表冷器-風機集放熱系統(tǒng)對四種園藝設施室內(nèi)氣溫的調(diào)控效果研究

宋衛(wèi)堂 王平智 肖自斌

研究背景

日光溫室是中國進行蔬菜越冬生產(chǎn)的主要園藝設施，其主要特點是在不加溫或少量加溫的條件下保持較高的室內(nèi)氣溫，滿足作物生長需求，具有節(jié)約能源、生產(chǎn)效益好等優(yōu)勢。日光溫室的快速發(fā)展，保障了北方冬季蔬菜供應，改善了人民生活質(zhì)量，對于推動精準扶貧和鄉(xiāng)村振興具有非常重要的意義。2018年，設施園藝信息網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示中國日光溫室面積已達到866萬畝（5.7×105 hm2）[1]。

傳統(tǒng)日光溫室的后墻兼具保溫和蓄熱雙重功能，可在日間儲蓄太陽能，并在夜間向室內(nèi)釋放，是維持室內(nèi)氣溫的重要構(gòu)件[2]。為了儲蓄熱量，傳統(tǒng)日光溫室的后墻需要使用夯土、黏土磚等重質(zhì)材料建造（圖1），使得日光溫室施工質(zhì)量和施工效率較低、建造成本較高，不利于日光溫室的可持續(xù)發(fā)展。另外，我國近年來面臨著城鎮(zhèn)化和老齡化進程的加快，設施蔬菜生產(chǎn)勞動力不足的問題愈加突出，迫切需要實施“機器換人”。但日光溫室室內(nèi)空間狹小，不利于農(nóng)機裝備的高效作業(yè)。因此，傳統(tǒng)的日光溫室必須進行變革以適應新時代設施園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求，更好地為我國國民經(jīng)濟的發(fā)展提供助力。

在上述發(fā)展背景下，日光溫室最近幾年出現(xiàn)兩種發(fā)展趨勢：一種是使用輕質(zhì)保溫后墻替代傳統(tǒng)墻體，該墻體使用聚苯板等保溫板材或砌塊建造[3]，可裝配化施工，具有施工效率高、建造成本低等特點，得到了較多應用。此外，還可以使用柔性保溫材料替代保溫板材[4]或砌塊建造后墻[5]，以進一步提高施工效率。另一種是徹底取消溫室后墻，加大跨度，形成大跨度外保溫塑料大棚[6-7]。這種新型塑料大棚一般南北走向，跨度16～20 m，脊高6 m左右，外側(cè)覆蓋可卷放保溫被，具有較好的保溫性能。與日光溫室相比，大跨度外保溫塑料大棚不僅造價低，而且土地利用率高，還具有較大的室內(nèi)空間，能夠滿足大多數(shù)農(nóng)機裝備的作業(yè)需求。

但上述2種類型的新型園藝設施，與傳統(tǒng)日光溫室相比存在共同的弱點：缺乏蓄熱構(gòu)件，日間蓄熱能力低，致使冬季夜間室內(nèi)氣溫較低，很難滿足室內(nèi)植物的溫度要求，從而限制了上述設施的大面積推廣應用及對設施園藝產(chǎn)業(yè)的推動作用。

針對上述問題，研究團隊研發(fā)了一種日間收集并儲存溫室空氣中的熱能、夜間再釋放出來提升室內(nèi)氣溫的主動集放熱系統(tǒng)——表冷器-風機集放熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過懸掛在室內(nèi)空間高位處的表冷器-風機，以水氣換熱方式，日間收集空氣中的盈余熱量并儲存起來，夜間再將這部分熱量向室內(nèi)釋放以提高室內(nèi)氣溫。表冷器-風機體積小且在緊靠溫室屋脊的下方安裝，不會對室內(nèi)作物的采光產(chǎn)生影響。

為驗證該系統(tǒng)對保溫后墻日光溫室和大跨度外保溫塑料大棚室內(nèi)氣溫的調(diào)節(jié)效果及其應用可行性，團隊于2018年1～3月、2018年12月～2019年3月、2019年12月～2020年2月，在三地4種新型溫室（北京市輕型保溫后墻日光溫室、寧夏回族自治區(qū)銀川市興慶區(qū)南北向大跨度外保溫大棚和柔性保溫后墻日光溫室、內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市寧城縣東西向大跨度外保溫大棚）開展了試驗（圖2），以期為推動上述新型溫室的發(fā)展提供技術(shù)和裝備支撐。

表冷器-風機集放熱

系統(tǒng)組成與工作原理

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)主要包括表冷器-風機、供水管路、回水管路、潛水泵、蓄熱水池、PLC控制系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的氣溫及水溫傳感器等，如圖3所示。日間集熱過程中，由于水溫低于氣溫，表冷器-風機內(nèi)空氣中儲存的熱能通過強制對流換熱方式轉(zhuǎn)移到水中，最終儲存在蓄熱水池中;夜間室內(nèi)氣溫較低時，由于水溫高于氣溫，表冷器-風機內(nèi)水中儲存的熱能通過強制對流換熱方式轉(zhuǎn)移到空氣中，提高室內(nèi)氣溫。如圖4所示，系統(tǒng)的核心換熱部件表冷器-風機，日間集熱時的功能是集熱，夜間放熱時的功能是放熱。

