摘要:為解決冬季日光溫室內(nèi)白天高溫、夜間低溫高濕的問(wèn)題,將一套主動(dòng)蓄放熱空氣源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于日光溫室中,并對(duì)該系統(tǒng)開(kāi)展連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)。首先,從調(diào)溫、調(diào)濕角度分析其環(huán)境調(diào)控效果;然后,通過(guò)性能系數(shù)COP評(píng)價(jià)不同階段的系統(tǒng)性能;最后,結(jié)合蓄能水箱放熱率、系統(tǒng)運(yùn)行模式和能量利用率綜合評(píng)價(jià)蓄能模塊性能,為系統(tǒng)及蓄能模塊提出優(yōu)化建議。試驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)溫室白天降溫、夜間增溫降濕效果顯著。系統(tǒng)總性能系數(shù)為3.0~4.7;蓄能水箱能量利用率在90%以上,其工作可明顯提高系統(tǒng)的性能系數(shù);系統(tǒng)平均運(yùn)行費(fèi)用為0.096元/(m2 ? d)。為日光溫室的環(huán)境調(diào)控及主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的優(yōu)化提供新思路。
關(guān)鍵詞:日光溫室;主動(dòng)蓄放熱;熱泵;系統(tǒng)優(yōu)化;環(huán)境調(diào)控
中圖分類號(hào):S625.3; S625.4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A" " " 文章編號(hào):2095?5553 (2025) 04?0285?08
Application effect and analysis of active heat storage
and release air source heat pump system
Zhu Chao Xin Yafei Zheng Guoliang Xiang Yingfeng Sun Xianpeng
(1. State Grid Shaanxi Electric Power Research Institute, Xi'an, 710100, China; 2. Shaanxi Huadian New Energy Power Generation Co., Ltd., Xi'an, 710016, China; 3. College of Horticulture, Northwest A amp; F University, Yangling, 712100, China; 4. Key Laboratory of Protected Horticultural Engineering in Northwest Facilities, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangling, 712100, China; 5. Protected Agriculture Engineering Technology Research Center in Shaanxi Province, Yangling, 712100, China)
Abstract: In order to solve the problem of high temperature in the day and low temperature and high humidity at night in the solar greenhouse, an active heat storage and discharge air source heat pump system was applied to the solar greenhouse, and the continuous operation test of the system was carried out. Firstly, the effects of environmental regulation were analyzed from the angle of temperature and humidity regulation. Then the system performance of different stages was evaluated by the performance coefficient. Finally, combined with the heat release rate of the energy storage tank, the system operation mode and the energy utilization rate, the performance of the energy storage module was evaluated comprehensively, and the optimization suggestions for the system and the energy storage module were put forward. The test results show that the system has significant effect on cooling the greenhouse during the day and increasing the temperature and decreasing the humidity at night. The total performance coefficient ranges from 3.0 to 4.7. The energy utilization rate of the storage tank is more than 90%, and its work can obviously improve the performance coefficient of the system. The average operating cost of the system is 0.096 yuan/(m2 ? d). This study provides a new idea for the environmental control of solar greenhouse and the optimization of active heat storage and release system.
