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1、第 29 卷 第 19 期 农 业 工 程 学 报 Vol.29 No.19 168 2013 年 10 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Oct.2013 主动蓄放热-热泵联合加温系统在日光温室的应用 摘 要：为提高主动蓄放热系统集热效率，增强日光温室抵御低温能力，设计了一套主动蓄放热-热泵联合加温系统。白天运行主动蓄放热系统，将北墙获得的太阳辐射能储存到蓄水池中；根据天气情况及蓄水池水温变化适时开启热泵机组，降低主动蓄放热系统循环水温，进而提升其集热效率；夜间室内气温较低时，通过主动蓄放热系统
2、放热。试验结果表明：与对照温室相比，试验温室夜间气温高出 5.266.64；热泵机组制热性能系数 COPHp为 4.385.17，主动蓄放热系统可为热泵机组热源提供充足的热量，保证理想的热源温度；在日光温室特定的光热环境下，主动蓄放热-热泵联合加温系统的集热效率达到了 72.32%83.62%，总体 COPSys值达 5.59，节能效果显著。该研究为提高日光温室夜间温度提供了新思路。关键词：温室，热泵，蓄热，日光温室，放热 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.19.021 中图分类号：S625.4 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2013)-19-
3、0168-10 孙维拓，杨其长，方 慧，等.主动蓄放热-热泵联合加温系统在日光温室的应用J.农业工程学报，2013，29(19)：168177.Sun Weituo,Yang Qichang,Fang Hui,et al.Application of heating system with active heat storage-release and heat pump in solar greenhouseJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2
4、013,29(19):168177.(in Chinese with English abstract)0 引 言 日光温室是中国特有的一种以日光为主要能量来源的温室结构型式，具有高效、节能和低成本等显著特征，已经成为中国“三北地区”蔬菜反季节生产和农民致富的重要手段。日光温室白天利用北墙蓄积热量、夜晚释放增温，由于墙体材料的传热特性和热容量的限制，热能蓄积与释放过程缓慢，蓄、放热量有限，冬季低温及冷害时有发生，影响作物产量和品质1-6。因此，提升日光温室蓄放热能力、减少低温冷害已经成为当前日光温室最紧迫的任务7-13。近年来，如何提升日光温室蓄放热能力的研究得到极大关注，张义等提出了主动式蓄
5、放热思想，即白天利用流体介质的循环不断将到达墙体 收稿日期：2013-04-03 修订日期：2013-08-25 基金项目：863 计划资助课题（2013AA102407）；国家自然科学基金资助项目（31071833）；国家科技支撑计划（2011BAE01B00）；公益性行业（农业）科研专项（201203002）作者简介：孙维拓（1989），男，山东邹城人，主要从事设施农业环境工程方面的研究。北京 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，100081。Email： 通信作者：杨其长（1963），男，安徽无为人，博士，研究员，博士生导师，主要从事设施园艺环境工程研究。北京 中国农业科学院农业环
6、境与可持续发展研究所，100081。Email： 表面的太阳辐射能吸收并蓄积起来，夜间再通过流体的循环释放热量，变日光温室被动蓄放热方式为主动蓄放热方式，实现热量在空间、时间上的转移，从而提高太阳能利用效率，提升温室夜间温度14-15。但主动蓄放热系统在高寒地区以及太阳辐射较弱的天气等条件下，室内温度仍难以保证。热泵作为一种高效的能量提升手段，被越来越多的应用于温室加温16-29，主动蓄放热系统与热泵结合可有效降低循环水温，进而提升集热效率。因此，为提升主动蓄放热系统加温性能和稳定性、提高日光温室夜间温度，在主动蓄放热思想的基础上，本研究设计了一套用于日光温室夜间加温的主动蓄放热-热泵联合加温
