基于空氣源熱泵的溫室冬季加溫效果分析

王 強(qiáng) 楊禹堯 夏禮如 鮑恩財 曹 凱 伍德林*

（1安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥 230036；2江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，江蘇南京 210014）

溫室是指能控制或部分控制植物生長環(huán)境的建筑物，主要用于種植非季節(jié)性和非此地域的植物。國外溫室最早起源于羅馬（陳國輝 等，2004），在20世紀(jì)下葉開始大規(guī)模發(fā)展，目前日本、荷蘭、美國的溫室技術(shù)處于世界領(lǐng)先行列（申泰雄 等，1999；溫祥珍，1999；彭靖里 等，2001），這些國家研究起步較早，對溫室環(huán)境的綜合控制技術(shù)較成熟。我國在20世紀(jì)70年代末才開始引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)發(fā)展溫室，80年代才相繼出現(xiàn)了塑料大棚和日光溫室，90年代開始我國溫室逐步規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化（張曉文，2006）。溫室加溫技術(shù)能夠有效調(diào)控溫室內(nèi)的溫濕度，為蔬菜作物生長所需環(huán)境條件提供保障?，F(xiàn)階段我國溫室主要加熱方式為熱水采暖、熱風(fēng)加溫、電熱采暖和火道加溫等（盛國成，2006；王順生 等，2007）。這些傳統(tǒng)加溫方式耗能較大，排放的尾氣中含有大量的CO2、CO、SO2、NOx等有害氣體，對環(huán)境污染嚴(yán)重（王建輝 等，2014）。

隨著溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球變暖，節(jié)能減排一直是我國關(guān)注的重點，開發(fā)新能源和提高能源利用率等各種技術(shù)受到前所未有的重視。隨著國家“煤改電”政策的推進(jìn)和環(huán)保政策的收緊，傳統(tǒng)的燃煤鍋爐設(shè)備正在被淘汰。熱泵是能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低位熱能，經(jīng)過電能做功，提供可被人們所用的高位熱能的裝置，具有節(jié)能環(huán)保、供熱穩(wěn)定等優(yōu)點，且耗能較低，是近年來在全世界倍受關(guān)注的新能源技術(shù)。

熱泵根據(jù)所利用熱源的不同主要分為水源熱泵、空氣源熱泵和土壤源熱泵三大類。國外學(xué)者將熱泵應(yīng)用到溫室中較早，Marsh和Singh（1994）采用生命周期成本分析法（life cycle costing，LCC），分析了以礦井中的恒溫空氣為熱源的空氣源熱泵對溫室進(jìn)行加溫的可行性；Bot等（2005）分析了熱泵夏季儲熱為冬季供熱的溫室節(jié)能模式，理論節(jié)能率超過60%；Ozgener和Hepbasli（2005）測試得到土壤源熱泵對溫室供熱的性能系數(shù)（coefficient of performance，COP）為2.13（多云天）～2.84（晴天）；Yang和Rhee（2013）通過空氣源熱泵對溫室進(jìn)行冬季加溫、夏季降溫，節(jié)能效果顯著。熱泵蓄熱的COP一般都在2以上，避免了環(huán)境污染，節(jié)能效果顯著，但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，初始投資較高，系統(tǒng)性能的可靠性、穩(wěn)定性有待于進(jìn)一步驗證；熱泵蓄熱結(jié)合其他蓄熱方式應(yīng)用較單一應(yīng)用的效果會有所提高，在冬季供暖中具有良好的應(yīng)用前景，如何進(jìn)一步合理利用、合理配置溫室地源熱泵系統(tǒng)，完善相關(guān)技術(shù)，降低其建設(shè)費用、運行能耗和費用，將是今后重點研究解決的問題。

