日光溫室空氣-土壤源雙效熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能測試

王宇欣 辛粉萍 李雪嫄 王平智

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 北京 100083)

日光溫室空氣-土壤源雙效熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能測試

王宇欣 辛粉萍 李雪嫄 王平智

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 北京 100083)

為探索一種節(jié)能高效的日光溫室熱環(huán)境調(diào)控模式，基于熱泵技術(shù)，設(shè)計(jì)搭建了一種空氣-土壤源雙效熱泵系統(tǒng)，并對系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試分析。該系統(tǒng)將空氣、土壤2種不同熱源熱泵有效復(fù)合，采用串聯(lián)板式換熱模式，通過溫控器和電磁閥可實(shí)現(xiàn)4種供熱模式：空氣源熱泵單板換熱模式、空氣源熱泵雙板換熱模式、土壤源熱泵單板換熱模式和土壤源熱泵雙板換熱模式。通過日光溫室供暖水箱加溫測試，分析雙效熱泵系統(tǒng)在不同模式下的性能系數(shù)(COP)和節(jié)能效果。春季測試期間，空氣源單板換熱模式下熱泵COP平均值為2.1，雙板換熱模式下熱泵COP平均值為3.1，與溫室燃煤加溫鍋爐相比平均節(jié)能50.4%；土壤源單板換熱模式下平均性能系數(shù)為2.2，雙板換熱模式下平均性能系數(shù)為2.3。冬季測試期間，典型晴天里空氣源熱泵雙板換熱模式可有效提升溫室模型內(nèi)氣溫，與室外氣溫相比平均提升15.7℃。測試結(jié)果顯示，相同熱源條件下，冷凝端采用雙板換熱模式時(shí)機(jī)組COP高于單板換熱模式，雙板換熱模式可提高機(jī)組整體換熱效率和節(jié)能效果?？諝?土壤源雙效熱泵系統(tǒng)可以有效利用空氣能和地?zé)崮?，在日光溫室熱環(huán)境調(diào)控方面具有較好的應(yīng)用前景。

空氣源熱泵； 土壤源熱泵； 雙板換熱； 性能系數(shù)

引言

目前，我國北方地區(qū)日光溫室一般無加熱設(shè)備，主要依靠白天蓄積太陽能來提高室內(nèi)溫度。因此，冬季北方日光溫室室內(nèi)氣溫、地溫常難以達(dá)到喜溫性瓜果蔬菜的生產(chǎn)要求[1]，致使作物生長遲緩，有時(shí)甚至出現(xiàn)冷害和凍害現(xiàn)象，嚴(yán)重影響蔬菜品質(zhì)和產(chǎn)量。為保證蔬菜的產(chǎn)量與品質(zhì)，需在冬季為日光溫室配備加溫設(shè)備。而目前常用的加溫方式主要依靠燃煤進(jìn)行，消耗大量不可再生能源，同時(shí)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和生產(chǎn)成本的提高。因此，尋求經(jīng)濟(jì)環(huán)保的日光溫室冬季加溫方式具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的節(jié)能裝置[2]，常用的低位熱源一般為空氣、水及土壤，按熱源種類分類主要包括空氣源熱泵、水源熱泵和土壤源熱泵。目前，已有將熱泵技術(shù)運(yùn)用到設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室加溫的研究，并取得了一定節(jié)能環(huán)保效果[3-10]。TONG等[11]將空氣-空氣熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于溫室，測試結(jié)果顯示熱泵運(yùn)行期間溫室內(nèi)溫度分布比較均勻。 SATO等[12]開展了溫室燃油熱風(fēng)系統(tǒng)和空氣源熱泵-燃油熱風(fēng)聯(lián)合系統(tǒng)的加溫成本問題，結(jié)果表明聯(lián)合系統(tǒng)可以減少46%的能量投入和24%的能源成本。方慧等[13]設(shè)計(jì)搭建了一套地源熱泵與地板散熱方式相結(jié)合的供暖系統(tǒng)，并對加熱效果進(jìn)行了試驗(yàn)。JEON等[14]將土壤源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于溫室冬季加溫，平均性能系數(shù)達(dá)到3.4。劉明池等[15]利用水源熱泵對連棟溫室進(jìn)行熱水供暖，試驗(yàn)結(jié)果表明，白天室內(nèi)最高氣溫可達(dá)20℃，夜間最低為14℃。孫先鵬等[16]采用太陽能蓄熱聯(lián)合空氣源熱泵對日光溫室進(jìn)行加熱，試驗(yàn)結(jié)果表明，該熱泵加熱系統(tǒng)在提高了溫室內(nèi)空氣、土壤溫度的同時(shí)，也有效降低了溫室內(nèi)的濕度。

