基于熱泵技術的南疆溫室溫度控制系統(tǒng)中的優(yōu)化設計與試驗

摘 要： 南疆溫室等農(nóng)業(yè)設施的需求較大，但現(xiàn)有的電加熱溫室控制方式能耗較大，影響溫室的節(jié)能控制，溫度控制也有待進一步優(yōu)化。水源熱泵技術可將水處理與溫室溫度控制系統(tǒng)結合起來，達到節(jié)能與溫度優(yōu)化控制的效果。針對南疆農(nóng)業(yè)設施的資源利用與溫度控制問題現(xiàn)狀，利用水源熱泵技術與PLC控制技術，設計出可進行自動溫度調(diào)節(jié)的南疆溫室內(nèi)部溫度智能控制系統(tǒng)。試驗結果表明，系統(tǒng)設計合理，在南疆室外溫度條件下，溫室內(nèi)部的溫度控制穩(wěn)定可靠，實用性較強；在溫室控制優(yōu)化測試中，室內(nèi)溫度值穩(wěn)定在±2 ℃之間，屬于溫室的較優(yōu)控制范圍；在能耗的對比上，熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，與電加熱系統(tǒng)相比較，節(jié)能效果明顯。

關鍵詞： 溫室； 熱泵技術； 溫度自動控制； PLC

中圖分類號： TN964?34； S215 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）20?0175?04

Abstract： According to the situation of agricultural wastewater treatment resources and temperature control in southern Xinjiang， a greenhouse heating intelligent control system with automatic temperature regulation function was designed with the sewage source heat pump technology and PLC control technology. The test results show that the design of the sewage source heat pump system is reasonable， and its temperature control is stable and reliable under the condition of Southern Xijiang outdoor temperature. In the optimization test of greenhouse control， the indoor temperature can be stably controlled in the range of ±2 ℃， which is the optimum control range of a greenhouse. The energy?saving effect of the heat pump system is more obvious， compared with that of the electric heating system.

Keyword： greenhouse； heat pump technology； automatic temperature control； PLC

南疆晝夜溫差大，受自然條件影響，南疆當?shù)貙κ卟说男枨罅枯^大，溫室等設施農(nóng)業(yè)能很好地解決本地的蔬菜供應的問題。然而，現(xiàn)有的大型溫室控制系統(tǒng)中，溫度、濕度等參數(shù)的控制仍有待更進一步的優(yōu)化，以達到更好的溫室環(huán)境效果。在溫度的控制上，南疆地區(qū)現(xiàn)有的溫室溫度控制采用電加熱器供熱方式，能耗較大，不利于大型溫室設備的構建。水源熱泵技術是一種可以把水中低品位的熱能提取出來，利用高品位電能將其轉(zhuǎn)化為清潔能源供給設施建筑物，從而滿足設施內(nèi)作物生長所需要的溫度。水源熱泵系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保、運行可靠、設備投入相對較小等優(yōu)點，引起了研究人員的廣泛關注。劉明池針對連棟溫室的水源熱泵供暖系統(tǒng)進行了實測研究[1]，給出相對準確的各項熱負荷參數(shù)取值，進一步驗證了其可行性。王吉慶對溫室進行了改造，通過強化內(nèi)部覆蓋保溫、縮小直接加熱空間的辦法，對溫室節(jié)能效果進行了評價，與傳統(tǒng)燃煤鍋爐熱水供暖相比節(jié)能了近一半[2]。陳教料就熱平衡狀態(tài)下地表水源熱泵溫室供暖系統(tǒng)進行了試驗研究，結果表明溫室內(nèi)部溫度垂直分布均勻，能夠滿足作物生長所需溫度[3]。蔡軍等建立了溫室模型對其進行溫度自動控制，達到了預期效果[4]。總之，研究水源熱泵技術能夠較好地控制設施內(nèi)的溫度，提高溫室的能源利用率，具有重要的實際意義。本文針對南疆地區(qū)的農(nóng)業(yè)設施供暖與溫度控制現(xiàn)狀，設計一種可應用于智能溫室溫度加熱控制的水源熱泵控制系統(tǒng)，以滿足智能溫室的控制要求與生產(chǎn)實踐。