進(jìn)入21世紀(jì)，國內(nèi)學(xué)者開始探索熱泵在日光溫室上的應(yīng)用，柴立龍等（2010）在北京地區(qū)日光溫室利用以地下水為熱源的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了加溫試驗研究，結(jié)果表明熱泵的COP為3.83，與燃煤鍋爐相比節(jié)能42%。孫維拓等（2013）設(shè)計了一套日光溫室水循環(huán)主動蓄放熱與熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)，熱泵機(jī)組提供熱源為主動蓄放熱系統(tǒng)，結(jié)果表明試驗溫室夜間氣溫比對照溫室升高5.26～6.64 ℃，系統(tǒng)集熱效率達(dá)到了72.32%～83.62%，機(jī)組COP值為5.59，若只使用熱泵制熱的COP在4.38～5.17之間。王建輝等（2014）在河北省石家莊市某農(nóng)業(yè)高科技園區(qū)蔬菜基地2號溫室采用地源熱泵機(jī)組進(jìn)行加溫處理，得出地源熱泵加溫系統(tǒng)平均COP為5.83，節(jié)能效果顯著，熱泵加溫后夜間室內(nèi)氣溫和地溫穩(wěn)定在10 ℃以上，可以滿足冬季蔬菜生長要求。柴立龍等（2008）采用地源熱泵系統(tǒng)對溫室進(jìn)行降溫處理，結(jié)果表明制冷COP平均值達(dá)到3.01，具有明顯的降溫和除濕效果。不同類型的熱泵在不同工況環(huán)境下供熱與制冷性能系數(shù)會有很大差別，溫室供熱則需根據(jù)不同的地理位置和條件選擇適合的熱泵進(jìn)行供熱與制冷，但在保證供熱制冷指標(biāo)和效果的前提下，因地制宜的發(fā)展熱泵技術(shù)，盡最大可能減小能耗，達(dá)到節(jié)能要求，才是符合中國國情的發(fā)展目標(biāo)（陳冰，2011）。

空氣源熱泵是以空氣作為冬季熱源和夏季冷源向溫室供熱降溫的系統(tǒng)，它不受氣候影響，一年四季均可使用，而且系統(tǒng)初始投資較低，具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，在民用建筑上應(yīng)用較為廣泛，但在溫室蔬菜生產(chǎn)上的應(yīng)用研究還處于初級階段。孫維拓等（2015）設(shè)計了一套日光溫室空氣余熱熱泵加溫系統(tǒng)，系統(tǒng)白天適時工作，將日光溫室內(nèi)多余的空氣熱能吸收到蓄熱水池中；夜間室內(nèi)溫度較低時，風(fēng)機(jī)和水泵開始工作，當(dāng)蓄熱水池水溫降到一定溫度后，熱泵系統(tǒng)反向運行放熱；試驗溫室白天平均氣溫比對照溫室降低了3.7～5.2 ℃，相對濕度降低了12.3%～16.5%；夜間平均氣溫提高了2.8～4.4 ℃，相對濕度降低了8.0%～11.5%。孫先鵬等（2016）在西安地區(qū)采用太陽能聯(lián)合空氣源熱泵供熱系統(tǒng)為日光溫室供熱，選取冬季6～10 ℃的氣溫條件下對熱泵系統(tǒng)進(jìn)行測試研究，結(jié)果表明在低溫條件下，熱泵單獨供熱時系統(tǒng)的COP為2.09～2.45，太陽能聯(lián)合空氣源熱泵供熱時系統(tǒng)的COP為3.45～5.56。孫先鵬等（2015）還在西安地區(qū)進(jìn)行了太陽能聯(lián)合空氣源熱泵供熱系統(tǒng)對比試驗，結(jié)果表明單獨使用空氣源熱泵時系統(tǒng)的COP在2.2～3.5之間；太陽能聯(lián)合空氣源熱泵供熱時，系統(tǒng)的COP為2.9～6.0，空氣源熱泵節(jié)能效果顯著。

空氣源熱泵的性能會隨室外氣候變化而變化，特別是冬季運行易結(jié)霜導(dǎo)致機(jī)組效率降低，我國長江中下游及以南地區(qū)溫度普遍較高，空氣源熱泵不易結(jié)霜，因此有很好的應(yīng)用前景（張昌，2008）?？諝庠礋岜玫乃汀⒒仫L(fēng)管道的排布方式直接影響熱泵的使用效率和制熱效果，本試驗設(shè)計基于空氣源熱泵的連棟薄膜溫室冬季加溫系統(tǒng)，通過管道送風(fēng)對溫室進(jìn)行冬季加溫，測試室內(nèi)熱環(huán)境，以期為空氣源熱泵在溫室上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室

供試溫室位于江蘇省蘇州市張家港市常陰沙農(nóng)場（31°43′N，120°52′E），為圓弧形連棟薄膜溫室結(jié)構(gòu)，屋脊為南北走向，東西單個跨度為8.0 m，共12跨，南北單個開間為4.0 m，共10個開間，肩高3.0 m，脊高5.0 m。選取供試溫室北側(cè)中部2跨2開間作為試驗溫室，并在試驗溫室西側(cè)選取同等尺寸作為對照溫室，均采用聚乙烯薄膜（polyethylene，PE）進(jìn)行全封閉（圖1）。

