表冷器-热泵联合集热系统的优化及可用能分析

宋卫堂，耿 若，王平智，刘平建，宗成骥

表冷器-热泵联合集热系统的优化及可用能分析

宋卫堂1,2，耿 若1，王平智1,2，刘平建3，宗成骥1

（1. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2. 农业农村部设施农业工程重点实验室，北京 100083；3. 曹县百草庄园农业开发有限公司，菏泽 274400）

为进一步提升表冷器-热泵联合集热系统的放热性能，并为系统进行节能优化提出方向和途径建议，首先计算了储热池优化水温42℃目标下的实际蓄水量，试验并分析了蓄水量的减少对系统集放热性能的影响；在此基础上，进行了两种集热方式、一种放热方式的可用能分析，进一步明确了系统在3种运行方式时可用能损失的主要位置和原因；最后，提出了表冷器-热泵联合集热系统主要工作部件节能优化的建议。试验结果表明：优化蓄水量为8.4 m3的条件下，系统的放热功率和放热性能系数分别为27.1 kW和6.2，提升了33.5%和37.8%，放热性能提升显著。可用能分析表明，水泵的可用能效率最高，最高可达98.8%；表冷器-风机的可用能效率在表冷器-风机集热方式、热泵与表冷器-风机联合集热方式、放热模式下分别为89.3%、87.8%、60.1%，传热温差造成的不可逆损失是放热模式下效率较低的原因；热泵机组可用能效率最低，仅为46.4%，是后续系统节能优化的重点。该研究为优化提升主动集放热系统的节能性，提供了方向指导和解决新思路。

温室；表冷器-热泵；优化；可用能分析

0 引 言

温室是一种重要的蔬菜跨季节生产设施[1-2]。温度是温室中光照、温度、湿度、CO2浓度、气流等因素中直接影响作物生长与生育期的环境因素[3-4]，其高低状况往往成为温室生产成败的关键[5-6]。因此，冬季夜间增温一直是温室温度环境调控技术的研究热点。

水具有比热容大、流动性强、来源广等特点[7-8]，适合用作传热或储热介质，因此，常被用来作为主动蓄放热系统的传热和储热介质进行太阳能的收集、存储[9-15]。此类系统的能量利用评价参数主要是性能系数[16]（Coefficient of Performance，COP）。

宋卫堂团队[17-20]基于集热与储热分离的思想[21]，将热泵加入集放热系统，实现热量的收集、转移和储存同时进行，形成表冷器-热泵联合集热系统。构建了可以在不同类型、不同规格的园艺设施中应用的该系统设计计算方法[22]；并通过在一无蓄热后墙日光温室的现场试验，探究了该系统三种集热模式下的集热性能[21]，证明其显著提升了原表冷器-风机主动集放热系统的集热能力。但现场试验中发现，依据设计方法[22]在选取储热池水温变化幅度为12 ℃的基础上得到的储热池蓄水量（17 m3），造成了白天储热池水温不高使得夜间放热时水气温差不大，放热COP偏小的问题。

宋卫堂等[23]已经证明了提高放热初始水温高可有效提升表冷器-风机主动集放热系统的放热性能，由此考虑采用减小储热池实际蓄水量的优化方案来提升放热初始水温。在表冷器-热泵联合集热模式[21]下，热量边收集边通过热泵由集热池向储热池转移，从而可以在储热池蓄水量减小的情况下提高储热池水温。热泵参与时，储热池水温也并非越高越好，孙维拓等[24]建议在一般温室加温中，热泵的热汇侧水温以42 ℃左右为宜。否则，过高的水温会影响到整个系统的稳定性。

以COP为主要指标的评价方式，可以非常有效地反映出系统能源利用在数量上的变化，但无法反映出能量在质量上的损失[25-26]，即评价可用能变成废热的不可逆损失程度。对于利用太阳辐射能进行集放热的系统，国内外许多学者都采用过后者的评价方法[26-28]，即基于热力学第二定律的可用能平衡分析法。可用能分析方法可以明确可用能发生损失的具体位置[24]和主要原因，并以此为依据提出系统进一步优化的方式。对于利用空气热能的系统，尚未见采取此评价方法的报道。

