主动蓄放热-热泵联合加温系统在日光温室的应用-杨其长等.pdf

第 29 卷 第 19 期 农 业 工 程 学 报 Vol 29 No 19 168 2013 年 10月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Oct 2013 主动蓄放热 热泵联合加温系统在日光温室的应用 孙维拓 1 2 杨其长 1 2 方 慧 1 2 张 义 1 2 管道平 3 卢 威 1 2 1 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 北京 100081 2 农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室 北 京 100081 3 北京昌平国家农业科技园区 北京 102211 摘 要 为提高主动蓄放热系统集热效率 增强日光温室抵御低温能力 设计了一套主动蓄放热 热泵联合加温系 统 白天运行主动蓄放热系统 将北墙获得的太阳辐射能储存到蓄水池中 根据天气情况及蓄水池水温变化适时 开启热泵机组 降低主动蓄放热系统循环水温 进而提升其集热效率 夜间室内气温较低时 通过主动蓄放热系 统放热 试验结果表明 与对照温室相比 试验温室夜间气温高出 5 26 6 64 热泵机组制热性能系数 COP Hp 为 4 38 5 17 主动蓄放热系统可为热泵机组热源提供充足的热量 保证理想的热源温度 在日光温室特定的光 热环境下 主动蓄放热 热泵联合加温系统的集热效率达到了 72 32 83 62 总体 COP Sys 值达 5 59 节能效果 显著 该研究为提高日光温室夜间温度提供了新思路 关键词 温室 热泵 蓄热 日光温室 放热 doi 10 3969 j issn 1002 6819 2013 19 021 中图分类号 S625 4 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2013 19 0168 10 孙维拓 杨其长 方 慧 等 主动蓄放热 热泵联合加温系统在日光温室的应用 J 农业工程学报 2013 29 19 168 177 Sun Weituo Yang Qichang Fang Hui et al Application of heating system with active heat storage release and heat pump in solar greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2013 29 19 168 177 in Chinese with English abstract 0 引 言 日光温室是中国特有的一种以日光为主要能 量来源的温室结构型式 具有高效 节能和低成本 等显著特征 已经成为中国 三北地区 蔬菜反季 节生产和农民致富的重要手段 日光温室白天利用 北墙蓄积热量 夜晚释放增温 由于墙体材料的传 热特性和热容量的限制 热能蓄积与释放过程缓 慢 蓄 放热量有限 冬季低温及冷害时有发生 影响作物产量和品质 1 6 因此 提升日光温室蓄放 热能力 减少低温冷害已经成为当前日光温室最紧 迫的任务 7 13 近年来 如何提升日光温室蓄放热能力的研 究得到极大关注 张义等提出了主动式蓄放热思 想 即白天利用流体介质的循环不断将到达墙体 收稿日期 2013 04 03 修订日期 2013 08 25 基金项目 863 计划资助课题 2013AA102407 国家自然科学基金资 助项目 31071833 国家科技支撑计划 2011BAE01B00 公益性行 业 农业 科研专项 201203002 作者简介 孙维拓 1989 男 山东邹城人 主要从事设施农业环 境工程方面的研究 北京 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究 所 100081 Email swt0226 通信作者 杨其长 1963 男 安徽无为人 博士 研究员 博 士生导师 主要从事设施园艺环境工程研究 北京 中国农业科学院农 业环境与可持续发展研究所 100081 Email yangq 表面的太阳辐射能吸收并蓄积起来 夜间再通过 流体的循环释放热量 变日光温室被动蓄放热方 式为主动蓄放热方式 实现热量在空间 时间上 的转移 从而提高太阳能利用效率 