宋衛(wèi)堂 李涵 王平智

為探究表冷器-風機集放熱系統(tǒng)的集熱性能，團隊在內蒙古自治區(qū)赤峰市益康農業(yè)專業(yè)合作社的某大跨度外保溫塑料大棚里進行了測試。具體試驗過程如下：

試驗系統(tǒng)組成

試驗大棚

試驗塑料大棚位于內蒙古自治區(qū)寧城縣大城子鎮(zhèn)（118.9°E，41.7°N），東西走向，東西長140 m;南北非對稱，南北寬16 m，其中南面寬8 m，過道寬2 m，北面寬6 m;屋脊高4.5 m，如圖1。室內過道兩側每 2.6 m 設置1根鋼管柱，以提高結構穩(wěn)定性。塑料大棚的東西山墻由磚墻建造。屋面覆蓋草簾和保溫被，北面屋面保溫被日間不揭開。試驗期間，采用土壤栽培，棚內南面種植番茄，北面未種植作物。利用薄膜將大棚從中間隔開，西側作為試驗區(qū)，東側作為對照區(qū)。

集放熱系統(tǒng)的組成

如圖 1 所示，表冷器-風機集放熱系統(tǒng)由表冷器-風機、供回水管路、潛水泵、蓄熱水池等組成。單臺表冷器-風機的長×寬×高=100 cm×20 cm×60 cm，包括 2 個風機，風機扇葉直徑 40 cm，輸入功率 2×120 W，換熱面積 33 m2;15 臺表冷器-風機全部安裝于屋脊下方，相鄰兩臺之間的間距約為 4 m。采用同程管路系統(tǒng)，供回水管均安裝在棚內屋脊下方，使用直徑為 50 mm 的 PVC 管。供水管路與表冷器-風機的進水端相連，回水管路與表冷器-風機的出水端相連，供水管路上安裝閘閥來控制水流量。蓄熱水池位于塑料大棚西北側，凈長 4.25 m，凈寬 3.8 m，凈高 1.9 m，有效容積為 31 m3。潛水泵位于蓄熱水池內，額定功率 2.2 kW，額定流量 15 m3/h，揚程 20 m。

集放熱系統(tǒng)的集熱工作模式

表冷器-風機集放熱系統(tǒng)的集熱過程為：日間，當室內氣溫達到20～22℃且高于水溫4℃時，啟動系統(tǒng)，蓄熱水池中溫度較低的水通過供水管路進入表冷器-風機，與在風機作用下從進風口進入的、溫度較高的空氣進行熱交換，溫度降低后的空氣從出風口排出，溫度升高后的水通過回水管路流回蓄熱水池，實現(xiàn)收集空氣中盈余熱量的目的。通過潛水泵的不斷循環(huán)，持續(xù)進行熱量的收集，直到室內氣溫下降到低于20℃，或水氣溫差小于4℃時，關停潛水泵，集熱結束。

集熱性能的評價指標

水媒在潛水泵的作用下流經(jīng)表冷器-風機，與室內熱空氣進行強制對流換熱，將空氣中的熱能轉移到水媒中，并運輸、儲存在蓄熱水池。表冷器-風機的集熱功率（W），可由如下計算公式得到：

試驗設計

測試內容

為了測試系統(tǒng)的集熱性能，采用對比試驗的方法，利用薄膜將大棚從中間隔開，西側作為試驗區(qū)，東側作為對照區(qū)。主要測試如下內容：

（1）室外氣象數(shù)據(jù)，包括室外氣溫、濕度、太陽輻射照度、風速;

（2）試驗大棚和對照大棚的室內氣溫、太陽輻射照度、濕度;

（3）蓄熱水池內水溫、表冷器-風機進出水口的水溫、潛水泵流量及水管內水的流速;

（4）表冷器-風機進出風口處的溫度、濕度、風速;