空氣源熱泵以環(huán)境空氣為熱源，受環(huán)境和季節(jié)影響較大，對于冬季較寒冷且室外空氣較潮濕的地區(qū)，室外換熱器易結(jié)霜，制熱效率顯著下降[17-19]。而低溫空氣源熱泵工作最低溫度也只能達(dá)到-30～-25℃[20-21]，對于冬季極端氣溫低于-30℃的東北地區(qū)而言，仍不能滿足使用需求。同時(shí)，低溫空氣源熱泵也存在著運(yùn)行效率低、安裝費(fèi)用高、除霜局限性等問題[22]。土壤源熱泵換熱器埋置地下，無需除霜，且由于土壤具有蓄熱特性，地表以下一定深度處的土壤相對于地表溫度較高，使得土壤源熱泵裝置比空氣源熱泵具有更高的節(jié)能效果[23]。但對于溫室而言，其冷熱負(fù)荷差距較大，單獨(dú)使用土壤源熱泵時(shí)其運(yùn)行性能會(huì)逐年降低。

為滿足北方寒冷地區(qū)日光溫室的采暖負(fù)荷需求，本文將空氣源熱泵和土壤源熱泵有效復(fù)合，設(shè)計(jì)構(gòu)建一種空氣-土壤源雙效熱泵系統(tǒng)并對系統(tǒng)性能進(jìn)行測試分析。

1 雙效熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與原理

1.1 雙效熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所構(gòu)建的雙效型熱泵是從土壤或空氣中獲取低位熱能，經(jīng)過電能做功，提供可被日光溫室加溫所用的高位熱能，并最終通過循環(huán)管路將熱水輸送至日光溫室，實(shí)現(xiàn)溫室的冬季供熱?？諝?土壤源雙效熱泵系統(tǒng)主要包括熱泵機(jī)組、控制系統(tǒng)、地下?lián)Q熱器和保溫蓄熱水箱等部分，各部分主要配件及選型見表1。試驗(yàn)所采用的日光溫室及保溫蓄熱水箱放置于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)通州試驗(yàn)站[24]，溫室試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且园阿蛐腿展鉁厥覟樵?，按剖面尺寸約1∶7設(shè)計(jì)搭建。模型長1.575 m，寬1.150 m，跨度1.000 m，總高0.980 m，后墻高0.340 m，脊高0.625 m，后屋面仰角約45°，前屋面底角65°。主體結(jié)構(gòu)包括覆蓋材料和骨架結(jié)構(gòu)，覆蓋材料包括透光塑料薄膜和保溫被，骨架結(jié)構(gòu)包括前屋面骨架、圍護(hù)墻體和底板。從經(jīng)濟(jì)和適用性出發(fā)，熱泵機(jī)組的功率應(yīng)與溫室熱負(fù)荷相匹配，熱泵機(jī)組以0.735 kW為單位構(gòu)建。

1.1.1熱泵機(jī)組

試驗(yàn)搭建的熱泵機(jī)組中的冷凝器使用外置式釬焊板換熱器，具有不占用蓄熱水箱空間的優(yōu)點(diǎn)。此外，在冷凝端采用2部板式換熱器串聯(lián)形式，通過管路設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)單板換熱和雙板換熱2種運(yùn)行模式。熱泵機(jī)組外觀如圖1所示。

1.1.2地埋管換熱器

本試驗(yàn)選用水平蛇形埋管方式，盤管間設(shè)3組不同間距，分別為250、300、350 mm，盤管埋深為1.5 m。共鋪設(shè)盤管10道，每根長度為2 m，總長20 m。

表1 空氣-土壤源雙效熱泵系統(tǒng)配件選型Tab.1 Parts selection of air-soil source dual-source heat pump system

