guī)格的園藝設(shè)施中使用的該系統(tǒng)的設(shè)計計算方法，主要包括棚室熱負(fù)荷計算、熱泵的選型、集熱池潛水泵的選型、儲熱池潛水泵的選型、儲熱池體積的計算以及表冷器-風(fēng)機(jī)臺數(shù)的確定等。并以其在一500 m2無蓄熱后墻日光溫室中的實(shí)際應(yīng)用為例，計算得出在夜間平均氣溫–10℃條件下，為了維持室內(nèi)氣溫不低于15℃，需配置FNH型表冷器-風(fēng)機(jī)10臺，熱泵的額定輸入功率為15 kW，集熱池潛水泵和儲熱池潛水泵流量分別為15 m3/h和14 m3/h，儲熱池體積為19.8 m3。該研究為表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和設(shè)計實(shí)例。

溫室；設(shè)計方法；塑料大棚；熱泵

0 引 言

日光溫室是中國獨(dú)創(chuàng)的高效節(jié)能型園藝設(shè)施，主要依靠太陽輻射熱能和自帶的蓄熱保溫結(jié)構(gòu)維持室內(nèi)氣溫[1]，在蔬菜的周年均衡供應(yīng)方面發(fā)揮了巨大作用[2]。傳統(tǒng)的日光溫室三面環(huán)墻，墻體作為最主要的圍護(hù)結(jié)構(gòu)之一，常采用夯土、黏土磚等材料建造，兼具保溫和蓄熱雙重功能[3]，可在白天吸收并儲存太陽輻射熱并于夜間釋放[4]。但該類墻體存在著建造成本高[5]、放熱可控性差[6]、占地面積大[7]等一系列問題，因此，近些年各地逐漸出現(xiàn)了不同類型的園藝設(shè)施。其中，最為典型的是利用聚苯乙烯發(fā)泡板裝配成后墻的日光溫室和無后墻的大跨度外保溫塑料大棚[8]。在該情況下，其主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)將不再承擔(dān)傳統(tǒng)日光溫室后墻的蓄熱功能，僅保留保溫功能，需配置主動集放熱系統(tǒng)補(bǔ)償由于取消后墻的蓄放熱功能所導(dǎo)致的夜間供熱不足等問題[9]。受溫室效應(yīng)的影響，在冬季正午前后，溫室和大棚內(nèi)的空氣溫度均處于較高水 平[10-12]，蘊(yùn)含著豐富的空氣熱能[13]，利用其白天富余的空氣熱能用于夜間加溫是實(shí)現(xiàn)園藝設(shè)施低碳節(jié)能生產(chǎn)的有效方法。王平智等[14-16]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(jī)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(jī)，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，但表冷器-風(fēng)機(jī)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，其在晴天及多云天的集熱量分別僅有（454.6±55.9）和142 MJ[15]，主要原因是由于集熱時的水氣溫差隨著集熱過程的進(jìn)行而逐漸減小，導(dǎo)致出現(xiàn)了雖然空氣熱量仍有富余，但后期熱交換效率很低的情況。因此，為了保持較大的水氣溫差以增大集熱量，并有效儲存空氣熱能以用于夜間加溫，宋衛(wèi)堂等[17]對表冷器-風(fēng)機(jī)主動集放熱系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，加入熱泵，熱量邊收集邊轉(zhuǎn)移，形成了一種包含表冷器-風(fēng)機(jī)、集熱池、儲熱池、熱泵、水泵等組件的表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)共有三種運(yùn)行模式：僅表冷器-風(fēng)機(jī)集熱（風(fēng)機(jī)模式）、表冷器-風(fēng)機(jī)集熱+熱泵與表冷器-風(fēng)機(jī)聯(lián)合集熱（混合模式）、僅熱泵與表冷器-風(fēng)機(jī)聯(lián)合集熱（聯(lián)合模式）。聯(lián)合模式在晴天和多云天的集熱量分別達(dá)到了（763.9±17.1）和（519.7±30.5）MJ，比其風(fēng)機(jī)模式（與表冷器-風(fēng)機(jī)主動集放熱系統(tǒng)的集熱運(yùn)行模式相同）下的（439.3±4.7）和（223.1±8.9）MJ[17]，分別提高了73.9%和132.9%，證明該系統(tǒng)的集熱量增大效果顯著，設(shè)計正確可行。