對輕質(zhì)保溫后墻日光溫

室室內(nèi)氣溫的調(diào)控效果

試驗溫室

試驗日光溫室位于北京市通州區(qū)潞城鎮(zhèn)中農(nóng)富通園藝有限公司的通州國際農(nóng)業(yè)科技園內(nèi)（39.8?N，116.7?E）。東西長50 m，南北跨度8 m，脊高3.8 m，后墻高2.6 m，后屋面長1.5 m，后坡仰角45?。溫室后墻、后屋面及兩側(cè)山墻均采用150 mm聚苯乙烯發(fā)泡板裝配而成，泡沫板兩側(cè)涂抹抗裂砂漿，墻體只有保溫功能，沒有蓄熱功能。前屋面覆蓋0.1 mm PVC塑料薄膜。保溫被被芯為針刺氈，無其他加溫設備。沿溫室東西方向中間位置用PC板將測試溫室均分為東、西兩部分，分別作為試驗溫室和對照溫室。

試驗期間溫室內(nèi)栽培番茄，兩間溫室同時定植，采取完全相同的管理措施。8：00～9：00揭開保溫被，16：30左右關(guān)閉保溫被。晴天的10：00左右通過卷膜器打開溫室上通風口進行自然通風，13：00左右關(guān)閉。通風口安裝有防蟲網(wǎng)。試驗現(xiàn)場如圖5所示。

集放熱系統(tǒng)組成及其運行模式

試驗溫室內(nèi)的表冷器-風機集放熱系統(tǒng)，由3臺表冷器-風機、進水管路、回水管路、保溫蓄熱水池、1臺潛水泵、PLC控制系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的氣溫和水溫傳感器組成。表冷器-風機懸掛于屋脊下方、距地面3 m高度處，分別與供水管路和回水管路相連。風機將室內(nèi)空氣由北側(cè)經(jīng)表冷器后吹向前屋面，以利于氣流循環(huán)。蓄熱水池位于溫室內(nèi)，挖建而成，底部及四周粘貼發(fā)泡聚苯板進行保溫，長4.26 m，寬2.40 m，深1.60 m，實際蓄水量為4.6 m3。潛水泵位于蓄熱水池中。

白天（8：00～16：30），當控制系統(tǒng)監(jiān)測到溫室氣溫高于22℃且高于水溫5℃時，啟動風機和潛水泵，潛水泵將蓄熱水池中的水媒以一定壓力和流量泵入表冷器，水與空氣在表冷器中通過強制對流的方式進行熱交換，吸收空氣中的熱能后回流至蓄熱水池中。水媒在系統(tǒng)中不斷循環(huán)，溫度逐漸升高，便將日光溫室內(nèi)空氣中的盈余熱能收集并儲存起來。當溫室氣溫低于22℃，或氣溫與水溫的差值<5℃時，控制系統(tǒng)停止風機和潛水泵的運行，集熱過程停止。

夜間（16：30～次日8：00），當控制系統(tǒng)監(jiān)測到溫室氣溫低于13℃且低于水溫2℃時，啟動風機和潛水泵，水媒與空氣在表冷器中發(fā)生強制對流換熱，釋放熱能，進行夜間的加溫。當溫室氣溫高于14℃，或者水溫與氣溫的差值<2℃時，系統(tǒng)停止運行，放熱過程停止。

結(jié)果與分析

◆表冷器-風機集放熱系統(tǒng)對室內(nèi)氣溫的調(diào)節(jié)

以2018年3月2～5日（晴天和陰天）試驗溫室和對照溫室中的氣溫數(shù)據(jù)為例，進行分析。

2018年3月2日和5日是晴朗天氣。從圖6a可以看出，從8：00揭開保溫被后，溫室氣溫逐漸上升，9：20溫室氣溫22.3℃，表冷器-風機集放熱系統(tǒng)開始運行，試驗溫室與對照溫室之間逐漸產(chǎn)生溫差，10：00后同時打開兩個溫室的上通風口，氣溫下降。集熱期間，試驗溫室的氣溫始終低于對照溫室，試驗溫室最高氣溫為32.1℃，對照溫室最高氣溫為37.7℃，溫差在（5.8±2.3）℃。3月5日也是晴天，如圖6d所示，同樣從8：00揭開保溫被后溫室氣溫逐漸上升，9：30時溫室氣溫22.7℃，表冷器-風機集放熱系統(tǒng)開始運行，10：30同時開啟兩溫室的上通風口。集熱期間試驗溫室的氣溫始終低于對照，試驗溫室最高氣溫為29.0℃，對照溫室最高氣溫為34.8℃，溫差在（5.1±1.2）℃?？梢?，表冷器-風機集放熱系統(tǒng)可以有效降低集熱期內(nèi)日光溫室的氣溫。

3月3日是陰天，如圖6b所示，日間未集熱，對照與試驗溫室的溫度基本一致。3月4日也是陰天，如圖6c所示，日間系統(tǒng)運行了1.5 h，試驗溫室比對照溫室氣溫降低（2.6±1.8）℃。由此可見，即使是陰天天氣下，只要溫室內(nèi)的氣溫滿足集熱條件，系統(tǒng)同樣能夠收集空氣中的盈余熱量。

