温室用太阳能热泵土壤蓄能系统的研究

蒋绿林，蔡佳霖，胡 静，卢 旺，吕长宁

(常州大学石油工程学院，江苏常州 213000)

温室主要用于栽培蔬菜植物，在不适合作物生长的季节为作物生长提供适宜的温度。我国北方地区入秋后，昼夜温差逐渐增大。白天气温较高，温室作物能够正常生长；夜晚气温骤降，温室内部温度有时降到0 ℃以下。根据《中国农业百科全书：蔬菜卷》可知，一般作物适宜的生长温度在5～35 ℃ 之间。温度过低不利于作物生长，因此，北方地区必须在冬季为温室供暖。传统温室的供暖方式以燃煤锅炉为主，这种高温热源放热的供暖方式不仅造成大量的能源浪费，而且燃煤锅炉排放的CO2、NOx、SOx等污染物对环境也造成了严重污染[1]。

随着我国现代化农业的发展，温室大棚供暖的能源供应不再仅限于一次能源。我国北方地区冬季太阳辐射较强，有研究者提出将太阳能热利用技术应用于温室大棚供暖，并对此进行了相关研究[2-4]。江苏大学的毛罕平等研制了1种温室太阳能加热系统，其主要由真空管太阳能集热器和循环管道组成，并采用电采暖作为系统的辅助热源以满足温室的连续供暖需求[5]。陕西科技大学的苏伟等设计了太阳能与地源热泵联合温室大棚系统及该系统的可编程逻辑控制器(programmable logic controller，简称PLC)控制回路，并对其可行性作了简要分析[6]。太阳能与地源热泵联合温室大棚系统的初投资较高，对于农业生产来说，其系统投资回收期较长。沈阳农业大学的于威等设计了日光温室太阳能土壤加温系统，通过试验研究在该系统的作用下地温随着不同地热管埋深的变化情况。结果表明，太阳能土壤加温系统对夜间土壤温度有显著提升作用[4]。根据调研，国内温室大棚太阳能热利用技术大多采用太阳能闷晒水的集热方式，依靠太阳能闷晒真空管或平板式太阳能集热板来提升内部水的温度，结合储能水箱及温室内部换热系统对温室进行供暖。这种仅通过太阳闷晒来加热水的做法，其太阳能利用率较低，无法满足大面积温室大棚生产的供暖需求，且温室大棚供暖须配备较大的储能水箱，浪费了土地资源，后期维护也较为麻烦。

针对以上温室供暖技术的不足，本研究设计1种温室用太阳能热泵土壤蓄能系统，利用制冷剂R134A在平板式太阳能集热板中采集太阳能量，通过压缩机提升能量品位，制冷剂通过板式换热器将热量换热给水，通过循环水泵使水在水平横埋管中循环流动，以这种形式将热量最终换热给温室内部土壤，最终实现温室内部土壤及空气温度的提升。通过试验对此系统进行研究，分析不同工况下系统性能及其供暖效果，得出相应结论。

1 试验内容

1.1 试验原理及主要装置

对于太阳能热泵土壤蓄能系统，制冷剂R134A在太阳能集热蒸发器内吸收热量，经压缩机压缩后变为高温高压的过热蒸气，再经温室内地埋管侧板式换热器冷凝后，进入膨胀阀节流为低温低压的气液两相混合物，最后回到太阳能集热蒸发器中吸热蒸发，如此完成1个循环过程。在白天，随着太阳能热泵的持续运行，系统能够收集较多能量，通过埋深为 40 cm 的水平横埋管将能量换热给土壤，土壤温度不断升高；在夜晚，释放储存在土壤中的能量向温室供暖。由于白天土壤中储存了较多能量且土壤的放热速度较慢，因此土壤对温室供暖的持续时间较长，能够满足夜间温室作物的正常温度需求。随着系统的正常运行，温室的土壤温度及空气温度得到明显提升。