Keywords: solar greenhouse; active heat storage and release; heat pump; system optimization; environmental regulation
0 引言
中國(guó)西北地區(qū)非耕地資源和自然光熱資源豐富,設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展較為迅猛[1],主要發(fā)展的農(nóng)業(yè)設(shè)施類型為日光溫室[2]。雖然日光溫室跨季節(jié)生產(chǎn)能力強(qiáng)[3],但由于冬季西北地區(qū)晝夜溫差大[4],導(dǎo)致日光溫室應(yīng)用效果不理想。因此,解決冬季日光溫室生產(chǎn)中溫度晝高夜低的難題一直是該地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)的研究熱點(diǎn)。
較多學(xué)者利用太陽(yáng)能[5]、地?zé)崮躘6]等清潔能源復(fù)合熱泵系統(tǒng)對(duì)建筑進(jìn)行調(diào)溫,表現(xiàn)出良好效果。蔣綠林等[7]通過(guò)開(kāi)展多熱源熱泵溫室加熱試驗(yàn)研究,表明復(fù)合系統(tǒng)加溫效果和節(jié)能效果均表現(xiàn)良好。Sameh等[8]通過(guò)搭建太陽(yáng)能輔助熱泵系統(tǒng),討論了氣候條件對(duì)系統(tǒng)性能的影響,證明供暖系統(tǒng)可以滿足冬季溫室供暖的需要。Xu[9]、Yang[10]等將地源熱泵和太陽(yáng)能系統(tǒng)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室清潔供熱。雖然復(fù)合系統(tǒng)解決了夜間供暖問(wèn)題,但是白天溫室內(nèi)溫度過(guò)高的問(wèn)題還尚待解決。
采用通風(fēng)策略控制白天溫室內(nèi)的溫度,會(huì)造成熱能的浪費(fèi)。因此,收集溫室內(nèi)白天多余的熱量,并在夜間釋放出來(lái)是解決該難題的重要思路。宋衛(wèi)堂等[11, 12]設(shè)計(jì)和優(yōu)化了表冷器—風(fēng)機(jī)主動(dòng)集放熱系統(tǒng),并通過(guò)試驗(yàn)證明了其調(diào)溫和節(jié)能效果良好,可以滿足溫室正常生產(chǎn)需求。
因此,本文對(duì)主動(dòng)蓄放熱空氣源熱泵系統(tǒng)開(kāi)展連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn),從調(diào)溫、調(diào)濕、節(jié)能和效益的角度研究系統(tǒng)應(yīng)用效果;為避免性能系數(shù)COP[13]這一評(píng)價(jià)指標(biāo)過(guò)于單一,結(jié)合放熱率、系統(tǒng)運(yùn)行模式和能量利用效率綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能,為系統(tǒng)及蓄能模塊提出優(yōu)化建議。
1 試驗(yàn)系統(tǒng)
1.1 試驗(yàn)溫室
試驗(yàn)溫室是位于陜西省楊凌區(qū)(34.5°N,107.8°E)的一座東西走向日光溫室。溫室全長(zhǎng)29 m,跨度為9.2 m,脊高為3.8 m,后墻高為3.6 m。前屋面覆蓋單層塑料薄膜,外側(cè)覆蓋保溫棉被。山墻內(nèi)側(cè)表面鋪有保溫隔熱板,后墻為水泥襯砌的磚墻,整個(gè)溫室保溫性能良好。整個(gè)溫室沿長(zhǎng)度方向被隔熱板均分成3個(gè)隔間,隔間門(mén)由雙層防風(fēng)保溫門(mén)簾隔開(kāi)。其中,試驗(yàn)溫室為東側(cè)隔間且已安裝一套主動(dòng)蓄放熱空氣源熱泵系統(tǒng);對(duì)照溫室為西側(cè)隔間,未采取任何主動(dòng)調(diào)溫措施。2個(gè)隔間均在同樣位置布置測(cè)量設(shè)備。
1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)
