外保溫塑料大棚表冷器-風機集放熱系統(tǒng)性能分析

李 明 耿 若 宋衛(wèi)堂 王平智 李 涵 王秀芝

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 北京 100083； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室， 北京 100083；3.赤峰市農(nóng)牧科學(xué)研究院， 赤峰 024000)

0 引言

我國北方冬季氣候寒冷，設(shè)施蔬菜生產(chǎn)易受低溫冷害的影響[1]。在冬季夜間進行適當加溫是確保設(shè)施蔬菜正常生長的重要手段。目前，傳統(tǒng)的加溫手段，如熱風加熱、熱水加熱等，依靠煤炭、石油等化石能源提供熱量，均存在加溫成本高、環(huán)境污染嚴重等問題，不適于園藝設(shè)施的夜間加溫[2-4]。因此，利用太陽能、地熱能、生物質(zhì)能、空氣熱能等可再生能源進行夜間加溫的節(jié)能技術(shù)獲得了快速發(fā)展。

空氣熱能是指高溫空氣所蘊含的能量。受溫室效應(yīng)的影響，溫室在晴天日間的室內(nèi)空氣溫度較高，蘊含豐富的空氣熱能，可用于夜間加溫[5-6]。根據(jù)儲熱介質(zhì)的不同，現(xiàn)有空氣熱能利用技術(shù)可歸納為地中熱交換系統(tǒng)、卵石床熱交換系統(tǒng)和基于水蓄熱的空氣余熱集放熱系統(tǒng)。地中熱交換系統(tǒng)由風機和埋設(shè)在地下的換熱管構(gòu)成，可在日間將室內(nèi)熱空氣引入地下土壤，并將部分空氣余熱儲存在土壤中，用于夜間放熱、提高室內(nèi)氣溫[7]。一些學(xué)者研究了地中熱交換系統(tǒng)，進行了參數(shù)設(shè)計、效果應(yīng)用、模型仿真等方面的研究[8-13]。卵石床熱交換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行模式與地中熱交換系統(tǒng)相似。文獻[14]針對一棟15 m2的塑料大棚設(shè)計了四周隔熱的卵石床換熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將室內(nèi)氣溫保持在10℃以上。文獻[15]利用埋置于地下的卵石床儲蓄空氣熱能，在夜間通過對流換熱提取熱量，并在冠層水平放熱，通過測試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可將日間氣溫降低1.9℃，將夜間溫度提高3.0℃。文獻[16]使用卵石床換熱系統(tǒng)和蓄熱水袋可將溫室晴天、陰天夜間溫度分別提高3～5℃和2～3℃?；谒顭岬目諝庥酂峒艧嵯到y(tǒng)是近年發(fā)展起來的一種主動式集放熱技術(shù)。該系統(tǒng)利用熱泵系統(tǒng)或表冷器-風機收集空氣余熱，將其轉(zhuǎn)移到水中儲存，用于夜間放熱，具有較高的熱交換效率。國內(nèi)外學(xué)者基于此原理，設(shè)計了不同類型的空氣余熱利用系統(tǒng)，并進行了熱力學(xué)模型、性能及應(yīng)用效果等方面的研究[17-20]。

外保溫大棚是在大跨度塑料大棚的基礎(chǔ)上覆蓋保溫被，其優(yōu)點是內(nèi)部空間大、土地利用率高、成本低、適于機械作業(yè)。近年來，種植戶多選擇外保溫塑料大棚來替代日光溫室[21]。但外保溫大棚室內(nèi)氣溫較低，容易出現(xiàn)夜間室內(nèi)氣溫過低現(xiàn)象，對作物造成低溫脅迫[22-24]。根據(jù)前期測試結(jié)果，東西向外保溫大棚日間具有較高的室內(nèi)氣溫，蘊含有豐富的空氣熱能，可用于調(diào)節(jié)夜間室內(nèi)氣溫。但大量熱能在日間通過通風流失到室外，未得到有效利用。

