宋衛(wèi)堂 李涵 王平智 王秀芝 邵岐祥 何雪穎 李明 程杰宇 孟令強

為了探究表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)的放熱性能，在內(nèi)蒙古赤峰市益康農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社的某大跨度外保溫塑料大棚里進(jìn)行了測試。

集放熱系統(tǒng)的放熱模式

表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)的放熱過程是：夜間（指從保溫被關(guān)閉至次日保溫被開啟之間的時段），當(dāng)室內(nèi)氣溫低于10℃且低于水溫4℃時，啟動系統(tǒng)，蓄熱水池中溫度相對較高的水通過供水管路進(jìn)入表冷器-風(fēng)機，與在風(fēng)機作用下從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的、溫度較低的空氣進(jìn)行強制對流熱交換，溫度升高后的空氣從出風(fēng)口排出，溫度降低后的水通過回水管路流回蓄熱水池，實現(xiàn)放熱提高空氣溫度的目的。通過潛水泵的不斷循環(huán)，持續(xù)進(jìn)行熱量的釋放，直到大棚氣溫升高到13℃或水氣溫差小于2℃時，關(guān)閉潛水泵，放熱停止。

放熱性能評價指標(biāo)

表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)的放熱功率（W），可由如下計算式得到：

式中：cw為水的比熱容，J/（kg·℃）;ρw為水的密度，kg/m3;Vw為水流量，m3/h;tw1、tw2分別為進(jìn)、出水水溫，℃。

表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)的夜間放熱量Er（J）為：

式中：τ1、τ2為放熱開始和結(jié)束的時刻。

另外，系統(tǒng)釋放的熱量來自蓄熱水池，也可根據(jù)蓄熱水池中水溫的變化計算放熱量，計算公式為：

式中：V為蓄熱水池中水的體積，m3;T1、T2為放熱開始和結(jié)束的時刻蓄熱水池的水溫，℃。

定義系統(tǒng)在放熱過程中釋放的熱量與消耗電能的比值為系統(tǒng)的放熱COP（COPr），用于判斷系統(tǒng)的節(jié)能效率，計算公式如下：

式中：E為放熱時系統(tǒng)消耗的電能，kW·h。

定義系統(tǒng)在1天（指從保溫被開啟到次日保溫被開啟之間的時間）內(nèi)釋放的熱量與收集的熱量的比值為系統(tǒng)的放熱效率?，計算公式如下：

試驗設(shè)計

測試方案

為了分析系統(tǒng)的放熱性能，需要探究系統(tǒng)放熱對室內(nèi)溫度的影響，除了對氣溫的測試內(nèi)容外（詳見“表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用效果——以寧城大跨度外保溫大棚為例（中）”），還監(jiān)測了試驗區(qū)與對照區(qū)不同深度的土壤溫度。

土溫的測量儀器為Pt100 鉑電阻（測量范圍：-50～200℃，精度：±0.1℃），利用 YC1003-P16數(shù)據(jù)采集儀（山東新贏誠電子科技有限公司，采集范圍：-200～600℃）自動采集 Pt100鉑電阻測量的數(shù)據(jù)，并將采集后的數(shù)據(jù)通過 RS485通訊統(tǒng)一歸類，儲存在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中。

室內(nèi)土溫測點布置：如圖1所示，試驗區(qū)與對照區(qū)土溫測點布置位置相同，各8個點，位于南面種植區(qū)的中心處（中間土壟，距離最南邊4 m），距離土壟表面深度分別為 0、0.01、0.02、0.03 m，以及該土壟西側(cè)的壟溝、距離地表深度為 0、0.1 m 處;北面非種植區(qū)的中間位置（中間土壟，距離最北邊 4 m），距離地表深度為 0、0.1 m 處。

基礎(chǔ)土溫測試

在系統(tǒng)放熱性能正式測試前，于 2019年12月3～5日對室內(nèi)的基礎(chǔ)土溫進(jìn)行了測定。如圖2所示，試驗區(qū)的土溫均低于對照區(qū)，試驗區(qū)在壟溝表面、壟頂表面和壟深10 cm 及壟溝表面處的夜間平均土溫分別較對照區(qū)低1.1、1.2、 1.3℃。這是由于試驗區(qū)氣溫長時間低于對照區(qū)氣溫，夜間土壤需要向空氣中釋放較多的熱量導(dǎo)致的。

