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

為了探究表冷器-風機集放熱系統的放熱性能，在內蒙古赤峰市益康農業專業合作社的某大跨度外保溫塑料大棚里進行了測試。

集放熱系統的放熱模式

表冷器-風機集放熱系統的放熱過程是：夜間（指從保溫被關閉至次日保溫被開啟之間的時段），當室內氣溫低于10℃且低于水溫4℃時，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強制對流熱交換，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，直到大棚氣溫升高到13℃或水氣溫差小于2℃時，關閉潛水泵，放熱停止。

放熱性能評價指標

表冷器-風機集放熱系統的放熱功率（W），可由如下計算式得到：

式中：cw為水的比熱容，J/（kg·℃）;ρw為水的密度，kg/m3;Vw為水流量，m3/h;tw1、tw2分別為進、出水水溫，℃。

表冷器-風機集放熱系統的夜間放熱量Er（J）為：

式中：τ1、τ2為放熱開始和結束的時刻。

另外，系統釋放的熱量來自蓄熱水池，也可根據蓄熱水池中水溫的變化計算放熱量，計算公式為：

式中：V為蓄熱水池中水的體積，m3;T1、T2為放熱開始和結束的時刻蓄熱水池的水溫，℃。

定義系統在放熱過程中釋放的熱量與消耗電能的比值為系統的放熱COP（COPr），用于判斷系統的節能效率，計算公式如下：

式中：E為放熱時系統消耗的電能，kW·h。

定義系統在1天（指從保溫被開啟到次日保溫被開啟之間的時間）內釋放的熱量與收集的熱量的比值為系統的放熱效率?，計算公式如下：

試驗設計

測試方案

為了分析系統的放熱性能，需要探究系統放熱對室內溫度的影響，除了對氣溫的測試內容外（詳見“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（中）”），還監測了試驗區與對照區不同深度的土壤溫度。

土溫的測量儀器為Pt100 鉑電阻（測量范圍：-50～200℃，精度：±0.1℃），利用 YC1003-P16數據采集儀（山東新贏誠電子科技有限公司，采集范圍：-200～600℃）自動采集 Pt100鉑電阻測量的數據，并將采集后的數據通過 RS485通訊統一歸類，儲存在網絡數據庫中。

室內土溫測點布置：如圖1所示，試驗區與對照區土溫測點布置位置相同，各8個點，位于南面種植區的中心處（中間土壟，距離最南邊4 m），距離土壟表面深度分別為 0、0.01、0.02、0.03 m，以及該土壟西側的壟溝、距離地表深度為 0、0.1 m 處;北面非種植區的中間位置（中間土壟，距離最北邊 4 m），距離地表深度為 0、0.1 m 處。

基礎土溫測試

在系統放熱性能正式測試前，于 2019年12月3～5日對室內的基礎土溫進行了測定。如圖2所示，試驗區的土溫均低于對照區，試驗區在壟溝表面、壟頂表面和壟深10 cm 及壟溝表面處的夜間平均土溫分別較對照區低1.1、1.2、 1.3℃。這是由于試驗區氣溫長時間低于對照區氣溫，夜間土壤需要向空氣中釋放較多的熱量導致的。

結果與分析

系統的放熱性能分析

選取 2019年12月26日～2020年1月11日的數據，分析表冷器-風機集放熱系統的放熱性能。系統夜間放熱天數為15天，其中12月26日～1月2日使用全部表冷器-風機（15臺）進行放熱;1月3～11日使用一半表冷器-風機（8臺）進行放熱。對系統運行期間的蓄水量、水溫變化、放熱量、放熱 COP、放熱效率等進行統計計算，結果如表1所示。其中的放熱量、放熱 COP 和放熱效率分別根據公式（3）、（4）和（5）計算得到。

總的來說，在系統放熱運行的時間段，室外最低氣溫為-21.0～-7.9℃，系統的放熱量為214.9～501.3 MJ，平均放熱量為356.7 MJ;放熱功率為14.2～27.9 kW，平均放熱功率為20.6 kW;平均放熱時間為290 min;放熱COP為3.4～6.7，平均放熱COP為4.8;放熱效率為34.1%～403.0%，平均放熱效率111.1%，可維持室內外最大溫差為31.1℃，可見，該系統具有較好的放熱能力和能效比。

1月2日的放熱量和放熱功率均最大，分別為501.3 MJ 和27.9 kW，因為該日放熱初始水溫較高，水氣溫差較大，放熱效率為80.1%，可見，夜間放熱較完全。12月26日、12月29日等，放熱效率大于100%，原因是當日日間收集的熱量少，夜間釋放的熱量中包含前日未釋放完全的熱量，可見系統的放熱過程具有可控性，可將多余的熱量暫時儲存在蓄熱水池中，用于次日加溫。