針對上述問題，本文設(shè)計一種包含表冷器-風機、蓄水池、水泵等部件的空氣余熱集放熱系統(tǒng)(以下稱為表冷器-風機集放熱系統(tǒng)，Thermal collecting and releasing system developed with fan-coil units，簡稱TSFU系統(tǒng))。該系統(tǒng)通過表冷器-風機收集大棚日間熱空氣的能量，并儲存在蓄水池內(nèi)，用于改善夜間室內(nèi)氣溫。本文旨在研究該系統(tǒng)應(yīng)用于外保溫大棚的集放熱性能，構(gòu)建TSFU系統(tǒng)蓄水池溫度模型，并分析表冷器、蓄水池體積等因素對TSFU系統(tǒng)集放熱性能的影響，為進一步優(yōu)化TSFU系統(tǒng)集放熱性能提供參考。

1 材料與方法

1.1 外保溫試驗大棚

試驗用外保溫大棚位于內(nèi)蒙古自治區(qū)寧城縣大城子鎮(zhèn)(118.9°E，41.7°N)，東西走向，東西長140 m、脊高4.5 m。試驗大棚山墻采用黏土磚建造，南側(cè)和北側(cè)屋面均為曲面，在水平地面的投影寬度分別為8 m和6 m。屋面覆蓋塑料薄膜和保溫被(草苫+太空棉)。大棚屋脊下方設(shè)有兩排間距為2 m的立柱，每排立柱的間距為2.6 m。利用塑料薄膜將試驗大棚從中間隔開，西側(cè)作為試驗區(qū)，東側(cè)作為對照區(qū)，試驗區(qū)和對照區(qū)的栽培管理模式完全一致。試驗期間，大棚南面種植番茄，北面未種植作物，采用滴灌灌溉。北側(cè)屋面保溫被始終保持閉合狀態(tài)，以減少大棚屋面散熱。南側(cè)屋面保溫被揭開和閉合時段分別為08:30—09:30和16:00—16:30。當室內(nèi)氣溫較高時，打開南側(cè)屋面頂部的通風口進行自然通風。

1.2 TSFU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運行模式

TSFU系統(tǒng)由表冷器-風機、蓄熱水池、潛水泵和循環(huán)管路組成。該系統(tǒng)包含15臺表冷器-風機，按4.0 m的間隔吊掛在屋脊下方。每臺表冷器-風機換熱面積為42 m2，包含兩臺扇葉直徑0.4 m、輸入功率120 W的風機。蓄熱水池位于大棚西北側(cè)，有效容積為31 m3，蓄水池內(nèi)水的體積為26 m3。WQ15-20-2.2型潛水泵功率為2.2 kW，揚程為20 m，安裝在蓄熱水池內(nèi)。上述各構(gòu)件通過直徑為50 mm的PVC管、以同程進水和出水的方式連接在一起。

在日間，當室內(nèi)氣溫(Tin)達到20～22℃，且比水溫(Tw)高4℃時，TSFU系統(tǒng)啟動，潛水泵和風機同時運行，驅(qū)動蓄水池中的水流經(jīng)表冷器-風機，并吸收大棚內(nèi)空氣中熱量，然后再返回蓄水池中，將收集的空氣熱能儲存在蓄水池中；當Tin低于20℃，或Tin-Tw小于4℃時，系統(tǒng)關(guān)閉，停止集熱。在夜間，當Tin低于10℃，且Tw-Tin低于4℃時，TSFU系統(tǒng)啟動，潛水泵和風機同時運行，通過循環(huán)蓄水池中的水，利用表冷器-風機將蓄水池中的熱量釋放到棚內(nèi)，加熱大棚。若Tin高于13℃或Tw-Tin小于2℃時，系統(tǒng)關(guān)閉，停止放熱。

