溫室太陽能熱泵供暖系統熱力性能研究

高俊晨，賈少剛

（1.湖州志宏自動化科技有限公司，浙江 湖州 313000；2.中國船級社質量認證公司青島分公司，山東 青島 266071）

溫室甲魚養殖業曾是浙北地區農村的主導產業，因甲魚適宜的生長溫度為32℃左右，因此一年中大部分時間必須為溫室進行加熱使之達到甲魚適宜的生長溫度。使用土爐和鍋爐供熱是浙北農村甲魚養殖普遍采用的加溫方式，其消耗了大量煤炭、熱效率低且造成了環境污染。因此，在農業溫室領域推廣利用清潔能源和節能供暖技術是其可持續發展的必然需求。太陽能和熱泵技術的有機結合應用有很好的互補性，不但提高了熱泵和系統性能，且系統的穩定性更好。面對當前嚴峻的能源與環境問題，太陽能熱泵技術的應用意義重大，其應用領域也越來越多。在湖州職業技術學院內構建了甲魚養殖實驗溫室，結合溫室需維持在30～35℃的需求，構建了太陽能熱泵供暖系統（以下簡稱系統），對系統在水產養殖溫室冬季供暖中的熱力性能進行了研究分析，得出系統主要設備在典型工況下的熱力性能數值，為系統的實際應用和優化提供依據。

1 系統介紹

1.1 溫室和太陽能熱泵系統簡述

實驗養殖溫室采用100mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）作為溫室四周墻壁和頂棚的保溫材料，EPS板的內外兩側采用彩鋼板夾緊以起到支撐與隔離外界的作用。溫室結構示意圖見圖1，溫室頂棚呈斜面，南北墻和頂棚為長方形，東西墻為梯形，溫室長8430mm，溫室寬4230mm，溫室內部總面積為33.1m2，養殖池面積30m2，溫室四周墻體與頂棚面積總計為76.2m2。

圖1 溫室結構示意圖

太陽能熱泵供暖系統系統主要由太陽能集熱器、熱泵、蓄熱水箱、供暖水箱、循環泵等部件組成，圖2為系統實物圖，圖3為系統結構，表1為系統主要部件規格參數。系統中太陽能集熱介質采用閉式循環，蓄熱水箱負責太陽能的存儲；熱泵設置了1個空氣源蒸發器和1個水源蒸發器；供暖水箱中的熱水通過風機盤管向溫室供暖。

表1 太陽能熱泵系統主要部件規格參數

圖2 太陽能熱泵系統實物圖

圖3 太陽能熱泵系統結構示意圖

1.2 系統數據采集

為了對系統主要設備進行熱力性能分析，需要采集工質流量、溫度等參數。結合圖1，相關參數傳感器的設置如表2所示，系統共設置了34個溫度傳感器、4個流量傳感器、1個太陽輻照度傳感器、6個電量傳感器，所有的參數信號通過處理后由觸摸屏實現數據的顯示與存儲。