由于放熱過程中，水氣溫差逐漸減小，最小水氣溫差為2.1℃（12月31日），遠小于日間集熱水氣溫差（大于4℃），因此，系統在夜間的放熱功率及放熱COP均小于日間。為了避免夜間放熱過快，減緩蓄熱水池水溫的降低速率，提出了減少夜間用于放熱的表冷器-風機數量的辦法，該措施也能減少放熱過程中的耗電量。

放熱對室內溫度的提升效果

為探究夜間系統運行對室內溫度的提升效果，選取2019年12月26日～2020年1月2日的數據進行分析，由于12月27日夜間停電，系統未運行放熱。

◆對室內氣溫的提升效果

如圖3所示，12月26日～1月2日，夜間室外最低氣溫均低于-10℃，平均氣溫為-16.2～-9.5℃。夜間，利用系統進行放熱，試驗區室內氣溫較對照區平均高2.1℃，最高為 2.6℃，可維持室內外最大溫差為31.3℃。根據基礎條件測定可知，系統未運行期間的夜間，試驗區室內平均氣溫較對照區低1.4℃，可見，表冷器-風機集放熱系統對室內空氣的加溫效果顯著，能將室內氣溫提升3.0℃以上。

系統放熱過程中，放熱初期由于水氣溫差較大，放熱功率大于大棚的熱損失，室內氣溫呈現快速上升的趨勢;隨著氣溫的上升和水溫的降低，放熱功率逐漸減小到約等于大棚的熱損失，室內氣溫趨于穩定;隨著水溫的持續降低，水氣溫差逐漸減小，放熱功率減小，室內氣溫隨之緩慢下降。如12月28日，保溫被關閉后，室內氣溫逐漸下降，3：00左右試驗區室內氣溫為10.5℃， 系統運行開始放熱，試驗區室內氣溫快速上升，4：00左右達到12.6℃后趨于穩定，直至7：00左右，試驗區室內氣溫以0.3℃/h的速度緩慢下降，7：20 左右系統停止運行，放熱期間，約有70%的時間室內氣溫維持穩定。說明表冷器-風機集放熱系統在放熱過程中，具有穩定室內氣溫的潛力，維持室內氣溫穩定的主要因素是水氣溫差，可通過增大蓄水量來減緩水溫下降速率，從而穩定放熱過程中的水氣溫差。

12月29日為陰天，日間系統未進行集熱，2：00左右開始放熱時，試驗區氣溫較對照區低0.8℃，隨后試驗區氣溫逐漸上升至10.6℃后趨于穩定，5：00左右緩慢下降;對照區氣溫持續下降。放熱結束后，試驗區氣溫較對照區高1.2℃。說明表冷器-風機集放熱系統在陰天的情況下，也能釋放熱量對大棚進行加溫，系統具有抵抗陰天的能力。

綜上所述，表冷器-風機集放熱系統在放熱過程中，對室內氣溫具有較好的提升效果，可將室內最低氣溫提高3.0℃以上，且能使氣溫持續穩定。除此，該系統還具有抵抗陰天的潛力。

◆對土壤溫度的提升效果

為探究表冷器-風機集放熱系統對土溫的提升效果，比較了試驗區與對照區不同位置的土壤溫度變化，如圖4所示。根據基礎土溫測試，未運行系統放熱期間，試驗區土溫較對照區平均低 1.0℃以上。

夜間，試驗區與對照區的土溫均緩慢下降，系統運行放熱后，試驗區土溫趨于穩定，對照區土溫持續緩慢下降。如圖4a，12月26日，保溫被關閉后，試驗區與對照區壟溝表面土溫分別以0.24℃/h和0.33℃/h的平均速率下降，對照區土溫下降速率較試驗區快，原因是當土溫高于氣溫，土壤便向空氣中釋放熱量，對照區土溫更高，向空氣中釋放熱量更快。12月27日2：00左右，試驗區壟溝表面土溫較對照區低0.4℃，系統開始放熱，試驗區壟溝表面土溫上升并穩定在13.5℃，至7：30左右系統停止放熱，試驗區壟溝表面土溫較對照區高0.3℃?？梢姳砝淦?風機集放熱系統對室內土壤有一定的升溫效果。

