溫室用太陽能熱泵土壤蓄能系統的研究

蔣綠林，蔡佳霖，胡 靜，盧 旺，呂長寧

(常州大學石油工程學院，江蘇常州 213000)

溫室主要用于栽培蔬菜植物，在不適合作物生長的季節為作物生長提供適宜的溫度。我國北方地區入秋后，晝夜溫差逐漸增大。白天氣溫較高，溫室作物能夠正常生長；夜晚氣溫驟降，溫室內部溫度有時降到0 ℃以下。根據《中國農業百科全書：蔬菜卷》可知，一般作物適宜的生長溫度在5～35 ℃ 之間。溫度過低不利于作物生長，因此，北方地區必須在冬季為溫室供暖。傳統溫室的供暖方式以燃煤鍋爐為主，這種高溫熱源放熱的供暖方式不僅造成大量的能源浪費，而且燃煤鍋爐排放的CO2、NOx、SOx等污染物對環境也造成了嚴重污染[1]。

隨著我國現代化農業的發展，溫室大棚供暖的能源供應不再僅限于一次能源。我國北方地區冬季太陽輻射較強，有研究者提出將太陽能熱利用技術應用于溫室大棚供暖，并對此進行了相關研究[2-4]。江蘇大學的毛罕平等研制了1種溫室太陽能加熱系統，其主要由真空管太陽能集熱器和循環管道組成，并采用電采暖作為系統的輔助熱源以滿足溫室的連續供暖需求[5]。陜西科技大學的蘇偉等設計了太陽能與地源熱泵聯合溫室大棚系統及該系統的可編程邏輯控制器(programmable logic controller，簡稱PLC)控制回路，并對其可行性作了簡要分析[6]。太陽能與地源熱泵聯合溫室大棚系統的初投資較高，對于農業生產來說，其系統投資回收期較長。沈陽農業大學的于威等設計了日光溫室太陽能土壤加溫系統，通過試驗研究在該系統的作用下地溫隨著不同地熱管埋深的變化情況。結果表明，太陽能土壤加溫系統對夜間土壤溫度有顯著提升作用[4]。根據調研，國內溫室大棚太陽能熱利用技術大多采用太陽能悶曬水的集熱方式，依靠太陽能悶曬真空管或平板式太陽能集熱板來提升內部水的溫度，結合儲能水箱及溫室內部換熱系統對溫室進行供暖。這種僅通過太陽悶曬來加熱水的做法，其太陽能利用率較低，無法滿足大面積溫室大棚生產的供暖需求，且溫室大棚供暖須配備較大的儲能水箱，浪費了土地資源，后期維護也較為麻煩。

針對以上溫室供暖技術的不足，本研究設計1種溫室用太陽能熱泵土壤蓄能系統，利用制冷劑R134A在平板式太陽能集熱板中采集太陽能量，通過壓縮機提升能量品位，制冷劑通過板式換熱器將熱量換熱給水，通過循環水泵使水在水平橫埋管中循環流動，以這種形式將熱量最終換熱給溫室內部土壤，最終實現溫室內部土壤及空氣溫度的提升。通過試驗對此系統進行研究，分析不同工況下系統性能及其供暖效果，得出相應結論。

1 試驗內容

1.1 試驗原理及主要裝置

對于太陽能熱泵土壤蓄能系統，制冷劑R134A在太陽能集熱蒸發器內吸收熱量，經壓縮機壓縮后變為高溫高壓的過熱蒸氣，再經溫室內地埋管側板式換熱器冷凝后，進入膨脹閥節流為低溫低壓的氣液兩相混合物，最后回到太陽能集熱蒸發器中吸熱蒸發，如此完成1個循環過程。在白天，隨著太陽能熱泵的持續運行，系統能夠收集較多能量，通過埋深為 40 cm 的水平橫埋管將能量換熱給土壤，土壤溫度不斷升高；在夜晚，釋放儲存在土壤中的能量向溫室供暖。由于白天土壤中儲存了較多能量且土壤的放熱速度較慢，因此土壤對溫室供暖的持續時間較長，能夠滿足夜間溫室作物的正常溫度需求。隨著系統的正常運行，溫室的土壤溫度及空氣溫度得到明顯提升。