提升温室夜 间温度 14 15 但主动蓄放热系统在高寒地区以及 太阳辐射较弱的天气等条件下 室内温度仍难以 保证 热泵作为一种高效的能量提升手段 被越 来越多的应用于温室加温 16 29 主动蓄放热系统 与热泵结合可有效降低循环水温 进而提升集热 效率 因此 为提升主动蓄放热系统加温性能和 稳定性 提高日光温室夜间温度 在主动蓄放热 思想的基础上 本研究设计了一套用于日光温室 夜间加温的主动蓄放热 热泵联合加温系统 并 对其加温效果和性能进行了试验测试 以期为日 光温室蓄热保温技术升级提供新途径 1 试验系统设计 1 1 试验温室 2012 年 12 月 5 日 2013 年 2 月 5 日对主动 蓄放热 热泵联合加温系统进行了试验测试 试 验日光温室位于北京市昌平区小汤山现代农业 科技示范园西区 温室东西走向 长 49 m 跨 度 8 m 后墙高 2 5 m 脊高 3 7 m 后坡长 1 5 m 后坡仰角 45 采用钢骨架结构 前坡覆盖材料 第 19 期 孙维拓等 主动蓄放热 热泵联合加温系统在日光温室的应用 169 为单层 0 08 mm PVC 塑料薄膜 北墙内侧为 12 cm 厚红砖 外侧为 24 cm 厚红砖 中间为 10 cm 厚聚苯板 后坡内侧为 10 cm 厚预制板 外侧为 10 cm 厚聚苯板 对照温室结构 材料和 建造时间均与试验温室相同 两温室南北方向间 距 8 m 试验温室使用主动蓄放热 热泵联合加 温系统 对照温室不使用任何加温设施 只靠后 墙蓄热增温 试验期间保温被 08 30 揭开 16 00 覆盖 系统测试前于 2012 年 12 月 2 日 12 月 3 日 进行了室内基础气温的测定 结果显示白天 08 30 16 00 试验温室和对照温室平均气温 分别为 11 80 和 11 40 试验温室气温略高 主要原因是其北墙装有主动蓄放热装置 黑膜太 阳辐射吸收系数高 升温快 夜间 16 00 08 30 试验温室和对照温室平均气温分别为 7 36 和 7 56 单因素方差分析显示两者无显著 差异 P 0 05 因此试验温室和对照温室的 选择是合理的 1 2 系统组成 主动蓄放热 热泵联合加温系统由主动蓄 放热系统 热泵机组和蓄热水池等部分组成 主动蓄放热装置 循环水泵和循环管道构成了 温室的主动蓄放热系统 白天用于集热 晚上 放热 主动蓄放热装置安装于北墙内侧距地面 0 4 m 高处 集热材料为双层黑色 PE 膜 双层 膜紧密贴合 循环水在双层膜间流动 装置采 用单元式结构 单元高 2 m 宽 1 35 m 共 29 个单元 单元间距 0 15 m 循环水泵 2 台 额 定流量分别为 10 和 7 m 3 h 扬程 10 m 循环管 道由不同口径的 PVC 管连接而成 管外覆盖保 温套 热泵机组型号为 DISMY DDR 192GSPA1 PA 额定制热量 21 kW 额定制热 输入功率 5 12 kW 机组水泵为格兰富 CH4 20 蒸发器侧水流量 3 3 m 3 h 冷凝器侧水流量 1 8 3 9 m 3 h 蓄热水池由蓄水池 和 组成 两者中间由 80 的截止阀控制连通 蓄水池 为热泵机组热源 实际蓄水量 1 725 m 3 蓄水 池 为热泵机组热汇 实际蓄水量 5 625 m 3 蓄热水池主体材料为 12 cm 厚普通黏土砖墙 外表面紧贴 10 cm 厚聚苯板 内表面涂抹 0 3 cm 厚防渗水泥砂浆 热泵机组和蓄水池位于温室 中部 图 1 为系统平面布局图 1 3 系统工作原理 日光温室主动蓄放热系统吸收太阳辐射能 并将热量储存到蓄水池 中 源源不断的为热 泵机组热源提供热量 使热泵机组蒸发器侧热 源温度稳定较高 可有效提高热泵机组 COP 值 同时 热泵机组不断将蓄水池 中的热量泵取 至蓄水池 降低主动蓄放热系统集热阶段的 循环水温 有助于提高主动蓄放热系统的集热 效率并延长集热时间 最终提升系统加温性能 和稳定性 1 北墙 2 过道 3 主动蓄放热装置 4 水泥台 5 热泵机组 6 膨胀阀 7 压缩机 8 蒸发器 9 冷凝器 10 循环管道 11 循 环水泵 12 阀门 13 蓄水池 14 蓄水池 1 North wall 2 Passageway 3 Active heat storage release device 4 Cement and sand screed 5 Heat pump unit 6 Expansion valve 7 Compressor 8 