雙熱源太陽能熱泵溫室供暖系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建

劉曉勤 賈少剛 魏翠琴

摘要：當前農(nóng)業(yè)溫室的調(diào)控消耗了大量的燃煤，該問題制約了溫室甲魚養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，因此利用太陽能熱泵技術(shù)為溫室供暖是很有必要的。參照工廠化甲魚養(yǎng)殖溫室構(gòu)建了30 m2實驗溫室，以浙北地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計算了實驗溫室的熱負荷。以實驗溫室為研究對象，設(shè)計了雙熱源混聯(lián)式太陽能熱泵供暖系統(tǒng)并優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的能效比和運行的穩(wěn)定性，且系統(tǒng)的運行方式靈活多選。以實驗溫室熱負荷計算結(jié)果為基礎(chǔ)進行了系統(tǒng)的部件選型，構(gòu)建了太陽能熱泵供暖系統(tǒng)實驗臺，實驗臺設(shè)置了開展實驗研究所需的溫度、流量及輻照度等傳感器采集相關(guān)參數(shù)。系統(tǒng)為太陽能單獨運行、空氣源熱泵單獨運行、熱泵太陽能串聯(lián)運行、太陽能熱泵并聯(lián)運行等多種運行模式下的實驗研究，可獲得各種運行模式下太陽能、熱泵和系統(tǒng)整體的性能參數(shù)，為開展試驗研究打下了基礎(chǔ)，同時也可為同類設(shè)備的設(shè)計與應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：溫室;能源;熱負荷;太陽能熱泵;實驗研究

中圖分類號： TU832.1+7 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）11-0234-06

收稿日期：2019-09-25

基金項目：浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究計劃（編號：2015C32112）。

作者簡介：劉曉勤（1967—），女，江蘇揚州人，碩士，副教授，主要研究方向為建筑節(jié)能與暖通空調(diào)技術(shù)。E-mail：365358379@qq.com。 ?溫室農(nóng)業(yè)目前已經(jīng)不再受氣候的影響，北亞熱帶季風氣候區(qū)冬季時熱源主要來自于小型煤爐，但這會造成環(huán)境污染[1-2]。清潔能源的開發(fā)利用以及節(jié)能技術(shù)的推廣使用，是現(xiàn)代綠色生態(tài)環(huán)境對農(nóng)業(yè)發(fā)展提出的新要求，也是必然趨勢。太陽能屬于清潔能源，熱泵技術(shù)有高效節(jié)能的優(yōu)勢，將兩者合二為一既能避免太陽能作為熱源受天氣影響的缺點，也間接提升了系統(tǒng)性能[3-4]。太陽能與熱泵技術(shù)嫁接，對于改進能源消耗與環(huán)境保護之間的矛盾，意義重大[5-6];太陽能熱泵技術(shù)目前在溫室農(nóng)業(yè)方面、建筑物冬季供暖方面的應(yīng)用如雨后春筍[7-9]。本研究以工廠化飼養(yǎng)甲魚，人工構(gòu)建溫室為研究對象，創(chuàng)建了養(yǎng)殖面積為30 m2的實驗室，構(gòu)建了太陽能及熱泵2個熱源，按溫室供暖規(guī)范設(shè)計了系統(tǒng)實驗臺，用于溫室供暖和太陽能熱泵系統(tǒng)的試驗研究，為溫室清潔能源供暖系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化研究提供參考和依據(jù)。