7、系统，并对其加温效果和性能进行了试验测试，以期为日光温室蓄热保温技术升级提供新途径。1 试验系统设计 1.1 试验温室 2012 年 12 月 5 日2013 年 2 月 5 日对主动蓄放热-热泵联合加温系统进行了试验测试。试验日光温室位于北京市昌平区小汤山现代农业科技示范园西区，温室东西走向，长 49 m，跨度 8 m，后墙高 2.5 m，脊高 3.7 m，后坡长 1.5 m，后坡仰角 45，采用钢骨架结构，前坡覆盖材料第 19 期 孙维拓等：主动蓄放热-热泵联合加温系统在日光温室的应用 169 为单层 0.08 mm PVC 塑料薄膜，北墙内侧为12 cm 厚红砖，外侧为 24 cm 厚红
8、砖，中间为10 cm 厚聚苯板，后坡内侧为 10 cm 厚预制板，外侧为 10 cm 厚聚苯板。对照温室结构、材料和建造时间均与试验温室相同，两温室南北方向间距 8 m。试验温室使用主动蓄放热-热泵联合加温系统；对照温室不使用任何加温设施，只靠后墙蓄热增温。试验期间保温被 08:30 揭开，16:00覆盖。系统测试前于 2012 年 12 月 2 日12 月 3 日进行了室内基础气温的测定，结果显示白天（08:3016:00）试验温室和对照温室平均气温分别为 11.80 和 11.40，试验温室气温略高，主要原因是其北墙装有主动蓄放热装置，黑膜太阳辐射吸收系数高、升温快；夜间（16:0008:
9、30）试验温室和对照温室平均气温分别为7.36 和 7.56，单因素方差分析显示两者无显著差异（P0.05），因此试验温室和对照温室的选择是合理的。1.2 系统组成 主动蓄放热-热泵联合加温系统由主动蓄放热系统、热泵机组和蓄热水池等部分组成。主动蓄放热装置、循环水泵和循环管道构成了温室的主动蓄放热系统，白天用于集热，晚上放热。主动蓄放热装置安装于北墙内侧距地面0.4 m 高处，集热材料为双层黑色 PE 膜，双层膜紧密贴合，循环水在双层膜间流动，装置采用单元式结构，单元高 2 m，宽 1.35 m，共 29个单元，单元间距 0.15 m；循环水泵 2 台，额定流量分别为 10 和 7 m3/h，
10、扬程 10 m；循环管道由不同口径的 PVC 管连接而成，管外覆盖保温 套。热 泵 机 组 型 号 为DISMY DDR-192GSPA1-PA，额定制热量 21 kW，额定制热输入功率 5.12 kW，机组水泵为格兰富 CH4-20，蒸发器侧水流量 3.3 m3/h，冷凝器侧水流量1.83.9 m3/h。蓄热水池由蓄水池和组成，两者中间由 80 的截止阀控制连通，蓄水池为热泵机组热源，实际蓄水量 1.725 m3，蓄水池为热泵机组热汇，实际蓄水量 5.625 m3，蓄热水池主体材料为 12 cm 厚普通黏土砖墙，外表面紧贴 10 cm 厚聚苯板，内表面涂抹 0.3 cm厚防渗水泥砂浆。热泵机
11、组和蓄水池位于温室中部，图 1 为系统平面布局图。1.3 系统工作原理 日光温室主动蓄放热系统吸收太阳辐射能并将热量储存到蓄水池中，源源不断的为热泵机组热源提供热量，使热泵机组蒸发器侧热源温度稳定较高，可有效提高热泵机组 COP 值。同时，热泵机组不断将蓄水池中的热量泵取至蓄水池，降低主动蓄放热系统集热阶段的循环水温，有助于提高主动蓄放热系统的集热效率并延长集热时间，最终提升系统加温性能和稳定性。1.北墙 2.过道 3.主动蓄放热装置 4.水泥台 5.热泵机组 6.膨胀阀 7.压缩机 8.蒸发器 9.冷凝器 10.循环管道 11.循环水泵 12.阀门 13.蓄水池 14.蓄水池 1.North
12、 wall 2.Passageway 3.Active heat storage-release device 4.Cement and sand screed 5.Heat pump unit 6.Expansion valve 7.Compressor 8.Evaporator 9.Condenser 10.Circulating pipe 11.Water circulating pump 12.Valve 13.Reservoir 14.Reservoir 图 1 主动蓄放热-热泵联合加温系统平面布局图 Fig.1 Plane layout diagram of active heat