（5）系統(tǒng)耗電量。

測試方案

測試時間為2019年12月10日～2020年2月12日。測試期間，大棚南面種植番茄，北面未種植。南側棚膜上覆蓋的保溫被揭開和閉合時間分別為08：30～9：30和16：00～16：30，為了避免熱量散失、保證棚內溫度，北側保溫被不揭開。當棚內氣溫較高時，使用自動放風系統(tǒng)打開大棚頂部的通風口進行自然通風。

如表1，測量儀器主要包括Pt100鉑電阻、太陽總輻射傳感器、電磁式熱量表、三相導軌式電能表、HOBO無線溫濕度儀、風速變送器、SHT20芯片溫濕度傳感器、KANOMAX熱敏式風速儀等。所有室內的溫度數(shù)據(jù)由Pt100鉑電阻測量，測量氣溫的Pt100鉑電阻做防輻射處理，Pt100鉑電阻、三相導軌式電能表、SHT20芯片溫濕度傳感器以及風速變送器測量的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集儀轉化信號，再通過RS485通訊統(tǒng)一傳輸，儲存在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫中。

水溫測點布置：6個水溫測點均布置在實驗區(qū)，分別是蓄熱水池中的水平三等分點、距離水池底部深度為0.5和1 m處，以及供水管與回水管上各1處。室內氣溫測點布置：試驗區(qū)與對照區(qū)氣溫測點布置位置相同，各4個點，水平方向上為東西向三等分分別與距離最南邊4 m、最北邊4 m的交點垂直方向距離地面高度為1.5 m處。

其他測點：自西向東第三臺表冷器-風機的前后布置溫、濕度測點;室外溫度、濕度、風速以及太陽輻射照度測點，均布置在大棚操作間頂部。

基礎條件測試

試驗區(qū)與對照區(qū)基礎氣溫對比

系統(tǒng)集放熱性能正式測試前，于2019年12月3～5日對室內的基礎氣溫進行了測定。如圖3所示，日間，試驗區(qū)與對照區(qū)氣溫變化趨勢相同，差異較小;夜間，試驗區(qū)平均氣溫為 11.1℃，較對照區(qū)低1.4℃，分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：大棚位于山頂風口位置，大棚的進出口位于西側試驗區(qū)，冷風滲透較嚴重。

蓄熱水池保溫性能測試

于2019年12月4～5日對蓄熱水池的保溫性能進行了測試。測試期間未運行系統(tǒng)，蓄熱水池蓄水量為22 m3。如圖4所示，24 h內，蓄熱水池的水溫基本穩(wěn)定，從17.4℃降低到17.1℃，降溫速率為0.0115℃/h，熱量損失 25.41 MJ，熱損失功率為0.2941 kW，蓄熱水池保溫性能較好。

試驗結果分析

集熱性能分析

為了探究表冷器-風機集放熱系統(tǒng)的性能，在冬季溫度最低的2019年12月、2020年1～2月進行了測試。選取2019年12月14日～2020年1月14日的數(shù)據(jù)進行分析，系統(tǒng)日間集熱天數(shù)為25天。對系統(tǒng)運行期間的蓄水量、水溫變化、集熱量、集熱COPc等進行統(tǒng)計計算，結果如表2所示。其中集熱量與集熱COPc分別根據(jù)公式（3）和（4）計算得到。

在系統(tǒng)集熱運行的時間段，室內平均太陽輻射照度為147.2～273.9 W/m2，系統(tǒng)的集熱量為62.6～806.5 MJ，平均集熱量為430.3 MJ;集熱功率為13～57.6 kW，平均集熱功率為38.5 kW;平均集熱時間為180 min;集熱COPc為4.4～10.9，平均集熱COPc為7.5，說明該系統(tǒng)具有較好的集熱能力和能效比。

