表冷器-熱泵聯合集熱系統的設計方法

宋衛堂，耿 若，王建玉，劉平建，陳先知，王平智

·研究速報·

表冷器-熱泵聯合集熱系統的設計方法

宋衛堂1,2，耿 若1，王建玉1，劉平建3，陳先知4，王平智1,2※

（1. 中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083； 2. 農業農村部設施農業工程重點實驗室，北京 100083；3. 曹縣百草莊園農業開發有限公司，菏澤 274400； 4. 溫州科技職業學院，溫州 325006）

為了加快表冷器-熱泵聯合集熱系統在無蓄熱后墻日光溫室及大跨度外保溫塑料大棚中的推廣應用，該研究提供了一種可以在不同類型、不同規格的園藝設施中使用的該系統的設計計算方法，主要包括棚室熱負荷計算、熱泵的選型、集熱池潛水泵的選型、儲熱池潛水泵的選型、儲熱池體積的計算以及表冷器-風機臺數的確定等。并以其在一500 m2無蓄熱后墻日光溫室中的實際應用為例，計算得出在夜間平均氣溫–10℃條件下，為了維持室內氣溫不低于15℃，需配置FNH型表冷器-風機10臺，熱泵的額定輸入功率為15 kW，集熱池潛水泵和儲熱池潛水泵流量分別為15 m3/h和14 m3/h，儲熱池體積為19.8 m3。該研究為表冷器-熱泵聯合集熱系統的推廣應用提供了理論基礎和設計實例。

溫室；設計方法；塑料大棚；熱泵

0 引 言

日光溫室是中國獨創的高效節能型園藝設施，主要依靠太陽輻射熱能和自帶的蓄熱保溫結構維持室內氣溫[1]，在蔬菜的周年均衡供應方面發揮了巨大作用[2]。傳統的日光溫室三面環墻，墻體作為最主要的圍護結構之一，常采用夯土、黏土磚等材料建造，兼具保溫和蓄熱雙重功能[3]，可在白天吸收并儲存太陽輻射熱并于夜間釋放[4]。但該類墻體存在著建造成本高[5]、放熱可控性差[6]、占地面積大[7]等一系列問題，因此，近些年各地逐漸出現了不同類型的園藝設施。其中，最為典型的是利用聚苯乙烯發泡板裝配成后墻的日光溫室和無后墻的大跨度外保溫塑料大棚[8]。在該情況下，其主要圍護結構將不再承擔傳統日光溫室后墻的蓄熱功能，僅保留保溫功能，需配置主動集放熱系統補償由于取消后墻的蓄放熱功能所導致的夜間供熱不足等問題[9]。受溫室效應的影響，在冬季正午前后，溫室和大棚內的空氣溫度均處于較高水 平[10-12]，蘊含著豐富的空氣熱能[13]，利用其白天富余的空氣熱能用于夜間加溫是實現園藝設施低碳節能生產的有效方法。王平智等[14-16]提出了一種基于水循環蓄熱的空氣余熱主動集放熱系統——表冷器-風機主動集放熱系統，該系統是通過懸掛于溫室屋脊處的表冷器-風機，以水-氣換熱的方式，收集日間空氣余熱并于夜間釋放以提高室內氣溫，但表冷器-風機主動集放熱系統在多云天等太陽輻射較弱的天氣條件下，系統日間集熱量小，夜晚加溫效果有限等問題就會暴露，其在晴天及多云天的集熱量分別僅有（454.6±55.9）和142 MJ[15]，主要原因是由于集熱時的水氣溫差隨著集熱過程的進行而逐漸減小，導致出現了雖然空氣熱量仍有富余，但后期熱交換效率很低的情況。因此，為了保持較大的水氣溫差以增大集熱量，并有效儲存空氣熱能以用于夜間加溫，宋衛堂等[17]對表冷器-風機主動集放熱系統進行改進，加入熱泵，熱量邊收集邊轉移，形成了一種包含表冷器-風機、集熱池、儲熱池、熱泵、水泵等組件的表冷器-熱泵聯合集熱系統。該系統共有三種運行模式：僅表冷器-風機集熱（風機模式）、表冷器-風機集熱+熱泵與表冷器-風機聯合集熱（混合模式）、僅熱泵與表冷器-風機聯合集熱（聯合模式）。聯合模式在晴天和多云天的集熱量分別達到了（763.9±17.1）和（519.7±30.5）MJ，比其風機模式（與表冷器-風機主動集放熱系統的集熱運行模式相同）下的（439.3±4.7）和（223.1±8.9）MJ[17]，分別提高了73.9%和132.9%，證明該系統的集熱量增大效果顯著，設計正確可行。