13、 storage-release associated with heat pump heating system 1.4 系统运行方式 如图 2 所示系统运行分为 4 个阶段：1）早上 08:30 揭开保温被，同时开启循环水泵，关闭阀门 1，打开阀门 2 和 3，主动蓄放热系统开始集热。此阶段蓄水池和连通，水温不断升高，如图 2a。2）下午，根据天气情况及蓄水池水温变化适时开启热泵，同时打开阀门 1，关闭阀门 2 和 3，一般热泵开启时间在 12:0013:30 之间，多云天气和阴天早开，晴天晚开，运行 1.53 h。此阶段蓄水池和断开连通，蓄水池由主动蓄放热系统持续供热，并作为热泵机组的热
14、源，水温逐渐下降，蓄水池作为热汇，水温逐渐升高，如图 2b。3）保温被覆盖之前适时关闭热泵，一般预留 0.5 h 单独运行主动蓄放热系统为蓄水池回温，然后关闭循环水泵，系统白天集热阶段结束。此阶段蓄水池水温升高，蓄水池水温不变，如图 2c。4）夜间室内气温降低，00:0008:30 运行主动蓄放热系统为温室供热。此阶段蓄水池和连通，水温逐渐降低，如图 2d。农业工程学报 2013 年 170 a.阶段 1 a.Period 1 b.阶段 2 b.Period 2 c.阶段 3 c.Period 3 d.阶段 4 d.Period 4 图 2 系统运行方式示意图 Fig.2 Schematic
15、diagram of system operation mode 2 试验方法 2.1 测试仪器与测点布置 选用T型热电偶作为温度传感器分别对试验温室气温、蓄水池和水温、主动蓄放热系统供回水温度、热泵蒸发器侧进出水温度、热泵冷凝器侧进出水温度进行测量，精度为0.2，气温传感器做防辐射处理，水温传感器做防锈处理。选用美国坎贝尔公司生产的 CR1000 数据采集仪进行数据记录。其中，试验温室气温测点 5 个，分别布置于日光温室跨中距东墙 12、24 和 36 m 处，距东墙 24 m，距北墙 2 和 6 m 处，测点距地面 1.5 m；蓄水池和水温测点置于蓄水池中部。选用美国坎贝尔公司生产的太阳辐
16、射传感器测量北墙太阳辐射量，准确度为 0.5%，测量范围为02 000 W/m2，探头置于北墙内表面距东墙 24 m、距地面 1.5 m 高处。选用德图公司生产的 testo174T 型温度自动记录仪测量对照温室气温、室外气温，精度为0.2，测量范围为-3070，对照温室气温测点布置同试验温室，室外气温测点置于东侧山墙外 1.5 m 高处。选用普通电参数表记录热泵机组和循环水泵用电量、瞬时功率。选用大连索尼卡仪表公司生产的 FV 系列手持式超声波流量计测量主动蓄放热系统循环水泵流量，热泵机组冷凝器侧、蒸发器侧水流量。所有设备仪器自动采集数据时间步长为10 min。2.2 系统集放热过程计算 试
17、验中蓄水池、水温变化与系统的集放热过程紧密相关，系统实际供热量 QSup、系统总制热量QSys、热泵机组制热量 QHp可由下式计算得出15 1,12,2()SupwwSupSupQCTVTV （1）1,12,2()SyswwSysSysQCTVTV （2）2,2HpwwHpQCTV （3）式中，w为水的密度，取 1.0103 kg/m3；Cw为水的比热容，取4.2 kJ/(kg)；T1,Sup、T2,Sup，T1,Sys、T2,Sys，分别为系统供热阶段、系统集热阶段蓄水池、水温变化，；T2,Hp为热泵机组运行阶段蓄水池水温变化，；V1、V2分别为蓄水池、实际蓄水量，m3。热泵机组制热性能系数
18、 COPHp计算式为26 HpHpHpQCOPE （4）式中，QHp为热泵机组运行阶段制热量，kJ；EHp为热泵机组运行阶段的耗电量，kJ。热泵机组瞬时COPHp,ins值计算式为26,d/d3600CowCowCoHp insHpHpQtq CTCOPPP （5）式中，dQCo为单位时间内热泵机组冷凝器侧输出热量，kJ；PHp为热泵机组瞬时输入功率，kW；qCo第 19 期 孙维拓等：主动蓄放热-热泵联合加温系统在日光温室的应用 171 为热泵机组冷凝器侧循环水流量，实测 1.84 m3/h；TCo为冷凝器侧瞬时供回水温差，。主动蓄放热系统的集热效率计算式为14 1000ActActActT
19、 ActQAI t （6）ActSysHpQQE （7）式中，Act为主动蓄放热系统集热效率；QSys为系统集热阶段总制热量，kJ；QAct为主动蓄放热系统集热量，即系统太阳辐射吸收总量，kJ，计算时忽略热泵循环的不可逆损失；AAct为主动蓄放热装置有效集热面积，m2；IT为平均太阳辐射量，W/m2；tAct为主动蓄放热系统的集热时间，s。主动蓄放热系统的集热功率计算式为 ActTActPI （8）式中，PAct为主动蓄放热系统集热功率，W/m2。整个系统的COPSys值计算式为27 SysSysHpPumpsQCOPEE （9）式中，EPumps为主动蓄放热系统白天集热阶段循环水泵的耗电量，
