温室用地埋管与空气源热泵系统运行特性研究

鲍玲玲,耿杰雯,朱淑静,李仁星,董珊珊

(1.河北工程大学 能源与环境工程学院,河北 邯郸 056038;2.天普新能源科技有限公司,北京 100000)

0 引言

我国作为农业大国之一,由于人口增长与物质生活水平的提高,日益增长的农业生产资料消耗导致农业成为人类温室气体排放的主要渠道之一,其温室气体排放量约占世界温室气体排放总量的1/4[1]。因此,开发清洁能源替代化石能源,减少温室气体排放量,将是农业发展的新趋势[2]。目前,农业广泛应用的日光温室具有集热保温的特性[3],能收集太阳辐射能并转化为热能改变内部温度,改善夏季高温、冬季低温现象。夏季最高室温达60℃,冬季最低室温为-5℃,易造成植物损伤[4]。根据节能减排的趋势要求及温室集热特点,以北京某温室为研究对象,采用地埋管与空气源热泵相结合的能源供给方式,利用土壤季节性蓄热技术,将夏季产出热量移至冬季采暖使用。同时,利用DeST-h建立温室模型,得出温室全年负荷变化特点及热量需求规律,为验证模拟结果,进行1年的实验测试,探究温室用地埋管与空气源热泵复合式系统运行特性,为温室降温、采暖运行模式提供参考。

1 地埋管与空气源热泵系统

由于温室夏季产出热量高于冬季采暖需求热量[5],建立了地埋管与空气源热泵复合式系统,通过土壤蓄热技术,将温室夏季多余热量移至冬季采暖使用。系统主要使用太阳能、地热能及空气能等清洁能源,减少化石能源输入,有利于节能环保,其流程图如图1所示。

1.分布式光纤测温仪 2.风机盘管 3.日光温室 4.数字温度计 5.数字测温开关 6.风盘侧循环泵 7.保温蓄热水箱 8.水箱内置温度计 9.阀门A 10.空气源热泵 11.阀门B 12.地埋侧循环泵 13.地埋管 14.光纤测温点图1 地埋管与空气源热泵复合系统流程图Fig.1 Flow chart of combined system of buried pipe and air source heat pump

由图1可知:系统主要由风机盘管、地埋管、地埋侧循环泵、保温蓄热水箱、风盘侧循环泵及空气源热泵等设备构成,分为地埋管直供和空气源热泵辅助供热两部分。设置室内温度为10～30℃,当室温低于10℃或高于30℃时,开阀门A、关阀门B,运行地埋管直供部分;若调节后室温低于8℃或高于33℃,关阀门A、开阀门B,开启空气源热泵辅助调节。

为验证系统运行效果的可靠性,分别在系统不同位置安装测温点。图2为实验测试仪器数字温度计、数字测温开关及分布式光纤测温仪[6]。数字温度计监测室内温度,测温范围为-30～70℃,分辨率为0.1℃,精度为±0.5℃,记录间隔为1min;分布式光纤测温仪监测地埋管周围土壤温度,测温范围为-50°～350℃,分辨率为0.1℃,精度为±0.5℃,记录间隔为5s,测温距离为4km;数字测温开关控制地埋侧循环泵与风盘侧循环泵运行。

图2 数字温度计、数字测温开关、分布式光纤测温仪Fig.2 Digital thermometer, digital thermometer switch, distributed optical fiber thermometer

2 温室全年负荷计算模型

2.1 建立温室模型

DeST-h软件用于建筑热特性的影响因素分析、建筑热特性指标的计算、建筑的全年动态负荷计算等[7]。本文选用DeST-h进行温室全年动态负荷模拟,通过分析负荷及温度变化规律,为探究地埋管与空气源热泵复合式系统运行特性提供参考。

研究对象为北京市某典型日光温室,长为42m,宽为13m,高为5.5m,方位角为8°,覆盖材料为聚乙烯塑料薄膜。设置室内通风次数为0.8次/h,人员、设备、照明的最大功率分别为106、40、13W。DeST-h绘制温室模型如图3所示。

图3 DeST-h绘制温室模型Fig.3 DeST-h plotting greenhouse model

根据常见蔬菜的生长需求温度,当室温在5°～35℃时,不会造成损害[8]。在DeST-h中,设定室温为10°～30℃,当室温低于8℃或高于33℃时,开启空调。温室建造严格按照DB11 T 291-2005《北京市日光温室建造规范》,热工参数参考JGJ 26-2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》,热工性能参数设置如表1所示。

