表冷器-風機集放熱系統的設計與應用效果

宋衛堂，李涵，王平智，王秀芝，邵岐祥，何雪穎，李明，程杰宇，孟令強

與日光溫室相比，大跨度外保溫塑料大棚不僅造價低，土地利用率高，還具有較大的室內空間，能滿足大多數農機裝備的作業要求。但該類設施與傳統日光溫室相比，缺乏蓄熱構件，冬季室內夜間氣溫會比較低，很難滿足喜溫蔬菜作物的溫度要求，在我國西北、華北、東北的大部分地區應用需要進行額外輔助加溫。而傳統的、以吸收太陽輻射熱能為主的主動集放熱系統，由于集放熱原理與裝置結構的限制，并不適合在大跨度外保溫塑料大棚中使用。

為了解決外保溫塑料大棚缺乏蓄熱體的難題，研發了表冷器-風機主動集放熱系統。它是通過懸掛在室內的表冷器-風機，在日間收集并儲存空氣中盈余的熱量，夜間再將熱量釋放到室內提高溫度，以滿足喜溫蔬菜作物的溫度要求，實現熱量在時間和空間上的轉移、使用。

系統模型

系統組成

如圖1所示，表冷器-風機主動集放熱系統主要包括表冷器-風機、供水管路、回水管路、蓄熱水池、閘閥、潛水泵等6部分。作為集熱和放熱裝置的表冷器-風機，進水端與供水管相連，回水端與回水管相連。蓄熱水池中的水通過潛水泵、閘閥進入供水管路，在表冷器-風機中進行水-氣熱交換后，再通過回水管路返回蓄熱水池中。

系統運行原理

表冷器-風機主動集放熱系統是通過表冷器-風機，以水-氣換熱的方式，日間收集空氣中盈余的熱量并儲存在蓄熱水池中，夜間再將這部分熱量從蓄熱水池中釋放到空氣中以提高溫室內的氣溫。系統的工作過程，主要包括集熱和放熱兩個過程。

◆集熱過程 如圖2a所示，日間，當室內氣溫達到作物適宜生長溫度后，啟動系統，蓄熱水池中溫度較低的水通過供水管路進入表冷器-風機，與在風機作用下從進風口進入的、溫度較高的空氣進行熱交換，溫度降低后的空氣從出風口排出，溫度升高后的水通過回水管路流回蓄熱水池，實現收集空氣中盈余熱量的目的。通過潛水泵的不斷循環，持續進行熱量的收集，直至達到系統停止運行的條件。

◆放熱過程 如圖2b所示，夜間，當室內氣溫低于一定值后，啟動系統，蓄熱水池中溫度相對較高的水通過供水管路進入表冷器-風機，與在風機作用下從進風口進入的、溫度較低的空氣進行熱交換，溫度升高后的空氣從出風口排出，溫度降低后的水通過回水管路流回蓄熱水池，實現放熱提高空氣溫度的目的。通過潛水泵的不斷循環，持續進行熱量的釋放，直至達到系統停止運行的條件。

表冷器-風機主動集放熱系統

的設計方法

表冷器-風機的選型

表冷器-風機是系統的核心，承擔收集和釋放熱量的作用。在工程實踐中，對表冷器-風機有以下技術要求：①換熱能力強——可以吸收更多的空氣盈余熱量;②節能性能優——消耗更少的電能，節約運行成本;③使用年限長——節約建造成本。為了滿足上述技術要求，選型過程中需要綜合考慮表冷器-風機的排風量、換熱系數、換熱面積、功率以及換熱材料等多種因素。

表冷器-風機換熱量的計算

◆表冷器-風機的換熱模型

對于風量、水量、水初溫相同的同一表冷器而言，與某一濕工況進出風比焓以及接觸系數相等的干工況，為該濕工況的等價干工況[1]。采用干濕轉換法[2]，利用干工況來替代當前濕工況建立表冷器-風機換熱模型[3]，進行熱力計算，以便消除析濕系數對傳熱系數的影響。

如圖3所示，點1′和點2′為進出風狀態，點1′和點2′連線的延長線與飽和線相交于點3（點3表示理想條件下空氣能達到的終狀態），過點3的等焓濕線d1與比焓值為h1、h2的等焓線，分別相交于點1和點2。干工況1-2為濕工況1′-2′的等價干工況。