主動(dòng)蓄放熱空氣源熱泵系統(tǒng)組成如圖1所示,系統(tǒng)包括室外機(jī)部分、室內(nèi)機(jī)部分和蓄能部分[14]。系統(tǒng)的R22型制冷劑通過(guò)逆卡諾循環(huán),實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。室內(nèi)機(jī)同時(shí)與室外機(jī)和蓄能水箱連接,兼具蓄熱和放熱功能??諝庠礋岜孟到y(tǒng)的制冷性能系數(shù)為2.7,制熱性能系數(shù)為3.0。控制箱通過(guò)控制系統(tǒng)的2條回路實(shí)現(xiàn)3種工作狀態(tài):(1)制熱狀態(tài)工作回路:室外風(fēng)機(jī)盤(pán)管→第二電子閥→壓縮機(jī)→室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤(pán)管→膨脹閥→第一電子閥→室外風(fēng)機(jī)盤(pán)管。(2)蓄熱狀態(tài)工作回路:室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤(pán)管→膨脹閥→第一電子閥→換熱盤(pán)管→第二電子閥→壓縮機(jī)→室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤(pán)管。(3)放熱狀態(tài)工作回路:換熱盤(pán)管→第二電子閥→壓縮機(jī)→室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤(pán)管→膨脹閥→第一電子閥→換熱盤(pán)管。
1.3 工作模式
由于系統(tǒng)蓄熱、放熱是一個(gè)完整的過(guò)程,因此,此次試驗(yàn)設(shè)定9:00—次日9:00為一天。日光溫室室內(nèi)溫度同室外溫度一樣呈日周期變化規(guī)律,為避免早上及傍晚溫度波動(dòng)太大引起系統(tǒng)頻繁啟停,設(shè)定系統(tǒng)在10:00—16:00和21:00—次日8:00運(yùn)行。當(dāng)室內(nèi)溫度持續(xù)高于或低于閾值溫度10 min時(shí),認(rèn)為室內(nèi)溫度環(huán)境變化趨于穩(wěn)定,系統(tǒng)開(kāi)機(jī)工作(下述系統(tǒng)運(yùn)行均以此為前提)。系統(tǒng)運(yùn)行模式主要受室內(nèi)外溫度影響[16]。
1) 主動(dòng)蓄熱模式A。溫室內(nèi)溫度場(chǎng)景1:室內(nèi)溫度日周期變化規(guī)律中最高溫度超過(guò)一定溫度(25 ℃)且最低溫度高于一定溫度(10 ℃)。溫室內(nèi)溫度超過(guò)蓄熱模式閾值溫度(25 ℃)時(shí),系統(tǒng)啟動(dòng)蓄熱回路,室內(nèi)風(fēng)機(jī)既作為末端給溫室降溫,又作為熱量收集系統(tǒng)將溫室內(nèi)過(guò)剩的熱量?jī)?chǔ)存到蓄能水箱中,直至溫室內(nèi)溫度低于一定溫度(15 ℃)時(shí),系統(tǒng)停止運(yùn)行。
2) 主動(dòng)放熱模式B。溫室內(nèi)溫度場(chǎng)景2:室內(nèi)溫度日周期變化規(guī)律中最高溫度超過(guò)一定溫度(25 ℃)且最低溫度低于一定溫度(10 ℃)。此時(shí)系統(tǒng)在溫室內(nèi)溫度高于一定溫度(25 ℃)時(shí)啟動(dòng)蓄熱回路并收集溫室內(nèi)過(guò)剩熱量;當(dāng)夜間和凌晨溫室內(nèi)溫度低于一定溫度(10 ℃)時(shí),系統(tǒng)首先啟動(dòng)放熱回路,此時(shí)室內(nèi)機(jī)執(zhí)行末端供暖功能;當(dāng)蓄能水箱的熱量完全釋放后,溫室仍有供熱需求,則另外需要室外機(jī)執(zhí)行吸收室外空氣熱能功能,此時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)制熱回路。
3) 主動(dòng)制熱模式C。溫室內(nèi)溫度場(chǎng)景3:室內(nèi)溫度日周期變化規(guī)律中最高溫度低于一定溫度(25 ℃)且最低溫度低于一定溫度(10 ℃)。此時(shí)蓄能水箱不進(jìn)行蓄熱。當(dāng)溫室內(nèi)溫度低于一定溫度(如10 ℃)時(shí),系統(tǒng)啟動(dòng)制熱回路。
2 試驗(yàn)方法
2.1 測(cè)試儀器與測(cè)點(diǎn)布置
