表冷器-风机集放热系统的设计与应用效果

宋卫堂，李涵，王平智，王秀芝，邵岐祥，何雪颖，李明，程杰宇，孟令强

与日光温室相比，大跨度外保温塑料大棚不仅造价低，土地利用率高，还具有较大的室内空间，能满足大多数农机装备的作业要求。但该类设施与传统日光温室相比，缺乏蓄热构件，冬季室内夜间气温会比较低，很难满足喜温蔬菜作物的温度要求，在我国西北、华北、东北的大部分地区应用需要进行额外辅助加温。而传统的、以吸收太阳辐射热能为主的主动集放热系统，由于集放热原理与装置结构的限制，并不适合在大跨度外保温塑料大棚中使用。

为了解决外保温塑料大棚缺乏蓄热体的难题，研发了表冷器-风机主动集放热系统。它是通过悬挂在室内的表冷器-风机，在日间收集并储存空气中盈余的热量，夜间再将热量释放到室内提高温度，以满足喜温蔬菜作物的温度要求，实现热量在时间和空间上的转移、使用。

系统模型

系统组成

如图1所示，表冷器-风机主动集放热系统主要包括表冷器-风机、供水管路、回水管路、蓄热水池、闸阀、潜水泵等6部分。作为集热和放热装置的表冷器-风机，进水端与供水管相连，回水端与回水管相连。蓄热水池中的水通过潜水泵、闸阀进入供水管路，在表冷器-风机中进行水-气热交换后，再通过回水管路返回蓄热水池中。

系统运行原理

表冷器-风机主动集放热系统是通过表冷器-风机，以水-气换热的方式，日间收集空气中盈余的热量并储存在蓄热水池中，夜间再将这部分热量从蓄热水池中释放到空气中以提高温室内的气温。系统的工作过程，主要包括集热和放热两个过程。

◆集热过程 如图2a所示，日间，当室内气温达到作物适宜生长温度后，启动系统，蓄热水池中温度较低的水通过供水管路进入表冷器-风机，与在风机作用下从进风口进入的、温度较高的空气进行热交换，温度降低后的空气从出风口排出，温度升高后的水通过回水管路流回蓄热水池，实现收集空气中盈余热量的目的。通过潜水泵的不断循环，持续进行热量的收集，直至达到系统停止运行的条件。

◆放热过程 如图2b所示，夜间，当室内气温低于一定值后，启动系统，蓄热水池中温度相对较高的水通过供水管路进入表冷器-风机，与在风机作用下从进风口进入的、温度较低的空气进行热交换，温度升高后的空气从出风口排出，温度降低后的水通过回水管路流回蓄热水池，实现放热提高空气温度的目的。通过潜水泵的不断循环，持续进行热量的释放，直至达到系统停止运行的条件。

表冷器-风机主动集放热系统

的设计方法

表冷器-风机的选型

表冷器-风机是系统的核心，承担收集和释放热量的作用。在工程实践中，对表冷器-风机有以下技术要求：①换热能力强——可以吸收更多的空气盈余热量;②节能性能优——消耗更少的电能，节约运行成本;③使用年限长——节约建造成本。为了满足上述技术要求，选型过程中需要綜合考虑表冷器-风机的排风量、换热系数、换热面积、功率以及换热材料等多种因素。

表冷器-风机换热量的计算

◆表冷器-风机的换热模型

对于风量、水量、水初温相同的同一表冷器而言，与某一湿工况进出风比焓以及接触系数相等的干工况，为该湿工况的等价干工况[1]。采用干湿转换法[2]，利用干工况来替代当前湿工况建立表冷器-风机换热模型[3]，进行热力计算，以便消除析湿系数对传热系数的影响。

如图3所示，点1′和点2′为进出风状态，点1′和点2′连线的延长线与饱和线相交于点3（点3表示理想条件下空气能达到的终状态），过点3的等焓湿线d1与比焓值为h1、h2的等焓线，分别相交于点1和点2。干工况1-2为湿工况1′-2′的等价干工况。

表冷器-风机接触系数ε2（实际温降与理想温降的比值）可以表示为：

公式（1）

式中：t1′、t2′分别为点1′和点2′的干球温度，℃;t1、t2分别为等价干工况点1和点2的干球温度，℃。

等价干工况换热效率系数ε1定义为：

公式（2）

式中：tw1为进水温度，℃。

结合公式（1）和公式（2）可得：

公式（3）

公式（4）

◆总传热系数

对于给定的表冷器-风机换热器，总传热系数K[W/（m2·℃）]主要由内表面传热系数αi[W/（m2·℃）]和外表面传热系数αo[W/（m2·℃）]决定[4]。通常可以忽略导热系数的影响，计算公式如下：

