双热源太阳能热泵温室供暖系统的设计与构建.pdf

櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄 12 白义奎 李天来 张文基 等 日光温室地基温度场数学模型及 试验分析 J 北方园艺 2010 13 49 53 13 白义奎 刘文合 辽沈 型日光温室环境及保温性能研究 J 农业工程学报 2003 19 5 191 196 14 佟国红 Christopher D M 赵荣飞 等 复合墙体不同材料厚度对 日光温室温度的影响 J 新疆农业科学 2014 51 6 999 1007 15 杨昊谕 于海业 东北地区日光温室保温性能实验研究 J 内 蒙古农业大学学报 2007 28 3 8 10 16 亢树华 房思强 戴雅东 等 节能型日光温室墙体材料及结构 的研究 J 中国蔬菜 1992 6 1 5 17 李成芳 李亚灵 温祥珍 日光温室保温板外置复合墙体的温度 特性 J 山西农业大学学报 2009 29 5 453 457 18 刘思莹 戴希楠 黄 龙 等 北京地区常用类型日光温室的冬 季气温特性分析 J 中国蔬菜 2011 增刊 1 20 25 19 刘淑梅 薛庆禹 李 春 等 天津地区不同墙体处理对日光温室 保温性能影响初探 J 中国农学通报 2012 28 35 170 179 20 陈青云 汪政富 节能型日光温室热环境的动态模拟 J 中国 农业大学学报 1996 1 67 72 21 孟力力 杨其长 Gerard P A B 等 日光温室热环境模拟模型的 构建 J 农业工程学报 2009 25 1 164 170 22 徐 凡 马承伟 刘 洋 天津一种典型砖墙日光温室热环境现 状的测试与分析 J 中国农业大学学报 2013 18 4 188 195 刘晓勤 贾少刚 魏翠琴 等 双热源太阳能热泵温室供暖系统的设计与构建 J 江苏农业科学 2020 48 11 234 239 doi 10 15889 j issn 1002 1302 2020 11 046 双热源太阳能热泵温室供暖系统的设计与构建 刘晓勤 贾少刚 魏翠琴 高志宏 湖州职业技术学院 浙江湖州 313000 摘要 当前农业温室的调控消耗了大量的燃煤 该问题制约了温室甲鱼养殖业的发展 因此利用太阳能热泵技术 为温室供暖是很有必要的 参照工厂化甲鱼养殖温室构建了 30 m 2 实验温室 以浙北地区的气象数据为基础计算了 实验温室的热负荷 以实验温室为研究对象 设计了双热源混联式太阳能热泵供暖系统并优化了系统结构 提高了系 统的能效比和运行的稳定性 且系统的运行方式灵活多选 以实验温室热负荷计算结果为基础进行了系统的部件选 型 构建了太阳能热泵供暖系统实验台 实验台设置了开展实验研究所需的温度 流量及辐照度等传感器采集相关参 数 系统为太阳能单独运行 空气源热泵单独运行 热泵太阳能串联运行 太阳能热泵并联运行等多种运行模式下的 实验研究 可获得各种运行模式下太阳能 热泵和系统整体的性能参数 为开展试验研究打下了基础 同时也可为同类 设备的设计与应用提供参考 关键词 温室 能源 热负荷 太阳能热泵 实验研究 中图分类号 TU832 1 7 文献标志码 A 文章编号 1002 1302 2020 11 0234 06 收稿日期 2019 09 25 基金项目 浙江省公益技术应用研究计划 编号 2015C32112 作者简介 刘晓勤 1967 女 江苏扬州人 硕士 副教授 主要研究 方向为建筑节能与暖通空调技术 E mail 365358379 qq com 温室农业目前已经不再受气候的影响 北亚热 带季风气候区冬季时热源主要来自于小型煤炉 但 这会造成环境污染 1 2 清洁能源的开发利用以及 节能技术的推广使用 是现代绿色生态环境对农业 发展提出的新要求 也是必然趋势 太阳能属于清 洁能源 热泵技术有高效节能的优势 将两者合二 为一既能避免太阳能作为热源受天气影响的缺点 也间接提升了系统性能 3 4 太阳能与热泵技术嫁 接 对于改进能源消耗与环境保护之间的矛盾 意 义重大 5 6 太阳能热泵技术目前在温室农业方面 建筑物冬季供暖方面的应用如雨后春笋 