為了加快該項(xiàng)集放熱新技術(shù)在無蓄熱后墻日光溫室、大跨度外保溫塑料大棚中的推廣應(yīng)用，本文提供了一種可以在不同類型、不同規(guī)格的園藝設(shè)施中使用的表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)的設(shè)計計算方法，并以文獻(xiàn)[17]中的集放熱系統(tǒng)為例，示范了如何利用此方法進(jìn)行具體的設(shè)計和計算。

1 表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

如圖 1，表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)[17]主要包括表冷器-風(fēng)機(jī)（1）、熱泵機(jī)組（2）、集熱池潛水泵（3）、集熱池（4）、儲熱池（5）、儲熱池潛水泵（6）、三通閥（7）七部分。表冷器-風(fēng)機(jī)同時兼有集熱與放熱功能；系統(tǒng)共有兩組供水管道和出水管道，兩組供水管分別與集熱池潛水泵和儲熱池潛水泵相連，兩組出水管道分別與熱泵機(jī)組蒸發(fā)側(cè)和儲熱池相連；集熱池與表冷器-風(fēng)機(jī)相連；儲熱池與熱泵機(jī)組冷凝測和表冷器-風(fēng)機(jī)相連，通過水的流動實(shí)現(xiàn)熱量交換。為使以上各通路不互相影響，通路交匯處均采用“L”型三通閥連接。

1. 表冷器-風(fēng)機(jī) 2. 熱泵機(jī)組 3. 集熱池潛水泵 4. 集熱池 5. 儲熱池 6. 儲熱池潛水泵 7. 三通閥

1.2 工作過程

表冷器-熱泵聯(lián)合集放熱系統(tǒng)以水-氣換熱的方式，日間收集棚室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棚室內(nèi)的氣溫。具體工作過程見文獻(xiàn)[17]系統(tǒng)工作原理。

2 表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)的設(shè)計方法

2.1 棚室熱負(fù)荷計算

棚室是對供熱系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該滿足以下要求:首先供熱系統(tǒng)要有足夠的供熱能力，能夠在室外設(shè)計溫度下保持室內(nèi)所需要的溫度，保證棚室內(nèi)植物的正常生長[18]。因此對棚室最大熱負(fù)荷的計算及其影響因素的量化，可為棚室設(shè)計供熱系統(tǒng)時提供重要依據(jù)[19]。

棚室的采暖總熱負(fù)荷按下式計算[18]：

=121+2+3（1）

式中為棚室采暖總熱負(fù)荷，W；1為結(jié)構(gòu)附加系數(shù)；2為風(fēng)力附加系數(shù)；1為棚室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量，W；2為棚室的冷風(fēng)滲透熱負(fù)荷，W；3為棚室的地面?zhèn)鳠崃?，W。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱損失計算公式[18]如下：

式中K為棚室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；F為棚室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱面積，m2；T，T為分別為棚室內(nèi)外采暖設(shè)計溫度，℃。

如果圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料是由多種材料復(fù)合而成，作為一個整體，復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的傳熱系數(shù)按下式計算：

式中α為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的對流換熱系數(shù)；α為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的對流換熱系數(shù)；δ為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層材料的厚度，m；λ為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

冷風(fēng)滲透熱損失計算公式如下：

式中C為空氣的定壓比熱，C=0.000 279 kW·h/(kg·℃)；為每小時冷風(fēng)滲透進(jìn)入棚室的空氣質(zhì)量，kg/h；為棚室與外界的空氣交換率，即每小時的完全換氣次數(shù)；為棚室內(nèi)部體積，m3；為室外溫度條件下空氣的容重，kg/m3。