1 甲魚養(yǎng)殖溫室概況

養(yǎng)殖溫室的室溫需維持在35 ℃，養(yǎng)殖池水溫需維持在30 ℃左右，如此有利于甲魚的快速生長。實驗溫室采用普通聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）作為溫室四周墻壁和頂棚的保溫材料，EPS板的內(nèi)外兩側(cè)采用彩鋼板夾緊以起到支撐與隔離外界的作用。溫室的地面首先平整好泥土層，然后覆蓋1層防潮塑料薄膜，最后再鋪以100 mm厚的硅酸鋁保溫棉，用以隔絕水池與地面之間的熱量傳遞。養(yǎng)殖池為長方形，采用2 mm厚的鋼板焊接成型，做好防銹處理后覆蓋1層加厚防水布，養(yǎng)殖池西側(cè)是1個鋪設(shè)木地板的過道。溫室結(jié)構(gòu)示意圖詳見圖1，溫室頂棚呈斜面，南北墻和頂棚為長方形，東西墻為梯形，溫室尺寸參數(shù)見表1，經(jīng)計算溫室四周墻體與頂棚面積總計為76.2 m2。

2 溫室維護結(jié)構(gòu)熱負荷計算

2.1 基本氣象參數(shù)

實驗室及實驗平臺所涉及氣候、太陽能輻照度等參數(shù)詳圖2。

式中：α為圍護結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù);Fwh為圍護結(jié)構(gòu)的面積，m2;Tsn為溫室室內(nèi)溫度，取值為35 ℃;Tsw為室外溫度，取月均氣溫，℃;K為圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）。維護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K以及溫差修正系數(shù)α的計算參考國家規(guī)范[13-14]。

維護結(jié)構(gòu)熱負荷計算值年最冷月（1月）如表2所示。熱負荷平均是1 173 W，結(jié)果顯示，白天和黑夜溫度差變化引起熱負荷發(fā)生波動，1月份最低氣溫約為-5 ℃，此時熱負荷為2 112 W。不同月份下的圍護結(jié)構(gòu)熱負荷及溫室日需熱量詳見圖3。由圖3可知，溫室年總需熱量為21 940 MJ，標煤熱值為29.27 MJ/kg，考慮小煤爐的熱效率為60%[2]，則此溫室年消耗標煤約1 250 kg。

3 太陽能熱泵溫室供暖系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)建

3.1 太陽能熱泵溫室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足溫室供暖的多種工況以及節(jié)能運行要求，設(shè)計了雙熱源混聯(lián)式太陽能熱泵系統(tǒng)（圖4）。該系統(tǒng)由溫度傳感器、熱泵機組、風機盤管、蓄熱水箱、流量傳感器、太陽能集熱器、供暖水箱、循環(huán)水泵、連接管件等組成。系統(tǒng)中太陽能可單獨運行加熱蓄熱水箱或者供暖水箱中的水;熱泵設(shè)置了以空氣作為熱源的蒸發(fā)器、以蓄熱水箱的水作為熱源的2個蒸發(fā)器，冷凝器用來加熱供暖水箱中的水制取供暖所需的高溫熱水;供暖水箱中的水通過風機盤管向溫室供暖。

該系統(tǒng)具有太陽能熱泵串聯(lián)方式運行、太陽能熱泵并聯(lián)方式運行、空氣源熱泵單獨運行、太陽能單獨運行等運行方式。在冬季溫室熱負荷較高時，系統(tǒng)宜采用串聯(lián)方式運行;在春夏秋季環(huán)境溫度較高時系統(tǒng)既可以并聯(lián)方式運行，也可以串聯(lián)方式運行，陽光輻照特別好時則太陽能單獨運行;任何季節(jié)下遇到連續(xù)陰雨天時則熱泵以空氣源形式單獨運行。此系統(tǒng)的優(yōu)點如下：

（1）提高了系統(tǒng)的能效比（COP）。系統(tǒng)以串聯(lián)方式運行時太陽能主要用來制取低溫熱水，太陽能集熱器的效率可有效提升[15];熱泵蒸發(fā)器側(cè)熱源為低溫熱水，制冷劑蒸發(fā)溫度較高，因此熱泵COP也得到提升;末端散熱采用風機盤管強制換熱，因此總體上系統(tǒng)COP得到了有效提高。

