北方大棚土壤源太阳能热泵蓄热系统的研究

2017-04-05蒋绿林张亮王昌领胡静陈孚

江苏农业科学 2016年12期

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摘要：针对北方地区大棚，设计了一套土壤源太阳能热泵供热系统，对系统土壤蓄热进行试验研究。结果表明：辐照条件直接影响蓄热系统的供水温度，太阳辐照越强，制热量越大，系统的能效比也越大。土壤源热泵未开启的情况下，利用土壤蓄热的试验大棚与对比大棚（未加供热系统）相比，地下10 cm处地温平均日提升4.6 ℃，最高提升 6.5 ℃，大棚室内温度平均日提升2.4 ℃。

关键词：土壤源；太阳能；土壤蓄热；控制；试验研究

中图分类号： S215文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）12-0350-03

收稿日期：2015-10-22

基金项目：国家自然科学基金（编号：51308077）；江苏省高校自然科学基金（编号：13KJB560001）。

作者简介：蒋绿林（1965—），男，江苏常州人，博士，副教授，主要从事太阳能热泵及地源热泵利用研究。E-mail：greenlife_51@163.com。

[ZT（]

为了满足不同地区、不同气候下植物的生长条件，温室大棚应运而生。在我国北方严寒地区，普通的温室大棚还不能维持植物生长的适宜温度，尤其是晚上无辐照、室外温度较低的情况，大棚内的温度可能会降到0 ℃以下，必须对其适当供热才能维持适宜的温度范围。北方存在大量的大棚，85%以上采用太阳能辅助燃煤对其供热，这种高温热源低温用的供热方式不仅造成大量的能源浪费，而且燃煤锅炉排放的[FK（W1。2]CO2、[FK（W1。2]NOx、[FK（W1。2]SOx等污染物对环境也造成了严重污染[1-2]。

由于植物生长不仅需要适宜的温度，还需要保证足够的[FK（W1。2]CO2浓度和空气湿度，因此种植人员会定期给大棚通风换气，以保证植物光合作用所必需的[FK（W1。2]CO2和[FK（W1。2]H2O，无形中又浪费了一定的能量。有研究者将蓄热性较强的蓄热材料添加到温室大棚内，这样可将白天温室内多余的太阳能储存起来并为晚上供热所用[3]；也有研究者直接用大棚内的土壤来储存白天的太阳能，并进行了相关研究[4-7]。在前人研究的基础上，本试验设计了一套土壤源太阳能热泵供热系统，将热泵技术和太阳能热利用技术相结合并利用浅层土壤蓄能，白天充分利用太阳能，在满足室内热负荷的前提下，将多余热量储存于大棚内的地下土壤中。一方面，热量会缓慢供给室内；另一方面，在晚上或者阴雨天气等没有辐照时，系统可切换成土壤源热泵，利用地下热量来给大棚室内供热。本试验对北方大棚土壤源太阳能热泵蓄热系统进行了研究。

1土壤源太阳能热泵的设计

1.1大棚模型及系统设计

本试验以北京顺义某一大棚为例，大棚宽度60 m，进深 8 m，背面墙高度2.5 m，墙厚为500 mm。根据当地太阳能及气象资料，系统设计为土壤源太阳能热泵供热系统，由土壤源太阳能热泵提供热量，末端采用墙面管道辐射和水平地下埋管地坪辐射供热系统，如图1所示。根据建设方提供的数据，供热设计负荷为20 kW。热泵主机由江苏常州海卡太阳能热泵有限公司生产，总共配备4台，3台常用，1台备用。[ZT）]

[FK（W9][TPJLL11.tif]

植物生长需要适宜的温度，根据中国农业百科全书（蔬菜卷）中的讲解，一般蔬菜作物的適宜生长温度在5～35 ℃ 之间，主根群深度不超过30 cm[8]。考虑植物还需要光合作用所必需的CO2和H2O，因此大棚每天早上08：00—10：00 需要进行通风换气，这样会导致大棚内的热量大量散失。本试验所述系统在满足室内温度要求的前提下，将热量通过水平横埋管储存于地下，地下埋管埋深40 cm，一方面提高了土壤温度有利于植物根系的生长，另一方面减少了通风换气时能量的流失。

1.2土壤源太阳能热泵原理及控制

土壤源太阳能热泵原理图如图2所示，系统包括太阳能热泵单元、土壤储/取能单元、土壤源热泵单元、室内空气调节单元和控制单元。系统分为2种运行模式：储能模式和供热模式。用温度探头分别探得太阳能集热器的板芯温度Tb、室外空气温度T0、大棚室内空气温度Ti，控制器根据各温度探头的温度信号，实现对太阳能压缩机、土壤源压缩机、第一水泵和第二水泵的启停控制。