夜間，表冷器-風機集放熱系統(tǒng)為試驗溫室放熱，如圖6a、圖6b所示。3月2日晚，試驗溫室的最低氣溫為13.2℃，對照溫室的最低氣溫為11.3℃，最低氣溫提升了1.9℃;在經(jīng)歷3月3～4日的連續(xù)陰天后，3月4日晚試驗溫室的最低氣溫為10.0℃，對照溫室最低氣溫為7.1℃，最低氣溫提升了2.9℃?？梢?，表冷器-風機集放熱系統(tǒng)的夜間加溫效果明顯，即使是連續(xù)兩個陰天也能為溫室提供熱能，維持室內(nèi)氣溫在10℃，具有一定抵抗連陰天的能力。

◆表冷器-風機集放熱系統(tǒng)的集放熱性能與節(jié)能效果

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)中的水媒溫度變化如圖7所示。

晴朗天氣下，系統(tǒng)集熱時長約5 h，水溫升高5.8～9.0℃，日集熱量112.1～154.6 MJ，集熱流量5.7～8.3 kW，集熱COPc 3.4～4.9。陰天條件下，也能夠收集一些熱量。晴天的集熱流量和集熱COPc表明，表冷器-風機的單位時間換熱量大，集熱優(yōu)勢明顯;系統(tǒng)在集熱階段的節(jié)能率較高。

系統(tǒng)放熱階段的水溫下降3.5～7.9℃，日放熱量44.4～189.1 MJ，放熱流量1.5～5.4 kW，放熱COPr

為0.9～3.2。白天所收集、儲存在水媒中的熱量，一部分用于放熱，另一部分則由于蓄熱水池保溫性能不佳而損失。該試驗系統(tǒng)的放熱性能不及集熱性能，說明其放熱性能還有提升潛力。

系統(tǒng)運行過程中每小時耗電2.45 kW·h，日耗電量在15～48 kW·h。由于該系統(tǒng)是首次應用于溫室測試，未對表冷器-風機、潛水泵等設備進行選型，表冷器-風機的臺數(shù)、蓄水池水量等參數(shù)也未進行優(yōu)化，蓄水池保溫性能不佳，致使設備的功率儲備過大，“大馬拉小車”，造成無效功耗過大。

試驗過程中還發(fā)現(xiàn)，表冷器-風機集放熱系統(tǒng)的集放熱效果與蓄水池的水量存在密切關(guān)系。水量較大時，水溫較低，有利于在日間形成較大的水、氣溫差，系統(tǒng)集熱量大，集熱效率高。但在夜間則會導致水、氣溫差較低，不利于放熱。反之，水量較少時不利于日間集熱，且集熱量有限，但夜間放熱卻較快，難以滿足溫室長時間的加溫需求。通過合理設計蓄水池的水量，將有助于獲得較好的集熱COPc和放熱COPr。

傳統(tǒng)日光溫室晴天夜間單位面積墻體放熱量為1.06～1.9 MJ，平均放熱強度為24.4 W;陰天夜間單位面積墻體放熱量為0.35～0.76 MJ/m2，平均放熱強度為8.13 W/m2 [8-9]。該表冷器-風機集放熱系統(tǒng)，晴天夜放熱量為1.1 MJ/m2，平均放熱強度為28.9 W/m2;陰天夜間單位后墻面積放熱量為0.4 MJ，平均放熱強度為10.7 W。由此可見，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)溫室后墻相比，放熱性能相近，但通過優(yōu)化后該系統(tǒng)仍有性能提升潛力，而且該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對溫室白天降溫、夜間升溫的主動調(diào)控，提高了對溫室熱環(huán)境的調(diào)控能力，這些特點是傳統(tǒng)日光溫室所不具備的。

小結(jié)

在輕質(zhì)保溫后墻日光溫室內(nèi)，表冷器-風機集放熱系統(tǒng)白天集熱時能夠降低溫室氣溫3.5～8.1℃;夜間放熱時平均提升溫室氣溫2.6℃，在連續(xù)兩個陰天時也能夠維持室內(nèi)外溫差16.9℃。因此，該系統(tǒng)白天可降低室內(nèi)氣溫，夜間可提升溫室最低氣溫，并具有抵抗連陰天的能力，能夠提升溫室氣溫的可控性，可實現(xiàn)精準放熱，彌補了傳統(tǒng)日光溫室主動調(diào)控溫室氣溫能力差的弱項。

冬季晴朗天氣下運行該系統(tǒng)集熱，日光溫室內(nèi)的氣溫依然在30℃以上，說明還有大量的空氣余熱可供回收利用，需要進一步優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，使得該集放熱系統(tǒng)能夠收集更多的熱量、集放熱性能更佳。

對柔性保溫后墻日光溫

室室內(nèi)氣溫的調(diào)控效果

試驗溫室

試驗日光溫室位于寧夏銀川市興慶區(qū)綠星博大種業(yè)（38.48 ?N，106.28 ?E）。溫室東西長160 m，南北跨度9 m，脊高6 m。溫室后墻、后屋面以及兩側(cè)山墻均采用柔性材料包裹，只具有保溫功能，無蓄熱功能。蓄熱水池實際蓄水量為60 m3，位于溫室東側(cè)地下，底部及四周做隔熱處理。溫室內(nèi)無其他加溫設備。對照溫室的結(jié)構(gòu)、材料和建造時間均與試驗溫室相同。兩棟溫室在南北方向間距為20 m，均種植結(jié)果期的番茄。9：00左右揭開保溫被，17：00左右關(guān)閉保溫被;氣溫過高時開啟上風口，未安裝防蟲網(wǎng)。