1.3 測試方案

大棚內(nèi)Tin和Tw傳感器的布置方式如圖1所示。室外氣溫和太陽輻照度傳感器布置在外保溫大棚操作間屋頂。其中，Tin和Tw使用Pt100型鉑電阻測量(測量范圍：-50～200℃，測量精度為±0.1℃)。室外氣溫采用SHT20型芯片溫濕度傳感器測量(測量范圍：-40～125℃，精度為±0.3℃)，室內(nèi)外太陽輻照度采用YGC-TBQ型太陽總輻射傳感器測量(武漢辰云科技有限公司，測量范圍0～2 000 W/m2，測量精度為±3 W/m2)。

試驗中所有儀器記錄的間隔時間為10 min。選擇2020年1月16日08:30—18日08:30為典型晴天，選擇2020年1月18日08:30—20日08:30為典型多云天。

1.4 TSFU系統(tǒng)性能評估

TSFU系統(tǒng)的熱交換速率計算公式為

qi+1=ρwcwV(Tw,i+1-Tw,i)/1 000

(1)

式中qi+1——第(i+1)Δt(Δt是計算步長，取600 s)時刻TSFU系統(tǒng)的熱交換速率，kW

ρw——水的密度，取1.0×103kg/m3

cw——水的比熱容，取4.2 kJ/(kg·K)

V——蓄熱水池中水的體積，取26 m3

Tw,i——第iΔt時刻的水溫，℃

為避免受系統(tǒng)運行過程中系統(tǒng)回水在蓄水池內(nèi)分布不均勻?qū)峤粨Q速率計算造成的影響，使用模擬的水溫進行熱交換速率計算，TSFU系統(tǒng)集熱量和放熱量計算公式為

Qc=ρwcwV(Tw,ce-Tw,cs)/106

(2)

Qr=ρwcwV(Tw,re-Tw,rs)/106

(3)

式中Qc——系統(tǒng)集熱量，MJ

Qr——系統(tǒng)放熱量，MJ

Tw,cs——TSFU系統(tǒng)集熱階段開始時刻蓄熱水池的Tw，℃

Tw,ce——TSFU系統(tǒng)集熱階段結(jié)束時刻蓄熱水池的Tw，℃

Tw,rs——TSFU系統(tǒng)放熱階段開始時刻蓄熱水池的Tw，℃

Tw,re——TSFU系統(tǒng)放熱階段結(jié)束時刻蓄熱水池的Tw，℃

TSFU系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)計算公式為

(4)

其中

Ep=Pp(tc+tr)

(5)

Ef=nPf(tc+tr)

(6)

式中COP——TSFU系統(tǒng)性能系數(shù)

Ep——循環(huán)水泵的耗電量，kW·h

Ef——表冷器-風機的耗電量，kW·h

Pp——循環(huán)水泵功率，kW

Pf——表冷器-風機的功率，kW

tc——TSFU系統(tǒng)日間集熱過程運行時間，h

tr——TSFU系統(tǒng)夜間放熱過程運行時間，h

n——TSFU系統(tǒng)表冷器-風機的數(shù)量

1.5 TSFU系統(tǒng)蓄水池水溫模擬

為簡化Tw模擬，提出以下假設(shè):表冷器-風機的進風溫度與Tin相同；表冷器-風機的進水溫度與Tw相同。

表冷器-風機的全熱交換效率η是表冷器-風機的重要技術(shù)參數(shù)，該值在水流速度和風速一定的條件下為定值[25]，計算公式為

(7)

式中Tine——表冷器-風機的出口空氣溫度，℃

表冷器-風機處空氣和水之間的熱交換滿足公式

nGcp(Tin-Tine)=-ρwcwv(Tw-Twe)

(8)

式中G——表冷器-風機的空氣流速，取1.11 m3/s

cp——空氣的定壓比熱容，取1 240 J/(m3·K)

v——系統(tǒng)中的水循環(huán)速率，m3/h

Twe——表冷器-風機的出口水溫，℃

根據(jù)蓄水池能量和質(zhì)量平衡，TSFU系統(tǒng)Tw計算公式為

(9)