地面?zhèn)鳠釗p失計算公式如下：

式中3為通過棚室地面的總傳熱量，W；K為第區(qū)的地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/( m2·K)；F為第區(qū)的地面面積，m2。

2.2 熱泵的選型

水源熱泵的工作原理是基于熱力學(xué)第二定律，在運(yùn)轉(zhuǎn)時僅壓縮機(jī)消耗少量電能，將水作為載體，吸收或釋放能量，經(jīng)過管道流通，對途徑區(qū)域進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)[20-21]。

（6）

由公式（6）可得出熱泵機(jī)組制熱功率為

在某一工況下，當(dāng)熱泵機(jī)組進(jìn)行制熱運(yùn)行時，機(jī)組制熱量與機(jī)組輸入功率的比值就是機(jī)組的性能系數(shù)[22]，計算公式如下：

式中N為機(jī)組的平均輸入功率，kW。

2.3 集熱池潛水泵的選型

據(jù)采暖熱負(fù)荷計算試驗(yàn)棚室總需供熱量（J）。計算公式如下：

式中為實(shí)際總供熱量需求，J；T為為放熱時長，h。

系統(tǒng)總集熱量計算如下：

式中sys為系統(tǒng)的總集熱量，kJ；c為水的平均定壓比熱容，4.2 kJ/kg·℃；ρ為水的平均密度，1 000 kg/m3；1w為集熱池平均水流量，m3/h；en()為集熱池進(jìn)水口溫度，℃；1v()為集熱池出水口溫度，℃；st為集熱開始時刻；ed為集熱結(jié)束時刻。

根據(jù)系統(tǒng)總集熱量及實(shí)際總供熱量需求，令E=，得出平均水流量1w，即為集熱池潛水泵所需達(dá)到的流量。

2.4 儲熱池潛水泵的選型

系統(tǒng)總放熱量計算如下：

式中sup為系統(tǒng)的總放熱量，kJ；2w為儲熱池平均水流量，m3/h；en2()為儲熱池進(jìn)水口溫度，℃；1v2()為儲熱池出水口溫度，℃；T2為放熱開始時刻；T2為放熱結(jié)束時刻。

根據(jù)系統(tǒng)總放熱量及實(shí)際總供熱量需求，令E=，得出平均水流量2w，即為儲熱池潛水泵所需達(dá)到的流量。

2.5 儲熱池體積

系統(tǒng)總放熱量還可通過儲熱池中的水溫變化進(jìn)行計算：

式中Δ2,sup為放熱階段儲熱池水溫變化，℃；2為儲熱池實(shí)際蓄水量，m3。

計算出的2是儲熱池實(shí)際蓄水量，考慮到需給儲熱水池預(yù)留一定的空間，避免在放熱過程中水溢出來，選擇儲備系數(shù) 1.2，即儲熱池體積′2=1.22。

2.6 表冷器-風(fēng)機(jī)數(shù)量

表冷器-風(fēng)機(jī)的供熱量可按下式計算[22]

式中為表冷器-風(fēng)機(jī)的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；為表冷器-風(fēng)機(jī)的傳熱面積，m2；Δm為水與空氣間的對數(shù)平均溫差，℃。

對于空氣加熱過程來說，由于冷熱流體在進(jìn)出口端的溫差比值常常小于2，所以可用算術(shù)平均溫差Δp代替對數(shù)平均溫差Δm。其中，

式中w1為進(jìn)水水溫，℃；w2為出水水溫，℃；1為加熱前的空氣干球溫度，℃；2為加熱后的空氣干球溫度，℃。

式中′為單臺表冷器-風(fēng)機(jī)面積，m2。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 試驗(yàn)溫室

試驗(yàn)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），溫室東西走向，試驗(yàn)區(qū)長50 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聚烯烴塑料薄膜，溫室北墻采用130 mm聚苯乙烯發(fā)泡板裝配而成、東側(cè)山墻采用三七磚墻建造，西側(cè)緊挨對照溫室，用纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料板分隔，溫室后坡采用0.1 mm 聚烯烴塑料薄膜和針刺氈棉被覆蓋。試驗(yàn)期間，溫室內(nèi)種植黃瓜，利用底部卷膜通風(fēng)窗實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。