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)的組成及其運行模式

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)由表冷器-風機、供水管路、回水管路、水泵、蓄熱水池、控制系統(tǒng)等組成。整棟溫室共有24臺表冷器-風機，懸掛安裝于屋脊下方，離地高度約5 m。蓄熱水池位于日光溫室東側(cè)地下，蓄水量60 m3。潛水泵位于水池內(nèi)。

白天（9：00～17：00），當室內(nèi)氣溫≥23℃且水溫低于室內(nèi)氣溫3℃以上時，控制系統(tǒng)開啟集放熱系統(tǒng)進行集熱;當室內(nèi)氣溫<23℃，或者水溫高于室內(nèi)氣溫不到3℃時，系統(tǒng)停止集熱。

夜間（17：00～次日9：00），當室內(nèi)氣溫低于10 ℃且水溫高于氣溫3℃時，系統(tǒng)啟動進行放熱;當室內(nèi)氣溫高于12℃，或者水氣溫差<3℃時，放熱停止。

結(jié)果與分析

選取2020年1月8日（晴天）和2020年1月9日（陰天）的測試數(shù)據(jù)進行分析，如圖9所示。

從圖中可以看出，8日晴天時，從9：00揭開保溫被后，太陽輻射增大，室內(nèi)氣溫逐漸上升，氣溫曲線基本重合。表冷器-風機集放熱系統(tǒng)于11：05開始集熱，試驗溫室的氣溫逐漸低于對照，最大溫差達到5.4℃，說明該系統(tǒng)在白天集熱的同時還有較強的降溫能力。12：15打開風口后，兩棟溫室的氣溫都迅速下降，氣溫曲線再次重合。在關(guān)閉保溫被后，溫室氣溫開始下降，0：00～1：45期間只放熱20 min。2：05系統(tǒng)再次運行時，試驗溫室氣溫已經(jīng)高于對照2.5℃。7：55兩溫室出現(xiàn)最大溫差，為4.6℃。至次日9：00揭開保溫被時，試驗溫室氣溫為11.5℃，對照溫室氣溫為7.1℃。平均提升了溫室氣溫4.0℃，且放熱期間試驗溫室氣溫不低于9.1℃?？梢钥闯?，本集放熱系統(tǒng)在白天集熱量充足的情況下，可以滿足夜間的加溫需求，具有較強的加溫能力。

由圖9還可以看出，9日陰天條件下，由于白天氣溫較低，本系統(tǒng)未進行集熱，對照和試驗溫室的氣溫基本重合。19：55系統(tǒng)開始放熱，試驗溫室氣溫為10.5℃，對照溫室氣溫為9.0℃。至2020年1月10日9：00仍在放熱，此時試驗溫室氣溫為9.7℃，對照溫室氣溫為5.2℃，放熱期間平均提升了室內(nèi)氣溫3.8℃。說明表冷器-風機集放熱系統(tǒng)，能夠連續(xù)兩天為溫室加溫，使得室內(nèi)夜間維持適宜的氣溫，具有一定抵抗連陰天低溫的能力。

試驗溫室和對照溫室的土壤溫度變化如圖10所示。深度20 cm的土壤溫度波峰和波谷晚于氣溫。晴朗天氣由于太陽輻射強，在12：35土溫開始上升;而陰天則是由室內(nèi)空氣向土壤傳熱，氣溫較低對土壤的傳熱也較慢，在16：30土溫才開始上升。

試驗溫室深度20 cm的土壤溫度始終高于對照溫室，最大溫差1.0℃。這是由于表冷器-風機集放熱系統(tǒng)在夜間放熱運行時，提升了溫室氣溫，減少了溫室土壤向空氣釋放的熱量，經(jīng)過一段時間后，試驗溫室土壤中累積的熱量高于對照溫室，使得土壤溫度逐漸升高。這對于冬季作物的生長是有利的，同時也為冬春茬作物的提前定植提供了可能。

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)中的水媒溫度變化如圖11所示。晴朗天氣下，系統(tǒng)在白天集熱，夜間放熱，水溫先升高后降低。如1月8日11：05系統(tǒng)開始集熱，熱量逐漸收集到水中，水溫以0.72℃/h的速度逐漸上升最終穩(wěn)定在17℃。夜間放熱時，水溫以0.21℃/h的速度下降，最終降至12.5℃。陰天時，系統(tǒng)在白天通常不集熱，夜間仍需放熱，水溫在白天基本不升高，但是夜間會降低。如1月9日，白天沒有集熱，夜間19：55開始放熱，水溫逐漸降低。由于蓄水池面積比較大、蓄水量較多，水池中水溫的均勻性較差，水溫穩(wěn)定需要較長時間，所以，15：05～19：55水溫存在波動。

晴朗天氣下，系統(tǒng)可集熱5 h，水溫升高4℃，日集熱量1008 MJ，集熱流量56.9 kW，集熱COPc 為5.7?？梢姡砝淦?風機集放熱系統(tǒng)在晴朗天氣下的集熱量非?？捎^，集熱效果非常好。陰天條件下，只能收集少量熱量或不能收集熱量。

系統(tǒng)的放熱時長9～14 h，水溫下降3.5～7.9℃，日放熱量504 MJ，放熱流量10.7～15.6 kW，放熱COPr為1.3～1.8。8日和9日放熱量相同，但8日的水溫更高，放熱時間短，因此系統(tǒng)的放熱性能表現(xiàn)更好。