最大集熱量為806.5 MJ，出現(xiàn)在1月3日，該日蓄熱水池里的水被用來進行了灌溉，重新加入了冷水，集熱初始水溫為11.1℃，集熱期間室內氣溫為26.0～33.2℃，水氣溫差較大，且該日集熱時間長，充分收集了空氣中盈余的熱量，集熱功率為56 kW，集熱COPc為10.9。最小集熱量為62.6 MJ，出現(xiàn)在1月6日，該日為多云天氣，集熱時長僅為70 min，集熱流量為13 W，集熱COPc為4.4。

可見，表冷器-風機集放熱系統(tǒng)具有顯著的集熱能力以及能效比。通過理論計算，該型號表冷器-風機集熱功率為3800 W，但試驗過程中，系統(tǒng)的集熱功率低于理論值，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是在集熱過程中，為了滿足大棚內作物生產(chǎn)，上風口被打開，棚外的冷空氣進入棚內，導致棚內上部空氣溫度較低，而表冷器-風機正是安裝在風口的下方來進行熱量收集的，這就極大降低了系統(tǒng)的集熱效果。后面，將會對系統(tǒng)在風口密閉條件下的集熱性能進行分析。

集熱性能的影響因素探究

水氣溫差對集熱性能的影響

選取12月20～21日的數(shù)據(jù)，進行水氣溫差對系統(tǒng)集熱性能影響的分析，如表2所示。這兩天集熱過程中蓄熱水池的蓄水量均為26 m3，水流量均為12 m3/h。系統(tǒng)運行集熱的時間段分別是12：00～14：20和11：30～14：40，集熱初始水溫分別是16℃和12.1℃，集熱期間平均進風溫度分別為21℃和22.2℃。

如圖 5 所示，集熱過程中，進出水溫差與水氣溫差的變化趨勢基本一致。12月20日，進出水溫差隨著水氣溫差的上升而緩慢上升至3.3℃，此時水氣溫差為4.5℃，隨后隨著水氣溫差下降而呈現(xiàn)下降的趨勢;12月21日，開始集熱時，水氣溫差為10.7℃，此時的進出水溫差為9.6℃，隨著水溫不斷升高，水氣溫差逐漸降低，進出水溫差也呈現(xiàn)下降的趨勢。集熱期間，12月21日平均水氣溫差為6.7℃，較12月20日提高87.6%，進出水溫差為4.7℃，較12月20日提高88%。說明進出水溫差與水氣溫差變化呈正相關，在其他條件不變的情況下，水氣溫差越大，進出水的溫差也越大。

集熱過程中，12月21日水溫上升5.9℃，上升速率為0.00054℃/s，較12月20日高 62.1%;集熱量為 638.8 MJ，集熱功率為 56 kW，較12月20日高51.0%，集熱COPc為10.8，較12月20日高54.3%。說明水氣溫差直接影響系統(tǒng)的集熱能力與能效比。

由此可見，水氣溫差直接影響系統(tǒng)的集熱能力與能效比，水氣溫差越大水溫上升越快，系統(tǒng)收集的熱量越多，系統(tǒng)COPc越大。而影響水氣溫差的因素分別是集熱初始水溫、蓄熱水池中的蓄水量以及進風溫度。由于集熱期間，兩天的蓄熱水池中蓄水量相等，平均進風溫度差僅為 1.2℃，影響水氣溫差的主要因素是集熱初始水溫：集熱開始時，水溫越低，集熱性能越好。在實際運行中，連續(xù)晴天且保證次日能集熱的情況下，可在夜間盡可能的將熱量釋放完全，如果夜間室內氣溫滿足作物生長且熱量未釋放完全，次日集熱前可將溫度較高的水用于灌溉以提高地溫，再重新放入冷水。除此之外，蓄熱水池中的蓄水量也是影響集熱性能的重要因素。增加蓄熱水池中的蓄水量， 可以減緩集熱過程中水溫上升速率，在進風氣溫一定的條件下提高水氣溫差，從而增大系統(tǒng)集熱能力與能效比。