圖1 熱泵機(jī)組實(shí)物圖Fig.1 Pictures of heat pump unit

1.2 雙效熱泵系統(tǒng)工作原理

試驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)建的空氣-土壤源雙效熱泵系統(tǒng)可通過控制電磁閥的通斷實(shí)現(xiàn)機(jī)組不同運(yùn)行模式之間的切換，以滿足不同的使用需求。在室外環(huán)境條件不適宜空氣源熱泵使用時(shí)啟用土壤源熱泵模式，以避免寒冷地區(qū)冬季單獨(dú)運(yùn)行空氣源熱泵的低溫適應(yīng)性問題；當(dāng)室外環(huán)境滿足空氣源熱泵正常使用條件時(shí)，使用空氣熱泵模式，以緩解地源熱泵模式下取、放熱不平衡問題。圖2所示為空氣-土壤源雙效熱泵系統(tǒng)示意圖。

雙效熱泵系統(tǒng)通過不同閥門的啟閉可實(shí)現(xiàn)4種不同換熱模式：空氣源熱泵單板換熱模式、空氣源熱泵雙板換熱模式、土壤源熱泵單板換熱模式和土壤源熱泵雙板式換熱模式?？刂颇Ｊ角袚Q示意圖如圖3所示。

圖2 空氣-土壤源雙效熱泵系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of air-soil dual source heat pump system 1.空氣源熱泵蒸發(fā)器 2.節(jié)流裝置 3.儲(chǔ)液罐 4.四通換向閥 5.壓縮機(jī) 6.第一冷凝器 7.第一循環(huán)水泵V1 8.第一自動(dòng)補(bǔ)水式膨脹水箱 9.保溫蓄熱水箱 10.土壤源熱泵蒸發(fā)器 11.地埋管換熱器 12.第一流量計(jì) 13.第二循環(huán)水泵V2 14.第二自動(dòng)補(bǔ)水式膨脹水箱 15.第二流量計(jì) 16.第二冷凝器N1.第一閥門 N2.第二閥門 N3.第三閥門 N4.第四閥門 N5.第五閥門 N6.第六閥門 N7.第七閥門 N8.第八閥門 N9.第九閥門 N10.第十閥門 W1.土壤源熱泵蒸發(fā)器進(jìn)口管壁測溫點(diǎn) W2.土壤源熱泵蒸發(fā)器出口管壁測溫點(diǎn) W3.第一冷凝器進(jìn)口管壁測溫點(diǎn) W4.第一冷凝器出口管壁測溫點(diǎn) W5.第二冷凝器進(jìn)口管壁測溫點(diǎn) W6.第二冷凝器出口管壁測溫點(diǎn) W7、W8.水箱測溫點(diǎn) W9～W17.地埋管測溫點(diǎn)

圖3 空氣-土壤源雙效熱泵控制模式切換示意圖Fig.3 Diagram of air-soil dual source heat pump system control pattern switching

空氣源熱泵蒸發(fā)器、第八閥門、儲(chǔ)液罐、四通換向閥、壓縮機(jī)、第一冷凝器、第三閥門、節(jié)流裝置和第六閥門通過管道依次相連，構(gòu)成包含單板換熱器的空氣源熱泵系統(tǒng)；空氣源熱泵蒸發(fā)器、第八閥門、儲(chǔ)液罐、四通換向閥、壓縮機(jī)、第一冷凝器、第四閥門、第二冷凝器、第五閥門、節(jié)流裝置和第六閥門通過管道依次相連，構(gòu)成包含雙板換熱器的空氣源熱泵系統(tǒng)，即機(jī)組內(nèi)熱媒通過冷凝器放熱后，將通過冷凝器再次放熱，實(shí)現(xiàn)二次換熱；土壤源熱泵蒸發(fā)器、第九閥門、儲(chǔ)液罐、四通換向閥、壓縮機(jī)、第一冷凝器、第三閥門、節(jié)流裝置和第七閥門通過管道依次相連，構(gòu)成包含單板換熱器的土壤源熱泵系統(tǒng)；土壤源熱泵蒸發(fā)器、第九閥門、儲(chǔ)液罐、四通換向閥、壓縮機(jī)、第一冷凝器、第四閥門、第二冷凝器、第五閥門、節(jié)流裝置和第七閥門通過管道依次相連，構(gòu)成包含雙板換熱器的土壤源熱泵系統(tǒng)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與時(shí)間