如圖2所示,在2個(gè)隔間溫室空間中央距地面1 m處均布置1臺(tái)溫濕度變送器,用來(lái)采集各溫室的溫濕度數(shù)據(jù),蓄能水箱內(nèi)部中央布置熱電偶溫度傳感器,以上數(shù)據(jù)均通過(guò)無(wú)紙記錄儀每隔30 s記錄1次;室外距地面1 m處布置熱電偶傳感器,室內(nèi)距地面1 m處有5個(gè)熱電偶溫度傳感器,并通過(guò)安捷倫溫度巡檢儀每30 s采集1組溫度數(shù)據(jù);主動(dòng)蓄放熱空氣源熱泵系統(tǒng)耗電量情況每隔1 h采集1次,并上傳云端存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
2.2 性能評(píng)價(jià)方法
該系統(tǒng)蓄熱階段性能系數(shù)COP1可由式(1)計(jì)算。
系統(tǒng)制熱和放熱運(yùn)行階段,保溫被均為放下?tīng)顟B(tài),此時(shí)日光溫室是一個(gè)保溫性能良好的密閉環(huán)境。即可認(rèn)為初始環(huán)境參數(shù)相同的試驗(yàn)溫室和對(duì)照溫室產(chǎn)生的溫濕度差異,均由系統(tǒng)對(duì)溫室內(nèi)空氣加熱造成。因此,可用試驗(yàn)溫室和對(duì)照溫室內(nèi)空氣的焓值變化進(jìn)行相關(guān)計(jì)算分析。系統(tǒng)制熱和放熱階段的性能系數(shù)COP2可由式(3)得出[15]。
3 結(jié)果與分析
春節(jié)前后是日光溫室越冬茬生產(chǎn)中作物成型及上市的關(guān)鍵時(shí)期,該時(shí)期決定了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)收益水平。根據(jù)往年經(jīng)驗(yàn),該時(shí)期常會(huì)有惡劣天氣來(lái)襲,在此時(shí)期作物若受低溫影響,會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)量及品質(zhì)。因此,在該時(shí)期內(nèi),為作物提供相對(duì)穩(wěn)定且適宜的環(huán)境,可提高農(nóng)業(yè)收益。1月28日—2月14日期間出現(xiàn)雨夾雪、多云、晴、中雪等多種天氣狀況,本次試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行選擇該時(shí)間段,連續(xù)運(yùn)行以檢驗(yàn)其應(yīng)用效果和性能。
3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)溫室環(huán)境調(diào)節(jié)效果分析
3.1.1 白天對(duì)溫室調(diào)節(jié)作用分析
圖3是2022年1月28日—2月14日白天(10:00—16:00)試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室室內(nèi)及室外平均氣溫變化情況。結(jié)合圖3和天氣狀況可判斷,1月28日、2月6日和2月7日由于雨雪天氣影響,系統(tǒng)白天處于制熱狀態(tài),此時(shí),試驗(yàn)溫室平均溫度為10.2 ℃~11.1 ℃,對(duì)照溫室平均溫度為6.4 ℃~7.6 ℃,室外平均溫度為1.7 ℃~5.3 ℃,試驗(yàn)溫室平均氣溫比對(duì)照溫室平均氣溫高3 ℃以上。1月29日和2月5日受雨雪天氣前后的影響,白天光照不充足,溫室內(nèi)溫度沒(méi)有達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行的閾值溫度,導(dǎo)致系統(tǒng)白天并未運(yùn)行,因此,試驗(yàn)溫室和對(duì)照溫室內(nèi)的溫度無(wú)顯著差異,但均高于室外溫度,可見(jiàn)此溫室的保溫效果良好。其他時(shí)間系統(tǒng)均有運(yùn)行蓄熱模式,此時(shí),試驗(yàn)溫室平均溫度為20.6 ℃~27.4 ℃,對(duì)照溫室平均溫度為23.8 ℃~30.7 ℃,室外平均溫度為5.7 ℃~14.6 ℃,試驗(yàn)溫室平均溫降達(dá)到3 ℃以上。