3.2 試驗(yàn)溫室熱負(fù)荷及夜間需熱量計算

北方日光溫室黃瓜優(yōu)質(zhì)栽培中對夜間溫度的要求為15～20℃[24-25]，為滿足溫室內(nèi)種植作物生產(chǎn)對溫度的需求，溫室內(nèi)氣溫不低于15℃。根據(jù)公式計算得出試驗(yàn)溫室夜間采暖熱負(fù)荷為46 105.3 W，按夜間共放熱5 h，總需供熱量為829.9 MJ。具體計算參數(shù)見表1。

根據(jù)公式計算得出：

1=32 730.5 W，2=10 320.2 W，3=2 400 W，

=121+2+3=46 105.3 W

據(jù)采暖熱負(fù)荷計算試驗(yàn)溫室實(shí)際總供熱量。計算得=3 600×·T=829.9 MJ。

表1 計算參數(shù)表

3.3 熱泵的選型

3.4 集熱池潛水泵的選型

集熱池潛水泵所需流量可根據(jù)式（10）進(jìn)行估算。

其中，取集熱時間為4 h，集熱水池進(jìn)出水溫差3.5℃，得出1w=14.1 m3/h，故選集熱池循環(huán)水泵的流量取整為15 m3/h，匹配揚(yáng)程選擇20 m。

3.5 儲熱池潛水泵的選型

儲熱池潛水泵所需流量可根據(jù)式（11）進(jìn)行估算。其中，取放熱時間為5 h，儲熱水池進(jìn)出水溫差3℃，得出2w=13.2 m3/h，故選儲熱池循環(huán)水泵的流量取整為14 m3/h，匹配揚(yáng)程選擇20 m。

3.6 儲熱池體積

儲熱池體積可根據(jù)式（12）進(jìn)行估算。其中，放熱階段的儲熱池水溫變化取為12 ℃，得出2=16.5 m3，取儲備系數(shù)取為1.2，得出′2= 19.8 m3，儲熱池內(nèi)壁長3.7 m，寬3.7 m，高1.5 m，其結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外依次為水泥砂漿保護(hù)層、防水層、冷底子油、水泥砂漿找平層、磚體墻、擠塑板、絲網(wǎng)水泥砂漿，水池上部覆蓋厚彩鋼板保溫。圖2為儲熱池結(jié)構(gòu)示意圖。

1. 1：3水泥砂漿保護(hù)層 2. SBS卷材防水層 3. 冷底子油 4. 1：2.5水泥砂漿找平層 5. 磚體墻 6. 擠塑板 7.絲網(wǎng)水泥砂漿 8. 細(xì)石砼 9. 3：7灰土 10. 彩鋼板

3.7 表冷器-風(fēng)機(jī)臺數(shù)

根據(jù)前期對表冷器-風(fēng)機(jī)的多方面測試結(jié)果，選擇了FNH 型表冷器-風(fēng)機(jī)作為集放熱裝置，每臺表冷器-風(fēng)機(jī)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(jī)，其中，該型號的表冷器-風(fēng)機(jī)的總傳熱系數(shù)表達(dá)式為[25]

式中v為空氣流速，m/s；為水流速度，m/s。

其中，空氣流速取3.5 m/s，主管直徑取為65 mm，故集熱和放熱時的水流速度分別按照其對應(yīng)流量計算得到0.8和0.7 m/s，故其相應(yīng)的傳熱系數(shù)為21.6和 21.4 W/m2·℃，在集熱時取平均水氣溫差為8℃，在放熱時取平均水氣溫差為6℃，由此可得出集熱和放熱時單臺表冷器-風(fēng)機(jī)的換熱功率為7 253.3 W和5 388.6 W，并可得出理論集熱臺數(shù)及放熱臺數(shù)為6.4臺和8.6臺，選取安全系數(shù)為1.1，則得出實(shí)際集熱臺數(shù)及放熱臺數(shù)為7.0臺和9.4臺，選取二者中較大值取整為10臺。

