北方大棚土壤源太陽能熱泵蓄熱系統(tǒng)的研究

蔣綠林++張亮++王昌領(lǐng)++胡靜++陳孚江

摘要：針對北方地區(qū)大棚，設(shè)計(jì)了一套土壤源太陽能熱泵供熱系統(tǒng)，對系統(tǒng)土壤蓄熱進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：輻照條件直接影響蓄熱系統(tǒng)的供水溫度，太陽輻照越強(qiáng)，制熱量越大，系統(tǒng)的能效比也越大。土壤源熱泵未開啟的情況下，利用土壤蓄熱的試驗(yàn)大棚與對比大棚（未加供熱系統(tǒng)）相比，地下10 cm處地溫平均日提升4.6 ℃，最高提升 6.5 ℃，大棚室內(nèi)溫度平均日提升2.4 ℃。

關(guān)鍵詞：土壤源；太陽能；土壤蓄熱；控制；試驗(yàn)研究

中圖分類號： S215文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0350-03

收稿日期：2015-10-22

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號：51308077）；江蘇省高校自然科學(xué)基金（編號：13KJB560001）。

作者簡介：蔣綠林（1965—），男，江蘇常州人，博士，副教授，主要從事太陽能熱泵及地源熱泵利用研究。E-mail：greenlife_51@163.com。

[ZT（]

為了滿足不同地區(qū)、不同氣候下植物的生長條件，溫室大棚應(yīng)運(yùn)而生。在我國北方嚴(yán)寒地區(qū)，普通的溫室大棚還不能維持植物生長的適宜溫度，尤其是晚上無輻照、室外溫度較低的情況，大棚內(nèi)的溫度可能會(huì)降到0 ℃以下，必須對其適當(dāng)供熱才能維持適宜的溫度范圍。北方存在大量的大棚，85%以上采用太陽能輔助燃煤對其供熱，這種高溫?zé)嵩吹蜏赜玫墓岱绞讲粌H造成大量的能源浪費(fèi)，而且燃煤鍋爐排放的[FK（W1。2]CO2、[FK（W1。2]NOx、[FK（W1。2]SOx等污染物對環(huán)境也造成了嚴(yán)重污染[1-2]。

由于植物生長不僅需要適宜的溫度，還需要保證足夠的[FK（W1。2]CO2濃度和空氣濕度，因此種植人員會(huì)定期給大棚通風(fēng)換氣，以保證植物光合作用所必需的[FK（W1。2]CO2和[FK（W1。2]H2O，無形中又浪費(fèi)了一定的能量。有研究者將蓄熱性較強(qiáng)的蓄熱材料添加到溫室大棚內(nèi)，這樣可將白天溫室內(nèi)多余的太陽能儲存起來并為晚上供熱所用[3]；也有研究者直接用大棚內(nèi)的土壤來儲存白天的太陽能，并進(jìn)行了相關(guān)研究[4-7]。在前人研究的基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套土壤源太陽能熱泵供熱系統(tǒng)，將熱泵技術(shù)和太陽能熱利用技術(shù)相結(jié)合并利用淺層土壤蓄能，白天充分利用太陽能，在滿足室內(nèi)熱負(fù)荷的前提下，將多余熱量儲存于大棚內(nèi)的地下土壤中。一方面，熱量會(huì)緩慢供給室內(nèi)；另一方面，在晚上或者陰雨天氣等沒有輻照時(shí)，系統(tǒng)可切換成土壤源熱泵，利用地下熱量來給大棚室內(nèi)供熱。本試驗(yàn)對北方大棚土壤源太陽能熱泵蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

1土壤源太陽能熱泵的設(shè)計(jì)

1.1大棚模型及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以北京順義某一大棚為例，大棚寬度60 m，進(jìn)深 8 m，背面墻高度2.5 m，墻厚為500 mm。根據(jù)當(dāng)?shù)靥柲芗皻庀筚Y料，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為土壤源太陽能熱泵供熱系統(tǒng)，由土壤源太陽能熱泵提供熱量，末端采用墻面管道輻射和水平地下埋管地坪輻射供熱系統(tǒng)，如圖1所示。根據(jù)建設(shè)方提供的數(shù)據(jù)，供熱設(shè)計(jì)負(fù)荷為20 kW。熱泵主機(jī)由江蘇常州?？ㄌ柲軣岜糜邢薰旧a(chǎn)，總共配備4臺，3臺常用，1臺備用。[ZT）]