本試驗白天室內(nèi)氣溫要求25～28℃，集熱時水溫上升了4℃，最高水溫只有17℃，水溫未達到集熱設計的上限，說明水池的蓄熱量大于集熱量，同時集熱量足夠放熱。因此，實際蓄水量偏大。未來，可適當減小蓄水量，能夠提升水溫，提升系統(tǒng)的放熱性能。

小結(jié)

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)應用于寧夏銀川地區(qū)的柔性墻體日光溫室中，放熱期間溫室氣溫基本維持在10℃左右，能夠維持設定的溫度不再降低;冬季最冷月仍能提升溫室的最低氣溫4℃;連續(xù)兩天放熱的情況下，仍能夠提升溫室氣溫3.8℃。因此，本系統(tǒng)不僅提高了氣溫的可控性和溫室氣溫，還有利于改善溫室的其他環(huán)境，如土壤溫度。本集放熱系統(tǒng)夜間的放熱，減少了土壤向室內(nèi)的散熱，熱量被留存在土壤中，提升了作物的根區(qū)溫度，也有利于冬春茬作物的提前定植。

試驗過程中還發(fā)現(xiàn)，寧夏地區(qū)光熱資源豐富，日光溫室接收到的太陽輻射較多，氣溫升高快。本系統(tǒng)集熱運行的時間與打開通風口的時間相近，由于室外氣溫較低，上通風口與表冷器-風機懸掛的位置又很近，打開通風口后會直接導致系統(tǒng)停止運行或集熱性能下降。因此，傳統(tǒng)的日光溫室管理方法不適用于安裝本表冷器-風機集放熱系統(tǒng)的日光溫室，需要改變打開風口進行通風散濕的傳統(tǒng)管理方法，比如采用溫室密閉運行的方式，既可滿足作物生長，又能使表冷器-風機集放熱系統(tǒng)高效運行。

對南北向“大跨度外保

溫塑料大棚”室內(nèi)氣溫

的調(diào)控效果

試驗大棚

試驗塑料大棚位于寧夏銀川市興慶區(qū)（38.4?N，106.4?E）。南北走向，南北長80 m，東西寬16 m，屋脊高6.2 m（圖12、圖13）。室內(nèi)每隔4 m設置一根鋼管柱，以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。大棚南北山墻由200 mm聚苯乙烯板建造。屋面覆蓋聚乙烯薄膜和保溫被。保溫被被芯材為噴膠棉，傳熱系數(shù)為0.9 W/（m2·K）。

測試期間試驗塑料大棚栽培番茄，采用滴灌進行灌溉。為維持較高的室內(nèi)氣溫，塑料大棚東側(cè)保溫被一般在9：30～10：00開啟，12：00閉合;西側(cè)屋面保溫被則在12：00開啟，16：00～16：30閉合。選擇典型晴天2019年1月22日9：30～23日9：30的試驗數(shù)據(jù)進行分析。

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)的組成及其運行模式

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)由表冷器-風機、供回水管路、水泵、保溫蓄熱水池、PLC 控制系統(tǒng)等組成。表冷器-風機安裝于屋脊下方，共9臺，間隔

6 m布置。每臺表冷器-風機中有2個180 W的軸流風機。為使室內(nèi)空氣分布均勻，交錯布置表冷器出風口（圖14）。蓄熱水池位于塑料大棚中部，蓄水量22.8 m3。循環(huán)水泵為潛水泵，位于蓄熱水池內(nèi)，功率900 W，流量12.4 m3/h。

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)的工作模式為：當室內(nèi)氣溫≥17℃且水溫低于室內(nèi)氣溫4℃時，控制系統(tǒng)開啟集放熱系統(tǒng)進行集熱。當室內(nèi)氣溫<17℃，或者水溫低于室內(nèi)氣溫不到4℃時，系統(tǒng)停止集熱。夜間，當室內(nèi)氣溫低于10℃且水溫高于氣溫2℃時，系統(tǒng)啟動進行放熱。當室內(nèi)氣溫高于13℃或者水氣溫差<2℃時，放熱停止。

考慮到陰天時室內(nèi)氣溫較低，系統(tǒng)無法進行集熱，在室外安裝了一臺空氣源熱泵，用于陰天系統(tǒng)無法啟動時對蓄水池進行熱量補充。

結(jié)果與分析

如圖15所示，測試期間，室外太陽輻射最高可達536 W/m2，但室內(nèi)輻射較低，最高182 W/m2。整個日間，室內(nèi)太陽輻照度僅為室外太陽輻照度的38±13%。該結(jié)果表明，南北走向大跨度外保溫大棚透光率較低，不利于室內(nèi)氣溫的快速升高。測試期間室外氣溫在-7.8～8.5℃之間變化，最低溫出現(xiàn)在23日的8：30。

如圖16所示，日間室內(nèi)氣溫先升高后降低，在11：00達到17℃，此時水溫12.3℃，較室內(nèi)氣溫低4.7℃，表冷器-風機集放熱系統(tǒng)啟動，開始集熱。隨后室內(nèi)氣溫繼續(xù)升高，在14：00達到22.2℃。然后開始下降，在14：50跌至20℃。此時，水池溫度為16.1℃，較室內(nèi)氣溫低3.9℃，系統(tǒng)停止運行，集熱過程結(jié)束。

