魏翠琴 賈少剛 問(wèn)朋朋 高志宏

?

雙熱源溫室太陽(yáng)能熱泵供暖裝置測(cè)控系統(tǒng)研究

魏翠琴 賈少剛 問(wèn)朋朋 高志宏

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖州 313000）

構(gòu)建了雙熱源太陽(yáng)能熱泵裝置為30m2實(shí)驗(yàn)溫室供暖，該裝置具備多種運(yùn)行模式，為更好開(kāi)展裝置的實(shí)驗(yàn)研究和優(yōu)化改進(jìn)工作，設(shè)計(jì)構(gòu)建了裝置的測(cè)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)裝置自動(dòng)控制運(yùn)行和參數(shù)的采集存儲(chǔ)，并可計(jì)算得到裝置的精確性能參數(shù)，通過(guò)分析影響裝置性能的因素提供進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)方案，可為太陽(yáng)能熱泵設(shè)備在農(nóng)業(yè)溫室方面的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

溫室；太陽(yáng)能熱泵；測(cè)控系統(tǒng)；性能

0 引言

溫室農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向，目前我國(guó)溫室農(nóng)業(yè)冬季供暖主要采用小型煤爐，其熱效率低且造成了環(huán)境污染[1,2]，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)能是清潔能源，熱泵屬于高效節(jié)能技術(shù)，兩者的有機(jī)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)性能[3,4]，面對(duì)當(dāng)前嚴(yán)峻的能源與環(huán)境問(wèn)題，太陽(yáng)能熱泵技術(shù)的應(yīng)用意義重大[5,6]，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越多[7-10]。甲魚(yú)養(yǎng)殖溫室的室溫需保持在30℃～35℃，本文以30m2實(shí)驗(yàn)溫室的需求構(gòu)建了雙熱源太陽(yáng)能熱泵供暖裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱裝置），為更好的開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化研究工作，對(duì)裝置的測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)展了研究工作，為太陽(yáng)能熱泵裝置的實(shí)際應(yīng)用與優(yōu)化提供參考和依據(jù)。

1 雙熱源溫室太陽(yáng)能熱泵供暖裝置概況

裝置主要由太陽(yáng)能集熱器、雙熱源熱泵機(jī)組、蓄熱水箱、供暖水箱、循環(huán)泵、溫度及流量傳感器等部件組成，圖1為裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為裝置實(shí)圖，表1為裝置的主要部件規(guī)格。裝置中太陽(yáng)能集熱介質(zhì)采用閉式循環(huán)方式，其不與水箱中的水直接接觸，集熱介質(zhì)采用丙二醇水溶液等特殊流體可起到防凍、防腐蝕和防結(jié)垢的目的，既延長(zhǎng)了設(shè)備壽命也減少了維護(hù)工作量；熱泵則設(shè)置了兩個(gè)蒸發(fā)器，一個(gè)空氣源蒸發(fā)器，一個(gè)放置在蓄熱水箱中的水源蒸發(fā)器；供暖水箱中的熱水通過(guò)風(fēng)機(jī)盤管向溫室供暖。此裝置的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）提高了裝置的性能。裝置在冬季主要以串聯(lián)方式運(yùn)行時(shí)，即太陽(yáng)能用來(lái)制取低溫?zé)崴鳛闊岜盟凑舭l(fā)器的熱源，此工況下一方面太陽(yáng)能集熱器的效率可有效提升[11]，同時(shí)因制冷劑蒸發(fā)溫度提高，熱泵COP也提升明顯[12,13]，因此裝置的整體能效比COP有較大提升。

（2）系統(tǒng)穩(wěn)定性高。陰雨天太陽(yáng)能無(wú)法工作時(shí)熱泵以空氣源方式運(yùn)行可保證溫室的正常供暖。

（3）系統(tǒng)的運(yùn)行模式靈活，可根據(jù)溫室熱負(fù)荷、陽(yáng)光輻照強(qiáng)度以及環(huán)境溫度等選擇合適的運(yùn)行模式，可以最大程度的利用太陽(yáng)能并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。

表1 太陽(yáng)能熱泵裝置主要部件規(guī)格

圖1 雙熱源太陽(yáng)能熱泵裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 太陽(yáng)能熱泵裝置實(shí)圖

2 太陽(yáng)能熱泵裝置的測(cè)量參數(shù)

裝置開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)研究中主要涉及到溫度、流量及太陽(yáng)能輻照度等參數(shù)的測(cè)量和記錄，結(jié)合圖1，具體傳感器的設(shè)置如表2所示，測(cè)量得到的這些參數(shù)通過(guò)計(jì)算得到太陽(yáng)能集熱器效率、熱泵COP、裝置COP及相關(guān)參數(shù)的變化曲線，可以對(duì)影響裝置性能的因素進(jìn)行分析進(jìn)而加以優(yōu)化改進(jìn)。

表2 太陽(yáng)能熱泵裝置的測(cè)量參數(shù)

