賈少剛，劉曉勤，馬 萍，應(yīng)志軍，盧 源

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江湖州 313000）

目前，農(nóng)業(yè)溫室冬季供暖主要采用煤爐[1]，消耗大量煤炭并造成環(huán)境污染。因此，開(kāi)發(fā)利用清潔能源和高效節(jié)能技術(shù)是溫室農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。太陽(yáng)能是清潔可再生能源，熱泵是高效節(jié)能技術(shù)，兩者的結(jié)合應(yīng)用既克服了太陽(yáng)能受天氣影響的缺點(diǎn)，也提高了系統(tǒng)的性能，已越來(lái)越多地應(yīng)用到了農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[2-5]，太陽(yáng)能熱泵技術(shù)對(duì)解決能源與環(huán)境問(wèn)題具有重要意義[6]。本文以湖州市吳興區(qū)東林鎮(zhèn)保豐村某甲魚(yú)養(yǎng)殖溫室為研究對(duì)象，取其30 m2溫室進(jìn)行了溫室熱負(fù)荷計(jì)算、太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主要部件選型以及試驗(yàn)臺(tái)搭建等研究工作，為下一步的供暖實(shí)驗(yàn)研究打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 甲魚(yú)養(yǎng)殖溫室概況

甲魚(yú)養(yǎng)殖溫室室溫需維持在35℃，此溫度有利于甲魚(yú)的快速生長(zhǎng)。單個(gè)養(yǎng)殖池面積為30 m2，其尺寸為5 m×6 m，一般情況一個(gè)溫室有16～18個(gè)養(yǎng)殖池，養(yǎng)殖池對(duì)稱布置，溫室四周墻體為單層磚壘砌，中間過(guò)道寬度為700 mm，養(yǎng)殖池深度為600 mm，水深為450 mm；溫室南北墻的厚度為220 mm，高度為600 mm；東西墻的厚度為120 mm，呈圓弧形，頂棚搭建在四周墻體上，頂棚最高點(diǎn)距底面高度為2100 mm，四周墻體大約300 mm在地面以下，其余部分在地面上。圖1為溫室結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為溫室外觀實(shí)圖。溫室頂棚采用保溫材料覆蓋，頂棚的具體布置見(jiàn)表1。

一個(gè)30 m2養(yǎng)殖池對(duì)應(yīng)的維護(hù)結(jié)構(gòu)的面積通過(guò)計(jì)算為：頂棚面積為37 m2；東墻的面積為7.5 m2，南北側(cè)墻的面積分別為3.6 m2。

表1 溫室頂棚的保溫材料布置（由內(nèi)向外）

2 溫室維護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷計(jì)算

2.1 基本氣象數(shù)據(jù)

溫室及太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的熱力計(jì)算涉及一些天氣數(shù)據(jù)，如氣溫與太陽(yáng)能輻照度等[7]（表2）。

2.2 溫室維護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷Qw采用平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式（1）[8]計(jì)算即可，傳熱系數(shù)K參考相關(guān)規(guī)范[9-10]進(jìn)行計(jì)算即可，相關(guān)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3和表4。由表3可知，冬季最冷月1月份溫度維護(hù)結(jié)構(gòu)平均熱負(fù)荷為832 W，考慮晝夜溫差變化導(dǎo)致的熱負(fù)荷波動(dòng)，冬季最低氣溫約為-5℃，則1月份溫度最低時(shí)熱負(fù)荷為1.1 kW。由表4可知，維護(hù)結(jié)構(gòu)的年總耗熱量為15463.0 MJ，標(biāo)煤熱值qc為29.27 MJ/kg，則30 m2溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)年耗熱量約合標(biāo)煤530 kg。

式中：α——圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù)；F——圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積，m2；Tn——溫室室內(nèi)溫度，取35℃；Twn——室外溫度，取月均溫度，℃；K——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

表2 湖州地區(qū)月均氣溫與不同月份下太陽(yáng)能日均輻射量

表3 1月份溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均熱負(fù)荷

表4 不同月份下溫室的熱負(fù)荷與需熱量

3 太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔且穩(wěn)定性高，可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能單獨(dú)運(yùn)行、熱泵單獨(dú)運(yùn)行、太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合運(yùn)行三種形式，針對(duì)不同工況要求靈活切換系統(tǒng)的運(yùn)行方式。通過(guò)深入分析并聯(lián)式系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖3所示的雙水箱并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由空氣源熱泵、平板式太陽(yáng)能、蓄熱水箱、循環(huán)泵及附屬設(shè)施等組成，最大優(yōu)點(diǎn)是采用了雙水箱設(shè)計(jì)，既可增加水箱的蓄熱能力，又可提高太陽(yáng)能集熱器的效率。因向溫室供暖時(shí)水箱水溫需保持在50～60℃，對(duì)于太陽(yáng)能和熱泵來(lái)說(shuō)這是處于效率較低的加熱溫區(qū)，因此，單水箱時(shí)太陽(yáng)能和熱泵工作時(shí)的效率均比較低，而采用雙水箱則可以讓太陽(yáng)能和熱泵分別加熱不同的水箱，太陽(yáng)能可以用來(lái)制取低溫?zé)崴?，從而保持較高的效率。此系統(tǒng)中太陽(yáng)能采取閉式循環(huán)方式，集熱介質(zhì)從集熱器吸收熱量后流到水箱盤(pán)管換熱器中釋放熱量加熱水箱中的水，熱泵則通過(guò)冷凝器（套管換熱器）加熱水泵強(qiáng)制送過(guò)來(lái)的水箱中的水。