如圖17所示，夜間室內(nèi)氣溫持續(xù)下降，在2：30跌至10℃。此時表冷器-風機集放熱系統(tǒng)開始向室內(nèi)放熱，直到次日保溫被開啟。室內(nèi)氣溫小幅提升，在4：20達到12.3℃，然后又緩慢下降。9：00，室內(nèi)氣溫為11.5℃。夜間平均室內(nèi)外溫差為16.9℃，最大值出現(xiàn)在8：30，達到19.5℃。根據(jù)模擬，在本系統(tǒng)加溫作用下，室內(nèi)最低氣溫平均提升了2.2℃。

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)日間集熱3.8 h，水溫上升了4.4℃，集熱量425 MJ，集熱COPc 為7.1。系統(tǒng)夜間放熱6.3 h，水溫下降了3.3℃，考慮到蓄水池自身散熱的影響，系統(tǒng)夜間向室內(nèi)釋放熱量299.5 MJ，放熱COPr為3.04。

另外，如前所述，測試塑料大棚的南北走向不利于采光，室內(nèi)氣溫較低，不利于系統(tǒng)集放熱性能的充分發(fā)揮。根據(jù)模擬，如果集熱期間室內(nèi)氣溫能達到25℃，則日間集熱量和夜間散熱量可分別提高68%和85%，室內(nèi)氣溫有望得到較大幅度的提升。因此，該系統(tǒng)具有較好的集放熱能力，具有較大的應用潛力。

小結(jié)

在南北向大跨度外保溫塑料大棚中，室內(nèi)太陽輻射弱，該溫室的白天氣溫不超過25℃。系統(tǒng)的集熱時長為3.8 h，集熱量425 MJ，集熱COPc為7.1;系統(tǒng)的放熱時長為6.3 h，系統(tǒng)的放熱量為299.5 MJ，放熱COPr為3.04。維持夜間氣溫不低于11.5℃，室內(nèi)外最大溫差16.9℃。此外，系統(tǒng)的運行參數(shù)和運行條件對集放熱性能的影響很大，研究其運行參數(shù)和運行條件能夠使系統(tǒng)更節(jié)能、應用效果更佳。

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)具有很強的適應性，可以聯(lián)合其他加溫設備或系統(tǒng)共同使用，加強抵抗連陰天低溫的能力。

對東西向“大跨度外保

溫塑料大棚”室內(nèi)氣溫

的調(diào)控效果

如上所述，雖然南北走向的塑料大棚有助于提高土地利用效率，但其透光率較低，日間室內(nèi)氣溫不高，不利于表冷器-風機集放熱系統(tǒng)的運行。若塑料大棚采用東西走向，則其透光率可得到明顯提升，有助于突破冬季低溫弱光對作物生長的限制，取得較好的栽培效益。此外，在前期研究中也發(fā)現(xiàn)，該集放熱系統(tǒng)在日間運行過程中具有良好的降溫效果，使得溫室封閉運行成為可能，這對于減少外界病蟲害侵入、開展CO2施肥非常有利。

為此，本團隊在前述研究的基礎上，又開展了表冷器-風機集放熱系統(tǒng)在東西走向大跨度外保溫塑料大棚中調(diào)控氣溫的試驗，進一步考察、分析利用該系統(tǒng)實現(xiàn)大棚密閉運行的可行性。

試驗大棚

試驗塑料大棚位于內(nèi)蒙古自治區(qū)寧城縣大城子鎮(zhèn)（118.9?E，41.7?N），東西走向，東西長144 m，南北寬16 m，南北非對稱，其中南側(cè)寬8 m，過道寬2 m，北側(cè)寬6 m，屋脊高4.5 m（如圖18、圖19）。室內(nèi)過道兩側(cè)每隔2.6 m設置一根鋼管柱，以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。大棚東西山墻由磚墻建造。屋面覆蓋草墊和保溫被，北側(cè)屋面保溫被冬季不揭開。試驗時采用塑料薄膜將大棚從中間一分為二，西側(cè)為試驗區(qū)，東側(cè)為對照區(qū)。

試驗于2019年12月～2020年2月進行。試驗期間塑料大棚栽培番茄，滴灌灌溉。塑料大棚南側(cè)屋面保溫被一般在9：00～10：00揭開，16：00～16：30關(guān)閉;北側(cè)保溫被閉合不揭開。選擇典型晴天2019年12月31日8：00～2020年1月1日8：00、2020年1月31日10：55～12：40的測試數(shù)據(jù)進行分析。

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)的組成及其運行模式

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)由表冷器-風機、供回水管路、水泵、蓄熱水池、控制系統(tǒng)等組成。表冷器-風機懸掛安裝于屋脊下方，共15臺表冷器-風機，間距約為4 m。每臺表冷器-風機包含2個200 W的風機。蓄熱水池位于塑料大棚西側(cè)，水量為25.84 m3。潛水泵位于水池內(nèi)，實際流量為13.2 m3/h。

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)的運行模式如下：日間，當室內(nèi)氣溫達到25℃且水溫低于室內(nèi)氣溫5℃時，系統(tǒng)啟動進行集熱;當室內(nèi)氣溫低于25℃，或者水溫低于室內(nèi)氣溫不到5℃時，系統(tǒng)停止運行，集熱過程停止。夜間，當室內(nèi)氣溫低于10℃且水溫高于溫室氣溫3℃時，系統(tǒng)啟動，進行放熱;當室內(nèi)氣溫高于13℃，或者水溫高于溫室氣溫不到3℃時，系統(tǒng)停止運行，放熱過程停止。

