宋衛(wèi)堂,李 涵,王平智,王秀芝,邵岐祥,何雪穎,李 明,程杰宇,孟令強(qiáng)
(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,北京 100083;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市農(nóng)牧科學(xué)研究院,內(nèi)蒙古赤峰 024000;4.內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市益康農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社,內(nèi)蒙古赤峰 024000)
與日光溫室相比,大跨度外保溫塑料大棚不僅造價(jià)低,土地利用率高,還具有較大的室內(nèi)空間,能滿足大多數(shù)農(nóng)機(jī)裝備的作業(yè)要求。但該類設(shè)施與傳統(tǒng)日光溫室相比,缺乏蓄熱構(gòu)件,冬季室內(nèi)夜間氣溫會(huì)比較低,很難滿足喜溫蔬菜作物的溫度要求,在我國西北、華北、東北的大部分地區(qū)應(yīng)用需要進(jìn)行額外輔助加溫。而傳統(tǒng)的、以吸收太陽輻射熱能為主的主動(dòng)集放熱系統(tǒng),由于集放熱原理與裝置結(jié)構(gòu)的限制,并不適合在大跨度外保溫塑料大棚中使用。
為了解決外保溫塑料大棚缺乏蓄熱體的難題,研發(fā)了表冷器-風(fēng)機(jī)主動(dòng)集放熱系統(tǒng)。它是通過懸掛在室內(nèi)的表冷器-風(fēng)機(jī),在日間收集并儲(chǔ)存空氣中盈余的熱量,夜間再將熱量釋放到室內(nèi)提高溫度,以滿足喜溫蔬菜作物的溫度要求,實(shí)現(xiàn)熱量在時(shí)間和空間上的轉(zhuǎn)移、使用。
如圖1所示,表冷器-風(fēng)機(jī)主動(dòng)集放熱系統(tǒng)主要包括表冷器-風(fēng)機(jī)、供水管路、回水管路、蓄熱水池、閘閥、潛水泵等6部分。作為集熱和放熱裝置的表冷器-風(fēng)機(jī),進(jìn)水端與供水管相連,回水端與回水管相連。蓄熱水池中的水通過潛水泵、閘閥進(jìn)入供水管路,在表冷器-風(fēng)機(jī)中進(jìn)行水-氣熱交換后,再通過回水管路返回蓄熱水池中。
表冷器-風(fēng)機(jī)主動(dòng)集放熱系統(tǒng)是通過表冷器-風(fēng)機(jī),以水-氣換熱的方式,日間收集空氣中盈余的熱量并儲(chǔ)存在蓄熱水池中,夜間再將這部分熱量從蓄熱水池中釋放到空氣中以提高溫室內(nèi)的氣溫。系統(tǒng)的工作過程,主要包括集熱和放熱兩個(gè)過程。
◆集熱過程如圖2a所示,日間,當(dāng)室內(nèi)氣溫達(dá)到作物適宜生長溫度后,啟動(dòng)系統(tǒng),蓄熱水池中溫度較低的水通過供水管路進(jìn)入表冷器-風(fēng)機(jī),與在風(fēng)機(jī)作用下從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的、溫度較高的空氣進(jìn)行熱交換,溫度降低后的空氣從出風(fēng)口排出,溫度升高后的水通過回水管路流回蓄熱水池,實(shí)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(jìn)行熱量的收集,直至達(dá)到系統(tǒng)停止運(yùn)行的條件。
◆放熱過程如圖2b所示,夜間,當(dāng)室內(nèi)氣溫低于一定值后,啟動(dòng)系統(tǒng),蓄熱水池中溫度相對(duì)較高的水通過供水管路進(jìn)入表冷器-風(fēng)機(jī),與在風(fēng)機(jī)作用下從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的、溫度較低的空氣進(jìn)行熱交換,溫度升高后的空氣從出風(fēng)口排出,溫度降低后的水通過回水管路流回蓄熱水池,實(shí)現(xiàn)放熱提高空氣溫度的目的。通過潛水泵的不斷循環(huán),持續(xù)進(jìn)行熱量的釋放,直至達(dá)到系統(tǒng)停止運(yùn)行的條件。
