唐伊恋，李 明，马 逊，Reda Hassanien Emam,2



草莓温室太阳能热泵系统阶梯式供暖特性

唐伊恋1，李 明1※，马 逊1，Reda Hassanien Emam1,2

（1. 云南师范大学太阳能研究所，昆明 650500；2. 开罗大学农业学院农业工程系，开罗 12613）

运用太阳能热泵系统为草莓温室供暖，能有效提升草莓的产量和品质。为探究温室内立体栽培的供暖特性，以及相匹配的太阳能热泵系统的供暖系数（coefficient of performance, COP），该文设计并搭建了太阳能热泵阶梯式供暖系统。以“京藏香”草莓为试材，分析了距离地面0.5、1.0、1.5及2.0 m不同阶梯高度的空间温度，对比了阶梯式供暖的太阳能温室和未供暖的普通温室内的草莓品质及产量。结果表明，在北亚热带低纬高原山地季风气候地区，冬季采用太阳能热泵系统为温室供暖的COP值在3.02~5.15之间。在太阳能温室内种植的草莓产量是普通温室产量的1.56倍，可溶性固形物含量的平均值达10.5%。在太阳能热泵系统阶梯式供暖的温室中，距离地面1.0～1.5 m高度范围内的供暖效果较好，且放置于1.0 m阶梯上的草莓与其他高度的草莓相比，产量最高品质最优，其单果最大值为32.3 g，可溶性固形物含量为12.5%，因此，采用阶梯式供暖的温室中，距离地面1.0 m高度的温度更适宜草莓生长需求。

太阳能；热泵；温室；草莓；阶梯式供暖

0 引 言

温室种植是一种设施农业栽培，不仅能防御自然灾害、实现农作物的优质高产[1]，还能够提供农作物生长所需的适宜环境，促使农作物及早上市[2]。大多数温室作物在日间20～30 ℃和夜间14～18 ℃的环境温度中生长速度较快，若环境温度较低，则需要借助供暖系统提高温室的气温[3]。目前，提供温室供暖的能源一般为化石燃料、电力和太阳能，由于太阳能具有资源丰富和低碳排放的优势[4-5]，成为近年来的研究热点。如何有效地将太阳热能运用于温室供暖成为现今设施农业研究的重点。Lazaar等[6]采用了真空管集热器对温室进行供暖，可使温室内部升高2 ℃，Joudi等[7]的研究验证了太阳能空气集热器系统可提供温室日常供暖需求的46%。为了满足温室持续性和稳定性的供暖需求，目前一般采用太阳能辅助热泵的模式为温室供暖[8-10]，对于供暖热泵的研究侧重于太阳能地源热泵复合系统[11]和太阳能联合空气源热泵系统[12]。孙先鹏等[13]在西安地区对具有保温层的塑料温室进行太阳能联合热泵供暖，系统的供暖系数（coefficient of performance, COP）在3.45～5.56之间；陈冰等[14]在昆明地区最冷的1月对温室进行太阳能与热泵联合的供暖试验，供暖末端为距离地面1.0 m的光管，系统供暖的最高COP为3.94。供暖末端设备一般采用地管、风机盘管和暖气片等[13]，均是固定在温室的某一位置高度，地管则铺设在地面或地下某一深度。供暖系统的测温点一般为距离地面1.5 m高度的温室中心[15-16]。但温室供暖中因高度不同而产生的温度变化，尚未有更详细的研究，温室内供暖空间存在的温度阶梯性变化对作物生长的影响也没有做进一步的研究。

为体现温室供暖温度阶梯性变化对作物的促成栽培的影响，选择适合的温室试验品种尤为重要。在温室作物中，草莓具有较高的经济效益及观赏价值，且草莓对环境的变化有较明显的表现，尤其是温度的变化对草莓生长影响较大，因此通过温室供暖达到适宜温度可提高草莓的产量和品质[17-18]。传统的草莓地栽模式无法有效利用温室空间，为了提升空间利用率，纪开燕等[19]研究了宽塑料栽培槽式、窄塑料栽培槽式、H型、梯形、X型槽式栽培架和X型无纺布式双层架等6种高架栽培模式，其中X型无纺布式双层架的栽培效果较好；林晓等[20]则采用了“章姬”草莓作为试材分析测定了支架型、双Ｈ型和Ａ字型３种立体栽培架的光温条件，结果表明不受遮光影响的上层草莓品质和产量较高。以上研究对立体栽培草莓奠定了基础，但对于草莓温室的供暖通常采用燃料加温的方式，运用太阳能系统为草莓温室供暖的研究较少，对温室供暖的温度变化有效促进高架栽培的草莓优质高产的研究则更少。