20、kJ。3 试验结果与分析 选取2012年12月22日12月27日此冬天最 冷的连续5 d的试验数据进行分析，天气状况为晴天或多云。热泵机组在12月22日12月23日运行1.5 h，12月23日12月24日运行2.75 h，其后3 d运行2 h；主动蓄放热系统在12月23日12月24日白天集热时间为08:3016:00，其余4 d白天集热时间皆为08:3015:30。由于系统白天集热、夜间放热，为便于分析系统加温规律，本文将08:30次日 08:30视为一个加温周期。3.1 系统加温效果 3.1.1 总体加温效果 表1所示为2012年12月22日12月27日连续5个夜间试验温室和对照温室室内、外
21、气温及系统供热量变化具体数值。连续5个夜间系统实际供热量为3.111053.97105 kJ，试验温室平均气温为9.0210.33，比对照温室提高5.266.64，最低气温提高5.196.38，室内外温差为21.6227.55。白天运行主动蓄放热系统吸收太阳辐射能，开启热泵进行能量提升，因此，夜间供热量主要来源于太阳辐射能及少部分的电能，这样通过试验温室和对照温室夜间室温的对比，可以看出系统加温效果非常明显，但整体室内气温偏低，其原因：1）外界环境温度过低，最低达-18.80；2）试验日光温室已使用多年，保温性能降低。表 1 夜间温室内、外热环境参数 Table 1 Thermal envir
22、onmental parameters inside and outside of greenhouses at night 试验温室气温 Experimental greenhouse indoor air temperature/对照温室气温 Comparative greenhouse indoor air temperature/室外气温 Outdoor air temperature/日期 Date 平均值 Average 最低值 Minimum 平均值 Average 最低值 Minimum 平均值 Average 最低值 Minimum 供热量 QSup Heating load
23、/kJ 2012-12-22 至 2012-12-23 9.12 7.82 3.86 2.63-13.45-15.10 3.14105 2012-12-23 至 2012-12-24 10.05 8.55 3.41 2.17-17.50-18.80 3.97105 2012-12-24 至 2012-12-25 9.67 8.68 3.98 3.13-11.95-13.50 3.39105 2012-12-25 至 2012-12-26 10.33 8.94 3.79 2.63-15.38-16.50 3.78105 2012-12-26 至 2012-12-27 9.02 7.94 3.46
24、 2.47-14.98-15.70 3.11105 注：温度及供热量为系统供热阶段（00:0008:30，不包括 00:00）数据。Note:Temperatures and heating load were the data during system heating period(00:008:30,exclusive of 00:00).3.1.2 温室昼夜气温变化特征 选取2012年12月24日12月25日典型晴天分析试验温室和对照温室室内气温日变化特征。图3所示为12月24日12月25日室内、外气温及太阳辐射量变化曲线，可以看出白天和夜 间 试 验 温 室 气 温 均 高 于 对
25、照 温 室，白 天（08:3016:00）、前半夜（16:0024:00）和后半夜（00:0008:30）温差分别为3.29、2.06和5.69，系统加温效果显著。24日早上08:30揭开保温被，试验温室气温8.78，对照温室气温2.37，温差为6.41，这是系统夜间供热的结果。随着太阳辐射量的增加，试验温室和对照温室气温逐渐升高且前者气温一直高于后者，前者在13:20达到最高值27.39，后者在13:10达到最高值26.60，主要原因：1）试验温室初始气温高于对照温室；2）在试验温室中11:00之前循环 水 温 度 一 直 高 于 室 内 气 温 且 最 大 温 差 为8.82，主动蓄放热系