表冷器-風機接觸系數ε2（實際溫降與理想溫降的比值）可以表示為：

公式（1）

式中：t1′、t2′分別為點1′和點2′的干球溫度，℃;t1、t2分別為等價干工況點1和點2的干球溫度，℃。

等價干工況換熱效率系數ε1定義為：

公式（2）

式中：tw1為進水溫度，℃。

結合公式（1）和公式（2）可得：

公式（3）

公式（4）

◆總傳熱系數

對于給定的表冷器-風機換熱器，總傳熱系數K[W/（m2·℃）]主要由內表面傳熱系數αi[W/（m2·℃）]和外表面傳熱系數αo[W/（m2·℃）]決定[4]。通常可以忽略導熱系數的影響，計算公式如下：

公式（5）

式中：φ為肋表面全效率;ε為析濕系數;p為特定的常數;τ為肋化系數。對于特定的換熱器，φ和τ可以認為是常數。

對于結構一定的風機盤管，外表面傳熱系數αo是空氣流速υa（m/s）的函數，內表面傳熱系數αi是水流速度w（m/s）的函數：

公式（6）

公式（7）

式中：A1，B1，n為特定的常數。

不同型號的表冷器-風機總換熱系數不同，系數A、n可通過干工況下變流量試驗確定，系數B可通過變風量試驗確定。

一般情況下，干工況下，取析濕系數ε為1，將式（6）和（7）帶入式（5）簡化為：

公式（8）

由換熱理論可知，換熱效率系數ε1定義為實際傳熱量與最大可能傳熱量的比值[5]，則可以表示為：

公式（9）

式中：β為傳熱單元數;為水當量比。

β，的定義分別如下：

公式（10）

公式（11）

式中：F為換熱面積，m2;G為通風量，kg/s;cp為空氣的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）;W為水流量，kg/s;cw為水的比熱容，kJ/（kg·℃）。

根據換熱理論，接觸系數ε2可表示為：

公式（12）

干工況條件下，一定型號的表冷器-風機，當風量、水量已知，任何初始狀態下空氣的換熱效率系數ε1和接觸系數ε2都是定值[5]。

◆換熱量的簡化計算

采用對數平均溫差法[5]計算表冷器-風機的換熱效率（W），計算式如下：

公式（13）

式中：?tm為對數平均溫差，℃。按照逆流傳熱過程進行計算：

公式（14）

為了簡化計算，在誤差允許范圍內，可以用算數平均溫差進行計算，算數平均溫差為換熱器進出兩端溫差的算數平均值[5]。

滿足條件如下：

公式（15）

公式（16）

由于干工況下空氣不發生相變，根據能量平衡可得：

公式（17）

式中：ma為換熱過程空氣質量，kg;mw為換熱過程水的質量，kg。

根據公式（17）可以得到：

公式（18）

根據公式（9）和（12）計算出ε1和ε2，帶入公式（3）和（4）計算等價干工況下的t1和t2， 聯立公式（13）、（16）～（18），得出濕工況下的換熱功率為：

公式（19）

由公式可知，對于特定的表冷器-風機，換熱功率僅由表冷器-風機的通風量、水流量、進水溫度和進風溫度等因素確定[3]。

大棚夜間需熱量的計算

系統的配置與設計，需要以冬季采暖期間大棚采暖系統的最大熱負荷作為依據[7]，根據采暖熱負荷計算夜間需熱量（J），計算公式如下：

公式（20）

式中：Qh為采暖熱負荷，W;Tr為放熱時間，h。采暖熱負荷計算公式如下：

公式（21）

式中：Qw為圍護結構的傳熱損失，即通過屋頂、地面、門窗等圍護結構傳散失的熱量，W;Qv為冷風滲透的傳熱損失，即通過門、窗及圍護結構縫隙滲入的冷空氣散失的熱量，W;Qf為地中傳熱損失，W。

