集裝箱植物工廠新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周增產(chǎn)，董 微，張曉文，姚 濤，胡福生，封喜雷

(1.北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司，北京 100096； 2.北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京 100094；3.北京市植物工廠工程技術(shù)研究中心，北京 100094)

0 引言

集裝箱植物工廠采用封閉式環(huán)境，可為植物全生長(zhǎng)周期智能提供生長(zhǎng)所需的光、溫、水、氣和肥，且不受外界自然環(huán)境的影響，適用于任何地區(qū)，包括自然條件極端惡劣的海島和沙漠[1-5]。傳統(tǒng)的集裝箱植物工廠沒有配置新風(fēng)系統(tǒng)，無法滿足箱體內(nèi)新風(fēng)量的要求[6-7]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)封閉環(huán)境的要求不斷提高，如何實(shí)現(xiàn)集裝箱植物工廠內(nèi)空氣自動(dòng)過濾、平衡室內(nèi)溫濕度環(huán)境，同時(shí)達(dá)到寧靜運(yùn)行、節(jié)能減排的效果，已成為集裝箱植物工廠內(nèi)環(huán)境凈化亟待解決的問題[8-10]。本文介紹一種新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)，適配于集裝箱植物工廠內(nèi)，可完美解決集裝箱植物工廠內(nèi)環(huán)境凈化難題，實(shí)現(xiàn)植物工廠內(nèi)溫濕度均勻。

1 新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)組成

新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)由新風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)組成，新風(fēng)系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)協(xié)同調(diào)節(jié)集裝箱植物工廠內(nèi)環(huán)境。新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行后能夠快速高效向集裝箱植物工廠內(nèi)輸送大量有氧新風(fēng)，同時(shí)快速排出植物工廠內(nèi)污濁空氣，確保植物工廠內(nèi)空氣清潔。新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)在清潔集裝箱植物工廠內(nèi)空氣的同時(shí)平衡了溫濕度環(huán)境，為作物打造良好生長(zhǎng)空間，安全高效且節(jié)能環(huán)保。集裝箱植物工廠新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)示意如圖1所示，集裝箱植物工廠內(nèi)外景如圖2所示。

1.集裝箱門 2.空調(diào)風(fēng)道 3.栽培架 4.新風(fēng)系統(tǒng) 5.空調(diào)主機(jī) 6.新風(fēng)管道圖1 集裝箱植物工廠新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of integrated system of fresh air and air conditioning in container plant factory

圖2 集裝箱植物工廠內(nèi)外景Fig.2 Inside and outside of container plant factory

2 新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新風(fēng)系統(tǒng)具有空氣凈化和高效節(jié)能的功能，包括新風(fēng)機(jī)組、新風(fēng)入口、新風(fēng)出口、空氣凈化裝置、排風(fēng)機(jī)組、排風(fēng)入口、排風(fēng)出口和熱交換芯體，用于新風(fēng)換氣和空氣過濾。新風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.排風(fēng)出口 2.排風(fēng)機(jī)組 3.熱交換芯體 4.排風(fēng)入口 5.新風(fēng)出口 6.新風(fēng)機(jī)組 7.空氣凈化裝置 8.新風(fēng)入口圖3 新風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of fresh air system

新風(fēng)系統(tǒng)工作時(shí)，集裝箱植物工廠內(nèi)外雙向換氣，持續(xù)將室外新鮮空氣輸入到集裝箱內(nèi)，清新空氣無限循環(huán)通過過濾器，濾除空氣中的灰塵及粉塵。室內(nèi)排風(fēng)和新風(fēng)分別呈正交叉方式流經(jīng)換熱器芯體時(shí)，由于氣流分隔板兩側(cè)氣流存在溫差和蒸汽分壓差，兩股氣流通過分隔板時(shí)呈現(xiàn)傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，引起全熱交換過程，氣體交換后通過新風(fēng)管道進(jìn)入集裝箱植物工廠內(nèi)或排到室外。夏季運(yùn)行時(shí)，新風(fēng)從空調(diào)排風(fēng)獲得冷量，使溫度降低，同時(shí)被空調(diào)風(fēng)干燥，使新風(fēng)含濕量降低；冬季運(yùn)行時(shí)，新風(fēng)從空調(diào)室排風(fēng)獲得熱量，溫度升高。新風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)風(fēng)量為150～500 m3/h。通過換熱芯體的全熱換熱過程，讓新風(fēng)從空調(diào)排風(fēng)中回收能量，同時(shí)調(diào)節(jié)集裝箱植物工廠內(nèi)溫度與濕度，平衡作物生長(zhǎng)環(huán)境。利用空氣凈化裝置，過濾從室外進(jìn)入的空氣，完成空氣潔凈的目的。

