双热源太阳能热泵温室供暖系统的设计与构建

刘晓勤 贾少刚 魏翠琴

摘要：当前农业温室的调控消耗了大量的燃煤，该问题制约了温室甲鱼养殖业的发展，因此利用太阳能热泵技术为温室供暖是很有必要的。参照工厂化甲鱼养殖温室构建了30 m2实验温室，以浙北地区的气象数据为基础计算了实验温室的热负荷。以实验温室为研究对象，设计了双热源混联式太阳能热泵供暖系统并优化了系统结构，提高了系统的能效比和运行的稳定性，且系统的运行方式灵活多选。以实验温室热负荷计算结果为基础进行了系统的部件选型，构建了太阳能热泵供暖系统实验台，实验台设置了开展实验研究所需的温度、流量及辐照度等传感器采集相关参数。系统为太阳能单独运行、空气源热泵单独运行、热泵太阳能串联运行、太阳能热泵并联运行等多种运行模式下的实验研究，可获得各种运行模式下太阳能、热泵和系统整体的性能参数，为开展试验研究打下了基础，同时也可为同类设备的设计与应用提供参考。

关键词：温室;能源;热负荷;太阳能热泵;实验研究

中图分类号： TU832.1+7  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）11-0234-06

收稿日期：2019-09-25

基金项目：浙江省公益技术应用研究计划（编号：2015C32112）。

作者简介：刘晓勤（1967—），女，江苏扬州人，硕士，副教授，主要研究方向为建筑节能与暖通空调技术。E-mail：365358379@qq.com。  温室农业目前已经不再受气候的影响，北亚热带季风气候区冬季时热源主要来自于小型煤炉，但这会造成环境污染[1-2]。清洁能源的开发利用以及节能技术的推广使用，是现代绿色生态环境对农业发展提出的新要求，也是必然趋势。太阳能属于清洁能源，热泵技术有高效节能的优势，将两者合二为一既能避免太阳能作为热源受天气影响的缺点，也间接提升了系统性能[3-4]。太阳能与热泵技术嫁接，对于改进能源消耗与环境保护之间的矛盾，意义重大[5-6];太阳能热泵技术目前在温室农业方面、建筑物冬季供暖方面的应用如雨后春笋[7-9]。本研究以工厂化饲养甲鱼，人工构建温室为研究对象，创建了养殖面积为30 m2的实验室，构建了太阳能及热泵2个热源，按温室供暖规范设计了系统实验台，用于温室供暖和太阳能热泵系统的试验研究，为温室清洁能源供暖系统的设计与优化研究提供参考和依据。

1 甲鱼养殖温室概况

养殖温室的室温需维持在35 ℃，养殖池水温需维持在30 ℃左右，如此有利于甲鱼的快速生长。实验温室采用普通聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）作为温室四周墙壁和顶棚的保温材料，EPS板的内外两侧采用彩钢板夹紧以起到支撑与隔离外界的作用。温室的地面首先平整好泥土層，然后覆盖1层防潮塑料薄膜，最后再铺以100 mm厚的硅酸铝保温棉，用以隔绝水池与地面之间的热量传递。养殖池为长方形，采用2 mm厚的钢板焊接成型，做好防锈处理后覆盖1层加厚防水布，养殖池西侧是1个铺设木地板的过道。温室结构示意图详见图1，温室顶棚呈斜面，南北墙和顶棚为长方形，东西墙为梯形，温室尺寸参数见表1，经计算温室四周墙体与顶棚面积总计为76.2 m2。

2 温室维护结构热负荷计算

2.1 基本气象参数

实验室及实验平台所涉及气候、太阳能辐照度等参数详图2。

式中：α为围护结构温差修正系数;Fwh为围护结构的面积，m2;Tsn为温室室内温度，取值为35 ℃;Tsw为室外温度，取月均气温，℃;K为围护结构的传热系数，W/（m2·℃）。维护结构传热系数K以及温差修正系数α的计算参考国家规范[13-14]。