本文将太阳能热泵供暖系统与草莓的立体栽培相结合，基于草莓对光照和温度的需求之上，设计并搭建了温室的阶梯式供暖系统，将供暖管道和草莓立体栽培架有效结合，研究太阳能热泵系统的供暖能效及在相同供暖条件下的最佳供暖高度范围，将热能有效供给立体栽培的草莓植株，以期达到提高草莓品质、增加产量的目的。

1 试验系统与方法

1.1 太阳能温室供暖系统设计及试验平台的搭建

在温室种植中，对于环境温度和湿度的控制，是保证农作物正常生长的关键所在，采用太阳能集热器辅助热泵进行能量的转换并储存于储热器中，是温室供暖系统的一种重要方式[21]。结合相关研究理论，设计了太阳能热泵供暖系统，采用太阳能辅助空气源热泵为温室提供热能，通过热水循环对温室进行供暖。试验系统的原理如图1所示。

图1 太阳能热泵系统为草莓温室供暖原理图

温室的供暖系统由太阳能真空管集热器、空气源热泵、保温储水箱、循环泵、温室供暖管道组成，日间真空管集热器通过太阳能将水加热后储存于保温储存水箱之内，夜间将保温储水箱里的热水通过管道强制循环对温室进行供暖。温室供暖为自动控制模式，热泵自行启动的温差为5 ℃，若遇到阴雨天气，太阳辐射不能将水箱内的水加热至50 ℃，或夜间为温室供暖过程中水温下降至50 ℃以下，则热泵加热模式启动，将水温加热至55 ℃；温室内的循环水泵启动温度设定为室温低于12 ℃时，当室温高于20 ℃时循环水泵自动停止工作。

根据对温室供暖系统的设计，为达到对照研究的目的，本试验系统搭建了2个试验温室（图2），位于昆明市（东经102.68°，北纬25.07°）云南师范大学内。

如图2a所示，温室1为采用太阳能热泵系统供暖的温室，简称太阳能温室；温室2为无供暖系统的普通温室。温室的尺寸如图2b所示，2个温室的占地面积相同，均为26.25 m2，温室的覆盖材料为单层聚乙烯薄膜，覆盖面积均为77.50 m2。本试验设计了2部分对比研究，第1部分研究2个温室内不同温度和湿度环境对草莓产量和品质的影响，验证温室供暖对草莓的促栽培作用；第2部分研究在温室1内的阶梯供暖系统，距离地面分别为0.5、1.0、1.5和2.0 m的4个阶梯中供暖效果较好的高度范围，并分别对4个阶梯高度上放置的盆栽草莓的品质和产量进行对比，进而得到更适宜草莓生长的高度范围。

图2 试验平台及温室尺寸

为进一步研究温室立体栽培的供暖效能，在温室1内的供暖末端设备设计为阶梯式供暖，如图3所示。

图3 阶梯式供暖及温度测试点示意图

供暖管道采用不锈钢波纹管以S型环绕于阶梯框架之上，每层阶梯的宽度和高度均为0.5 m，总宽度1.5 m，总高度2.0 m。不锈钢波纹管的总传热系数比光管高1.5倍[22]，具有换热高效、可弯曲和易固定的特点，符合供暖的设计要求。用于系统测温的温度传感器采用PT100铂电阻，可保证较高的测量精度[23-24]，温度传感器分别悬挂于各台阶的中心位置，测试高度与每层阶梯高度相等，通过太阳能测温系统记录每个测温点的数据，本次试验所采用的主要设备的具体参数详见表1。