式中Twe,i——第iΔt時刻的Twe，℃

將式(7)和式(8)代入式(9)，消去Twe和v，可得到

(10)

式中Tin,i——第iΔt時刻的Tin，℃

當系統(tǒng)不運行時，Tw保持不變。

2 結(jié)果與分析

2.1 室外太陽輻射與室內(nèi)外氣溫分析

測試期間室外太陽輻照度R與空氣溫度Tout如圖2所示。根據(jù)外保溫大棚保溫被管理模式，將日間和夜間分別定義為保溫被揭開和閉合期間。晴天日間R最大值為(402.0±3.0) W/m2，出現(xiàn)在12:00—13:00期間。該期間累積太陽輻射能達到了(7.3±0.1) MJ/(m2·d)。在多云天日間，R最大值分別達到了375 W/m2和508 W/m2，但該期間累積太陽輻射能僅(5.5±0.07) MJ/(m2·d)，是晴天的(75.0±0.3)%。

圖2 室外太陽輻照度R與空氣溫度Tout變化(2020年1月16—20日)Fig.2 Outdoor solar irradiance (R) and air temperature(Tout ) (Jan.16—20, 2020)

試驗期間Tout呈二次函數(shù)開口向下的形式變化。日間Tout在-14.4～0.2℃范圍內(nèi)先升高后降低。保溫被閉合之后，Tout持續(xù)下降。晴天夜間Tout平均值為(-11.8±0.2)℃，最低值為-16.7℃，出現(xiàn)在1月18日07:30。多云天夜間Tout平均值和最低值分別為(-6.5±0.9)℃和-11.3℃，分別較晴天夜間高(5.2±1.1)℃和5.4℃。

室內(nèi)氣溫Tin變化趨勢如圖3所示。在晴天日間保溫被揭開后，試驗區(qū)和對照區(qū)Tin隨時間快速提升，在午間受通風的影響出現(xiàn)波動，該期間試驗區(qū)和對照區(qū)Tin最高可達28.9℃和33.3℃。午后Tin開始下降。由于午間試驗區(qū)風口較大，加之TSFU系統(tǒng)運行集熱的影響，導(dǎo)致午間試驗區(qū)Tin低于對照區(qū)。Tin在多云天日間的變化規(guī)律與晴天相同。由于午間沒有通風，且TSFU系統(tǒng)運行時間較短甚至不運行，對照區(qū)和試驗區(qū)Tin沒有顯著區(qū)別，但受太陽輻照度變化而出現(xiàn)較大波動。

圖3 外保溫大棚試驗區(qū)和對照區(qū)空氣溫度變化(2020年1月16—20日)Fig.3 Indoor air temperature of test and control areas of plastic tunnel covered with thermal blanket (Jan.16—20, 2020)

夜間保溫被閉合后，對照區(qū)和試驗區(qū)Tin隨時間不斷下降。在晴天夜間，對照區(qū)Tin保持在(12.6±2.4)℃，最低值為(9.9±0.1)℃，較室外氣溫高(24.3±0.7)℃。另一方面，由于對照區(qū)密封程度優(yōu)于試驗區(qū)，導(dǎo)致對照區(qū)Tin在TSFU系統(tǒng)未運行期間較試驗區(qū)高(0.7±0.1)℃。在后半夜，由于TSFU系統(tǒng)啟動放熱，試驗區(qū)Tin升高并超過對照區(qū)(2.5±0.4)℃。

在多云天夜間，對照區(qū)Tin平均值為(11.6±1.7)℃，最低值為(9.6±0.1)℃，較室外氣溫高(18.0±1.6)℃。受大棚密封性能的影響，對照區(qū)Tin在TSFU系統(tǒng)未運行期間較試驗區(qū)高(1.2±0.2)℃。隨后受TSFU系統(tǒng)啟動放熱的影響，試驗區(qū)Tin升高并比對照區(qū)高(1.1±0.3)℃。