7 9 本研 究以工厂化饲养甲鱼 人工构建温室为研究对象 创建了养殖面积为 30 m 2 的实验室 构建了太阳能 及热泵 2 个热源 按温室供暖规范设计了系统实验 台 用于温室供暖和太阳能热泵系统的试验研究 为温室清洁能源供暖系统的设计与优化研究提供 参考和依据 1 甲鱼养殖温室概况 养殖温室的室温需维持在 35 养殖池水温需 维持在 30 左右 如此有利于甲鱼的快速生长 实 验温室采用普通聚苯乙烯泡沫塑料 EPS 作为温室 四周墙壁和顶棚的保温材料 EPS 板的内外两侧采 432 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 11 期 用彩钢板夹紧以起到支撑与隔离外界的作用 温 室的地面首先平整好泥土层 然后覆盖 1 层防潮塑 料薄膜 最后再铺以 100 mm 厚的硅酸铝保温棉 用 以隔绝水池与地面之间的热量传递 养殖池为长 方形 采用 2 mm 厚的钢板焊接成型 做好防锈处理 后覆盖 1 层加厚防水布 养殖池西侧是 1 个铺设木 地板的过道 温室结构示意图详见图 1 温室顶棚 呈斜面 南北墙和顶棚为长方形 东西墙为梯形 温 室尺寸参数见表 1 经计算温室四周墙体与顶棚面 积总计为 76 2 m 2 2 温室维护结构热负荷计算 2 1 基本气象参数 实验室及实验平台所涉及气候 太阳能辐照度 等参数详图 2 表 1 温室参数 项目 面积 m 2 尺寸 mm 材料 顶棚 36 93 8 430 4 380 100 mm 厚 EPS 板 地面 35 70 8 430 4 230 100 mm 厚硅酸铝保温棉 东西墙 13 12 1 000 2 100 4 230 100 mm 厚 EPS 板 北墙 17 70 8 430 2 100 100 mm 厚 EPS 板 南墙 8 43 8 430 1 000 100 mm 厚 EPS 板 过道 2 80 700 4 000 木板 养殖池 30 00 7 500 4 000 500 3 mm 厚钢板 2 2 温室维护结构热负荷 选择平壁稳态导热 式 1 12 进行围护结构 热负荷 Q wh 的计算 Q wh F wh K T sn T sw 1 式中 为围护结构温差修正系数 F wh 为围护结构 的面积 m 2 T sn 为温室室内温度 取值为 35 T sw 为 室外温度 取月均气温 K 为围护结构的传热系 数 W m 2 维护结构传热系数 K 以及温差 修正系数 的计算参考国家规范 13 14 维护结构热负荷计算值年最冷月 1 月 如表 2 所示 热负荷平均是 1 173 W 结果显示 白天和黑 夜温度差变化引起热负荷发生波动 1 月份最低气温 532 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 11 期 约为 5 此时热负荷为 2 112 W 不同月份下的 围护结构热负荷及温室日需热量详见图 3 由图 3 可知 温室年总需热量为 21 940 MJ 标煤热值为 29 27 MJ kg 考虑小煤炉的热效率为 60 2 则此 温室年消耗标煤约 1 250 kg 表 2 1 月份温室围护结构的平均热负荷 EPS 导热系数 1 维护结构面积 m 2 室内外平均 最大温度差值 K W m 2 平均 最大散热量 W 0 042 W m 76 2 30 40 0 294 1 173 2 112 3 太阳能热泵温室供暖系统设计与构建 3 1 太阳能热泵温室系统结构设计 为满足温室供暖的多种工况以及节能运行要 求 设计了双热源混联式太阳能热泵系统 图 4 该系统由温度传感器 热泵机组 风机盘管 蓄热水 箱 流量传感器 太阳能集热器 供暖水箱 循环水 泵 连接管件等组成 系统中太阳能可单独运行加 热蓄热水箱或者供暖水箱中的水 热泵设置了以空 气作为热源的蒸发器 以蓄热水箱的水作为热源的 2 个蒸发器 冷凝器用来加热供暖水箱中的水制取 供暖所需的高温热水 供暖水箱中的水通过风机盘 管向温室供暖 该系统具有太阳能热泵串联方式运行 太阳能 热泵并联方式运行 空气源热泵单独运行 太阳能 单独运行等运行方式 