3.2 太陽(yáng)能集熱器面積計(jì)算

假定溫室所需熱負(fù)荷全部由太陽(yáng)能提供，由公式（2）計(jì)算得到不同月份下所需的集熱器面積（表5），可知12月、1月及2月份所需集熱器面積最多，取這3個(gè)月的平均值進(jìn)行配置可基本滿足冬季時(shí)溫室所需，經(jīng)計(jì)算面積為23.5 m2，2 m×1 m規(guī)格平板式集熱器采光面積為1.9 m2，則需12.4塊，取整數(shù)值即12塊。

式中：Ac——集熱器面積，m2；Qu——溫室1 d的總耗熱量，MJ/d；ηc——集熱器平均集熱效率，40%[11]；Ic——單位面積平均每天太陽(yáng)能輻射總量，MJ/（m2·d）。

3.3 水箱容積計(jì)算

水箱的容積決定其蓄熱能力大小，也影響熱泵運(yùn)行時(shí)的啟停時(shí)間間隔，初步選擇水箱容積V為200 L，由公式（3）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)相關(guān)條件為：①按照冬季1月份溫室平均熱負(fù)荷Qw=832 W計(jì)算；②熱泵單獨(dú)運(yùn)行，水箱水溫達(dá)到60℃后熱泵停運(yùn)，待水溫降至50℃時(shí)再啟動(dòng)。

表5 不同月份下30 m2溫室所需太陽(yáng)能集熱器面積

計(jì)算結(jié)果為160 min，即當(dāng)熱泵將水箱中的水加熱到60℃停止運(yùn)行后再間隔160 min后需再開(kāi)啟運(yùn)行，這是熱泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的間隔時(shí)間，也是水箱溫降10℃可以持續(xù)供暖的時(shí)間，若太陽(yáng)能同時(shí)工作則此時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，不會(huì)造成熱泵頻繁啟動(dòng)的狀況。

式中：Q——溫室熱負(fù)荷，832 W；t——時(shí)間，min；Cp——水的定壓比熱容，4.18 kJ/（kg·℃）；V——水箱容積，200 L；ρw——水的密度，1000 kg/m3；△T——水的溫差，10℃。

3.4 熱泵機(jī)組選型計(jì)算

夜間和陰雨天太陽(yáng)能無(wú)法工作時(shí)熱泵承擔(dān)溫室全部熱負(fù)荷，冬季夜間最冷時(shí)的供暖熱負(fù)荷為1.1 kW，富裕系數(shù)選為1.2，則兩者相乘得到熱泵的制熱功率為1.32 kW。以空氣源熱泵COP=2.0[12]計(jì)算，熱泵壓縮機(jī)功率為0.66 kW，因此，選擇壓縮機(jī)功率為1 P（0.75 kW）左右的熱泵機(jī)組即可。

3.5 太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)配置與構(gòu)建

綜上所述，養(yǎng)殖面積為30 m2的甲魚(yú)養(yǎng)殖溫室設(shè)計(jì)的雙水箱并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的主要配置見(jiàn)表6。由表6可知，該系統(tǒng)主要硬件設(shè)備的費(fèi)用要達(dá)到3萬(wàn)元（不包括系統(tǒng)的安裝等費(fèi)用），該費(fèi)用遠(yuǎn)高于小鍋爐等供暖設(shè)備的初投資。因此，初投資費(fèi)用較高限制了太陽(yáng)能熱泵裝置的推廣應(yīng)用。根據(jù)此設(shè)計(jì)方案構(gòu)建的太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖4所示。

表6 太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)主要部件配置與費(fèi)用概算

4 結(jié)論與討論

根據(jù)甲魚(yú)養(yǎng)殖溫室的需要，針對(duì)一個(gè)30 m2的養(yǎng)殖溫室所需設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一套太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備如下特點(diǎn)：

太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)能較好地解決目前溫室燃煤供暖的能耗與廢氣污染問(wèn)題，其環(huán)保效益良好；但與燃煤鍋爐相比，太陽(yáng)能熱泵的初投資費(fèi)用較高，限制了它的推廣應(yīng)用。

并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能單獨(dú)運(yùn)行、熱泵單獨(dú)運(yùn)行、太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合運(yùn)行三種形式，可針對(duì)不同工況要求靈活切換系統(tǒng)的運(yùn)行方式，雙水箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可盡量多地利用太陽(yáng)能，提高了系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)性。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算可以為同類設(shè)備的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供參考。

當(dāng)前溫室甲魚(yú)養(yǎng)殖行業(yè)正面臨著行業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)，而應(yīng)用節(jié)能環(huán)保的太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)能夠推動(dòng)該行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，太陽(yáng)能熱泵技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。

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