表冷器-风机集放热系统对四种园艺设施室内气温的调控效果研究

宋卫堂 王平智 肖自斌

研究背景

日光温室是中国进行蔬菜越冬生产的主要园艺设施，其主要特点是在不加温或少量加温的条件下保持较高的室内气温，满足作物生长需求，具有节约能源、生产效益好等优势。日光温室的快速发展，保障了北方冬季蔬菜供应，改善了人民生活质量，对于推动精准扶贫和乡村振兴具有非常重要的意义。2018年，设施园艺信息网数据显示中国日光温室面积已达到866万亩（5.7×105 hm2）[1]。

传统日光温室的后墙兼具保温和蓄热双重功能，可在日间储蓄太阳能，并在夜间向室内释放，是维持室内气温的重要构件[2]。为了储蓄热量，传统日光温室的后墙需要使用夯土、黏土砖等重质材料建造（图1），使得日光温室施工质量和施工效率较低、建造成本较高，不利于日光温室的可持续发展。另外，我国近年来面临着城镇化和老龄化进程的加快，设施蔬菜生产劳动力不足的问题愈加突出，迫切需要实施“机器换人”。但日光温室室内空间狭小，不利于农机装备的高效作业。因此，传统的日光温室必须进行变革以适应新时代设施园艺产业发展的要求，更好地为我国国民经济的发展提供助力。

在上述发展背景下，日光温室最近几年出现两种发展趋势：一种是使用轻质保温后墙替代传统墙体，该墙体使用聚苯板等保温板材或砌块建造[3]，可装配化施工，具有施工效率高、建造成本低等特点，得到了较多应用。此外，还可以使用柔性保温材料替代保温板材[4]或砌块建造后墙[5]，以进一步提高施工效率。另一种是彻底取消温室后墙，加大跨度，形成大跨度外保温塑料大棚[6-7]。这种新型塑料大棚一般南北走向，跨度16～20 m，脊高6 m左右，外侧覆盖可卷放保温被，具有较好的保温性能。与日光温室相比，大跨度外保温塑料大棚不仅造价低，而且土地利用率高，还具有较大的室内空间，能够满足大多数农机装备的作业需求。

但上述2种类型的新型园艺设施，与传统日光温室相比存在共同的弱点：缺乏蓄热构件，日间蓄热能力低，致使冬季夜间室内气温较低，很难满足室内植物的温度要求，从而限制了上述设施的大面积推广应用及对设施园艺产业的推动作用。

针对上述问题，研究团队研发了一种日间收集并储存温室空气中的热能、夜间再释放出来提升室内气温的主动集放热系统——表冷器-风机集放热系统。该系统通过悬挂在室内空间高位处的表冷器-风机，以水气换热方式，日间收集空气中的盈余热量并储存起来，夜间再将这部分热量向室内释放以提高室内气温。表冷器-风机体积小且在紧靠温室屋脊的下方安装，不会对室内作物的采光产生影响。

为验证该系统对保温后墙日光温室和大跨度外保温塑料大棚室内气温的调节效果及其应用可行性，团队于2018年1～3月、2018年12月～2019年3月、2019年12月～2020年2月，在三地4種新型温室（北京市轻型保温后墙日光温室、宁夏回族自治区银川市兴庆区南北向大跨度外保温大棚和柔性保温后墙日光温室、内蒙古自治区赤峰市宁城县东西向大跨度外保温大棚）开展了试验（图2），以期为推动上述新型温室的发展提供技术和装备支撑。

表冷器-风机集放热

系统组成与工作原理

表冷器-风机集放热系统主要包括表冷器-风机、供水管路、回水管路、潜水泵、蓄热水池、PLC控制系统、控制系统的气温及水温传感器等，如图3所示。日间集热过程中，由于水温低于气温，表冷器-风机内空气中储存的热能通过强制对流换热方式转移到水中，最终储存在蓄热水池中;夜间室内气温较低时，由于水温高于气温，表冷器-风机内水中储存的热能通过强制对流换热方式转移到空气中，提高室内气温。如图4所示，系统的核心换热部件表冷器-风机，日间集热时的功能是集热，夜间放热时的功能是放热。

