多腔主动蓄放热系统优化设计与性能分析

桑 硕，程瑞锋，方 慧，张 义，王 超，于永会

（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081）

日光温室自21 世纪初开始在中国快速发展，已经成为中国北方地区重要的蔬菜生产设施，其建设面积已经超过100.1 万hm2[1]。日光温室的北墙，白天吸收太阳辐射热，降低温室温度的同时蓄积热量；夜晚再释放热量，为温室内部提升温度，北墙蓄放热功能是日光温室区别于其他类型温室的显著特征。

李天来等[2-4]通过温室试验总结了温室内热通量的日变化规律，发现温室的北墙部分热通量在上午10∶00到达峰值，不同部位的热通量变化基本相同。马承伟等[5]对北墙部分的墙体传热进行了模拟,发现北京地区在冬季夜间的温室墙体自然散热量约为0.3~1.0 MJ·m-2。这些研究表明，在冬季，白天日光温室内的热量是足够且超需求的，如能收集白天富余热量并转移到夜晚使用，可以显著提高温室的太阳能热利用效率。有多位学者在太阳能时空转换利用方面做了研究工作，如地中换热[6-12]、相变蓄热[13-18]等，由于农业投入成本的限制，目前研究成果在日光温室中尚未大面积应用。

主动蓄放热系统（active heat energy storage-release system,AHS），是一种利用温室内太阳能时空转换方法而研发的装备，陈紫光等[19]发现日光温室专用的多曲面槽式太阳能集热器在晴天情况下，集热效率可以达到56.7%，单位集热面积的日积累集热量可以达到6.2 MJ·m-2，该实验装置利用了透镜原理聚集太阳辐射，采集的热量不好储存，并且设备占地面积较大。因此，张义等[20]以温室北墙为依托，设计了水幕帘主动蓄放热系统，解决了空气集热器占地问题，该系统可以将作物根际温度提升1.6 ℃以上，使得种植的西红柿能够提前20 d 上市。在水幕帘的基础上，梁浩等[21-22]制作的双层水幕帘结构，增加了集热面积，将水媒主动蓄放热系统的集热效率提升到57.7%，但由于双层的设计导致成本增加，并且集热材料也无法长时间使用。因此，方慧等[23]将水幕帘的黑色塑料薄膜替换为金属膜，延长了使用寿命，对太阳能的有效热利用率提升到68%。周升等[24-25]评估了本阶段的主动蓄放热系统对大跨度温室的环境调控能力，发现夜间的温度相比对照最高提升3.1 ℃，并且降低了室内7%~10%的相对湿度，说明主动蓄放热系统除提升温室内温度外，还有降低相对湿度的作用。为提高金属膜主动蓄放热系统的集热效率，骆乾亮等[26-28]在金属膜的基础上，优化了同程供水的循环方式，并且将集热面板设计成翅片式铝合金条板，使得平均集热效率大幅提升，达到73.8%；但是由于集热板过水流量较小，累积集热量偏低，仍有较大改进空间。与此同时，徐微微等[29]设计的PC集热板腔体结构，大幅地增加了系统总流量，以建筑面积计算的平均集热量达到0.83 MJ·m-2。

为了进一步提高主动蓄放热系统的集热效率，同时改善该系统的耐久性，为主动蓄放热系统规模化应用提供保障。本研究经综合考量上述主动蓄放热系统中集热板结构的优缺点，设计了一种以铝合金为材料的多腔集热板，首先进行主动蓄放热系统集热板连接结构和流道设计优化，然后进行系统集成设计与加工制作，并在温室中对其进行性能测试，对其使用效果进行评价。

1 材料与方法

1.1 集热板腔体结构形状设计

经查阅文献与专利，集热器常用的腔体结构形状有4 种(图1a)，腔体形状决定了过水面积和材料用量。在腔体长宽一定的条件下，假设以1 mm 为腔体最薄处的壁厚计算，表1 是4 种结构的过水面积、材料面积（图1a 中实体部分面积，用来表征材料用量）以及过水面积与外壁面积之比。较大的过水面积可以保证腔体内部有充足的水流带走板面吸附的热量，较小的材料面积可以降低成本，两者之比越大，越能表征结构的高性价比。所以综合考虑，选择第4 种腔体作为集热板腔体的最终结构形状。

表1 集热板4种腔体结构截面参数对比Table 1 Comparison of the main parameters of the cross-section of the four cavity structures of the heat collection plate