因此，为提升表冷器-热泵联合集热系统的放热性能并为系统的节能优化提出建议，本研究首先采用文献[22]中的设计方法计算储热池目标水温下的实际蓄水量，并试验分析蓄水量的改变对系统集放热性能的影响；然后分别进行两种集热方式、一种放热方式的可用能分析，明确可用能损失发生的主要位置及原因；在此基础上，提出表冷器-热泵联合集热系统主要工作部件节能优化的建议，以期为主动集放热系统的节能性能提升提供新思路。

1 试验系统设计

1.1 试验温室

试验地点在山东省菏泽市曹县(34.4°N,115.3°E)。试验温室东西走向，跨度10 m，长度50 m。温室骨架材质为镀锌钢管，北墙材质为130 mm聚苯乙烯发泡板，前屋面覆盖单层0.1 mm PO塑料薄膜，外侧覆盖针刺毡棉被。试验期间，室内土壤栽培黄瓜。

1.2 系统组成及运行方式

表冷器-热泵联合集热系统主要包括表冷器-风机、热泵机组、集热池潜水泵、集热池、储热池、储热池潜水泵、三通阀7部分[22]。系统的工作过程主要包括集热和放热，其集热运行方式有2种：表冷器-风机集热和热泵与表冷器-风机联合集热[21]。放热运行方式仅有一种，即表冷器-风机放热。具体工作过程见文献[21]“系统工作原理”部分。

1.3 系统优化

在文献[22]中的设计实例中，储热池体积是在选取储热池水温变化幅度为12 ℃的基础上计算得到。现优化的目标水温为42 ℃，假设放热时水温由42 ℃下降至18 ℃，取变化幅度24 ℃，利用原设计方法计算储热池蓄水量。

由

式中∆2,sup为放热阶段储热池水温变化幅度，取24 ℃；sup为总放热量，取温室需热量842.3 MJ[22]；2为储热池实际蓄水量，m³；c为水的平均定压比热容，取4.2 kJ/(kg·℃)；ρ为水的平均密度，取1 000 kg/m³。

得到2=8.4 m3

1.4 系统放热运行策略

北方日光温室黄瓜优质栽培中对夜间温度的要求为15～20 ℃[29-30]。据此，在原系统[21]的运行策略基础上制定了优化后系统的集放热运行策略。

白天，当室内气温达到28 ℃时，开启表冷器-热泵联合集热方式进行集热；当气温低于27 ℃或水温高于42 ℃时，关闭系统停止集热。

夜间，当室内气温低于15 ℃且低于水温4 ℃时，开启表冷器-风机进行放热；当气温升高至20 ℃，或水气温差小于2 ℃时，关闭系统停止放热。

2 试验方法

2.1 测试仪器与测点布置

为对表冷器-热泵联合集热系统的主要设备进行可用能分析，需要采集各设备进出口处工质的状态参数（质量流量、温度、压力）等。室外布置气象站采集光照强度、温度、湿度、风速和大气压力等参数。室内，在图1中所标出的节点及水池A～G处，通过预埋在管道中的PT100及压力传感器测量节点处的水温及压力，其中C和H为水池内部水温，代表了水泵的进水口水温，通过PT100进行测量。水池液位通过液位传感器测量（测量范围为0～200 m H2O，测量精度为0.2%FS）；循环水流量由装在循环管路中的LDG-SUP型电磁流量计（杭州联测自动化技术有限公司，测量范围为2.2～22 m3/h，测量精度为0.5级）测量；与设备连接的三相导轨智能电表（DB194S型，测量精度为1级）则可获得输入设备的功率及电能消耗。所有仪器设备的自动采集数据时间步长为5 min。

注：A～G为采样点。

2.2 系统性能评价方法

当系统作为集热系统时，其集热性能系数应为系统集热量与集热阶段系统耗电量的比值；反之作为放热系统时，放热性能系数应为系统供热量与放热阶段耗电量的比值。在该研究中，系统的集热量和供热量代表储热池可收集和释放出的热量，故而系统的集、供热量可根据储热池中水温变化进行估算。因此系统的集热量、供热量、平均放热功率、集热性能系数、放热性能系数及总性能系数可由以下公式计算。