对轻质保温后墙日光温

室室内气温的调控效果

试验温室

试验日光温室位于北京市通州区潞城镇中农富通园艺有限公司的通州国际农业科技园内（39.8?N，116.7?E）。东西长50 m，南北跨度8 m，脊高3.8 m，后墙高2.6 m，后屋面长1.5 m，后坡仰角45?。温室后墙、后屋面及两侧山墙均采用150 mm聚苯乙烯发泡板装配而成，泡沫板两侧涂抹抗裂砂浆，墙体只有保温功能，没有蓄热功能。前屋面覆盖0.1 mm PVC塑料薄膜。保温被被芯为针刺毡，无其他加温设备。沿温室东西方向中间位置用PC板将测试温室均分为东、西两部分，分别作为试验温室和对照温室。

试验期间温室内栽培番茄，两间温室同时定植，采取完全相同的管理措施。8：00～9：00揭开保温被，16：30左右关闭保温被。晴天的10：00左右通过卷膜器打开温室上通风口进行自然通风，13：00左右关闭。通风口安装有防虫网。试验现场如图5所示。

集放热系统组成及其运行模式

试验温室内的表冷器-风机集放热系统，由3台表冷器-风机、进水管路、回水管路、保温蓄热水池、1台潜水泵、PLC控制系统、控制系统的气温和水温传感器组成。表冷器-风机悬挂于屋脊下方、距地面3 m高度处，分别与供水管路和回水管路相连。风机将室内空气由北侧经表冷器后吹向前屋面，以利于气流循环。蓄热水池位于温室内，挖建而成，底部及四周粘贴发泡聚苯板进行保温，长4.26 m，宽2.40 m，深1.60 m，实际蓄水量为4.6 m3。潜水泵位于蓄热水池中。

白天（8：00～16：30），当控制系统监测到温室气温高于22℃且高于水温5℃时，启动风机和潜水泵，潜水泵将蓄热水池中的水媒以一定压力和流量泵入表冷器，水与空气在表冷器中通过强制对流的方式进行热交换，吸收空气中的热能后回流至蓄热水池中。水媒在系统中不断循环，温度逐渐升高，便将日光温室内空气中的盈余热能收集并储存起来。当温室气温低于22℃，或气温与水温的差值<5℃时，控制系统停止风机和潜水泵的运行，集热过程停止。

夜间（16：30～次日8：00），当控制系统监测到温室气温低于13℃且低于水温2℃时，启动风机和潜水泵，水媒与空气在表冷器中发生强制对流换热，释放热能，进行夜间的加温。当温室气温高于14℃，或者水温与气温的差值<2℃时，系统停止运行，放热过程停止。

结果与分析

◆表冷器-风机集放热系统对室内气温的调节

以2018年3月2～5日（晴天和阴天）试验温室和对照温室中的气温数据为例，进行分析。

2018年3月2日和5日是晴朗天气。从图6a可以看出，从8：00揭开保温被后，温室气温逐渐上升，9：20温室气温22.3℃，表冷器-风机集放热系统开始运行，试验温室与对照温室之间逐渐产生温差，10：00后同时打开两个温室的上通风口，气温下降。集热期间，试验温室的气温始终低于對照温室，试验温室最高气温为32.1℃，对照温室最高气温为37.7℃，温差在（5.8±2.3）℃。3月5日也是晴天，如图6d所示，同样从8：00揭开保温被后温室气温逐渐上升，9：30时温室气温22.7℃，表冷器-风机集放热系统开始运行，10：30同时开启两温室的上通风口。集热期间试验温室的气温始终低于对照，试验温室最高气温为29.0℃，对照温室最高气温为34.8℃，温差在（5.1±1.2）℃。可见，表冷器-风机集放热系统可以有效降低集热期内日光温室的气温。

3月3日是阴天，如图6b所示，日间未集热，对照与试验温室的温度基本一致。3月4日也是阴天，如图6c所示，日间系统运行了1.5 h，试验温室比对照温室气温降低（2.6±1.8）℃。由此可见，即使是阴天天气下，只要温室内的气温满足集热条件，系统同样能够收集空气中的盈余热量。

夜间，表冷器-风机集放热系统为试验温室放热，如图6a、图6b所示。3月2日晚，试验温室的最低气温为13.2℃，对照温室的最低气温为11.3℃，最低气温提升了1.9℃;在经历3月3～4日的连续阴天后，3月4日晚试验温室的最低气温为10.0℃，对照温室最低气温为7.1℃，最低气温提升了2.9℃。可见，表冷器-风机集放热系统的夜间加温效果明显，即使是连续两个阴天也能为温室提供热能，维持室内气温在10℃，具有一定抵抗连阴天的能力。