[FK（W9][TPJLL11.tif]

植物生長需要適宜的溫度，根據(jù)中國農(nóng)業(yè)百科全書（蔬菜卷）中的講解，一般蔬菜作物的適宜生長溫度在5～35 ℃ 之間，主根群深度不超過30 cm[8]?？紤]植物還需要光合作用所必需的CO2和H2O，因此大棚每天早上08：00—10：00 需要進(jìn)行通風(fēng)換氣，這樣會(huì)導(dǎo)致大棚內(nèi)的熱量大量散失。本試驗(yàn)所述系統(tǒng)在滿足室內(nèi)溫度要求的前提下，將熱量通過水平橫埋管儲存于地下，地下埋管埋深40 cm，一方面提高了土壤溫度有利于植物根系的生長，另一方面減少了通風(fēng)換氣時(shí)能量的流失。

1.2土壤源太陽能熱泵原理及控制

土壤源太陽能熱泵原理圖如圖2所示，系統(tǒng)包括太陽能熱泵單元、土壤儲/取能單元、土壤源熱泵單元、室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)單元和控制單元。系統(tǒng)分為2種運(yùn)行模式：儲能模式和供熱模式。用溫度探頭分別探得太陽能集熱器的板芯溫度Tb、室外空氣溫度T0、大棚室內(nèi)空氣溫度Ti，控制器根據(jù)各溫度探頭的溫度信號，實(shí)現(xiàn)對太陽能壓縮機(jī)、土壤源壓縮機(jī)、第一水泵和第二水泵的啟?？刂?。

[FK（W15][TPJLL22.tif]

1.2.1儲能模式當(dāng)Tb-T0>ΔT1（其中ΔT1為太陽能熱泵設(shè)定的啟動(dòng)溫差）時(shí)，開啟第一水泵10、太陽能壓縮機(jī)5，太陽能作為太陽能熱泵的低溫?zé)嵩?，制冷劑吸收太陽能蒸發(fā)再經(jīng)過太陽能壓縮機(jī)5提升溫度后進(jìn)入冷凝器4冷凝換熱，冷凝熱量經(jīng)土壤儲/取能單元儲存至地下土壤；當(dāng)Tb-T0<ΔT2（其中ΔT2為太陽能熱泵設(shè)定的停機(jī)溫差）時(shí)，關(guān)閉太陽能壓縮機(jī)5和第一水泵10。

1.2.2供熱模式當(dāng)TiT2（其中T2為供熱模式時(shí)大棚內(nèi)空氣溫度設(shè)定的上限值）時(shí)，關(guān)閉第一、第二水泵和土壤源壓縮機(jī)。

考慮到系統(tǒng)的簡化設(shè)計(jì)，本試驗(yàn)所述系統(tǒng)沒有制冷功能，當(dāng)室內(nèi)溫度過高時(shí)，直接打開頂棚透氣降溫。

2試驗(yàn)研究

為檢測系統(tǒng)效果，在北京順義區(qū)某蔬菜基地搭建試驗(yàn)平臺進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備有便攜式溫濕度儀HL-NT3-D、數(shù)顯太陽能輻照儀、智能溫度控制儀、套管式水銀溫度計(jì)、直角地溫計(jì)、流量計(jì)。通過測量太陽輻照變化、室內(nèi)外溫度變化、供回水溫度、水流量等參數(shù)對該土壤源太陽能熱泵蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行研究。

2.13個(gè)典型日蓄熱系統(tǒng)的運(yùn)行分析

本試驗(yàn)選擇了晴天、陰天、陰晴天3個(gè)典型日對土壤源太陽能熱泵蓄熱系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行試驗(yàn)，得出了輻照變化對蓄熱系統(tǒng)的影響如圖3所示。

圖3表明，太陽輻照強(qiáng)度直接影響太陽能熱泵蓄熱系統(tǒng)的供水溫度，輻照越強(qiáng)，所取得的供水溫度越高。供回水換熱溫差變化不大，一般在0～6 ℃之間，隨著輻照增強(qiáng)有所增大。

[FK（W32][TPJLL33.tif]

當(dāng)輻照較弱時(shí)，供回水溫度基本相同，此時(shí)太陽能熱泵處于停機(jī)狀態(tài)。

2.2輻照強(qiáng)度對系統(tǒng)制熱量及能效比（COP）的影響

根據(jù)試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)，對土壤源太陽能熱泵蓄熱系統(tǒng)的制熱量及COP進(jìn)行分析。系統(tǒng)的制熱量為：

