人工光植物工厂风机和空调协同降温节能效果

第 29 卷 第 3 期 农 业 工 程 学 报 Vol.29 No.32013 年 2 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2013 177人工光植物工厂 风机和 空调 协同 降温节能效果王 君 1,2， 杨其长 1,2 ， 魏灵玲 1,2， 仝宇欣 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）摘 要 ： 为减少人工光植物工厂中空调降温耗电量 ， 该 文 利用风机引进外界低温空气与空调协同降温方式 ， 以低功率的风机减少高功率空调的运行时间 。 结果表明 ， 与仅利用空调进行降温的对照植物工厂相比 ， 利用风机和空调协同降温的试验植物工厂节能效果明显 ， 当 植物工厂 内部 明 、 暗期 空气温度 分别设定在 25 和 15 ， 外界空气温度在 -4 12 时 ， 明期耗电量的节省率为 24.6% 63.0%， 暗期为 2.3% 33.6%， 其节能效果 随着外界空气温度的降低而增加 ； 并且 该降温方式可以将植物工厂内空气温度控制在目标值 。 因此 ， 采用风机与空调协同方式对植物工厂内空气温度进行调控 ， 可以减少植物工厂降温耗电量 ， 降低其运行成本 。关键词 ： 节能 ， 降温 ， 空调 ， 人工光植物工厂 ， 外界空气温度doi： 10.3969/j.issn.1002-6819.2013.03.024中图分类号 ： S625.5 文献 标志码 ： A 文章编号 ： 1002-6819(2013)-03-0177-07王 君 ， 杨其长 ， 魏灵玲 ， 等 . 人工光植物工厂 风机和 空调 协同 降温节能效果 J. 农业工程学报 ， 2013， 29(3)：177 183.Wang Jun, Yang Qichang, Wei Lingling, et al. Energy saving effect on cooperating cooling of conditioner and airexchanger in plant factory with artificial lightJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2013, 29(3): 177 183. (in Chinese with English abstract)0 引 言 近年来国内外植物工厂呈蓬勃发展之势 1-2， 其具有传统农业无法比拟的优势 3， 实现了多层立体栽培 ， 缩短了生产周期 4-5， 大幅度提高了 作物产量 、质量和投入资源 （ 土地 、 水等 ） 的利用效率 ， 改善了工作环境等 6-8。 但是 ， 植物工厂也是一项高投入的产业 ， 其建设成本和运行成本较高 ， 尤其是以电能消耗为主的人工光植物工厂 9， 严重影响了植物工厂技术的进一步推广应用 。在人工光植物工厂中 ， 围护结构一般采用不透光的绝热材料 10-11， 保温性好 ， 但人工光源 、 营养液循环系统 、 消毒系统 、 空气清洁器等设备的运行会产生大量热量 ， 为使植物工厂内空气温度维持在设定目标值 ， 一般采用空调进行温度调控 。 日本学者研究表明 ， 空调耗电量占人工光植物工厂总耗电量的 15% 25%12-15。 朱本海等 16研究表明 ， 在人工光植物工厂中 ， 降温耗电量占空调总耗电量的收稿日期 ： 2012-09-09 修订日期 ： 2013-01-21基金项目 ： 植物工厂化节能关键控制技术研究 （ 2012ZL028）作者简介 ： 王 君 （ 1989 ）， 女 ， 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： wangjun112209163.com 通 信 作者 ： 杨其长 （ 1963 ）， 男 ， 博士 ， 研究员 ， 博士生导师 ， 主要从事设施园艺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： yangqieda.org.cn85%以上 。 由此可知 ， 空调耗电量是人工光植物工厂能耗的重要部分 ， 并且主要用于降温 。 针对上述问题 ， 一些研究学者通过降低人工光植物工厂内热负荷来减少降温耗电量 ， 例如 ， 用发热量低的冷光源 ， 如 LED9,17-18、 LD19等 ， 代替发热量高的传统光源 ， 并开发水冷 式 LED 光源系统 20和采用分时分档的控制策略 21-22来减少植物工厂内热负荷 ； 或是使用性能系数较高的降温设备 ， 目前进入市场的空调的性能系数限定值已从 2.6 提高到 3.223-24， 因此也可以减少降温耗电量 。 但利用外界低温空气来减少人工光植物工厂降温耗电量的方法还未见报道 。理论上 ， 空调运行在 80%负荷情况时 ， 其工作效率最高 25。 