宗成驥，王平智,2，陳先知，李 明,2，何雪穎，王建玉，徐 丹,2，宋衛(wèi)堂,2

寒潮天氣表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)對(duì)連棟大棚熱濕環(huán)境的影響

宗成驥1，王平智1,2，陳先知3，李 明1,2，何雪穎1，王建玉1，徐 丹1,2，宋衛(wèi)堂1,2※

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3. 溫州科技職業(yè)學(xué)院，溫州市設(shè)施蔬菜工程技術(shù)中心，溫州 325000）

設(shè)施；溫度；連棟大棚；表冷器-風(fēng)機(jī)；熱濕環(huán)境；加溫；除濕

0 引 言

塑料大棚是中國(guó)南方地區(qū)蔬菜越冬生產(chǎn)主要使用的設(shè)施類型，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、建設(shè)成本低，連棟塑料大棚在其基礎(chǔ)上增加了設(shè)施空間，提高了土地利用率，但棚內(nèi)部依舊僅靠土壤蓄熱，保溫性能也較差，近年來隨著南方地區(qū)階段性寒潮（根據(jù)現(xiàn)行冷空氣等級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]，寒潮劃分指標(biāo)為：使某地日最低氣溫24 h內(nèi)降溫幅度大于等于8 ℃，或48 h內(nèi)降溫幅度大于等于10 ℃，或72 h內(nèi)降溫幅度大于等于12 ℃，而且使該地日最低氣溫下降至4 ℃或以下）的侵襲，棚內(nèi)作物遭受凍害的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[2-4]。為應(yīng)對(duì)寒潮的侵?jǐn)_，生產(chǎn)上通常采用燃燒生物質(zhì)塊或者大量蠟燭等方式對(duì)大棚進(jìn)行加溫[5]，大面積的燃燒可燃物存在著火災(zāi)等安全隱患，產(chǎn)生的大量煙氣污染了棚膜，降低了棚內(nèi)透光率，同時(shí)增加了碳排放，嚴(yán)重影響棚內(nèi)外的空氣環(huán)境；并且加溫過程不可控，大量的熱能被浪費(fèi)。因此尋求一種安全、低碳、可控的加溫技術(shù)對(duì)保證連棟塑料大棚安全越冬生產(chǎn)具有重要意義。

有關(guān)設(shè)施加溫技術(shù)的研究多集中在日光溫室和大跨度外保溫型塑料大棚[6]，可分為水循環(huán)集放熱[7-12]、空氣循環(huán)蓄熱[13-15]、巖床蓄熱[16-17]、相變材料蓄熱[18-20]以及熱泵加溫[21-22]等，以水循環(huán)集放熱系統(tǒng)最具代表性，通過水循環(huán)將白天溫室內(nèi)盈余的熱能收集并儲(chǔ)存，夜間再通過循環(huán)將儲(chǔ)存的熱能釋放到溫室內(nèi)，從而達(dá)到加溫的目的。這種技術(shù)不僅提高了溫室的蓄熱能力，也使得熱能釋放過程可控，放熱效率大幅提高。其中表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)具有成本低、占用空間小、換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室或大棚內(nèi)溫度環(huán)境的調(diào)控[23-27]。表冷器-風(fēng)機(jī)作為集放熱系統(tǒng)的換熱器，主要由風(fēng)機(jī)、盤管等構(gòu)成，原理就是讓水流過盤管內(nèi)腔，而待處理的空氣流過盤管外壁進(jìn)行熱交換來達(dá)到加熱或冷卻空氣的目的，而風(fēng)機(jī)引起的強(qiáng)制對(duì)流可以增加熱交換的效率。孫維拓等[24]將表冷器-風(fēng)機(jī)與熱泵相結(jié)合，夜間平均氣溫升高了2.8～4.4 ℃，相對(duì)濕度降低了8.0%～11.5%；李明等[25]針對(duì)外保溫塑料大棚，利用表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)在晴天和多云天氣下將室內(nèi)氣溫分別提高(2.5±0.4)和(1.1±0.3)℃；何雪穎等[26]基于響應(yīng)面法研究了風(fēng)速、水流速度和水氣溫差等參數(shù)對(duì)表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)性能的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)在溫州市鹿城區(qū)藤橋鎮(zhèn)溫州種子種苗科技園（28.1°N，120.5°E）內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)所用連棟塑料大棚東西走向，長(zhǎng)度44 m，共兩跨，一跨有2個(gè)雙坡形屋頂，單跨跨度9.6 m，屋脊高度5.5 m。大棚覆蓋0.1 mm厚PO膜，在棚內(nèi)3 m高處懸掛一層0.1 mm厚PO膜，四周自然垂落至地面，以作二道膜。白天打開兩側(cè)通風(fēng)口及頂部天窗進(jìn)行自然通風(fēng)，夜晚關(guān)閉。試驗(yàn)期間大棚內(nèi)土壤栽培番茄。

