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

为探究表冷器-风机集放热系统的集热性能，团队在内蒙古自治区赤峰市益康农业专业合作社的某大跨度外保温塑料大棚里进行了测试。具体试验过程如下：

试验系统组成

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140 m;南北非对称，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，如图1。室内过道两侧每 2.6 m 设置1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。屋面覆盖草帘和保温被，北面屋面保温被日间不揭开。试验期间，采用土壤栽培，棚内南面种植番茄，北面未种植作物。利用薄膜将大棚从中间隔开，西侧作为试验区，东侧作为对照区。

集放热系统的组成

如图 1 所示，表冷器-风机集放热系统由表冷器-风机、供回水管路、潜水泵、蓄热水池等组成。单台表冷器-风机的长×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，换热面积 33 m2;15 台表冷器-风机全部安装于屋脊下方，相邻两台之间的间距约为 4 m。采用同程管路系统，供回水管均安装在棚内屋脊下方，使用直径为 50 mm 的 PVC 管。供水管路与表冷器-风机的进水端相连，回水管路与表冷器-风机的出水端相连，供水管路上安装闸阀来控制水流量。蓄热水池位于塑料大棚西北侧，净长 4.25 m，净宽 3.8 m，净高 1.9 m，有效容积为 31 m3。潜水泵位于蓄热水池内，额定功率 2.2 kW，额定流量 15 m3/h，扬程 20 m。

集放热系统的集热工作模式

表冷器-风机集放热系统的集热过程为：日间，当室内气温达到20～22℃且高于水温4℃时，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，直到室内气温下降到低于20℃，或水气温差小于4℃时，关停潜水泵，集热结束。

集热性能的评价指标

水媒在潜水泵的作用下流经表冷器-风机，与室内热空气进行强制对流换热，将空气中的热能转移到水媒中，并运输、储存在蓄热水池。表冷器-风机的集热功率（W），可由如下计算公式得到：

试验设计

测试内容

为了测试系统的集热性能，采用对比试验的方法，利用薄膜将大棚从中间隔开，西侧作为试验区，东侧作为对照区。主要测试如下内容：

（1）室外气象数据，包括室外气温、湿度、太阳辐射照度、风速;

（2）试验大棚和对照大棚的室内气温、太阳辐射照度、湿度;

（3）蓄热水池内水温、表冷器-风机进出水口的水温、潜水泵流量及水管内水的流速;

（4）表冷器-风机进出风口处的温度、湿度、风速;

（5）系统耗电量。

测试方案

测试时间为2019年12月10日～2020年2月12日。测试期间，大棚南面种植番茄，北面未种植。南侧棚膜上覆盖的保温被揭开和闭合时间分别为08：30～9：30和16：00～16：30，為了避免热量散失、保证棚内温度，北侧保温被不揭开。当棚内气温较高时，使用自动放风系统打开大棚顶部的通风口进行自然通风。

如表1，测量仪器主要包括Pt100铂电阻、太阳总辐射传感器、电磁式热量表、三相导轨式电能表、HOBO无线温湿度仪、风速变送器、SHT20芯片温湿度传感器、KANOMAX热敏式风速仪等。所有室内的温度数据由Pt100铂电阻测量，测量气温的Pt100铂电阻做防辐射处理，Pt100铂电阻、三相导轨式电能表、SHT20芯片温湿度传感器以及风速变送器测量的数据通过数据采集仪转化信号，再通过RS485通讯统一传输，储存在网络数据库中。

水温测点布置：6个水温测点均布置在实验区，分别是蓄热水池中的水平三等分点、距离水池底部深度为0.5和1 m处，以及供水管与回水管上各1处。室内气温测点布置：试验区与对照区气温测点布置位置相同，各4个点，水平方向上为东西向三等分分别与距离最南边4 m、最北边4 m的交点垂直方向距离地面高度为1.5 m处。

其他测点：自西向东第三台表冷器-风机的前后布置温、湿度测点;室外温度、湿度、风速以及太阳辐射照度测点，均布置在大棚操作间顶部。

基础条件测试

试验区与对照区基础气温对比

系统集放热性能正式测试前，于2019年12月3～5日对室内的基础气温进行了测定。如图3所示，日间，试验区与对照区气温变化趋势相同，差异较小;夜间，试验区平均气温为 11.1℃，较对照区低1.4℃，分析产生这种现象的原因是：大棚位于山顶风口位置，大棚的进出口位于西侧试验区，冷风渗透较严重。

蓄热水池保温性能测试

于2019年12月4～5日对蓄热水池的保温性能进行了测试。测试期间未运行系统，蓄热水池蓄水量为22 m3。如图4所示，24 h内，蓄热水池的水温基本稳定，从17.4℃降低到17.1℃，降温速率为0.0115℃/h，热量损失 25.41 MJ，热损失功率为0.2941 kW，蓄热水池保温性能较好。