表2 系統的數據采集

2 熱力學模型

2.1 集熱器效率數學模型

集熱器集熱效率ηc是在一定時間內吸收的有用熱能與入射在集熱器表面上的太陽輻射能之比，其計算公式如式1所示。

式中，Q1為集熱器有效利用的能量，W；AC為集熱器面積，m2；GT為太陽能瞬時輻照度，W/m2；τ為時間，s。

集熱器瞬時集熱效率ηi以吸熱面上瞬時輻照度和集熱介質的質量流量及集熱器進出口溫差定義，集熱器瞬時效率方程如式2所示。

式中，qm為集熱介質的質量流量，kg/s；Cp,f為集熱介質的定壓比熱容，J/(kg·K)；T1為集熱器進口溫度，℃；T2為集熱器出口溫度，℃。

2.2 熱泵性能系數數學模型

熱泵性能系數COP是熱泵機組制熱量與其消耗能量的比值，該參數是評價熱泵節能性最重要的指標之一， 計算公式式為如式3所示。

式中，QL為熱泵冷凝器側制熱量，此處取供暖水箱的得熱量，kJ；E1、E2、E3見表2所示。

2.3 水箱數學模型

蓄熱水箱或者供暖水箱在在一定時間內的得熱量QS計算方程如下：

式中，Vs為水箱的容積，m3；Te為水箱終溫，℃；Tb為水箱初溫，℃；Cp,0為水的定壓比熱容，J/(kg·K)；ρ0為水的密度，kg/m3。

2.4 系統性能系數數學模型

太陽能熱泵系統的性能系數COPS是溫室獲得的熱量與系統消耗的能量的比值，計算公式為如式3所示。

式中，QG為溫室的得熱量，此處不考慮傳熱損失，取值為QL，；E1、E2、E3、E4、E5、E6見表2所示。

3 實驗結果與分析

3.1 集熱器效率

利用太陽能來加熱蓄熱水箱中的水來研究集熱器的效率，在晴好天氣條件下開展實驗，相關實驗數據見表3所示，可知：（1）蓄熱水箱溫度變化范圍為20～60℃時，集熱器效率可達41.3%～43.6%；蓄熱水箱溫度變化范圍為48～62℃時，集熱器效率為35.7%。影響集熱器效率的主要因素是蓄熱水箱的水溫，隨著水箱水溫的升高集熱器效率逐漸下降，制取60℃以下的熱水時集熱器效率較高。（2）太陽輻照度對集熱器效率影響不大，輻照度高于500W·m-2時集熱器效率保持穩定。

表3 太陽能集熱器效率實驗結果

3.2 串聯運行模式下熱泵性能系數COPw

冬季期間系統主要以串聯形式運行，串聯運行模式下熱泵水源蒸發器啟用，以蓄熱水箱中的水作為低溫熱源運行，熱泵加熱供暖水箱中的水達到50～60℃后用以向溫室供暖，相關實驗數據見表4所示，可知：（1）熱泵COPw可達3.28～4.5。當供暖水箱溫度從16.6℃升至57.2℃時COPw可達4.5，當供暖水箱從45℃升至59℃時COPw也可達3.3左右。圖3所示為熱泵COPw與供暖水箱水溫之間的關系，隨著水溫逐漸高，熱泵COPw逐漸降低，當水溫達到60℃時COPw僅有2.5左右，熱泵的性能系數下降明顯，因此熱泵制取60℃及以下的熱水時經濟性較高。（2）蒸發器側低溫熱源溫度對熱泵COPw的影響很小，低溫熱源溫度范圍為10.8～33.4℃，在此范圍內均能保證蒸發器中制冷劑與低溫熱源之間良好的熱交換。

表4 串聯運行模式下熱泵性能實驗結果

圖4 2017-12-09日實驗數據圖

3.3 空氣源熱泵運行性能系數COPh

空氣源運行模式下熱泵空氣源蒸發器啟用，以空氣作為低溫熱源運行，熱泵加熱供暖水箱中的水達到50～60℃后用以向溫室供暖，相關實驗數據見表5所示，可知：（1）當供暖水箱水溫從46℃升至60℃時，COPh僅為1.7左右，而類似情況下COPw為3.30。當供暖水箱水溫從20℃升至60℃時，COPh在2.8～3.0之間，而類似情況下COPw為4.0～4.5。（2）在相近的供暖水箱溫升情況下，影響COPh的主要因素為環境溫度，環境溫度越高越有利于蒸發器的吸熱，COPh就越高且運行時間越短。

表5 空氣源熱泵性能實驗結果

4 結語

設計構建了溫室和太陽能熱泵系統，開展了系統主要設備的熱力性能實驗研究，結果表明系統性能良好，結論如下：

（1）蓄熱水箱終溫為60℃左右時太陽能集熱器效率可達40%以上；若為熱泵水源蒸發器提供40℃及以下的熱水時集熱器效率會遠超40%，太陽能會更加得到充分利用。

（2）串聯運行模式下熱泵COPw分布為3.28～4.5，空氣源模式下熱泵COPh分布為1.7～3.06；COPw遠高于COPh，且串聯運行模式下熱泵不受外界環境溫度影響，穩定性更高，且運行時長遠少于空氣源模式，系統串聯運行模式的運行經濟性良好。

（3）通過進一步優化集熱器和熱泵的配比、系統的控制策略來提高系統的可用能效率，盡量多的利用太陽能，降低系統的運行經濟成本。

利用太陽能熱泵技術向農業溫室供暖供水，充分利用太陽能的同時有著良好的環保和經濟效益，可積極促進溫室農業的健康可持續發展，為溫室農業的轉型升級提供助力。