然而 ， 在暗期 ， 植物工厂内热负荷远小于空调的制冷量 ， 故暗期空调处于 “ 大马拉小车 ”的低效率运行状态 26-27， 不但会造成空调的频繁启停 ， 增大压缩机的磨损程度 ， 还会增加空调降温耗电量 ， 造成能源的浪费 28。 因此 ， 利用外界低温空气减少空调降温耗电量 ， 特别是在低制冷负荷下的耗电量 ， 对降低植物工厂的运行成本具有重要意义 。本试验是在植 物工厂现有设备的基础上 ， 充分利用外界的低温条件 ， 当室外空气低于某一值 ， 借助风机引进外界低温空气与空调协同调控便可以将植物工厂内空气温度控制在目标值时 ， 以低功率的风机减少高功率的空调进行植物工厂内 空气 降农业工程学报 2013 年178温的运行时间 ， 来减少降温耗电量 。 本试验目的是为研究风机与空调协同降温方式的节能效果及其影响因素 ， 为减少人工光植物工厂降温耗电量提供一种方法 。1 材料与方法1.1 人工光植物工厂试验于 2012 年 2 月 16 日至 3 月 13 日在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所楼顶两间人工光植物工厂 （ 3957'N， 11619'E） 内进行 。两间植物工厂的体积规格均为 3 500 mm3 000 mm2 500 mm（ 长 宽 高 ）。 外墙和屋顶的材料均为75 mm 厚的聚苯乙烯 （ EPS） 夹芯板 （ 中间聚苯乙烯泡沫层的厚度为 74 mm， 内外表面覆盖的薄钢板的厚度均为 0.5 mm）。 两间植物工厂围护结构除北墙与外界直接接触外 ， 其他各面分别与育苗室 、 控制室和走廊接触 。 如图 1 所示 ， 试验植物工厂除比对照植物工厂多一台风机外 ， 其他内部设备均相同 。 并且选择热交换器作为风机使用 ， 引进的外界低温空气与植物工厂内输出的热空气进行部分热交换 。 两间 植物工厂均以叶用莴苣 （ Lactuca sativaL.） 作为栽培对象 ， 以 24 W 的三基色荧光灯（ YZ24-T5， 广州雷士照明有限公司 ， 总功率为1 872W） 作为光源 ， 并采用深液流水耕栽培技术和营养液自动灌溉系统 。 试验期间 ， 植物工厂明 /暗期设定温度为 25 /15 ， 光强为 150 mol/(m2s） 29，光照时间为 10 h/d， 每小时循环供液 5 min。1.2 试验仪器和设备温度传感器 （ HY-102， 北京华宇展业科技有限公司 ）， 测量精度为 0.5 ， 测点高度为 1.5 m，植物工厂内部的 温度传感器均位于进风口侧 ， 外部的温度传感器位于距植物工厂的东面墙体 1 m 处 ，试验植物工厂风机内外部进风口处分别布置一个测点 （ 图 1）。 数据采集的时间间隔为 1 min。图 1 人工光植物工厂结构示意图及温度传感器测点布置Fig.1 Schematic diagram of plant factories with artificial lightand measuring points热交换器 （ FY-25LD2C， 广东松下环境系统有限公司北京分公司 ）， 在试验植物工厂中作为引进外界低温空气的风机使 用 。 其风量为 250 m3/h， 功率为 90 W。电表 （ 型号 为 kWm8115， 松下电器有限公司 ）7 块 ， 分别用于测量两间植物工厂中空调 、 光源和整间植物工厂的耗电量以及试验植物工厂中风机的耗电量 ， 数据采集的时间间隔为 1 min。空调 （ 功率为 2 500 W， 北京空调制冷有限公司 ）， 经试验证明两间植物工厂空调的性能无显著差异 。1.3 试验设计试验是对采用风机和空调协同降温 与 仅用空调降温 每小时的 耗电量 进行 比较 。 试验期间 ， 植物工厂内温度 (Ti)允许波动范围 29， Tb24 同时 To0， 将式 （ 5） 反求得 ， p s jffC T TPV COP （ 6）由于 空调安装于最新的 GB12021.3-2010 房间空气调节器能效限定值及能效等级 发布之前 ， 故计算中将空调的制冷系数 COP 选为之前允许进入市场 空调 的制冷系数 2.6， 考虑植物工厂明期设定的下限温度和管路对引进低温空气的影响 ， 将开启风机设定温度最大值为 22 ， 由式 （ 6） 得出 ，31374.1 J/mffPV （ 7）故选择了满足此条件的风机 ， 风量为 250 m3/h，功率为 90 W。1.5 耗电量节省率的计算100%E CCW WW （ 8）式中 ， 为降温耗电量节省率 ， %； WE为试验植物工厂 每小时 的 降温耗电量 ， kWh； WC 为对照植物工厂与试验植物工厂同一时间段内的降温耗电量 ，kWh。1.6 数据处理利用 SAS8.0 对降温设备 明暗期运行时间 和 每小时耗电量 随外界空气温度的变化规律作回归分析 。2 结果与分析2.1 节能效果分析试验期间 ， 两间植物工厂围护结构除北墙与外界直接接触外 ， 其他 各面分别与育苗室 、 控制室和走廊接触 。 因此 ， 在暗期 ， 除北墙外 其他 各面均向植物工厂内部传热 ， 再加上植物工厂内使用设备的散热 ， 造成空调一直处 于降温的运行状态 。 