维护结构热负荷计算值年最冷月（1月）如表2所示。热负荷平均是1 173 W，结果显示，白天和黑夜温度差变化引起热负荷发生波动，1月份最低气温约为-5 ℃，此时热负荷为2 112 W。不同月份下的围护结构热负荷及温室日需热量详见图3。由图3可知，温室年总需热量为21 940 MJ，标煤热值为29.27 MJ/kg，考虑小煤炉的热效率为60%[2]，则此温室年消耗标煤约1 250 kg。

3 太阳能热泵温室供暖系统设计与构建

3.1 太阳能热泵温室系统结构设计

为满足温室供暖的多种工况以及节能运行要求，设计了双热源混联式太阳能热泵系统（图4）。该系统由温度传感器、热泵机组、风机盘管、蓄热水箱、流量传感器、太阳能集热器、供暖水箱、循环水泵、连接管件等组成。系统中太阳能可单独运行加热蓄热水箱或者供暖水箱中的水;热泵设置了以空气作为热源的蒸发器、以蓄热水箱的水作为热源的2个蒸发器，冷凝器用来加热供暖水箱中的水制取供暖所需的高温热水;供暖水箱中的水通过风机盘管向温室供暖。

该系统具有太阳能热泵串联方式运行、太阳能热泵并联方式运行、空气源热泵单独运行、太阳能单独运行等运行方式。在冬季温室热负荷较高时，系统宜采用串联方式运行;在春夏秋季环境温度较高时系统既可以并联方式运行，也可以串联方式运行，阳光辐照特别好时则太阳能单独运行;任何季节下遇到连续阴雨天时则热泵以空气源形式单独运行。此系统的优点如下：

（1）提高了系统的能效比（COP）。系统以串联方式运行时太阳能主要用来制取低温热水，太阳能集热器的效率可有效提升[15];热泵蒸发器侧热源为低温热水，制冷剂蒸发温度较高，因此热泵COP也得到提升;末端散热采用风机盘管强制换热，因此总体上系统COP得到了有效提高。

（2）提高了系统稳定性。在气温出现连绵阴雨天时，由空气源热泵向温室提供热量。为延长设备使用寿命，采用闭式循环运行，就是让太阳能集热载体与水箱中的水隔开运行;为减少设备正常运行时的维护量，选用丙三醇、乙二醇等的水溶液来充当集热载体，起到冬天防冻，平常防结垢、防腐的作用。

（3）提高了系统运行灵活性。系统运行方式由阳光辐照强度、环境温度经温室热负荷计算后选定。最大化运用太阳能，最大化实现系统的节能运行。

3.2 太阳能集热器面积选择

假如由太阳能提供温室所需全部热负荷，则通过式（2）计算可得到在不同月份随环境温度改变的集热器面积（表3）。结果显示，集热器面积所需最大是在最冷月，达到了35 m2。通常2 m×1 m规格的平板式集热器采光面积为1.9 m2，则若按照1月份的配置需要18.5块，为保证太阳能的工作效果和安装规整，太阳能板的数目取值为20块。

式中：FJ为集热器所需面积，m2;Qd为温室的每日需热量值，MJ/d;Ic为太阳能辐射总量，MJ/（m2·d）。ηc为集热效率平均值，按40%计[15]。

3.3 供暖水箱容积选取

供暖水箱储热能力高低取决于水箱容积，而水箱容积大小又反过来决定热泵运行的间隔时间。

该值由式（3）进行计算，计算时的相关条件：（1）按照1月份温室平均热负荷Qw=1 173 W计算;（2）当热泵以空气源形式单独运行，设定水箱内温度差为10 ℃，当达到60 ℃时热泵停止工作，当水温下降到50 ℃时重新启动。

当供暖水箱容积（Vg）选择为300 L时的计算结果为178 min，也就是热泵从停止运行到重新启动需时为178 min，热泵单独运行需178 min间隔时间，假设太阳能在同时供热，势必会延长热泵的启停间隔时间。热泵间歇工作的时长表明供暖水箱容积选取为300 L较为合适。

式中：Qws为温室平均热负荷，1 173 W;T为启停间隔时间，min;Cpv为水定压比热容，4.18 kJ/（kg·℃）;Vgn为供暖水箱有效容积，300 L;ρw为水密度，1 000 kg/m3;ΔTgn为供暖水箱内温度差，10 ℃。