表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)由表冷器-風(fēng)機(jī)、蓄熱水箱、循環(huán)水泵、供回水管路及控制系統(tǒng)等組成。表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)運(yùn)行過程包括集熱階段和放熱階段，在白天集熱階段表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)將空氣中盈余的熱量收集并儲(chǔ)存，使蓄熱水箱中的水溫升高；在夜間放熱階段表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)向棚內(nèi)空氣釋放熱量，使蓄熱水箱中的水溫降低。夜間放熱階段結(jié)束后蓄熱水箱中的水溫偏低，在白天集熱階段開始時(shí)，冷水進(jìn)入表冷器-風(fēng)機(jī)中，棚內(nèi)熱濕空氣流經(jīng)表冷器后發(fā)生冷凝相變析出冷凝水，這一過程可看作系統(tǒng)對(duì)濕空氣進(jìn)行冷凝除濕。試驗(yàn)系統(tǒng)配置表冷器-風(fēng)機(jī)共7臺(tái)（型號(hào)為FNH42，嵊州華昱制冷設(shè)備有限公司），均僅懸掛在南側(cè)跨大棚桁架下方，每隔4 m設(shè)置一臺(tái)。根據(jù)試驗(yàn)連棟塑料大棚的大小、覆蓋材料等參數(shù)估算冬季采暖系統(tǒng)的熱負(fù)荷，并以此為依據(jù)計(jì)算得到試驗(yàn)系統(tǒng)配置的蓄熱水箱容積為10 m3，在棚外東北角安裝2個(gè)容量為5 m3的圓形不銹鋼保溫水箱用作蓄熱水箱，保溫層為50 mm聚胺脂發(fā)泡層，2個(gè)水箱通過底側(cè)管道聯(lián)通。安裝一個(gè)型號(hào)為40WZB13-18自吸泵作為循環(huán)水泵（流量13 m3/h，揚(yáng)程18 m），各部分由規(guī)格為DN63的PPR管連接，采用同程式供回水。

表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)啟閉條件設(shè)定為：當(dāng)白天棚內(nèi)氣溫t達(dá)到15 ℃或者較蓄熱水箱中水溫t高5 ℃時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行7臺(tái)表冷器-風(fēng)機(jī)，通過表冷器-風(fēng)機(jī)收集空氣中盈余的熱能并儲(chǔ)存在蓄熱水箱中，直到氣溫t降至10 ℃或者水氣溫差|t?t|小于2 ℃時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉；夜晚棚內(nèi)氣溫t低于2 ℃或者比蓄熱水箱中水溫t低4 ℃時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行4臺(tái)表冷器-風(fēng)機(jī)，將蓄熱水箱中的熱量釋放到棚內(nèi)，直到棚內(nèi)氣溫t達(dá)到5 ℃或者水氣溫差|t?t|小于2 ℃時(shí)，關(guān)閉系統(tǒng)。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