2.2 蓄水池水溫與系統(tǒng)集放熱性能分析

試驗期間蓄水池水溫Tw變化如圖4所示，在晴天日間，受TSFU系統(tǒng)運行集熱的影響，Tw迅速升高。當系統(tǒng)停止后，Tw保持平穩(wěn)。在夜間，當Tin低于10℃時，TSFU系統(tǒng)運行放熱，并導(dǎo)致Tw快速下降。根據(jù)測試，TSFU系統(tǒng)在晴天日間和夜間分別運行(3.0±0.6) h和5.7 h。Tw在日間升高了(4.8±1.1)℃，而在夜間降低了(4.1±0.2)℃。在多云天日間，由于Tin較低，TSFU系統(tǒng)僅在19日日間運行了1.2 h，Tw上升了1.1℃。盡管如此，TSFU系統(tǒng)依然在19日和20日夜間運行了3.3 h和2.8 h，向室內(nèi)放熱。該期間Tw分別下降了2.0℃和1.7℃。

圖4 TSFU系統(tǒng)實測水溫Tw,m、模擬水溫Tw,s和熱交換速率q的變化Fig.4 Measured (Tw,m) and simulated water temperature (Tw,s) and heat exchange rate (q) of TSFU system

為避免Tw測試值波動對q計算引起的誤差，利用Tw的模擬值Tw,s來計算系統(tǒng)q的變化。根據(jù)測試與計算結(jié)果，Tw實測值Tw,m與Tw,s之間的偏差為(0.2±0.2)℃，最大偏差為0.9℃。二者之間的線性方程為Tw,m=0.99Tw,s(R2=0.99)，Tw,m與Tw,s具有較好的一致性。根據(jù)上述關(guān)系，日間q以二次函數(shù)開口向下的形式變化，最高可達59.8 kW(圖4)。夜間|q|在TSFU系統(tǒng)運行的初始時刻最大，而后隨時間快速減小，導(dǎo)致試驗區(qū)Tw,s在TSFU系統(tǒng)運行期間不斷下降。晴天和多云天夜間的|q|分別為(21.9±7.4) kW和(17.3±5.6) kW，在放熱結(jié)束時的最低值分別為14.2 kW和-11.7 kW。

晴天TSFU系統(tǒng)集熱量(Qc)和放熱量(Qr)分別為(454.6±55.9) MJ和(433.0±48.6) MJ，COP達到了2.9(表1)。Qr是Qc的(95.3±1.0)%。而在多云天，TSFU系統(tǒng)的Qr為(199.3±0.1) MJ，為晴天的46.0%。該期間，TSFU系統(tǒng)在19日的Qc為142.0 MJ，僅為晴天的31.1%。另外，雖然多云天的Qr較低，但該期間TSFU系統(tǒng)的電耗主要用于夜間供熱，所以該期間COP達到3.1，表明TSFU系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果。

表1 TSFU系統(tǒng)集放熱階段性能參數(shù)Tab.1 Heat collection and release performances of TSFU system

2.3 η和n對TSFU系統(tǒng)集放熱性能影響

為評估表冷器-風機全熱交換效率η和表冷器-風機數(shù)量n對TSFU系統(tǒng)集放熱性能的影響，利用上述數(shù)學(xué)模型對不同條件的Tw進行了模擬，并據(jù)此計算TSFU系統(tǒng)Qc、Qr和COP(表2)。

表2 表冷器-風機全熱交換效率η、表冷器-風機數(shù)量n以及蓄水池體積V對TSFU系統(tǒng)集放熱性能的影響Tab.2 Effects of overall heat exchange efficiency (η) and number (n) of fan-coil units and water volume in tank (V) on its heat collection and release performances of TSFU system

