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

为了探究表冷器-风机集放热系统的放热性能，在内蒙古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。

集放热系统的放热模式

表冷器-风机集放热系统的放热过程是：夜间（指从保温被关闭至次日保温被开启之间的时段），当室内气温低于10℃且低于水温4℃时，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强制对流热交换，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，直到大棚气温升高到13℃或水气温差小于2℃时，关闭潜水泵，放热停止。

放热性能评价指标

表冷器-风机集放热系统的放热功率（W），可由如下计算式得到：

式中：cw为水的比热容，J/（kg·℃）;ρw为水的密度，kg/m3;Vw为水流量，m3/h;tw1、tw2分别为进、出水水温，℃。

表冷器-风机集放热系统的夜间放热量Er（J）为：

式中：τ1、τ2为放热开始和结束的时刻。

另外，系统释放的热量来自蓄热水池，也可根据蓄热水池中水温的变化计算放热量，计算公式为：

式中：V为蓄热水池中水的体积，m3;T1、T2为放热开始和结束的时刻蓄热水池的水温，℃。

定义系统在放热过程中释放的热量与消耗电能的比值为系统的放热COP（COPr），用于判断系统的节能效率，计算公式如下：

式中：E为放热时系统消耗的电能，kW·h。

定义系统在1天（指从保温被开启到次日保温被开启之间的时间）内释放的热量与收集的热量的比值为系统的放热效率?，计算公式如下：

试验设计

测试方案

为了分析系统的放热性能，需要探究系统放热对室内温度的影响，除了对气温的测试内容外（详见“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）”），还监测了试验区与对照区不同深度的土壤温度。

土温的测量仪器为Pt100 铂电阻（测量范围：-50～200℃，精度：±0.1℃），利用 YC1003-P16数据采集仪（山东新赢诚电子科技有限公司，采集范围：-200～600℃）自动采集 Pt100铂电阻测量的数据，并将采集后的数据通过 RS485通讯统一归类，储存在网络数据库中。

室内土温测点布置：如图1所示，试验区与对照区土温测点布置位置相同，各8个点，位于南面种植区的中心处（中间土垄，距离最南边4 m），距离土垄表面深度分别为 0、0.01、0.02、0.03 m，以及该土垄西侧的垄沟、距离地表深度为 0、0.1 m 处;北面非种植区的中间位置（中间土垄，距离最北边 4 m），距离地表深度为 0、0.1 m 处。

基础土温测试

在系统放热性能正式测试前，于 2019年12月3～5日对室内的基础土温进行了测定。如图2所示，试验区的土温均低于对照区，试验区在垄沟表面、垄顶表面和垄深10 cm 及垄沟表面处的夜间平均土温分别较对照区低1.1、1.2、 1.3℃。这是由于试验区气温长时间低于对照区气温，夜间土壤需要向空气中释放较多的热量导致的。

结果与分析

系统的放热性能分析

选取 2019年12月26日～2020年1月11日的数据，分析表冷器-风机集放热系统的放热性能。系统夜间放热天数为15天，其中12月26日～1月2日使用全部表冷器-风机（15台）进行放热;1月3～11日使用一半表冷器-风机（8台）进行放热。对系统运行期间的蓄水量、水温变化、放热量、放热 COP、放热效率等进行统计计算，结果如表1所示。其中的放热量、放热 COP 和放热效率分别根据公式（3）、（4）和（5）计算得到。

总的来说，在系统放热运行的时间段，室外最低气温为-21.0～-7.9℃，系统的放热量为214.9～501.3 MJ，平均放热量为356.7 MJ;放热功率为14.2～27.9 kW，平均放熱功率为20.6 kW;平均放热时间为290 min;放热COP为3.4～6.7，平均放热COP为4.8;放热效率为34.1%～403.0%，平均放热效率111.1%，可维持室内外最大温差为31.1℃，可见，该系统具有较好的放热能力和能效比。

1月2日的放热量和放热功率均最大，分别为501.3 MJ 和27.9 kW，因为该日放热初始水温较高，水气温差较大，放热效率为80.1%，可见，夜间放热较完全。12月26日、12月29日等，放热效率大于100%，原因是当日日间收集的热量少，夜间释放的热量中包含前日未释放完全的热量，可见系统的放热过程具有可控性，可将多余的热量暂时储存在蓄热水池中，用于次日加温。