本試驗(yàn)中空氣溫度使用Pt100鉑電阻（量程：?50～200 ℃，精度：±0.1 ℃）測(cè)量，空氣濕度采用SHT35濕度傳感器（量程：0～100%，精度：±2%）測(cè)量，如圖1所示，棚內(nèi)空氣溫濕度由圖中標(biāo)號(hào)A1～A4處傳感器測(cè)量數(shù)（包括北側(cè)跨）取均值所得；從東到西方向上第2、3、5、6臺(tái)表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)、出風(fēng)口0.5 m處均各設(shè)置一套Pt100及SHT35測(cè)量表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)、出風(fēng)口的空氣溫濕度；棚內(nèi)太陽輻射由圖中標(biāo)號(hào)LA處的YGC-TBQ總輻射傳感器測(cè)量（量程：0～2000 W/m2，精度：±10 W/m2）；2個(gè)圓形保溫水箱中部各安放一個(gè)Pt100鉑電阻，取均值作為蓄熱水箱水溫；循環(huán)管路的進(jìn)出水口各安裝一個(gè)管道溫度傳感器（Pt100，4分螺紋，桿長(zhǎng)100 mm，量程：?50～200 ℃，精度：±0.1 ℃），用以測(cè)量系統(tǒng)的進(jìn)出水溫；棚外氣象條件由氣象站采集，主要包括棚外氣溫、太陽輻照值、濕度以及風(fēng)速和風(fēng)向等。以上數(shù)據(jù)由YC1003型數(shù)據(jù)采集儀轉(zhuǎn)化為信號(hào)，由RS485通訊傳輸并儲(chǔ)存，采集時(shí)間間隔均為5 min；主管道水流量由水表（寧波市三江儀表股份有限公司，精度±2%）測(cè)量，手動(dòng)記錄；系統(tǒng)總耗電量由三相導(dǎo)軌式電能表（量程：45～55 Hz，精度：1級(jí)）測(cè)量。

注：“A1～A4”表示空氣溫濕度測(cè)點(diǎn)，“LA”表示太陽輻射測(cè)點(diǎn)。圖示僅為南側(cè)跨，北側(cè)跨測(cè)點(diǎn)布置與南側(cè)跨一致。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.3.1 系統(tǒng)集放熱性能計(jì)算方法

表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的集放熱性能可以采用集熱量、集熱流量、放熱量以及放熱流量來進(jìn)行評(píng)價(jià)，系統(tǒng)的節(jié)能性則采用性能系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)[26]。

系統(tǒng)的集熱量與集熱流量按照以下公式進(jìn)行計(jì)算[11]：

式中Q為系統(tǒng)集熱量，J；c為水的比熱容，取4 200 J/(kg?℃)；為水的密度，取1000 kg/m3；為蓄熱水箱的體積，m3；t為系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)的蓄熱水箱水溫，℃；t為系統(tǒng)結(jié)束運(yùn)行時(shí)的蓄熱水箱水溫，℃；φ為第時(shí)刻的系統(tǒng)集熱流量，W；v為系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水流量，m3/s；t為第時(shí)刻的系統(tǒng)進(jìn)口水溫，℃；t為第時(shí)刻的系統(tǒng)出口水溫，℃；φ為系統(tǒng)平均集熱流量，W；h為集熱時(shí)長(zhǎng)，s。

放熱階段可視作集熱階段中能量傳遞的逆向過程，各個(gè)因素對(duì)放熱階段的影響規(guī)律與集熱階段相同，因此系統(tǒng)的放熱量以及放熱流量可以按照下式計(jì)算[11]：

式中Q為系統(tǒng)放熱量，J；φ為第時(shí)刻的系統(tǒng)放熱流量，W；φ為系統(tǒng)平均放熱流量，W；h為放熱時(shí)長(zhǎng)，s。

性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）體現(xiàn)了表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的節(jié)能性，COP越高系統(tǒng)耗能越低，則節(jié)能性越好。COP可按照下式計(jì)算：

式中為系統(tǒng)運(yùn)行的耗電量，J。

2 結(jié)果與分析

2.1 寒潮下的加溫效果

取2021年1月8日9:00－1月13日9:00共5 d中收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這5 d受寒潮連續(xù)影響，是氣溫最低的幾日。試驗(yàn)期間定義白天時(shí)間段為7:30－17:30，夜間時(shí)間段為17:30－次日7:30。如圖2a所示，受寒潮影響，棚外氣溫較往年記錄低，試驗(yàn)期間有4 d夜間棚外氣溫在0 ℃以下，后半夜至太陽升起前棚外氣溫逐漸降至最低，最低低至?6.3 ℃，而隨著太陽的升起氣溫會(huì)迅速升高，最高可達(dá)到14.3 ℃；而白天光照較好，棚內(nèi)可接收到的最大太陽輻射量為363～446 W/m2，出現(xiàn)在12:00－13:00期間。在這種天氣狀況下，僅靠二道膜保溫已經(jīng)無法滿足大棚越冬生產(chǎn)的溫度需求。