图1 多腔式集热板腔体结构Figure 1 Cavity structure of multi-cavity heat collector plate

1.2 沿程损失与对流换热系数的计算

1.2.1 沿程损失计算 当水流流经一段非圆形的截面流体管道时，由于流体的黏性，壁面的粗糙程度，能量必然会有损失，其损失计算公式为：

式中：Hf为流体的沿程损失(m)；L为管道长度(m)；v为流体速度(m·s-1)；g为重力加速度，其值为9.81 m·s-2；α为沿程损失系数；Ac为槽道的介质流动截面积(m2)；P为润湿周长，即流体与槽道接触截面的长度(m)。

流体在管道内流动时需要区分层流或湍流：

式中：Re为流体在腔体内流动时的雷诺数，代表流体在管道内流动时惯性力与黏性力的一种度量。

式中：VA为流体在定性温度下的运动黏度(m2·s-1)。

1.2.2 对流换热系数计算 当集热介质流入管道一段长度后，壁面对流动的影响已经稳定，所以将入口到稳定的部分称为入口段，以后的部分称为充分发展段。

对于腔体入口段，根据齐德-泰特（Sieder-Tate）公式计算：

式中：Nuf为集热介质进入腔体入口段的平均Nu数；ηf为以介质平均温度计算的流体动力黏度(Pa·s)；ηw为按照壁温计算的流体动力黏度(Pa·s)；L0为流动入口段长度(m)；Ref为入口段雷诺数；Prf为入口段普朗特数。

由于ηf和ηw的数值相差极小，因此使

对流换热系数计算公式为：

式中：hw为集热板的对流换热系数(W·m-2·K-1)；λw为水的导热系数(W·m-1·K-1)；Nud为充分发展段的平均Nu数[30]，由腔体长宽比值确定（表2）。

表2 腔体内层流充分发展段均匀热流情况下的Nu数Table 2 The Nu number of heat transfer in the case of uniform heat flow in the fully developed section of laminar flow in the cavity

1.3 集热板腔体结构尺寸设计

根据日光温室北墙高度、长度需求，集热板高度设置为1.8 m，单系统安装长度设置为30 m，初始水温20 ℃，初始流量10 m3·h-1。本系统集热板属于微小腔道类设计，单个腔体润湿周长P<0.1 m，则可以得出0

根据式（1）~式（3）计算腔体不同尺寸下的沿程损失Hf的值(表3)。在同一长宽比下，随着腔体宽度增加，沿程损失减小；同一腔体宽度下，长宽比增大，沿程损失减小。沿程损失参数是水泵选择的重要依据，沿程损失过大，多腔主动蓄放热系统配备的水泵扬程增加、功率较大，会增加运行电耗。经对比市面上不同型号的水泵，最终确定系统的沿程损失需小于10 m。

表3 不同长宽比腔体的沿程损失HfTable 3 Fluid loss along the cavity for different length-width ratios Hf m

腔体不同尺寸下对流换热系数hw的值见表4。由表4 可知，当腔体的长宽比为1 时，腔体内表面与水流之间的对流换热系数hw最大；当腔体长宽比不变，随腔体宽度的增大，对流换热系数逐渐减小；当腔体宽度不变时，随腔体长宽比的增大，对流换热系数先减小后增大，长宽比为2时，达到表格中的最小值。

表4 不同腔体长宽时水与集热板的对流换热系数hwTable 4 Convective heat transfer coefficient of water and collector plate at different cavity length and width (W·m-2·K-1)

因此，决定腔体尺寸时，在符合系统流体沿程损失的前提下，应优先考虑小腔体宽度、大长宽比的设计。结合表3与表4，选取对应范围内的数值，确定本试验中最佳的腔体长宽尺寸分别为16 mm和4 mm。

1.4 多腔主动蓄放热系统组成

多腔主动蓄放热系统由控制系统、排气阀、支架、集热板、进水管、回水管、排空阀、电伴热带、蓄热水箱和水泵组成(图2)。该系统以水为集热介质，各集热板间串联，采用由下往上、同程供水方式。集热板表面涂有专用吸热涂料，白天接收太阳辐射并与温室内高温空气进行对流换热，将热量储存于蓄热水箱中；夜间通过水循环向温室内释放热量。电伴热带在连阴天等不利天气条件下使用。

图2 多腔主动蓄放热系统组成图Figure 2 Composition of multi-chamber active heat storage and release system

1.5 系统性能参数的计算方法

系统集热效率为：

式中：ηc为系统集热效率(%)；Qc为集热阶段的净集热量(J)；Es为集热阶段，照射到集热板面上的太阳辐射总量(J)。

主动蓄放热系统的净集热量Qc和净放热量Qf为：

式中：cw为水的比热容，取值4.2×103J·kg-1·K-1；ρw为水的密度，取值1.0×103kg·m-3；Vw为水的体积(m3)；tc,f为集热结束时蓄热水箱内的水温(℃)；tc,s为集热开始时蓄热水箱内的水温(℃)；tf,s为放热开始时蓄热水箱内的水温(℃)；tf,f为放热结束时蓄热水箱内的水温(℃)。