◆表冷器-风机集放热系统的集放热性能与节能效果

表冷器-风机集放热系统中的水媒温度变化如图7所示。

晴朗天气下，系统集热时长约5 h，水温升高5.8～9.0℃，日集热量112.1～154.6 MJ，集热流量5.7～8.3 kW，集热COPc 3.4～4.9。阴天条件下，也能够收集一些热量。晴天的集热流量和集热COPc表明，表冷器-风机的单位时间换热量大，集热优势明显;系统在集热阶段的节能率较高。

系统放热阶段的水温下降3.5～7.9℃，日放热量44.4～189.1 MJ，放热流量1.5～5.4 kW，放热COPr

为0.9～3.2。白天所收集、储存在水媒中的热量，一部分用于放热，另一部分则由于蓄热水池保温性能不佳而损失。该试验系统的放热性能不及集热性能，说明其放热性能还有提升潜力。

系统运行过程中每小时耗电2.45 kW·h，日耗电量在15～48 kW·h。由于该系统是首次应用于温室测试，未对表冷器-风机、潜水泵等设备进行选型，表冷器-风机的台数、蓄水池水量等参数也未进行优化，蓄水池保温性能不佳，致使设备的功率储备过大，“大马拉小车”，造成无效功耗过大。

试验过程中还发现，表冷器-风机集放热系统的集放热效果与蓄水池的水量存在密切关系。水量较大时，水温较低，有利于在日间形成较大的水、气温差，系统集热量大，集热效率高。但在夜间则会导致水、气温差较低，不利于放热。反之，水量较少时不利于日间集热，且集热量有限，但夜间放热却较快，难以满足温室长时间的加温需求。通过合理设计蓄水池的水量，将有助于获得较好的集热COPc和放热COPr。

传统日光温室晴天夜间单位面积墙体放热量为1.06～1.9 MJ，平均放热强度为24.4 W;阴天夜间单位面积墙体放热量为0.35～0.76 MJ/m2，平均放热强度为8.13 W/m2 [8-9]。该表冷器-风机集放热系统，晴天夜放热量为1.1 MJ/m2，平均放热强度为28.9 W/m2;阴天夜间单位后墙面积放热量为0.4 MJ，平均放热强度为10.7 W。由此可见，该系统与传统温室后墙相比，放热性能相近，但通过优化后该系统仍有性能提升潜力，而且该系统能够实现对温室白天降温、夜间升温的主动调控，提高了对温室热环境的调控能力，这些特点是传统日光温室所不具备的。

小结

在轻质保温后墙日光温室内，表冷器-风机集放热系统白天集热时能够降低温室气温3.5～8.1℃;夜间放热时平均提升温室气温2.6℃，在连续两个阴天时也能够维持室内外温差16.9℃。因此，该系统白天可降低室内气温，夜间可提升温室最低气温，并具有抵抗连阴天的能力，能够提升温室气温的可控性，可实现精准放热，弥补了传统日光温室主动调控温室气温能力差的弱项。

冬季晴朗天气下运行该系统集热，日光温室内的气温依然在30℃以上，说明还有大量的空气余热可供回收利用，需要进一步优化系统参数，使得该集放热系统能够收集更多的热量、集放热性能更佳。

对柔性保温后墙日光温

室室内气温的调控效果

试验温室

试验日光温室位于宁夏银川市兴庆区绿星博大种业（38.48 ?N，106.28 ?E）。温室东西长160 m，南北跨度9 m，脊高6 m。温室后墙、后屋面以及两侧山墙均采用柔性材料包裹，只具有保温功能，无蓄热功能。蓄热水池实际蓄水量为60 m3，位于温室东侧地下，底部及四周做隔热处理。温室内无其他加温设备。对照温室的结构、材料和建造时间均与试验温室相同。两栋温室在南北方向间距为20 m，均种植结果期的番茄。9：00左右揭开保温被，17：00左右关闭保温被;气温过高时开启上风口，未安装防虫网。