測試試驗(yàn)于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)通州區(qū)試驗(yàn)基地——北京國際都市農(nóng)業(yè)科技園(北京市通州區(qū)潞城鎮(zhèn)賈后疃村西200 m，39.9°N，116.8°E)露天環(huán)境中進(jìn)行。

熱泵機(jī)組性能測試主要分冬季1月份和春季3月份兩階段進(jìn)行。冬季1月份為初步測試階段，于2016年1月10日—1月26日進(jìn)行空氣源單板換熱模式和雙板換熱模式的性能測試。春季3月份測試階段于2016年3月15日—3月31日進(jìn)行，在冬季測試基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和完善，并且補(bǔ)充土壤源熱泵方面相關(guān)測試。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.2.1溫度測量

(1)數(shù)據(jù)采集單元

熱電偶、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)組成熱泵供熱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元。本試驗(yàn)采用安捷倫(Agilent technology)34972A型數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集。

(2)測點(diǎn)布置

熱泵機(jī)組測點(diǎn)布置：3個(gè)板式換熱器進(jìn)行溫度測點(diǎn)布設(shè)，布置于板換上下進(jìn)出口管壁上(圖2中W1～W6)。

水箱水溫測點(diǎn)布置：在水箱進(jìn)出水口正下方水箱中部處設(shè)置2個(gè)溫度測點(diǎn)，取其均值作為水箱水溫(圖2中W7、W8)。

地埋管換熱器測點(diǎn)布置：鋪設(shè)有10道地埋管，設(shè)置了3種不同管間距，隨機(jī)選擇3道管進(jìn)行3種間距管溫?cái)?shù)據(jù)采集，每根管均勻設(shè)置3個(gè)溫度探測點(diǎn)，共設(shè)置9個(gè)溫度采集點(diǎn)(圖2中W9～W17)。

2.2.2耗電量測量

試驗(yàn)選用DDS334型單相電子式電能表用于測試熱泵機(jī)組運(yùn)行過程中耗電量，額定電壓220 V，頻率50 Hz，標(biāo)定電流為5 A，額定最大電流是20 A。

2.2.3熱泵性能測試

熱泵性能系數(shù)是熱泵在運(yùn)行中獲得的熱量與消耗的能量之比，即機(jī)組性能系數(shù)COP值。測試期間熱泵加溫過程是通過循環(huán)水泵將熱量輸送并儲(chǔ)存于蓄熱水箱中，實(shí)現(xiàn)水箱內(nèi)溫室加溫用水的熱量的高效提升，其制熱效果可根據(jù)水箱蓄熱量和熱泵機(jī)組、循環(huán)水泵的耗電量來計(jì)算，機(jī)組耗電量可由電能表讀出。

熱泵機(jī)組供熱量Q及其COP計(jì)算公式為[25-26]

Q=CpmΔt

(1)

(2)

式中Q——熱泵機(jī)組供熱量，kJ

Cp——水定壓比熱容，取4.18×103J/(kg·K)

m——加熱水的質(zhì)量，取39 kg

Δt——水在測試時(shí)間內(nèi)上升的溫度，℃

P——機(jī)組設(shè)備耗電量，kJ

2.2.4熱泵節(jié)能量測試

熱泵系統(tǒng)制熱需要消耗部分電能，該部分電能通過計(jì)算可轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量。若利用燃煤鍋爐進(jìn)行加溫，為得到與熱泵系統(tǒng)相同的制熱量，燃煤鍋爐將消耗一定量的標(biāo)準(zhǔn)煤。燃煤鍋爐消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤量與熱泵系統(tǒng)耗電量轉(zhuǎn)換得到的標(biāo)準(zhǔn)煤量之間的差值即為熱泵系統(tǒng)供暖節(jié)能量，即一次能源節(jié)省量。本文中，熱泵系統(tǒng)節(jié)能率按熱泵系統(tǒng)節(jié)能量占燃煤鍋爐耗煤量的百分比進(jìn)行計(jì)算，即表示在得到相同制熱量的條件下，熱泵系統(tǒng)較燃煤鍋爐減少的耗煤量占燃煤鍋爐耗煤量的百分比。

水箱通過熱泵機(jī)組所獲得的熱量Q若為燃煤鍋爐獲得，則用燃煤鍋爐時(shí)消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤質(zhì)量為

(3)