公式（5）

式中：φ为肋表面全效率;ε为析湿系数;p为特定的常数;τ为肋化系数。对于特定的换热器，φ和τ可以认为是常数。

对于结构一定的风机盘管，外表面传热系数αo是空气流速υa（m/s）的函数，内表面传热系数αi是水流速度w（m/s）的函数：

公式（6）

公式（7）

式中：A1，B1，n为特定的常数。

不同型号的表冷器-风机总换热系数不同，系数A、n可通过干工况下变流量试验确定，系数B可通过变风量试验确定。

一般情况下，干工况下，取析湿系数ε为1，将式（6）和（7）带入式（5）简化为：

公式（8）

由换热理论可知，换热效率系数ε1定义为实际传热量与最大可能传热量的比值[5]，则可以表示为：

公式（9）

式中：β为传热单元数;为水当量比。

β，的定义分别如下：

公式（10）

公式（11）

式中：F为换热面积，m2;G为通风量，kg/s;cp为空气的定压比热容，kJ/（kg·℃）;W为水流量，kg/s;cw为水的比热容，kJ/（kg·℃）。

根据换热理论，接触系数ε2可表示为：

公式（12）

干工况条件下，一定型号的表冷器-风机，当风量、水量已知，任何初始状态下空气的换热效率系数ε1和接触系数ε2都是定值[5]。

◆换热量的简化计算

采用对数平均温差法[5]计算表冷器-风机的换热效率（W），计算式如下：

公式（13）

式中：?tm为对数平均温差，℃。按照逆流传热过程进行计算：

公式（14）

为了简化计算，在误差允许范围内，可以用算数平均温差进行计算，算数平均温差为换热器进出两端温差的算数平均值[5]。

满足条件如下：

公式（15）

公式（16）

由于干工况下空气不发生相变，根据能量平衡可得：

公式（17）

式中：ma为换热过程空气质量，kg;mw为换热过程水的质量，kg。

根据公式（17）可以得到：

公式（18）

根据公式（9）和（12）计算出ε1和ε2，带入公式（3）和（4）计算等价干工况下的t1和t2， 联立公式（13）、（16）～（18），得出湿工况下的换热功率为：

公式（19）

由公式可知，对于特定的表冷器-风机，换热功率仅由表冷器-风机的通风量、水流量、进水温度和进风温度等因素确定[3]。

大棚夜间需热量的计算

系统的配置与设计，需要以冬季采暖期间大棚采暖系统的最大热负荷作为依据[7]，根据采暖热负荷计算夜间需热量（J），计算公式如下：

公式（20）

式中：Qh为采暖热负荷，W;Tr为放热时间，h。采暖热负荷计算公式如下：

公式（21）

式中：Qw为围护结构的传热损失，即通过屋顶、地面、门窗等围护结构传散失的热量，W;Qv为冷风渗透的传热损失，即通过门、窗及围护结构缝隙渗入的冷空气散失的热量，W;Qf为地中传热损失，W。