3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空調(diào)系統(tǒng)包括空調(diào)機(jī)組和風(fēng)道，用于溫度的調(diào)節(jié)。空調(diào)機(jī)組冬季制熱、夏季制冷，通過風(fēng)道將適宜溫度的空氣傳遞到集裝箱植物工廠內(nèi)，與新風(fēng)系統(tǒng)協(xié)助調(diào)節(jié)種植內(nèi)環(huán)境。本系統(tǒng)采用冷暖兩用空調(diào)，制冷劑是氟利昂。利用制冷劑氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，釋放大量的熱量；由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)，會(huì)吸收大量熱量的原理調(diào)節(jié)溫度。

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2020年11月19日進(jìn)行了集裝箱植物工廠室內(nèi)外溫度、濕度測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試時(shí)間為9∶00—17∶00，溫濕度每隔30 min記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

4.2 測(cè)試儀器

試驗(yàn)采用RC-4HC型溫濕度測(cè)量?jī)x，數(shù)量13個(gè)。

4.3 試驗(yàn)方法

將集裝箱植物工廠內(nèi)一側(cè)栽培架分為A、B和C共3個(gè)測(cè)試區(qū)(圖4)，每個(gè)區(qū)域垂直方向設(shè)置4個(gè)溫濕度測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)距離燈管20 cm。室外溫濕度測(cè)試點(diǎn)應(yīng)選取背陰處，避免太陽光直射對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響。

圖4 溫濕度測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Layout of temperature and humidity measuring points

5 結(jié)果與分析

5.1 溫度

各層溫度平均值對(duì)比如圖5所示。測(cè)試期間栽培架上A、B、C試驗(yàn)區(qū)同一水平方向上的3點(diǎn)溫差0～1.5 ℃，A區(qū)垂直方向溫差1.1～2.8 ℃，B區(qū)垂直方向溫差0.9 ℃～2.9 ℃，C區(qū)垂直方向溫差1.1～2.6 ℃，室外測(cè)點(diǎn)溫度5.2～10.7 ℃。13∶00時(shí)，室外溫度達(dá)到全天最高值10.3 ℃，各層平均值達(dá)到最高值。此時(shí)集裝箱植物工廠內(nèi)栽培架上A、B、C試驗(yàn)區(qū)同一水平方向上的3點(diǎn)溫差0.7～1.3 ℃；A區(qū)垂直方向溫差2.8 ℃；B區(qū)垂直方向溫差2.9 ℃；C區(qū)垂直方向溫差2.6 ℃，各區(qū)域垂直方向溫差達(dá)到最大值。測(cè)試期間，新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)一直處于制冷狀態(tài)。由此可見，新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)具有良好的降溫均勻性。明期集裝箱內(nèi)溫度總平均值23.2 ℃，滿足集裝箱植物工廠的設(shè)計(jì)要求。

圖5 各層溫度平均值對(duì)比Fig.5 Comparison of average temperature of each layer

5.2 濕度

各層濕度平均值對(duì)比如圖6所示。測(cè)試期間栽培架上A、B、C試驗(yàn)區(qū)同一水平方向上的3點(diǎn)濕度差1.9%～18.3%，A區(qū)垂直方向濕度差5.4%～22.8%，B區(qū)垂直方向濕度差6.0%～17.1%，C區(qū)垂直方向濕度差4.4%～15.5%，室外測(cè)點(diǎn)濕度33.3%～60.6%。17∶00時(shí)，室外濕度達(dá)到測(cè)試期間最高值60.6%，此時(shí)栽培架上A、B、C試驗(yàn)區(qū)同一水平方向上的3點(diǎn)濕度差1.8%～14.0%，A區(qū)垂直方向濕度差8.9%，B區(qū)垂直方向濕度差8.4%，C區(qū)垂直方向濕度差14.9%。明期集裝箱內(nèi)濕度總平均值57.4%，滿足集裝箱植物工廠的設(shè)計(jì)要求。

圖6 各層濕度平均值對(duì)比Fig.6 Comparison of average humidity of each layer

6 結(jié)論

測(cè)試期間栽培架上A、B、C試驗(yàn)區(qū)同一水平方向上的3點(diǎn)溫差0～1.5 ℃，濕度差1.9%～18.3%；A區(qū)垂直方向溫差1.1～2.8 ℃，濕度差5.4%～22.8%；B區(qū)垂直方向溫差0.9～2.9 ℃，濕度差6.0%～17.1%；C區(qū)垂直方向溫差1.1～2.6 ℃，濕度差4.4%～15.5%。

明期集裝箱內(nèi)溫度總平均值23.2 ℃，濕度總平均值57.4%，滿足集裝箱植物工廠的設(shè)計(jì)要求。通過集裝箱植物工廠運(yùn)行試驗(yàn)測(cè)試，其結(jié)果表明新風(fēng)一體化系統(tǒng)具有基本保持集裝箱植物工廠內(nèi)部溫濕度恒定、噪聲小、降溫速度快、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，可在溫室工程中廣泛應(yīng)用。