如图 2所示 ， 当植物工厂内空气温度明期维持在 25 ， 暗期在 15 时 ， 用于明 、 暗期降温的耗电量随着外界空气温度的升高而增加 ， 此试验结果与大山克己等 31研究结果一致 。 从图 2 还可以看出 ， 试验植物工厂降温耗电量低于对照植物工厂 ， 当外界空气温度在4 12 条件下 ， 明期降温耗电量的节省率为24.6% 63.0%， 暗期为 2.3% 33.6%。 按照一般工商业用电电价 0.8145 元 /(kWh)计算 ， 明期降温耗电节省成本为 0.09 0.30 元 /h， 暗期降温耗电节省成本为 0.08 0.20 元 /h。 上述结果 表明 ， 与仅利用空调进行植物工厂内空气降温相比 ， 利用风机和空调协同降温的调控方法具有明显的节能效果 。注 ： 选取有代表性的天气进行数据分析 ， 其中 包括 达到外界空气温度最低值的 2 月 17 日和最高值的 3 月 6 日 ， 以及 外界空气温度 在 4 12温度范围 内 变化的 2 月 22 日 。图 2 植物工厂内降温设备每小时耗电量随外界空气温度的变化关系Fig.2 Effects of outside air temperature on hourly electric-energy consumption of cooling equipments inplant factories比较分析图 2 中明 、 暗期每小时降温耗电量随外界空气温度变化的拟合关系可知 ， 在相同外界空气温度下 ， 出现暗期每小时降温耗电量大于明期的情况 。 其主要原因为明 、 暗期植物工厂内设定的温度不同 ， 明期为 25 ， 暗期为 15 。 利用空调进行植物工厂内降温时 ， 其制冷系数会随着植物工厂内温度降低而减小 ， 并且 ， 当利用风机进行植物工厂内空气降温时 ， 其降温效果也会随着植物工厂内农业工程学报 2013 年180温度降低而减小 。 另一方面 ， 暗期植物工厂内热负荷较明期低 ， 当空调在较低负荷下运行时 ， 其制冷系数也会降低 ， 并且会造成空调的频繁启停 ， 使暗期降温耗电量增大 。 因此 ， 在外界空气温度相同的情况下 ， 会出现暗期降温耗电量高于明期的情况 。2.2 节能效果影响因素分析通过 2.1 节中结果分析可知 ， 与仅利用空调进行植物工厂内温度调控相比 ， 利用风机和空调协同降温方法的节能效果主要受风机引进的外界空气温度和空调运行时制冷系数的影响 。 当空调运行的制冷系数一定时 ， 其节能效果会随着风机引进外界空气温度的降低而提高 。利用风机和空调协同降温的另外一个优点是可以减少空调在低制冷负荷下的运行时间 ， 从而降低空调耗电量 。 如图 3 所示 ， 与对照植物工 厂相比 ，试验植物工厂中空调的运行时间明显减少 ， 明期减少了 36.6% 82.0%， 暗期减少了 16.3% 64.2%。因此 ， 在外界空气温度允许的情况下 ， 利用风机引进外界低温空气降温 ， 通过减少空调的运行时间 ，特别是在低制冷负荷下的运行时间 ， 可以增加其节能效果 。注 ： 选取数据为 2012 年 2 月 17 日至 2 月 25 日 。图 3 植物工厂降温设备运行时间与外界空气温度的关系Fig.3 Effects of outside air temperature on the runtime ofcooling equipments in plant factories在该试验中 ， 为避免或减小由于引进过低温度的外界空气对植物工厂内进风口处莴苣生长的影响 ， 选择热交换器作为引进外界空气的风机 。 故在引进外界低温空气时 ， 低温空气与植物工厂内输出的热空气进行部分热交换 ， 使进入植物工厂内的空气温度有所提高 。 由图 4 可知 ， 试验植物工厂内部引进外界空气的进风口处空气温度明显高于外界空气温度 ， 暗期提升了 12.2 14.4 ， 明期则提升了 13.0 18.7 。 因此 ， 本试验中将热交换器作为风机使用 ， 虽然减少了降温耗电量 ， 但在很大程度上也降低了利用 外界低温空气降温的节能效果 。注 ： 选取数据为 2012 年 2 月 16 日 22:00 至 2 月 17 日 22:00。图 4 外界空气温度与进入试验植物工厂空气温度随时间变化关系Fig.4 Time course of the air temperatures outside and enteredinto the experimental plant factory2.3 两种降温方法对植物工厂内空气温度影响分析由图 5 可知 ， 利用风机与空调协同降温的方法可以将明 、 暗期植物工厂内空气温度控制在设定的目标温度 。 并且与对照植物工厂相比 ， 明 、 暗期试验植物工厂内空气温度随时间变化较为平缓 。 其原因是空调的开启方式为 ON/OFF 控制 ， 内部空气升温至上限由空调快速降温至设定温度 ， 试验植物工注 ： 试验时间为 2012 年 2 月 16 日 22:00 至 2 月 17 日 22:00。