結(jié)果與分析

系統(tǒng)的放熱性能分析

選取 2019年12月26日～2020年1月11日的數(shù)據(jù)，分析表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)的放熱性能。系統(tǒng)夜間放熱天數(shù)為15天，其中12月26日～1月2日使用全部表冷器-風(fēng)機（15臺）進(jìn)行放熱;1月3～11日使用一半表冷器-風(fēng)機（8臺）進(jìn)行放熱。對系統(tǒng)運行期間的蓄水量、水溫變化、放熱量、放熱 COP、放熱效率等進(jìn)行統(tǒng)計計算，結(jié)果如表1所示。其中的放熱量、放熱 COP 和放熱效率分別根據(jù)公式（3）、（4）和（5）計算得到。

總的來說，在系統(tǒng)放熱運行的時間段，室外最低氣溫為-21.0～-7.9℃，系統(tǒng)的放熱量為214.9～501.3 MJ，平均放熱量為356.7 MJ;放熱功率為14.2～27.9 kW，平均放熱功率為20.6 kW;平均放熱時間為290 min;放熱COP為3.4～6.7，平均放熱COP為4.8;放熱效率為34.1%～403.0%，平均放熱效率111.1%，可維持室內(nèi)外最大溫差為31.1℃，可見，該系統(tǒng)具有較好的放熱能力和能效比。

1月2日的放熱量和放熱功率均最大，分別為501.3 MJ 和27.9 kW，因為該日放熱初始水溫較高，水氣溫差較大，放熱效率為80.1%，可見，夜間放熱較完全。12月26日、12月29日等，放熱效率大于100%，原因是當(dāng)日日間收集的熱量少，夜間釋放的熱量中包含前日未釋放完全的熱量，可見系統(tǒng)的放熱過程具有可控性，可將多余的熱量暫時儲存在蓄熱水池中，用于次日加溫。

由于放熱過程中，水氣溫差逐漸減小，最小水氣溫差為2.1℃（12月31日），遠(yuǎn)小于日間集熱水氣溫差（大于4℃），因此，系統(tǒng)在夜間的放熱功率及放熱COP均小于日間。為了避免夜間放熱過快，減緩蓄熱水池水溫的降低速率，提出了減少夜間用于放熱的表冷器-風(fēng)機數(shù)量的辦法，該措施也能減少放熱過程中的耗電量。

放熱對室內(nèi)溫度的提升效果

為探究夜間系統(tǒng)運行對室內(nèi)溫度的提升效果，選取2019年12月26日～2020年1月2日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由于12月27日夜間停電，系統(tǒng)未運行放熱。

◆對室內(nèi)氣溫的提升效果

如圖3所示，12月26日～1月2日，夜間室外最低氣溫均低于-10℃，平均氣溫為-16.2～-9.5℃。夜間，利用系統(tǒng)進(jìn)行放熱，試驗區(qū)室內(nèi)氣溫較對照區(qū)平均高2.1℃，最高為 2.6℃，可維持室內(nèi)外最大溫差為31.3℃。根據(jù)基礎(chǔ)條件測定可知，系統(tǒng)未運行期間的夜間，試驗區(qū)室內(nèi)平均氣溫較對照區(qū)低1.4℃，可見，表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)對室內(nèi)空氣的加溫效果顯著，能將室內(nèi)氣溫提升3.0℃以上。

系統(tǒng)放熱過程中，放熱初期由于水氣溫差較大，放熱功率大于大棚的熱損失，室內(nèi)氣溫呈現(xiàn)快速上升的趨勢;隨著氣溫的上升和水溫的降低，放熱功率逐漸減小到約等于大棚的熱損失，室內(nèi)氣溫趨于穩(wěn)定;隨著水溫的持續(xù)降低，水氣溫差逐漸減小，放熱功率減小，室內(nèi)氣溫隨之緩慢下降。如12月28日，保溫被關(guān)閉后，室內(nèi)氣溫逐漸下降，3：00左右試驗區(qū)室內(nèi)氣溫為10.5℃， 系統(tǒng)運行開始放熱，試驗區(qū)室內(nèi)氣溫快速上升，4：00左右達(dá)到12.6℃后趨于穩(wěn)定，直至7：00左右，試驗區(qū)室內(nèi)氣溫以0.3℃/h的速度緩慢下降，7：20 左右系統(tǒng)停止運行，放熱期間，約有70%的時間室內(nèi)氣溫維持穩(wěn)定。說明表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)在放熱過程中，具有穩(wěn)定室內(nèi)氣溫的潛力，維持室內(nèi)氣溫穩(wěn)定的主要因素是水氣溫差，可通過增大蓄水量來減緩水溫下降速率，從而穩(wěn)定放熱過程中的水氣溫差。