Evaporator 9 Condenser 10 Circulating pipe 11 Water circulating pump 12 Valve 13 Reservoir 14 Reservoir 图 1 主动蓄放热 热泵联合加温系统平面布局图 Fig 1 Plane layout diagram of active heat storage release associated with heat pump heating system 1 4 系统运行方式 如图 2 所示系统运行分为 4 个阶段 1 早 上 08 30 揭开保温被 同时开启循环水泵 关 闭阀门 1 打开阀门 2 和 3 主动蓄放热系统开 始集热 此阶段蓄水池 和 连通 水温不断 升高 如图 2a 2 下午 根据天气情况及蓄水 池水温变化适时开启热泵 同时打开阀门 1 关 闭阀门 2 和 3 一般热泵开启时间在 12 00 13 30 之间 多云天气和阴天早开 晴天晚开 运行 1 5 3 h 此阶段蓄水池 和 断开连通 蓄水池 由主动蓄放热系统持续供热 并作为 热泵机组的热源 水温逐渐下降 蓄水池 作 为热汇 水温逐渐升高 如图 2b 3 保温被覆 盖之前适时关闭热泵 一般预留 0 5 h 单独运行 主动蓄放热系统为蓄水池 回温 然后关闭循 环水泵 系统白天集热阶段结束 此阶段蓄水 池 水温升高 蓄水池 水温不变 如图 2c 4 夜间室内气温降低 00 00 08 30 运行主动蓄 放热系统为温室供热 此阶段蓄水池 和 连 通 水温逐渐降低 如图 2d 农业工程学报 2013 年 170 a 阶段 1 a Period 1 b 阶段 2 b Period 2 c 阶段 3 c Period 3 d 阶段 4 d Period 4 图 2 系统运行方式示意图 Fig 2 Schematic diagram of system operation mode 2 试验方法 2 1 测试仪器与测点布置 选用 T型热电偶作为温度传感器分别对试验温 室气温 蓄水池 和 水温 主动蓄放热系统供回 水温度 热泵蒸发器侧进出水温度 热泵冷凝器侧 进出水温度进行测量 精度为 0 2 气温传感器 做防辐射处理 水温传感器做防锈处理 选用美国 坎贝尔公司生产的 CR1000 数据采集仪进行数据记 录 其中 试验温室气温测点 5 个 分别布置于日 光温室跨中距东墙 12 24 和 36 m 处 距东墙 24 m 距北墙 2 和 6 m 处 测点距地面 1 5 m 蓄水池 和 水温测点置于蓄水池中部 选用美国坎贝尔公司生产的太阳辐射传感器 测量北墙太阳辐射量 准确度为 0 5 测量范围为 0 2 000 W m 2 探头置于北墙内表面距东墙 24 m 距地面 1 5 m 高处 选用德图公司生产的 testo174T 型温度自动记 录仪测量对照温室气温 室外气温 精度为 0 2 测量范围为 30 70 对照温室气温测点布置同试 验温室 室外气温测点置于东侧山墙外 1 5 m 高处 选用普通电参数表记录热泵机组和循环水泵 用电量 瞬时功率 选用大连索尼卡仪表公司生产的 FV 系列手持 式超声波流量计测量主动蓄放热系统循环水泵流 量 热泵机组冷凝器侧 蒸发器侧水流量 所有设备仪器自动采集数据时间步长为 10 min 2 2 系统集放热过程计算 试验中蓄水池 水温变化与系统的集放热过 程紧密相关 系统实际供热量 Q Sup 系统总制热量 Q Sys 热泵机组制热量 Q Hp 可由下式计算得出 15 1 1 2 2 Sup w w Sup Sup QCTVTV 1 1 1 2 2Sys w w Sys Sys QCTVTV 2 2 2Hp w w Hp QCTV 3 式中 w 为水的密度 取 1 0 10 3 kg m 3 C w 为水的比 热容 取 4 2 kJ kg T 1 Sup T 2 Sup T 1 Sys T 2 Sys 分别为系统供热阶段 系统集热阶段蓄水池 水温 变化 T 2 Hp 为热泵机组运行阶段蓄水池 水温变 化 V 1 V 2 分别为蓄水池 实际蓄水量 m 3 热泵机组制热性能系数 COP Hp 计算式为 26 Hp Hp Hp Q COP E 4 式中 Q Hp 为热泵机组运行阶段制热量 kJ E Hp 为热泵机组运行阶段的耗电量 kJ 热泵机组瞬时 COP Hp ins 值计算式为 26 d d 3600 Co w Co w Co Hp