试验结果分析

集热性能分析

为了探究表冷器-风机集放热系统的性能，在冬季温度最低的2019年12月、2020年1～2月进行了测试。选取2019年12月14日～2020年1月14日的数据进行分析，系统日间集热天数为25天。对系统运行期间的蓄水量、水温变化、集热量、集热COPc等进行统计计算，结果如表2所示。其中集热量与集热COPc分别根据公式（3）和（4）计算得到。

在系统集热运行的时间段，室内平均太阳辐射照度为147.2～273.9 W/m2，系统的集热量为62.6～806.5 MJ，平均集热量为430.3 MJ;集热功率为13～57.6 kW，平均集热功率为38.5 kW;平均集热时间为180 min;集热COPc为4.4～10.9，平均集热COPc为7.5，说明该系统具有较好的集热能力和能效比。

最大集热量为806.5 MJ，出现在1月3日，该日蓄热水池里的水被用来进行了灌溉，重新加入了冷水，集热初始水温为11.1℃，集热期间室内气温为26.0～33.2℃，水气温差较大，且该日集热时间长，充分收集了空气中盈余的热量，集热功率为56 kW，集热COPc为10.9。最小集热量为62.6 MJ，出现在1月6日，该日为多云天气，集热时长仅为70 min，集热流量为13 W，集热COPc为4.4。

可见，表冷器-风机集放热系统具有显著的集热能力以及能效比。通过理论计算，该型号表冷器-风机集热功率为3800 W，但试验过程中，系统的集热功率低于理论值，产生这种现象的主要原因是在集热过程中，为了满足大棚内作物生产，上风口被打开，棚外的冷空气进入棚内，导致棚内上部空气温度较低，而表冷器-风机正是安装在风口的下方来进行热量收集的，这就极大降低了系统的集热效果。后面，将会对系统在风口密闭条件下的集热性能进行分析。

集热性能的影响因素探究

水气温差对集热性能的影响

选取12月20～21日的数据，进行水气温差对系统集热性能影响的分析，如表2所示。这两天集热过程中蓄热水池的蓄水量均为26 m3，水流量均为12 m3/h。系统运行集热的时间段分别是12：00～14：20和11：30～14：40，集热初始水温分别是16℃和12.1℃，集热期间平均进风温度分别为21℃和22.2℃。

如图 5 所示，集热过程中，进出水温差与水气温差的变化趋势基本一致。12月20日，进出水温差随着水气温差的上升而缓慢上升至3.3℃，此时水气温差为4.5℃，随后随着水气温差下降而呈现下降的趋势;12月21日，开始集热时，水气温差为10.7℃，此时的进出水温差为9.6℃，随着水温不断升高，水气温差逐渐降低，进出水温差也呈现下降的趋势。集热期间，12月21日平均水气温差为6.7℃，较12月20日提高87.6%，进出水温差为4.7℃，较12月20日提高88%。说明进出水温差与水气温差变化呈正相关，在其他条件不变的情况下，水气温差越大，进出水的温差也越大。

集热过程中，12月21日水温上升5.9℃，上升速率为0.00054℃/s，较12月20日高 62.1%;集热量为 638.8 MJ，集热功率为 56 kW，较12月20日高51.0%，集热COPc为10.8，较12月20日高54.3%。说明水气温差直接影响系统的集热能力与能效比。

由此可见，水气温差直接影响系统的集热能力与能效比，水气温差越大水温上升越快，系统收集的热量越多，系统COPc越大。而影响水气温差的因素分别是集热初始水温、蓄热水池中的蓄水量以及进风温度。由于集热期间，两天的蓄热水池中蓄水量相等，平均进风温度差仅为 1.2℃，影响水气温差的主要因素是集热初始水温：集热开始时，水温越低，集热性能越好。在实际运行中，连续晴天且保证次日能集热的情况下，可在夜间尽可能的将热量释放完全，如果夜间室内气温满足作物生长且热量未释放完全，次日集热前可将温度较高的水用于灌溉以提高地温，再重新放入冷水。除此之外，蓄热水池中的蓄水量也是影响集热性能的重要因素。增加蓄热水池中的蓄水量， 可以减缓集热过程中水温上升速率，在进风气温一定的条件下提高水气温差，从而增大系统集热能力与能效比。

水流速度对集热性能的影响

水流速度是影响系统换热量的另一个重要因素。图6为2020年1月31日和2月1日集热过程中水温以及集热功率的变化。蓄水量均为25.9 m3，每个表冷器-风机进水口的水流速度分别为1.2 m/s和0.7 m/s，集热期间平均水气温差分别是7.3℃和7.2℃，仅相差0.1℃，可认为水气温差一致。