表1 温室热工性能参数Table 1 Greenhouse thermal performance parameters

2.2 模拟数据分析

图4为北京典型年气象参数下温室全年冷、热负荷与太阳辐射强度变化曲线。由图4(a)可知:温室逐时单位面积负荷变化受太阳辐射强度的直接影响;夏季太阳辐射强度较高,冷负荷绝对值较大;冬季太阳辐射值较低,热负荷值较大。

图4 温室冷热负荷变化及太阳辐射强度Fig.4 Changes of cold and heat load and solar radiation intensity in Greenhouse

1月份为热负荷最大月份,最大值为130.18W/m2;7月份为冷负荷绝对值最大月份,最大值为235.82W/m2;最大冷负荷绝对值大于最大热负荷值。

由图4(b)可知:温室全年产出热、冷负荷值分别为61601.33kW与77015.57kW,热负荷、冷负荷分别占总负荷的44.44%与55.56%;温室全年可产出冷负荷大于热负荷,将夏季多余热量移至冬季采暖使用,理论上能满足采暖的热量需求。

图5为全年逐时模拟室温变化曲线。

图5 逐时模拟室温变化Fig.5 Hourly simulation of room temperature change

由图5可知:设定室温在10～30℃之间。全年室温变化呈先增大后减小趋势,11月初-3月中旬,多数日期最低室温小于10℃,最高室温小于30℃,温室需要供热;5月初-9月底期间,多数日期最低温度大于10℃,最高室温大于30℃,温室需要制冷;其余时间段内,室温主要在5～35℃之间波动,不会对植物造成损伤,系统多处于停滞状态,只有出现夜间低温或白天高温现象时才开启系统调节温度。

图6为1月与7月温室逐时负荷变化。由图6(a)可知:晴朗日10:00-16:00温室热负荷值较低,16:00-次日10:00热负荷值呈先增加后减小趋势,最大值出现在7:00;非晴朗日热负荷值相对较高,温室需全天供暖。由图6(b)可知:晴朗日时0:00-8:00间冷负荷绝对值较低,8:00-24:00冷负荷绝对值呈先增大后减小趋势,最大冷负荷绝对值受墙体蓄热影响出现在16:00;非晴朗日时冷负荷绝对值相对较低,可减少制冷时间或者停止制冷。

图6 1月与7月温室逐时负荷变化Fig.6 Hourly load change of greenhousein January and July

3 实验测试及数据分析

为探究地埋管与空气源热泵复合系统的运行特性,选用同一园区内3栋建设相同的日光温室进行实验,分别编号为1#、2#、3#。各温室系统配置情况如表2所示。

表2 温室内系统配置及设备参数Table 2 System configuration and equipment parameters in Greenhouse

图7为7月中旬连续5日温度变化曲线。由图7可知:1#、2#、3#室温与环境温度变化趋势相同,白天较高,夜间较低。3#室温在23.4～41.3℃之间,晴朗日10:00-24:00室温持续高于30℃,易造成植物高温损伤,需进行降温;0:00-次日10:00室温在23～30℃之间,不影响植物生长。2#温室通过蓄存内部热量进行降温,最高可降5.7℃;遇高温天气时,降温后为38.2℃,存在安全隐患。1#温室首先通过地埋管直供降温,若室温仍高于33℃,开启空气源热泵;1#室温最高为33.51℃,可保障植物安全生长。

图7 7月中旬连续5日1#、2#、3#室温变化Fig.7 Changes of room temperature of 1#, 2#, 3# and ambient temperature on 5 consecutive days in mid-July

图8为9月底～10月中旬3#室温变化曲线。由图8可知:3#室温整体呈下降趋势,10月前多数日期最高室温大于30℃,需运行系统降温;10月后由于环境温度下降及太阳辐射强度降低,造成室温下降速率增加,室温在12.8～32℃间波动,符合植物的生长温度需求。

图8 9月底-10月中旬3#室温变化Fig.8 3 # Room Temperature Change from the End of September to the Mid-October

图9为11月初连续5日3#室温变化曲线。由图9可知:11月初时,3#室温变化与环境温度变化趋势相同,白天温度较适宜,夜间温度较低。环境温度夜间温度最低在1.8℃,3#温室由于塑料薄膜集热保温特性及墙体短期蓄热影响,室温夜间最低为9.1℃,白天最高为31.5℃。此时室温适宜植物生长,无需设备运行。