水流速度對集熱性能的影響

水流速度是影響系統(tǒng)換熱量的另一個重要因素。圖6為2020年1月31日和2月1日集熱過程中水溫以及集熱功率的變化。蓄水量均為25.9 m3，每個表冷器-風機進水口的水流速度分別為1.2 m/s和0.7 m/s，集熱期間平均水氣溫差分別是7.3℃和7.2℃，僅相差0.1℃，可認為水氣溫差一致。

從圖6a的水溫變化曲線可看出，1月31日水溫變化曲線斜率較大，水溫升高速率較快，通過計算，1月31日水溫平均上升速率為0.00064 ℃/s，較2月1日高48.7%。如圖6b，在11：05，兩日的水氣溫差均為7.3℃，1月31日的集熱功率為63.5 kW，較2月1日高16.5%;在11：30，兩日的水氣溫差均為7.1℃，1月31日的集熱功率為72.5 kW。較2月1日高99.7%。通過計算，1月31日的集熱功率、集熱量和集熱COPc均高于2月1日，兩天的集熱功率分別為36.6～136.0 kW和27.2～72.5 kW，平均集熱功率分別是75.2 kW和47.1 kW，集熱量分別為472.1 MJ和278.9 MJ，集熱COPc分別為14.4和9.5。

可見，表冷器-風機的水流速度與系統(tǒng)的集熱性能呈正相關，水流速度越大，水溫上升速率越快，系統(tǒng)的集熱功率與集熱COPc越大。因為系統(tǒng)的水流速度與潛水泵的揚程和流量有關，通過配置流量、揚程適宜的潛水泵，可以提高系統(tǒng)內的水流速度從而改善系統(tǒng)的集熱性能。

大棚密閉運行集熱對棚內溫濕度的調控效果

為了提高棚內上部空氣的溫度，減少冷空氣滲入，提高表冷器-風機集放熱系統(tǒng)的集熱性能，在風口密閉的條件下進行了集熱試驗，探究系統(tǒng)在密閉運行時集熱過程對棚內溫濕度的調控作用。選取2020年1月31日9：00～16：40期間系統(tǒng)密閉運行的集熱數(shù)據(jù)進行分析。如圖7，在保溫被打開的時間段內，室內太陽輻射照度最高為414 W/m2，平均太陽輻射照度為281.5 W/m2，室外氣溫在-13.3～5.3℃變化，最低值出現(xiàn)在2020年1月31日8：00。

如圖 8，日間保溫被開啟，10：55 試驗區(qū)氣溫達到 27.4℃，此時水溫為 13.1℃，較試驗區(qū)室內氣溫低 14.3℃，表冷器-風機集放熱系統(tǒng)啟動，開始集熱。10：55～11：20，試驗區(qū)氣溫在 27.5～28.5℃范圍波動;對照區(qū)氣溫逐漸升高，11：20 到達31.5℃，為不對番茄造成傷害，開啟對照區(qū)風口。11：20～12：40，試驗區(qū)風口仍保持關閉，氣溫仍在 27.5～28.5℃范圍波動;對照區(qū)風口開啟（風口寬度 15 cm），氣溫穩(wěn)定在 30℃左右。12：40 集熱過程結束后，試驗區(qū)氣溫快速上升到 31.6℃，隨后開啟頂風口，氣溫逐漸下降。表冷器-風機集放熱系統(tǒng)日間集熱 105 min，水溫上升了 4.4℃，蓄熱水池蓄水量為 25.9 m3，收集熱量 472.1 MJ，集熱功率為 74.9 kW，集熱COPc為14.4。

如圖9，10：55～11：20，試驗區(qū)與對照區(qū)均為密閉運行，在此情況下，一臺表冷器-風機可產(chǎn)生冷凝水約 1.5 L，因此，試驗區(qū)相對濕度持續(xù)下降，從 65.7%下降到 60.8%，與對照區(qū)的濕度差距逐步拉大，說明表冷器- 風機集放熱系統(tǒng)具有一定的除濕效果。