12月29日為陰天，日間系統(tǒng)未進(jìn)行集熱，2：00左右開始放熱時，試驗區(qū)氣溫較對照區(qū)低0.8℃，隨后試驗區(qū)氣溫逐漸上升至10.6℃后趨于穩(wěn)定，5：00左右緩慢下降;對照區(qū)氣溫持續(xù)下降。放熱結(jié)束后，試驗區(qū)氣溫較對照區(qū)高1.2℃。說明表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)在陰天的情況下，也能釋放熱量對大棚進(jìn)行加溫，系統(tǒng)具有抵抗陰天的能力。

綜上所述，表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)在放熱過程中，對室內(nèi)氣溫具有較好的提升效果，可將室內(nèi)最低氣溫提高3.0℃以上，且能使氣溫持續(xù)穩(wěn)定。除此，該系統(tǒng)還具有抵抗陰天的潛力。

◆對土壤溫度的提升效果

為探究表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)對土溫的提升效果，比較了試驗區(qū)與對照區(qū)不同位置的土壤溫度變化，如圖4所示。根據(jù)基礎(chǔ)土溫測試，未運行系統(tǒng)放熱期間，試驗區(qū)土溫較對照區(qū)平均低 1.0℃以上。

夜間，試驗區(qū)與對照區(qū)的土溫均緩慢下降，系統(tǒng)運行放熱后，試驗區(qū)土溫趨于穩(wěn)定，對照區(qū)土溫持續(xù)緩慢下降。如圖4a，12月26日，保溫被關(guān)閉后，試驗區(qū)與對照區(qū)壟溝表面土溫分別以0.24℃/h和0.33℃/h的平均速率下降，對照區(qū)土溫下降速率較試驗區(qū)快，原因是當(dāng)土溫高于氣溫，土壤便向空氣中釋放熱量，對照區(qū)土溫更高，向空氣中釋放熱量更快。12月27日2：00左右，試驗區(qū)壟溝表面土溫較對照區(qū)低0.4℃，系統(tǒng)開始放熱，試驗區(qū)壟溝表面土溫上升并穩(wěn)定在13.5℃，至7：30左右系統(tǒng)停止放熱，試驗區(qū)壟溝表面土溫較對照區(qū)高0.3℃?？梢姳砝淦?風(fēng)機集放熱系統(tǒng)對室內(nèi)土壤有一定的升溫效果。

比較不同深度土壤溫度的變化，如圖4b和圖4c，相比于放熱開始時，放熱結(jié)束后試驗區(qū)與對照區(qū)壟頂表面的土壤溫差平均減少0.7℃，壟深10 cm處土壤溫差平均減少0.4℃，可見，系統(tǒng)放熱過程對壟頂表面處土壤的影響較壟深10 cm處大。

由于表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)主要通過提升室內(nèi)的氣溫，以減少土壤向空氣的放熱量，從而穩(wěn)定土壤溫度，因此，與空氣溫度的提升效果相比，土壤溫度的提升效果不明顯，但通過系統(tǒng)長期放熱，試驗區(qū)基礎(chǔ)土溫不斷升高，與對照區(qū)溫差逐漸減小。12月26日，系統(tǒng)開始放熱時，試驗區(qū)壟溝表面、壟頂表面和壟深10 cm的土壤溫度分別較對照區(qū)低0.4、1.3℃和1.3℃，一段時間后，1月1日，放熱開始時，試驗區(qū)壟溝表面、壟頂表面和壟深10 cm的土壤溫度分別較對照區(qū)低0.2、0.8℃和0.9℃?？梢?，長期使用表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)進(jìn)行放熱可以提高室內(nèi)土壤的基礎(chǔ)土溫。

綜上所述，表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)對室內(nèi)土壤溫度具有一定的提升效果，可將土壤表面最低溫提升1℃左右，且對壟頂表面土壤溫度的提升效果較壟深10 cm處明顯，長期利用系統(tǒng)在夜間進(jìn)行放熱，可提高土壤的基礎(chǔ)溫度。

不同放熱方式對系統(tǒng)放熱性能的影響

◆減少放熱表冷器-風(fēng)機的數(shù)量

根據(jù)前面的分析可知，系統(tǒng)在夜間放熱過快會導(dǎo)致氣溫快速上升，致使室內(nèi)熱損失增大，且水氣溫差迅速減小，系統(tǒng)放熱性能下降，不利于系統(tǒng)的節(jié)能。因此，提出減少夜間用于放熱的表冷器-風(fēng)機數(shù)量的方式來提升系統(tǒng)的放熱性能。