棚內(nèi)氣溫變化情況如圖2b所示。隨著太陽升起棚內(nèi)氣溫迅速增高，達(dá)到集熱條件后，系統(tǒng)開始運(yùn)行將空氣中的熱能收集并儲(chǔ)存，此時(shí)氣溫會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的陡降，接著再繼續(xù)上升，隨著兩側(cè)和頂部通風(fēng)窗的打開，棚內(nèi)氣溫出現(xiàn)一定的波動(dòng)，最高可達(dá)到26～30.6 ℃，有利于表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)進(jìn)行集熱；隨著太陽輻射的減弱，棚內(nèi)氣溫也開始下降，下降至系統(tǒng)關(guān)閉條件時(shí)，集熱階段結(jié)束。由于連棟塑料大棚保溫性能較差，受棚外低溫影響，日落后棚內(nèi)氣溫迅速下降，當(dāng)氣溫下降至設(shè)定條件時(shí)，系統(tǒng)開始運(yùn)行，放熱階段開始。

1月10日夜間大幅回暖，未啟動(dòng)表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)，在棚外最低氣溫2.8 ℃的情況下依靠二道膜保溫使夜間棚內(nèi)氣溫高于棚外3.3 ℃；其余4夜均進(jìn)行了放熱，使棚內(nèi)外溫差達(dá)到5.2～7.8 ℃，棚內(nèi)最低氣溫在2～2.8 ℃，因此表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)具有良好的加溫效果，可以使棚內(nèi)作物免遭寒潮等氣溫驟降的不利天氣引起的凍害。

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，表冷器-風(fēng)機(jī)出口氣溫遠(yuǎn)低于棚內(nèi)氣溫，由于風(fēng)機(jī)工作加速棚內(nèi)頂部空氣流動(dòng)，表冷器-風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口氣溫混合后，進(jìn)口氣溫t和棚內(nèi)氣溫t會(huì)出現(xiàn)較大的溫差（圖2b），且隨著氣溫的升高溫差逐漸變大，白天棚內(nèi)氣溫t高于表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)口氣溫(3.1±2.2)℃，夜間棚內(nèi)氣溫t則低于表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)口氣溫(1.6±1.5)℃，而系統(tǒng)未運(yùn)行時(shí)表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)口氣溫t和棚內(nèi)氣溫t基本沒有差異，為了保證準(zhǔn)確性，在后文性能計(jì)算時(shí)，水氣溫差指的是表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)口氣溫t和蓄熱水箱水溫t的差值|t?t|，而不是系統(tǒng)設(shè)定條件中的棚內(nèi)氣溫t和蓄熱水箱水溫t的差值|t?t|。

2.2 系統(tǒng)集放熱性能分析

試驗(yàn)期間水溫變化如圖2b所示，白天隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，系統(tǒng)水溫迅速上升，可達(dá)到19.3～22.6 ℃，夜間系統(tǒng)放熱后，水溫最低降至5.2 ℃。系統(tǒng)性能如表1所示，1月7日和10日夜間未進(jìn)行放熱，水溫保持在20.7和19.1 ℃，在白天系統(tǒng)僅集熱1.3～1.8 h，集熱量分別為12.6和4.2 MJ，其余3 d均進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的集熱，集熱時(shí)長(zhǎng)為5.8～7.3 h，集熱量達(dá)到了390.6～693 MJ，平均集熱流量為18.7～27.1 kW；夜間放熱時(shí)長(zhǎng)為3.3～8.6 h，放熱量為361.2～609 MJ，平均放熱流量為20.8～31.5 kW；系統(tǒng)COP達(dá)到了4.4～7.2。

表1 系統(tǒng)性能參數(shù)