綜上所述，表冷器-風機集放熱系統(tǒng)在密閉運行條件下集熱，集熱COPc達到 14.4，較非密閉條件下平均集熱COPc增加約1倍;集熱期間，系統(tǒng)能夠維持室內氣溫在27.4～28.4℃，較開啟風口的對照區(qū)低3℃左右;室內濕度逐漸下降，與對照區(qū)差距逐漸增大?？梢?，系統(tǒng)具有較好的集放熱性能以及降溫除濕效果。未來，如果再結合CO2施肥，有望實現(xiàn)塑料大棚的密閉運行生產(chǎn)。

集熱性能的優(yōu)化

由理論分析可知，表冷器-風機集熱系統(tǒng)的集熱能力與水氣溫差、水流速度、總換熱系數(shù)、通風量和換熱面積有關。其中通風量和換熱面積與表冷器-風機自身參數(shù)有關，一旦表冷器-風機的型號選定，不能進行更改;總換熱系數(shù)除了與表冷器-風機的型號有關外，還與水流速度有關，水流速度越大，總換熱系數(shù)越大。因此，對于已定的表冷器-風機，可以從增大水氣溫差和水流速度兩個方面來提高其集熱性能。

增大水氣溫差，可以從提高室內氣溫和降低蓄熱水池的水溫兩方面進行考慮，具體方法包括：①縮短風口開啟時間從而減少棚內熱量損失，保持較高的室內氣溫;②降低集熱開始時蓄熱水池中水溫，可將一部分熱水用于灌溉，再加入冷水;③增大蓄熱水池有效容積，加大蓄水量，可減緩集熱過程中水溫上升速率，增大水氣溫差。增大水流速度，可以通過適當加大潛水泵的揚程和流量來實現(xiàn)。

結論

在內蒙古自治區(qū)赤峰市益康農業(yè)專業(yè)合作社的某大跨度外保溫塑料大棚里，進行了表冷器-風機集放熱系統(tǒng)集熱性能的試驗，分析了系統(tǒng)的集熱性能，探究了影響系統(tǒng)集熱性能的主要因素。得出以下主要結論：

（1）表冷器-風機集放熱系統(tǒng)具有較好的集熱能力以及能效比。12月14日～1月 14日期間，系統(tǒng)的集熱量為62.6～806.5 MJ，平均集熱量為430.3 MJ;集熱功率為13～57.6 kW，平均集熱功率為 38.5 kW;集熱COPc為 4.4～10.9，平均集熱COPc為7.5。

（2）水氣溫差和水流速度，對表冷器-風機集熱系統(tǒng)的集熱性能具有顯著影響。水氣溫差越大，系統(tǒng)集熱能力越強，集熱 COPc越大;水流速度越大，系統(tǒng)集熱能力越強，集熱COPc越大。

（3）表冷器-風機集放熱系統(tǒng)，具有較好的集熱性能以及降溫除濕效果。在密閉運行集熱期間，對棚內溫濕度都具有較好的調節(jié)作用，有望在結合空氣滅菌、CO2施肥等調控手段下， 實現(xiàn)大棚的密閉運行生產(chǎn)。

*項目支持：國家現(xiàn)代農業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系建設專項資金（CARS-23-C02）。

作者簡介：宋衛(wèi)堂（1968-），男，河南西平人，教授，博士生導師，主要研究方向：設施機械化裝備工程、設施園藝環(huán)境工程、無土栽培技術與裝備。

[引用信息]宋衛(wèi)堂，李涵，王平智，等.表冷器-風機集放熱系統(tǒng)的設計與應用效果——以寧城大跨度外保溫大棚為例（中）[J].農業(yè)工程技術，2020，40（13）：52-58.