根據(jù)前期測試結(jié)果，同等條件下表冷器-風機的η可達0.44，高于試驗中所采用的0.28。若試驗中TSFU系統(tǒng)的η為0.44，Tw的變化速率和變化幅度顯著增加，最高和最低Tw可分別較現(xiàn)有系統(tǒng)高2.0℃和低0.4℃(圖5)。另一方面，q的變化趨勢與現(xiàn)有系統(tǒng)相同(圖6)。但受η和Tw變化的綜合影響，|q|在晴天日間和夜間分別較現(xiàn)有系統(tǒng)高(38.0±25.2)%和(57.7±26.1)%，而在多云天日間和夜間則分別較現(xiàn)有系統(tǒng)高(67.1±4.0)%和(19.6±16.5)%。此外，由于晴天放熱結(jié)束后Tw較低，不利于TSFU系統(tǒng)在多云天夜間放熱，導(dǎo)致|q|在18日夜間系統(tǒng)放熱后期低于現(xiàn)有系統(tǒng)。根據(jù)模擬的Tw計算得出，該條件下TSFU系統(tǒng)在晴天的Qc與Qr可分別較現(xiàn)有系統(tǒng)增大(40.3±6.2)%和(67.4±14.9)%，COP較現(xiàn)有系統(tǒng)升高2.0±0.4，達到4.9±0.4；而多云天的Qc與Qr分別較現(xiàn)有系統(tǒng)增大48.0%和(14.9±7.6)%，COP升高0.5±0.2，達到3.6±0.6(表2)。

圖5 表冷器-風機全熱交換效率η和表冷器-風機數(shù)量n對TSFU系統(tǒng)水溫Tw的影響Fig.5 Effects of overall heat exchange efficiency (η) and number (n) of fan-coil units on water temperature (Tw) of TSFU system

圖6 表冷器-風機全熱交換效率η和表冷器-風機數(shù)量n對TSFU系統(tǒng)熱交換速率q的影響Fig.6 Effects of overall heat exchange efficiency (η) and number (n) of fan-coil units on heat exchange rate (q) of TSFU system

n對TSFU集放熱的影響與η相似。n越多，Tw在日間和夜間的變化幅度越大，Qc和Qr越高。當n提高到20時，最高和最低Tw分別較現(xiàn)有系統(tǒng)高2.2℃和低0.5℃(圖5)。晴天日間和夜間的|q|分別較現(xiàn)有系統(tǒng)增加(43.6±27.8)%和(64.8±31.6)%(圖6)。多云天日間和夜間的|q|則分別提高了(78.3±5.0)%和(21.4±20.3)%。同樣受晴天TSFU系統(tǒng)放熱結(jié)束后Tw較低的影響，18日夜間出現(xiàn)TSFU系統(tǒng)放熱后半段|q|低于現(xiàn)有系統(tǒng)的現(xiàn)象。根據(jù)模擬的Tw計算得出，該條件下TSFU系統(tǒng)晴天Qc與Qr分別較現(xiàn)有系統(tǒng)增大(46.1±6.3)%和(76.1±14.7)%，COP較現(xiàn)有系統(tǒng)升高2.2±0.4，達到了5.6±1.0；而多云天的Qc與Qr分別較現(xiàn)有系統(tǒng)增大58.0%和(17.0±4.5)%，COP升高0.7±0.3，達到了3.8±0.1。

根據(jù)上述分析，提高TSFU系統(tǒng)表冷器-風機的η和n可促進TSFU系統(tǒng)與室內(nèi)空氣的熱交換，進而提高TSFU系統(tǒng)的集放熱性能。但另一方面，該條件下TSFU系統(tǒng)放熱結(jié)束之后的Tw較低，不利于在多云天放熱，易出現(xiàn)放熱后半段|q|較低的情況，不利于保持較高的Tin。