1.2 熱泵加溫系統(tǒng)

空氣源熱泵機(jī)組（廣東菲拉利空調(diào)設(shè)備有限公司生產(chǎn)）型號為AWRZ120S-ZD-WS，額定輸入功率為14.2 kW，額定電流為27.3 A，制冷劑為R410a，制冷輸出功率為35 kW，制熱輸出功率為38 kW，排濕量為30 kg·h-1。

圖1 試驗溫室

試驗過程中，熱泵供熱為風(fēng)管送風(fēng)式，空氣源熱泵安裝在試驗溫室外側(cè)東部，送、回風(fēng)管道分別連通空氣源熱泵對應(yīng)的送風(fēng)口和回風(fēng)口。兩根送風(fēng)管道連接空氣源熱泵，然后靠溫室北側(cè)通往溫室東西中央線處，兩根回風(fēng)管道安置在東、西側(cè)溫室壁距地面3.0 m處（肩高位置），送、回風(fēng)管道外徑均為400 mm、壁厚12.3 mm，材質(zhì)為聚氯乙烯（polyvinyl chloride pipe，PVC），每根管道上開設(shè)小孔，小孔直徑100 mm，間距600 mm，開孔角度分別為斜向下45°和斜向上45°間隔布置。

1.3 試驗方法

2018年12月25日至2019年2月28日對試驗溫室中空氣源熱泵加溫系統(tǒng)的加溫效果進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其中試驗溫室溫濕度測點4個，分別布置于溫室?guī)缀沃行奶幍厣?.5 m處、東西管道中部風(fēng)口各1處、中部管道出風(fēng)口1處（管道中的溫濕度測點用來測量進(jìn)出風(fēng)口溫差使用，幾何中心處用來測量溫室的溫濕度）；對照溫室溫濕度測點位于溫室?guī)缀沃行奶幍厣?.5 m處；室外溫濕度測點位于距地面1.5 m高處。土壤溫度測點分別布置于試驗溫室與對照溫室?guī)缀沃行奶幖霸囼灉厥椅鞑窟呺H中部，土壤深度分別為距離地表以下10、20、30、40、50、60 cm。風(fēng)速儀分別放置在送、回風(fēng)管道中部風(fēng)口處測量風(fēng)速。太陽總輻射測點分別放置在試驗溫室和對照溫室中部距地面1.5 m高處。室外環(huán)境數(shù)據(jù)測點布置在距試驗溫室正西方10 m處的空曠場地，溫濕度測點和太陽總輻射測點的水平高度均與溫室內(nèi)測點一致（圖2、3）。

圖2 試驗溫室平面圖

圖3 試驗溫室剖面圖

室內(nèi)外溫濕度采用HOBO UX100-011溫濕度數(shù)據(jù)記錄器（溫度測量范圍：-40～70 ℃，測量精度：±0.21℃；濕度測量范圍：0～100%，測量精度：±2.5%）測量；土壤溫度采用T型熱電偶溫度傳感器〔合柔（上海）電線電纜有限公司生產(chǎn)，測量精度：±0.2 ℃〕測量；光輻射照度采用荷蘭Kipp &Zonen公司生產(chǎn)的CMP3太陽總輻射傳感器（溫度測量范圍：40～80 ℃；濕度測量范圍：0～100%）測量。T型熱電偶溫度傳感器、光輻射照度傳感器均使用LoggerNet軟件配合CR1000數(shù)據(jù)采集儀（美國Campbell公司生產(chǎn)）進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。上述儀器自動記錄數(shù)據(jù)的時間間隔均為30 min。風(fēng)速采用testo425熱敏風(fēng)速儀〔德國Testo公司生產(chǎn)，測量精度：風(fēng)速±（0.03 m·s-1+5%測量值）；分辨率：0.01 m·s-1〕進(jìn)行測量和記錄。

1.4 節(jié)能效果與COP計算

試驗過程中，選取天氣晴好、空氣源熱泵運行穩(wěn)定的一天（2019年1月24日）對空氣源熱泵供熱系統(tǒng)實際加熱效果進(jìn)行測量，空氣源熱泵24 h工作自動調(diào)節(jié)。凌晨0：00開始記錄數(shù)據(jù)，每次測量時間間隔為10 min。記錄試驗溫室內(nèi)外溫差以及與對照溫室的溫差，觀察并記錄電表讀數(shù)。對照溫室采用市網(wǎng)集中供暖，記錄0：00～24：00的室內(nèi)外溫差。分別計算試驗溫室和對照溫室的總能耗，折合為標(biāo)準(zhǔn)煤后進(jìn)行節(jié)能效果比較。