26、统在吸收太阳辐射的同时也在向室内空气释放热量。由于室外温度很低，温室向外散失热量迅速，13:20以后随着太阳辐射量降低，室内气温开始下降，即使此阶段运行热泵，主动蓄放热系统循环水温仍高于试验温室农业工程学报 2013 年 172 气温，温差从0.41逐渐增大到6.66，循环水不断向室内空气释放热量，直至15:30系统运行结束，16:00覆盖保温被时试验温室气温13.63，对照温室气温11.67，温差为1.96。前半夜室内气温下降相对平缓，到24:00主动蓄放热系统供热之前，试验温室和对照温室气温分别降至7.24和5.23，温差为2.01，主要原因：1）16:00覆盖保温被时试验温室基础气温比对
27、照温室高；2）在试验温室中，虽然蓄水池保温性能良好，但水温与室内气温、土温具有较大温差，此阶段蓄水池也会向室内空气和土壤散失热量，对室内气温产生一定影响，经计算16:0024:00蓄水池散失热量7.04104 kJ。后半夜系统供热，试验温室气温先升高再缓慢下降，对照温室气温逐渐下降。注：2012 年 12 月 24 日至 12 月 25 日。Note:From Dec.24 to Dec.25,2012.图 3 试验温室与对照温室室内气温对比 Fig.3 Indoor air temperature comparison between experimental and comparative
28、 greenhouse 3.1.3 试验温室南北方向气温分布 图4所示为2012年12月24日-12月25日沿试验温室东西中心线南北方向气温分布情况，可以看出白天距北墙2、4和6 m处温度变化基本相同，其中距墙2 m处平均气温为19.93，比距北墙4和6 m处分别低0.17和0.10。覆盖保温被以后，前半夜距北墙2、4和6 m处平均气温分别为10.24、10.21和10.01，距北墙6 m处气温略低，这是由于北墙蓄积的热量在前半夜缓慢向温室释放，离北墙越近温度越高，同时与北墙及后坡相比，前坡的保温覆盖材料传热系数更大，再加上保温被并不能完全覆盖前坡，特别是在前坡与基墩结合处的部分区域塑料薄膜直
29、接与外界环境接触，使得距离北墙越远的区域气温越低。后半夜系统供热，距北墙2 m处气温为10.14，比距墙4和6 m处分别高出0.47和0.68，温差比白天明显，但最大不超过0.93。由此可见，系统运行对温室南北方向温度梯度影响较小，室内气温分布比较均匀。注：2012 年 12 月 24 日至 12 月 25 日。Note:From Dec.24 to Dec.25,2012.图 4 试验温室南北方向气温变化曲线 Fig.4 Indoor air temperature curves of the experimental greenhouse in south-north direction
30、3.2 系统及组件性能分析 3.2.1 热泵机组性能 表2为连续5 d热泵机组运行时间及制热工况性能参数，可以看出热泵机组COPHp值为4.385.17，冷 凝 器 侧 出 水 温 度 为41.1146.92，随着冷凝器侧出水温度的提高，热泵COPHp值逐渐降低。传统水、地源热泵在制热工况下，当蒸发器的进水温度升高时蒸发温度升高，蒸发压力增大，制热量增加，但因此引起的压缩机输入功率的增加缓慢，COPHp值增大；当蒸发器侧进水温度增大到一定数值后，进水温度对COPHp值的影响减小30-31。12月24日12月27日连续3 d热泵开启时间皆为2 h，蒸发器侧进水温 度 为23.9427.74，热
31、泵 机 组 制 热 量1.9331051.944105 kJ，相差较少，且随着蒸发器侧进水温度的升高，热泵制热量逐渐增加，但小于能耗增加幅度，COPHp值逐渐降低，这说明相对于蒸发器侧进水温度，冷凝器侧出水温度成为制约热泵COPHp值的主要因素。因此，在冬季晴天及多云天气，主动蓄放热系统可以为热泵热源提供充足的热量，保证理想的热源温度。12月25日12月26日白天平均太阳辐射量为305.65 W/m2，12月26日-12月27日白天平均太阳辐射量为196.11 W/m2，在13:00开启热泵时第 19 期 孙维拓等：主动蓄放热-热泵联合加温系统在日光温室的应用 173 蓄水池水温分别为29.7