為了加快該項集放熱新技術在無蓄熱后墻日光溫室、大跨度外保溫塑料大棚中的推廣應用，本文提供了一種可以在不同類型、不同規格的園藝設施中使用的表冷器-熱泵聯合集熱系統的設計計算方法，并以文獻[17]中的集放熱系統為例，示范了如何利用此方法進行具體的設計和計算。

1 表冷器-熱泵聯合集熱系統

1.1 系統組成

如圖 1，表冷器-熱泵聯合集熱系統[17]主要包括表冷器-風機（1）、熱泵機組（2）、集熱池潛水泵（3）、集熱池（4）、儲熱池（5）、儲熱池潛水泵（6）、三通閥（7）七部分。表冷器-風機同時兼有集熱與放熱功能；系統共有兩組供水管道和出水管道，兩組供水管分別與集熱池潛水泵和儲熱池潛水泵相連，兩組出水管道分別與熱泵機組蒸發側和儲熱池相連；集熱池與表冷器-風機相連；儲熱池與熱泵機組冷凝測和表冷器-風機相連，通過水的流動實現熱量交換。為使以上各通路不互相影響，通路交匯處均采用“L”型三通閥連接。

1. 表冷器-風機 2. 熱泵機組 3. 集熱池潛水泵 4. 集熱池 5. 儲熱池 6. 儲熱池潛水泵 7. 三通閥

1.2 工作過程

表冷器-熱泵聯合集放熱系統以水-氣換熱的方式，日間收集棚室空氣中盈余的熱量并儲存于儲熱池中，夜間再將這部分熱量從儲熱池中通過水循環釋放到空氣中以提高棚室內的氣溫。具體工作過程見文獻[17]系統工作原理。

2 表冷器-熱泵聯合集熱系統的設計方法

2.1 棚室熱負荷計算

棚室是對供熱系統的設計應該滿足以下要求:首先供熱系統要有足夠的供熱能力，能夠在室外設計溫度下保持室內所需要的溫度，保證棚室內植物的正常生長[18]。因此對棚室最大熱負荷的計算及其影響因素的量化，可為棚室設計供熱系統時提供重要依據[19]。

棚室的采暖總熱負荷按下式計算[18]：

=121+2+3（1）

式中為棚室采暖總熱負荷，W；1為結構附加系數；2為風力附加系數；1為棚室的圍護結構傳熱量，W；2為棚室的冷風滲透熱負荷，W；3為棚室的地面傳熱量，W。

圍護結構傳熱損失計算公式[18]如下：

式中K為棚室圍護結構的傳熱系數，W/(m2·K)；F為棚室圍護結構的傳熱面積，m2；T，T為分別為棚室內外采暖設計溫度，℃。

如果圍護結構的材料是由多種材料復合而成，作為一個整體，復合結構材料的傳熱系數按下式計算：

式中α為外圍護結構內表面的對流換熱系數；α為外圍護結構外表面的對流換熱系數；δ為外圍護結構各層材料的厚度，m；λ為外圍護結構各層材料的導熱系數，W/(m·K)。

冷風滲透熱損失計算公式如下：

式中C為空氣的定壓比熱，C=0.000 279 kW·h/(kg·℃)；為每小時冷風滲透進入棚室的空氣質量，kg/h；為棚室與外界的空氣交換率，即每小時的完全換氣次數；為棚室內部體積，m3；為室外溫度條件下空氣的容重，kg/m3。

地面傳熱損失計算公式如下：

式中3為通過棚室地面的總傳熱量，W；K為第區的地面傳熱系數，W/( m2·K)；F為第區的地面面積，m2。

2.2 熱泵的選型

水源熱泵的工作原理是基于熱力學第二定律，在運轉時僅壓縮機消耗少量電能，將水作為載體，吸收或釋放能量，經過管道流通，對途徑區域進行溫度調節[20-21]。

（6）

由公式（6）可得出熱泵機組制熱功率為

在某一工況下，當熱泵機組進行制熱運行時，機組制熱量與機組輸入功率的比值就是機組的性能系數[22]，計算公式如下：

式中N為機組的平均輸入功率，kW。

2.3 集熱池潛水泵的選型

據采暖熱負荷計算試驗棚室總需供熱量（J）。計算公式如下：

式中為實際總供熱量需求，J；T為為放熱時長，h。

系統總集熱量計算如下：

式中sys為系統的總集熱量，kJ；c為水的平均定壓比熱容，4.2 kJ/kg·℃；ρ為水的平均密度，1 000 kg/m3；1w為集熱池平均水流量，m3/h；en()為集熱池進水口溫度，℃；1v()為集熱池出水口溫度，℃；st為集熱開始時刻；ed為集熱結束時刻。