結(jié)果與分析

風口打開條件下，表冷器-風機集放熱系統(tǒng)對室內(nèi)氣溫的調(diào)控效果

如圖21所示，2019年12月31日8：00～2020年1月1日8：00期間，室外太陽輻射最高可達389 W/m2，保溫被開啟時間段室外平均太陽輻射為273.1 W/m2;室內(nèi)太陽輻射最高為324 W/m2，保溫被開啟時間段室內(nèi)平均太陽輻射為215.8 W/m2，為室外太陽輻照度的79%。室外氣溫在-20～-1℃之間變化，在2020年1月1日5：30出現(xiàn)最低溫-20℃。

如圖22所示，日間保溫被開啟，試驗區(qū)與對照區(qū)室內(nèi)氣溫均升高，11：00達到25℃，上風口開啟（試驗區(qū)開口約為2 cm、對照區(qū)開口約為10 cm）。此時水池水溫為11.8℃，較試驗區(qū)室內(nèi)氣溫低13.2℃，表冷器-風機集放熱系統(tǒng)啟動，開始集熱。隨后試驗區(qū)室內(nèi)氣溫繼續(xù)上升，在12：40達到30.7℃，然后開始下降，15：00至25℃，集熱過程結(jié)束，此時水溫為18.3℃。

由于對照區(qū)風口開得較大，11：00后室內(nèi)氣溫下降明顯，11：40下降至23.7℃后開始回升，至12：10達到29.8℃，開始超過試驗區(qū)，直至保溫被關(guān)閉。雖然試驗區(qū)的風口開啟較小，但其氣溫仍明顯低于對照區(qū)，說明表冷器-風機集放熱系統(tǒng)的降溫效果顯著。

如圖23所示，保溫被關(guān)閉后，室內(nèi)氣溫持續(xù)下降，試驗區(qū)氣溫在2：30跌至9.3℃，低于對照區(qū)0.6℃。此時表冷器-風機集放熱系統(tǒng)啟動，向室內(nèi)放熱。試驗區(qū)氣溫開始上升，在3：30達到11.8℃，然后緩慢下降，直到1月1日7：30放熱停止。1日8：00試驗區(qū)室內(nèi)氣溫為11.1℃，高于對照區(qū)2.5℃;夜間平均室內(nèi)外溫差為26.4℃，最大達到30.6℃。

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)日間集熱4 h，水溫上升6.43℃，集熱量693.5 MJ，耗電量19.74 kW·h，集熱COPc為9.7。夜間放熱5 h，水溫下降4.52℃，向室內(nèi)釋放熱量487.5 MJ，耗電量26.48 kW·h，放熱COPr為5.1。

另外，如前所述，在集熱期間大棚的頂風口處于開啟狀態(tài)，棚內(nèi)上部表冷器-風機周圍的空氣溫度較低，不利于集熱。若不開風口，表冷器-風機周圍的空氣溫度將會提高，則有利于提升系統(tǒng)的集熱性能。

◆密閉條件下，表冷器-風機集放熱系統(tǒng)對室內(nèi)氣溫的調(diào)控效果

2020年1月31日8：00～16：40期間大棚采取密閉運行模式進行集熱。如圖24所示，測試期間，室外太陽輻射最高可達482 W/m2，保溫被開啟時間段室外平均太陽輻射為314 W/m2;室內(nèi)太陽輻射最高為414 W/m2，室內(nèi)平均太陽輻射為281.5 W/m2，室內(nèi)太陽輻照度僅為室外太陽輻照度的69.6%。室外氣溫在-13.3～5.3℃范圍內(nèi)變化，最低溫出現(xiàn)在2020年1月31日的8：00。

如圖25所示，日間保溫被開啟，室內(nèi)氣溫升高，10：55試驗區(qū)氣溫達到27.4℃。此時水溫為13.1℃，較試驗區(qū)室內(nèi)氣溫低14.3℃，表冷器-風機集放熱系統(tǒng)啟動，開始集熱。

10：55～11：20，試驗區(qū)氣溫在27.5～28.5℃波動，風口保持關(guān)閉，水溫從13.1℃上升到13.8℃;對照區(qū)氣溫逐漸升高，11：20達到31.5℃，為了不對番茄造成高溫傷害，開啟了對照區(qū)風口。11：20～12：40，試驗區(qū)氣溫仍在27.5～28.5℃范圍內(nèi)波動，風口仍保持關(guān)閉;對照區(qū)風口開啟（風口寬度15 cm），氣溫穩(wěn)定在30℃左右。

12：40集熱過程結(jié)束后，試驗區(qū)氣溫快速上升到31.6℃，隨后開啟頂風口，氣溫逐漸下降。

系統(tǒng)集熱期間，試驗區(qū)氣溫穩(wěn)定在27.5～28.5℃，對照區(qū)開風口前后一直高于試驗區(qū)。由此可以說明，表冷器-風機集放熱系統(tǒng)具有很好的降溫、控溫作用。

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)日間集熱105 min，水溫上升了4.35℃，集熱量472.1 MJ，集熱COPc可達14.4，與開啟風口進行集熱時相比，COPc提高了47.8%。

如圖26所示，10：55～11：20試驗區(qū)與對照區(qū)均保持密閉，試驗區(qū)相對濕度持續(xù)下降，從65.7%下降到60.8%，與對照區(qū)的濕度差距逐步拉大，說明表冷器-風機集放熱系統(tǒng)具有一定的除濕效果。

小結(jié)