系統(tǒng)集放熱性能主要被水氣溫差、風(fēng)速以及水流量影響，采用系統(tǒng)的集放熱流量來評(píng)價(jià)系統(tǒng)集放熱性能，熱流量越大，則單位時(shí)間里系統(tǒng)換熱量越大[26]，試驗(yàn)期間風(fēng)速和水流量基本保持恒定，因此水氣溫差成為影響系統(tǒng)集放熱性能的關(guān)鍵因素。棚內(nèi)逐時(shí)集熱流量和放熱流量如圖3a、3b所示，熱流量與水氣溫差呈正向線性相關(guān)，即水氣溫差越大，熱流量越大。放熱階段水氣溫差在5.9～18 ℃時(shí)，放熱流量為3.4～9.83 kW，擬合結(jié)果如圖3b所示，20.991 9，相關(guān)性較高，水氣溫差每增長(zhǎng)1 ℃，放熱流量增加0.58 kW，當(dāng)水氣溫差降至0時(shí)，系統(tǒng)不再放熱；集熱階段熱流量與水氣溫差變化關(guān)系的擬合結(jié)果如圖3a所示，20.894 1，集熱階段水氣溫差在1.6～12 ℃之間時(shí)，集熱流量為0～8.53 kW，根據(jù)擬合關(guān)系方程水氣溫差每增長(zhǎng)1 ℃，集熱流量增加0.82 kW，在水氣溫差為2.9 ℃時(shí)，系統(tǒng)集熱流量為零，而系統(tǒng)運(yùn)行條件中設(shè)定水氣溫差小于2 ℃，在這段氣溫變化時(shí)間內(nèi)，表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)處于做無用功狀態(tài)，耗電量增加，從而降低了系統(tǒng)COP，需要調(diào)整集熱階段的關(guān)閉條件以提高系統(tǒng)COP。

集熱階段熱流量與水氣溫差擬合關(guān)系方程相關(guān)性較放熱階段低，是由于在集熱階段存在空氣中水蒸氣遇冷凝結(jié)的相變過程，系統(tǒng)并非全程是在干工況下運(yùn)行。在除濕冷卻過程中，冷凝水析出程度可由析濕系數(shù)反映，析濕系數(shù)可按照下式計(jì)算[31]：

式中為析濕系數(shù)；，h分別為表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)口空氣、出口空氣的焓，kJ/kg；，t分別為表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)口空氣、出口空氣溫度，℃。

試驗(yàn)中空氣定壓比熱c取恒值1.003 kJ/(kg·℃)，結(jié)合公式（11）可知表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)出口空氣溫差和焓差呈線性相關(guān)，在干工況下析濕系數(shù)為1。表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)出口空氣溫差和焓差關(guān)系的擬合結(jié)果如圖3c所示，其斜率可認(rèn)為是系統(tǒng)集熱階段表冷器-風(fēng)機(jī)析濕系數(shù)的數(shù)值，即析濕系數(shù)為1.70，表明表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)在集熱階段是濕工況運(yùn)行，具有一定的冷凝除濕效果。

2.3 系統(tǒng)的除濕效果

表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)具有一定的除濕效果，尤其是在白天集熱階段。含濕量和相對(duì)濕度均是用來表征空氣中水蒸氣含量的物理量，相對(duì)濕度表示了空氣接近飽和的程度，而含濕量表示了空氣中水蒸氣的含量[33]，空氣除濕過程中降低了含濕量，因此可以根據(jù)焓濕圖來確定表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)出口空氣的含濕量，再通過比較含濕量來分析表冷器-風(fēng)機(jī)冷凝除濕的效果，圖4為1月9日、1月10日和1月12日白天集熱階段表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)出口空氣含濕量的變化情況。以1月9日白天集熱階段為例，如圖4a所示，上午9:00系統(tǒng)剛開始集熱時(shí)，由于進(jìn)口水溫遠(yuǎn)低于棚內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度，析出了大量的冷凝水，表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)出口空氣含濕量差達(dá)到了1.2×10-3kg/kg，隨著集熱的進(jìn)行，水溫升高逐漸逼近棚內(nèi)空氣露點(diǎn)，在10:00左右冷凝水停止析出，此時(shí)含濕量差為0.3×10-3kg/kg。太陽輻射逐漸強(qiáng)烈后，棚內(nèi)植物的蒸騰作用加劇，空氣中的含濕量迅速上升并在10:40達(dá)到了峰值13.8×10-3kg/kg，表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)出口空氣含濕量差達(dá)到了1.3×10-3kg/kg，在10:40打開通風(fēng)口后棚內(nèi)空氣含濕量陡降，冷凝除濕效果也大幅下降，并逐漸保持在一定范圍內(nèi)小幅波動(dòng)；關(guān)閉通風(fēng)口后棚內(nèi)濕度開始增加，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間集熱水溫已經(jīng)超過棚內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度，進(jìn)出口空氣含濕量相等，此時(shí)集熱階段空氣中水蒸氣不發(fā)生冷凝相變。1月10日和1月12日白天集熱階段表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)出口空氣含濕量也表現(xiàn)出了相似的變化趨勢(shì)。