ins Hp Hp Qt q T COP PP 5 式中 dQ Co 为单位时间内热泵机组冷凝器侧输出热 量 kJ P Hp 为热泵机组瞬时输入功率 kW q Co 第 19 期 孙维拓等 主动蓄放热 热泵联合加温系统在日光温室的应用 171 为热泵机组冷凝器侧循环水流量 实测 1 84 m 3 h T Co 为冷凝器侧瞬时供回水温差 主动蓄放热系统的集热效率计算式为 14 1000 Act Act Act T Act Q AIt 6 Act Sys Hp QQE 7 式中 Act 为主动蓄放热系统集热效率 Q Sys 为系统 集热阶段总制热量 kJ Q Act 为主动蓄放热系统集 热量 即系统太阳辐射吸收总量 kJ 计算时忽略 热泵循环的不可逆损失 A Act 为主动蓄放热装置有 效集热面积 m 2 I T 为平均太阳辐射量 W m 2 t Act 为主动蓄放热系统的集热时间 s 主动蓄放热系统的集热功率计算式为 Act T Act PI 8 式中 P Act 为主动蓄放热系统集热功率 W m 2 整个系统的 COP Sys 值计算式为 27 Sys Sys HpPumps Q COP EE 9 式中 E Pumps 为主动蓄放热系统白天集热阶段循环 水泵的耗电量 kJ 3 试验结果与分析 选取 2012 年 12 月 22 日 12 月 27 日此冬天最 冷的连续 5 d 的试验数据进行分析 天气状况为晴 天或多云 热泵机组在 12 月 22 日 12 月 23 日运 行 1 5 h 12 月 23 日 12 月 24 日运行 2 75 h 其 后 3 d 运行 2 h 主动蓄放热系统在 12 月 23 日 12 月 24 日白天集热时间为 08 30 16 00 其余 4 d 白天集热时间皆为 08 30 15 30 由于系统白天集 热 夜间放热 为便于分析系统加温规律 本文将 08 30 次日 0 8 30 视为一个加温周期 3 1 系统加温效果 3 1 1 总体加温效果 表 1 所示为 2012 年 12 月 22 日 12 月 27 日连续 5 个夜间试验温室和对照温室室内 外气 温及系统供热量变化具体数值 连续 5 个夜间系 统实际供热量为 3 11 10 5 3 97 10 5 kJ 试验温 室平均气温为 9 02 10 33 比对照温室提高 5 26 6 64 最低气温提高 5 19 6 38 室 内外温差为 21 62 27 55 白天运行主动蓄放 热系统吸收太阳辐射能 开启热泵进行能量提 升 因此 夜间供热量主要来源于太阳辐射能及 少部分的电能 这样通过试验温室和对照温室夜 间室温的对比 可以看出系统加温效果非常明 显 但整体室内气温偏低 其原因 1 外界环 境温度过低 最低达 18 80 2 试验日光温室 已使用多年 保温性能降低 表 1 夜间温室内 外热环境参数 Table 1 Thermal environmental parameters inside and outside of greenhouses at night 试验温室气温 Experimental greenhouse indoor air temperature 对照温室气温 Comparative greenhouse indoor air temperature 室外气温 Outdoor air temperature 日期 Date 平均值 Average 最低值 Minimum 平均值 Average 最低值 Minimum 平均值 Average 最低值 Minimum 供热量 Q Sup Heating load kJ 2012 12 22 至 2012 12 23 9 12 7 82 3 86 2 63 13 45 15 10 3 14 10 5 2012 12 23 至 2012 12 24 10 05 8 55 3 41 2 17 17 50 18 80 3 97 10 5 2012 12 24 至 2012 12 25 9 67 8 68 3 98 3 13 11 95 13 50 3 39 10 5 2012 12 25 至 2012 12 26 10 33 8 94 3 79 2 63 15 38 16 50 3 78 10 5 2012 12 26 至 2012 12 27 9 02 7 94 3 46 2 47 14 98 15 70 3 11 10 5 注 温度及供热量为系统供热阶段 