从图6a的水温变化曲线可看出，1月31日水温变化曲线斜率较大，水温升高速率较快，通过计算，1月31日水溫平均上升速率为0.00064 ℃/s，较2月1日高48.7%。如图6b，在11：05，两日的水气温差均为7.3℃，1月31日的集热功率为63.5 kW，较2月1日高16.5%;在11：30，两日的水气温差均为7.1℃，1月31日的集热功率为72.5 kW。较2月1日高99.7%。通过计算，1月31日的集热功率、集热量和集热COPc均高于2月1日，两天的集热功率分别为36.6～136.0 kW和27.2～72.5 kW，平均集热功率分别是75.2 kW和47.1 kW，集热量分别为472.1 MJ和278.9 MJ，集热COPc分别为14.4和9.5。

可见，表冷器-风机的水流速度与系统的集热性能呈正相关，水流速度越大，水温上升速率越快，系统的集热功率与集热COPc越大。因为系统的水流速度与潜水泵的扬程和流量有关，通过配置流量、扬程适宜的潜水泵，可以提高系统内的水流速度从而改善系统的集热性能。

大棚密闭运行集热对棚内温湿度的调控效果

为了提高棚内上部空气的温度，减少冷空气渗入，提高表冷器-风机集放热系统的集热性能，在风口密闭的条件下进行了集热试验，探究系统在密闭运行时集热过程对棚内温湿度的调控作用。选取2020年1月31日9：00～16：40期间系统密闭运行的集热数据进行分析。如图7，在保温被打开的时间段内，室内太阳辐射照度最高为414 W/m2，平均太阳辐射照度为281.5 W/m2，室外气温在-13.3～5.3℃变化，最低值出现在2020年1月31日8：00。

如图 8，日间保温被开启，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℃范围波动;对照区气温逐渐升高，11：20 到达31.5℃，为不对番茄造成伤害，开启对照区风口。11：20～12：40，试验区风口仍保持关闭，气温仍在 27.5～28.5℃范围波动;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。表冷器-风机集放热系统日间集热 105 min，水温上升了 4.4℃，蓄热水池蓄水量为 25.9 m3，收集热量 472.1 MJ，集热功率为 74.9 kW，集热COPc为14.4。

如图9，10：55～11：20，试验区与对照区均为密闭运行，在此情况下，一台表冷器-风机可产生冷凝水约 1.5 L，因此，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。

综上所述，表冷器-风机集放热系统在密闭运行条件下集热，集热COPc达到 14.4，较非密闭条件下平均集热COPc增加约1倍;集热期间，系统能够维持室内气温在27.4～28.4℃，较开启风口的对照区低3℃左右;室内湿度逐渐下降，与对照区差距逐渐增大。可见，系统具有较好的集放热性能以及降溫除湿效果。未来，如果再结合CO2施肥，有望实现塑料大棚的密闭运行生产。

集热性能的优化

由理论分析可知，表冷器-风机集热系统的集热能力与水气温差、水流速度、总换热系数、通风量和换热面积有关。其中通风量和换热面积与表冷器-风机自身参数有关，一旦表冷器-风机的型号选定，不能进行更改;总换热系数除了与表冷器-风机的型号有关外，还与水流速度有关，水流速度越大，总换热系数越大。因此，对于已定的表冷器-风机，可以从增大水气温差和水流速度两个方面来提高其集热性能。

增大水气温差，可以从提高室内气温和降低蓄热水池的水温两方面进行考虑，具体方法包括：①缩短风口开启时间从而减少棚内热量损失，保持较高的室内气温;②降低集热开始时蓄热水池中水温，可将一部分热水用于灌溉，再加入冷水;③增大蓄热水池有效容积，加大蓄水量，可减缓集热过程中水温上升速率，增大水气温差。增大水流速度，可以通过适当加大潜水泵的扬程和流量来实现。

结论

在内蒙古自治区赤峰市益康农业专业合作社的某大跨度外保温塑料大棚里，进行了表冷器-风机集放热系统集热性能的试验，分析了系统的集热性能，探究了影响系统集热性能的主要因素。得出以下主要结论：

（1）表冷器-风机集放热系统具有较好的集热能力以及能效比。12月14日～1月 14日期间，系统的集热量为62.6～806.5 MJ，平均集热量为430.3 MJ;集热功率为13～57.6 kW，平均集热功率为 38.5 kW;集热COPc为 4.4～10.9，平均集热COPc为7.5。

（2）水气温差和水流速度，对表冷器-风机集热系统的集热性能具有显著影响。水气温差越大，系统集热能力越强，集热 COPc越大;水流速度越大，系统集热能力越强，集热COPc越大。

（3）表冷器-风机集放热系统，具有较好的集热性能以及降温除湿效果。在密闭运行集热期间，对棚内温湿度都具有较好的调节作用，有望在结合空气灭菌、CO2施肥等调控手段下， 实现大棚的密闭运行生产。

*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（中）[J].农业工程技术，2020，40（13）：52-58.