表1 试验系统主要设备

1.2 作物选择与种植

草莓是具有较高营养和经济价值的水果之一，由于其对种植环境的温度及湿度的变化较为敏感且表现明显[25-26]，所以选择在草莓为试验作物。草莓果实发育的适温是在18～22 ℃之间[27-28]，因此综合考虑草莓生长习性和温室加温的经济性能以及温室加热系统的设计规范的基础[29]，可将室温控制在12～20 ℃之间。本试验选择了品种为“京藏香”的草莓植株，该品种的成活率为98%，在相同种种植条件下比其他品种早上市8～20 d[30]，且果实综合品质优良，适合在昆明地区大面积推广[31]，将其选为温室种植的试验样本具有一定的代表性。

2 温室的系统性能计算与分析

2.1 温室的维护结构及热负荷

本试验温室的覆盖材料是单层聚乙烯薄膜，在温室的维护结构中，聚乙烯薄膜蓄热能力较差，温室中的作物基本无蓄热能力，冬季时温室仅需在夜间供暖，且夜间温室基本是密闭的，因此，温室的热负荷由式（1）计算。

式中1为围护结构散热量，W,2为冷风渗透耗热量，W，3为地面热损失，W。

1可由式（2）[6]计算。

式中gh为温室覆盖材料的传热系数，W/(m2·K)，根据覆盖材料聚乙烯薄膜的厚度为0.12 mm，查表可知，gh取6.8 W/(m2·K)[29]；gh为温室围护结构的传热面积，m2；T为温室内农作物冬季所需的设计温度，℃，草莓的温度取i为12 ℃；amb为室外环境温度，℃，根据中国国家气象局发布的昆明地区历年冬季气温平均值可取amb为5 ℃，温室的维护面积为77.5 m2，按此设计方案温室围护结构的散热量为3 689.0 W。

式中3为地面热损失，W；u为第区地面传热系数，W/（m2·K）；为第区面积，m2。根据公式（4）及参考文献[29]可知，u取值0.24 W/（m2·K），可得本试验温室的地面热损失3为44.1 W。

由式（1）可的本试验温室的热负荷为4 008.7 W。

2.2 太阳能温室供暖末端设备的散热量

太阳能温室采用保温储水箱储存热能，供暖末端设备为波纹管换热器，通过阶梯供暖方式对温室进行供暖，介质为热水，供暖末端设备的散热量可由式（5）得到。

式中Q为供暖管道的散热量，W；U为供暖管道的总传热系数，W/(m2·K)，根据不锈钢光管的总传热系数[32]为50.17 W/(m2·K)，不锈钢波纹管的总传热系数U可取75.26 W/(m2·K)；为散热管道的长度，m；为散热管道的外径，m，试验选择DN40型不锈钢波纹管，采用游标卡尺实测得外径为0.05 m；T为设计供水温度，防止温室内的作物被烫伤，T取55 ℃；T为设计回水温度，为达到供暖管道的散热均匀性，在强制循环作用下，设计回水温度T取45 ℃。根据公式（3）可知供热管道的散热量Q为2 185.9 W。试验温室所在地昆明市属于北亚热带低纬高原山地季风气候地区，年平均气温为16.3 ℃，冬无严寒[31]。冬季历年的平均气温为9.9 ℃[33]是温室热负荷设计中环境温度的2倍，且低温持续时间较短。因此基于实际情况和经济适用型，温室阶梯供暖管道的散热量仅设计了温室所需热负荷的54.5%。

2.3 太阳能温室系统的供暖系数

评价温室系统加热性能的供暖系数COP也是热泵经济性指标，其COP的计算公式，如式（6）式（7）所示[13]。

每小时向温室中释放的总热量：

系统供暖系数：

晴天工况下太阳能集热器单独加温时，hp为0；多云天气工况下，太阳能辅助空气源热泵加温，向温室提供的总热量是太阳能所提供的总热量与热泵所提供的总热量之和，此时系统的供暖系数可由式(7)得出。

3 结果与分析

3.1 太阳能温室和普通温室的温湿度对比分析

对于2个对比温室的温湿度参数，测试时间是气温相对较低的2016-12-15－2017-02-05，对太阳能温室进行太阳能热泵系统阶梯式供暖，试验期间昆明地区日出到日落时间范围大致在8:00~18:30之间，为日间时间，18:31至次日07:59为供暖时间。测试期间温室内种植的草莓正值开花期，经过51 d的温室加温，将分别置于2个温室内中心处1.5 m高度的温湿度记录仪的数据进行处理，对每天同一时刻的温度和相对湿度求平均值，得到太阳能温室和普通温室的温湿度对比，如图4所示。