式中M1——燃煤鍋爐制熱量為Q時(shí)消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤質(zhì)量，kg

Jh——標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，取29 260 kJ/kg

ηg——燃煤鍋爐效率，取0.67

ηw——管網(wǎng)輸送效率，取0.90

熱泵加溫消耗的電量P轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量為

(4)

式中M2——熱泵制熱量為Q時(shí)耗電量P轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量，kg

ηd——火力發(fā)電廠的發(fā)電效率，取0.41

ηp——輸配電效率，取0.95

熱泵系統(tǒng)節(jié)能率j為

(5)

2.2.5溫室模型采暖熱負(fù)荷計(jì)算

溫室模型采暖熱負(fù)荷參考JB/T 10297—2014《溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算，包括傳熱損失、滲透熱損失和地面熱損失。其中，由于溫室模型地面與圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用相同材料，并未利用土壤地面作為溫室模型地面，所以地面損失仍按照圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱損失計(jì)算。

溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱損失為

(6)

式中q1——溫室維護(hù)結(jié)構(gòu)(包括墻體、透光屋面、不透光后坡、門窗等)的傳熱損失，W

μj——第j種圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

Aj——第j種圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面積，m2

ni——圍護(hù)結(jié)構(gòu)種數(shù)

ti——室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，取喜溫瓜果類蔬菜適宜溫度12℃

to——室外設(shè)計(jì)溫度，計(jì)算實(shí)時(shí)溫室模型熱負(fù)荷時(shí)取室外實(shí)際溫度，℃

滲透熱損失為

q2=0.5kwVN(ti-to)

(7)

式中q2——滲透熱損失，W

V——溫室空氣體積，m3

N——每小時(shí)換氣次數(shù)，取1.5 次/h

kw——風(fēng)速因子，取1.00

溫室模型采暖熱負(fù)荷為

qm=q1+q2-SrαAg

(8)

式中qm——溫室模型采暖熱負(fù)荷，W

Sr——室外太陽輻照度，W/m2

α——溫室模型獲得的太陽輻射熱占室外太陽輻照度百分比，取70%[26]

Ag——溫室模型地面面積，m2

溫室模型室內(nèi)計(jì)算溫度為

(9)

式中t——溫室模型室內(nèi)計(jì)算溫度，℃

Ph——溫室模型采暖功率，加熱時(shí)取熱泵機(jī)組提供的采暖功率，日間停止供暖時(shí)取溫室獲得的太陽輻射熱，W

溫室模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 溫室模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Parameters of enclosure in greenhouse model

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

測試期間的溫度采集時(shí)間間隔設(shè)為10 min。采用軟件WPS表格進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理與作圖，采用軟件SPSS 17.0進(jìn)行對比試驗(yàn)的獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)方差分析，在0.05水平上進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯著性差異比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同測試階段系統(tǒng)性能分析

3.1.1冬季測試階段系統(tǒng)性能分析

冬季初步測試階段，于2016年1月10日、1月11日和1月14日運(yùn)行空氣源單板換熱模式，2016年1月20日、1月25日和1月26日運(yùn)行空氣源雙板換熱模式。由于冬季試驗(yàn)期間場地問題，土壤源熱泵模式未能運(yùn)行。測試期間室外氣溫如圖4所示。冬季測試期間熱泵運(yùn)行工況如表3所示，空氣源單板換熱模式下蓄熱水箱水溫平均升高速率為12.5℃/h，平均COP為1.1。空氣源雙板換熱模式下機(jī)組平均蓄熱水箱水溫平均升高速率為15.4℃/h，比單板換換熱模式高2.9℃/h；平均COP為1.4，比單板換熱模式高0.3。同一測試階段，對比2種換

熱模式，空氣源雙板換熱運(yùn)行模式下，機(jī)組加熱性能優(yōu)于空氣源單板換熱模式，表明機(jī)組冷凝端串聯(lián)另一板式換熱器可有效強(qiáng)化機(jī)組與水箱熱交換能力，提高機(jī)組的換熱效率。