圍護結構的傳熱損失Qw的計算公式如下：

公式（22）

式中：μj為第 j 種維護結構的傳熱系數，W/（m2·℃）;Aj為第 j 種維護結構的面積，m2;ti和to為溫室內外采暖設計溫度，℃。

墻體的傳熱系數計算公式如下：

公式（23）

式中：αi為墻體內表面的換熱系數，W/（m2·℃）;d為墻體厚度，m;λ為墻體材料導熱系數，W/（m2·℃）;αo為墻體外表面的對流換熱系數，W/（m2·℃）。

大棚的冷風滲透熱損失Qv計算公式如下：

公式（24）

式中：n為棚內換熱系數，次/h;V為棚內的體積，m3;ρa為空氣密度，kg/m3;cp為空氣的定壓比熱容，J/（kg·℃）。

地中傳熱損失Qf計算公式如下：

公式（25）

式中：K0為第 k 區地面的傳熱系數，W/（m2·℃）;Ak為第k 區地面的面積，m2。

表冷器-風機臺數的確定

需要從日間集熱量和夜間放熱量兩方面確定表冷器-風機的數目。

◆集熱方面 根據能量守恒，表冷器-風機主動集放熱系統日間收集的熱量，用于滿足夜間室內加溫需求，集熱所需表冷器-風機的數目Nc（臺）的計算公式如下：

公式（26）

式中：q為室內采暖所需熱量，J;Qc為集熱功率，W;Tc為集熱時長，h。

◆放熱方面 根據能量守恒，表冷器-風機主動集放熱系統夜間釋放的熱量，用于滿足夜間室內加溫需求，放熱所需表冷器-風機的數目Nr（臺）的計算公式如下：

公式（27）

式中：q為室內采暖所需熱量，J;Qr為放熱功率，W;Tr為集熱時長，h。

為了同時滿足日間集熱和夜間放熱的需求，需取二者中較大者作為表冷器-風機的數目N（臺）。考慮到系統在使用過程中的積垢等因素，選取安全系數 1.1～1.2[7]。

蓄熱水池有效容積的計算

表冷器-風機收集的熱量儲存在蓄熱水池的水里，為滿足溫室內夜間加溫需求，需要計算蓄熱水池的有效容積。

蓄熱水池的蓄水體積V（m3）為：

公式（28）

式中：ρw為水的密度，kg/m3;?Tw集熱前后蓄熱水池中水的溫差，℃。

為避免在集放熱過程中水從蓄熱水池中溢出，在設計過程中給蓄熱水池預留一定的空間，可選擇安全系數1.1～1.2。

試驗大棚的表冷器-風機主動

集放熱系統的設計

試驗大棚

試驗塑料大棚位于內蒙古自治區寧城縣大城子鎮（118.9°E， 41.7°N），東西走向，南北非對稱。東西長140 m，南北寬16 m，其中南面寬8 m，過道寬2 m，北面寬6 m，屋脊高4.5 m（圖4～5）。室內過道兩側每2.6 m設置一根鋼管柱，以提高結構穩定性。塑料大棚的東西山墻由磚墻建造。屋面覆蓋草墊和保溫被，北面屋面保溫被日間不揭開。采用薄膜將溫室從中間隔開，西側作為試驗區，東側作為對照區。

表冷器-風機的選型

根據前期對多種型號表冷器-風機的風速、排管排列形式、集熱量、耗電量等性能的測試結果，選取FNH型表冷器-風機作為集放熱裝置。結構尺寸長×寬×高=100 cm×20 cm×60 cm;包括2個風機，風機扇葉直徑40 cm，輸入功率2×120 W;表冷器換熱面積33 m2/臺。

表冷器-風機換熱量的計算

為了計算表冷器-風機的換熱量，首先需要確定其總傳熱系數。不同類型的表冷器-風機，總傳熱系數不同。通過前期測試單臺表冷器-風機的性能，由式（8）得到該型表冷器-風機的總傳熱系數表達式為：

公式（29）

假設系統日間集熱過程中平均水氣溫差為5℃，在夜間放熱過程中平均水氣溫差為4℃，風機風速為5 m/s，水流速度為2 m/s，將公式（29）帶入公式（19），計算得到單臺風機集熱功率和放熱功率分別為3773.7 W和3120.7 W，取整后，集熱功率和放熱功率分別為3800 W和 3200 W。

大棚夜間需熱量的計算

為了保證在夜間室外平均氣溫為-15℃的情況下，棚內的夜間氣溫不低于10℃，根據公式（20）～（25）計算得到棚內夜間采暖熱負荷為35908.6 W。假設一晚加溫時長為9 h，加溫需要的熱量為 1163.4 MJ。具體計算參數見表1。

表冷器-風機臺數的確定

表冷器-風機的數目N（臺）可根據公式（26）和（27）進行估算。由于試驗地所在的地理位置，冬季日間時間較短，取集熱時長為 5 h，計算得到集熱所需表冷器-風機17.0臺，選取安全系數1.1，為18.7臺;取夜間放熱時長為 9 h，計算得到放熱所需表冷器-風機數目為11.2臺，選取安全系數1.1，為12.3臺。取二者的較大值18.7臺，取整為19臺。

如果夜間使用全部的表冷器-風機進行放熱，使得放熱功率過大，從而導致前半夜熱量釋放過多、后半夜熱量不足，室內氣溫上升過快、熱損失增加。因此，夜間采用13臺（12.3臺取整得到）表冷器-風機進行放熱。