圖4是2022年1月28日—2月14日白天(10:00—16:00)試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室室內(nèi)及室外最高氣溫變化情況。由圖4可知,試驗(yàn)溫室最高溫度為11.7 ℃~35.9 ℃,對(duì)照溫室最高溫度為7.7 ℃~39.2 ℃,室外最高溫度為3.5 ℃~19.4 ℃。試驗(yàn)溫室內(nèi)的最高溫度相較于對(duì)照溫室內(nèi)的最高溫度,極大地降低了作物受高溫脅迫的風(fēng)險(xiǎn)??梢?jiàn)白天系統(tǒng)在溫室場(chǎng)景下運(yùn)行,工作性能穩(wěn)定,對(duì)溫室調(diào)溫效果明顯。
通過(guò)對(duì)試驗(yàn)溫室、對(duì)照溫室和室外白天平均氣溫及最高氣溫的對(duì)比分析,可以得出:在運(yùn)行周期內(nèi),除特殊天氣狀況外,試驗(yàn)溫室內(nèi)的氣溫均低于對(duì)照溫室內(nèi)的氣溫,主要是因?yàn)榇似陂g系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)行蓄熱模式,將試驗(yàn)溫室內(nèi)的熱量?jī)?chǔ)存到蓄能水箱,達(dá)到溫室內(nèi)降溫的目的;且由于系統(tǒng)設(shè)定了閾值溫度,使得試驗(yàn)溫室內(nèi)的氣溫在系統(tǒng)運(yùn)行周期中保持在相對(duì)穩(wěn)定范圍內(nèi)。雨雪天室外氣溫較低的情況下,系統(tǒng)運(yùn)行制熱模式滿足了作物生長(zhǎng)最低溫度需求;雨雪天前后,溫室內(nèi)氣溫并未達(dá)到制熱模式或蓄熱模式的閾值溫度,因此,系統(tǒng)并未運(yùn)行,但由于溫室自身保溫性能良好,室內(nèi)氣溫保持在作物適宜生長(zhǎng)的范圍內(nèi)。
3.1.2 夜間對(duì)溫室調(diào)節(jié)作用分析
圖5是2022年1月28日—2月14日夜間(21:00—次日8:00)試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室室內(nèi)及室外平均氣溫變化情況。由圖5可知,試驗(yàn)溫室夜間平均溫度為8.5 ℃~12.6 ℃,對(duì)照溫室夜間平均溫度為5 ℃~12.6 ℃,室外夜間平均溫度為-3.8 ℃~3.8 ℃,試驗(yàn)溫室平均升溫達(dá)到3 ℃以上。由于2月13日為晴天,夜間溫度較高,因此,夜間系統(tǒng)并沒(méi)有運(yùn)行,2個(gè)溫室夜間平均溫度分別為12.5 ℃、12.6 ℃(誤差范圍內(nèi)認(rèn)為兩者相同)。
圖6是2022年1月28日—2月14日夜間(21:00—次日8:00)試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室室內(nèi)及室外最低氣溫變化情況。由圖6可知,試驗(yàn)溫室最低溫度為7.5 ℃~10.5 ℃,對(duì)照溫室最低溫度為4.5 ℃~9.9 ℃,室外最低溫度為-6.4 ℃~2.1 ℃。試驗(yàn)溫室最低溫度高于大部分作物的最低生長(zhǎng)溫度,說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)夜間的調(diào)溫效果良好。
圖7為2022年1月28日—2月14日夜間(21:00—次日8:00)試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室室內(nèi)平均相對(duì)濕度變化。高濕是植物病害產(chǎn)生的重要因素,因此,夜間降濕也是日光溫室環(huán)境調(diào)控研究中的重點(diǎn)。從圖7可以看出,試驗(yàn)溫室夜間平均相對(duì)濕度為44.1%~66.1%,對(duì)照溫室夜間平均相對(duì)濕度為60.5%~73.6%。試驗(yàn)溫室夜間平均濕度比對(duì)照溫室夜間平均相對(duì)濕度低10%以上??梢?jiàn)該系統(tǒng)夜間不僅調(diào)溫效果明顯,降濕效果也顯著。
通過(guò)對(duì)比分析夜間試驗(yàn)溫室、對(duì)照溫室和室外的氣溫和相對(duì)濕度,可以得出:夜間室外氣溫和室內(nèi)氣溫在運(yùn)行周期內(nèi)變化趨勢(shì)相同,但室內(nèi)氣溫的變化較穩(wěn)定,其中試驗(yàn)溫室的夜間最低氣溫為7.5 ℃~10.5 ℃,波動(dòng)幅度較小,且高于大部分作物最低生長(zhǎng)溫度,這是由于夜間室內(nèi)氣溫降低,低于系統(tǒng)運(yùn)行閾值溫度后,系統(tǒng)會(huì)及時(shí)放熱或制熱,為溫室提供熱量。夜間系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),還會(huì)有降濕的效果,其原理為:夜間試驗(yàn)溫室內(nèi)氣溫升高,空氣飽和壓力增大,可容納的水蒸氣質(zhì)量增大,導(dǎo)致空氣的相對(duì)濕度降低。