集热阶段照射到集热板面上的太阳辐射总量为：

式中：Tc,s为系统集热开始时的时刻；Tc,f为系统集热结束时的时刻；A为系统集热板的总面积(m2)；Ic,τ为τ时间段内照射到集热板上的平均太阳辐射强度(W·m-2)；τ为集热阶段数据记录的时间间隔(s)。

系统的集放热功率为：

式中：P为系统单位面积的集放热功率(W·m-2)；Q为集放热量(J)；T为运行时间(s)。

参照北京地区冬季开保温被的时间，规定第1 天上午9׃00 至第2 天上午9׃00 共24 h 为一个运行周期。本试验将性能系数（coefficient of performance，COP）定义为系统一个运行周期内净放热量与一个运行周期内电能消耗量之比,又叫放热能效比：

式中：Ea为系统运行一个周期所消耗的电量(J)，由电表测得。

将系统运行一个周期的耗电量全部转化为热能，则可以计算得出主动蓄放热系统的节能率：

式中：φ为主动蓄放热系统的节能率(%)。

1.6 试验设计

试验时间：2021年12月12日-2022年2月19日，共70 d。试验地点：北京市顺义区大孙各庄镇中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所试验基地（40°13′N,116°65′E）。

试验日光温室如图3，东西走向，长60 m，跨度10 m，北墙高3 m，脊高4.5 m，采用装配式轻简结构，北墙与山墙为中空结构，内外层均为厚8 mm 的水泥板，北墙内侧表面覆盖5 mm 厚保温棉。温室中部由8 mm 厚玻璃墙隔断，将温室分为东西两个独立温室。西侧为试验温室，内部安装多腔主动蓄放热系统，东侧为对照温室，无加温设备。试验温室北墙安装日光温室多腔主动蓄放热系统，地平面以下0.5 m埋设蓄热水箱。系统集热面积46.17 m2，蓄热水箱蓄水量10 t。

图3 室内空气温度及太阳辐射传感器位置示意图Figure 3 Location diagram of indoor air temperature and solar radiation sensor

两个温室内均种植西红柿，品种为荷兰瑞克斯旺公司的卡酷齐（72-541），定植时间为2021年9月25日，结果期株高1.3~1.5 m。试验期间温室正常开放保温被和通风口，正常农事操作。

主要测试参数与测点位置：(1)试验温室、对照温室和室外空气温度，温室内部温度测点各10 个，布点位置由南到北梯度排列，宽度间隔2 m，高度间隔1 m，如图3 中T(e,w)，室外温度测点1 个，位于温室最高点上方1 m处；(2)蓄热水箱水温，共6个温度测点，分上中下3层，每层2个测点；(3)墙面太阳辐射照度，共3个测点，平行于集热板安装在北墙上，上下间隔0.6 m，如图3中E(1,2,3)；(4)室外太阳辐射，一个测点，位于温室最高点上方1 m处；(5)集热板进水口、回水口水温。温度监测采用T型铜-铜镍热电偶，测量精度±0.2 ℃，所有热电偶末端加装自然通风防辐射罩，并且在测量水温时对热电偶进行防腐蚀、防水处理。太阳辐射传感器选用CMP3，精度：±20 W·m-2，布点位置如图3。室外气温和太阳辐射传感器的测点均放置于地面上方3 m 的气象站。采用数据采集仪(CR1000)记录数据，采集器扫描间隔5 s、记录间隔10 min，取平均值记录。水泵选用QX15-10-0.75型三相清水泵，扬程15 m，流量10 m3·h-1，功率0.75 kW。

2 结果与分析

2.1 控温效果

预试验阶段，在架设的小型集热系统进行试验，系统集热时间为9∶00-16∶00，温室内受通风影响，气温变化频繁，系统水温上升速度较慢；14∶00 系统水温开始出现明显回落(图4)，若此时继续运行系统，则会在消耗电能的同时，向温室环境释放蓄热水箱内储存的热量，造成能源和已收集热量的浪费，因此在以后的试验中选择14∶00停止集热。

图4 系统集热期间气温水温变化情况Figure 4 Air temperature and water temperature variation during heat collection