表冷器-风机集放热系统的组成及其运行模式

表冷器-风机集放热系统由表冷器-风机、供水管路、回水管路、水泵、蓄热水池、控制系统等组成。整栋温室共有24台表冷器-风机，悬挂安装于屋脊下方，离地高度约5 m。蓄热水池位于日光温室东侧地下，蓄水量60 m3。潜水泵位于水池内。

白天（9：00～17：00），当室内气温≥23℃且水温低于室内气温3℃以上时，控制系统开启集放热系统进行集热;当室内气温<23℃，或者水温高于室内气温不到3℃时，系统停止集热。

夜间（17：00～次日9：00），当室内气温低于10 ℃且水温高于气温3℃时，系统启动进行放热;当室内气温高于12℃，或者水气温差<3℃时，放热停止。

结果与分析

选取2020年1月8日（晴天）和2020年1月9日（阴天）的測试数据进行分析，如图9所示。

从图中可以看出，8日晴天时，从9：00揭开保温被后，太阳辐射增大，室内气温逐渐上升，气温曲线基本重合。表冷器-风机集放热系统于11：05开始集热，试验温室的气温逐渐低于对照，最大温差达到5.4℃，说明该系统在白天集热的同时还有较强的降温能力。12：15打开风口后，两栋温室的气温都迅速下降，气温曲线再次重合。在关闭保温被后，温室气温开始下降，0：00～1：45期间只放热20 min。2：05系统再次运行时，试验温室气温已经高于对照2.5℃。7：55两温室出现最大温差，为4.6℃。至次日9：00揭开保温被时，试验温室气温为11.5℃，对照温室气温为7.1℃。平均提升了温室气温4.0℃，且放热期间试验温室气温不低于9.1℃。可以看出，本集放热系统在白天集热量充足的情况下，可以满足夜间的加温需求，具有较强的加温能力。

由图9还可以看出，9日阴天条件下，由于白天气温较低，本系统未进行集热，对照和试验温室的气温基本重合。19：55系统开始放热，试验温室气温为10.5℃，对照温室气温为9.0℃。至2020年1月10日9：00仍在放热，此时试验温室气温为9.7℃，对照温室气温为5.2℃，放热期间平均提升了室内气温3.8℃。说明表冷器-风机集放热系统，能够连续两天为温室加温，使得室内夜间维持适宜的气温，具有一定抵抗连阴天低温的能力。

试验温室和对照温室的土壤温度变化如图10所示。深度20 cm的土壤温度波峰和波谷晚于气温。晴朗天气由于太阳辐射强，在12：35土温开始上升;而阴天则是由室内空气向土壤传热，气温较低对土壤的传热也较慢，在16：30土温才开始上升。

试验温室深度20 cm的土壤温度始终高于对照温室，最大温差1.0℃。这是由于表冷器-风机集放热系统在夜间放热运行时，提升了温室气温，减少了温室土壤向空气释放的热量，经过一段时间后，试验温室土壤中累积的热量高于对照温室，使得土壤温度逐渐升高。这对于冬季作物的生长是有利的，同时也为冬春茬作物的提前定植提供了可能。

表冷器-风机集放热系统中的水媒温度变化如图11所示。晴朗天气下，系统在白天集热，夜间放热，水温先升高后降低。如1月8日11：05系统开始集热，热量逐渐收集到水中，水温以0.72℃/h的速度逐渐上升最终稳定在17℃。夜间放热时，水温以0.21℃/h的速度下降，最终降至12.5℃。阴天时，系统在白天通常不集热，夜间仍需放热，水温在白天基本不升高，但是夜间会降低。如1月9日，白天没有集热，夜间19：55开始放热，水温逐渐降低。由于蓄水池面积比较大、蓄水量较多，水池中水温的均匀性较差，水温稳定需要较长时间，所以，15：05～19：55水温存在波动。

晴朗天气下，系统可集热5 h，水温升高4℃，日集热量1008 MJ，集热流量56.9 kW，集热COPc 为5.7。可见，表冷器-风机集放热系统在晴朗天气下的集热量非常可观，集热效果非常好。阴天条件下，只能收集少量热量或不能收集热量。

系统的放热时长9～14 h，水温下降3.5～7.9℃，日放热量504 MJ，放热流量10.7～15.6 kW，放热COPr为1.3～1.8。8日和9日放热量相同，但8日的水温更高，放热时间短，因此系统的放热性能表现更好。