00 00 08 30 不包括 00 00 数据 Note Temperatures and heating load were the data during system heating period 00 00 8 30 exclusive of 00 00 3 1 2 温室昼夜气温变化特征 选取 2012 年 12 月 24 日 12 月 25 日典型晴 天分析试验温室和对照温室室内气温日变化特 征 图 3 所示为 12 月 24 日 12 月 25 日室内 外气温及太阳辐射量变化曲线 可以看出白天和 夜间试验温室气温均高于对照温室 白天 08 30 16 00 前半夜 16 00 24 00 和后 半夜 00 00 0 8 30 温差分别为 3 29 2 06 和 5 69 系统加温效果显著 24 日早上 08 30 揭 开保温被 试验温室气温 8 78 对照温室气温 2 37 温差为 6 41 这是系统夜间供热的结 果 随着太阳辐射量的增加 试验温室和对照温 室气温逐渐升高且前者气温一直高于后者 前者 在 13 20 达到最高值 27 39 后者在 13 10 达到 最高值 26 60 主要原因 1 试验温室初始气 温高于对照温室 2 在试验温室中 11 00 之前循 环水温度一直高于室内气温且最大温差为 8 82 主动蓄放热系统在吸收太阳辐射的同时 也在向室内空气释放热量 由于室外温度很低 温室向外散失热量迅速 13 20 以后随着太阳辐 射量降低 室内气温开始下降 即使此阶段运行 热泵 主动蓄放热系统循环水温仍高于试验温室 农业工程学报 2013 年 172 气温 温差从 0 41 逐渐增大到 6 66 循环水 不断向室内空气释放热量 直至 15 30 系统运行 结束 16 00 覆盖保温被时试验温室气温 13 63 对照温室气温 11 67 温差为 1 96 前半夜室 内气温下降相对平缓 到 24 00 主动蓄放热系统 供热之前 试验温室和对照温室气温分别降至 7 24 和 5 23 温差为 2 01 主要原因 1 16 00 覆盖保温被时试验温室基础气温比对照温室高 2 在试验温室中 虽然蓄水池保温性能良好 但水温 与室内气温 土温具有较大温差 此阶段蓄水池也 会向室内空气和土壤散失热量 对室内气温产生一 定影响 经计算 16 00 24 00 蓄水池散失热量 7 04 10 4 kJ 后半夜系统供热 试验温室气温先升 高再缓慢下降 对照温室气温逐渐下降 注 2012 年 12 月 24 日至 12 月 25 日 Note From Dec 24 to Dec 25 2012 图 3 试验温室与对照温室室内气温对比 Fig 3 Indoor air temperature comparison between experimental and comparative greenhouse 3 1 3 试验温室南北方向气温分布 图 4 所示为 2012 年 12 月 24 日 12 月 25 日 沿试验温室东西中心线南北方向气温分布情况 可以看出白天距北墙 2 4 和 6 m 处温度变化基本 相同 其中距墙 2 m 处平均气温为 19 93 比距 北墙 4 和 6 m 处分别低 0 17 和 0 10 覆盖保温 被以后 前半夜距北墙 2 4 和 6 m 处平均气温分 别为 10 24 10 21 和 10 01 距北墙 6 m 处气温 略低 这是由于北墙蓄积的热量在前半夜缓慢向 温室释放 离北墙越近温度越高 同时与北墙及 后坡相比 前坡的保温覆盖材料传热系数更大 再加上保温被并不能完全覆盖前坡 特别是在前 坡与基墩结合处的部分区域塑料薄膜直接与外界 环境接触 使得距离北墙越远的区域气温越低 后半夜系统供热 距北墙 2 m 处气温为 10 14 比距墙 4 和 6 m 处分别高出 0 47 和 0 68 温差 比白天明显 但最大不超过 0 93 由此可见 系统运行对温室南北方向温度梯度影响较小 室 内气温分布比较均匀 注 2012 年 12 月 24 日至 12 月 25 日 Note From Dec 24 to Dec 25 2012 图 4 试验温室南北方向气温变化曲线 Fig 4 Indoor air temperature curves of the experimental greenhouse in south north direction 3 2 系统及组件性能分析 3 