2.1.1 夜间连续加温效果 在北京地区，冬季最冷时间段为农历冬一九至五九期间。所以，在本研究中，对冬至日后连续49 d 的温度数据进行分析。经验证，冬季北京地区9∶00 室外太阳辐射会迅速增强，室外气温会有明显的上升拐点，所以本次试验选定9∶00 系统开始运行。在夜间22∶00，温室内气温降低到10 ℃，于是开始运行系统放热。放热一直持续到第2天8∶00（北京冬季一般8∶00开棚）。

试验期间，室外夜间最低气温为-14.5 ℃，其中38.8%的天数夜间最低气温低于-10 ℃，有65.3%的天数夜间最低气温低于-8 ℃。图5为冬至日后连续10 d室内外气温与水温变化的趋势图，由图5可知，系统开始运行后，蓄热水箱内水温在一开始呈现缓慢上升的趋势，并且在第6天以后平均水温不再上升，蓄热量达到最大值，蓄热水箱内水温最高可达31.9 ℃；系统停止后蓄热水箱在土壤中热损失导致的水温降低幅度小于0.1 ℃·h-1。经过夜间的放热后，水箱水温可保持在24.3 ℃。在多腔主动蓄放热系统放热期间，0 点后，对照温室的气温下降速率约为0.7 ℃·h-1，最低温度下降至6.6 ℃，而试验温室内气温下降速率约为0.2 ℃·h-1，夜间温度变化保持在2.4 ℃以内。当室外夜间最低气温高于-10 ℃时，试验温室内气温基本保持稳定，温度变化保持在1.5 ℃以内。系统在白天集热期间，对照温室气温均高于试验温室且温差明显；在夜间放热期间，试验温室内气温会在一开始迅速上升并保持较低速率的降低趋势，并能维持温度在10 ℃。此外，本次试验所选用的温室为轻简型结构，后墙中空且保温被较薄，从而导致无太阳照射后，两温室内气温下降迅速。

图5 冬至日后连续10 d室内外气温与水温变化Figure 5 Indoor and outdoor air and water temperature changes for 10 consecutive days after the winter solstice

由图6可知，试验期间，室外夜间（20׃00-次日6׃00）环境温度范围为-14.5~-3.3 ℃。在此期间，试验温室内最低气温范围为7.6~13.1 ℃，与室外夜间最低气温的温差为24.1 ℃。而对照温室内最低气温和与室外相应的温差为6.6 ℃和21.5 ℃。

图6 试验、对照温室连续49 d夜间最低气温Figure 6 The lowest nighttime temperature in the test and control greenhouses for 49 consecutive days

在试验期间，试验温室夜间最低气温平均值为10.5 ℃，其中有77.6%的天数高于10 ℃；对照温室有4.1%的天数，夜间最低气温高于10 ℃，且有73.5%的天数夜间最低气温低于9 ℃，最低气温为6.6 ℃。

49 d中仅有1月26日的试验温室最低气温低于对照温室，是由于当日白天气温较高，夜间放保温被时间点较晚，以及试验温室内由于集热导致下午气温低于对照温室，综合影响造成了短时间内试验温室气温低于对照温室的情况发生。

2.1.2 白天降温效果 由图7 可知，试验期间，试验温室最高气温比对照温室最高气温低的时间为36 d，占比73.5%；而这36 d 中，对照温室最高气温全部高于30 ℃，试验温室最高气温比对照温室最高气温平均低2.8 ℃，最大值为6.5 ℃，发生在2022年2月1日，当日对照温室最高气温为38.9 ℃。在对照温室最高气温低于25 ℃的周期中，试验温室最高气温均高于对照温室。

图7 试验、对照温室连续49 d日最高气温Figure 7 The maximum daily temperature of the test and control greenhouse for 49 consecutive days

在系统运行期间，同一时刻试验温室内平均气温与对照温室内平均气温最大温差为10.0 ℃。试验期间，室外气温与试验温室内气温平均温差为20.0 ℃，最大温差为25.2 ℃；而与对照温室平均温差为24.0 ℃，最大温差为31.4 ℃。此数据表明多腔主动蓄放热系统对于维持温室内温度的稳定性具有较大的作用，同时也避免了单日内温度的剧烈变化对作物生长造成不可逆的影响。

2.2 多腔主动蓄放热系统性能

利用式(6)~式(12)计算系统的平均集热效率、集热板日平均单位面积集热功率、集热板日平均单位面积集热量、以温室建筑面积计算日平均集热量、集热板日平均单位面积放热功率、集热板日平均单位面积放热量、系统节能率和放热能效比，按照北墙表面太阳辐射照度进行分类，以50 W·m-2为梯度，多腔主动蓄放热系统主要性能指标如表5。