图4 太阳能温室和普通温室的温湿度对比

在试验期间，由于太阳能热泵系统为温室1供暖导致2个对比温室温湿度的不同变化，由图4可知，在温度方面，太阳能温室的日平均最高气温为35 ℃，最低为8.8 ℃，普通温室的日平均最高气温为36.6 ℃，最低为6.7 ℃，太阳能温室的夜间温度均高于普通温室的温度，太阳能温室的日间温度略低于普通温室的温度；在相对湿度方面，太阳能温室的日平均最高相对湿度为88.4%，最低为25.7%，普通温室的日平均最高相对湿度为97.5%，最低为27.2%。2个温室内的相对湿度均随温室气温的升高而降低，太阳能温室的温湿度变化范围均小于普通温室。

3.2 阶梯供暖方式在不同气候条件下太阳能温室内的气温日变化

为了更深层次地探究太阳能热泵供暖系统的末端散热方式的有效性，在太阳能温室中搭建了阶梯供暖管道系统，并在阶梯架上放置了盆栽草莓。将PT100铂电阻温度传感器悬挂于太阳能温室的4个高度进行温度测试，测温点的高度是每个台阶中心位置距离地面高度0.5、1.0、1.5和2.0 m。不同天气情况会影响温室内的温度变化，因此，选出在试验期间具有代表性的天气，图5为晴天和多云天气下的温度变化图。

注：T1、T2、T3、T4分别为距离地面0.5、1.0、1.5、2.0 m测点的温度; Ta为环境温度。

图5a为2016年12月5日多云天气下，太阳能温室内阶梯供暖的温度变化情况，当环境温度为11.6 ℃时，距离地面1.5 m高度的气温最高，可达到26 ℃，其次是距离地面为1.0 m高度的加温效果较好，比距离地面0.5 m和2.0 m高度的温度高，因此阶梯供暖效果最佳的范围是距离地面1.0～1.5 m的高度，此范围有着较好的保温性能。

在晴天天气下，由于日间受到太阳辐射的影响，各个空间高度的温度曲线变化较大，如图5b所示，当环境温度达到18.4 ℃时，距离地面2.0 m高度的空间温度高达40.4 ℃，已超出草莓生长所需温度；距离地面0.5、1.0和1.5 m高度的空间内温度分别为30.3、31.6和34.2 ℃，均在草莓植株生长的耐受温度之内；夜间供暖效果最好的是距离地面1.5 m的高度，当环境温度为6.2 ℃时，距离地面1.5 m高度的空间温度为9.6 ℃。

3.3 太阳能热泵系统的能效分析

太阳能真空管集热器在日间蓄热并提高水箱内的水温，热泵将水箱的水加热到55 ℃的时间将有效缩短，可为温室供暖节省能源的消耗，提高供暖的经济效益。根据式（6）和式（7）对测得的试验数据进行计算处理，可得到试验期间太阳能热泵系统供暖的COP。在试验期间，对6 d不同天气情况下太阳能温室的供暖进行分析，同时，对温室供暖系统的COP及阶梯供暖4个高度的气温进行测试和对比分析。供暖期间，循环水泵将保温水箱中的热水强制推送到波纹管内，经电磁流量计测试可知波纹管道内的热水平均流速为1.13 m3/h，综合供暖管道进出口水温的测试分析，结果如表2所示。

表2 太阳能温室供暖系数与不同高度的气温

在2017-01-15晴天条件下，平均环境气温为11.9 ℃时，太阳能温室供暖系统的COP值最高达到5.15，此时对应的2、3测温点的平均气温在17.2～17.8 ℃，2测温点的最高温为31.6 ℃，3为34.2 ℃，4为40.4 ℃；2016-12-25多云天气下，太阳能温室供暖系统的COP值为3.02，平均环境气温为8.4 ℃，相应的2、3测温点的平均气温范围是14.1～16.9 ℃，2测温点的最高温为32.7 ℃，3为33.4 ℃，4为37.9 ℃。2、3对应距离地面1.0和1.5 m高度的供暖，在此高度范围内能够得到平均气温为15.5 ℃的空间温度。在晴天条件下，高度为1.0和1.5 m测温点的温度最大值均未超出草莓生长极限温度35 ℃，在2.0 m处的测温点最高温已超出了适宜草莓生长的温度最大值。