本次系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)間段為設(shè)施農(nóng)業(yè)越冬茬栽培中作物成型及上市的關(guān)鍵時(shí)期。此期間,經(jīng)歷雨雪天、晴天和多云天,從圖3~圖7對(duì)比分析可知,在不同的天氣狀況下,系統(tǒng)運(yùn)行效果良好,可以為作物提供適宜的溫濕度環(huán)境,為作物越冬生產(chǎn)提供保障,為設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控提供思路。
3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行性能分析
3.2.1 白天運(yùn)行性能
圖8為系統(tǒng)白天蓄熱階段性能參數(shù)。在連續(xù)18天的運(yùn)行中,系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的節(jié)能效果。
結(jié)合天氣狀況和圖8可知,1月28日、2月6日和2月7日由于雨雪天氣影響,系統(tǒng)白天運(yùn)行制熱模式,制熱量為1.44×105~1.5×105 kJ,系統(tǒng)性能系數(shù)COP1為3.3~3.6。1月29日和2月5日受雨雪天氣前后的影響,系統(tǒng)白天并未運(yùn)行。其他時(shí)間系統(tǒng)蓄能水箱均蓄熱,蓄熱量為1.91×104~6.11×104 kJ,系統(tǒng)性能系數(shù)COP1為2.4~4.9。1月28日水箱溫度降低是由于蓄能水箱熱量自然流失造成的,而1月29日、2月5日、2月6日和2月7日這4天盡管蓄能水箱沒(méi)有蓄熱,但是水箱溫度仍上升,原因可能是:測(cè)量裝置誤差;水箱溫度低于室內(nèi)溫度,引起蓄能水箱和空氣熱交換。2月14日系統(tǒng)性能系數(shù)COP1為2.4,明顯低于其他時(shí)間段的原因是:2月13日夜間蓄能水箱未放熱,導(dǎo)致2月14日白天蓄能水箱溫度較高,蓄熱效果較差。
3.2.2 夜間運(yùn)行性能
圖9為系統(tǒng)夜間運(yùn)行性能參數(shù)。結(jié)合天氣狀況和圖9可判斷,1月28日、1月29日、2月5日、2月6日和2月7日這5天受天氣狀況影響,蓄能水箱白天并未蓄熱,從而夜間蓄能水箱放熱量為0,此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行制熱模式,系統(tǒng)COP2為2.7~3.5。由于2月13日溫室內(nèi)夜間溫度并沒(méi)有低于運(yùn)行閾值溫度(10 ℃),因此,蓄能水箱夜間沒(méi)有放熱。蓄能水箱溫度降低是由于熱量自然流失造成。其他時(shí)間水箱放熱量為4.3×104~5.99×104 kJ。系統(tǒng)COP2為4.1~5.1,水箱放熱率與系統(tǒng)性能系數(shù)呈正比趨勢(shì)。機(jī)組夜間總放熱量為1.64×105~3.3×105 kJ。蓄能水箱放熱率為17%~25%,主要是因?yàn)樾钅芩淙萘枯^小,白天儲(chǔ)存的熱量少。
3.2.3 整體運(yùn)行性能分析
系統(tǒng)在長(zhǎng)達(dá)18天的連續(xù)運(yùn)行中,經(jīng)歷雨雪天、晴天和多云等不同天氣狀況,均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。如表1所示,試驗(yàn)期間,系統(tǒng)的總性能系數(shù)為3.0~4.7,系統(tǒng)蓄能水箱能量利用效率為31%~88%。分析可知,2月13日蓄能水箱夜間沒(méi)有放熱,所以水箱能量利用效率為0;1月28日、1月29日、2月5日、2月6日和2月7日期間,由于白天蓄能水箱并未蓄能,所以水箱能量利用效率為0。2月14日蓄能水箱能量利用效率為313%,是由于前一日蓄能水箱夜間沒(méi)有放熱,導(dǎo)致當(dāng)天的放熱量高于當(dāng)天的蓄熱量。