2 1 热泵机组性能 表 2 为连续 5 d 热泵机组运行时间及制热工 况性能参数 可以看出热泵机组 COP Hp 值为 4 38 5 17 冷凝器侧出水温度为 41 11 46 92 随着冷凝器侧出水温度的提高 热泵 COP Hp 值逐渐降低 传统水 地源热泵在制热工 况下 当蒸发器的进水温度升高时蒸发温度升高 蒸发压力增大 制热量增加 但因此引起的压缩 机输入功率的增加缓慢 COP Hp 值增大 当蒸发 器侧进水温度增大到一定数值后 进水温度对 COP Hp 值的影响减小 30 31 12 月 24 日 12 月 27 日连续 3 d 热泵开启时间皆为 2 h 蒸发器侧进水 温度为 23 94 27 74 热泵机组制热量 1 933 10 5 1 944 10 5 kJ 相差较少 且随着蒸发 器侧进水温度的升高 热泵制热量逐渐增加 但 小于能耗增加幅度 COP Hp 值逐渐降低 这说明 相对于蒸发器侧进水温度 冷凝器侧出水温度成 为制约热泵 COP Hp 值的主要因素 因此 在冬季 晴天及多云天气 主动蓄放热系统可以为热泵热 源提供充足的热量 保证理想的热源温度 12 月 25 日 12 月 26 日白天平均太阳辐射量 为 305 65 W m 2 12 月 26 日 12 月 27 日白天平均 太阳辐射量为 196 11 W m 2 在 13 00 开启热泵时 第 19 期 孙维拓等 主动蓄放热 热泵联合加温系统在日光温室的应用 173 蓄水池 水温分别为 29 73 和 24 98 前者大于后 者 冷凝器侧水温和冷凝温度升高 热泵机组 COP Hp 值前者低于后者 图 5a 所示为 12 月 25 日热 泵机组运行阶段瞬时 COP Hp ins 值及蓄水池 水 温随时间变化曲线 从 13 00 起蓄水池 断开 连通 蓄水池 作为热泵热汇水温逐渐升高 蓄水 池 水温变化受多种因素影响 热泵启动时初始水 温 29 83 13 10 到达最大值 30 28 此阶段主 动蓄放热系统提供的热量大于热泵蒸发器侧吸收 的热量 水温不断升高 13 10 14 00 热泵稳定运 行 随着太阳辐射量由 294 3 W m 2 逐渐下降到 77 01 W m 2 如图 5b 主动蓄放热系统提供的热 量小于热泵蒸发器侧吸收的热量 水温下降至 26 02 14 10 太阳辐射量突然增加至 388 5 W m 2 之后蓄水池 热量出入基本持平 水温变化不大 热泵机组启动电流大 能耗高 2 台压缩机启动具 有时间间隔 因此在热泵开启后的 10 min 内瞬时 COP Hp ins 值较小 13 10 以后热泵运转正常 瞬时 COP Hp ins 值随蓄水池 水温的升高逐渐降低 受蓄 水池 I 水温变化影响较小 由此可见 在太阳辐射 相对较弱的天气 热泵开启时蓄水池 基础水温 低 热泵 COP Hp 值大 系统节能效果更显著 表 2 热泵机组制热工况性能参数 Table 2 Performance parameters of heat pump unit under heating working conditions 蓄水池 水温 Temperature of reservoir 日期 Date 热泵机组 启停时间 Heat pump unit start stop time 蒸发器侧 进水口温度 Evaporator inlet temperature 冷凝器侧 出水口温度 Condenser outlet temperature 始温 Initial 终温 Final 温升 Increase 热泵机组 制热量 Q Hp Heat pump unit heating capacity kJ 热泵机组 耗电量 E Hp Heat pump unit electricity consumption kW h COP Hp 值 COP Hp value 2012 12 22 至 2012 12 23 13 30 15 00 25 99 41 63 26 35 32 22 5 87 1 387 10 5 8 05 4 79 2012 12 23 至 2012 12 24 13 00 15 45 29 97 46 92 28 68 39 66 10 98 2 594 10 5 16 45 4 38 2012 12 24 至 2012 12 25 13 00 15 00 26 66 43 88 27 15 35 36 8 21 1 940 