3.4 草莓果实品质的对比

试验期间供暖温度的变化对草莓果实的产量和品质均会造成影响，因此，把种植在太阳能温室和普通温室中的草莓进行对比，可验证太阳能温室阶梯供暖的有效性。试验采用基质栽培的方式，辅以有机肥及滴灌系统，将40株草莓样本种植在花盆之内平均放置于2个温室并进行标记。太阳能温室的草莓分别放置于不同高度的阶梯之上，每层高度放置5盆草莓；普通温室中的盆栽草莓则直接放置于地面之上。在2017-01-22−2017-02- 22的31 d之内，对2个温室内的草莓植株样品进行观测直到草莓的采摘期，对太阳能温室内各层阶梯高度的草莓以及普通温室内的草莓均做了详细的品质及产量的分析，具体如表3所示。

表3 太阳能温室与普通温室的草莓产量和品质

如表3所示，太阳能温室的草莓总产量是普通温室的1.56倍，太阳能温室内种植的草莓可溶性固形物含量的平均值达到10.5%，比普通温室的可溶性固形物含量高0.8%，可溶性固形物的含量越高说明草莓的口感越甜。另外，在太阳能温室的阶梯架上放置的草莓，每个阶梯的草莓产量和品质也进行了对比，在1.0 m高度的盆栽草莓，其单果质量最大值为32.3 g, 单层阶梯盆栽草莓的总产量为426.2 g，可溶性固形物的含量均值达到了12.5%。表3的测试数据中1.0 m阶梯处的草莓单果质量、总产量及可溶性固形物含量平均值均高于其他阶梯高度上放置的草莓。综合分析可知，太阳能温室内种植的草莓得到了更适宜的生长环境温度，尤其是在距离地面高度为1.0 m的阶梯上种植的盆栽草莓，呈现出比其他高度的草莓更高的产量和品质；在草莓的市场销售方面，在太阳能温室中种植的草莓能产生更高的经济效益。

4 结 论

本文介绍了太阳能热泵阶梯式供暖系统系统，对该系统的热性能进行了试验研究，并对该供暖系统调控下的温室内的草莓品质和产量与无供暖的普通温室进行了对比分析，得出以下结论：

1）从加温的空间效能来看，在该类型的单层聚乙烯薄膜温室中，当太阳能热泵系统具有相同的供暖系数(coefficient of performance, COP)时，最佳的供暖高度范围在距离地面1.0～1.5 m之间，既保证了适宜草莓生长的温度范围，又避免了温室内草莓植株放置太高而容易被太阳辐射灼伤的情况。

2）在北亚热带低纬高原山地季风气候地区的冬季，采用太阳能热泵系统对草莓温室供暖，缩短了热泵的加温运行时间，比单独使用热泵供暖节约了电力能源；当温室外部环境的温度是设计温度的2倍时，供暖末端设备提供的热量仅为温室热负荷的54.5%，仍能有效提高温室内的气温，因此该系统供暖的经济性较高。且该供暖系统提高了温室作物的产量和品质，通过在温室中种植草莓验证了太阳能温室的可行。

根据以上结论与试验依据，后续将继续采用太阳能热泵供暖系统，针对温室内最佳供暖高度范围及与其相匹配的能量供给做进一步精确的研究。由于试验建立的系统和所测得的数据有待在大型连栋温室中进行更多的验证，从而对太阳能热泵系统阶梯式供暖的特性进行更深入地研究。另外，在此研究基础上，对该类型温室内阶梯供暖的空间热场均匀性和系统的COP值还有待提高，针对本研究所得的结论，还可在立体供暖的空间高度和方式上进一步地优化。

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Stair-heating characteristics of solar heat pump system in strawberry greenhouse

Tang Yilian1, Li Ming1※, Ma Xun1, Reda Hassanien Emam1,2

(1.650500; 2.)