3.3 蓄热水箱容积的选取

冬季系统串联运行时热泵水源蒸发器所需要的热量全部由蓄热水箱中的热水供给，蓄热水箱则由太阳能进行加热。考虑到热泵的水源蒸发器的蒸发温度即热水水温不能过高，否则会导致制冷剂压力过高对压缩机造成损伤，因此蓄热水箱的最高水温设定为35 ℃，最低温度设定为10 ℃，则水箱的温差为25 ℃，通过式（4）进行计算，可得到供暖水箱的容积（VX）为976 L时可满足要求，考虑工业成品水箱的规格，蓄热水箱容积（VXR）选取为1 000 L。

式中：Qd为1月份温室日均需热量，102 MJ;ΔTXR为蓄热水箱的温差，取值为25 ℃。

3.4 热泵机组的选型

通常情况下水源热泵的COPw要远高于空气源热泵的COPA，但是必须考虑南方出现连续阴雨天的情况，此时太阳辐射照度不够，以空气源运行形式代替太阳能来工作，熱泵则变成主要的热负荷提供者。太阳能无法工作时热泵只能够以空气源形式运行，此时热泵承担温室的全部热负荷，为保证热泵的制热量能够满足温室的需求，热泵选型时应以空气源形式运行时的COPA进行计算选型。

1月份最冷时温室维护结构的热负荷为 2 112 W，考虑安全余裕，将系数取为1.2，则两者相乘得到热泵制热功率为2 535 W，空气源热泵COP取值为1.5[16]，经计算得到热泵压缩机功率是 1 690 W，据此选择压缩机及热泵机组即可，但功率必须大于1 690 W。

系统无论以串联方式、并联方式或者空气源热泵单独运行时，热泵冷凝器冷却水的温度区间均设置为50～60 ℃，即热泵冷凝器的工作状况较差，因此热泵的压缩机性能要好，同时制冷剂的性能既要满足蒸发器的低温工况，也要满足冷凝器的高温工况。

3.5 太阳能热泵供暖系统配置与构建

根据以上的太阳能热泵系统的结构设计与设备选型，构建了为30 m2实验温室供暖的双热源太阳能热泵系统，系统的主要部件参数详见表4，构建的太阳能热泵供暖系统实验台详见图5。

3.6 系统参数测量与可开展项目

双热源太阳能热泵供暖系统中设置的相关传感器及其测量点的参数详见表5。系统中配置的设备，主要用来测试太阳能辐射照度值、流量值、温度值等参数。通过对测试参数的采集、归类、计算、整理，得出太阳能集热器效率值，得出热泵COP，从而模拟出相关参数变化曲线。本实验台可以开展的实验研究项目如表6所示。

4 结论与探讨

本研究以1个养殖面积为30 m2的甲鱼养殖温室为研究对象，通过构建自成系统的双热源太阳能系统来实现热泵供暖，达到以下目的：为满足温室供暖的多种工况以及节能运行要求，设计构建了1套双热源太阳能热泵供暖系统，该系统具备如下特点：

（1）结构设计合理、运行方式灵活多变，适用于不同工况下;系统稳定性好，经济效益佳。

（2）热泵供暖测试系统设备全、测点广、效率高，可用于各类运行方式下系统、部件测试。

在全社会提倡绿色建造的今天，环保意识渗透到各行各业已是不争的事实。应用于温室，促进农业领域的变革，更有着特殊的意义。从生态文明角度来发展农业，是当代为暖通空调专业人士提出的新挑战，任重而道远。

参考文献：

[1]李德坚，唐 轩，殷志强，等. 温室太阳能供暖[J]. 太阳能学报，2002，23（6）：557-563.

[2]邝平健，刘喜斌. 燃煤热风炉解决北方温室供暖问题的研究[J]. 农机化研究，2007（3）：221-222.

[3]阳季春，季 杰，裴 刚，等. 间接膨胀式太阳能多功能热泵单独制热水性能实验研究[J]. 太阳能学报，2008，29（6）：678-683.

[4]钟 浩，李志民，罗会龙，等. 空气源热泵辅助供热太阳能热水系统实验研究[J]. 建筑节能，2011，39（3）：36-39.

[5]旷玉辉，王如竹，于立强. 太阳能热泵供热系统的实验研究[J]. 太阳能学报，2002，23（4）：1-6.