蓄熱水池有效容積的計算

表冷器-風機收集的熱量儲存在蓄熱水池的水里，為滿足試驗大棚夜間加溫需求，根據公式（27）計算蓄熱水池的有效容積。假設集熱后水溫上升 5℃，計算得到水池蓄水體積為 55.4 m3。考慮到需給蓄熱水池預留一定的空間，避免在集放熱過程中水溢出來，選擇儲備系數 1.1，計算蓄熱水池有效容積為61 m3。

圖6為蓄熱水池結構示意圖。蓄熱水池長6.5 m，寬3.8 m，高2.5 m，位于大棚西北側。其結構由內向外依次為面層、防水混凝土、防水層、砌筑水泥磚，上面覆蓋塑料薄膜。

水泵的選型需要根據所需的流量和揚程進行選擇，為保證管路中水流速度為2 m/s，所需水泵流量大于10 m3/h，為保證將蓄熱水池底部的水輸送到掛在大棚屋脊的表冷器-風機中，所需潛水泵揚程大于9 m，選擇潛水泵型號為WQ40-10-2.2，功率2.2 kW，流量40 m3/h，揚程10 m。

表冷器-風機主動集放熱系統的安裝布置

如圖7所示，根據試驗大棚的結構，為了不影響棚內日常的農事作業，將供水管道布置在屋脊下方，采用同程式系統，以保證各并聯環路管路長度相等、阻力大致相同、流量分配均勻。表冷器-風機進水端與供水管相連，出水端與回水管相連。供水和回水主管均使用直徑為50 mm的PVC管，供水管上安裝閘閥來控制流量。

圖8為棚內表冷器-風機主動集放熱系統的實物圖，棚內上層空氣通過風機自北向南流動，再在下層自南向北流動，形成空氣環流。

經濟性能的初步分析

以該大跨度外保溫塑料大棚（占地面積70 m×16 m=1120 m2）為例，計算表冷器-風機主動集放熱系統建造成本。19臺表冷器-風機的成本為20000～21000元，容積61 m3蓄熱水池的建造成本為30000～32000元，供回水管道的成本約為3000元，水泵與電氣控制設備等的成本約為2000元，合計建造成本為55000～58000元，折合單位面積的建造成本為49.1～51.8元/m2;設備、設施按10年使用期進行折舊，則平均每年的折舊費為4.9～5.2元/m2。與其他太陽能集放熱系統[8，12]相比，本集放熱系統的單位面積建造成本比較低。

以在內蒙古赤峰地區使用本集放熱系統為例，估算系統的運行成本。按照前面的假設，每天系統運行14 h（集熱5 h、放熱9 h），共耗電81.6 kW·h;按照0.5元/（kW·h）的電價，則每天集放熱需要40.8元的電費，折合單位面積的運行成本為0.036元/（m2·天）。一個冬季需累積運行大約80～100天，則需要耗電約6528～8160 kW·h，需要電費3264～4080元。與其他太陽能集放熱系統[9-12]相比，本集放熱系統單位面積的運行成本也比較低。

另外，表冷器-風機主動集熱系統對大棚原有的構造不產生影響，建造、維護簡單方便，還具有較長的使用年限。

結論

（1）構建了表冷器-風機主動集放熱系統的系統模型，并闡述了系統的工作原理。

（2）構建了表冷器-風機集放熱系統的換熱模型。并由此分析得出，對于特定的表冷器-風機，換熱量僅由表冷器-風機的通風量、水流量、進水溫度和進風溫度等因素確定。

（3）提出了表冷器-風機主動集放熱系統的設計方法。設計方法主要包括表冷器-風機的選型、表冷器-風機換熱量的計算、溫室大棚夜間加溫需熱量的計算、表冷器-風機臺數的確定以及蓄熱水池有效容積的計算等。此方法可針對不同溫室大棚進行集放熱系統主要參數的計算。

（4）對試驗大棚進行了表冷器-風機集放熱系統的計算設計。試驗大棚東西走向長70 m，南北跨度寬16 m，屋脊高4.5 m，在夜間平均氣溫為-15℃的條件下，為了保持棚內夜間氣溫不低于10℃，需要配置FNH型表冷器-風機19臺，蓄熱水池的有效容積61 m3。

（5）表冷器-風機主動集放熱系統，建造成本和運行成本比較低，且建造簡易，易于維護，使用年限長。

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*項目支持：國家現代農業產業技術體系建設專項資金（CARS-23-C02）。

作者簡介：宋衛堂（1968-），男，河南西平人，教授，博士生導師，主要研究方向：設施機械化裝備工程、設施園藝環境工程、無土栽培技術與裝備。

[引用信息]宋衛堂，李涵，王平智，等.表冷器-風機集放熱系統的設計與應用效果——以寧城大跨度外保溫大棚為例（上）[J].農業工程技術，2020，40（10）：42-48.