由于放热过程中，水气温差逐渐减小，最小水气温差为2.1℃（12月31日），远小于日间集热水气温差（大于4℃），因此，系统在夜间的放热功率及放热COP均小于日间。为了避免夜间放热过快，减缓蓄热水池水温的降低速率，提出了减少夜间用于放热的表冷器-风机数量的办法，该措施也能减少放热过程中的耗电量。

放热对室内温度的提升效果

为探究夜间系统运行对室内温度的提升效果，选取2019年12月26日～2020年1月2日的数据进行分析，由于12月27日夜间停电，系统未运行放热。

◆对室内气温的提升效果

如图3所示，12月26日～1月2日，夜间室外最低气温均低于-10℃，平均气温为-16.2～-9.5℃。夜间，利用系统进行放热，试验区室内气温较对照区平均高2.1℃，最高为 2.6℃，可维持室内外最大温差为31.3℃。根据基础条件测定可知，系统未运行期间的夜间，试验区室内平均气温较对照区低1.4℃，可见，表冷器-风机集放热系统对室内空气的加温效果显著，能将室内气温提升3.0℃以上。

系统放热过程中，放热初期由于水气温差较大，放热功率大于大棚的热损失，室内气温呈现快速上升的趋势;随着气温的上升和水温的降低，放热功率逐渐减小到约等于大棚的热损失，室内气温趋于稳定;随着水温的持续降低，水气温差逐渐减小，放热功率减小，室内气温随之缓慢下降。如12月28日，保温被关闭后，室内气温逐渐下降，3：00左右试验区室内气温为10.5℃， 系统运行开始放热，试验区室内气温快速上升，4：00左右达到12.6℃后趋于稳定，直至7：00左右，试验区室内气温以0.3℃/h的速度缓慢下降，7：20 左右系统停止运行，放热期间，约有70%的时间室内气温维持稳定。说明表冷器-风机集放热系统在放热过程中，具有稳定室内气温的潜力，维持室内气温稳定的主要因素是水气温差，可通过增大蓄水量来减缓水温下降速率，从而稳定放热过程中的水气温差。

12月29日为阴天，日间系统未进行集热，2：00左右开始放热时，试验区气温较对照区低0.8℃，随后试验区气温逐渐上升至10.6℃后趋于稳定，5：00左右缓慢下降;对照区气温持续下降。放热结束后，试验区气温较对照区高1.2℃。说明表冷器-风机集放热系统在阴天的情况下，也能释放热量对大棚进行加温，系统具有抵抗阴天的能力。

综上所述，表冷器-风机集放热系统在放热过程中，对室内气温具有较好的提升效果，可将室内最低气温提高3.0℃以上，且能使气温持续稳定。除此，该系统还具有抵抗阴天的潜力。

◆对土壤温度的提升效果

为探究表冷器-风机集放热系统对土温的提升效果，比较了试验区与对照区不同位置的土壤温度变化，如图4所示。根据基础土温测试，未运行系统放热期间，试验区土温较对照区平均低 1.0℃以上。

夜间，试验区与对照区的土温均缓慢下降，系统运行放热后，试验区土温趋于稳定，对照区土温持续缓慢下降。如图4a，12月26日，保温被关闭后，试验区与对照区垄沟表面土温分别以0.24℃/h和0.33℃/h的平均速率下降，对照区土温下降速率较试验区快，原因是当土温高于气温，土壤便向空气中释放热量，对照区土温更高，向空气中释放热量更快。12月27日2：00左右，试验区垄沟表面土温较对照区低0.4℃，系统开始放热，试验区垄沟表面土温上升并稳定在13.5℃，至7：30左右系统停止放热，试验区垄沟表面土温较对照区高0.3℃。可见表冷器-风机集放热系统对室内土壤有一定的升温效果。