3.8 表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)的布置

根據(jù)日光溫室的結(jié)構(gòu)，為不影響日常作業(yè)，將管路緊貼于后墻，將一條主供水管路與一條主回水管路固定于屋脊下方，將另一條主回水管路固定于后墻中部，采用同程進(jìn)水和出水的方式連接，供水和回水主管均使用直徑為65 mm的 PPR管。其中因日間熱空氣上升環(huán)流，為提高對溫室內(nèi)熱量收集的效率，采用將表冷器-風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口與后墻相對的安裝方式，其風(fēng)向?yàn)樽阅舷虮毕路酱邓?，如圖3所示為表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)在夜間放熱時的示意圖。

圖3 系統(tǒng)在夜間放熱時的示意圖

4 討 論

本文表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)中表冷器-風(fēng)機(jī)成本約為1.1萬元，儲熱池與集熱池成本約為1.4萬元，熱泵成本約為3.7萬元，循環(huán)水泵、供、回水管路成本約為1.2萬元，合計建造成本約7.4萬元。在文獻(xiàn)[17]中，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(yàn)期間實(shí)際耗電量進(jìn)行等比例估算，風(fēng)機(jī)模式、混合模式、聯(lián)合模式3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，假設(shè)放熱完全，每晚放400 MJ的耗電量約為26.2 kW·h，即在一天之內(nèi)的運(yùn)行電量為風(fēng)機(jī)模式41.9 kW·h；混合模式52.3 kW·h；聯(lián)合模式60.3 kW·h，試驗(yàn)基地正常電價0.58元/(kW·h)，折合為電費(fèi)，運(yùn)行成本分別為24.3、30.3和35.0元。在試驗(yàn)條件下，如果使用燃?xì)鉄犸L(fēng)爐（天然氣供暖）提供同樣的400 MJ熱量，需消耗天然氣18.5 m3（設(shè)天然氣能源轉(zhuǎn)化效率為80%，天然氣熱值為37.59 MJ/m3）[30]。根據(jù)菏澤市曹縣發(fā)展和改革局發(fā)布的《關(guān)于非居民用天然氣銷售價格的通知》，非居民用戶天然氣售價為2.82元/m3，那么燃?xì)鉄犸L(fēng)爐的加溫成本為52.2元，分別較風(fēng)機(jī)模式、混合模式和聯(lián)合模式高出114.8%、72.3%和49.1%，由此可見，表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)雖然前期投資成本較大，但熱泵的加入，有效提高了整個系統(tǒng)的集、放熱效率，并減小了水池容量，有利于增強(qiáng)系統(tǒng)抵抗連陰天等極端天氣的能力，總的來看，在運(yùn)行成本、抗風(fēng)險能力上都有較大的優(yōu)勢。

本文旨在提供表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)的設(shè)計方法及應(yīng)用實(shí)例，沒有涉及實(shí)際運(yùn)行效果的相關(guān)分析，系統(tǒng)本身的加溫效果及放熱性能分析，將作為以后的研究內(nèi)容。為盡力保證試驗(yàn)溫室內(nèi)空氣的均勻度，溫室內(nèi)10 臺表冷器-風(fēng)機(jī)按4 m的間隔傾斜吊掛于屋脊下方，但是尚未進(jìn)行均勻性模擬和具體的測試。如何減小集放熱過程中溫室溫度的不均勻性，將在以后的研究中深入探索。

4 結(jié) 論

1）研究提出了表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)的設(shè)計方法。設(shè)計方法主要包括棚室熱負(fù)荷計算、熱泵的選型、集熱池潛水泵的選型、儲熱池潛水泵的選型、儲熱池體積的計算以及表冷器-風(fēng)機(jī)臺數(shù)的確定等。此方法可針對不同溫室大棚進(jìn)行表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)主要參數(shù)的計算。

2）以無蓄熱后墻試驗(yàn)日光溫室為例，進(jìn)行了表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)的計算設(shè)計。