根據系統總集熱量及實際總供熱量需求，令E=，得出平均水流量1w，即為集熱池潛水泵所需達到的流量。

2.4 儲熱池潛水泵的選型

系統總放熱量計算如下：

式中sup為系統的總放熱量，kJ；2w為儲熱池平均水流量，m3/h；en2()為儲熱池進水口溫度，℃；1v2()為儲熱池出水口溫度，℃；T2為放熱開始時刻；T2為放熱結束時刻。

根據系統總放熱量及實際總供熱量需求，令E=，得出平均水流量2w，即為儲熱池潛水泵所需達到的流量。

2.5 儲熱池體積

系統總放熱量還可通過儲熱池中的水溫變化進行計算：

式中Δ2,sup為放熱階段儲熱池水溫變化，℃；2為儲熱池實際蓄水量，m3。

計算出的2是儲熱池實際蓄水量，考慮到需給儲熱水池預留一定的空間，避免在放熱過程中水溢出來，選擇儲備系數 1.2，即儲熱池體積′2=1.22。

2.6 表冷器-風機數量

表冷器-風機的供熱量可按下式計算[22]

式中為表冷器-風機的傳熱系數，W/(m2·℃)；為表冷器-風機的傳熱面積，m2；Δm為水與空氣間的對數平均溫差，℃。

對于空氣加熱過程來說，由于冷熱流體在進出口端的溫差比值常常小于2，所以可用算術平均溫差Δp代替對數平均溫差Δm。其中，

式中w1為進水水溫，℃；w2為出水水溫，℃；1為加熱前的空氣干球溫度，℃；2為加熱后的空氣干球溫度，℃。

式中′為單臺表冷器-風機面積，m2。

3 應用實例

3.1 試驗溫室

試驗溫室位于山東省菏澤市曹縣朱洪廟鄉袁莊村（34.4°N，115.3°E），溫室東西走向，試驗區長50 m，跨度10 m，后墻高3.1 m，脊高4.5 m，后坡長2.0 m，后坡仰角 45°，采用鍍鋅鋼管結構，前坡覆蓋材料為 0.1 mm聚烯烴塑料薄膜，溫室北墻采用130 mm聚苯乙烯發泡板裝配而成、東側山墻采用三七磚墻建造，西側緊挨對照溫室，用纖維增強復合塑料板分隔，溫室后坡采用0.1 mm 聚烯烴塑料薄膜和針刺氈棉被覆蓋。試驗期間，溫室內種植黃瓜，利用底部卷膜通風窗實現自然通風。

3.2 試驗溫室熱負荷及夜間需熱量計算

北方日光溫室黃瓜優質栽培中對夜間溫度的要求為15～20℃[24-25]，為滿足溫室內種植作物生產對溫度的需求，溫室內氣溫不低于15℃。根據公式計算得出試驗溫室夜間采暖熱負荷為46 105.3 W，按夜間共放熱5 h，總需供熱量為829.9 MJ。具體計算參數見表1。

根據公式計算得出：

1=32 730.5 W，2=10 320.2 W，3=2 400 W，

=121+2+3=46 105.3 W

據采暖熱負荷計算試驗溫室實際總供熱量。計算得=3 600×·T=829.9 MJ。

表1 計算參數表

3.3 熱泵的選型

3.4 集熱池潛水泵的選型

集熱池潛水泵所需流量可根據式（10）進行估算。

其中，取集熱時間為4 h，集熱水池進出水溫差3.5℃，得出1w=14.1 m3/h，故選集熱池循環水泵的流量取整為15 m3/h，匹配揚程選擇20 m。

3.5 儲熱池潛水泵的選型

儲熱池潛水泵所需流量可根據式（11）進行估算。其中，取放熱時間為5 h，儲熱水池進出水溫差3℃，得出2w=13.2 m3/h，故選儲熱池循環水泵的流量取整為14 m3/h，匹配揚程選擇20 m。

3.6 儲熱池體積

儲熱池體積可根據式（12）進行估算。其中，放熱階段的儲熱池水溫變化取為12 ℃，得出2=16.5 m3，取儲備系數取為1.2，得出′2= 19.8 m3，儲熱池內壁長3.7 m，寬3.7 m，高1.5 m，其結構由內向外依次為水泥砂漿保護層、防水層、冷底子油、水泥砂漿找平層、磚體墻、擠塑板、絲網水泥砂漿，水池上部覆蓋厚彩鋼板保溫。圖2為儲熱池結構示意圖。