围护结构的传热损失Qw的计算公式如下：

公式（22）

式中：μj为第 j 种维护结构的传热系数，W/（m2·℃）;Aj为第 j 种维护结构的面积，m2;ti和to为温室内外采暖设计温度，℃。

墙体的传热系数计算公式如下：

公式（23）

式中：αi为墙体内表面的换热系数，W/（m2·℃）;d为墙体厚度，m;λ为墙体材料导热系数，W/（m2·℃）;αo为墙体外表面的对流换热系数，W/（m2·℃）。

大棚的冷風渗透热损失Qv计算公式如下：

公式（24）

式中：n为棚内换热系数，次/h;V为棚内的体积，m3;ρa为空气密度，kg/m3;cp为空气的定压比热容，J/（kg·℃）。

地中传热损失Qf计算公式如下：

公式（25）

式中：K0为第 k 区地面的传热系数，W/（m2·℃）;Ak为第k 区地面的面积，m2。

表冷器-风机台数的确定

需要从日间集热量和夜间放热量两方面确定表冷器-风机的数目。

◆集热方面 根据能量守恒，表冷器-风机主动集放热系统日间收集的热量，用于满足夜间室内加温需求，集热所需表冷器-风机的数目Nc（台）的计算公式如下：

公式（26）

式中：q为室内采暖所需热量，J;Qc为集热功率，W;Tc为集热时长，h。

◆放热方面 根据能量守恒，表冷器-风机主动集放热系统夜间释放的热量，用于满足夜间室内加温需求，放热所需表冷器-风机的数目Nr（台）的计算公式如下：

公式（27）

式中：q为室内采暖所需热量，J;Qr为放热功率，W;Tr为集热时长，h。

为了同时满足日间集热和夜间放热的需求，需取二者中较大者作为表冷器-风机的数目N（台）。考虑到系统在使用过程中的积垢等因素，选取安全系数 1.1～1.2[7]。

蓄热水池有效容积的计算

表冷器-风机收集的热量储存在蓄热水池的水里，为满足温室内夜间加温需求，需要计算蓄热水池的有效容积。

蓄热水池的蓄水体积V（m3）为：

公式（28）

式中：ρw为水的密度，kg/m3;?Tw集热前后蓄热水池中水的温差，℃。

为避免在集放热过程中水从蓄热水池中溢出，在设计过程中给蓄热水池预留一定的空间，可选择安全系数1.1～1.2。

试验大棚的表冷器-风机主动

集放热系统的设计

试验大棚

试验塑料大棚位于内蒙古自治区宁城县大城子镇（118.9°E， 41.7°N），东西走向，南北非对称。东西长140 m，南北宽16 m，其中南面宽8 m，过道宽2 m，北面宽6 m，屋脊高4.5 m（图4～5）。室内过道两侧每2.6 m设置一根钢管柱，以提高结构稳定性。塑料大棚的东西山墙由砖墙建造。屋面覆盖草垫和保温被，北面屋面保温被日间不揭开。采用薄膜将温室从中间隔开，西侧作为试验区，东侧作为对照区。

表冷器-风机的选型

根据前期对多种型号表冷器-风机的风速、排管排列形式、集热量、耗电量等性能的测试结果，选取FNH型表冷器-风机作为集放热装置。结构尺寸长×宽×高=100 cm×20 cm×60 cm;包括2个风机，风机扇叶直径40 cm，输入功率2×120 W;表冷器换热面积33 m2/台。

表冷器-风机换热量的计算

为了计算表冷器-风机的换热量，首先需要确定其总传热系数。不同类型的表冷器-风机，总传热系数不同。通过前期测试单台表冷器-风机的性能，由式（8）得到该型表冷器-风机的总传热系数表达式为：

公式（29）

假设系统日间集热过程中平均水气温差为5℃，在夜间放热过程中平均水气温差为4℃，风机风速为5 m/s，水流速度为2 m/s，将公式（29）带入公式（19），计算得到单台风机集热功率和放热功率分别为3773.7 W和3120.7 W，取整后，集热功率和放热功率分别为3800 W和 3200 W。

大棚夜间需热量的计算

为了保证在夜间室外平均气温为-15℃的情况下，棚内的夜间气温不低于10℃，根据公式（20）～（25）计算得到棚内夜间采暖热负荷为35908.6 W。假设一晚加温时长为9 h，加温需要的热量为 1163.4 MJ。具體计算参数见表1。

表冷器-风机台数的确定

表冷器-风机的数目N（台）可根据公式（26）和（27）进行估算。由于试验地所在的地理位置，冬季日间时间较短，取集热时长为 5 h，计算得到集热所需表冷器-风机17.0台，选取安全系数1.1，为18.7台;取夜间放热时长为 9 h，计算得到放热所需表冷器-风机数目为11.2台，选取安全系数1.1，为12.3台。取二者的较大值18.7台，取整为19台。

如果夜间使用全部的表冷器-风机进行放热，使得放热功率过大，从而导致前半夜热量释放过多、后半夜热量不足，室内气温上升过快、热损失增加。因此，夜间采用13台（12.3台取整得到）表冷器-风机进行放热。

蓄热水池有效容积的计算

表冷器-风机收集的热量储存在蓄热水池的水里，为满足试验大棚夜间加温需求，根据公式（27）计算蓄热水池的有效容积。假设集热后水温上升 5℃，计算得到水池蓄水体积为 55.4 m3。考虑到需给蓄热水池预留一定的空间，避免在集放热过程中水溢出来，选择储备系数 1.1，计算蓄热水池有效容积为61 m3。