試驗(yàn)溫室東西走向長100 m，其中試驗(yàn)區(qū)長50 m，南北跨度寬10 m，屋脊高4.5 m，在夜間平均氣溫為–10℃的條件下，為了保持棚內(nèi)夜間氣溫不低于15℃，需要配置FNH型表冷器-風(fēng)機(jī)10臺，熱泵的額定輸入功率為 15 kW，集熱池潛水泵流量為15 m3/h，儲熱池潛水泵流量為14 m3/h，儲熱池體積為19.8 m3。

[1] 鮑恩財，曹晏飛，鄒志榮，等．不同結(jié)構(gòu)主動蓄熱墻體日光溫室傳熱特性[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(3)：189-197.

Bao Encai, Cao Yanfei, Zou Zhirong, et al. Characteristic of heat transfer for active heat storage wall with different structures in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 189-197. (in Chinese with English abstract)

[2] 管勇，王天梅，魏銘佟，等．日光溫室平板微熱管陣列蓄熱墻體熱性能試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(3)：205-212.

Guan Yong, Wang Tianmei, Wei Mingtong, et al. Thermal performance experiment of heat storage wall with flat micro heat pipe array in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(3): 205-212. (in Chinese with English abstract)

[3] 李明，周長吉，齊飛，等．淺談日光溫室新型墻體[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2015，(34)：44-46.

[4] 史宇亮，王秀峰，魏珉，等．日光溫室不同厚度土墻體蓄放熱特性研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2017，48(11)：359-367.

Shi Yuliang, Wang Xiufeng, Wei Min, et al. Comparison of heat storage and release characteristics of different thicknesses soil wall solar greenhouse[J]. Transactions of The Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(11): 359-367. (in Chinese with English abstract)

[5] 宋衛(wèi)堂，王平智，肖自斌，等．表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)對四種園藝設(shè)施室內(nèi)氣溫的調(diào)控效果研究[J]．農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40(4)：38-48.

[6] 李明，李涵，宋衛(wèi)堂，等．基于毛細(xì)管網(wǎng)的日光溫室主動式集放熱系統(tǒng)研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2019，50(11)：341-349.

Li Ming, Li Han, Song Weitang, et al. Application of active heat system developed with capillary tube mates in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of The Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(11): 341-349. (in Chinese with English abstract)

[7] 周瑩．全聚苯乙烯泡沫板墻體日光溫室的應(yīng)用效果[J]．河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，46(3)：152-155.

Zhou Ying. The application effect of polystyrene foam board wall in solar greenhouse[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences, 2017, 46(3): 152-155. (in Chinese with English abstract)

[8] 周升，張義，程瑞鋒，等．大跨度主動蓄能型溫室溫濕環(huán)境監(jiān)測及節(jié)能保溫性能評價[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(6)：218-225.

Zhou Sheng, Zhang Yi, Cheng Ruifeng, et al. Evaluation on heat preservation effects in micro-environment of large-scale greenhouse with active heat storage system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(6): 218-225. (in Chinese with English abstract)

[9] 周凱，徐銳，龍曉軍，等．日光溫室墻體的保溫性能及其設(shè)計與建造[J]．農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2019，39(4)：37-41.

[10] 張櫟，馮曉龍，趙淑梅，等．?dāng)_流風(fēng)機(jī)對日光溫室環(huán)境及番茄生長的影響[J]．中國蔬菜，2016(9)：52-57.

Zhang Yue, Feng Xiaolong, Zhao Shumei, et al. Effects of Air Circulator on Environmental Parameter and Tomato Growth in Solar Greenhouse[J]. China Vegetables, 2016(9): 52-57. (in Chinese with English abstract)

[11] 方慧，張義，伍綱，等．大跨度保溫型溫室的熱環(huán)境模擬[J]．中國農(nóng)業(yè)氣象，2019，40(3)：149-158.

Fang Hui, Zhang Yi, Wu Gang, et al. Modelling of thermal climate in a large-scale insulation solar greenhouse[J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2019, 40(3): 149-158. (in Chinese with English abstract)

[12] Li H, Yu Y, Niu F, et al. Performance of a coupled cooling system with earth-to-air heat exchanger and solar chimney[J]. Renew Energy, 2014, 62: 468-477.