10 5 11 40 4 73 2012 12 25 至 2012 12 26 13 00 15 00 27 74 46 49 29 73 37 96 8 23 1 944 10 5 11 85 4 56 2012 12 26 至 2012 12 27 13 00 15 00 23 94 41 11 24 98 33 16 8 18 1 933 10 5 10 39 5 17 注 各参数为系统白天集热热泵运行阶段数据 Note Parameters were the data during the heat pump unit running in the daytime a 热泵机组瞬时 COP Hp ins 值与蓄水池水温变化 a Curves of instantaneous COP Hp ins value of heat pump unit and water temperature of the reservoirs b 太阳辐射量变化 b Amount of solar radiation curves 注 2012 年 12 月 25 日 Note Dec 25 2012 图 5 热泵机组瞬时 COP Hp ins 值与蓄水池水温及太阳辐射量变化 Fig 5 Curves of instantaneous COP Hp ins value of the heat pump unit water temperature of the reservoirs and amount of the solar radiation 3 2 2 主动蓄放热系统供回水温度变化 图 6 所示为 2012 年 12 月 24 日主动蓄放热系统 白天集热阶段供回水温度变化曲线 可以看出 09 30 之前室内气温较低 循环水吸收的太阳辐射能小于向 室内空气释放的热量 回水温度小于供水温度 09 30 以后主动蓄放热系统开始有效蓄热 随着太阳辐射量 和室内气温的升高 供回水温差逐渐增加 12 00 供 回水温差达到最大值 1 28 此时太阳辐射量 414 3 W m 2 室内气温 26 45 供水温度 24 17 由于水温的升高及太阳辐射量的降低 12 00 13 00 供回水温差逐渐下降至 1 16 13 00 15 00 热泵开 启 供水温度逐渐下降 但随着太阳辐射量和室内气 温的降低 供回水温差先略微上升然后逐渐下降至 0 80 15 00 15 30 蓄水池 I 供水温度回升 供回 水温差继续降低 在整个集热阶段 供回水温差即主 动蓄放热系统的集热功率主要取决于太阳辐射量 受 农业工程学报 2013 年 174 室内气温与供水温度的制约 开启热泵可有效降低供 水温度 在系统设计 施工时 将主动蓄放热系统循 环水泵放于靠近热泵蒸发器侧出水口位置 降温效果 更加明显 注 2012 年 12 月 24 日 Note Dec 24 2012 图 6 主动蓄放热系统白天集热阶段供回水温度变化曲线 Fig 6 Supply and return water temperature curves of active storage release system during heat collecting period 3 2 3 系统整体性能 表 3 所示为 2012 年 12 月 22 日 12 月 27 日白 天集热阶段系统及其组件集热参数 12 月 22 日 12 月 23 日白天系统集热阶段室内平均气温为 21 54 仅比 12 月 24 日 12 月 25 日高 1 02 太阳辐射也最为接近 但前者主动蓄放热系统的集 热效率为 5 d 中最高 后者为 5 d 中最低 这是由 于 12 月 22 日 12 月 23 日蓄水池初始水温为 14 17 12 月 24 日 12 月 25 日为 19 33 分别 为 5 d 中循环水初始进水温度的最低和最高值 可 见循环水温对主动蓄放热系统的集热效率影响很 大 水温越低 集热效率越高 连续 5 d 中 适时 开启热泵将蓄水池 中的热量泵至蓄水池 主动 蓄放热系统集热阶段的循环水最高进水温度被控 制在 25 02 31 25 可将主动蓄放热系统的集热 效率 Act 提升至 72 32 83 62 集热功率 P Act 为 156 26 258 05 W m 2 系统耗能组件包括热泵机组和主动蓄放热系 统循环泵 热泵机组在不同工况下输入功率不同 实测 2 台循环水泵运行总功率为 