1 總體設計思路

1.1 試驗溫室

溫室位于兵團第一師阿拉爾市十團國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)核心區(qū)，共9連棟玻璃溫室，建筑總面積為9 600 m2，呈南北走向，東西長度為120 m，南北寬度為80 m，高度為7.8 m，每跨長度為6 m，具體如圖1所示。為適應南疆晝夜溫差大的氣候特點，溫室屋頂采用5 mm厚ATO涂膜玻璃，溫室墻體采用雙層5 mm厚中空鋼化玻璃。室內(nèi)配有保溫幕，在冬季進行開啟，可以很大限度減少與外界冷空氣的熱交換，達到良好的保溫效果。溫室主要是南果北種觀光體驗，主要分為蝴蝶蘭種植區(qū)，香蕉、火龍果、木瓜等多種熱帶水果種植區(qū)。溫室內(nèi)部采用低溫熱水（水溫55～45 ℃）鍍鋅圓翼散熱器采暖系統(tǒng)作為溫室的末端采暖裝置。

1.2 溫室內(nèi)部熱負荷計算

考慮種植作物主要是花卉及熱帶水果，結合南疆地區(qū)氣候特征，室內(nèi)作物生長溫度取18 ℃，室外計算溫度取-20 ℃。溫室熱負主要包括：圍護結構熱損失、冷風滲透熱損失及地面熱損失三個部分。

2 溫室控制系統(tǒng)設計

2.1 溫室加熱系統(tǒng)的設計

根據(jù)溫室內(nèi)部熱負荷計算，設計采用水源熱泵方式供熱系統(tǒng)鍍鋅圓翼散熱器散熱，散熱量為[400 W/m]，則需要總長7 680 [m]。本系統(tǒng)采用直接式系統(tǒng)[5]，整個系統(tǒng)結構如圖2所示，主要由污水提升加壓設備、阻垢設備、熱泵系統(tǒng)和溫室末端設備四大部分組成。其中熱泵系統(tǒng)包含蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥、壓縮機等主要部件，壓縮機為熱泵系統(tǒng)的核心部件，根據(jù)工藝要求，壓縮機的轉(zhuǎn)速變化將使熱泵系統(tǒng)運行加快，使溫室內(nèi)的溫度明顯提高。而溫室的溫度變化要求在一個可控的變化范圍，作物生長時，溫度要求穩(wěn)定在一個溫控標準值。壓縮機電機采用專用的阿特拉斯公司生產(chǎn)的電機，功率選擇為3.2 kW，型號為Y2?32M1?2。

2.2 溫室供熱控制系統(tǒng)設計

根據(jù)南疆氣候條件，在白天，日間溫度較高，溫度內(nèi)部溫度與濕度均較高，此時壓縮機工作轉(zhuǎn)速處于低速運行，南疆晝夜溫差較大，夜間要求壓縮機工作轉(zhuǎn)速提高，對溫室進行加熱控制。另外，壓縮機系統(tǒng)轉(zhuǎn)速還由污水提升泵、循環(huán)泵的要求決定。設計壓縮機的電氣控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示[6]。圖3中，采用DEB200型變頻器進行壓縮機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速的給定信號由PLC200通過采集溫度信號計算給定，轉(zhuǎn)速的控制由變頻器S1，S2，S3，S4進行多給轉(zhuǎn)速信號的選擇，當PLC通過計算后，自動給定S1，S2，S3，S4高、低電平信號，由高、低電平信號組成二進制碼輸入變頻器，變頻器由此接收轉(zhuǎn)速信號。