式中Q为系统的集热量，kJ；2为储热池实际蓄水量，m³；we,c为集热过程结束时储热池水温，℃；ws,c为集热过程开始时储热池水温，℃；Q为系统供应的热量，kJ；we,r为放热过程结束时储热池水温，℃；ws,r为放热过程开始时储热池水温，℃；φ为系统的放热功率，kW；t为放热时长，h；COPc为系统的集热性能系数；E为集热期间系统的耗电量，kW·h；COP为系统的放热性能系数；E为放热期间系统的耗电量，kW·h；COPal为系统的总性能系数。

2.3 系统可用能分析模型

可用能分析的研究核心在于热力过程中的不可逆性，它意味着能源利用的浪费[25]。可用能效率越小的设备其节能性越差，因此尽可能地减少可用能损失是提高能源使用效率的重要方法[26]。

对系统的热力学分析基于以下假设[26]: 1）所有能量过程均视为静态恒定流，同时忽略过程中动能及势能的变化；2）设备从外界吸热及对外作功，方向规定为正；3）忽略管道连接处的压力损失；4）环境状态参数为: 大气压力为0.1 MPa。

根据上述假设，利用能量平衡、热力学第二定律、可用能效率等，对表冷器-热泵联合集热系统进行热力学分析。

1）输入系统或设备的可用能为

式中in为输入设备的可用能，kJ；Q,in为设备在节点处吸收的热功率，kW；为设备在节点处的平

均吸热温度，K；0为环境温度，K；in为进入设备的工质的质量流量，kg /s；in为进入设备的工质的比可用能，kJ/kg；为设备运行时间，s。

2）设备输出的可用能为

式中out为设备输出的可用能，kJ；out为系统对外界作功的功率，kW；out为流出设备的工质的质量流量，kg/s；out为流出设备的工质的比可用能，kJ/kg。

3）可用能平衡方程为

式中E为热力过程中的可用能损失，kJ。

4）控制容积内工质可用能为

式中Ex为控制容积内工质的可用能，kJ；ex为控制容积内工质的比可用能，kJ/kg；为控制容积内工质的质量，kg；为控制容积内工质的比热力学能，kJ/kg；0为环境状态下工质的比热力学能，kJ/kg；为控制容积内以及流入或流出热力系的工质比熵，kJ/(kg·K)；0为环境状态下工质的比熵，kJ/(kg·K)；0为环境压力，Pa；为控制容积内工质的比容，m3/kg；0为环境状态下工质的比容，m3/kg，如工质不发生相变且温度变化不大，可忽略比容变化[24]。

5）热力过程节点处流动工质比可用能为

式中为流入或流出热力系的工质的比焓，kJ/kg；0为环境状态下工质的比焓，kJ/kg。

6）本系统中的工质（水）没有发生相变的情况，其比热力学能及比焓、熵值为：

式中T为储热池或循环管道中水的温度，K；v为水的比容，m3/kg；p为循环水的压力，Pa，c,w为水比热容，kJ/(kg·℃)。

7）可用能效率计算式为：

式中为系统及组件可用能效率。

可用能分析方法的基础是可用能平衡方程。根据上述可用能分析方法，对系统主要设备进行分析，输入设备的可用能in、输出设备的可用能out 及设备损失的可用能的计算平衡方程如表1所示。系统运行分为集热、保温和放热3个阶段。其中集热池未做保温处理，故而在保温阶段没有将集热池作为分析对象。本研究主要对这3个阶段各热力过程进行可用能分析，其中集热过程分为表冷器-风机集热方式和热泵与表冷器-风机联合集热方式。