2.4 V對TSFU系統(tǒng)集放熱性能的影響

蓄水池水體積(V)主要通過Tw來影響Qc和Qr。為分析上述影響，利用上述數(shù)學(xué)模型計算不同V下Tw變化，并據(jù)此計算TSFU系統(tǒng)q、Qc、Qr和COP。

當V增大到52 m3時，Tw變化幅度減小，其最高值和最低值分別較現(xiàn)有系統(tǒng)低1.2℃和高1.5℃(圖7)。受此影響，晴天日間和夜間的|q|是現(xiàn)有系統(tǒng)的(111.0±12.7)%和(97.5±17.8)%(圖8)。另外，夜間|q|變化較為平穩(wěn)，尤其是在放熱后期高于現(xiàn)有系統(tǒng)，有助于改善TSFU系統(tǒng)對Tin的提高效果。另一方面，由于晴天TSFU系統(tǒng)放熱結(jié)束之后Tw較高，不利于19日日間集熱，該期間|q|較現(xiàn)有系統(tǒng)低了(13.1±1.8)%。而在多云天夜間，較高的Tw有利于TSFU系統(tǒng)放熱，使得|q|較現(xiàn)有系統(tǒng)增加了(44.6±14.2)%。根據(jù)模擬的Tw計算得出，在該條件下，晴天Qc較現(xiàn)有系統(tǒng)增大(11.8±4.8)%，而Qr和COP為現(xiàn)有系統(tǒng)的(95.4±20.9)%，未顯著改善。與此相反，多云天Qc較現(xiàn)有系統(tǒng)減小了23.2%，而Qr增大(31.7±20.3)%，COP提高了1.0±0.7，達到4.1±1.0。

圖7 蓄水池體積V對TSFU系統(tǒng)水溫Tw的影響Fig.7 Effects of water volume (V) in tank on water temperature (Tw) of TSFU system

當V減小到13 m3時，Tw變化幅度增大，其最高值和最低值分別較現(xiàn)有系統(tǒng)高2.9℃和低0.8℃(圖7)。受此影響，晴天日間和夜間的|q|分別是現(xiàn)有系統(tǒng)的(80.4±19.1)%和(92.9±26.4)%(圖8)。在19日日間，受TSFU系統(tǒng)在晴天放熱之后Tw較低的影響，|q|較現(xiàn)有系統(tǒng)高(8.3±4.8)%。但在19日和20日夜間，|q|依然較現(xiàn)有系統(tǒng)低(36.2±17.5)%。另外，試驗期間，|q|變化幅度較大，在晴天夜間放熱后半段和整個多云天放熱期間低于現(xiàn)有系統(tǒng)，不利于保持較高的Tin。根據(jù)模擬的Tw計算得出，該條件下晴天Qc較現(xiàn)有系統(tǒng)減小了(11.9±3.6)%，而Qr為現(xiàn)有系統(tǒng)的(101.9±7.0)%，COP為3.0±0.2，未顯著改善。多云天Qc和Qr分別較現(xiàn)有系統(tǒng)減小了3.9%和(37.8±4.4)%，COP減小了1.2±0.3，達到1.9±0.1。

圖8 蓄水池體積V對TSFU系統(tǒng)熱交換速率q的影響Fig.8 Effects of water volume (V) in tank on heat exchange rate of (q) TSFU system

根據(jù)上述分析，在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將V提高到52 m3可減小TSFU系統(tǒng)Tw和|q|的變化幅度，并增加多云天夜間的Qr，避免TSFU系統(tǒng)|q|在放熱期間急速下降而對Tin產(chǎn)生的影響，但沒有顯著改善晴天Qc和Qr。而當V減小至13 m3時，Tw和|q|變化劇烈，晴天Er未受影響，但多云天Qr較小，且TSFU系統(tǒng)|q|在放熱期間急速下降，不利于提高外保溫大棚在冬季夜間的最低Tin。因此，在生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)實際條件合理選擇V，以充分發(fā)揮TSFU系統(tǒng)的集放熱性能。