東西走向大跨度外保溫塑料大棚中，在風口開啟條件下，系統(tǒng)的集熱量為693.5 MJ，集熱COPc為9.7;夜間可提高室內(nèi)氣溫2.5℃，放熱量為487.5 MJ，放熱COPr為5.1。在大棚密閉條件下，系統(tǒng)的集熱COPc達到14.4，較非密閉提高了47.8%。該系統(tǒng)在大棚密閉運行時，能夠維持室內(nèi)氣溫在27.4～28.4℃，無需開風口散熱;同時，還能夠調(diào)控室內(nèi)濕度，運行時室內(nèi)濕度有所下降。因此，該系統(tǒng)能夠滿足大跨度外保溫塑料大棚密閉運行時對溫度、濕度的控制需求。

上述結(jié)果表明，本團隊所開發(fā)的表冷器-風機集放熱系統(tǒng)，可以在東西向大跨度外保溫大棚中應用，在收集空氣中盈余熱量的同時，還能夠有效抑制室內(nèi)的高溫，降低相對濕度。溫度的有效管控是實現(xiàn)溫室密閉運行的基石，而要實現(xiàn)對溫室空氣環(huán)境的全面管控，還需要進行空氣滅菌、CO2氣肥施用等多方面的調(diào)控。

結(jié)論

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)是一種新型的主動集放熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用表冷器-風機作為白天的集熱器和夜間的放熱器，收集和利用溫室內(nèi)產(chǎn)生的空氣盈余熱量，實現(xiàn)對溫室氣溫的調(diào)控。該系統(tǒng)具有不占用栽培空間、不遮擋太陽輻射、不受溫室類型限制、能充分利用溫室空間、直接調(diào)控室內(nèi)氣溫等優(yōu)勢。

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)具有明顯的日間降溫、減少通風的效果。在輕質(zhì)保溫墻體日光溫室中，日間平均降低5.8℃;在東西向大跨度外保溫塑料大棚中，延遲開風口通風時間80 min;在其他溫室中也有不同程度的降溫效果。

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)具有夜間提升溫室氣溫的效果。在后墻無蓄熱能力的日光溫室中，可提升夜間最低氣溫2.6～4.0℃;在大跨度外保溫塑料大棚中，可提升夜間最低氣溫2.2～4.5℃。在最冷月，運行該系統(tǒng)能夠維持室內(nèi)溫度在10℃以上，最大室內(nèi)外溫差能夠達到21℃以上。

集熱、放熱性能好。系統(tǒng)最大日集熱量達到1008 MJ，集熱COPc可達3.4～14.4，說明該系統(tǒng)日間能夠收集到足夠的熱量，集熱過程中的節(jié)能性好;放熱量為44.4～504 MJ，放熱COPr可達1.3～5.1，說明系統(tǒng)的放熱量充足，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)和運行條件后，還能進一步提升系統(tǒng)的放熱性能。

提升溫室土壤的熱環(huán)境。表冷器-風機集放熱系統(tǒng)能夠明顯提升土壤溫度。系統(tǒng)的夜間放熱提升了溫室氣溫，減少了土壤向空氣釋放的熱量，使得熱量留存在土壤中，提升了作物的根區(qū)溫度，也有利于冬春茬作物提前定植。

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)還具有調(diào)控濕度、擾動室內(nèi)空氣等作用。日間集熱過程中，能夠?qū)厥铱諝庵械乃Y(jié)，降低室內(nèi)絕對濕度，改善室內(nèi)的高濕環(huán)境，并且凝結(jié)的水汽能夠再次用于蓄熱;夜間溫室的氣溫提升，降低了溫室的相對濕度。濕度的調(diào)控對病害的防控至關(guān)重要。表冷器-風機運行過程中，風機吹向前屋面，氣流會在室內(nèi)形成循環(huán)，均勻室內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度等空氣環(huán)境。由此可見，該系統(tǒng)還具有調(diào)節(jié)溫室內(nèi)濕度、氣流和CO2均勻性等多種功能，具有實現(xiàn)溫室密閉運行、全面調(diào)控溫室空氣環(huán)境的潛力。

綜上所述，表冷器-風機集放熱系統(tǒng)是一種節(jié)能型的溫室主動式集放熱新技術(shù)、新裝備，具有較好的日間降溫和夜間加溫效果、集放熱性能及除濕效果，提高了對溫室空氣溫度、濕度的可控程度，可以應用于各種類型的溫室，對于加快大跨度大棚、裝配式日光溫室等新型棚室的發(fā)展和推廣，具有重要意義。未來，通過優(yōu)化表冷器-風機集放熱系統(tǒng)的設計參數(shù)和運行參數(shù)，進一步提升集放熱性能，并對除濕、殺菌、補充CO2氣肥等功能進行深入研究，有助于實現(xiàn)溫室的全時密閉運行，從而大幅度提升溫室空氣環(huán)境的綜合調(diào)控水平。

致謝

本研究在溫室現(xiàn)場中的測試和試驗工作，得到了以下單位的大力支持和協(xié)助，在此一并表示感謝：國家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系銀川綜合實驗站和赤峰綜合實驗站、北京國際都市農(nóng)業(yè)科技園、寧夏回族自治區(qū)園藝技術(shù)推廣站、銀川市興慶區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心、寧夏旭日陽光生態(tài)果蔬種植養(yǎng)殖專業(yè)合作社、銀川綠星博大種業(yè)有限公司、赤峰益康農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社。

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