32、3和24.98，前者大于后者，冷凝器侧水温和冷凝温度升高，热泵机组COPHp值前者低于后者。图5a所示为12月25日热泵机组运行阶段瞬时COPHp,ins值及蓄水池、水温随时间变化曲线。从13:00起蓄水池、断开连通，蓄水池作为热泵热汇水温逐渐升高。蓄水池水温变化受多种因素影响，热泵启动时初始水温29.83，13:10到达最大值30.28，此阶段主动蓄放热系统提供的热量大于热泵蒸发器侧吸收的热量，水温不断升高；13:1014:00热泵稳定运行，随着太阳辐射量由294.3 W/m2逐渐下降到77.01 W/m2（如图5b），主动蓄放热系统提供的热量小于热泵蒸发器侧吸收的热量，水温下降至26.02
33、；14:10太阳辐射量突然增加至388.5 W/m2，之后蓄水池热量出入基本持平，水温变化不大。热泵机组启动电流大，能耗高，2台压缩机启动具有时间间隔，因此在热泵开启后的10 min内瞬时COPHp,ins值较小，13:10以后热泵运转正常，瞬时COPHp,ins值随蓄水池水温的升高逐渐降低，受蓄水池I水温变化影响较小。由此可见，在太阳辐射相对较弱的天气，热泵开启时蓄水池基础水温低，热泵COPHp值大，系统节能效果更显著。表 2 热泵机组制热工况性能参数 Table 2 Performance parameters of heat pump unit under heating working
34、 conditions 蓄水池水温 Temperature of reservoir 日期 Date 热泵机组 启停时间 Heat pump unit start-stop time 蒸发器侧 进水口温度 Evaporator inlet temperature/冷凝器侧 出水口温度Condenser outlet temperature/始温 Initial/终温 Final/温升 Increase/热泵机组 制热量 QHp Heat pump unit heating capacity/kJ 热泵机组 耗电量 EHp Heat pump unit electricity consumpti
35、on/(kWh)COPHp值COPHp value 2012-12-22 至 2012-12-23 13:3015:00 25.99 41.63 26.35 32.22 5.87 1.387105 8.05 4.79 2012-12-23 至 2012-12-24 13:0015:45 29.97 46.92 28.68 39.66 10.98 2.594105 16.45 4.38 2012-12-24 至 2012-12-25 13:0015:00 26.66 43.88 27.15 35.36 8.21 1.940105 11.40 4.73 2012-12-25 至 2012-12-2
36、6 13:0015:00 27.74 46.49 29.73 37.96 8.23 1.944105 11.85 4.56 2012-12-26 至 2012-12-27 13:0015:00 23.94 41.11 24.98 33.16 8.18 1.933105 10.39 5.17 注：各参数为系统白天集热热泵运行阶段数据。Note:Parameters were the data during the heat pump unit running in the daytime.a.热泵机组瞬时 COPHp,ins值与蓄水池水温变化 a Curves of instantaneous
37、COPHp,ins value of heat pump unit and water temperature of the reservoirs b.太阳辐射量变化 b.Amount of solar radiation curves 注：2012 年 12 月 25 日.Note:Dec.25,2012.图 5 热泵机组瞬时 COPHp,ins值与蓄水池水温及太阳辐射量变化 Fig.5 Curves of instantaneous COPHp,ins value of the heat pump unit,water temperature of the reservoirs and a