[FK（W15][TPJLL22.tif]

1.2.1储能模式当Tb-T0>ΔT1（其中ΔT1为太阳能热泵设定的启动温差）时，开启第一水泵10、太阳能压缩机5，太阳能作为太阳能热泵的低温热源，制冷剂吸收太阳能蒸发再经过太阳能压缩机5提升温度后进入冷凝器4冷凝换热，冷凝热量经土壤储/取能单元储存至地下土壤；当Tb-T0<ΔT2（其中ΔT2为太阳能热泵设定的停机温差）时，关闭太阳能压缩机5和第一水泵10。

1.2.2供热模式当TiT2（其中T2为供热模式时大棚内空气温度设定的上限值）时，关闭第一、第二水泵和土壤源压缩机。

考虑到系统的简化设计，本试验所述系统没有制冷功能，当室内温度过高时，直接打开顶棚透气降温。

2试验研究

为检测系统效果，在北京顺义区某蔬菜基地搭建试验平台进行试验。试验数据采集设备有便携式温湿度仪HL-NT3-D、数显太阳能辐照仪、智能温度控制仪、套管式水银温度计、直角地温计、流量计。通过测量太阳辐照变化、室内外温度变化、供回水温度、水流量等参数对该土壤源太阳能热泵蓄热系统进行研究。

2.13个典型日蓄热系统的运行分析

本试验选择了晴天、阴天、阴晴天3个典型日对土壤源太阳能热泵蓄热系统的运行进行试验，得出了辐照变化对蓄热系统的影响如图3所示。

图3表明，太阳辐照强度直接影响太阳能热泵蓄热系统的供水温度，辐照越强，所取得的供水温度越高。供回水换热温差变化不大，一般在0～6 ℃之间，随着辐照增强有所增大。

[FK（W32][TPJLL33.tif]

当辐照较弱时，供回水温度基本相同，此时太阳能热泵处于停机状态。

2.2辐照强度对系统制热量及能效比（COP）的影响

根据试验测得的数据，对土壤源太阳能热泵蓄热系统的制热量及COP进行分析。系统的制热量为：

[JZ（]Q=C0qm（t1-t2）。[JZ）][JY]（1）

COP为：

[JZ（]COP=[SX（]QW[SX）]。[JZ）][JY]（2）

其中，C0为水的比热容，t1、t2为供回水温度，qm为水的质量流量，W为系统运行时的输入功率（包括水泵的耗功）。

由图4可以看出，系统的制热量受辐照条件影响较大，太阳辐照越强，制热量明显越大，反之，辐照强度降低，制热量也随之下降，系统的耗电量变化则不明显。由式（2）可知，系统COP也随太阳辐照增强而增大，随太阳辐照减弱而减小。根据3个典型日的试验数据，系统的单机制热量在4.1～8.0 kW 之间，平均COP在9.0以上，储热效果显著。

2.3试验大棚与对比大棚的比较分析

[CM（24]为研究大棚热泵土壤蓄热的效果，将供热模式时室内温[CM）]

[FK（W33][TPJLL44.tif]

度的下限值设为-20 ℃，系统只运行储能模式，在試验大棚和对比大棚中分别布置4个温度测点，用套管式水银温度计测量大棚室内气温，用直角地温计测量地下10 cm处地温，得出试验结果如图5、图6所示。

[TPJLL55.tif；S+2mm]

由图5可以看出，太阳能热泵土壤蓄热系统在白天对大棚室内温度影响不大，到了晚上由于储存在地下的热量会缓慢地释放到大棚室内，试验大棚较对比大棚室内温度要高，大棚室内温度日平均提升2.4 ℃。由图6可以看出，太阳热泵土壤蓄热对地温提升明显，与对比大棚相比，10 cm处温度平均每天可提升4.6 ℃，提升最大在中午12：00，最大提升 6.5 ℃。

3结论

太阳辐照强度直接影响土壤源太阳能热泵蓄热系统的供水温度，随辐照增强，供水温度升高，供回水温差变化不大，一般在0～6 ℃之间。

蓄热量受太阳辐照条件的影响较大，辐照越强，蓄热量越多。系统的COP随着辐照增强也有所增大，平均COP在9.0以上。

为了充分利用白天多余的太阳能，用大棚土壤来蓄热，可将地下10 cm处地温平均日提升4.6 ℃，最高提升6.5 ℃，由于储存在地下的热量缓慢散发，大棚室内温度平均日提升24 ℃，设计效果显著。

本试验对北方大棚实行太阳能热泵土壤蓄热进行了研究，为以后的工程设计提供了重要的参考价值。

[HS2][HT8.5H]参考文献：[HT8.SS]

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