3 结果与分析

3.1 系统集放热性能分析

选择典型晴天下，集热方式均为热泵与表冷器-风机联合集热的优化前（2021-12-21）及优化后（2021-12-30）的数据，进行集放热性能（表2）对比分析。

由表2可以看出，优化前，白天水温升高幅度为11.2 ℃，夜间水温降幅10.0 ℃；优化后，白天水温升高幅度为23.8 ℃，基本达到了预期变化值（24 ℃）；放热初始水温为38.4 ℃，较集热结束时的39.1 ℃，下降了0.7 ℃，这是由水池热传导散热引起的热量损失造成。放热时水温由38.4 ℃下降到13.8 ℃，降幅24.6 ℃，放热功率和放热性能系数（COP）分别为27.1 kW及6.2，较优化前的20.3 kW和4.5，分别提高了33.5%和37.8%。随着储热池水温的升高以及它与集热池水温的温差加大，热泵能效比会逐渐降低[24]，造成集热性能系数（COP）由优化前的3.2降低为优化后的2.9，降幅为9.4%。但集热、放热两个过程的总体性能系数COPal，从3.7升高到4.0，提高了8.1%。因此，优化措施提升了系统的放热性能以及总体性能。

表1 系统主要设备可用能平衡方程

注：m代表进入设备节点处的工质的质量流量，ex代表节点处流动工质的比可用能，T代表流动工质在节点处的平均温度，0代表环境温度，hc代表集热时长，rh代表放热时长，fc,hc代表表冷器-风机的集热功率，fc,rh代表表冷器-风机的放热功率，hp代表热泵机组的输入功率，wp,hc代表集热池水泵的输入功率，wp,hs代表储热池水泵的输入功率，hc,fin代表储热池集热终态时的可用能，kw,fin代表储热池保温终态时的可用能，in，out，E分别为设备输入输出可用能及损失。

Note:exstands for the specific exergy of the working medium at thenode,stands for the mass flow rate of the working medium entering thenode of the equipment,Tstands for the average temperature of the working medium at thenode, andstands for the ambient temperature,hcstands for length of time to collect heat,rhstands for length of time to heat release,fc,hcstands for heat collection power of fan-coil units,fc,rhstands for heat release power of fan-coil units,hpstands for input power of heat pump units,wp,hcstands for input power of water pump of heat collection pool,wp,hsstands for input power of water pump of heat storage pool,hc,finstands for available exergy in the final state of heat collection of heat storage pool,kw,finstands for available exergy in the final state of heat preservation of heat storage pool,in,out,Eare input, output available energy and loss of equipment.

表2 优化前后系统的集放热性能

注：COP 为性能系数，、、al分别为集热、放热和总体。

Note: COP is Coefficient of Performance,,, al are heat collection, heat release and overall.

此外，储热池蓄水量的减少也就意味着储热池体积的减少，这样可以减少储热池建造成本及其在温室的占地面积。

因此，减小储热池蓄水量的优化思路，对提升系统的集放热性能和经济性，都是有益的。

3.2 系统可用能分析

3.2.1 表冷器-风机集热方式

选取优化后晴天（2021-12-26）及多云天气（2022-01-02）的数据，进行表冷器-风机集热方式的可用能分析。

两天都采用表冷器-风机集热方式进行集热，室外平均气温0 ℃。蓄水量8.2 m3，平均集热时长1.8 h。根据前述计算公式、试验期间的测量数据等，计算得到系统各节点及工质的热力学参数均值，如表3所示。

根据公式（10）～（17），分别计算各设备的可用能损失、可用能效率，结果如表4所示。

表3 表冷器-风机集热方式下系统各节点热力学参数

表4 表冷器-风机集热方式下主要设备可用能分析结果

3.2.2 热泵与表冷器-风机联合集热方式

选取优化后晴天（2021-12-30）及多云天气（2021-12-27）的数据，进行热泵与表冷器-风机联合集热方式的可用能分析。

2 d都采用联合集热方式进行集热。室外平均气温1.8 ℃，蓄水量8.6 m3，平均集热时长4 h。根据前述计算公式、试验期间的测量数据等，计算得到系统各节点及工质的热力学参数均值，如表5所示。