38、mount of the solar radiation 3.2.2 主动蓄放热系统供回水温度变化 图6所示为2012年12月24日主动蓄放热系统白天集热阶段供回水温度变化曲线，可以看出09:30之前室内气温较低，循环水吸收的太阳辐射能小于向室内空气释放的热量，回水温度小于供水温度；09:30以后主动蓄放热系统开始有效蓄热，随着太阳辐射量和室内气温的升高，供回水温差逐渐增加，12:00供回水温差达到最大值1.28，此时太阳辐射量414.3 W/m2，室内气温26.45，供水温度24.17；由于水温的升高及太阳辐射量的降低，12:0013:00供回水温差逐渐下降至1.16；13:0015:00热
39、泵开启，供水温度逐渐下降，但随着太阳辐射量和室内气温的降低，供回水温差先略微上升然后逐渐下降至0.80；15:0015:30蓄水池I供水温度回升，供回水温差继续降低。在整个集热阶段，供回水温差即主动蓄放热系统的集热功率主要取决于太阳辐射量，受农业工程学报 2013 年 174 室内气温与供水温度的制约，开启热泵可有效降低供水温度，在系统设计、施工时，将主动蓄放热系统循环水泵放于靠近热泵蒸发器侧出水口位置，降温效果更加明显。注：2012 年 12 月 24 日。Note:Dec.24,2012.图 6 主动蓄放热系统白天集热阶段供回水温度变化曲线 Fig.6 Supply and return
40、water temperature curves of active storage-release system during heat collecting period 3.2.3 系统整体性能 表3所示为2012年12月22日12月27日白天集热阶段系统及其组件集热参数。12月22日12月23日白天系统集热阶段室内平均气温为21.54，仅比12月24日12月25日高1.02，太阳辐射也最为接近，但前者主动蓄放热系统的集热效率为5 d中最高，后者为5 d中最低，这是由于12月22日12月23日蓄水池初始水温为14.17，12月24日12月25日为19.33，分别为5 d中循环水初始进水温
41、度的最低和最高值，可见循环水温对主动蓄放热系统的集热效率影响很大，水温越低，集热效率越高。连续5 d中，适时开启热泵将蓄水池中的热量泵至蓄水池，主动蓄放热系统集热阶段的循环水最高进水温度被控制在25.0231.25，可将主动蓄放热系统的集热效率Act提升至72.32%83.62%，集热功率PAct为156.26258.05 W/m2。系统耗能组件包括热泵机组和主动蓄放热系统循环泵，热泵机组在不同工况下输入功率不同，实测2台循环水泵运行总功率为1 700 W。测得连续5 d系统白天集热总耗电量为118.49 kWh，蓄热总量2.39106 kJ，整个系统的COPSys值为5.59，节能效果显著。
42、表 3 系统及其组件集热参数 Table 3 Heat collecting parameters of the system and its components 日期 Date 太阳辐射量 IT Solar radiation/(Wm-2)系统总 制热量 QSys Heating capacity of the whole system/kJ 主动蓄放热 系统集热量 QAct Heat collecting capacity of the AHSRS/kJ 主动蓄放热 系统集热效率 Act Heat collecting efficiency of the AHSRS/%主动蓄放热 系统集
43、热功率 PAct Heat collecting powerof AHSRS/(Wm-2)2012-12-22 至 2012-12-23 287.77 5.04105 4.75105 83.62 240.63 2012-12-23 至 2012-12-24 343.31 6.05105 5.46105 75.17 258.05 2012-12-24 至 2012-12-25 258.19 4.09105 3.68105 72.32 186.72 2012-12-25 至 2012-12-26 321.42 5.23105 4.80105 75.71 243.36 2012-12-26 至 20
44、12-12-27 208.81 3.46105 3.08105 74.84 156.26 注：太阳辐射量为白天系统集热阶段试验温室北墙太阳辐射量均值；AHSRS 表示主动蓄放热系统。Note:Solar radiation was the average value reaching the north wall surface during system heating period in the daytime;AHSRS is the active heat storage-release system.4 结论与讨论 应用主动蓄放热-热泵联合加温系统提高日光温室夜间温度是可行的，应用热
