溫室用地埋管與空氣源熱泵系統(tǒng)運行特性研究

鮑玲玲,耿杰雯,朱淑靜,李仁星,董珊珊

(1.河北工程大學 能源與環(huán)境工程學院,河北 邯鄲 056038;2.天普新能源科技有限公司,北京 100000)

0 引言

我國作為農業(yè)大國之一,由于人口增長與物質生活水平的提高,日益增長的農業(yè)生產資料消耗導致農業(yè)成為人類溫室氣體排放的主要渠道之一,其溫室氣體排放量約占世界溫室氣體排放總量的1/4[1]。因此,開發(fā)清潔能源替代化石能源,減少溫室氣體排放量,將是農業(yè)發(fā)展的新趨勢[2]。目前,農業(yè)廣泛應用的日光溫室具有集熱保溫的特性[3],能收集太陽輻射能并轉化為熱能改變內部溫度,改善夏季高溫、冬季低溫現(xiàn)象。夏季最高室溫達60℃,冬季最低室溫為-5℃,易造成植物損傷[4]。根據節(jié)能減排的趨勢要求及溫室集熱特點,以北京某溫室為研究對象,采用地埋管與空氣源熱泵相結合的能源供給方式,利用土壤季節(jié)性蓄熱技術,將夏季產出熱量移至冬季采暖使用。同時,利用DeST-h建立溫室模型,得出溫室全年負荷變化特點及熱量需求規(guī)律,為驗證模擬結果,進行1年的實驗測試,探究溫室用地埋管與空氣源熱泵復合式系統(tǒng)運行特性,為溫室降溫、采暖運行模式提供參考。

1 地埋管與空氣源熱泵系統(tǒng)

由于溫室夏季產出熱量高于冬季采暖需求熱量[5],建立了地埋管與空氣源熱泵復合式系統(tǒng),通過土壤蓄熱技術,將溫室夏季多余熱量移至冬季采暖使用。系統(tǒng)主要使用太陽能、地熱能及空氣能等清潔能源,減少化石能源輸入,有利于節(jié)能環(huán)保,其流程圖如圖1所示。

1.分布式光纖測溫儀 2.風機盤管 3.日光溫室 4.數(shù)字溫度計 5.數(shù)字測溫開關 6.風盤側循環(huán)泵 7.保溫蓄熱水箱 8.水箱內置溫度計 9.閥門A 10.空氣源熱泵 11.閥門B 12.地埋側循環(huán)泵 13.地埋管 14.光纖測溫點圖1 地埋管與空氣源熱泵復合系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of combined system of buried pipe and air source heat pump

由圖1可知:系統(tǒng)主要由風機盤管、地埋管、地埋側循環(huán)泵、保溫蓄熱水箱、風盤側循環(huán)泵及空氣源熱泵等設備構成,分為地埋管直供和空氣源熱泵輔助供熱兩部分。設置室內溫度為10～30℃,當室溫低于10℃或高于30℃時,開閥門A、關閥門B,運行地埋管直供部分;若調節(jié)后室溫低于8℃或高于33℃,關閥門A、開閥門B,開啟空氣源熱泵輔助調節(jié)。

為驗證系統(tǒng)運行效果的可靠性,分別在系統(tǒng)不同位置安裝測溫點。圖2為實驗測試儀器數(shù)字溫度計、數(shù)字測溫開關及分布式光纖測溫儀[6]。數(shù)字溫度計監(jiān)測室內溫度,測溫范圍為-30～70℃,分辨率為0.1℃,精度為±0.5℃,記錄間隔為1min;分布式光纖測溫儀監(jiān)測地埋管周圍土壤溫度,測溫范圍為-50°～350℃,分辨率為0.1℃,精度為±0.5℃,記錄間隔為5s,測溫距離為4km;數(shù)字測溫開關控制地埋側循環(huán)泵與風盤側循環(huán)泵運行。

圖2 數(shù)字溫度計、數(shù)字測溫開關、分布式光纖測溫儀Fig.2 Digital thermometer, digital thermometer switch, distributed optical fiber thermometer

2 溫室全年負荷計算模型

2.1 建立溫室模型

DeST-h軟件用于建筑熱特性的影響因素分析、建筑熱特性指標的計算、建筑的全年動態(tài)負荷計算等[7]。本文選用DeST-h進行溫室全年動態(tài)負荷模擬,通過分析負荷及溫度變化規(guī)律,為探究地埋管與空氣源熱泵復合式系統(tǒng)運行特性提供參考。

研究對象為北京市某典型日光溫室,長為42m,寬為13m,高為5.5m,方位角為8°,覆蓋材料為聚乙烯塑料薄膜。設置室內通風次數(shù)為0.8次/h,人員、設備、照明的最大功率分別為106、40、13W。DeST-h繪制溫室模型如圖3所示。

圖3 DeST-h繪制溫室模型Fig.3 DeST-h plotting greenhouse model

根據常見蔬菜的生長需求溫度,當室溫在5°～35℃時,不會造成損害[8]。在DeST-h中,設定室溫為10°～30℃,當室溫低于8℃或高于33℃時,開啟空調。溫室建造嚴格按照DB11 T 291-2005《北京市日光溫室建造規(guī)范》,熱工參數(shù)參考JGJ 26-2010《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》,熱工性能參數(shù)設置如表1所示。