3 太陽(yáng)能熱泵裝置測(cè)控制系統(tǒng)研究

3.1 太陽(yáng)能熱泵裝置運(yùn)行模式分析

根據(jù)不同月份下的陽(yáng)光輻射照度和天氣條件，裝置全年的運(yùn)行模式基本上可以劃分為串聯(lián)運(yùn)行模式、并聯(lián)運(yùn)行模式、空氣源熱泵運(yùn)行模式、太陽(yáng)能單獨(dú)運(yùn)行模式等四種，具體運(yùn)行時(shí)則根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裝置的節(jié)能運(yùn)行，每種運(yùn)行模式的分析如下所述。

（1）串聯(lián)運(yùn)行模式。每年的11月到次年3月期間，即冬季和秋末春初期間，溫室熱負(fù)荷較高且太陽(yáng)輻照強(qiáng)度較弱，太陽(yáng)能無(wú)法單獨(dú)運(yùn)行，此時(shí)太陽(yáng)能熱泵裝置宜以串聯(lián)形式運(yùn)行，即太陽(yáng)能加熱蓄熱水箱中的水得到30℃～40℃熱水，此熱水作為熱泵水源蒸發(fā)器的低溫?zé)嵩?，?jīng)過(guò)熱泵運(yùn)行使供暖水箱中的水達(dá)到50℃～60℃，進(jìn)而進(jìn)行溫室供暖。

（2）空氣源熱泵運(yùn)行模式。任何季節(jié)下陰雨天無(wú)陽(yáng)光時(shí)裝置應(yīng)以此模式運(yùn)行，即熱泵以空氣源蒸發(fā)器形式單獨(dú)加熱供暖水箱和蓄熱水箱達(dá)到設(shè)定溫度，供暖水箱中的水去進(jìn)行供暖，蓄熱水箱中的水供給養(yǎng)殖池?fù)Q水所需。

（3）并聯(lián)運(yùn)行模式。春末秋初時(shí)節(jié)，外界環(huán)境溫度與陽(yáng)光輻照強(qiáng)度較強(qiáng)，此時(shí)裝置適宜使用并聯(lián)模式運(yùn)行，即使用太陽(yáng)能分別加熱供暖水箱和蓄熱水箱，當(dāng)太陽(yáng)能不足以使供暖水箱水溫達(dá)標(biāo)時(shí)開(kāi)啟空氣源熱泵加熱供暖水箱。

（4）太陽(yáng)能單獨(dú)運(yùn)行模式。當(dāng)夏季太陽(yáng)能輻照度強(qiáng)烈時(shí)太陽(yáng)能可以單獨(dú)運(yùn)行加熱供暖水箱和蓄熱水箱使之達(dá)到所需的溫度。

3.2 太陽(yáng)能熱泵裝置運(yùn)行控制策略分析

結(jié)合裝置的運(yùn)行模式，裝置的運(yùn)行控制策略如下所述：

（1）控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱泵裝置的自動(dòng)運(yùn)行，也可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)運(yùn)行。

（2）溫室的溫度控制范圍為33±2℃，當(dāng)溫室溫度≥35℃時(shí)，供暖泵4停止運(yùn)行，當(dāng)室溫≤31℃時(shí)，供暖泵4啟動(dòng)運(yùn)行。

（3）供暖水箱的水溫上限為60℃，水溫下限為50℃；當(dāng)供暖水箱溫度≥60℃時(shí)，熱泵停止運(yùn)行；當(dāng)供暖水箱水溫≤50℃時(shí)，熱泵啟動(dòng)運(yùn)行，此時(shí)需要判斷條件以決定熱泵以何種模式運(yùn)行，當(dāng)蓄熱水箱溫度＞10℃時(shí)，裝置以串聯(lián)方式運(yùn)行；當(dāng)蓄熱水箱水溫≤10℃時(shí)，熱泵以空氣源形式單獨(dú)運(yùn)行。

（4）裝置以串聯(lián)模式運(yùn)行時(shí)，熱泵與泵2、泵3聯(lián)動(dòng)，首先啟動(dòng)泵2和泵3建立起水循環(huán)后熱泵再啟動(dòng)運(yùn)行；熱泵以空氣源形式單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，熱泵與泵3聯(lián)動(dòng)，首先啟動(dòng)泵3建立起水循環(huán)后熱泵再啟動(dòng)運(yùn)行。

（5）太陽(yáng)能的啟動(dòng)停止工況條件：太陽(yáng)輻照度≥500W·m-2且太陽(yáng)能集熱器進(jìn)出口溫差>1℃時(shí)[14]，太陽(yáng)能循環(huán)泵啟動(dòng)運(yùn)行；太陽(yáng)輻照度≤500W·m-2或者太陽(yáng)能集熱器進(jìn)出口溫差≤1℃，太陽(yáng)能循環(huán)泵停止運(yùn)行。

3.3 太陽(yáng)能熱泵裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

表3 太陽(yáng)能熱泵裝置控制系統(tǒng)主要元件

結(jié)合裝置運(yùn)行需求設(shè)計(jì)構(gòu)建了其控制系統(tǒng)，其主要控制元件見(jiàn)表3所示，由PLC、觸摸屏、信號(hào)處理模塊及各種電氣元件構(gòu)成。