图 5 植物工厂内外空气温度变化曲线Fig.5 Time course of air temperatures inside and outside plantfactories第 3 期 王 君等 ： 人工光植物工厂 风机和 空调 协同 降温节能效果 181厂由于引进外界低温空气减缓了植物工厂内空气温度上升速度 ， 从而减少了空调的开启 次数 。 结合图 5 可知 ， 明期试验植物工厂空调的开启次数为 3次 ， 比对照植物工厂减少了 3 次 ， 暗期试验植物工厂空调的开启次数为 4 次 ， 比对照植物工厂减少了3 次 。 采用风机和空调协同降温方法的不足之处为 ，增加了风机的启动次数 ， 而空调和风机的启停次数均与引进外界空气的温度密切相关 。3 结论1） 与仅利用空调进行降温的对照植物工厂相比 ， 利用风机和空调协同降温的试验植物工厂节能效果明显 ， 当植物工厂明 、 暗期内部空气温度分别设定在 25 和 15 ， 并且外界空气温度在 4 12条件下 ， 明期降温耗电量的节省率为 24.6%63.0%， 暗期为 2.3% 33.6%。2） 风机和空调协同降温较仅用空调降温的节能效果随着引进外界空气温度的降低而提高 ， 并且空调的运行时间随着引进外界空气温度的降低而减少 ， 当外界空气温度在 3 6 条件下 ， 明期空调运行时间减少了 36.6% 82.0%， 暗期减少了16.3% 64.2%。3） 利用风机和空调协同降温的方式可以将植物工厂内空气温度明期控制在 （ 252） ， 暗期控制在 （ 152） 。试验是在外界空气温度 4 12 下进行 ， 虽然热交换器作为风机对引进的外界空气温度有所提升 ， 但风机和空调协同降温的方式仍能达 到明显的节能效果 。 由前面的理论计算可知 ， 只要满足进入植物工厂内空气的温度低于风机开启的设定温度 ， 即使在春 、 秋季节 ， 也可以达到一定的节能效果 。为使此方法带来更大程度的节能 ， 并进一步推广应用 ， 今后试验将综合考虑植物工厂内热负荷 ，空调的制冷系数 、 所在地域的气象条件以及不同作物生长的最适温度 ， 确定风机和空调协同调控的最优控制方式 ， 以减少人工光植物工厂用于降温的运行成本 。 另外 ， 在采用风机与空调协同降温时 ， 仅对植物工厂内空气温度进行调控 ， 忽略了对相对湿度和 CO2 浓度的影响 。 所以今后试验中 ， 还需对植物工厂内部空气的温度 、 湿度及 CO2浓度综合考虑来确定调控方案 ， 实现作物在最适生长环境下最大程度的节能 。参 考 文 献 1 杨其长 ， 张成波 .植物工厂概论 M. 北京 ： 中国农业科学技术出版社 ， 2004： 185 187.2 贺冬仙 ， 朱本海 ， 杨珀 ， 等 . 人工光型密闭式植物工厂的设计与环境控制 J. 农业工程学报 ， 2007， 23(3)：151 157.He Dongxian, Zhu Benhai, Yang Po, et al. 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Institute of Environment and Sustainable in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Science, Beijing 100081, China;2.Key Laboratory for Energy Saving and Waste Disposal of Protected Agriculture, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)Abstract: In recent years, the use of plant factory with artificial light (PF) for plant production is graduallyincreasing in many countries due to its incomparable advantages compared with other plant production systems,such as improving the utilization efficiencies of water and land, improving work conditions. However, the higherinitial construction and operation costs limit the further use of the PF. The main electric-energy consumption byair conditioner (AC) for cooling accounts for 15%-25% of the total energy consumption in the PF. In thisexperiment, the objective of this study