表5 热泵与表冷器-风机联合集热方式下系统各节点热力学参数

根据公式（10）～（17），分别计算各设备的可用能损失、可用能效率，结果如表6所示。

3.2.3 放热模式

选取2021年12月30日的数据进行放热模式的可用能分析。

采用表冷器-风机模式进行放热。室外平均气温2.2℃。蓄水量8.3 m3，放热时长8.75 h。根据前述计算公式、试验期间的测量数据等，计算得到系统各节点及工质的热力学参数均值，如表7所示。

根据公式（10）～（17），分别计算各设备的可用能损失、可用能效率，结果如表8所示。

表6 热泵与表冷器-风机联合集热方式下主要设备可用能分析结果

表7 放热阶段系统各节点热力学参数

表8 放热阶段主要设备可用能分析结果

从表3～8可以看出，在所有的集放热过程中，可用能损失最高的设备为热泵机组，可用能效率仅为46.4%。由于未对热泵各组件进行分别测算，故无法针对压缩机、冷凝器和蒸发器分别得出具体的可用能损失，但在热泵的现场运行过程中发现，压缩机发热情况明显，原因可能是其一部分输入电功率转变为热量通过壳体散失；同时因为优化后的蓄水量减小，使得储热池即热泵的热汇侧（冷凝）温度升高，从而加大了冷凝压力，导致压缩机负荷变大，造成不可逆的可用能损失，最终表现出热泵的整体可用能效率较低。对此，可通过改进装备工艺、探索合适的冷凝温度、减少机械能、热能或电能损失来提高热泵机组的整体节能效果，从而提高其可用能效率。

在表冷器-风机集热方式、热泵与表冷器-风机联合集热方式、放热模式下，集放热装置——表冷器-风机的可用能效率分别为89.3%、87.8%、60.1%，两种集热方式的可用能效率相差不多，原因是在集热时，系统开启时的水气温差相差不大，只是联合集热方式时的水气温差总体略高于表冷器-风机集热方式。放热时，初始水温为38.4℃，初始气温为13.9℃，水气温差达24.5℃，较大的温差导致水和空气的对流换热过程中不可逆损失较大，因此出现了集放热过程水气温差与可用能效率呈负相关的情况。对此，可通过在放热时适当减小水流量以降低水流速度，减缓放热速度使换热过程缓慢稳定，达到减少可用能损失的目的。可以通过在水泵上加装变频装置来实现。

集热池和储热池水泵的可用能效率都比较高，表明水泵选型与系统较为匹配。在热泵与表冷器-风机联合集热方式下，储热池水泵的可用能效率最高（98.8%），集热池水泵的可用能效率最低（89.9%），其实际流量的变化也与可用能效率的变化保持一致。在联合集热时，集热池水泵的实测流量为11.4 m3/h，只有额定流量的75.7%，原因是在集热池水泵通向表冷器-风机的管路中，管路路径较长，且弯头和变径等管道配件较多，造成了较大的沿程管路阻力，水泵的可用能效率未达到理想水平。

从集热结束到开始放热的保温时间段内，储热池的可用能效率较高，分别为97.7%和97.1%。但仍有8.6和18.0 MJ的热量损失，并且集热结束时水温越高，其散热损失也越多，可用能效率也越低。为此，需要对储热池采取措施加强保温。

4 结 论

1）将储热池蓄水量优化为8.4 m3的条件下，表冷器-热泵联合集热系统的总集放热性能得到提升。优化后系统的集热性能系数虽比优化前降低了9.4%。但储热池放热初始水温得到提升，使得放热性能提升性显著，放热功率和放热性能系数分别为27.1 kW及6.2，提升了33.5%和37.8%，系统总性能系数由3.7提升到4.0。

2）可用能分析表明，水泵的可用能效率整体最高，具有较好的能源利用质量；不同运行模式下，表冷器-风机的可用能效率差异较大：表冷器-风机集热方式、热泵与表冷器-风机联合集热方式、放热模式下分别为89.3%、87.8%和60.1%，传热温差造成的不可逆损失是主要原因；热泵机组可用能效率最低，是未来系统节能优化的重点。

3）系统的可用能效率仍有进一步提升的空间。热泵机组可通过改进装备工艺、探索合适的冷凝温度、减少机械能、热能或电能损失来提高整体节能效果，从而提高其可用能效率；夜间放热阶段，通过减小水流量降低水流速度，减缓放热速度来提高表冷器-风机的可用能效率；储热池应加强保温，通过减少热量散失减少可用能损失。

[1] 宋磊，曹晏飞，王浩. 太阳能空气集放热系统在温室中的热性能研究[J]. 西北农林科技大学学报（自然科学版），2021，49(3)：118-128，137.