系統(tǒng)溫度感應(yīng)裝置和換熱盤(pán)管位于蓄能水箱正中央,導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),水箱內(nèi)溫度場(chǎng)不均勻,邊緣溫度會(huì)短暫滯后于中央溫度,造成蓄能水箱放熱不完全,而未完全放出的這部分熱量會(huì)在下一個(gè)放熱周期放出,這是2月3日和2月12日蓄能水箱能量利用效率高于100%的原因。在18天試驗(yàn)中,系統(tǒng)有5天運(yùn)行模式C,1天運(yùn)行模式A,12天運(yùn)行模式B,且運(yùn)行模式B時(shí)的系統(tǒng)總性能系數(shù)高于運(yùn)行模式A和模式C,這是因?yàn)檫\(yùn)行模式B時(shí),蓄能水箱會(huì)釋放儲(chǔ)存的熱量,降低了系統(tǒng)能耗。
3.3 試驗(yàn)系統(tǒng)效益分析
熱泵系統(tǒng)為作物提供適宜生長(zhǎng)環(huán)境的同時(shí),還應(yīng)考慮其運(yùn)行成本。表2是試驗(yàn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用電計(jì)價(jià)方式及系統(tǒng)用電情況。系統(tǒng)運(yùn)行18天,共消耗電量391.33 kW ? h,其中高峰時(shí)段總耗電量為62.22 kW ? h,占總耗電量的16%;低谷時(shí)段總耗電量為229.40 kW ? h,占總耗電量的59%;平價(jià)時(shí)段總耗電量為99.71 kW ? h,占總耗電量的25%;總費(fèi)用為156.16元,系統(tǒng)為一棟90 m2、280 m3的日光溫室調(diào)溫的平均運(yùn)行費(fèi)用為0.096 元/(m2 ? d),相比于地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用(地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用為0.12 元/(m2 ? d)[16]),主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)可降低運(yùn)行成本20%??梢?jiàn),通過(guò)蓄放熱策略,可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的用電時(shí)間段,降低高峰時(shí)間段耗電量占比,降低用電成本。
試驗(yàn)期間系統(tǒng)夜間共釋放熱量4 397 MJ,若使用燃煤供暖同樣多的熱量,則需要226 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,標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為29 260 kJ/kg[17],燃燒1 kg煤將釋放3.67 kg的CO2[18]),因此,火力發(fā)電燃燒標(biāo)準(zhǔn)煤所排放的CO2量為829.42 kg;消耗電量為308.41 kW ? h,折算成標(biāo)準(zhǔn)燃煤為114 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[17]),排放CO2量為418.38 kg,較燃煤供暖方式降低98.2%。隨著清潔能源技術(shù)的推廣普及,該系統(tǒng)的溫室氣體排放可進(jìn)一步降低,為綠色發(fā)展作出貢獻(xiàn)。
系統(tǒng)以較低的運(yùn)行成本,為日光溫室作物生產(chǎn)關(guān)鍵時(shí)期提供適宜的環(huán)境,提高了農(nóng)業(yè)收益,同時(shí)又降低了用能時(shí)的碳排放,可見(jiàn)該系統(tǒng)適用于大面積推廣。
3.4 優(yōu)化分析
系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,但仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。從圖8、圖9和表1可以看出,蓄能水箱能量利用率在90 %以上,但水箱放熱率僅為17 %~25 %,可見(jiàn)蓄能水箱的容量偏小,存儲(chǔ)的熱能不能滿足夜間溫室熱量的需求,對(duì)此,應(yīng)該評(píng)估溫室白天過(guò)剩的熱量及夜間需要的熱量,設(shè)計(jì)較匹配的蓄能水箱體積。同時(shí)增大水箱體積后,在儲(chǔ)存和釋放相同熱量時(shí),水箱溫度變化較小,有利于換熱盤(pán)管熱量交換,系統(tǒng)的能耗會(huì)進(jìn)一步降低。