本试验白天室内气温要求25～28℃，集热时水温上升了4℃，最高水温只有17℃，水温未达到集热设计的上限，说明水池的蓄热量大于集热量，同时集热量足够放热。因此，实际蓄水量偏大。未来，可适当减小蓄水量，能够提升水温，提升系统的放热性能。

小结

表冷器-风机集放热系统应用于宁夏银川地区的柔性墙体日光温室中，放热期间温室气温基本维持在10℃左右，能够维持设定的温度不再降低;冬季最冷月仍能提升温室的最低气温4℃;连续两天放热的情况下，仍能够提升温室气温3.8℃。因此，本系统不仅提高了气温的可控性和温室气温，还有利于改善温室的其他环境，如土壤温度。本集放热系统夜间的放热，减少了土壤向室内的散热，热量被留存在土壤中，提升了作物的根区温度，也有利于冬春茬作物的提前定植。

试验过程中还发现，宁夏地区光热资源丰富，日光温室接收到的太阳辐射较多，气温升高快。本系统集热运行的时间与打开通风口的时间相近，由于室外气温较低，上通风口与表冷器-风机悬挂的位置又很近，打开通风口后会直接导致系统停止运行或集热性能下降。因此，传统的日光温室管理方法不适用于安装本表冷器-风机集放热系统的日光温室，需要改变打开风口进行通风散湿的传统管理方法，比如采用温室密闭运行的方式，既可满足作物生长，又能使表冷器-风机集放热系统高效运行。

对南北向“大跨度外保

温塑料大棚”室内气温

的调控效果

试验大棚

试验塑料大棚位于宁夏银川市兴庆区（38.4?N，106.4?E）。南北走向，南北长80 m，东西宽16 m，屋脊高6.2 m（图12、图13）。室内每隔4 m设置一根钢管柱，以提高结构稳定性。大棚南北山墙由200 mm聚苯乙烯板建造。屋面覆盖聚乙烯薄膜和保温被。保温被被芯材为喷胶棉，传热系数为0.9 W/（m2·K）。

测试期间试验塑料大棚栽培番茄，采用滴灌进行灌溉。为维持较高的室内气温，塑料大棚东侧保温被一般在9：30～10：00开启，12：00闭合;西侧屋面保温被则在12：00开启，16：00～16：30闭合。选择典型晴天2019年1月22日9：30～23日9：30的试验数据进行分析。

表冷器-风机集放热系统的组成及其运行模式

表冷器-风机集放热系统由表冷器-风机、供回水管路、水泵、保温蓄热水池、PLC 控制系统等组成。表冷器-风机安装于屋脊下方，共9台，间隔

6 m布置。每台表冷器-风机中有2个180 W的轴流风机。为使室内空气分布均匀，交错布置表冷器出风口（图14）。蓄热水池位于塑料大棚中部，蓄水量22.8 m3。循环水泵为潜水泵，位于蓄热水池内，功率900 W，流量12.4 m3/h。

表冷器-风机集放热系统的工作模式为：当室内气温≥17℃且水温低于室内气温4℃时，控制系统开启集放热系统进行集热。当室内气温<17℃，或者水温低于室内气温不到4℃时，系统停止集热。夜间，当室内气温低于10℃且水温高于气温2℃时，系统启动进行放热。当室内气温高于13℃或者水气温差<2℃时，放热停止。

考虑到阴天时室内气温较低，系统无法进行集热，在室外安装了一台空气源热泵，用于阴天系统无法启动时对蓄水池进行热量补充。

结果与分析

如图15所示，测试期间，室外太阳辐射最高可达536 W/m2，但室内辐射较低，最高182 W/m2。整个日间，室内太阳辐照度仅为室外太阳辐照度的38±13%。该结果表明，南北走向大跨度外保温大棚透光率较低，不利于室内气温的快速升高。测试期间室外气温在-7.8～8.5℃之间变化，最低温出现在23日的8：30。

如图16所示，日间室内气温先升高后降低，在11：00达到17℃，此時水温12.3℃，较室内气温低4.7℃，表冷器-风机集放热系统启动，开始集热。随后室内气温继续升高，在14：00达到22.2℃。然后开始下降，在14：50跌至20℃。此时，水池温度为16.1℃，较室内气温低3.9℃，系统停止运行，集热过程结束。