Song Lei, Cao Yanfei, Wang Hao. Thermal performance of a solar air collection and heat release system used in greenhouse[J]. Journal of Northwest A & F University (Natural Science Edition), 2021, 49(3): 118-128, 137. (in Chinese with English abstract)

[2] 闫冬梅，胡林，周长吉，等. 椭圆管单管拱架日光温室结构性能分析[J]. 农业工程学报，2022，38(5)：217-224.

Yan Dongmei, Hu Lin, Zhou Changji, et al. Analysis of the performance of the oval tube arch of singe-tube solar greenhouses[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(5): 217-224. (in Chinese with English abstract)

[3] 吴红霞. 温度对蔬菜栽培的影响[J]. 河北农业，2017(1)：23-24.

[4] 高立婷，戴思慧，李明，等. 基于作物与能耗的温室加温调控方法[J]. 中国农机化学报，2021，42(5)：49-54.

Gao Liting, Dai Sihui, Li Ming, et al. Control methods of heating in greenhouse based on crop and energy consumption[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2021, 42(5): 49-54. (in Chinese with English abstract)

[5] 骆乾亮，程瑞锋，张义，等. 日光温室主动蓄放热系统优化[J]. 农业工程学报，2020，36(17)：234-241.

Luo Qianliang, Cheng Ruifeng, Zhang Yi, et al. Optimization of active heat storage and release system in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(17): 234-241. (in Chinese with English abstract)

[6] 皇甫立群. 基于改进B样条神经网络-PID控制器的温室温度控制技术[J]. 中国农机化学报，2020，41(7)：68-74.

Huangfu Liqun. Temperature control technology of greenhouse based on improved B spline neural network-PID[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2020, 41(7): 68-74. (in Chinese with English abstract)

[7] 鲍恩财，曹晏飞，邹志荣，等. 节能日光温室蓄热技术研究进展[J]. 农业工程学报，2018，34(6)：1-14.

Bao Encai, Cao Yanfei, Zou Zhirong, et al. Research progress of thermal storage technology in energy-saving solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(6): 1-14. (in Chinese with English abstract)

[8] 李一明，李永玺，岳湘，等. 水介质节能日光温室蓄放热性能试验[J]. 沈阳农业大学学报，2021，52(3)：306-313.

Li Yiming, Li Yongxi, Yue Xiang, et al. Heat storage and release performance of water medium energy-saving solar greenhouse[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2021, 52(3): 306-313. (in Chinese with English abstract)

[9] 徐微微，马承伟，宋卫堂，等. 日光温室中空板水循环集放热系统设计与集热性能试验[J]. 农业机械学报，2018，49(7)：326-334.

Xu Weiwei, Ma Chengwei, Song Weitang, et al. Test on heat-collecting performance of solar heat collection and release system with water cycling inside hollow plates in chinese solar greenhouse[J]. Transactions of The Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(7): 326-334. (in Chinese with English abstract)

[10] Lu W, Zhang Y, Fang H, et al. Modelling and experimental verification of the thermal performance of an active solar heat storagerelease system in a Chinese solar greenhouse[J]. Biosystems Engineering, 2017, 160: 12-24.

[11] Zhou S, Zhang Y, Yang Q, et al. Performance of active heat storage-release unit assisted with a heat pump in a new type of Chinese solar greenhouse[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2016, 32(5): 641-650.

[12] 张义，杨其长，方慧. 日光温室水幕帘蓄放热系统增温效应试验研究[J]. 农业工程学报，2012，28(4)：188-193.

Zhang Yi, Yang Qichang, Fang Hui. Research on warming effect of water curtain system in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(4): 188-193. (in Chinese with English abstract)

[13] Fang H, Yang Q, Zhang Y, et al. Performance of a solar heat collection and release system for improving night temperature in a Chinese solar greenhouse[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2015, 31(2): 283-289.