如表1，2019年12月26日～2020年1月2日使用全部表冷器-風(fēng)機（15臺）進(jìn)行放熱;1月3～11日使用一半表冷器-風(fēng)機（8 臺）進(jìn)行放熱。12月26日～1月2日平均放熱量為389.1 MJ，平均放熱功率為21.8 kW，平均放熱COP為4.3;1月3～11日平均放熱量為328.4 MJ，平均放熱功率為19.5 kW，平均放熱COP為5.3?？梢姡瑴p少放熱的表冷器-風(fēng)機數(shù)量，放熱量與放熱功率會隨之減小，但系統(tǒng)的放熱COP增大，能效比更高。

如圖5，選取2019年12月27日與2020年1月9日的數(shù)據(jù)，比較采用不同數(shù)量的表冷器-風(fēng)機進(jìn)行放熱對室氣溫的影響。兩日的蓄熱水池蓄水量、放熱初始水溫、放熱時間及放熱期間室外平均氣溫分別是25.8 m3和25.8 m3、18.1℃和18.3℃、330 min和330 min，-11.7℃和-12.6℃，條件基本一致。12月26日，放熱開始時，試驗區(qū)氣溫較對照區(qū)低0.9℃，放熱結(jié)束后試驗區(qū)氣溫較對照區(qū)高1.9℃;1月9日，放熱開始時，試驗區(qū)氣溫較對照區(qū)低0.4℃，放熱結(jié)束后試驗區(qū)氣溫較對照區(qū)高2.1℃?？梢姡瑴p少一半表冷器-風(fēng)機數(shù)量進(jìn)行放熱，不影響對室內(nèi)氣溫的提升效果，分析原因如下：①減少表冷器-風(fēng)機數(shù)量，導(dǎo)致開始放熱時放熱功率更小，氣溫上升速率和水溫下降速率減緩，有利于維持較高的水氣溫差，兩日的平均水氣溫差分別是3.6℃和5.0℃;②水流流量相同情況下，表冷器-風(fēng)機數(shù)量越少，水流速度越大，兩日的水流速度分別是1.2 m/s和2.2 m/s。因此，單臺表冷器-風(fēng)機的放熱功率更大，經(jīng)計算，兩日單臺表冷器-風(fēng)機平均放熱功率分別為1.5 kW和2.2 kW。

綜上所述，夜間放熱的表冷器-風(fēng)機數(shù)量過多時，會降低單臺表冷器-風(fēng)機的放熱功率，且耗費更多的電能，降低放熱COP，因此，實際運行中需要配置合適數(shù)量的表冷器-風(fēng)機進(jìn)行放熱。

◆縮短放熱時長

根據(jù)已有的研究表明，作物在一天內(nèi)不同時間段需要的溫度不同，夜間適當(dāng)?shù)牡蜏貤l件可抑制作物的呼吸作用，但在無加溫設(shè)備的外保溫塑料大棚中，后半夜室內(nèi)氣溫往往低于作物生長發(fā)育所需的溫度;且在早晨保溫被開啟后室內(nèi)氣溫降到最低，不利于作物的光合作用。為此，提出利用表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)在早晨保溫被開啟前進(jìn)行放熱，既能滿足作物生長需求，也可以達(dá)到節(jié)約熱量的目的。

選取2019年12月18～19日和2020年1月17～18日夜間系統(tǒng)進(jìn)行放熱的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表2所示。12月18～19日保證室內(nèi)氣溫高于8℃的前提下，在保溫被開啟前2 h左右進(jìn)行放熱，放熱功率和放熱COP分別為37.2～38.4 kW和7.1～7.4;其放熱功率和放熱COP均高于1月17～18日?？梢?，適當(dāng)縮短表冷器-風(fēng)機夜間放熱的時間，可提高系統(tǒng)的放熱能力和能效比。

圖6所示為2020年1月18～20日氣溫、水溫與太陽輻射照度的變化。1月18日日間為陰天未進(jìn)行集熱，1月19日5：00左右開始放熱，放熱時水溫為14.8℃，試驗區(qū)氣溫為9.3℃，較對照區(qū)低0.8℃，結(jié)束放熱后水溫降到13.0℃，試驗區(qū)氣溫為11.2℃，較對照區(qū)高1.6℃;1月19日日間為多云天氣，日間僅集熱1 h，1月20日5：00左右開始放熱，水溫為14.2℃，室內(nèi)氣溫為9.2℃，較對照區(qū)低0.8℃，結(jié)束放熱后水溫降到12.6℃，室內(nèi)氣溫為11.0℃，較對照區(qū)高1.4℃。上述結(jié)果進(jìn)一步說明了表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)具有抵抗連續(xù)陰天的能力，在連續(xù)陰天情況下，縮短系統(tǒng)夜間放熱時間，在保溫被開啟前進(jìn)行放熱，對室內(nèi)最低氣溫具有顯著的提升效果。