2.4 系統(tǒng)的除濕性能分析

3 討 論

本文表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)中表冷器-風(fēng)機(jī)成本約為0.8 萬元，蓄熱水箱成本約為1.0萬元，循環(huán)水泵、供回水管路及控制系統(tǒng)成本約為0.4萬元，合計(jì)建造成本約2.2萬元。試驗(yàn)期間系統(tǒng)運(yùn)行總耗電量130.6 kW·h，根據(jù)溫州當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用電價(jià)格0.7280元/kW·h，該系統(tǒng)在試驗(yàn)期間的運(yùn)行成本共95.1元；總放熱量為2146.2 MJ，折算為天然氣[25]需消耗57.1 m3，按當(dāng)?shù)胤蔷用裼脩籼烊粴鈨r(jià)格3.12元/m3，折合天然氣供暖成本為178.2元，由此可見表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)雖需一定的前期建造成本，但運(yùn)行成本大幅度降低。

本試驗(yàn)中系統(tǒng)參數(shù)僅按照試驗(yàn)連棟塑料大棚南側(cè)跨體積進(jìn)行配置，北側(cè)跨則作為對(duì)照組不設(shè)置加溫裝置，但由于試驗(yàn)期間遭遇寒潮，為使作物免遭凍害絕產(chǎn)，表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)同時(shí)為南北側(cè)跨進(jìn)行加溫，在這種超負(fù)荷運(yùn)行的情況下，系統(tǒng)配合二道膜保溫仍然能讓棚內(nèi)氣溫保持在一定的水平，僅在兩側(cè)棚頭位置由于冷風(fēng)滲透而引起的小部分作物凍害，因此表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)還具有較大的集放熱潛力。另外相較于日光溫室，連棟塑料大棚的保溫性能較差，在加溫過程中會(huì)有大量的熱損失[33-34]，熱負(fù)荷較大，因此在本文試驗(yàn)條件下還無法應(yīng)對(duì)白天陰天（即白天棚內(nèi)氣溫較低，系統(tǒng)集熱時(shí)間短或不集熱）且夜間寒冷的極端天氣，同時(shí)未對(duì)表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)供暖的均勻性進(jìn)行考慮，如何減小供暖的不均勻性在之后的研究中也需要深入探索。

總的來說表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)使夜間棚內(nèi)氣溫較棚外高5.2～7.8 ℃，保護(hù)棚內(nèi)作物免遭凍害，并且系統(tǒng)的能量來源于空氣余熱，屬于一種清潔能源，且控制靈活、成本低、不占用棚內(nèi)空間，可以作為南方連棟塑料大棚中應(yīng)對(duì)寒潮侵襲的有效加溫措施，在生產(chǎn)實(shí)際中，增設(shè)保溫性良好的保溫幕布等提高連棟塑料大棚的保溫性能，是一種輔助表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)應(yīng)對(duì)連陰天的解決方案[27]。

表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)具有一定的除濕效果，在前人研究中也有提及[24]，尤其是在集熱階段初期的冷凝除濕過程，在本研究中，冷凝除濕過程會(huì)隨著集熱時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸消失，這是因?yàn)檫M(jìn)入表冷器-風(fēng)機(jī)的水溫逐漸升高而逼近或超過棚內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度，因此尋找一個(gè)穩(wěn)定的冷源來提供恒溫的冷水，是可以在表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種表冷器-風(fēng)機(jī)冷凝除濕系統(tǒng)，怎樣低耗、高效地制備恒溫的冷水以及冷凝除濕對(duì)棚內(nèi)氣溫水平的影響也將在后續(xù)的試驗(yàn)中進(jìn)行。

4 結(jié) 論

1）在寒潮下，表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)可以使夜間棚內(nèi)氣溫較棚外高5.2～7.8 ℃，保護(hù)棚內(nèi)作物免遭寒潮等氣溫驟降的不利天氣引起的凍害。

2）白天集熱量達(dá)到了390.6～693 MJ，夜間放熱量為361.2～609 MJ，系統(tǒng)性能系數(shù)（COP）達(dá)到了4.4～7.2，因此表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)具有良好的加溫效果和節(jié)能性，但是受連棟塑料大棚保溫性能較差的影響，熱損較大。在本試驗(yàn)條件下，集熱階段在水氣溫差低于2.9 ℃時(shí)，系統(tǒng)處于做無用功狀態(tài)，可適當(dāng)調(diào)整系統(tǒng)設(shè)定條件，如集熱階段水氣溫差小于3 ℃時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)，縮短系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，提高COP。