（2）提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。在氣溫出現(xiàn)連綿陰雨天時，由空氣源熱泵向溫室提供熱量。為延長設(shè)備使用壽命，采用閉式循環(huán)運行，就是讓太陽能集熱載體與水箱中的水隔開運行;為減少設(shè)備正常運行時的維護量，選用丙三醇、乙二醇等的水溶液來充當集熱載體，起到冬天防凍，平常防結(jié)垢、防腐的作用。

（3）提高了系統(tǒng)運行靈活性。系統(tǒng)運行方式由陽光輻照強度、環(huán)境溫度經(jīng)溫室熱負荷計算后選定。最大化運用太陽能，最大化實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運行。

3.2 太陽能集熱器面積選擇

假如由太陽能提供溫室所需全部熱負荷，則通過式（2）計算可得到在不同月份隨環(huán)境溫度改變的集熱器面積（表3）。結(jié)果顯示，集熱器面積所需最大是在最冷月，達到了35 m2。通常2 m×1 m規(guī)格的平板式集熱器采光面積為1.9 m2，則若按照1月份的配置需要18.5塊，為保證太陽能的工作效果和安裝規(guī)整，太陽能板的數(shù)目取值為20塊。

式中：FJ為集熱器所需面積，m2;Qd為溫室的每日需熱量值，MJ/d;Ic為太陽能輻射總量，MJ/（m2·d）。ηc為集熱效率平均值，按40%計[15]。

3.3 供暖水箱容積選取

供暖水箱儲熱能力高低取決于水箱容積，而水箱容積大小又反過來決定熱泵運行的間隔時間。

該值由式（3）進行計算，計算時的相關(guān)條件：（1）按照1月份溫室平均熱負荷Qw=1 173 W計算;（2）當熱泵以空氣源形式單獨運行，設(shè)定水箱內(nèi)溫度差為10 ℃，當達到60 ℃時熱泵停止工作，當水溫下降到50 ℃時重新啟動。

當供暖水箱容積（Vg）選擇為300 L時的計算結(jié)果為178 min，也就是熱泵從停止運行到重新啟動需時為178 min，熱泵單獨運行需178 min間隔時間，假設(shè)太陽能在同時供熱，勢必會延長熱泵的啟停間隔時間。熱泵間歇工作的時長表明供暖水箱容積選取為300 L較為合適。

式中：Qws為溫室平均熱負荷，1 173 W;T為啟停間隔時間，min;Cpv為水定壓比熱容，4.18 kJ/（kg·℃）;Vgn為供暖水箱有效容積，300 L;ρw為水密度，1 000 kg/m3;ΔTgn為供暖水箱內(nèi)溫度差，10 ℃。

3.3 蓄熱水箱容積的選取

冬季系統(tǒng)串聯(lián)運行時熱泵水源蒸發(fā)器所需要的熱量全部由蓄熱水箱中的熱水供給，蓄熱水箱則由太陽能進行加熱?？紤]到熱泵的水源蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度即熱水水溫不能過高，否則會導(dǎo)致制冷劑壓力過高對壓縮機造成損傷，因此蓄熱水箱的最高水溫設(shè)定為35 ℃，最低溫度設(shè)定為10 ℃，則水箱的溫差為25 ℃，通過式（4）進行計算，可得到供暖水箱的容積（VX）為976 L時可滿足要求，考慮工業(yè)成品水箱的規(guī)格，蓄熱水箱容積（VXR）選取為1 000 L。

式中：Qd為1月份溫室日均需熱量，102 MJ;ΔTXR為蓄熱水箱的溫差，取值為25 ℃。

3.4 熱泵機組的選型

通常情況下水源熱泵的COPw要遠高于空氣源熱泵的COPA，但是必須考慮南方出現(xiàn)連續(xù)陰雨天的情況，此時太陽輻射照度不夠，以空氣源運行形式代替太陽能來工作，熱泵則變成主要的熱負荷提供者。太陽能無法工作時熱泵只能夠以空氣源形式運行，此時熱泵承擔溫室的全部熱負荷，為保證熱泵的制熱量能夠滿足溫室的需求，熱泵選型時應(yīng)以空氣源形式運行時的COPA進行計算選型。