图6为蓄热水池结构示意图。蓄热水池长6.5 m，宽3.8 m，高2.5 m，位于大棚西北侧。其结构由内向外依次为面层、防水混凝土、防水层、砌筑水泥砖，上面覆盖塑料薄膜。

水泵的选型需要根据所需的流量和扬程进行选择，为保证管路中水流速度为2 m/s，所需水泵流量大于10 m3/h，为保证将蓄热水池底部的水输送到挂在大棚屋脊的表冷器-风机中，所需潜水泵扬程大于9 m，选择潜水泵型号为WQ40-10-2.2，功率2.2 kW，流量40 m3/h，扬程10 m。

表冷器-风机主动集放热系统的安装布置

如图7所示，根据试验大棚的结构，为了不影响棚内日常的农事作业，将供水管道布置在屋脊下方，采用同程式系统，以保证各并联环路管路长度相等、阻力大致相同、流量分配均匀。表冷器-风机进水端与供水管相连，出水端与回水管相连。供水和回水主管均使用直径为50 mm的PVC管，供水管上安装闸阀来控制流量。

图8为棚内表冷器-风机主动集放热系统的实物图，棚内上层空气通过风机自北向南流动，再在下层自南向北流动，形成空气环流。

经济性能的初步分析

以该大跨度外保温塑料大棚（占地面积70 m×16 m=1120 m2）为例，计算表冷器-风机主动集放热系统建造成本。19台表冷器-风机的成本为20000～21000元，容积61 m3蓄热水池的建造成本为30000～32000元，供回水管道的成本约为3000元，水泵与电气控制设备等的成本约为2000元，合计建造成本为55000～58000元，折合单位面积的建造成本为49.1～51.8元/m2;设备、设施按10年使用期进行折旧，则平均每年的折旧费为4.9～5.2元/m2。与其他太阳能集放热系统[8，12]相比，本集放热系统的单位面积建造成本比较低。

以在内蒙古赤峰地区使用本集放热系统为例，估算系统的运行成本。按照前面的假设，每天系统运行14 h（集热5 h、放热9 h），共耗电81.6 kW·h;按照0.5元/（kW·h）的电价，则每天集放热需要40.8元的电费，折合单位面积的运行成本为0.036元/（m2·天）。一个冬季需累积运行大约80～100天，则需要耗电约6528～8160 kW·h，需要电费3264～4080元。与其他太阳能集放热系统[9-12]相比，本集放热系统单位面积的运行成本也比较低。

另外，表冷器-风机主动集热系统对大棚原有的构造不产生影响，建造、维护简单方便，还具有较长的使用年限。

结论

（1）构建了表冷器-风机主动集放热系统的系统模型，并阐述了系统的工作原理。

（2）构建了表冷器-风机集放热系统的换热模型。并由此分析得出，对于特定的表冷器-风机，换热量仅由表冷器-风机的通风量、水流量、进水温度和进风温度等因素确定。

（3）提出了表冷器-风机主动集放热系统的设计方法。设计方法主要包括表冷器-风机的选型、表冷器-风机换热量的计算、温室大棚夜间加温需热量的计算、表冷器-风机台数的确定以及蓄热水池有效容积的计算等。此方法可针对不同温室大棚进行集放热系统主要参数的计算。

（4）对试验大棚进行了表冷器-风机集放热系统的计算设计。试验大棚东西走向长70 m，南北跨度宽16 m，屋脊高4.5 m，在夜间平均气温为-15℃的条件下，为了保持棚内夜间气温不低于10℃，需要配置FNH型表冷器-风机19台，蓄热水池的有效容积61 m3。

（5）表冷器-风机主动集放热系统，建造成本和运行成本比较低，且建造简易，易于维护，使用年限长。

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*项目支持：国家现代农业产业技术体系建设专项资金（CARS-23-C02）。

作者简介：宋卫堂（1968-），男，河南西平人，教授，博士生导师，主要研究方向：设施机械化装备工程、设施园艺环境工程、无土栽培技术与装备。

[引用信息]宋卫堂，李涵，王平智，等.表冷器-风机集放热系统的设计与应用效果——以宁城大跨度外保温大棚为例（上）[J].农业工程技术，2020，40（10）：42-48.