溫室用太陽能熱泵土壤蓄能系統(圖1)所選用的壓縮機為上海日立家用電器有限公司WHP09800DCV-C9EU型轉子式壓縮機，其額定制熱量為9.97 kW，額定功率為 2.46 kW。太陽能集熱蒸發器是由12塊太陽能集熱板并聯而成，集熱板選用江蘇省常州海卡太陽能熱泵有限公司生產的有玻璃蓋板的平板式太陽能集熱板，尺寸為1 000 mm×2 000 mm×80 mm，朝正南方向放置，與水平面夾角為60°。

1.2 試驗方法

以山西省大同市一溫室大棚為例，該溫室大棚長為 60.0 m，寬為8.0 m，背墻高度為2.5 m，墻厚為0.5 m，設計總暖負荷為20 kW。溫室夜間覆蓋保溫棉被，16：00覆蓋，次日09：00揭開。為分析太陽能熱泵土壤蓄能系統的運行效果，用隔熱板將溫室隔成東、西2個相同的區域進行對比試驗，東半部鋪設地埋管，而西半部設為無地埋管的對照區。太陽能熱泵運行時間為08：00—17：00。

對有太陽能熱泵土壤蓄能系統和無太陽能熱泵土壤蓄能系統的溫室分別進行試驗測試。測試記錄的數據(0.5 h采集1次)包括太陽輻射強度、地埋管總管水流量(qm)、主機功率(W)、地埋管總管的供/回水溫度(T1/T2)。圖2為試驗溫室/對照溫室地面往下20 cm、地面往上1.5 m處的溫度(T3/T5、T4/T6)(視作溫室的土壤溫度、空氣溫度)、室外環境溫度(T7)。所用的試驗儀器主要包括太陽輻射強度測量采用的北京中西遠大科技有限公司生產的輻射量采集儀，水流量的測量采用的江蘇進源儀表有限公司生產的渦輪流量計，主機功率測量采用的浙江喬宇電氣有限公司生產的RS485通信遠程控制電能表，溫度測定選用的江蘇省常州市金艾聯電子科技有限公司生產的JK-16U多路溫度巡檢儀。

2 結果與分析

試驗工況包括晴天工況和多云工況2個部分。

2.1 晴天工況下試驗

2.1.1 系統性能分析 由圖3可知，太陽輻射良好，輻射強度峰值出現在13：30，為1 018 W/m2；系統供水溫度在15.1～21.0 ℃之間，峰值出現在14：00；系統回水溫度在 13.7～17.6 ℃ 之間，峰值出現在15：30；系統供回水溫差在1.4～3.4 ℃之間，峰值出現在14：00。

系統供水溫度受太陽輻射強度的影響較為明顯。隨著輻射強度的增強，供水溫度隨之升高，而回水溫度變化相對較平緩，供回水溫差加大，土壤的熱量增大。隨著太陽輻射強度的減弱，供/回水溫度也隨之下降。另外，由于土壤具有較大的熱容量，供/回水溫度及其溫差出現峰值的時間均晚于太陽輻射最強時的時間。

對系統的性能系數(coefficient of performance，簡稱COP)進行分析。COP的計算公式如下：

(1)

Q=C0qm(T1-T2)。

(2)

式中：Q為系統的制熱量，kW；W為系統運行時的主機輸入功率(包括壓縮機、水泵的耗功)，kW；C0為水的比熱容，4.186 kJ/(kg·K)；T1、T2為供/回水溫度，℃；qm為水的質量流量，kg/s，根據試驗，系統水平橫埋管中水的質量流量qm趨于穩定，其值約為0.94 kg/s。

由圖4可知，系統的制熱量隨太陽輻射強度的變化而變化，而主機的輸入功率相對變化不大。將系統的制熱量和主機輸入功率代入COP的計算公式，得到相應的COP。結果表明，系統的COP隨太陽輻射強度增強而增大，隨太陽輻射強度減弱而減小。根據計算，晴天工況下系統的平均COP為4.05。

2.1.2 供暖效果分析 由圖5可知，在白天地埋管與土壤的持續換熱下，系統對土壤溫度有明顯提升。與對照溫室相比，試驗溫室的土壤溫度日平均提升3.3 ℃，最大提升時間在14：00，提升3.9 ℃。另外，結合圖3可以看出，白天的各個時段，試驗系統的回水溫度在13～18 ℃范圍內波動，而試驗溫室土壤溫度在10～16 ℃范圍內波動，回水溫度高于試驗溫室土壤溫度，說明白天系統運行期間，地埋管與土壤換熱良好，土壤持續吸收地埋管熱量。