在冬季温室热负荷较高时 系统宜采用串联方式运行 在春夏秋季环境温度较 高时系统既可以并联方式运行 也可以串联方式运 行 阳光辐照特别好时则太阳能单独运行 任何季 节下遇到连续阴雨天时则热泵以空气源形式单独 运行 此系统的优点如下 1 提高了系统的能效比 COP 系统以串联 方式运行时太阳能主要用来制取低温热水 太阳能 632 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 11 期 集热器的效率可有效提升 15 热泵蒸发器侧热源为 低温热水 制冷剂蒸发温度较高 因此热泵 COP 也 得到提升 末端散热采用风机盘管强制换热 因此 总体上系统 COP 得到了有效提高 2 提高了系统稳定性 在气温出现连绵阴雨 天时 由空气源热泵向温室提供热量 为延长设备 使用寿命 采用闭式循环运行 就是让太阳能集热 载体与水箱中的水隔开运行 为减少设备正常运行 时的维护量 选用丙三醇 乙二醇等的水溶液来充 当集热载体 起到冬天防冻 平常防结垢 防腐的 作用 3 提高了系统运行灵活性 系统运行方式由 阳光辐照强度 环境温度经温室热负荷计算后选 定 最大化运用太阳能 最大化实现系统的节能 运行 3 2 太阳能集热器面积选择 假如由太阳能提供温室所需全部热负荷 则通 过式 2 计算可得到在不同月份随环境温度改变的 集热器面积 表 3 结果显示 集热器面积所需最 大是在最冷月 达到了 35 m 2 通常 2 m 1 m 规格 的平板式集热器采光面积为 1 9 m 2 则若按照 1 月 份的配置需要 18 5 块 为保证太阳能的工作效果和 安装规整 太阳能板的数目取值为 20 块 F J Q d I c c 2 式中 F J 为集热器所需面积 m 2 Q d 为温室的每日 需 热 量 值 MJ d I c 为太阳能辐射总量 MJ m 2 d c 为集热效率平均值 按 40 计 15 表 3 不同月份下温室所需集热器面积 月份 集热器面积 m 2 月份 集热器面积 m 2 月份 集热器面积 m 2 1 月 35 0 5 月 8 3 9 月 7 1 2 月 32 0 6 月 6 2 10 月 11 3 3 月 20 0 7 月 3 0 11 月 25 0 4 月 13 0 8 月 3 5 12 月 32 2 3 3 供暖水箱容积选取 供暖水箱储热能力高低取决于水箱容积 而水 箱容积大小又反过来决定热泵运行的间隔时间 该值由式 3 进行计算 计算时的相关条件 1 按照 1 月份温室平均热负荷 Q w 1 173 W 计 算 2 当热泵以空气源形式单独运行 设定水箱内 温度差为 10 当达到 60 时热泵停止工作 当水 温下降到 50 时重新启动 当供暖水箱容积 V g 选择为 300 L 时的计算结 果为 178 min 也就是热泵从停止运行到重新启动需 时为 178 min 热泵单独运行需 178 min 间隔时间 假设太阳能在同时供热 势必会延长热泵的启停间 隔时间 热泵间歇工作的时长表明供暖水箱容积 选取为 300 L 较为合适 Q ws T 60 C pv V gn w T gn 3 式中 Q ws 为温室平均热负荷 1 173 W T 为启停间 隔 时 间 min C pv 为水定压比热容 4 18 kJ kg V gn 为供暖水箱有效容积 300 L w 为水密度 1 000 kg m 3 T gn 为供暖水箱内温度 差 10 3 3 蓄热水箱容积的选取 冬季系统串联运行时热泵水源蒸发器所需要 的热量全部由蓄热水箱中的热水供给 蓄热水箱则 由太阳能进行加热 考虑到热泵的水源蒸发器的 蒸发温度即热水水温不能过高 否则会导致制冷剂 压力过高对压缩机造成损伤 因此蓄热水箱的最高 水温设定为 35 最低温度设定为 10 则水箱的 温差为 25 通过式 4 进行计算 可得到供暖水 箱的容积 V X 为 976 L 时可满足要求 考虑工业成 品水箱的规格 蓄热水箱容积 V X 选取为 1 000 L Q d C pv w V X T X 4 式中 Q d 为 1 月份温室日均需热量 102 MJ T X 为 蓄热水箱的温差 取值为 25 3 4 