空氣源熱泵的COP值表示系統(tǒng)的加熱性能，COP值越大則節(jié)能效果越好，其計算公式為：

式中：COP為空氣源熱泵實際加熱系數(shù)；Qact為主動蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的換熱量；vτ為τ時段風(fēng)道內(nèi)空氣流速；A為風(fēng)道截面面積；Vin、Vout分別為τ時段進(jìn)、出口空氣的比容；Hin、Hout分別為τ時段進(jìn)、出口空氣的焓值；tτ為測試期間記錄數(shù)據(jù)的時間間隔，即600 s；P為空氣源熱泵系統(tǒng)總輸入功率。Hin、Hout、Vin、Vout由文獻(xiàn)（馬承偉和苗香雯，2005）計算得來。

節(jié)能率計算（王吉慶和張百良，2005）：在計算空氣源熱泵與傳統(tǒng)燃煤鍋爐加溫相比的節(jié)能率時，可以將空氣源熱泵加溫所用的耗電量換算為標(biāo)準(zhǔn)煤；根據(jù)空氣源熱泵加溫所獲得的熱量換算為采用燃煤鍋爐加溫所需的標(biāo)準(zhǔn)煤，再將兩者進(jìn)行比較。

溫室獲得的熱量Qact若為燃煤鍋爐獲得，則用燃煤鍋爐時消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤計算，公式為：

式中，QH為標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，取29 260 kJ ·kg-1；ηg為燃煤鍋爐效率，取0.7；ηgm為管網(wǎng)輸送效率，取0.95。

溫室加熱消耗的電量W轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤，計算公式為：

式中，QH為標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，取29 260 kJ ·kg-1；ηd為火力發(fā)電廠的發(fā)電效率，取0.35；ηp為輸配電效率，取0.95。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及做圖。

2 結(jié)果與分析

2019年1月24～29日連續(xù)6 d天氣晴好，空氣源熱泵運行穩(wěn)定，選取這一時間段的數(shù)據(jù)為代表進(jìn)行分析。

2.1 空氣源熱泵對溫室內(nèi)溫濕度的影響

圖4為1月25日典型晴天的監(jiān)測結(jié)果：8：00～18：00試驗溫室的室溫在17.70～34.10℃之間變化，平均室溫為24.68 ℃，比對照溫室（7.30～26.14 ℃）和室外（5.49～12.87 ℃）的平均溫度分別提高了6.22 ℃和13.93 ℃，說明空氣源熱泵的增溫效果明顯。

圖4 日光溫室采用空氣源熱泵加熱處理的單日溫度變化（2019年1月25日）

圖5為2019年1月24～29日的監(jiān)測結(jié)果：試驗溫室6 d平均室溫白天為23.09 ℃，比對照溫室（16.14 ℃）和室外（9.08 ℃）分別提高了6.95 ℃和14.01 ℃；夜間為8.68 ℃，比對照溫室（4.69 ℃）和室外（3.56 ℃）分別提高了3.99 ℃和5.12 ℃，說明空氣源熱泵的增溫效果持續(xù)穩(wěn)定。

圖6為溫室內(nèi)外相對濕度的變化情況，因?qū)φ諟厥矣兴芰媳∧じ采w，溫室內(nèi)的相對濕度要高于室外，試驗溫室在開啟空氣源熱泵的作用下，相對濕度與室外和對照溫室相比均有明顯的下降。連續(xù)晴天條件下，試驗溫室內(nèi)白天相對濕度平均為47.45%，比對照溫室（66.01%）和室外（61.76%）分別降低了18.56、14.31個百分點；夜間相對濕度平均為70.02%，比對照溫室（88.77%）和室外（74.03%）分別降低了18.75、4.01個百分點。

圖5 日光溫室采用空氣源熱泵加熱處理的6 d溫度變化（2019年1月24～29日）

圖6 日光溫室采用空氣源熱泵加熱處理的6 d濕度變化（2019年1月24～29日）

2.2 空氣源熱泵對溫室內(nèi)土壤溫度的影響

試驗溫室、對照溫室及室外土壤溫度的變化趨勢基本一致，均隨著土層深度的增加波動幅度變小。選取土層深度10、30、50 cm的溫度數(shù)據(jù)為代表進(jìn)行分析。