图9 11月初连续5日3#室温与环境温度变化Fig.9 Changes of 3 # room temperature and ambient temperature for 5 consecutive days in early November

由图8与图9可知:9月底-11月初为温室供能的过渡期,3#室温多数日期能够维持在9.1°～32℃,系统多处于停滞状态,仅当特殊天气出现时开启使用,调节室温。11月初后,随着环境温度及太阳辐射强度降低,夜间室温持续下将,为维持合理室温,需进行温室采暖。

图10为11月中旬-12月中旬早7:00温度变化曲线。

图10 11月中旬-12月中旬2#室温与环境温度变化Fig. 10 Changes of 2# room temperature and ambient temperature from mid-November to mid-December

由图10可知:2#室温与环境温度呈下降趋势,但2#室温变化较为平缓,说明地埋管直供采暖方式能缓解环境温度急速下降造成的室温波动。在采暖初期1个月时间内,当环境温度在-5℃以上时,2#温室单纯依靠地埋管直供采暖,室温维持在8.9°～15.1℃之间。可见,采暖初期可优先取用土壤蓄存热量进行供暖,减少能源消耗量。随着室外环境温度继续降低,采暖需求热量增加,土壤取热难度增大,单纯依靠地埋管直供部分进行采暖的可行性降低,后续需开启空气源热泵采暖。

图11为1月份连续5日1#、2#、3#室温变化曲线。由图11可知:3#室温在-0.5～11.2℃间波动,夜间温度较低,易造成植物冻害;2#室温维持在5.1～16.2℃之间,不会造成植物冻害,但白天温度较低,不利于植物生长;1#温室在晴朗日12:00-16:00间室温在15～22℃之间,不需要开启设备供暖,17:00-次日12:00间,夜间最低为12.2℃,有助于植物安全生长。

图11 1月中下旬1#、2#、3#室温变化Fig.11 Changes of 1#, 2# and 3# room temperature in mid-late November

图12为3月中旬1#与3#室温变化曲线。

由图12可知:3月11日-3月20日期间,3#室温整体呈缓慢上升趋势,温室的昼夜温差变化较大,白天最高温度为30.3℃,夜间最低温度为1.8℃;1#与3#曲线的白天温度基本重合,夜间温度差异逐渐减少,说明温室白天不进行供暖,夜间供暖强度逐渐减小。3月中旬后,温室逐渐暂停供暖。

由图10～图12可看出:温室在11月中旬-3月中旬为温室的采暖期,首先通过地埋管直供部分提取土壤中的热量进行供暖,约能满足1个月左右的供暖热量;后续伴随环境温度的降低,土壤取热难度增大,温室需采用空气源热泵与地埋管联合运行。采暖期内室温维持在12.2～30.3℃之间,适应植物生长。

图13为5月1日-5月15日3#室温变化曲线。由图13可知:进入5月份后,3#温室内温度逐渐升高,夜间最低为12℃,白天最高达37℃,为避免高温对于植物的损害,将温室多余热量储存于土壤,进行降温。5月份后,温室开始进入蓄热期。

图13 5月上旬3#室温变化Fig.13 Change of 3# Room Temperature Curve in Early May

1年的实验测试分析表明:5月初-9月底为蓄热期,系统为温室制冷;11月初-3月中旬为采暖期,系统为温室供热;其余时间段为过渡期,系统多处于停滞状态,只有当白天高温或夜间低温出现时,才调节室内温度。地埋管与空气源热泵复合式系统能够使室温维持在8.9～33.51℃之间,可满足植物生长温度需求。

4 结论

1)采用地埋管与空气源热泵复合式系统,调节温室温度变化。

2)通过DeST-h建立温室模型,计算出温室全年产出冷负荷大于热负荷,可满足季节性热量转移利用的平衡要求,并通过模拟室温变化得出系统在温室中的运行规律。

3)通过实验分析3个室温的变化,对模拟结果进行验证,结果表明:温室在5月初-9月底期间为蓄热期,系统为温室供冷;11月初-3月中旬为供暖期,系统为温室供热;其余时间段为过渡期,系统多处于停滞状态,只是当白天高温或夜间低温时才开启使用。

4)地埋管与空气源热泵复合系统使室温在8.9～33.51℃之间,可使植物安全生长。