對(duì)于蓄能水箱內(nèi)溫度場(chǎng)不均勻問(wèn)題,隨著對(duì)蓄能水箱容量的增大,該問(wèn)題會(huì)更加突出,因此,可通過(guò)加裝循環(huán)裝置實(shí)現(xiàn)蓄能水箱溫度均勻分布,從而實(shí)現(xiàn)蓄能水箱蓄放的熱量在一個(gè)周期內(nèi)高效利用。
從表1可以看出,系統(tǒng)運(yùn)行模式B時(shí)的總性能系數(shù)高于運(yùn)行模式A和模式C。一個(gè)完整的蓄放熱周期包括蓄熱階段和放熱階段。蓄能水箱是否蓄熱,應(yīng)該取決于夜間溫室是否有供熱需求。光照充足的冬季,日光溫室內(nèi)會(huì)出現(xiàn)夜間最低溫度高于放熱閾值溫度的情況,采用人工智能手段預(yù)測(cè)夜間溫度變化情況,對(duì)模式A的運(yùn)行策略做出調(diào)整,決定蓄能水箱工作情況,從而避免不必要的蓄熱,減少能源浪費(fèi),達(dá)到節(jié)能目的。模式C屬于應(yīng)急模式,受雨雪天或連續(xù)雨雪天的影響,蓄能水箱白天無(wú)法蓄熱,在室內(nèi)氣溫較低時(shí),系統(tǒng)處于制熱狀態(tài),此時(shí)耗電量較大。通過(guò)預(yù)測(cè)未來(lái)天氣變化,在雨雪天到來(lái)之前增加蓄熱量,可以有效降低雨雪天系統(tǒng)運(yùn)行制熱模式的耗電量。為此,通過(guò)優(yōu)化蓄能水箱蓄熱策略,可以有效降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗。
該系統(tǒng)的蓄能水箱預(yù)留有水回路接口,可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同地區(qū)的優(yōu)勢(shì)能源,利用不同種類的能源,例如,通過(guò)太陽(yáng)能集熱裝置、風(fēng)能攪拌制熱裝置、地?zé)崮芾醚b置、電廠余熱利用裝置等清潔能源利用裝置,將熱量?jī)?chǔ)存到蓄能水箱中,實(shí)現(xiàn)日光溫室生產(chǎn)時(shí)能源的清潔高效利用。
4 結(jié)論
1) 該系統(tǒng)對(duì)日光溫室環(huán)境調(diào)控效果顯著。白天試驗(yàn)溫室平均降溫3 ℃以上;夜間試驗(yàn)溫室最低溫度高于大部分作物的最低生長(zhǎng)溫度,同時(shí)夜間相對(duì)濕度降低10%以上。溫濕度參數(shù)均更有利于植物生長(zhǎng)。
2) 系統(tǒng)節(jié)能效果明顯,系統(tǒng)白天蓄熱階段性能系數(shù)COP1為2.4~4.9;夜間性能系數(shù)COP2為2.7~5.1,系統(tǒng)總性能系數(shù)為3.0~4.7。蓄能水箱利用率在90%以上,水箱放熱率為17%~25%,蓄能水箱工作可明顯提升系統(tǒng)的性能系數(shù)。系統(tǒng)平均運(yùn)行費(fèi)用為0.096 元/(m2 ? d),且碳排放較燃煤供暖方式降低98.2%,系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益較好。
3) 系統(tǒng)的運(yùn)行效果和性能仍有很大提升空間。在后續(xù)的研究中,可以通過(guò)優(yōu)化蓄能水箱的容量,進(jìn)一步提升蓄能水箱放熱率,從而提高系統(tǒng)性能;優(yōu)化傳感器位置,加裝循環(huán)裝置實(shí)現(xiàn)蓄能水箱溫度均勻分布,進(jìn)一步提升蓄放熱效率;調(diào)整系統(tǒng)模式A和模式C的運(yùn)行策略,根據(jù)天氣狀況,控制蓄能水箱的蓄熱量,提高蓄熱階段性能系數(shù);通過(guò)清潔能源利用裝置,將熱量?jī)?chǔ)存到蓄能水箱中,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)能源的清潔高效利用。
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