Greenhouse cultivation can provide a good planting environment for strawberry growth. Using solar heat pump system to heat strawberry greenhouse in winter can not only utilize new energy effectively, but also encourage strawberries to be marketed early and increase their yield and quality. Stereoscopic planting in greenhouse can improve the utilization of space. In order to explore the optimal height of the multistoried heating in the greenhouse, and to match the coefficient of performance (COP) values of the solar heat pump system, a stair-heating mode was designed in this paper. Two greenhouses with the same size were built in Yunnan Normal University, with 20 strawberry plants grown in each greenhouse, using the “Jingzangxiang” strawberry variety as experimental material. One of the greenhouses was heated by solar heat pump system, which consisted of evacuated tube solar collector, heat pump, water tank and stair-heating system, another one was normal greenhouse without heating system. Strawberries were planted in potted substrates, and the strawberry pots were placed on the steps in the solar greenhouse, while the other strawberry pots were placed on the ground in the normal greenhouse. In this experiment, the temperature and humidity in two greenhouses were analyzed. The temperatures in solar greenhouse in sunny and cloudy days were analyzed separately. In the solar greenhouse, the air temperatures were measured at the height of 0.5, 1.0, 1.5 and 2.0 m above the ground, and the temperature measurements were carried out separately in sunny days and cloudy days. Furthermore, the quality and yield of strawberry were also compared in the solar greenhouse with stair-heating and the normal greenhouse. In addition, the COP values of the solar heat pump system were measured in sunny days and cloudy days. The results showed that the COP value of solar heat pump system was between 3.02-5.15 in winter in the monsoon climate area of the northern subtropical low latitude plateau. When the weather was sunny, the temperature curves at different spatial altitudes were also different because of the influence of solar radiation. The maximum air temperature at 2.0 m in heated greenhouse was as high as 40.4 ℃ in sunny days, which exceeded the temperature range required for strawberry growth, and the maximum air temperature at the height of 1.0 and 1.5 m was 31.6 and 34.2 ℃, respectively, which were within the temperature range required for strawberry growth. The highest night-time heating efficiency was located at 1.5 m. When the average ambient temperature was 8.4 ℃in cloudy day, the daily average air temperature ranges of 1.0 and 1.5 m were 14.1 and 16.9 ℃ in solar greenhouse. In the case of the same COP value provided by the heating system, the stair- heating characteristics of the solar greenhouse showed that heating at heights of 1.0 m to 1.5 m from the ground could obtain a temperature environment with a daily average air temperature of 15.5 ℃, and the heating effect was good. Strawberry production in solar greenhouse was 1.56 times of that in normal greenhouses. The average soluble solids content of strawberries grown in solar greenhouse was 10.5% which was higher than that in normal greenhouse. Therefore, the yield and quality of strawberries grown in solar greenhouse are higher than those in normal greenhouse. In addition, the yield and quality of strawberry located at the 1.0 m stair was best with the maximum of the single fruit being 32.3 g and the soluble solid content being 12.5%. In general, when 55 ℃ water circulating cascade heating system is used, the temperature in the heights of 1.0 m from the ground is more suitable for strawberry growth.

solar energy, heat pump, greenhouse, strawberry, stair-heating

唐伊恋，李 明，马 逊，Reda Hassanien Emam.草莓温室太阳能热泵系统阶梯式供暖特性[J]. 农业工程学报，2018，34(13)：239－245. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.029 http://www.tcsae.org

Tang Yilian, Li Ming, Ma Xun, Reda Hassanien Emam. Stair-heating characteristics of solar heat pump system in strawberry greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 239－245. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.029 http://www.tcsae.org

2017-11-30

2018-03-21

西南地区可再生能源研究与开发协同创新中心（05300205020516009），中国—老挝可再生能源开发与利用联合实验室（2015DFA60120），云南省周国富专家工作站（2017IC011）。

唐伊恋，博士生，从事太阳能热利用的研究工作。 Email：candy1806@163.com

李 明，教授，博士生导师，从事太阳能及可再生能源的开发应用及制冷与低温工程方面的研究工作。Email：lmllldy@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.029

0325/TK79

A

1002-6819(2018)-13-0239-07