比较不同深度土壤温度的变化，如图4b和图4c，相比于放热开始时，放热结束后试验区与对照区垄顶表面的土壤温差平均减少0.7℃，垄深10 cm处土壤温差平均减少0.4℃，可见，系统放热过程对垄顶表面处土壤的影响较垄深10 cm处大。

由于表冷器-风机集放热系统主要通过提升室内的气温，以减少土壤向空气的放热量，从而稳定土壤温度，因此，与空气温度的提升效果相比，土壤温度的提升效果不明显，但通过系统长期放热，试验区基础土温不断升高，与对照区温差逐渐减小。12月26日，系统开始放热时，试验区垄沟表面、垄顶表面和垄深10 cm的土壤温度分别较对照区低0.4、1.3℃和1.3℃，一段時间后，1月1日，放热开始时，试验区垄沟表面、垄顶表面和垄深10 cm的土壤温度分别较对照区低0.2、0.8℃和0.9℃。可见，长期使用表冷器-风机集放热系统进行放热可以提高室内土壤的基础土温。

综上所述，表冷器-风机集放热系统对室内土壤温度具有一定的提升效果，可将土壤表面最低温提升1℃左右，且对垄顶表面土壤温度的提升效果较垄深10 cm处明显，长期利用系统在夜间进行放热，可提高土壤的基础温度。

不同放热方式对系统放热性能的影响

◆减少放热表冷器-风机的数量

根据前面的分析可知，系统在夜间放热过快会导致气温快速上升，致使室内热损失增大，且水气温差迅速减小，系统放热性能下降，不利于系统的节能。因此，提出减少夜间用于放热的表冷器-风机数量的方式来提升系统的放热性能。

如表1，2019年12月26日～2020年1月2日使用全部表冷器-风机（15台）进行放热;1月3～11日使用一半表冷器-风机（8 台）进行放热。12月26日～1月2日平均放热量为389.1 MJ，平均放热功率为21.8 kW，平均放热COP为4.3;1月3～11日平均放热量为328.4 MJ，平均放热功率为19.5 kW，平均放热COP为5.3。可见，减少放热的表冷器-风机数量，放热量与放热功率会随之减小，但系统的放热COP增大，能效比更高。

如图5，选取2019年12月27日与2020年1月9日的数据，比较采用不同数量的表冷器-风机进行放热对室气温的影响。两日的蓄热水池蓄水量、放热初始水温、放热时间及放热期间室外平均气温分别是25.8 m3和25.8 m3、18.1℃和18.3℃、330 min和330 min，-11.7℃和-12.6℃，条件基本一致。12月26日，放热开始时，试验区气温较对照区低0.9℃，放热结束后试验区气温较对照区高1.9℃;1月9日，放热开始时，试验区气温较对照区低0.4℃，放热结束后试验区气温较对照区高2.1℃。可见，减少一半表冷器-风机数量进行放热，不影响对室内气温的提升效果，分析原因如下：①减少表冷器-风机数量，导致开始放热时放热功率更小，气温上升速率和水温下降速率减缓，有利于维持较高的水气温差，两日的平均水气温差分别是3.6℃和5.0℃;②水流流量相同情况下，表冷器-风机数量越少，水流速度越大，两日的水流速度分别是1.2 m/s和2.2 m/s。因此，单台表冷器-风机的放热功率更大，经计算，两日单台表冷器-风机平均放热功率分别为1.5 kW和2.2 kW。

综上所述，夜间放热的表冷器-风机数量过多时，会降低单台表冷器-风机的放热功率，且耗费更多的电能，降低放热COP，因此，实际运行中需要配置合适数量的表冷器-风机进行放热。

◆缩短放热时长

根据已有的研究表明，作物在一天内不同时间段需要的温度不同，夜间适当的低温条件可抑制作物的呼吸作用，但在无加温设备的外保温塑料大棚中，后半夜室内气温往往低于作物生长发育所需的温度;且在早晨保温被开启后室内气温降到最低，不利于作物的光合作用。为此，提出利用表冷器-风机集放热系统在早晨保温被开启前进行放热，既能满足作物生长需求，也可以达到节约热量的目的。