[14] 刘圣勇，张杰，张百良，等. 太阳能蓄热系统提高温室地温的试验研究[J]. 太阳能学报，2003(4)：461-465.

Liu Shengyong, Zhang Jie, Zhang Bailiang, et al. Experimental study of solar thermal storage forincreasing the earth temperature of greenhouse[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2003(4): 461-465. (in Chinese with English abstract)

[15] Attar I, Farhat A. Efficiency evaluation of a solar water heating system applied to the greenhouse climate[J]. Solar Energy, 2015, 119: 212-224.

[16] Yang S, Rhee J Y. Utilization and performance evaluation of a surplus air heat pump system for greenhouse cooling and heating[J]. Applied Energy, 2013, 105: 244-251.

[17] 宋卫堂，王平智，肖自斌，等. 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[J]. 农业工程技术，2020，40(4)：38-48.

[18] 李明，耿若，宋卫堂，等. 外保温塑料大棚表冷器-风机集放热系统性能分析[J].农业机械学报，2020，51(10)：371-378.

Li Ming, Geng Ruo, Song Weitang, et al. Performances of thermal collecting and releasing system developed with fan-coil units in plastic tunnel covered with thermal blanket[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(10): 371-378. (in Chinese with English abstract)

[19] 宗成骥，王平智，陈先知，等. 寒潮天气表冷器-风机集放热系统对连栋大棚热湿环境的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(15)：214-221.

Zong Chengji, Wang Pingzhi, Chen Xianzhi, et al. Influences of air thermal energy utilization system with fan-coil units on the thermal and humid environment of multi-span tunnel in cold wave[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(15): 214-221. (in Chinese with English abstract)

[20] 何雪颖，王平智，李明，等. 基于响应面法的表冷器-风机集放热系统参数优化[J]. 农业机械学报，2020，51(12)：315-323.

He Xueying, Wang Pingzhi, Ling Ming, et al. Parameters optimization of greenhouse air-cooled condenser heat collection and release system by response surface method[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(12): 315-323. (in Chinese with English abstract)

[21] 宋卫堂，耿若，王建玉，等. 表冷器-热泵联合集热系统不同运行模式的集热性能[J]. 农业工程学报，2021，37(11)：230-238.

Song Weitang, Geng Ruo, Wang Jianyu, et al. Heat collection performance of different modes of fan-coil units-heat pump combined heat collection system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(11): 230-238. (in Chinese with English abstract)

[22] 宋卫堂，耿若，王建玉，等．表冷器-热泵联合集热系统的设计方法[J]. 农业工程学报，2021，37(21)：315-320.

Song Weitang, Geng Ruo, Wang Jianyu, et al. Design method of fan-coil units-heat pump combined heat collection system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 315-320. (in Chinese with English abstract)

[23] 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.

[24] 孙维拓，张义，杨其长，等. 温室主动蓄放热-热泵联合加温系统热力学分析[J]. 农业工程学报，2014，30(14)：179-188.

Sun Weituo, Zhang Yi, Yang Qichang, et al. Thermodynamic analysis of active heat storage-release associated with heat pump heating system in greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(14): 179-188. (in Chinese with English abstract)

[25] 柴立龙，马承伟，袁小艳，等. 基于Exergy研究的地源热泵降温系统性能分析[J]. 农业机械学报，2009，40(2)：146-150.

Chai Lilong, Ma Chengwei, Yuan Xiaoyan, et al. Performance analysis on ground source heat pump cooling system based on exergy research[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(2): 146-150. (in Chinese with English abstract)

[26] 郑荣进，庄麟，池清，等. 温室太阳能与地源热泵联合供暖系统热力学分析[J]. 农业机械学报，2013，44(4)：233-238，232.

Zheng Rongjin, Zhuang Lin, Chi Qing, et al. Thermodynamic analysis of solar-assisted ground source heat pump system[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(4): 233-238, 232. (in Chinese with English abstract)

[27] Hepbasli A. A comparative investigation of various greenhouse heating options using exergy analysis method[J]. Applied Energy, 2011, 88(12): 4411-4423.