1. 1：3水泥砂漿保護層 2. SBS卷材防水層 3. 冷底子油 4. 1：2.5水泥砂漿找平層 5. 磚體墻 6. 擠塑板 7.絲網水泥砂漿 8. 細石砼 9. 3：7灰土 10. 彩鋼板

3.7 表冷器-風機臺數

根據前期對表冷器-風機的多方面測試結果，選擇了FNH 型表冷器-風機作為集放熱裝置，每臺表冷器-風機換熱面積為42 m2，包含兩臺扇葉直徑0.4 m、輸入功率120 W的風機，其中，該型號的表冷器-風機的總傳熱系數表達式為[25]

式中v為空氣流速，m/s；為水流速度，m/s。

其中，空氣流速取3.5 m/s，主管直徑取為65 mm，故集熱和放熱時的水流速度分別按照其對應流量計算得到0.8和0.7 m/s，故其相應的傳熱系數為21.6和 21.4 W/m2·℃，在集熱時取平均水氣溫差為8℃，在放熱時取平均水氣溫差為6℃，由此可得出集熱和放熱時單臺表冷器-風機的換熱功率為7 253.3 W和5 388.6 W，并可得出理論集熱臺數及放熱臺數為6.4臺和8.6臺，選取安全系數為1.1，則得出實際集熱臺數及放熱臺數為7.0臺和9.4臺，選取二者中較大值取整為10臺。

3.8 表冷器-熱泵聯合集熱系統的布置

根據日光溫室的結構，為不影響日常作業，將管路緊貼于后墻，將一條主供水管路與一條主回水管路固定于屋脊下方，將另一條主回水管路固定于后墻中部，采用同程進水和出水的方式連接，供水和回水主管均使用直徑為65 mm的 PPR管。其中因日間熱空氣上升環流，為提高對溫室內熱量收集的效率，采用將表冷器-風機的出風口與后墻相對的安裝方式，其風向為自南向北下方吹送，如圖3所示為表冷器-熱泵聯合集熱系統在夜間放熱時的示意圖。

圖3 系統在夜間放熱時的示意圖

4 討 論

本文表冷器-熱泵聯合集熱系統中表冷器-風機成本約為1.1萬元，儲熱池與集熱池成本約為1.4萬元，熱泵成本約為3.7萬元，循環水泵、供、回水管路成本約為1.2萬元，合計建造成本約7.4萬元。在文獻[17]中，晴天假設3種模式下系統均需收集400 MJ的熱量，按照試驗期間實際耗電量進行等比例估算，風機模式、混合模式、聯合模式3種集熱模式的日間集熱耗電量分別為15.7、26.1和34.1 kW·h，假設放熱完全，每晚放400 MJ的耗電量約為26.2 kW·h，即在一天之內的運行電量為風機模式41.9 kW·h；混合模式52.3 kW·h；聯合模式60.3 kW·h，試驗基地正常電價0.58元/(kW·h)，折合為電費，運行成本分別為24.3、30.3和35.0元。在試驗條件下，如果使用燃氣熱風爐（天然氣供暖）提供同樣的400 MJ熱量，需消耗天然氣18.5 m3（設天然氣能源轉化效率為80%，天然氣熱值為37.59 MJ/m3）[30]。根據菏澤市曹縣發展和改革局發布的《關于非居民用天然氣銷售價格的通知》，非居民用戶天然氣售價為2.82元/m3，那么燃氣熱風爐的加溫成本為52.2元，分別較風機模式、混合模式和聯合模式高出114.8%、72.3%和49.1%，由此可見，表冷器-熱泵聯合集熱系統雖然前期投資成本較大，但熱泵的加入，有效提高了整個系統的集、放熱效率，并減小了水池容量，有利于增強系統抵抗連陰天等極端天氣的能力，總的來看，在運行成本、抗風險能力上都有較大的優勢。

本文旨在提供表冷器-熱泵聯合集熱系統的設計方法及應用實例，沒有涉及實際運行效果的相關分析，系統本身的加溫效果及放熱性能分析，將作為以后的研究內容。為盡力保證試驗溫室內空氣的均勻度，溫室內10 臺表冷器-風機按4 m的間隔傾斜吊掛于屋脊下方，但是尚未進行均勻性模擬和具體的測試。如何減小集放熱過程中溫室溫度的不均勻性，將在以后的研究中深入探索。

4 結 論

1）研究提出了表冷器-熱泵聯合集熱系統的設計方法。設計方法主要包括棚室熱負荷計算、熱泵的選型、集熱池潛水泵的選型、儲熱池潛水泵的選型、儲熱池體積的計算以及表冷器-風機臺數的確定等。此方法可針對不同溫室大棚進行表冷器-熱泵聯合集熱系統主要參數的計算。