3）表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)在集熱階段具有一定的除濕效果，表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)出口空氣含濕量差最高可達(dá)1.3×10-3kg/kg，但隨著水溫的升高，除濕效果會(huì)減弱至消失。

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Influences of air thermal energy utilization system with fan-coil units on the thermal and humid environment of multi-span tunnel in cold wave

Zong Chengji1, Wang Pingzhi1,2, Chen Xianzhi3, Li Ming1,2, He Xueying1,Wang Jianyu1, Xu Dan1,2, Song Weitang1,2※

(1.100083; 2.100083;3.325000)

Multi-span plastic tunnel greenhouse has widely been used in the cultivation of vegetables, fruits, and flowers. However, it is easily suffered from freezing damage to crops, particularly from cold waves in winter. In this study, an air thermal energy utilization system was developed with the fan-coil units to effectively control the thermal and humid environment in the shed. A field experimented was also performed on a two-span plastic tunnel in Wenzhou city of China during the cold wave from January 8 to January 13, 2021. The system was composed of fan-coil units, water reservoir, circulating water pump, supply and return water pipes, as well as control devices. The circulation of water in the system was utilized to collect and then store the surplus heat in the shed during the day, while finally released at night to heating the two-span plastic tunnel. In the collected phase, once the air temperature in the shed reached 15 ℃ on the day, or it was 5 ℃ higher than the water temperature in the water reservoir, the system was started until the air temperature dropped to 10 ℃, or it was 2 ℃ lower than the water temperature. In the released phase, once the outside air temperature was below 2 ℃ at night, or it was 4 ℃ lower than the water temperature, the system was started to operate until the air temperature reached 5 ℃, or it was only 2 ℃ higher than the water temperature. The collected and released performance of the system was evaluated using the collection and discharge heat, as well as heat flow, according to the change of water temperature in the experiment. The difference between water and air temperature was taken as the main influencing factor to analyze the heat flow in the collected and released phases. An exergy analysis of condensation dehumidification was also made during this time. The results showed that the system ensured the temperature inside the shed was 5.2-7.8 ℃ to protect crops from freezing damage, higher than that outside the shed in cold waves. The heat collection was 390.6-693 MJ, while the heat release was 361.2-609 MJ. The Coefficient of Performance (COP) of the system was 4.4-7.2, indicating quite remarkable energy saving. When the difference in water temperature increased by 1 ℃ during the operation of the system, the heat collection flow rate increased by 0.82 kW, while the heat release flow rate increased by 0.58 kW, indicating a larger heat transfer rate per unit time. In addition, the moisture absorption coefficient of the system was about 1.70 in the heat collected phase, due mainly to the presence of condensation and dehumidification. Meanwhile, the exergy efficiency tended to increase rapidly, up to 82.8%, as the temperature difference between water and air increased, indicating high energy utilization performance in the process of condensation and dehumidification. Nevertheless, the condensation and dehumidification gradually weakened until stopped, and concurrently the exergy efficiency decreased significantly, with the increase of water temperature. Consequently, the air thermal energy utilization system with fan-coil units can be expected to serve a safe, low carbon, and controllable heating technology. The finding can provide a potential application to ensure the safe production of multi-span plastic tunnels in winter.

facility; temperature; multi-span plastic tunnel; fan-coil units; thermal and humid environment; heating; dehumidify

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.026

S625.2; S625.4

A

1002-6819(2021)-15-0214-08

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Zong Chengji, Wang Pingzhi, Chen Xianzhi, et al. Influences of air thermal energy utilization system with fan-coil units on the thermal and humid environment of multi-span tunnel in cold wave[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(15): 214-221. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.026 http://www.tcsae.org

2021-06-21

2021-07-29

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020YFD1000300）；浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2019C02009）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（CARS-23-C02）

宗成驥，博士生，研究方向?yàn)樵O(shè)施園藝環(huán)境工程。Email：Zongchanging@163.com。

宋衛(wèi)堂，教授，研究方向?yàn)閳@藝設(shè)施環(huán)控技術(shù)和裝備研發(fā)。Email：songchali@cau.edu.cn。

中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員：宋衛(wèi)堂（E040100004M）