控制系統(tǒng)需要采集處理34個(gè)熱電阻信號(hào)，4個(gè)流量計(jì)模擬量信號(hào)，1個(gè)輻照計(jì)模擬量信號(hào)，6個(gè)電量輸出信號(hào)。所有的信號(hào)通過(guò)相關(guān)的模塊處理后通過(guò)RS485 接口以MODBUS-RTU通訊方式與西門子S7-200 SMART實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，PLC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后輸出控制指令實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)控制運(yùn)行，同時(shí)MCGS觸摸屏也與PLC進(jìn)行通訊，由觸摸屏實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)。構(gòu)建控制系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖3所示，經(jīng)過(guò)初步的調(diào)試運(yùn)行，測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行良好，各個(gè)測(cè)量參數(shù)采集顯示存儲(chǔ)正常，可以實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)運(yùn)行，達(dá)到了開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究的要求。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

圖4 太陽(yáng)能熱泵裝置控制系統(tǒng)實(shí)物圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文以甲魚(yú)養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)溫室和雙熱源太陽(yáng)能熱泵供暖裝置的運(yùn)行要求，設(shè)計(jì)構(gòu)建了太陽(yáng)能熱泵的測(cè)控系統(tǒng)，裝置中的參數(shù)測(cè)量點(diǎn)設(shè)置齊全，初步調(diào)試運(yùn)行后測(cè)其運(yùn)行良好，通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)可以開(kāi)展裝置在各種典型工況和運(yùn)行模式下的實(shí)驗(yàn)研究，可以得到裝置整體性能、太陽(yáng)能效率、熱泵COP等核心參數(shù)及影響裝置性能的原因。太陽(yáng)能熱泵技術(shù)在溫室農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用有著良好的環(huán)保效益和社會(huì)效益良好，可以促進(jìn)溫室農(nóng)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，為溫室農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)提供助力。

[1] 李德堅(jiān),唐軒,殷志強(qiáng),等.溫室太陽(yáng)能供暖[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2002,23(6):557-563.

[2] 鄺平健,劉喜斌.燃煤熱風(fēng)爐解決北方溫室供暖問(wèn)題的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2007,(3):221-222.

[3] 陽(yáng)季春,季杰,裴剛,等.間接膨脹式太陽(yáng)能多功能熱泵單獨(dú)制熱水性能實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2008,29(6):678-683.

[4] 魏翠琴,高志宏,賈少剛,等.太陽(yáng)能熱泵熱水裝置性能實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2016,(7):265-268.

[5] 曠玉輝,王如竹,于立強(qiáng).太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2002,23(4):1-6.

[6] 賈少剛,高志宏,魏翠琴,等.甲魚(yú)養(yǎng)殖溫室應(yīng)用太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)的節(jié)能減排分析[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2016,(2):69-70.

[7] 康靖,王勁柏.并聯(lián)冷卻的太陽(yáng)能復(fù)合式空調(diào)節(jié)能特性[J].制冷與空調(diào),2015,29(4):440-445.

[8] 陳冰,羅小林,畢方琳,等.溫室太陽(yáng)能與空氣源熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)的試驗(yàn)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技報(bào),2011,13(1):55-59.

[9] 鄭榮進(jìn),孫文君,張建高,等.基于可再生能源供熱的設(shè)施水產(chǎn)養(yǎng)殖試驗(yàn)溫室設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,10(10):218-221.

[10] 魏翠琴,王麗萍,賈少剛,等.太陽(yáng)能熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀與性能分析[J].制冷與空調(diào),2017,37(2):159-163.

[11] 高志宏,賈少剛,魏翠琴,等.平板型太陽(yáng)能熱水裝置性能實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能,2015,(11):59-62.

[12] 陳陽(yáng),張晨陽(yáng),張哲,等.太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)性能的試驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械,2011,39(11):77-80.

[13] 孫冰冰,張晨陽(yáng),毛力,等.太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的試驗(yàn)研究與分析[J].水電能源科學(xué),2012,30(4):198-201.

[14] 曲世琳,馬飛,吉玉寶,等.非直膨式太陽(yáng)能-水源熱泵地板輻射采暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,34(1):141-145.

Monitoring System Study of a Dual Heat Source of Solar-assisted Heat Pump Heating System for Greenhouse

Wei Cuiqin Jia Shaogang Wen Pengpeng Gao Zhihong

( Huzhou Vocational & Technical College, Huzhou, 313000 )

A dual heat source of solar-assisted heat pump (SAHP) heating system is build for the experimental greenhouse with 30m2area, this SAHP has flexible running mode, the unit of monitoring system is build for a better experimental study and SAHP optimization, which can realize automatic control operation and main parameters of collection and storage, the accurate performance of the device parameters can be obtained by calculating, and the improvement and optimization scheme is got through the analysis of factors influencing the COP of SAHP, all of dates provides some references for its application in agricultural greenhouse.

greenhouse; solar-assisted heat pump; monitoring system; COP

TH16

A

1671-6612（2019）02-143-05

浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目（2015C32112）

魏翠琴（1979-），女，碩士研究生，講師，E-mail：790994579@qq.com

2018-05-11