由圖7可見，試驗溫室50 cm土壤6 d平均白天溫度為14.88 ℃，比對照溫室（12.31 ℃）和室外（12.02 ℃）分別提高了2.57 ℃和2.86 ℃；夜間溫度為14.13 ℃，比對照溫室（11.84℃）和室外（11.60℃）分別提高了2.29 ℃和2.53 ℃。

由圖8可見，試驗溫室30 cm土壤6 d平均白天溫度為15.67 ℃，比對照溫室（14.49 ℃）和室外（13.65 ℃）分別提高了1.18 ℃和2.02 ℃；夜間溫度為12.25 ℃，比對照溫室（11.01 ℃）和室外（10.63℃）分別提高了1.24 ℃和1.62 ℃。

圖7 日光溫室采用空氣源熱泵加熱處理的50 cm土壤溫度變化（2019年1月24～29日）

圖8 日光溫室采用空氣源熱泵加熱處理的30 cm土壤溫度變化（2019年1月24～29日）

由圖9可見，試驗溫室10 cm土壤6 d平均白天溫度為14.86 ℃，比對照溫室（14.06 ℃）和室外（12.81 ℃）分別提高了0.80 ℃和2.05 ℃；夜間溫度為12.14 ℃，比對照溫室（10.84 ℃）和室外（10.27 ℃）分別提高了1.30 ℃和1.87 ℃。

圖9 日光溫室采用空氣源熱泵加熱處理的10 cm土壤溫度變化（2019年1月24～29日）

綜上可以看出，土層越深，室外和對照溫室土壤溫度差異越小，50 cm土層僅相差0.24～0.29℃，而10 cm土層相差0.57～1.25 ℃；采用空氣源熱泵加熱處理，50 cm土層土壤溫度可以提高2.5℃左右，10～30 cm土層可以提高2.0 ℃左右。

2.3 節(jié)能效果

2019年1月24日天氣晴好，空氣源熱泵運行穩(wěn)定，試驗溫室內(nèi)外溫差10.1～17.2 ℃，電表讀數(shù)日均耗電量212.5 kWh，空氣源熱泵的COP值為1.76，與對照溫室相比節(jié)能23.4%，節(jié)能效果顯著。

3 結(jié)論與討論

本試驗結(jié)果表明，測試期間空氣源熱泵系統(tǒng)運行穩(wěn)定，平均COP值為1.76，與傳統(tǒng)燃煤鍋爐加熱相比節(jié)能23.4%，節(jié)能效果明顯。連續(xù)晴天條件下，采用空氣源熱泵加溫，溫室白天平均溫度可達(dá)23.09 ℃，夜間8.68 ℃，比對照溫室分別提高6.95℃和3.99 ℃，可以滿足蔬菜作物越冬生產(chǎn)，但增溫效果不夠穩(wěn)定?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)同其他加溫措施相比各有優(yōu)劣，由于空氣能是分散能源，故加熱速度慢，熱效率不是很高；另外，空氣源熱泵容易出現(xiàn)結(jié)霜問題，受地域限制。因此，空氣源熱泵在我國中南部地區(qū)的應(yīng)用前景較為良好。

連續(xù)晴天條件下，試驗溫室白天的相對濕度比對照溫室降低18.56個百分點，夜間降低18.75個百分點，說明空氣源熱泵具有良好的除濕性。由于用管道進(jìn)行加溫和除濕，溫室內(nèi)的濕度與溫度存在著某種關(guān)系相互制約，對于如何平衡溫室內(nèi)的加溫與除濕有待進(jìn)一步研究。

本試驗中，連續(xù)晴天條件下，50 cm土層的土壤溫度變化較為平穩(wěn)，土層越淺土壤溫度波動幅度越大。土壤在溫室中具有一定的蓄熱性，可以將白天的多余熱量儲存到夜間進(jìn)行釋放。充分利用土壤的蓄熱性能對溫室進(jìn)行加溫、降溫可以作為今后的研究方向。張家港地區(qū)位于長江邊，擁有豐富的地下水資源，降雨量充沛。試驗過程中土壤測溫挖深時在50 cm處有少量地下水溢出，可見地下水位較高。富水土壤對管道的換熱效果有促進(jìn)作用，接下來的研究可以考慮將地中熱交換系統(tǒng)加入到溫室中來提高室內(nèi)夜間溫度等。