45、泵提升主动蓄放热系统集热效率，增加总体蓄热量是有效的，通过本试验研究，得出以下结论：1）冬季晴天或多云天气运行主动蓄放热-热泵联合加温系统，试验温室白天和夜间气温均大于对照温室，可提升夜间气温5.266.64。2）本试验条件下，连续5 d热泵机组COPHp值为4.385.17，主动蓄放热系统可为热泵热源提供充足的热量，保证理想的热源温度，冷凝器侧出水温度成为影响热泵COPHp值的主要因素，水温提升越高，COPHp值越低。3）在日光温室特定的光热环境下，适时运行热泵机组1.53 h，可将主动蓄放热系统的集热效率提升至72.32%83.62%，集热功率为156.26258.05 W/m2，整个系统
46、COPSys值为5.59，节能效果显著。此外，主动蓄放热装置采用廉价材料，与传统水、地源热泵机组相比，本系统以太阳辐射能作为热源，无需打井或埋管，夜间通过主动蓄放热系统进行放热，也无需安装风机盘管等散热设备，因此这种做法大大降低了初投资费用及运行费用。为进第 19 期 孙维拓等：主动蓄放热-热泵联合加温系统在日光温室的应用 175 一步节约能耗，在太阳辐射强烈的晴天也可单独采用主动蓄放热系统为温室加温；在连阴天和雪天，可连续运行热泵机组提升蓄水池水温，用作应急加热。该系统的应用研究刚刚开始，还处于试验的初级阶段，系统各组件参数配置、施工工艺还有待优化和完善，不同天气条件下的运行控制模式、加温效
47、果、能耗以及经济性都会在后续的试验中加以分析和验证。参 考 文 献 1 李建设，白青，张亚红.日光温室墙体与地面吸收放热量测定分析J.农业工程学报，2010，26(4)：231236.Li Jianshe,Bai Qing,Zhang Yahong.Analysis on measurement of heat absorption and release of wall and ground in solar greenhouseJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of
48、the CSAE),2010,26(4):231236.(in Chinese with English abstract)2 马承伟，卜云龙，籍秀红，等.日光温室墙体夜间放热量计算与保温蓄热性评价方法的研究J.上海交通大学学报，2008，26(5)：411415.Ma Chengwei,Bu Yunlong,Ji Xiuhong,et al.Method for calculation of heat release at night and evaluation for performance of heat preservation of wall in solar greenhouse
49、J.Journal of Shanghai Jiaotong University,2008,26(5):411 415.(in Chinese with English abstract)3 佟国红，王铁良，白义奎，等.日光温室墙体传热特性的研究J.农业工程学报，2003，19(3)：186189.Tong Guohong,Wang Tieliang,Bai Yikui,et al.Heat transfer property of wall in solar greenhouseJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural En
50、gineering(Transactions of the CSAE),2003,19(3):186189.(in Chinese with English abstract)4 佟国红，David M Christopher.墙体材料对日光温室温度环境影响的 CFD 模拟J.农业工程学报，2009，25(3)：153157.Tong Guohong,David M Christopher.Simulation of temperature variations for various wall materials in Chinese solar greenhouses using comp