1 700 W 测得连 续 5 d 系统白天集热总耗电量为 118 49 kW h 蓄热 总量 2 39 10 6 kJ 整个系统的 COP Sys 值为 5 59 节 能效果显著 表 3 系统及其组件集热参数 Table 3 Heat collecting parameters of the system and its components 日期 Date 太阳辐射量 I T Solar radiation W m 2 系统总 制热量 Q Sys Heating capacity of the whole system kJ 主动蓄放热 系统集热量 Q Act Heat collecting capacity of the AHSRS kJ 主动蓄放热 系统集热效率 Act Heat collecting efficiency of the AHSRS 主动蓄放热 系统集热功率 P Act Heat collecting power of AHSRS W m 2 2012 12 22 至 2012 12 23 287 77 5 04 10 5 4 75 10 5 83 62 240 63 2012 12 23 至 2012 12 24 343 31 6 05 10 5 5 46 10 5 75 17 258 05 2012 12 24 至 2012 12 25 258 19 4 09 10 5 3 68 10 5 72 32 186 72 2012 12 25 至 2012 12 26 321 42 5 23 10 5 4 80 10 5 75 71 243 36 2012 12 26 至 2012 12 27 208 81 3 46 10 5 3 08 10 5 74 84 156 26 注 太阳辐射量为白天系统集热阶段试验温室北墙太阳辐射量均值 AHSRS 表示主动蓄放热系统 Note Solar radiation was the average value reaching the north wall surface during system heating period in the daytime AHSRS is the active heat storage release system 4 结论与讨论 应用主动蓄放热 热泵联合加温系统提高日光 温室夜间温度是可行的 应用热泵提升主动蓄放热 系统集热效率 增加总体蓄热量是有效的 通过本 试验研究 得出以下结论 1 冬季晴天或多云天气运行主动蓄放热 热泵 联合加温系统 试验温室白天和夜间气温均大于对 照温室 可提升夜间气温 5 26 6 64 2 本试验条件下 连续 5 d 热泵机组 COP Hp 值为 4 38 5 17 主动蓄放热系统可为热泵热源提 供充足的热量 保证理想的热源温度 冷凝器侧出 水温度成为影响热泵 COP Hp 值的主要因素 水温提 升越高 COP Hp 值越低 3 在日光温室特定的光热环境下 适时运行 热泵机组 1 5 3 h 可将主动蓄放热系统的集热效 率提升至 72 32 83 62 集热功率为 156 26 258 05 W m 2 整个系统 COP Sys 值为 5 59 节能效 果显著 此外 主动蓄放热装置采用廉价材料 与传统 水 地源热泵机组相比 本系统以太阳辐射能作为 热源 无需打井或埋管 夜间通过主动蓄放热系统 进行放热 也无需安装风机盘管等散热设备 因此 这种做法大大降低了初投资费用及运行费用 为进 第 19 期 孙维拓等 主动蓄放热 热泵联合加温系统在日光温室的应用 175 一步节约能耗 在太阳辐射强烈的晴天也可单独采 用主动蓄放热系统为温室加温 在连阴天和雪天 可连续运行热泵机组提升蓄水池水温 用作应急加 热 该系统的应用研究刚刚开始 还处于试验的初 级阶段 系统各组件参数配置 施工工艺还有待优 化和完善 不同天气条件下的运行控制模式 加温 效果 能耗以及经济性都会在后续的试验中加以分 析和验证 参 考 文 献 1 李建设 白青 张亚红 日光温室墙体与地面吸收放热量 测定分析 J 农业工程学报 2010 26 4 231 236 Li Jianshe Bai Qing Zhang Yahong Analysis on measurement of heat absorption and release of wall and ground in solar greenhouse J Tra