表5 以温室建筑面积计算不同辐射照度情况下主动蓄放热系统性能参数Table 5 Performance parameters of AHS under different radiation illumination conditions based on the floor area

多腔主动蓄放热系统在不同辐射照度情况下的各项指标有着明显的差异。试验期间，多腔主动蓄放热系统的集热效率最大值为94.3%，当天对应的墙面辐射照度和室外辐射强度分别为293.8 W·m-2和418.2 W·m-2；平均集热效率为79.5%。但随着墙面辐射照度的下降，系统的集热效率却出现上升的趋势。因为，在本研究中的这个指标仅考虑了北墙太阳辐射照度，而没有考虑主动蓄放热系统集热板与环境的对流换热热量，这表明集热效率这一参考量在比较主动蓄放热系统的能力优劣时具有一定的局限性。根据式(11)，在冬季太阳辐射较强时，适当减少夜间的系统运行时间，既避免了电能的损失，提高了能效比，又能将多余的热量储存起来留待气温降低后使用。

本研究发现，将评价主动蓄放热系统性能的参考指标改为多参数指标更加准确：将集热效率与集热量结合更能反映系统的集热情况，结合放热能效比和节能率更能反映对资源的利用情况。

试验期间，多腔主动蓄放热系统以建筑面积计算的日平均集热量为1.0 MJ·m-2，平均放热功率为23.9 W·m-2，其效果是优于目前同类产品的0.83 MJ·m-2和22.6 W·m-2的[29]。根据式(12)，可以计算得出与单纯的电加热达到相同效果的情况相比，其平均节能率为81.2%。

2.3 多腔主动蓄放热系统经济性

以本试验中系统的总放热量数据和耗电数据为参考，计算多腔主动蓄放热系统的成本及收益。试验温室，长60 m，跨度10 m，占地面积600 m2。安装全套多腔主动蓄放热系统，初始投资成本约为45650 元，详见表6。运行成本主要为水泵电耗，电价按1元·(kWh)-1计算。

表6 600 m2温室安装多腔主动蓄放热系统成本Table 6 Cost of installing multi-chamber active heat storage system in 600 m2 greenhouse

在试验期间，集热板夜间平均放热量为498.6 MJ·d-1，平均用电量为13.35 kWh·d-1。按照冬季运行100 d，加热量和用电量约为49 860 MJ 和1 335 kWh。假设全部使用电加热且电热转化效率为100%，则至少需要13 850 kWh的电能才能达到相同的加温效果。

以本试验的温室为标准，100 d 供热时间，使用多腔主动蓄放热系统，相比于电加热，可至少节省90.4%的耗电，间接减少了空气污染和碳排放。以铝合金使用寿命20年，水泵更换两次约2 400元，系统运行100 d为标准，主动蓄放热系统每年的折旧和使用费用约为3 737.5元，假设全部使用电加热则至少需要花费13 850元，每年节省约10 112.5 元，温室单位建筑面积的加温运行成本节约73%。此外，由于供暖成本低，则可以适当延长温室加温时间，使跨季节生产的作物提前或延后上市，隐性收益进一步扩大。

3 讨论与结论

本研究相较于最前沿的翅片式主动蓄放热系统[26]，在集热效率、集热量、放热能效比和节能率等方面均有所提升，并且在与前人研究对比时发现，在主动蓄放热系统研究中，常用的集热效率指标主要以北墙面太阳辐射照度作为参考，存在计算局限性。若将评价主动蓄放热系统性能的参考指标改为多参数指标则更加准确：将集热效率与集热量结合更能反映系统的集热情况，结合放热能效比和节能率更能反映对资源的利用情况。

本研究结果表明，集热板的多腔道结构在使用中无水流停滞现象，集热板内水流平稳、均匀，达到了主动蓄放热系统改进的要求。多腔主动蓄放热系统平均集热效率为79.5%，以建筑面积计算的日平均集热量为1.0 MJ·m-2，日平均放热功率为23.9 W·m-2，系统平均放热能效比为5.4。该系统对于维持温室内温度的稳定性具有较大的作用，同时也避免了单日内温度的剧烈变化对作物生长造成不可逆的影响。多腔主动蓄放热系统的节能效果明显，与电加热相比，平均节能率为81.2%，单位温室建筑面积的加温运行成本节约73%，此外，由于供暖成本低，则可以适当延长温室生产时间，使跨季节生产的作物提前或延后上市，隐性收益进一步扩大。主动蓄放热系统变频流量调控和温度启停调控，有助于提升不同天气状况下的能效比和节能率，是未来控制模式优化的重点和下一步的研究方向。