綜上所述，適當(dāng)縮短表冷器-風(fēng)機夜間放熱的時長，可提高系統(tǒng)的放熱能力和節(jié)能效率;連續(xù)陰天情況下，在保溫被開啟前的早晨階段進(jìn)行放熱，既能滿足作物生長需求也能節(jié)約熱量、降低耗電量，提高系統(tǒng)的能效比。

系統(tǒng)放熱方式的優(yōu)化

影響表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)放熱能力的主要因素，與集熱能力一樣，主要包括水氣溫差和水流速度。為了保證系統(tǒng)在日間收集充足的熱量，需要增大水氣溫差和水流速度來提高系統(tǒng)的集熱能力，同時也提升了系統(tǒng)的放熱能力，但由于集熱結(jié)束后，蓄熱水池中儲存的熱量有限，開始放熱時，系統(tǒng)放熱功率過大，會導(dǎo)致前期放熱過快、后期熱量不足，后期放熱功率降低、系統(tǒng)放熱COP下降。因此，在保證日間集熱所需蓄熱水池有效容積以及水流速度的前提下，可以通過優(yōu)化系統(tǒng)的放熱方式來改善放熱性能。

日間集熱所需的表冷器風(fēng)機數(shù)量多于夜間放熱所需，如果采用全部數(shù)量的表冷器-風(fēng)機進(jìn)行放熱，會出現(xiàn)以下情況：①前期熱量集中釋放，后期熱量不足;②系統(tǒng)放熱過快，室內(nèi)氣溫快速上升，室內(nèi)熱量損失增大;③氣溫上升較快，水氣溫差減小，系統(tǒng)放熱性能降低。因此，通過減少用于夜間放熱表冷器-風(fēng)機的數(shù)量，既能減緩室內(nèi)氣溫上升速度，減少熱量損失;又能在水流量一定的情況下增大表冷器-風(fēng)機中的水流速度，提升單臺表冷器-風(fēng)機的放熱性能;還能減少放熱過程中的耗電量，提高系統(tǒng)的節(jié)能性能。

在放熱過程后期，由于水氣溫差的減小，系統(tǒng)的放熱性能逐漸降低。根據(jù)作物在不同的時間段內(nèi)對溫度的需求不同，夜間適當(dāng)降低室內(nèi)氣溫有助于抑制呼吸作用，因此，在保證作物生長最低溫需求的前提下，在早晨保溫被開啟前進(jìn)行放熱，既能滿足作物生長需求又能節(jié)約熱量、降低耗電量。

結(jié)論

在內(nèi)蒙古赤峰市益康農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社的某大跨度外保溫塑料大棚里，進(jìn)行了表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)放熱性能的試驗，分析了系統(tǒng)的放熱性能及對室內(nèi)溫度的提升效果，并探究了不同放熱方式下系統(tǒng)的放熱性能，得出以下主要結(jié)論：

（1）表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)具有較好的放熱能力及能效比。2019年12月26日～2020年1月11日，系統(tǒng)的放熱量為214.9～501.3 MJ，平均

放熱量為356.7 MJ;放熱功率為14.2～27.9 kW，平均放熱功率為20.6 kW;放熱COP為3.4～6.7，平均放熱COP為4.8;放熱效率為34.1%～403.0%，平均放熱效率111.1%，可維持室內(nèi)外最大溫差為31.1℃。

（2）表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)對室內(nèi)溫度具有顯著的提升效果。運行系統(tǒng)放熱，可將室內(nèi)最低氣溫提升3.0℃以上，土壤表面最低溫度提升1.0℃左右;長期利用系統(tǒng)在夜間進(jìn)行放熱，可提高土壤的基礎(chǔ)溫度。

（3）不同放熱方式下系統(tǒng)的放熱性能存在差異，適當(dāng)減少表冷器-風(fēng)機數(shù)量以及縮短夜間放熱時長，有利于提高系統(tǒng)的放熱性能。

*項目支持：國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金（CARS-23-C02）。

作者簡介：宋衛(wèi)堂（1968-），男，河南西平人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為設(shè)施機械化裝備工程、設(shè)施園藝環(huán)境工程、無土栽培技術(shù)與裝備。

[引用信息]宋衛(wèi)堂，李涵，王平智，等.表冷器-風(fēng)機集放熱系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用效果——以寧城大跨度外保溫大棚為例（下）[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（16）：50-56.