如图17所示，夜间室内气温持续下降，在2：30跌至10℃。此时表冷器-风机集放热系统开始向室内放热，直到次日保温被开启。室内气温小幅提升，在4：20达到12.3℃，然后又缓慢下降。9：00，室内气温为11.5℃。夜间平均室内外温差为16.9℃，最大值出现在8：30，达到19.5℃。根据模拟，在本系统加温作用下，室内最低气温平均提升了2.2℃。

表冷器-风机集放热系统日间集热3.8 h，水温上升了4.4℃，集热量425 MJ，集热COPc 为7.1。系统夜间放热6.3 h，水温下降了3.3℃，考虑到蓄水池自身散热的影响，系统夜间向室内释放热量299.5 MJ，放热COPr为3.04。

另外，如前所述，测试塑料大棚的南北走向不利于采光，室内气温较低，不利于系统集放热性能的充分发挥。根据模拟，如果集热期间室内气温能达到25℃，则日间集热量和夜间散热量可分别提高68%和85%，室内气温有望得到较大幅度的提升。因此，该系统具有较好的集放热能力，具有较大的应用潜力。

小结

在南北向大跨度外保温塑料大棚中，室内太阳辐射弱，该温室的白天气温不超过25℃。系统的集热时长为3.8 h，集热量425 MJ，集热COPc为7.1;系统的放热时长为6.3 h，系统的放热量为299.5 MJ，放热COPr为3.04。维持夜间气温不低于11.5℃，室内外最大温差16.9℃。此外，系统的运行参数和运行条件对集放热性能的影响很大，研究其运行参数和运行条件能够使系统更节能、应用效果更佳。

表冷器-风机集放热系统具有很强的适应性，可以联合其他加温设备或系统共同使用，加强抵抗连阴天低温的能力。

对东西向“大跨度外保

温塑料大棚”室内气温

的调控效果

如上所述，虽然南北走向的塑料大棚有助于提高土地利用效率，但其透光率较低，日间室内气温不高，不利于表冷器-风机集放热系统的运行。若塑料大棚采用东西走向，则其透光率可得到明显提升，有助于突破冬季低温弱光对作物生长的限制，取得较好的栽培效益。此外，在前期研究中也发现，该集放热系统在日间运行过程中具有良好的降温效果，使得温室封闭运行成为可能，这对于减少外界病虫害侵入、开展CO2施肥非常有利。

为此，本团队在前述研究的基础上，又开展了表冷器-风机集放热系统在东西走向大跨度外保温塑料大棚中调控气温的试验，进一步考察、分析利用该系统实现大棚密闭运行的可行性。

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，东西长144 m，南北宽16 m，南北非对称，其中南侧宽8 m，过道宽2 m，北侧宽6 m，屋脊高4.5 m（如图18、图19）。室内过道两侧每隔2.6 m设置一根钢管柱，以提高结构稳定性。大棚东西山墙由砖墙建造。屋面覆盖草垫和保温被，北侧屋面保温被冬季不揭开。试验时采用塑料薄膜将大棚从中间一分为二，西侧为试验区，东侧为对照区。

试验于2019年12月～2020年2月进行。试验期间塑料大棚栽培番茄，滴灌灌溉。塑料大棚南侧屋面保温被一般在9：00～10：00揭开，16：00～16：30关闭;北侧保温被闭合不揭开。选择典型晴天2019年12月31日8：00～2020年1月1日8：00、2020年1月31日10：55～12：40的测试数据进行分析。

表冷器-风机集放热系统的组成及其运行模式

表冷器-风机集放热系统由表冷器-风机、供回水管路、水泵、蓄热水池、控制系统等组成。表冷器-风机悬挂安装于屋脊下方，共15台表冷器-风机，间距约为4 m。每台表冷器-风机包含2个200 W的风机。蓄热水池位于塑料大棚西侧，水量为25.84 m3。潜水泵位于水池内，实际流量为13.2 m3/h。

表冷器-风机集放热系统的运行模式如下：日间，当室内气温达到25℃且水温低于室内气温5℃时，系统启动进行集热;当室内气温低于25℃，或者水温低于室内气温不到5℃时，系统停止运行，集热过程停止。夜间，当室内气温低于10℃且水温高于温室气温3℃时，系统启动，进行放热;当室内气温高于13℃，或者水温高于温室气温不到3℃时，系统停止运行，放热过程停止。