[13] Gourdo L, Fatnassi H, Bouharroud R, et al. Heating canarian greenhouse with a passive solar water-sleeve system: effect on microclimate and tomato crop yield[J]. Solar Energy, 2019, 188: 1349-1359.

[14] 王平智，宋衛(wèi)堂，趙淑敏，等．一種溫室集蓄熱裝置，201721047382.9[P]．2018-05-04.

[15] 李明，耿若，宋衛(wèi)堂，等．外保溫塑料大棚表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)性能分析[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2020，51(10)：371-378.

Li Ming, Geng Ruo, Song Weitang, et al. Performances of thermal collecting and releasing system developed with fan-coil units in plastic tunnel covered with thermal blanket[J]. Transactions of The Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(10): 371-378. (in Chinese with English abstract)

[16] 何雪穎，王平智，李明，等．基于響應(yīng)面法的表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2020，51(12)：315-323.

He Xueying, Wang Pingzhi, Ling Ming, et al. Parameters optimization of greenhouse air-cooled condenser heat collection and release system by response surface method[J]. Transactions of The Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(12): 315-323. (in Chinese with English abstract)

[17] 宋衛(wèi)堂，耿若，王建玉，等．表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)不同運(yùn)行模式的集熱性能[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(11)：230-238.

Song Weitang, Geng Ruo, Wang Jianyu, et al. Heat collection performance of different modes of fan-coil units-heat pump combined heat collection system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(11): 230-238. (in Chinese with English abstract)

[18] 周長吉．溫室工程設(shè)計手冊[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2007：177-189．

[19] 劉麗霞．日光溫室結(jié)構(gòu)極限承載力及熱負(fù)荷分析[J]．林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2020，48(9)：49-54,58.

Liu Lixia. Analysis of the ultimate bearing capacity and heating load of solar greenhouse structure[J]. Forestry Machinery & Woodworking equipment, 2020, 48(9): 49-54,58. (in Chinese with English abstract)

[20] 趙恩榮，徐廣才．地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用分析[J].綠色環(huán)保建材，2021(9)：171-172．

[21] 姚楊．暖通空調(diào)熱泵技術(shù)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：132-134．

[22] 虞啟輝，王海宇，王前程，等．環(huán)境溫度對空氣源熱泵系統(tǒng)制熱性能的影響研究[J]．區(qū)域供熱，2021(3)：64-70,105.

[23] 趙榮義．空氣調(diào)節(jié)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：93-95．

[24] 王彩平．北方日光溫室黃瓜栽培技術(shù)研究[J]．種子科技，2019，37(8)：108.

[25] 王娟．日光溫室黃瓜優(yōu)質(zhì)高效栽培技術(shù)[J]．現(xiàn)代農(nóng)村科技，2020(5)：18.

[26] 馬承偉，苗香雯．農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2005：57．

[27] 孫維拓．主動蓄放熱—熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化[D]．北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2014.

Sun Weituo. Design and Optimization of Active Heat Storage-Release Associated With Heat Pump Heating System[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2014. (in Chinese with English abstract)

[28] 佟國紅，車忠仕，白義奎，等．熱量平衡法確定日光溫室換氣次數(shù)[J]．沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008(4)：459-462.

Tong Guohong, Che Zhongshi, Bai Yikui, et al. Air exchange rate calculation for solar greenhouse using thermal balance method[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2008(4): 459-462. (in Chinese with English abstract)

[29] 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)計與應(yīng)用效果——以寧城大跨度外保溫大棚為例（上）[J]．農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40(10)：42-48.

[30] 柴立龍，馬承偉，張義，等．北京地區(qū)溫室地源熱泵供暖能耗及經(jīng)濟(jì)性分析[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(3)：249-254.