温室用太阳能热泵土壤蓄能系统(图1)所选用的压缩机为上海日立家用电器有限公司WHP09800DCV-C9EU型转子式压缩机，其额定制热量为9.97 kW，额定功率为 2.46 kW。太阳能集热蒸发器是由12块太阳能集热板并联而成，集热板选用江苏省常州海卡太阳能热泵有限公司生产的有玻璃盖板的平板式太阳能集热板，尺寸为1 000 mm×2 000 mm×80 mm，朝正南方向放置，与水平面夹角为60°。

1.2 试验方法

以山西省大同市一温室大棚为例，该温室大棚长为 60.0 m，宽为8.0 m，背墙高度为2.5 m，墙厚为0.5 m，设计总暖负荷为20 kW。温室夜间覆盖保温棉被，16：00覆盖，次日09：00揭开。为分析太阳能热泵土壤蓄能系统的运行效果，用隔热板将温室隔成东、西2个相同的区域进行对比试验，东半部铺设地埋管，而西半部设为无地埋管的对照区。太阳能热泵运行时间为08：00—17：00。

对有太阳能热泵土壤蓄能系统和无太阳能热泵土壤蓄能系统的温室分别进行试验测试。测试记录的数据(0.5 h采集1次)包括太阳辐射强度、地埋管总管水流量(qm)、主机功率(W)、地埋管总管的供/回水温度(T1/T2)。图2为试验温室/对照温室地面往下20 cm、地面往上1.5 m处的温度(T3/T5、T4/T6)(视作温室的土壤温度、空气温度)、室外环境温度(T7)。所用的试验仪器主要包括太阳辐射强度测量采用的北京中西远大科技有限公司生产的辐射量采集仪，水流量的测量采用的江苏进源仪表有限公司生产的涡轮流量计，主机功率测量采用的浙江乔宇电气有限公司生产的RS485通信远程控制电能表，温度测定选用的江苏省常州市金艾联电子科技有限公司生产的JK-16U多路温度巡检仪。

2 结果与分析

试验工况包括晴天工况和多云工况2个部分。

2.1 晴天工况下试验

2.1.1 系统性能分析 由图3可知，太阳辐射良好，辐射强度峰值出现在13：30，为1 018 W/m2；系统供水温度在15.1～21.0 ℃之间，峰值出现在14：00；系统回水温度在 13.7～17.6 ℃ 之间，峰值出现在15：30；系统供回水温差在1.4～3.4 ℃之间，峰值出现在14：00。

系统供水温度受太阳辐射强度的影响较为明显。随着辐射强度的增强，供水温度随之升高，而回水温度变化相对较平缓，供回水温差加大，土壤的热量增大。随着太阳辐射强度的减弱，供/回水温度也随之下降。另外，由于土壤具有较大的热容量，供/回水温度及其温差出现峰值的时间均晚于太阳辐射最强时的时间。

对系统的性能系数(coefficient of performance，简称COP)进行分析。COP的计算公式如下：

(1)

Q=C0qm(T1-T2)。

(2)

式中：Q为系统的制热量，kW；W为系统运行时的主机输入功率(包括压缩机、水泵的耗功)，kW；C0为水的比热容，4.186 kJ/(kg·K)；T1、T2为供/回水温度，℃；qm为水的质量流量，kg/s，根据试验，系统水平横埋管中水的质量流量qm趋于稳定，其值约为0.94 kg/s。

由图4可知，系统的制热量随太阳辐射强度的变化而变化，而主机的输入功率相对变化不大。将系统的制热量和主机输入功率代入COP的计算公式，得到相应的COP。结果表明，系统的COP随太阳辐射强度增强而增大，随太阳辐射强度减弱而减小。根据计算，晴天工况下系统的平均COP为4.05。

2.1.2 供暖效果分析 由图5可知，在白天地埋管与土壤的持续换热下，系统对土壤温度有明显提升。与对照温室相比，试验温室的土壤温度日平均提升3.3 ℃，最大提升时间在14：00，提升3.9 ℃。另外，结合图3可以看出，白天的各个时段，试验系统的回水温度在13～18 ℃范围内波动，而试验温室土壤温度在10～16 ℃范围内波动，回水温度高于试验温室土壤温度，说明白天系统运行期间，地埋管与土壤换热良好，土壤持续吸收地埋管热量。