结果与分析

风口打开条件下，表冷器-风机集放热系统对室内气温的调控效果

如图21所示，2019年12月31日8：00～2020年1月1日8：00期间，室外太阳辐射最高可达389 W/m2，保温被开启时间段室外平均太阳辐射为273.1 W/m2;室内太阳辐射最高为324 W/m2，保温被开启时间段室内平均太阳辐射为215.8 W/m2，为室外太阳辐照度的79%。室外气温在-20～-1℃之间变化，在2020年1月1日5：30出现最低温-20℃。

如图22所示，日间保温被开启，试验区与对照区室内气温均升高，11：00达到25℃，上风口开启（试验区开口约为2 cm、对照区开口约为10 cm）。此时水池水温为11.8℃，较试验区室内气温低13.2℃，表冷器-风机集放热系统启动，开始集热。随后试验区室内气温继续上升，在12：40达到30.7℃，然后开始下降，15：00至25℃，集热过程结束，此时水温为18.3℃。

由于对照区风口开得较大，11：00后室内气温下降明显，11：40下降至23.7℃后开始回升，至12：10达到29.8℃，开始超过试验区，直至保温被关闭。虽然试验区的风口开启较小，但其气温仍明显低于对照区，说明表冷器-风机集放热系统的降温效果显著。

如图23所示，保温被关闭后，室内气温持续下降，试验区气温在2：30跌至9.3℃，低于对照区0.6℃。此时表冷器-风机集放热系统启动，向室内放热。试验区气温开始上升，在3：30达到11.8℃，然后缓慢下降，直到1月1日7：30放热停止。1日8：00试验区室内气温为11.1℃，高于对照区2.5℃;夜间平均室内外温差为26.4℃，最大达到30.6℃。

表冷器-风机集放热系统日间集热4 h，水温上升6.43℃，集热量693.5 MJ，耗电量19.74 kW·h，集热COPc为9.7。夜间放热5 h，水温下降4.52℃，向室内释放热量487.5 MJ，耗电量26.48 kW·h，放热COPr为5.1。

另外，如前所述，在集热期间大棚的顶风口处于开启状态，棚内上部表冷器-风机周围的空气温度较低，不利于集热。若不开风口，表冷器-风机周围的空气温度将会提高，则有利于提升系统的集热性能。

◆密闭条件下，表冷器-风机集放热系统对室内气温的调控效果

2020年1月31日8：00～16：40期间大棚采取密闭运行模式进行集热。如图24所示，测试期间，室外太阳辐射最高可达482 W/m2，保温被开启时间段室外平均太阳辐射为314 W/m2;室内太阳辐射最高为414 W/m2，室内平均太阳辐射为281.5 W/m2，室内太阳辐照度仅为室外太阳辐照度的69.6%。室外气温在-13.3～5.3℃范围内变化，最低温出现在2020年1月31日的8：00。

如图25所示，日间保温被开启，室内气温升高，10：55试验区气温达到27.4℃。此时水温为13.1℃，较试验区室内气温低14.3℃，表冷器-风机集放热系统启动，开始集热。

10：55～11：20，试验区气温在27.5～28.5℃波动，风口保持关闭，水温从13.1℃上升到13.8℃;对照区气温逐渐升高，11：20达到31.5℃，为了不对番茄造成高温伤害，开启了对照区风口。11：20～12：40，试验区气温仍在27.5～28.5℃范围内波动，风口仍保持关闭;对照区风口开启（风口宽度15 cm），气温稳定在30℃左右。

12：40集热过程结束后，试验区气温快速上升到31.6℃，随后开启顶风口，气温逐渐下降。

系统集热期间，试验区气温稳定在27.5～28.5℃，对照区开风口前后一直高于试验区。由此可以说明，表冷器-风机集放热系统具有很好的降温、控温作用。

表冷器-风机集放热系统日间集热105 min，水温上升了4.35℃，集热量472.1 MJ，集热COPc可达14.4，与开启风口进行集热时相比，COPc提高了47.8%。

如图26所示，10：55～11：20试验区与对照区均保持密闭，试验区相对湿度持续下降，从65.7%下降到60.8%，与对照区的湿度差距逐步拉大，说明表冷器-风机集放热系统具有一定的除湿效果。