Chai Lilong, Ma Chengwei, Zhang Yi, et al. Energy consumption and economic analysis of ground source heat pump used in greenhouse in Beijing[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(3): 249-254. (in Chinese with English abstract)

Design method for fan-coil units-heat pump combined heat collection system

Song Weitang1,2, Geng Ruo1, Wang Jianyu1, Liu Pingjian3, Chen Xianzhi1, Wang Pingzhi1,2※

(1.,,100083, C;2.,,100083, C;3.,274400,;4.325006)

In the new solar greenhouse with walls without heat storage function and a plastic tunnel covered with thermal blanket without walls (PTET), auxiliary heating measures should be taken to make up the lack of heat supply caused by canceling the heat storage and heat release function of the rear wall. At noon in winter, the temperature in greenhouses and plastic tunnels is higher, indicating that the air is rich in heat energy. It is an effective way to realize low-carbon and energy-saving production of horticultural facilities by using the excess air heat energy for night heating. Therefore, a thermal collecting and releasing developed with fan-coil units and heat storage pool for heat collection (TSFU), has been developed. But the heat collection capacity of this system is only (454.6±55.9) MJ and 142 MJ in sunny and cloudy days, respectively. Therefore, on the basis of this system, a heat pump is added, thus forming a combined heat collection system with fan-coil units and heat pump (FUHPS), aiming at improving the heat collection capacity of TSFU. FUHPS has three heat collection modes: fan-coil units heat collection mode (fan mode); fan-coil units+heat pump mixed heat collection mode (mixed mode); Combined heat collection mode of fan-coil units+heat pump (combined mode). The combined mode of sunny and cloudy days achieves (763.9±17.1) and (519.7±30.5) MJ respectively,which was higher than (439.3±4.7) and (223.1±8.9) MJ in the fan mode (which is the same as the heat collection operation mode of the TSFU), which are increased by 73.9% and 132.9% respectively. These results prove that the heat collection capacity of the system is significantly increased and the design is correct and feasible. In order to speed up the popularization and application of this new technology in solar greenhouses without heat storage function and plastic tunnels covered with thermal blanket, a design and calculation method of FUHPS which can be used in different types and specifications of horticultural facilities was provided. The design method mainly includes the calculation of greenhouse heat load, the selection of heat pump, the selection of submersible pump in heat collection pool and heat storage pool, the calculation of heat storage pool volume and the determination of the number of fan-coil units, etc. This method can be used to calculate the main parameters of the FUHPS for different greenhouses. Taking its practical application in 500 m2solar greenhouse without heat storage function as an example, it was calculated that at –10℃ at night, in order to keep the indoor temperature not lower than 15℃, 10 FNH fan-coil units were needed, the rated input power of heat pump was 15 kW, the flow rates of submersible pump in heat collection pool and submersible pump in heat storage pool were 15 and 14 m3/h respectively, and the volume of heat storage pool was 19.8 m3. The total investment in the early stage of this system is 74,000 yuan. On sunny days, assuming that 400 MJ of heat needs to be collected, the heating cost of gas-fired hot-blast stove is 114.8%, 72.3% and 49.1% higher than that of fan mode, mixed mode and combined mode of this system, respectively. It can be seen that although the early stage investment cost of this system is relatively high, the operating cost is relatively low.

greenhouse; design method; plastic tunnel; heat pump

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.036

S625.4

A

1002-6819(2021)-21-0315-06

宋衛(wèi)堂，耿若，王建玉，等. 表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)的設(shè)計方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(21)：315-320.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.036 http://www.tcsae.org

Song Weitang, Geng Ruo, Wang Jianyu, et al. Design method for fan-coil units-heat pump combined heat collection system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 315-320. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.036 http://www.tcsae.org

2021-09-11

2021-10-29

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目（2020YFD1000300）；浙江省科技計劃項(xiàng)目（2019C02009）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（CARS-23-D02）

宋衛(wèi)堂，博士，教授，研究方向?yàn)樵O(shè)施園藝工程。Email：songchali@cau.edu.cn

王平智，工程師，研究方向?yàn)樵O(shè)施農(nóng)業(yè)工程。Email：wpz@cau.edu.cn