表1 溫室熱工性能參數(shù)Table 1 Greenhouse thermal performance parameters

2.2 模擬數(shù)據分析

圖4為北京典型年氣象參數(shù)下溫室全年冷、熱負荷與太陽輻射強度變化曲線。由圖4(a)可知:溫室逐時單位面積負荷變化受太陽輻射強度的直接影響;夏季太陽輻射強度較高,冷負荷絕對值較大;冬季太陽輻射值較低,熱負荷值較大。

圖4 溫室冷熱負荷變化及太陽輻射強度Fig.4 Changes of cold and heat load and solar radiation intensity in Greenhouse

1月份為熱負荷最大月份,最大值為130.18W/m2;7月份為冷負荷絕對值最大月份,最大值為235.82W/m2;最大冷負荷絕對值大于最大熱負荷值。

由圖4(b)可知:溫室全年產出熱、冷負荷值分別為61601.33kW與77015.57kW,熱負荷、冷負荷分別占總負荷的44.44%與55.56%;溫室全年可產出冷負荷大于熱負荷,將夏季多余熱量移至冬季采暖使用,理論上能滿足采暖的熱量需求。

圖5為全年逐時模擬室溫變化曲線。

圖5 逐時模擬室溫變化Fig.5 Hourly simulation of room temperature change

由圖5可知:設定室溫在10～30℃之間。全年室溫變化呈先增大后減小趨勢,11月初-3月中旬,多數(shù)日期最低室溫小于10℃,最高室溫小于30℃,溫室需要供熱;5月初-9月底期間,多數(shù)日期最低溫度大于10℃,最高室溫大于30℃,溫室需要制冷;其余時間段內,室溫主要在5～35℃之間波動,不會對植物造成損傷,系統(tǒng)多處于停滯狀態(tài),只有出現(xiàn)夜間低溫或白天高溫現(xiàn)象時才開啟系統(tǒng)調節(jié)溫度。

圖6為1月與7月溫室逐時負荷變化。由圖6(a)可知:晴朗日10:00-16:00溫室熱負荷值較低,16:00-次日10:00熱負荷值呈先增加后減小趨勢,最大值出現(xiàn)在7:00;非晴朗日熱負荷值相對較高,溫室需全天供暖。由圖6(b)可知:晴朗日時0:00-8:00間冷負荷絕對值較低,8:00-24:00冷負荷絕對值呈先增大后減小趨勢,最大冷負荷絕對值受墻體蓄熱影響出現(xiàn)在16:00;非晴朗日時冷負荷絕對值相對較低,可減少制冷時間或者停止制冷。

圖6 1月與7月溫室逐時負荷變化Fig.6 Hourly load change of greenhousein January and July

3 實驗測試及數(shù)據分析

為探究地埋管與空氣源熱泵復合系統(tǒng)的運行特性,選用同一園區(qū)內3棟建設相同的日光溫室進行實驗,分別編號為1#、2#、3#。各溫室系統(tǒng)配置情況如表2所示。

表2 溫室內系統(tǒng)配置及設備參數(shù)Table 2 System configuration and equipment parameters in Greenhouse

圖7為7月中旬連續(xù)5日溫度變化曲線。由圖7可知:1#、2#、3#室溫與環(huán)境溫度變化趨勢相同,白天較高,夜間較低。3#室溫在23.4～41.3℃之間,晴朗日10:00-24:00室溫持續(xù)高于30℃,易造成植物高溫損傷,需進行降溫;0:00-次日10:00室溫在23～30℃之間,不影響植物生長。2#溫室通過蓄存內部熱量進行降溫,最高可降5.7℃;遇高溫天氣時,降溫后為38.2℃,存在安全隱患。1#溫室首先通過地埋管直供降溫,若室溫仍高于33℃,開啟空氣源熱泵;1#室溫最高為33.51℃,可保障植物安全生長。

圖7 7月中旬連續(xù)5日1#、2#、3#室溫變化Fig.7 Changes of room temperature of 1#, 2#, 3# and ambient temperature on 5 consecutive days in mid-July

圖8為9月底～10月中旬3#室溫變化曲線。由圖8可知:3#室溫整體呈下降趨勢,10月前多數(shù)日期最高室溫大于30℃,需運行系統(tǒng)降溫;10月后由于環(huán)境溫度下降及太陽輻射強度降低,造成室溫下降速率增加,室溫在12.8～32℃間波動,符合植物的生長溫度需求。

圖8 9月底-10月中旬3#室溫變化Fig.8 3 # Room Temperature Change from the End of September to the Mid-October

圖9為11月初連續(xù)5日3#室溫變化曲線。由圖9可知:11月初時,3#室溫變化與環(huán)境溫度變化趨勢相同,白天溫度較適宜,夜間溫度較低。環(huán)境溫度夜間溫度最低在1.8℃,3#溫室由于塑料薄膜集熱保溫特性及墻體短期蓄熱影響,室溫夜間最低為9.1℃,白天最高為31.5℃。此時室溫適宜植物生長,無需設備運行。