热泵机组的选型 通常情况下水源热泵的 COP w 要远高于空气源 热泵的 COP A 但是必须考虑南方出现连续阴雨天的 情况 此时太阳辐射照度不够 以空气源运行形式 代替太阳能来工作 热泵则变成主要的热负荷提供 者 太阳能无法工作时热泵只能够以空气源形式 运行 此时热泵承担温室的全部热负荷 为保证热 泵的制热量能够满足温室的需求 热泵选型时应以 空气源形式运行时的 COP A 进行计算选型 1 月份最冷时温室维护结构的热负荷为 2 112 W 考虑安全余裕 将系数取为 1 2 则两者相 乘得到热泵制热功率为 2 535 W 空气源热泵 COP 取值为 1 5 16 经计算得到热泵压缩机功率是 1 690 W 据此选择压缩机及热泵机组即可 但功率 必须大于 1 690 W 系统无论以串联方式 并联方式或者空气源热 泵单独运行时 热泵冷凝器冷却水的温度区间均设 置为 50 60 即热泵冷凝器的工作状况较差 因 此热泵的压缩机性能要好 同时制冷剂的性能既要 732 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 11 期 满足蒸发器的低温工况 也要满足冷凝器的高温 工况 3 5 太阳能热泵供暖系统配置与构建 根据以上的太阳能热泵系统的结构设计与设 备选型 构建了为 30 m 2 实验温室供暖的双热源太 阳能热泵系统 系统的主要部件参数详见表 4 构建 的太阳能热泵供暖系统实验台详见图 5 表 4 太阳能热泵供暖系统主要部件参数 部件名称 数量 单位 材料及规格 温度传感器 40 个 Pt100 精度 0 1 热泵机组 1 台 额定输入功率为 4 5 kW 制冷剂为 134a 风机盘管 2 台 0 18 kW 外观尺寸 600 mm 700 mm 50 mm 蓄热水箱 1 个 有效容积 1 000 L 涡轮流量传感器 4 个 DN25 4 20 mA 电流输出 集热介质 若干 丙二醇水溶液 单位为 10 kg 桶 循环水泵 4 台 扬程 H 35 m 额定流量 Q 50 L min 太阳能平板集热器 20 块 2 000 mm 1 000 mm 供暖水箱 2 个 有效容积 300 L 连接管件 若干 公称直径 DN25 镀锌管 阀门 3 6 系统参数测量与可开展项目 双热源太阳能热泵供暖系统中设置的相关传 感器及其测量点的参数详见表 5 系统中配置的设 备 主要用来测试太阳能辐射照度值 流量值 温度 值等参数 通过对测试参数的采集 归类 计算 整 理 得出太阳能集热器效率值 得出热泵 COP 从而 模拟出相关参数变化曲线 本实验台可以开展的 实验研究项目如表 6 所示 4 结论与探讨 本研究以 1 个养殖面积为 30 m 2 的甲鱼养殖温 室为研究对象 通过构建自成系统的双热源太阳能 系统来实现热泵供暖 达到以下目的 为满足温室 供暖的多种工况以及节能运行要求 设计构建了 1 套双热源太阳能热泵供暖系统 该系统具备如下 特点 1 结构设计合理 运行方式灵活多变 适用于 不同工况下 系统稳定性好 经济效益佳 2 热泵供暖测试系统设备全 测点广 效率 高 可用于各类运行方式下系统 部件测试 在全社会提倡绿色建造的今天 环保意识渗透 到各行各业已是不争的事实 应用于温室 促进农 业领域的变革 更有着特殊的意义 从生态文明角 度来发展农业 是当代为暖通空调专业人士提出的 新挑战 任重而道远 参考文献 1 李德坚 唐 轩 殷志强 等 温室太阳能供暖 J 太阳能学报 2002 23 6 557 563 2 邝平健 刘喜斌 燃煤热风炉解决北方温室供暖问题的研究 J 农机化研究 2007 3 221 222 3 阳季春 季 杰 裴 刚 等 间接膨胀式太阳能多功能热泵单独 制热水性能实验研究 J 太阳能学报 2008 29 6 678 683 4 钟 浩 李志民 罗会龙 等 空气源热泵辅助供热太阳能热水系 统实验研究 J 建筑节能 2011 39 3 36 39 5 旷玉辉 王如竹 于立强 太阳能热泵供热系统的实验研究 J 太阳能学报 2002 23 4 1 6 832 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 