[28] Nayak S, Tiwari G N. Energy and exergy analysis of photovoltaic/thermal integrated with a solar greenhouse[J] Energy and Buildings, 2008, 40(11): 2015-2021.

[29] 王彩平. 北方日光温室黄瓜栽培技术研究[J]. 种子科技，2019，37(8)：108.

[30] 王娟. 日光温室黄瓜优质高效栽培技术[J]. 现代农村科技，2020(5)：18.

Optimization and exergy analysis of fan-coil units-heat pump combined heat collection system

Song Weitang1,2, Geng Ruo1, Wang Pingzhi1,2, Liu Pingjian3, Zong Chengji1

(1.,,100083, C; 2.,,100083, C; 3.,274400,)

Many environmental factors have posed an important impact on crop growth in a greenhouse. Among them, the temperature is often the dominated factor in the greenhouse production. Water is also suitable for the medium of heat transfer or storage. Most research has been focused on the active heat collection and release system using water circulation and heat storage for nighttime warming in the greenhouse. A Fan-coil Units-Heat Pump Combined Heat Collection System (FUHPS) has been developed, where a heat pump has been added to the fan-coil units and heat storage pool for the heat collection (TSFU). A systematic investigation has been made to explore the performance under three modes of heat collection in different sizes of horticultural facilities. However, the water temperature of the storage tank cannot be raised by more than 12°C from the beginning to the end of the heat collection process in the field test. The reason was that the water temperature of the storage tank was not high enough to cause a small temperature difference between the water and gas during the heat release. As such, there was a relatively small Coefficient of Performance (COP) of heat release. Therefore, it is necessary to improve the heat release COP of the system. The initial water temperature of heat release can be expected to effectively improve the heat release performance of the TSFU. Furthermore, the heat release performance of the FUHPS with the same heat release mode can also be used to increase the initial water temperature of heat release. It is probable to reduce the actual water storage capacity of the heat storage pool. This study aims to improve the heat release performance of the FUHPS, and then further optimize the heat collection system. The actual water storage capacity was firstly calculated at the target water temperature. Secondly, an analysis was made to clarify the impact of water storage capacity on the heat release performance of the system. Thirdly, the exergy analysis was carried out under two kinds of heat collection modes and one kind of heat release mode, in order to determine the specific location and main reasons for the loss of exergy. Finally, optimization was proposed for each component of the FUHPS. The results show that the heat release power and COP of the optimized system were 27.1 kW and 6.2, respectively, which increased by 33.5% and 37.8% than before. The overall performance coefficient was also improved after optimization. The exergy analysis demonstrated that an excellent energy utilization quality was achieved in this case, indicating the highest exergy efficiency of the water pump. Specifically, the exergy efficiencies of the heat-collecting device and fan-coil units were 89.3%, 87.8%, and 60.1% under the fan-coil units’ heat collection mode, combined heat collection mode of fan-coil units+heat pump, and heat-releasing mode, respectively. In addition, some consideration was made for the irreversible loss caused by heat transfer temperature difference. Nevertheless, the lowest exergy efficiency was obtained in the heat pump unit, which was the key point of the energy-saving transformation of the system. This finding can provide a new idea to optimize and improve the performance of the active heat collection and release technology.

greenhouse; fan-coil units-heat pump; optimization; exergy analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.026

S625.4

A

1002-6819(2022)-15-0241-08

宋卫堂，耿若，王平智，等. 表冷器-热泵联合集热系统的优化及可用能分析[J]. 农业工程学报，2022，38(15)：241-248.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.026 http://www.tcsae.org

Song Weitang, Geng Ruo, Wang Pingzhi, et al. Optimization and exergy analysis of fan-coil units-heat pump combined heat collection system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(15): 241-248. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.026 http://www.tcsae.org

2022-04-30

2022-07-29

现代农业产业技术体系建设专项资金项目（CARS-23-D02）

宋卫堂，博士，教授，研究方向为设施园艺工程。Email：songchali@cau.edu.cn