圖4 冬季測試期間室外氣溫變化曲線Fig.4 Parameters of outdoor temperature during winter test

日期運(yùn)行時(shí)間段運(yùn)行時(shí)長/h運(yùn)行模式水箱溫度變化/℃水箱溫度升高速率/(℃·h-1)耗電量P/kJ水箱蓄熱量Q/kJCOP天氣2016?01?1012：00—14：2023空單-30～2551234239446683011多云2016?01?1113：10—15：4025空單80～3901244608050536211晴2016?01?1412：25—15：3732空單-10～4001285898266838011晴2016?01?2014：05—16：2523空雙20～3801574239458687014霾2016?01?2513：20—15：3823空雙-40～3601744239465520015晴2016?01?2613：50—16：2025空雙100～4291314608053585012晴

以典型晴天(1月25日、1月26日)為例，計(jì)算分析溫室模型內(nèi)加熱后溫度變化情況。溫室模型保溫被于25日17時(shí)覆蓋，26日9時(shí)揭開，利用25日蓄熱水箱內(nèi)存儲(chǔ)熱量對溫室模型加熱，自25日17時(shí)加熱至26日9時(shí)，共加熱16 h，加熱功率約為113.7 W。圖5為1月25日17時(shí)至1月26日16時(shí)的室外溫度與溫室模型采暖熱負(fù)荷曲線圖，日間太陽輻射熱充足時(shí)按零記。圖6為1月25日17時(shí)至1月26日16時(shí)室外計(jì)算溫度與溫室模型內(nèi)溫度變化曲線。

圖5 室外計(jì)算溫度和模型溫室熱負(fù)荷Fig.5 Outdoor computational air temperature and heat load of greenhouse model

由圖5可以看出，溫室模型熱負(fù)荷自1月25日17時(shí)起至1月26日7時(shí)隨室外計(jì)算溫度的降低而逐漸增加，自26日7時(shí)至8時(shí)隨室外計(jì)算溫度的上升而減少；1月26日早9時(shí)掀開保溫被，溫室模型熱負(fù)荷增大，原因是保溫被掀開使前屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加，散熱量迅速增加；26日9時(shí)后熱負(fù)荷隨室外計(jì)算溫度的升高而逐漸減少，自26日11時(shí)起，不再需要額外加熱即可達(dá)到適宜溫度；自26日14時(shí)起室外計(jì)算溫度開始下降，16時(shí)起模型溫室為維持適宜溫度再次需要加熱。

圖6 加熱條件下模型溫室內(nèi)溫度與室外計(jì)算溫度Fig.6 Indoor air temperature under heating of greenhouse model and outdoor computational air temperature

由圖6可以看出，加熱條件下溫室模型內(nèi)溫度與室外計(jì)算溫度有著相似的增減趨勢，自1月25日17時(shí)起，溫室模型內(nèi)溫度隨室外溫度下降而降低，1月26日7時(shí)至8時(shí)之間的平均溫度達(dá)到最低值4.6℃，比室外高15℃；自1月26日7時(shí)起，室外計(jì)算溫度逐漸升高，模型溫室內(nèi)溫度也逐漸升高，于13時(shí)左右達(dá)到最高值24.5℃，比室外高26℃；9時(shí)室內(nèi)溫度升高較快是因?yàn)榇藭r(shí)剛剛關(guān)閉加熱系統(tǒng)，計(jì)算該時(shí)刻室內(nèi)溫度時(shí)除考慮太陽輻射熱，也應(yīng)將加熱功率算入溫室得熱，所以此時(shí)刻溫室模型得熱量較大；13時(shí)后，室外太陽輻射照度逐漸降低，溫室模型內(nèi)獲得的太陽輻射熱逐漸減少，溫度逐漸降低。

冬季測試階段，2種換熱模式下熱泵COP較低。一方面因?yàn)闇y試階段熱泵放置室外，環(huán)境溫度較低，熱泵從空氣中取熱量少，且制冷劑加注量不足，影響系統(tǒng)運(yùn)行效率；另一方面，受室外低溫影響，熱泵機(jī)組內(nèi)部管路保溫不充分，熱交換過程中熱損失較大，導(dǎo)致部分熱量損失。

3.1.2春季測試階段系統(tǒng)性能分析

春季測試階段，于2016年3月17日和3月21日運(yùn)行空氣源單板換熱模式，2016年3月19日和3月20日運(yùn)行空氣源雙板換熱模式，2016年3月25日和3月26日運(yùn)行土壤源單板換熱模式，2016年3月24日運(yùn)行土壤源雙板換熱模式。測試期間室外氣溫如圖7所示。