2.3 溫室PLC控制系統(tǒng)的設計

根據(jù)電氣原理圖，設計出PLC控制系統(tǒng)如圖4所示。圖4中，選擇可靠性較高的西門子PLC?200系統(tǒng)作為核心控制單元，其型號為S7?200 CPU224型可編程控制器。包括16位DI/DO模塊與2路AI模塊。由于模擬量信號較多，擴展選擇8路AI/AO模塊。溫室內(nèi)部的濕度、溫度信號，蒸發(fā)器及管道內(nèi)部的壓力信號通過壓力傳感器信號輸入至PLC的AI模塊端，PLC內(nèi)部信號通過對比、數(shù)值分析后，根據(jù)溫室的最優(yōu)溫度要求進行壓縮機轉(zhuǎn)速信號的給定。PLC的輸出繼電器采用固態(tài)繼電器輸出，增加了PLC信號的響應速度。圖4中K4和K5為變頻器轉(zhuǎn)速給定信號端口。

3 水源熱泵系統(tǒng)的測試與試驗

試驗前，先對水源熱泵系統(tǒng)進行測試試驗，檢測熱泵系統(tǒng)的整機運行情況。先從PLC內(nèi)部程序進行仿真分析，檢驗軟件系統(tǒng)的可行性，測試各部件及溫室內(nèi)部溫濕度傳感器等檢測系統(tǒng)的可靠性。確認軟件系統(tǒng)準備無誤后，再進行壓縮機的投入運行，然后依次啟動水提升泵、循環(huán)泵。試驗溫室采用兵團第一師阿拉爾市十團國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)核心區(qū)內(nèi)部智能溫室大棚，自帶各類溫濕度傳感器，可方便進行測量。試驗的運行時間為24 h，每小時進行一次溫度與濕度的測量，智能溫室大棚的傳感器布置如圖5所示。系統(tǒng)運行后的試驗結果如表1所示。從表1可以看出，在南疆室外溫度變化較大時，使用水源熱泵系統(tǒng)可以較好地控制溫室內(nèi)部溫度的變化，使溫室內(nèi)的溫度在21～23 ℃范圍內(nèi)變化，溫度值穩(wěn)定在±2 ℃之間，屬于溫室的較優(yōu)控制范圍。壓縮機的電流信號較為穩(wěn)定，高速與低速運行的控制性能良好，受溫度穩(wěn)定的影響，濕度的變化也較為穩(wěn)定，處于52%～62%之間。在能耗的對比上，熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，通過使用變頻控制，使24 h內(nèi)的工作總耗電量為5.5 kW·h，節(jié)能效果明顯。

將試驗前的原溫室采用的電加熱方式耗電量情況與增加熱泵系統(tǒng)后的耗電量情況進行數(shù)據(jù)對比，如圖6所示。從圖6可知，24 h的運行時間內(nèi)，熱泵系統(tǒng)耗電量從開始的0.2 kW·h增加至5.5 kW·h；電加熱系統(tǒng)則在24 h的運行時間段內(nèi)達到了11.5 kW·h，應用熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果明顯。

4 結 論

針對南疆溫室設施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀，利用水源熱泵技術，使用PLC控制技術，優(yōu)化設計出可進行自動溫度調(diào)節(jié)的南疆溫室溫度控制系統(tǒng)。水源熱泵系統(tǒng)設計合理，可應用在溫室的供暖處理，且溫度控制穩(wěn)定可靠，實用性較強；在溫室的應用上，室內(nèi)溫度值穩(wěn)定在±2 ℃之間，屬于溫室的較優(yōu)控制范圍，壓縮機的電流信號較為穩(wěn)定，高速與低速運行的控制性能良好；在能耗的對比上，熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，通過使用變頻控制，使24 h內(nèi)的工作總耗電量為5.5 kW·h，與電加熱系統(tǒng)相比較，節(jié)能效果明顯。

注：本文通訊作者為楊保存。

參考文獻

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