2.5 經(jīng)濟性分析

在本試驗條件下，TSFU系統(tǒng)包含表冷器-風機、供回水管路、潛水泵、蓄熱水池等構(gòu)件，其中表冷器-風機的成本為1.5～1.7萬元，蓄熱水池的建造成本為2.0～2.7萬元，供回水管道的成本約為0.2萬元，潛水泵與電氣控制設(shè)備等的成本約為0.2萬元，合計3.9～4.3萬元，折合單位面積的建造成本為35.3～37.9元/m2，為試驗大棚造價的9.8%～10.5%。

試驗條件下TSFU夜間累計供熱1 269.5 MJ，總耗電量為118.1 kW·h。根據(jù)《內(nèi)蒙古自治區(qū)發(fā)展和改革委員會關(guān)于合理調(diào)整電價結(jié)構(gòu)有關(guān)事項的通知》(內(nèi)發(fā)改價字〔2017〕954號)，農(nóng)業(yè)用電價格為0.421元/(kW·h)，TSFU在試驗期間的加溫成本為49.7元。在試驗條件下，使用燃氣熱風爐(天然氣供暖)提供同樣的熱量需消耗天然氣42.2 m3(設(shè)天然氣能源轉(zhuǎn)化效率為80%，天然氣熱值為37.59 MJ/m3)[26]。根據(jù)《內(nèi)蒙古自治區(qū)發(fā)展和改革委員會關(guān)于調(diào)整居民和非居民用管道天然氣銷售價格的通知》(內(nèi)發(fā)改價字〔2019〕251號)，內(nèi)蒙古自治區(qū)非居民用戶天然氣售價最低為1.97元/m3，則試驗條件下燃氣熱風爐的加溫成本為83.1元，TSFU系統(tǒng)較燃氣熱風爐節(jié)約了40.2%的成本。若將表冷器-風機的η提高為0.44時，TSFU系統(tǒng)夜間累計供熱1 912 MJ，該條件下使天然氣供暖提供同樣的熱量需消耗天然氣63.6 m3，運行成本為142.8元，使用TSFU系統(tǒng)供熱可節(jié)約成本65.2%。

在試驗大棚中使用TSFU系統(tǒng)需要投入一定的建造成本和運行成本，但另一方面，該系統(tǒng)的使用有助于改善作物生長環(huán)境，提高產(chǎn)量。

3 結(jié)論

(1)試驗期間，TSFU系統(tǒng)可使晴天、多云天夜間外保溫大棚的室內(nèi)氣溫分別提高(2.5±0.4)℃和(1.1±0.3)℃，有助于改善外保溫大棚夜間的室內(nèi)溫度。

(2)試驗期間TSFU系統(tǒng)在晴天和多云天的放熱量Qr分別為(433.0±48.6) MJ和(199.3±0.1) MJ，系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)達到2.9和3.1，節(jié)能效果顯著。

(3)根據(jù)模擬分析，將表冷器-風機的η和n分別提高至0.44和20時，可分別使晴天Qr增加(67.4±14.9)%和(76.1±14.7)%，多云天Qr增加(14.9±7.6)%和(17.0±4.5)%，COP達到3.6±0.6以上?？赏ㄟ^選用較高的η或n來提升TSFU系統(tǒng)的集放熱性能。

(4)根據(jù)模擬分析，將V提高到52 m3，可使TSFU系統(tǒng)多云天Qr提高(31.7±20.3)%，COP提高1.0±0.7，但沒有改善晴天Qr和COP；將V減小至13 m3，未影響晴天Qr，但使多云天Qr和COP顯著減小。可根據(jù)實際條件合理選擇V，進而優(yōu)化TSFU系統(tǒng)集放熱性能。

(5)在試驗條件下，使用TSFU系統(tǒng)替代以天然氣為燃料的熱風爐，可節(jié)約加溫成本40.2%，若將表冷器-風機的η提高至0.44，加溫成本可進一步降低。