小结

东西走向大跨度外保温塑料大棚中，在风口开启条件下，系统的集热量为693.5 MJ，集热COPc为9.7;夜间可提高室内气温2.5℃，放热量为487.5 MJ，放热COPr为5.1。在大棚密闭条件下，系统的集热COPc达到14.4，较非密闭提高了47.8%。该系统在大棚密闭运行时，能够维持室内气温在27.4～28.4℃，无需开风口散热;同时，还能够调控室内湿度，运行时室内湿度有所下降。因此，该系统能够满足大跨度外保温塑料大棚密闭运行时对温度、湿度的控制需求。

上述结果表明，本团队所开发的表冷器-风机集放热系统，可以在东西向大跨度外保温大棚中应用，在收集空气中盈余热量的同时，还能够有效抑制室内的高温，降低相对湿度。温度的有效管控是实现温室密闭运行的基石，而要实现对温室空气环境的全面管控，还需要进行空气灭菌、CO2气肥施用等多方面的调控。

結论

表冷器-风机集放热系统是一种新型的主动集放热系统。该系统利用表冷器-风机作为白天的集热器和夜间的放热器，收集和利用温室内产生的空气盈余热量，实现对温室气温的调控。该系统具有不占用栽培空间、不遮挡太阳辐射、不受温室类型限制、能充分利用温室空间、直接调控室内气温等优势。

表冷器-风机集放热系统具有明显的日间降温、减少通风的效果。在轻质保温墙体日光温室中，日间平均降低5.8℃;在东西向大跨度外保温塑料大棚中，延迟开风口通风时间80 min;在其他温室中也有不同程度的降温效果。

表冷器-风机集放热系统具有夜间提升温室气温的效果。在后墙无蓄热能力的日光温室中，可提升夜间最低气温2.6～4.0℃;在大跨度外保温塑料大棚中，可提升夜间最低气温2.2～4.5℃。在最冷月，运行该系统能够维持室内温度在10℃以上，最大室内外温差能够达到21℃以上。

集热、放热性能好。系统最大日集热量达到1008 MJ，集热COPc可达3.4～14.4，说明该系统日间能够收集到足够的热量，集热过程中的节能性好;放热量为44.4～504 MJ，放热COPr可达1.3～5.1，说明系统的放热量充足，优化系统参数和运行条件后，还能进一步提升系统的放热性能。

提升温室土壤的热环境。表冷器-风机集放热系统能够明显提升土壤温度。系统的夜间放热提升了温室气温，减少了土壤向空气释放的热量，使得热量留存在土壤中，提升了作物的根区温度，也有利于冬春茬作物提前定植。

表冷器-风机集放热系统还具有调控湿度、扰动室内空气等作用。日间集热过程中，能够将温室空气中的水汽凝结，降低室内绝对湿度，改善室内的高湿环境，并且凝结的水汽能够再次用于蓄热;夜间温室的气温提升，降低了温室的相对湿度。湿度的调控對病害的防控至关重要。表冷器-风机运行过程中，风机吹向前屋面，气流会在室内形成循环，均匀室内温度、湿度、CO2浓度等空气环境。由此可见，该系统还具有调节温室内湿度、气流和CO2均匀性等多种功能，具有实现温室密闭运行、全面调控温室空气环境的潜力。

综上所述，表冷器-风机集放热系统是一种节能型的温室主动式集放热新技术、新装备，具有较好的日间降温和夜间加温效果、集放热性能及除湿效果，提高了对温室空气温度、湿度的可控程度，可以应用于各种类型的温室，对于加快大跨度大棚、装配式日光温室等新型棚室的发展和推广，具有重要意义。未来，通过优化表冷器-风机集放热系统的设计参数和运行参数，进一步提升集放热性能，并对除湿、杀菌、补充CO2气肥等功能进行深入研究，有助于实现温室的全时密闭运行，从而大幅度提升温室空气环境的综合调控水平。

致谢

本研究在温室现场中的测试和试验工作，得到了以下单位的大力支持和协助，在此一并表示感谢：国家大宗蔬菜产业技术体系银川综合实验站和赤峰综合实验站、北京国际都市农业科技园、宁夏回族自治区园艺技术推广站、银川市兴庆区农业技术推广中心、宁夏旭日阳光生态果蔬种植养殖专业合作社、银川绿星博大种业有限公司、赤峰益康农业专业合作社。

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