雙熱源太陽能熱泵溫室供暖系統的設計與構建

劉曉勤 賈少剛 魏翠琴

摘要：當前農業溫室的調控消耗了大量的燃煤，該問題制約了溫室甲魚養殖業的發展，因此利用太陽能熱泵技術為溫室供暖是很有必要的。參照工廠化甲魚養殖溫室構建了30 m2實驗溫室，以浙北地區的氣象數據為基礎計算了實驗溫室的熱負荷。以實驗溫室為研究對象，設計了雙熱源混聯式太陽能熱泵供暖系統并優化了系統結構，提高了系統的能效比和運行的穩定性，且系統的運行方式靈活多選。以實驗溫室熱負荷計算結果為基礎進行了系統的部件選型，構建了太陽能熱泵供暖系統實驗臺，實驗臺設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參數。系統為太陽能單獨運行、空氣源熱泵單獨運行、熱泵太陽能串聯運行、太陽能熱泵并聯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、熱泵和系統整體的性能參數，為開展試驗研究打下了基礎，同時也可為同類設備的設計與應用提供參考。

關鍵詞：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：浙江省公益技術應用研究計劃（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能與暖通空調技術。E-mail：365358379@qq.com。 ?溫室農業目前已經不再受氣候的影響，北亞熱帶季風氣候區冬季時熱源主要來自于小型煤爐，但這會造成環境污染[1-2]。清潔能源的開發利用以及節能技術的推廣使用，是現代綠色生態環境對農業發展提出的新要求，也是必然趨勢。太陽能屬于清潔能源，熱泵技術有高效節能的優勢，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，也間接提升了系統性能[3-4]。太陽能與熱泵技術嫁接，對于改進能源消耗與環境保護之間的矛盾，意義重大[5-6];太陽能熱泵技術目前在溫室農業方面、建筑物冬季供暖方面的應用如雨后春筍[7-9]。本研究以工廠化飼養甲魚，人工構建溫室為研究對象，創建了養殖面積為30 m2的實驗室，構建了太陽能及熱泵2個熱源，按溫室供暖規范設計了系統實驗臺，用于溫室供暖和太陽能熱泵系統的試驗研究，為溫室清潔能源供暖系統的設計與優化研究提供參考和依據。

1 甲魚養殖溫室概況

養殖溫室的室溫需維持在35 ℃，養殖池水溫需維持在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板的內外兩側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，養殖池西側是1個鋪設木地板的過道。溫室結構示意圖詳見圖1，溫室頂棚呈斜面，南北墻和頂棚為長方形，東西墻為梯形，溫室尺寸參數見表1，經計算溫室四周墻體與頂棚面積總計為76.2 m2。

2 溫室維護結構熱負荷計算

2.1 基本氣象參數

實驗室及實驗平臺所涉及氣候、太陽能輻照度等參數詳圖2。

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

維護結構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，結果顯示，白天和黑夜溫度差變化引起熱負荷發生波動，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構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設計與構建

3.1 太陽能熱泵溫室系統結構設計

為滿足溫室供暖的多種工況以及節能運行要求，設計了雙熱源混聯式太陽能熱泵系統（圖4）。該系統由溫度傳感器、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、循環水泵、連接管件等組成。系統中太陽能可單獨運行加熱蓄熱水箱或者供暖水箱中的水;熱泵設置了以空氣作為熱源的蒸發器、以蓄熱水箱的水作為熱源的2個蒸發器，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。

該系統具有太陽能熱泵串聯方式運行、太陽能熱泵并聯方式運行、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，系統宜采用串聯方式運行;在春夏秋季環境溫度較高時系統既可以并聯方式運行，也可以串聯方式運行，陽光輻照特別好時則太陽能單獨運行;任何季節下遇到連續陰雨天時則熱泵以空氣源形式單獨運行。此系統的優點如下：

（1）提高了系統的能效比（COP）。系統以串聯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];熱泵蒸發器側熱源為低溫熱水，制冷劑蒸發溫度較高，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COP得到了有效提高。

（2）提高了系統穩定性。在氣溫出現連綿陰雨天時，由空氣源熱泵向溫室提供熱量。為延長設備使用壽命，采用閉式循環運行，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，平常防結垢、防腐的作用。

（3）提高了系統運行靈活性。系統運行方式由陽光輻照強度、環境溫度經溫室熱負荷計算后選定。最大化運用太陽能，最大化實現系統的節能運行。

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境溫度改變的集熱器面積（表3）。結果顯示，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整，太陽能板的數目取值為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，設定水箱內溫度差為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為供暖水箱內溫度差，10 ℃。

3.3 蓄熱水箱容積的選取

冬季系統串聯運行時熱泵水源蒸發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]到熱泵的水源蒸發器的蒸發溫度即熱水水溫不能過高，否則會導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定為35 ℃，最低溫度設定為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，考慮工業成品水箱的規格，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連續陰雨天的情況，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構的熱負荷為 2 112 W，考慮安全余裕，將系數取為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]，經計算得到熱泵壓縮機功率是 1 690 W，據此選擇壓縮機及熱泵機組即可，但功率必須大于1 690 W。

系統無論以串聯方式、并聯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間均設置為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配置與構建

根據以上的太陽能熱泵系統的結構設計與設備選型，構建了為30 m2實驗溫室供暖的雙熱源太陽能熱泵系統，系統的主要部件參數詳見表4，構建的太陽能熱泵供暖系統實驗臺詳見圖5。

3.6 系統參數測量與可開展項目

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

4 結論與探討

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

（1）結構設計合理、運行方式靈活多變，適用于不同工況下;系統穩定性好，經濟效益佳。

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

在全社會提倡綠色建造的今天，環保意識滲透到各行各業已是不爭的事實。應用于溫室，促進農業領域的變革，更有著特殊的意義。從生態文明角度來發展農業，是當代為暖通空調專業人士提出的新挑戰，任重而道遠。

參考文獻：

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