圖9 11月初連續(xù)5日3#室溫與環(huán)境溫度變化Fig.9 Changes of 3 # room temperature and ambient temperature for 5 consecutive days in early November

由圖8與圖9可知:9月底-11月初為溫室供能的過渡期,3#室溫多數(shù)日期能夠維持在9.1°～32℃,系統(tǒng)多處于停滯狀態(tài),僅當特殊天氣出現(xiàn)時開啟使用,調節(jié)室溫。11月初后,隨著環(huán)境溫度及太陽輻射強度降低,夜間室溫持續(xù)下將,為維持合理室溫,需進行溫室采暖。

圖10為11月中旬-12月中旬早7:00溫度變化曲線。

圖10 11月中旬-12月中旬2#室溫與環(huán)境溫度變化Fig. 10 Changes of 2# room temperature and ambient temperature from mid-November to mid-December

由圖10可知:2#室溫與環(huán)境溫度呈下降趨勢,但2#室溫變化較為平緩,說明地埋管直供采暖方式能緩解環(huán)境溫度急速下降造成的室溫波動。在采暖初期1個月時間內,當環(huán)境溫度在-5℃以上時,2#溫室單純依靠地埋管直供采暖,室溫維持在8.9°～15.1℃之間?？梢?采暖初期可優(yōu)先取用土壤蓄存熱量進行供暖,減少能源消耗量。隨著室外環(huán)境溫度繼續(xù)降低,采暖需求熱量增加,土壤取熱難度增大,單純依靠地埋管直供部分進行采暖的可行性降低,后續(xù)需開啟空氣源熱泵采暖。

圖11為1月份連續(xù)5日1#、2#、3#室溫變化曲線。由圖11可知:3#室溫在-0.5～11.2℃間波動,夜間溫度較低,易造成植物凍害;2#室溫維持在5.1～16.2℃之間,不會造成植物凍害,但白天溫度較低,不利于植物生長;1#溫室在晴朗日12:00-16:00間室溫在15～22℃之間,不需要開啟設備供暖,17:00-次日12:00間,夜間最低為12.2℃,有助于植物安全生長。

圖11 1月中下旬1#、2#、3#室溫變化Fig.11 Changes of 1#, 2# and 3# room temperature in mid-late November

圖12為3月中旬1#與3#室溫變化曲線。

由圖12可知:3月11日-3月20日期間,3#室溫整體呈緩慢上升趨勢,溫室的晝夜溫差變化較大,白天最高溫度為30.3℃,夜間最低溫度為1.8℃;1#與3#曲線的白天溫度基本重合,夜間溫度差異逐漸減少,說明溫室白天不進行供暖,夜間供暖強度逐漸減小。3月中旬后,溫室逐漸暫停供暖。

由圖10～圖12可看出:溫室在11月中旬-3月中旬為溫室的采暖期,首先通過地埋管直供部分提取土壤中的熱量進行供暖,約能滿足1個月左右的供暖熱量;后續(xù)伴隨環(huán)境溫度的降低,土壤取熱難度增大,溫室需采用空氣源熱泵與地埋管聯(lián)合運行。采暖期內室溫維持在12.2～30.3℃之間,適應植物生長。

圖13為5月1日-5月15日3#室溫變化曲線。由圖13可知:進入5月份后,3#溫室內溫度逐漸升高,夜間最低為12℃,白天最高達37℃,為避免高溫對于植物的損害,將溫室多余熱量儲存于土壤,進行降溫。5月份后,溫室開始進入蓄熱期。

圖13 5月上旬3#室溫變化Fig.13 Change of 3# Room Temperature Curve in Early May

1年的實驗測試分析表明:5月初-9月底為蓄熱期,系統(tǒng)為溫室制冷;11月初-3月中旬為采暖期,系統(tǒng)為溫室供熱;其余時間段為過渡期,系統(tǒng)多處于停滯狀態(tài),只有當白天高溫或夜間低溫出現(xiàn)時,才調節(jié)室內溫度。地埋管與空氣源熱泵復合式系統(tǒng)能夠使室溫維持在8.9～33.51℃之間,可滿足植物生長溫度需求。

4 結論

1)采用地埋管與空氣源熱泵復合式系統(tǒng),調節(jié)溫室溫度變化。

2)通過DeST-h建立溫室模型,計算出溫室全年產出冷負荷大于熱負荷,可滿足季節(jié)性熱量轉移利用的平衡要求,并通過模擬室溫變化得出系統(tǒng)在溫室中的運行規(guī)律。

3)通過實驗分析3個室溫的變化,對模擬結果進行驗證,結果表明:溫室在5月初-9月底期間為蓄熱期,系統(tǒng)為溫室供冷;11月初-3月中旬為供暖期,系統(tǒng)為溫室供熱;其余時間段為過渡期,系統(tǒng)多處于停滯狀態(tài),只是當白天高溫或夜間低溫時才開啟使用。

4)地埋管與空氣源熱泵復合系統(tǒng)使室溫在8.9～33.51℃之間,可使植物安全生長。