11 期 表 5 太阳能热泵供暖系统的测量参数 序号 名称 数量 要求 单位 1 太阳辐照度 1 1 min 记录 1 次 W m 2 2 介质体积流量 Q 1 Q 4 4 1 min 记录 1 次 L min 3 蓄热水箱水温 T 3 T 6 4 1 min 记录 1 次 4 供暖水箱水温 T 9 T 10 2 1 min 记录 1 次 5 养殖池水温 T 11 T 12 2 1 min 记录 1 次 6 温室室温 T 15 T 18 4 1 min 记录 1 次 7 环境温度 T 21 T 22 2 1 min 记录 1 次 8 热泵冷凝器进口温度 T 7 1 T 7 3 3 1 min 记录 1 次 9 热泵冷凝器出口温度 T 8 1 T 8 3 3 1 min 记录 1 次 10 风机盘管进口温度 T 13 1 T 13 3 3 1 min 记录 1 次 11 风机盘管出口温度 T 14 1 T 14 3 3 1 min 记录 1 次 12 集热器进口温度为 T 1 1 T 1 3 3 1 min 记录 1 次 13 集热器出口温度为 T 2 1 T 2 3 3 1 min 记录 1 次 14 热泵水源蒸发器进口温度 T 19 1 1 min 记录 1 次 15 热泵水源蒸发器进口温度 T 20 1 1 min 记录 1 次 表 6 太阳能热泵供暖系统可开展的实验研究内容 序号 研究工况 研究目标 1 太阳能自运行供暖性能 1 获取太阳能集热器的平均热效率 2 太阳能自运行制取热水 1 获取太阳能集热器日均热效率值 2 获取最佳的集热介质流量值 3 热泵自运行供暖性能 1 获取不同供暖水流量下温室温度值 变化曲线值 2 获取供暖工况下热泵日均 COP 值 变化曲线值 4 热泵自运行制取热水 1 获取热泵压缩机进出口温度值 2 获取热泵压缩机进出口压力等变化曲线值 3 获取热 泵的 COP 随制取热水温度的变化曲线值 4 获取环境温度对热泵 COP 的影响变化曲线 5 太阳能 热泵串联运行供暖性能 1 获取温室温度日变化曲线值 2 获取水源热泵的 COP 随时间与蒸发温度的变化曲 线 3 获取系统的日均 COP 及多日的 COP 的变化曲线 4 获取太阳能集热器的日均效 率值及多日的日均效率值的变化曲线 6 太阳能 热泵并联运行性能供暖 1 获取太阳能集热器的日均效率值 不同日的日均效率值的变化曲线 2 获取系统的日 均 COP 值 不同日的 COP 变化曲线值 3 得到温室的温度日变化曲线 6 涂爱民 董 华 朱冬生 等 太阳能热泵 地板辐射供热系统实 验研究 J 暖通空调 2007 37 1 108 112 7 李晓磊 王 勇 太阳能 低温热回收空气源热泵联合供暖系 统集热侧设计计算方法 J 暖通空调 2016 46 10 99 103 8 陈 冰 罗小林 毕方琳 等 温室太阳能与空气源热泵联合加温 系统的试验 J 中国农业科技导报 2011 13 1 55 59 9 郑荣进 孙文君 张建高 等 基于可再生能源供热的设施水产养 殖试验温室设计 J 农业工程学报 2011 27 10 218 221 10 张喜亮 邱新法 陈世春 等 南太湖湖州地区太阳总辐射的气 候学计算及特征分析 C 浙江省气象学会 第六届长三角 气象科技论坛论文集 2009 11 黄 艳 蔡 敏 严红梅 浙江省太阳能资源分布特征及其初步 区划研究 J 科技通报 2014 30 5 78 85 12 杨世铭 陶文栓 传热学 M 4 版 北京 高等教育出版 社 2006 13 采暖通风与空气调节设计规范 GB 50019 2003 S 14 温室加热系统设计规范 JB T 10297 2001 S 15 高志宏 贾少刚 魏翠琴 等 平板型太阳能热水装置性能实验 研究 J 太阳能 2015 11 59 62 16 魏翠琴 高志宏 贾少刚 等 太阳能热泵热水装置性能实验研 究 J 机械设计与制造 2016 7 265 268 932 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 11 期