由圖6可知，在白天將溫室保溫棉被揭開后，溫室空氣在太陽輻射下不斷升溫。地埋管與土壤換熱對溫室空氣溫度提升較小，試驗溫室與對照溫室空氣溫度相差不大；到了晚上由于儲存在土壤中的熱量會緩慢地釋放到溫室內，試驗溫室比對照溫室中空氣溫度高，試驗溫室中空氣夜晚溫度(17：00至次日08：00)比對照溫室平均高1.4 ℃，說明本研究的系統對溫室空氣的增溫效果明顯。

晴天工況下白天(08：00—17：00)室外環境溫度在4～14 ℃ 之間，夜間(17：00至次日08：00)溫度在5～8 ℃之間，晝夜溫差較大。白天試驗溫室中空氣溫度比環境溫度高5～8 ℃，夜間高3～5 ℃。由于在白天系統運行的同時，溫室也在被動的吸收、儲存太陽能量，所以試驗溫室較室外環境溫度高。溫室溫度能滿足作物生長需求。

2.2 多云工況下試驗

2.2.1 系統性能分析 由圖7可知，太陽輻射強度波動劇烈，隨著系統的運行，系統供/回水溫度一定程度上隨著輻射強度的波動而波動，但由于土壤具有較大的熱容量，供/回水溫度不會出現像太陽輻射強度那樣劇烈的變化，二者達到動態平衡。隨著輻射強度的不斷減弱，供水、回水溫差不斷減小。在16：00以后，太陽輻射強度降至100 W/m2以下，此時的供水、回水溫差僅有0.2 ℃左右，地埋管與土壤基本不換熱。

由圖8可知，系統制熱量的波動受太陽輻射強度的影響較明顯，而其主機輸入功率依然波動不大，因此系統的COP變化受太陽輻射強度影響明顯。16：00以后，太陽輻射強度過低，系統制熱量降到2 kW左右，而此時的主機輸入功率略低于制熱量，系統能效比過低，主機應停止運行。根據計算，多云工況下系統COP平均值為2.50。

2.2.2 供暖效果分析 由圖9可知，在多云工況下，與對照溫室相比，試驗溫室土壤溫度日平均提升2.28 ℃。由圖10可知，在白天試驗溫室與對照溫室中空氣溫度相差不大；夜晚(17：00至次日08：00)試驗溫室比對照溫室中空氣溫度高，平均高1.0 ℃，可見本研究的系統對溫室增溫效果明顯。

在多云工況下，白天(08：00—17：00)室外溫度在6～9 ℃ 之間，夜間(17：00至次日08：00)溫度在5～6 ℃之間，晝夜溫差較大。白天，在系統和被動式溫室太陽能蓄能的共同影響下，試驗溫室內部空氣溫度比環境溫度高2～5 ℃；夜間高3～4 ℃。溫室中空氣溫度明顯提升，有利于作物生長。

3 結論

溫室用太陽能熱泵土壤蓄能系統在晴天和多云天氣工況下運行情況良好。系統的供/回水溫度及性能系數(COP)均受太陽輻射強度影響，輻射增強，供/回水溫度及COP隨之升高，反之則降低。由于土壤具有較大熱容量，系統供/回水溫度波動滯后于太陽輻射強度且較為平緩，二者達到動態平衡；晴天和多云天氣工況下，系統的平均COP分別為4.05、2.50。

系統供暖效果明顯。在晴天工況下，與對照溫室相比，試驗溫室土壤溫度日平均提升3.24 ℃，夜間溫室空氣溫度平均提升1.49 ℃；在多云天氣工況下，與對照溫室相比，試驗溫室土壤溫度日平均提升2.28 ℃，夜間溫室空氣溫度平均提升 1.02 ℃；同時，在太陽能熱泵土壤蓄能系統和被動式溫室太陽能蓄能的共同影響下，溫室內部空氣溫度比室外環境溫度提升大，溫度提升2～8 ℃，在較大程度上提高了作物的生長環境溫度。

根據調研，溫室年供暖平均天數約為120 d，其中陰、雨、雪等惡劣天氣天數占15%。在連續惡劣天氣工況下，太陽能熱泵土壤蓄能系統無法滿足溫室的供暖需求。因此，考慮增加輔助能源來保證系統的全年穩定運行。下一步工作集中在選擇合適的輔助供暖設備來匹配太陽能熱泵土壤蓄能系統，并對結合輔助供暖設備的系統進行全年運行的應用研究。