春季測試期間熱泵運(yùn)行工況如表4所示，與燃煤鍋爐相比，節(jié)能情況見圖8。春季3月份測試期間分別進(jìn)行了空氣源單板換熱(空單)、空氣源雙板換熱(空雙)、土壤源單板換熱(土單)和土壤源雙板換熱(土雙)4種模式的運(yùn)行試驗(yàn)。春季測試期間機(jī)

圖7 春季測試期間室外氣溫變化曲線Fig.7 Parameters of outdoor temperature during spring test

組整體性能指數(shù)較冬季顯著提升?？諝庠磫伟鍝Q熱模式下蓄熱水箱水溫平均升高速率為23.7℃/h，平均COP為2.1，與燃煤鍋爐相比平均節(jié)省一次能源消耗26.2%?？諝庠措p板換熱模式下蓄熱水箱水溫平均升高速率為35.1℃/h，比單板模式高11.4℃/h；平均COP為3.1，比單板模式高1.0；與燃煤鍋爐相比平均節(jié)能50.4%，比單板模式高24.2%。土壤源單板換熱模式下蓄熱水箱水溫平均升高速率為21.6℃/h，平均COP為2.2，與燃煤鍋爐相比平均節(jié)能可達(dá)28.7%。土壤源雙板換熱模式下蓄熱水箱水溫平均升高速率為23.3℃/h，比單板模式高1.7℃/h；平均COP為2.3；與燃煤鍋爐相比節(jié)能33.7%，比單板模式高5.0%。相同熱源條件下，對比分析熱泵冷凝端兩種不同換熱模式，冷凝端采用雙板換熱模式時(shí)機(jī)組COP高于單板換熱模式。同時(shí)，雙板換熱模式的節(jié)能效果也優(yōu)于單板換熱模式。不同熱源條件下，對比分析空氣源熱泵和土壤源熱泵兩種熱源形式，單板換熱模式下，空氣源熱泵COP與土壤源熱泵無顯著性差異；雙板換熱模式下，空氣源熱泵機(jī)組COP明顯高于土壤源熱泵。

表4 春季測試期間熱泵運(yùn)行工況Tab.4 Operating condition of heat pump during spring test

圖8 春季測試期間雙效熱泵節(jié)能情況Fig.8 Energy conservation of air-soil source double-effect heat pump system during spring test

3.2 熱泵瞬時(shí)熱力性能分析

對春季3月19日(多云)空氣源雙板換熱模式及3月24日(晴)土壤源雙板換熱模式進(jìn)行瞬時(shí)熱力性能分析，圖9為熱泵運(yùn)行階段蓄熱水箱水溫和機(jī)組COP的變化趨勢。

由圖9可看出熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期間COP呈先升后降的趨勢，蓄熱水箱水溫呈逐漸升高趨勢，且水溫升高速率逐漸降低：3月19日空氣源雙板換熱模式運(yùn)行初期COP較低，13:50時(shí)COP為2.99，之后

COP迅速升高，并于14:00左右達(dá)到最大值4.27，之后機(jī)組COP呈下降趨勢，且水溫升高速率開始減緩；3月24日土壤源雙板換熱模式運(yùn)行初期COP較低，10:10機(jī)組COP為1.9，之后逐漸升高，并于10:50達(dá)到最大值3.6，之后COP逐漸減小，水溫升高速率逐漸降低。分析原因?yàn)椋簷C(jī)組剛開始運(yùn)行時(shí)瞬時(shí)COP較低，主要因?yàn)闊岜眯枰欢〞r(shí)間的預(yù)熱，之后熱泵系統(tǒng)從熱源不斷吸收熱量使得COP逐漸升高，水箱水溫也逐漸升高。而由于水箱水溫不斷升高，使得循環(huán)管路中熱水與冷凝器之間的熱交換效率降低，因而機(jī)組制熱性能下降。同時(shí)，水箱水溫不斷升高，與室外溫度間差距逐漸增大，水箱散熱量逐漸增大，也使得機(jī)組COP不斷下降。