2）以無蓄熱后墻試驗日光溫室為例，進行了表冷器-熱泵聯合集熱系統的計算設計。

試驗溫室東西走向長100 m，其中試驗區長50 m，南北跨度寬10 m，屋脊高4.5 m，在夜間平均氣溫為–10℃的條件下，為了保持棚內夜間氣溫不低于15℃，需要配置FNH型表冷器-風機10臺，熱泵的額定輸入功率為 15 kW，集熱池潛水泵流量為15 m3/h，儲熱池潛水泵流量為14 m3/h，儲熱池體積為19.8 m3。

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Design method for fan-coil units-heat pump combined heat collection system

Song Weitang1,2, Geng Ruo1, Wang Jianyu1, Liu Pingjian3, Chen Xianzhi1, Wang Pingzhi1,2※

(1.,,100083, C;2.,,100083, C;3.,274400,;4.325006)

In the new solar greenhouse with walls without heat storage function and a plastic tunnel covered with thermal blanket without walls (PTET), auxiliary heating measures should be taken to make up the lack of heat supply caused by canceling the heat storage and heat release function of the rear wall. At noon in winter, the temperature in greenhouses and plastic tunnels is higher, indicating that the air is rich in heat energy. It is an effective way to realize low-carbon and energy-saving production of horticultural facilities by using the excess air heat energy for night heating. Therefore, a thermal collecting and releasing developed with fan-coil units and heat storage pool for heat collection (TSFU), has been developed. But the heat collection capacity of this system is only (454.6±55.9) MJ and 142 MJ in sunny and cloudy days, respectively. Therefore, on the basis of this system, a heat pump is added, thus forming a combined heat collection system with fan-coil units and heat pump (FUHPS), aiming at improving the heat collection capacity of TSFU. FUHPS has three heat collection modes: fan-coil units heat collection mode (fan mode); fan-coil units+heat pump mixed heat collection mode (mixed mode); Combined heat collection mode of fan-coil units+heat pump (combined mode). The combined mode of sunny and cloudy days achieves (763.9±17.1) and (519.7±30.5) MJ respectively,which was higher than (439.3±4.7) and (223.1±8.9) MJ in the fan mode (which is the same as the heat collection operation mode of the TSFU), which are increased by 73.9% and 132.9% respectively. These results prove that the heat collection capacity of the system is significantly increased and the design is correct and feasible. In order to speed up the popularization and application of this new technology in solar greenhouses without heat storage function and plastic tunnels covered with thermal blanket, a design and calculation method of FUHPS which can be used in different types and specifications of horticultural facilities was provided. The design method mainly includes the calculation of greenhouse heat load, the selection of heat pump, the selection of submersible pump in heat collection pool and heat storage pool, the calculation of heat storage pool volume and the determination of the number of fan-coil units, etc. This method can be used to calculate the main parameters of the FUHPS for different greenhouses. Taking its practical application in 500 m2solar greenhouse without heat storage function as an example, it was calculated that at –10℃ at night, in order to keep the indoor temperature not lower than 15℃, 10 FNH fan-coil units were needed, the rated input power of heat pump was 15 kW, the flow rates of submersible pump in heat collection pool and submersible pump in heat storage pool were 15 and 14 m3/h respectively, and the volume of heat storage pool was 19.8 m3. The total investment in the early stage of this system is 74,000 yuan. On sunny days, assuming that 400 MJ of heat needs to be collected, the heating cost of gas-fired hot-blast stove is 114.8%, 72.3% and 49.1% higher than that of fan mode, mixed mode and combined mode of this system, respectively. It can be seen that although the early stage investment cost of this system is relatively high, the operating cost is relatively low.

greenhouse; design method; plastic tunnel; heat pump

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.036

S625.4

A

1002-6819(2021)-21-0315-06

宋衛堂，耿若，王建玉，等. 表冷器-熱泵聯合集熱系統的設計方法[J]. 農業工程學報，2021，37(21)：315-320.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.036 http://www.tcsae.org

Song Weitang, Geng Ruo, Wang Jianyu, et al. Design method for fan-coil units-heat pump combined heat collection system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 315-320. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.036 http://www.tcsae.org

2021-09-11

2021-10-29

國家重點研發計劃項目（2020YFD1000300）；浙江省科技計劃項目（2019C02009）；現代農業產業技術體系建設專項資金項目（CARS-23-D02）

宋衛堂，博士，教授，研究方向為設施園藝工程。Email：songchali@cau.edu.cn

王平智，工程師，研究方向為設施農業工程。Email：wpz@cau.edu.cn