比較不同深度土壤溫度的變化，如圖4b和圖4c，相比于放熱開始時，放熱結束后試驗區與對照區壟頂表面的土壤溫差平均減少0.7℃，壟深10 cm處土壤溫差平均減少0.4℃，可見，系統放熱過程對壟頂表面處土壤的影響較壟深10 cm處大。

由于表冷器-風機集放熱系統主要通過提升室內的氣溫，以減少土壤向空氣的放熱量，從而穩定土壤溫度，因此，與空氣溫度的提升效果相比，土壤溫度的提升效果不明顯，但通過系統長期放熱，試驗區基礎土溫不斷升高，與對照區溫差逐漸減小。12月26日，系統開始放熱時，試驗區壟溝表面、壟頂表面和壟深10 cm的土壤溫度分別較對照區低0.4、1.3℃和1.3℃，一段時間后，1月1日，放熱開始時，試驗區壟溝表面、壟頂表面和壟深10 cm的土壤溫度分別較對照區低0.2、0.8℃和0.9℃。可見，長期使用表冷器-風機集放熱系統進行放熱可以提高室內土壤的基礎土溫。

綜上所述，表冷器-風機集放熱系統對室內土壤溫度具有一定的提升效果，可將土壤表面最低溫提升1℃左右，且對壟頂表面土壤溫度的提升效果較壟深10 cm處明顯，長期利用系統在夜間進行放熱，可提高土壤的基礎溫度。

不同放熱方式對系統放熱性能的影響

◆減少放熱表冷器-風機的數量

根據前面的分析可知，系統在夜間放熱過快會導致氣溫快速上升，致使室內熱損失增大，且水氣溫差迅速減小，系統放熱性能下降，不利于系統的節能。因此，提出減少夜間用于放熱的表冷器-風機數量的方式來提升系統的放熱性能。

如表1，2019年12月26日～2020年1月2日使用全部表冷器-風機（15臺）進行放熱;1月3～11日使用一半表冷器-風機（8 臺）進行放熱。12月26日～1月2日平均放熱量為389.1 MJ，平均放熱功率為21.8 kW，平均放熱COP為4.3;1月3～11日平均放熱量為328.4 MJ，平均放熱功率為19.5 kW，平均放熱COP為5.3。可見，減少放熱的表冷器-風機數量，放熱量與放熱功率會隨之減小，但系統的放熱COP增大，能效比更高。

如圖5，選取2019年12月27日與2020年1月9日的數據，比較采用不同數量的表冷器-風機進行放熱對室氣溫的影響。兩日的蓄熱水池蓄水量、放熱初始水溫、放熱時間及放熱期間室外平均氣溫分別是25.8 m3和25.8 m3、18.1℃和18.3℃、330 min和330 min，-11.7℃和-12.6℃，條件基本一致。12月26日，放熱開始時，試驗區氣溫較對照區低0.9℃，放熱結束后試驗區氣溫較對照區高1.9℃;1月9日，放熱開始時，試驗區氣溫較對照區低0.4℃，放熱結束后試驗區氣溫較對照區高2.1℃?？梢?，減少一半表冷器-風機數量進行放熱，不影響對室內氣溫的提升效果，分析原因如下：①減少表冷器-風機數量，導致開始放熱時放熱功率更小，氣溫上升速率和水溫下降速率減緩，有利于維持較高的水氣溫差，兩日的平均水氣溫差分別是3.6℃和5.0℃;②水流流量相同情況下，表冷器-風機數量越少，水流速度越大，兩日的水流速度分別是1.2 m/s和2.2 m/s。因此，單臺表冷器-風機的放熱功率更大，經計算，兩日單臺表冷器-風機平均放熱功率分別為1.5 kW和2.2 kW。

綜上所述，夜間放熱的表冷器-風機數量過多時，會降低單臺表冷器-風機的放熱功率，且耗費更多的電能，降低放熱COP，因此，實際運行中需要配置合適數量的表冷器-風機進行放熱。

◆縮短放熱時長

根據已有的研究表明，作物在一天內不同時間段需要的溫度不同，夜間適當的低溫條件可抑制作物的呼吸作用，但在無加溫設備的外保溫塑料大棚中，后半夜室內氣溫往往低于作物生長發育所需的溫度;且在早晨保溫被開啟后室內氣溫降到最低，不利于作物的光合作用。為此，提出利用表冷器-風機集放熱系統在早晨保溫被開啟前進行放熱，既能滿足作物生長需求，也可以達到節約熱量的目的。