1月份最冷時溫室維護結(jié)構(gòu)的熱負荷為 2 112 W，考慮安全余裕，將系數(shù)取為1.2，則兩者相乘得到熱泵制熱功率為2 535 W，空氣源熱泵COP取值為1.5[16]，經(jīng)計算得到熱泵壓縮機功率是 1 690 W，據(jù)此選擇壓縮機及熱泵機組即可，但功率必須大于1 690 W。

系統(tǒng)無論以串聯(lián)方式、并聯(lián)方式或者空氣源熱泵單獨運行時，熱泵冷凝器冷卻水的溫度區(qū)間均設(shè)置為50～60 ℃，即熱泵冷凝器的工作狀況較差，因此熱泵的壓縮機性能要好，同時制冷劑的性能既要滿足蒸發(fā)器的低溫工況，也要滿足冷凝器的高溫工況。

3.5 太陽能熱泵供暖系統(tǒng)配置與構(gòu)建

根據(jù)以上的太陽能熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與設(shè)備選型，構(gòu)建了為30 m2實驗溫室供暖的雙熱源太陽能熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要部件參數(shù)詳見表4，構(gòu)建的太陽能熱泵供暖系統(tǒng)實驗臺詳見圖5。

3.6 系統(tǒng)參數(shù)測量與可開展項目

雙熱源太陽能熱泵供暖系統(tǒng)中設(shè)置的相關(guān)傳感器及其測量點的參數(shù)詳見表5。系統(tǒng)中配置的設(shè)備，主要用來測試太陽能輻射照度值、流量值、溫度值等參數(shù)。通過對測試參數(shù)的采集、歸類、計算、整理，得出太陽能集熱器效率值，得出熱泵COP，從而模擬出相關(guān)參數(shù)變化曲線。本實驗臺可以開展的實驗研究項目如表6所示。

4 結(jié)論與探討

本研究以1個養(yǎng)殖面積為30 m2的甲魚養(yǎng)殖溫室為研究對象，通過構(gòu)建自成系統(tǒng)的雙熱源太陽能系統(tǒng)來實現(xiàn)熱泵供暖，達到以下目的：為滿足溫室供暖的多種工況以及節(jié)能運行要求，設(shè)計構(gòu)建了1套雙熱源太陽能熱泵供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備如下特點：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、運行方式靈活多變，適用于不同工況下;系統(tǒng)穩(wěn)定性好，經(jīng)濟效益佳。

（2）熱泵供暖測試系統(tǒng)設(shè)備全、測點廣、效率高，可用于各類運行方式下系統(tǒng)、部件測試。

在全社會提倡綠色建造的今天，環(huán)保意識滲透到各行各業(yè)已是不爭的事實。應(yīng)用于溫室，促進農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的變革，更有著特殊的意義。從生態(tài)文明角度來發(fā)展農(nóng)業(yè)，是當代為暖通空調(diào)專業(yè)人士提出的新挑戰(zhàn)，任重而道遠。

參考文獻：

[1]李德堅，唐 軒，殷志強，等. 溫室太陽能供暖[J]. 太陽能學報，2002，23（6）：557-563.

[2]鄺平健，劉喜斌. 燃煤熱風爐解決北方溫室供暖問題的研究[J]. 農(nóng)機化研究，2007（3）：221-222.

[3]陽季春，季 杰，裴 剛，等. 間接膨脹式太陽能多功能熱泵單獨制熱水性能實驗研究[J]. 太陽能學報，2008，29（6）：678-683.

[4]鐘 浩，李志民，羅會龍，等. 空氣源熱泵輔助供熱太陽能熱水系統(tǒng)實驗研究[J]. 建筑節(jié)能，2011，39（3）：36-39.

[5]曠玉輝，王如竹，于立強. 太陽能熱泵供熱系統(tǒng)的實驗研究[J]. 太陽能學報，2002，23（4）：1-6.