直膨式太阳能热泵温室加温的试验研究

发布时间：2020-07-22 09:17

【摘要】：为解决化石能源在温室冬季加温中存在的节能性差、环保不达标的问题,论文在前人研究的基础上,设计了直膨式太阳能热泵根际-空气温室加温系统,并对其在大跨度主动蓄能型温室内的加温效果、运行性能、集热效率和节能率进行了分析,确定了直膨式太阳能热泵的集热性能系数同集热条件的关系,提出了系统集热的优化运行模式。通过计算北京地区温室采暖热负荷,设计并安装了一套直膨式太阳能热泵系统,研究分析了该系统在不同集热条件下的集热效率、集热性能系数和节煤减排效益。设计密闭式主动蓄放热系统,并研究分析了系统的可行性、集热流体均匀性、稳定性和集热流体流量同集热效率的关系。研究所得主要结论如下:1)大跨度主动蓄能型温室直膨式太阳能热泵根际与空气结合的加温方式:加温效果明显,不同天气条件下试验区的根际温度在17.9℃以上,比对照区高1.5℃,空气温度在11.6℃以上,比对照区高3.6℃,相对湿度在90.8%以下,比对照区低3.2%;热能利用率高、节能效果突出,连续阴天和连续晴天所集热能的利用率分别达到了97.2%和92.7%,整套系统的节能率分别达到了47.2%和50.4%,整套系统的性能性能系数COP_(total)分别达到了1.87和2.02;集热效率高、集热性能稳定,不同天气条件下集热系统均能在设定时间内达到设定集热温度目标,且其集热性能系数COP_c在2.3以上,其集热效率在149.6%以上;根据集热条件调节系统集热的运行模式可进一步提高系统性能系数。2)按照北京地区连栋温室采暖热负荷设计值145.4W/m~2,选择功率为16.6W/m~2的直膨式太阳能热泵即可满足温室加温需求。试验测试结果表明:白天系统集热效率均高于498.2%,且随集热起始时刻的推移略有下降;晴天或阴天的白天系统均能达到设定温度值50℃,且晴天的性能系数比阴天高0.6,而夜间则天气对系统集热性能影响不大,系统在晴天和阴天夜间的性能系数分别为2.5和2.4;系统节煤减排效果明显,不同天气下系统白天和夜间的节煤量分别高于217.7kg和119.6kg,CO_2减排量分别为高于544.3kg和298.0kg,SO_2减排量分别高于16.3kg和9.0kg。3)设计了一套密闭式主动蓄放热系统,试验结果表明:密闭式主动蓄放热系统切实可行,集热流体流动均匀稳定,36组集热板构成的系统允许流入的集热流体流量范围为3.51~9.52m~3/h,对应系统输入功率为0.6~1.0kW;单组集热板的集热流体流量范围和输入功率范围分别为0.10~0.27m~3/h和0.61~0.028kW;同等集热条件下,最大流量的集热量为574.6MJ,比最小流量多集了186.9MJ的热能,耗电量为28.9MJ,比最小流量多耗了11.88MJ的电能,集热效率为92.7%,比最小流量高30.0%,集热性能系数为19.2,比最小流量低2.3。根际与空气结合的加温方式加温效果好,热能利用充分,且间接提高了系统的性能,根据集热条件调节直膨式太阳能热泵的运行模式可进一步提高系统的集热性能。将直膨式太阳能热泵以及密闭式主动蓄放热系统用于连栋温室加温将极大地减少传统温室加温方式带来的能源浪费,有效避免环境污染,是温室节能加温的新方法。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S625
【图文】：

示意图,结构示意图,温室

集热效率和系统的节煤减排效益，为系统在温室内的设计和应用提供了理论依据。3.1 连栋温室直膨式太阳能热泵系统设计连栋温室是一种重要的温室结构形式，为我国果蔬、花卉、食用菌等温室作物的稳定供给提供了有力的保障。设计一种绿色、节能、可持续的加温方式，将极大地促进连栋温室产业提质增效。科学合理的温室加温系统选择和设计，是实现温室节能加温的前提和重要保障。直膨式太阳能热泵结合了太阳能技术和热泵技术的优势，为连栋温室的加温提供了新的选择。3.1.1 试验温室试验温室为 5 连跨 6 开间拱顶连栋温室，温室位于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（纬度 40°13′N，经度 116°65′E），其结构示意图见图 3.1，其实物示意图见图 3.2。温室东西走向，坐北朝南，采用钢结构骨架，覆盖材料为 PO 膜，温室长52m，跨度 5×8m，脊高 5.5m，檐高 4.0m，种植面积 2000m2，温室顶部及四立面均有内保温被，其中北侧立面有总长 43m，高 2.5m 的冷库板。温室内部有预留地下蓄热水池位置，外部南面预留无遮挡空地。

示意图,实物,示意图,温室

图 3.2 连栋温室实物示意图Fig.3.2 Diagram of entity of multi-span室热负荷计算温系统设计是一个复杂的系统工程，其中温室采暖热负荷是温室加温系统实现温室采暖热负荷与设备供暖能力的相对匹配，将直接决定温室加温系负荷因温室本身所在地理位置，环境条件，温室结构形式、及所用建造材物、及不同生长阶段的作物需求等因素的不同而不同。通常，温室采暖热热损失、冷风渗透传热损失和地面传热损失这 3 部分组成，为此在针对某以下公式（薛东岩等，2016）进行计算： h= 1+ 2+ 3（3.1） h为温室采暖总热负荷，kW； 1为围护结构传热损失，kW； 2为冷风渗透地面传热损失，kW。构传热损失构包括温室的基础、骨架结构、墙体结构、覆盖物、门窗等，其可由下式 = ∑ ( ) （3.2）

示意图,水池,示意图,温室

跟地面土壤种类、土壤含水量、种植作物种类及其长势均有关系，常取温室损失总热量的5%～10%，有保温隔热措施的温室可将热损失降面分区法（周增产，2004）进行计算，其计算公式如下： 3= ∑ b b( in ) （3.5）第 b 区地面的传热系数，W/(m2 K)； b为第 b 区的地面面积，m2。温室顶部及四立面均有厚度为 30mm 的保温被，故将温室看成一个长m、4.5m 立方体，温室内拟在冬季种植番茄故取室内设计温度为 15℃区近 20 年累计最低气温平均值-15℃。四立面及顶部保温被厚度为 .04 K ℃，由公式（3.1）～（3.5）计算得温室的总采暖热负荷 h为池热水池结构示意图，蓄热水池于温室建设时同期建造，为 2 个完全一池，其有效容积为 10m3，分别位于温室自西向东第四和五开间靠南柱状，近地面收口并留有直径为 800mm 的工作井与地面水平，不影构由内向外依次为 PE 材质塑料桶、100mm 挤塑保温板、150mm 黏

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