選取2019年12月18～19日和2020年1月17～18日夜間系統進行放熱的數據進行對比分析，結果如表2所示。12月18～19日保證室內氣溫高于8℃的前提下，在保溫被開啟前2 h左右進行放熱，放熱功率和放熱COP分別為37.2～38.4 kW和7.1～7.4;其放熱功率和放熱COP均高于1月17～18日?？梢?，適當縮短表冷器-風機夜間放熱的時間，可提高系統的放熱能力和能效比。

圖6所示為2020年1月18～20日氣溫、水溫與太陽輻射照度的變化。1月18日日間為陰天未進行集熱，1月19日5：00左右開始放熱，放熱時水溫為14.8℃，試驗區氣溫為9.3℃，較對照區低0.8℃，結束放熱后水溫降到13.0℃，試驗區氣溫為11.2℃，較對照區高1.6℃;1月19日日間為多云天氣，日間僅集熱1 h，1月20日5：00左右開始放熱，水溫為14.2℃，室內氣溫為9.2℃，較對照區低0.8℃，結束放熱后水溫降到12.6℃，室內氣溫為11.0℃，較對照區高1.4℃。上述結果進一步說明了表冷器-風機集放熱系統具有抵抗連續陰天的能力，在連續陰天情況下，縮短系統夜間放熱時間，在保溫被開啟前進行放熱，對室內最低氣溫具有顯著的提升效果。

綜上所述，適當縮短表冷器-風機夜間放熱的時長，可提高系統的放熱能力和節能效率;連續陰天情況下，在保溫被開啟前的早晨階段進行放熱，既能滿足作物生長需求也能節約熱量、降低耗電量，提高系統的能效比。

系統放熱方式的優化

影響表冷器-風機集放熱系統放熱能力的主要因素，與集熱能力一樣，主要包括水氣溫差和水流速度。為了保證系統在日間收集充足的熱量，需要增大水氣溫差和水流速度來提高系統的集熱能力，同時也提升了系統的放熱能力，但由于集熱結束后，蓄熱水池中儲存的熱量有限，開始放熱時，系統放熱功率過大，會導致前期放熱過快、后期熱量不足，后期放熱功率降低、系統放熱COP下降。因此，在保證日間集熱所需蓄熱水池有效容積以及水流速度的前提下，可以通過優化系統的放熱方式來改善放熱性能。

日間集熱所需的表冷器風機數量多于夜間放熱所需，如果采用全部數量的表冷器-風機進行放熱，會出現以下情況：①前期熱量集中釋放，后期熱量不足;②系統放熱過快，室內氣溫快速上升，室內熱量損失增大;③氣溫上升較快，水氣溫差減小，系統放熱性能降低。因此，通過減少用于夜間放熱表冷器-風機的數量，既能減緩室內氣溫上升速度，減少熱量損失;又能在水流量一定的情況下增大表冷器-風機中的水流速度，提升單臺表冷器-風機的放熱性能;還能減少放熱過程中的耗電量，提高系統的節能性能。

在放熱過程后期，由于水氣溫差的減小，系統的放熱性能逐漸降低。根據作物在不同的時間段內對溫度的需求不同，夜間適當降低室內氣溫有助于抑制呼吸作用，因此，在保證作物生長最低溫需求的前提下，在早晨保溫被開啟前進行放熱，既能滿足作物生長需求又能節約熱量、降低耗電量。

結論

在內蒙古赤峰市益康農業專業合作社的某大跨度外保溫塑料大棚里，進行了表冷器-風機集放熱系統放熱性能的試驗，分析了系統的放熱性能及對室內溫度的提升效果，并探究了不同放熱方式下系統的放熱性能，得出以下主要結論：

（1）表冷器-風機集放熱系統具有較好的放熱能力及能效比。2019年12月26日～2020年1月11日，系統的放熱量為214.9～501.3 MJ，平均

放熱量為356.7 MJ;放熱功率為14.2～27.9 kW，平均放熱功率為20.6 kW;放熱COP為3.4～6.7，平均放熱COP為4.8;放熱效率為34.1%～403.0%，平均放熱效率111.1%，可維持室內外最大溫差為31.1℃。

（2）表冷器-風機集放熱系統對室內溫度具有顯著的提升效果。運行系統放熱，可將室內最低氣溫提升3.0℃以上，土壤表面最低溫度提升1.0℃左右;長期利用系統在夜間進行放熱，可提高土壤的基礎溫度。

（3）不同放熱方式下系統的放熱性能存在差異，適當減少表冷器-風機數量以及縮短夜間放熱時長，有利于提高系統的放熱性能。

*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，主要研究方向為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（下）[J].農業工程技術，2020，40（16）：50-56.