[JZ（]Q=C0qm（t1-t2）。[JZ）][JY]（1）

COP為：

[JZ（]COP=[SX（]QW[SX）]。[JZ）][JY]（2）

其中，C0為水的比熱容，t1、t2為供回水溫度，qm為水的質(zhì)量流量，W為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的輸入功率（包括水泵的耗功）。

由圖4可以看出，系統(tǒng)的制熱量受輻照條件影響較大，太陽輻照越強(qiáng)，制熱量明顯越大，反之，輻照強(qiáng)度降低，制熱量也隨之下降，系統(tǒng)的耗電量變化則不明顯。由式（2）可知，系統(tǒng)COP也隨太陽輻照增強(qiáng)而增大，隨太陽輻照減弱而減小。根據(jù)3個(gè)典型日的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的單機(jī)制熱量在4.1～8.0 kW 之間，平均COP在9.0以上，儲熱效果顯著。

2.3試驗(yàn)大棚與對比大棚的比較分析

[CM（24]為研究大棚熱泵土壤蓄熱的效果，將供熱模式時(shí)室內(nèi)溫[CM）]

[FK（W33][TPJLL44.tif]

度的下限值設(shè)為-20 ℃，系統(tǒng)只運(yùn)行儲能模式，在試驗(yàn)大棚和對比大棚中分別布置4個(gè)溫度測點(diǎn)，用套管式水銀溫度計(jì)測量大棚室內(nèi)氣溫，用直角地溫計(jì)測量地下10 cm處地溫，得出試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

[TPJLL55.tif；S+2mm]

由圖5可以看出，太陽能熱泵土壤蓄熱系統(tǒng)在白天對大棚室內(nèi)溫度影響不大，到了晚上由于儲存在地下的熱量會(huì)緩慢地釋放到大棚室內(nèi)，試驗(yàn)大棚較對比大棚室內(nèi)溫度要高，大棚室內(nèi)溫度日平均提升2.4 ℃。由圖6可以看出，太陽熱泵土壤蓄熱對地溫提升明顯，與對比大棚相比，10 cm處溫度平均每天可提升4.6 ℃，提升最大在中午12：00，最大提升 6.5 ℃。

3結(jié)論

太陽輻照強(qiáng)度直接影響土壤源太陽能熱泵蓄熱系統(tǒng)的供水溫度，隨輻照增強(qiáng)，供水溫度升高，供回水溫差變化不大，一般在0～6 ℃之間。

蓄熱量受太陽輻照條件的影響較大，輻照越強(qiáng)，蓄熱量越多。系統(tǒng)的COP隨著輻照增強(qiáng)也有所增大，平均COP在9.0以上。

為了充分利用白天多余的太陽能，用大棚土壤來蓄熱，可將地下10 cm處地溫平均日提升4.6 ℃，最高提升6.5 ℃，由于儲存在地下的熱量緩慢散發(fā)，大棚室內(nèi)溫度平均日提升24 ℃，設(shè)計(jì)效果顯著。

本試驗(yàn)對北方大棚實(shí)行太陽能熱泵土壤蓄熱進(jìn)行了研究，為以后的工程設(shè)計(jì)提供了重要的參考價(jià)值。

[HS2][HT8.5H]參考文獻(xiàn)：[HT8.SS]

[1]王麗艷，邱立春，郭樹國. 我國溫室發(fā)展現(xiàn)狀與對策[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2008（10）：207-209.

[2]李天來. 我國日光溫室產(chǎn)生發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，36（2）：131-138.

[3]陳超，果海鳳，周瑋.相變墻體材料在溫室大棚中的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 太陽能學(xué)報(bào)，2009，30（3）：287-293.

[4]戴巧利. 主動(dòng)式太陽能空氣集熱器-土壤蓄熱溫室增溫系統(tǒng)的研究[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2009.

[5]劉圣勇，張杰，張百良，等. 太陽能蓄熱系統(tǒng)提高溫室地溫的試驗(yàn)研究[J]. 太陽能學(xué)報(bào)，2003，24（4）：461-465.

[6]張杰. 太陽能地下蓄熱性能的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2001.

[7]于威，王鐵良，劉文合，等. 太陽能土壤加溫系統(tǒng)在日光溫室土壤加溫中的應(yīng)用效果研究[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，41（2）：190-194.