选取2019年12月18～19日和2020年1月17～18日夜间系统进行放热的数据进行对比分析，结果如表2所示。12月18～19日保证室内气温高于8℃的前提下，在保温被开启前2 h左右进行放热，放热功率和放热COP分别为37.2～38.4 kW和7.1～7.4;其放热功率和放热COP均高于1月17～18日。可见，适当缩短表冷器-风机夜间放热的时间，可提高系统的放热能力和能效比。

图6所示为2020年1月18～20日气温、水温与太阳辐射照度的变化。1月18日日间为阴天未进行集热，1月19日5：00左右开始放热，放热时水温为14.8℃，试验区气温为9.3℃，较对照区低0.8℃，结束放热后水温降到13.0℃，试验区气温为11.2℃，较对照区高1.6℃;1月19日日间为多云天气，日间仅集热1 h，1月20日5：00左右开始放热，水温为14.2℃，室内气温为9.2℃，较对照区低0.8℃，结束放热后水温降到12.6℃，室内气温为11.0℃，较对照区高1.4℃。上述结果进一步说明了表冷器-风机集放热系统具有抵抗连续阴天的能力，在连续阴天情况下，缩短系统夜间放热时间，在保温被开启前进行放热，对室内最低气温具有显著的提升效果。

综上所述，适当缩短表冷器-风机夜间放热的时长，可提高系统的放热能力和节能效率;连续阴天情况下，在保温被开启前的早晨阶段进行放热，既能满足作物生长需求也能节约热量、降低耗电量，提高系统的能效比。

系统放热方式的优化

影响表冷器-风机集放热系统放热能力的主要因素，与集热能力一样，主要包括水气温差和水流速度。为了保证系统在日间收集充足的热量，需要增大水气温差和水流速度来提高系统的集热能力，同时也提升了系统的放热能力，但由于集热结束后，蓄热水池中储存的热量有限，开始放热时，系统放热功率过大，会导致前期放热过快、后期热量不足，后期放热功率降低、系统放热COP下降。因此，在保证日间集热所需蓄热水池有效容积以及水流速度的前提下，可以通过优化系统的放热方式来改善放热性能。

日间集热所需的表冷器风机数量多于夜间放热所需，如果采用全部数量的表冷器-风机进行放热，会出现以下情况：①前期热量集中釋放，后期热量不足;②系统放热过快，室内气温快速上升，室内热量损失增大;③气温上升较快，水气温差减小，系统放热性能降低。因此，通过减少用于夜间放热表冷器-风机的数量，既能减缓室内气温上升速度，减少热量损失;又能在水流量一定的情况下增大表冷器-风机中的水流速度，提升单台表冷器-风机的放热性能;还能减少放热过程中的耗电量，提高系统的节能性能。

在放热过程后期，由于水气温差的减小，系统的放热性能逐渐降低。根据作物在不同的时间段内对温度的需求不同，夜间适当降低室内气温有助于抑制呼吸作用，因此，在保证作物生长最低温需求的前提下，在早晨保温被开启前进行放热，既能满足作物生长需求又能节约热量、降低耗电量。

结论

在内蒙古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-风机集放热系统放热性能的试验，分析了系统的放热性能及对室内温度的提升效果，并探究了不同放热方式下系统的放热性能，得出以下主要结论：

（1）表冷器-风机集放热系统具有较好的放热能力及能效比。2019年12月26日～2020年1月11日，系统的放热量为214.9～501.3 MJ，平均

放热量为356.7 MJ;放热功率为14.2～27.9 kW，平均放热功率为20.6 kW;放热COP为3.4～6.7，平均放热COP为4.8;放热效率为34.1%～403.0%，平均放热效率111.1%，可维持室内外最大温差为31.1℃。

（2）表冷器-风机集放热系统对室内温度具有显著的提升效果。运行系统放热，可将室内最低气温提升3.0℃以上，土壤表面最低温度提升1.0℃左右;长期利用系统在夜间进行放热，可提高土壤的基础温度。

（3）不同放热方式下系统的放热性能存在差异，适当减少表冷器-风机数量以及缩短夜间放热时长，有利于提高系统的放热性能。

*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，主要研究方向为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（下）[J].农业工程技术，2020，40（16）：50-56.