圖9 蓄熱水箱水溫和COP變化趨勢Fig.9 Changing trends of water temperature and COP

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)搭建的空氣-土壤源雙效熱泵系統(tǒng)將空氣、土壤2種不同熱源熱泵有效復(fù)合，換熱器采用串聯(lián)板式換熱模式，通過溫控器和電磁閥可實(shí)現(xiàn)4種供熱模式：空氣源熱泵單板換熱模式、空氣源熱泵雙板換熱模式、土壤源熱泵單板換熱模式和土壤源熱泵雙板換熱模式。

(2)春季測試期間，空氣-土壤源雙效熱泵系統(tǒng)4種運(yùn)行模式下平均COP均達(dá)2.0以上，與燃煤鍋爐相比節(jié)能率均達(dá)25%以上。冬季測試期間，典型晴天時(shí)空氣源雙板換熱模式下的溫室模型各時(shí)刻室內(nèi)氣溫均高于室外氣溫，與室外氣溫相比平均提高15.7℃。

(3)在相同熱源條件下，對比分析冷凝端單板和雙板2種換熱模式，測試結(jié)果表明雙板換熱模式換熱效果優(yōu)于單板換熱模式。雙板換熱模式下?lián)Q熱面積增大，有助于熱媒之間充分換熱，進(jìn)而提高機(jī)組換熱效率和性能系數(shù)。同時(shí)，除換熱模式會(huì)對系統(tǒng)整體運(yùn)行效果造成影響外，熱泵機(jī)組所處環(huán)境、熱泵機(jī)組熱媒添加量和系統(tǒng)壓力也會(huì)影響空氣-土壤源雙效熱泵系統(tǒng)整體的運(yùn)行效果。

(4)試驗(yàn)設(shè)計(jì)搭建的空氣-土壤源雙效熱泵系統(tǒng)將空氣源與土壤源有效結(jié)合，有助于解決北方寒冷地區(qū)空氣源熱泵適應(yīng)性及土壤源熱泵運(yùn)行性能逐年降低的問題，且雙板換熱模式可有效提高換熱效率和機(jī)組性能系數(shù)。

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DesignandPerformanceTestofAir-SoilDual-sourceHeatPumpSystemforSolarGreenhouse

WANG Yuxin XIN Fenping LI Xueyuan WANG Pingzhi

(CollegeofWaterResourcesandCivilEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

In order to explore an energy-efficient thermal environment control model in greenhouse, based on heat pump technology, a new type of air-soil dual-source heat pump system matched with the greenhouse model was designed and built, and the system performance was also tested. This system was compounded of air source heat pump and soil source heat pump, and adopted the plate heat exchanger in series form. The air-soil dual-source heat pump system had four kinds of heating modes, including air source mode with single plate heat exchanger, air source mode with double plates heat exchanger, soil source mode with single plate heat exchanger and soil source mode with double plates heat exchanger. These working modes can be converted by controlling the on-off of the electromagnetic valve. The soil source heat pump mode can solve the adaptability problem of air source heat pump under low temperature condition, while the air source heat pump mode can alleviate the problem of imbalance of the acquisition and release of the soil source heat pump. In the winter and spring test period, theCOP(coefficient of performance) and temperature rise rate of the heat pump system in air source mode with single and double plates heat exchanger were tested by heating the water in the heat insulating water tank. The operation results in spring were better than that in winter. In spring, theCOPof the heat pump system in single and double plates air source mode were 2.1 and 3.1, respectively, and theCOPof the heat pump system in single and double plate soil source mode were 2.2 and 2.3, respectively. The energy-saving effect of air source mode with double plates heat exchanger was the most significant, the energy-saving rate was up to 50.4%. During the winter test period, the air source mode with double plates heat exchanger could raise the temperature in the greenhouse model in the typical sunny days. The indoor temperature was higher than the outdoor temperature about 15.7℃ on average. According to the results, the performance of the double plate heat exchanger was both better than that of the single plate heat exchanger during the winter and spring. The results also showed that both the amount of heating medium and system pressure can affect the effect of the dual-source heat pump system. In conclusion, this air-soil dual-source heat pump system can make use of air energy and geothermal energy efficiently to realize the energy conservation of solar greenhouse in winter.

air-source heat pumps; soil-source heat pumps; double plate heat exchanger; coefficient of performance

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.043

S214

A

1000-1298(2017)11-0350-09

2017-08-06

2017-08-31

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA103002)

王宇欣(1967—)，男，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程研究，E-mail: meller@163.com