由图6可知，在白天将温室保温棉被揭开后，温室空气在太阳辐射下不断升温。地埋管与土壤换热对温室空气温度提升较小，试验温室与对照温室空气温度相差不大；到了晚上由于储存在土壤中的热量会缓慢地释放到温室内，试验温室比对照温室中空气温度高，试验温室中空气夜晚温度(17：00至次日08：00)比对照温室平均高1.4 ℃，说明本研究的系统对温室空气的增温效果明显。

晴天工况下白天(08：00—17：00)室外环境温度在4～14 ℃ 之间，夜间(17：00至次日08：00)温度在5～8 ℃之间，昼夜温差较大。白天试验温室中空气温度比环境温度高5～8 ℃，夜间高3～5 ℃。由于在白天系统运行的同时，温室也在被动的吸收、储存太阳能量，所以试验温室较室外环境温度高。温室温度能满足作物生长需求。

2.2 多云工况下试验

2.2.1 系统性能分析 由图7可知，太阳辐射强度波动剧烈，随着系统的运行，系统供/回水温度一定程度上随着辐射强度的波动而波动，但由于土壤具有较大的热容量，供/回水温度不会出现像太阳辐射强度那样剧烈的变化，二者达到动态平衡。随着辐射强度的不断减弱，供水、回水温差不断减小。在16：00以后，太阳辐射强度降至100 W/m2以下，此时的供水、回水温差仅有0.2 ℃左右，地埋管与土壤基本不换热。

由图8可知，系统制热量的波动受太阳辐射强度的影响较明显，而其主机输入功率依然波动不大，因此系统的COP变化受太阳辐射强度影响明显。16：00以后，太阳辐射强度过低，系统制热量降到2 kW左右，而此时的主机输入功率略低于制热量，系统能效比过低，主机应停止运行。根据计算，多云工况下系统COP平均值为2.50。

2.2.2 供暖效果分析 由图9可知，在多云工况下，与对照温室相比，试验温室土壤温度日平均提升2.28 ℃。由图10可知，在白天试验温室与对照温室中空气温度相差不大；夜晚(17：00至次日08：00)试验温室比对照温室中空气温度高，平均高1.0 ℃，可见本研究的系统对温室增温效果明显。

在多云工况下，白天(08：00—17：00)室外温度在6～9 ℃ 之间，夜间(17：00至次日08：00)温度在5～6 ℃之间，昼夜温差较大。白天，在系统和被动式温室太阳能蓄能的共同影响下，试验温室内部空气温度比环境温度高2～5 ℃；夜间高3～4 ℃。温室中空气温度明显提升，有利于作物生长。

3 结论

温室用太阳能热泵土壤蓄能系统在晴天和多云天气工况下运行情况良好。系统的供/回水温度及性能系数(COP)均受太阳辐射强度影响，辐射增强，供/回水温度及COP随之升高，反之则降低。由于土壤具有较大热容量，系统供/回水温度波动滞后于太阳辐射强度且较为平缓，二者达到动态平衡；晴天和多云天气工况下，系统的平均COP分别为4.05、2.50。

系统供暖效果明显。在晴天工况下，与对照温室相比，试验温室土壤温度日平均提升3.24 ℃，夜间温室空气温度平均提升1.49 ℃；在多云天气工况下，与对照温室相比，试验温室土壤温度日平均提升2.28 ℃，夜间温室空气温度平均提升 1.02 ℃；同时，在太阳能热泵土壤蓄能系统和被动式温室太阳能蓄能的共同影响下，温室内部空气温度比室外环境温度提升大，温度提升2～8 ℃，在较大程度上提高了作物的生长环境温度。

根据调研，温室年供暖平均天数约为120 d，其中阴、雨、雪等恶劣天气天数占15%。在连续恶劣天气工况下，太阳能热泵土壤蓄能系统无法满足温室的供暖需求。因此，考虑增加辅助能源来保证系统的全年稳定运行。下一步工作集中在选择合适的辅助供暖设备来匹配太阳能热泵土壤蓄能系统，并对结合辅助供暖设备的系统进行全年运行的应用研究。