表冷器-風(fēng)機(jī)是系統(tǒng)的核心,承擔(dān)收集和釋放熱量的作用。在工程實(shí)踐中,對(duì)表冷器-風(fēng)機(jī)有以下技術(shù)要求:①換熱能力強(qiáng)——可以吸收更多的空氣盈余熱量;②節(jié)能性能優(yōu)——消耗更少的電能,節(jié)約運(yùn)行成本;③使用年限長——節(jié)約建造成本。為了滿足上述技術(shù)要求,選型過程中需要綜合考慮表冷器-風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量、換熱系數(shù)、換熱面積、功率以及換熱材料等多種因素。
◆表冷器-風(fēng)機(jī)的換熱模型
對(duì)于風(fēng)量、水量、水初溫相同的同一表冷器而言,與某一濕工況進(jìn)出風(fēng)比焓以及接觸系數(shù)相等的干工況,為該濕工況的等價(jià)干工況[1]。采用干濕轉(zhuǎn)換法[2],利用干工況來替代當(dāng)前濕工況建立表冷器-風(fēng)機(jī)換熱模型[3],進(jìn)行熱力計(jì)算,以便消除析濕系數(shù)對(duì)傳熱系數(shù)的影響。
如圖3所示,點(diǎn)1′和點(diǎn)2′為進(jìn)出風(fēng)狀態(tài),點(diǎn)1′和點(diǎn)2′連線的延長線與飽和線相交于點(diǎn)3(點(diǎn)3表示理想條件下空氣能達(dá)到的終狀態(tài)),過點(diǎn)3的等焓濕線d1與比焓值為h1、h2的等焓線,分別相交于點(diǎn)1和點(diǎn)2。干工況1-2為濕工況1′-2′的等價(jià)干工況。
表冷器-風(fēng)機(jī)接觸系數(shù)ε2(實(shí)際溫降與理想溫降的比值)可以表示為:
等價(jià)干工況換熱效率系數(shù)ε1定義為:
式中:tw1為進(jìn)水溫度,℃。
結(jié)合公式(1)和公式(2)可得:
◆總傳熱系數(shù)
對(duì)于給定的表冷器-風(fēng)機(jī)換熱器,總傳熱系數(shù)K[W/(m2·℃)]主要由內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)αi[W/(m2·℃)]和外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)αo[W/(m2·℃)]決定[4]。通??梢院雎詫?dǎo)熱系數(shù)的影響,計(jì)算公式如下:
式中:φ為肋表面全效率;ε為析濕系數(shù);p為特定的常數(shù);τ為肋化系數(shù)。對(duì)于特定的換熱器,φ和τ可以認(rèn)為是常數(shù)。
對(duì)于結(jié)構(gòu)一定的風(fēng)機(jī)盤管,外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)αo是空氣流速υa(m/s)的函數(shù),內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)αi是水流速度w(m/s)的函數(shù):
式中:A1,B1,n為特定的常數(shù)。
不同型號(hào)的表冷器-風(fēng)機(jī)總換熱系數(shù)不同,系數(shù)A、n可通過干工況下變流量試驗(yàn)確定,系數(shù)B可通過變風(fēng)量試驗(yàn)確定。
一般情況下,干工況下,取析濕系數(shù)ε為1,將式(6)和(7)帶入式(5)簡化為:
由換熱理論可知,換熱效率系數(shù)ε1定義為實(shí)際傳熱量與最大可能傳熱量的比值[5],則可以表示為:
式中:β為傳熱單元數(shù);為水當(dāng)量比。
β,的定義分別如下:
式中:F為換熱面積,m2;G為通風(fēng)量,kg/s;cp為空氣的定壓比熱容,kJ/(kg·℃);W為水流量,kg/s;cw為水的比熱容,kJ/(kg·℃)。
根據(jù)換熱理論,接觸系數(shù)ε2可表示為:
干工況條件下,一定型號(hào)的表冷器-風(fēng)機(jī),當(dāng)風(fēng)量、水量已知,任何初始狀態(tài)下空氣的換熱效率系數(shù)ε1和接觸系數(shù)ε2都是定值[5]。
◆換熱量的簡化計(jì)算
采用對(duì)數(shù)平均溫差法[5]計(jì)算表冷器-風(fēng)機(jī)的換熱效率(W),計(jì)算式如下:
式中:Δtm為對(duì)數(shù)平均溫差,℃。按照逆流傳熱過程進(jìn)行計(jì)算:
為了簡化計(jì)算,在誤差允許范圍內(nèi),可以用算數(shù)平均溫差進(jìn)行計(jì)算,算數(shù)平均溫差為換熱器進(jìn)出兩端溫差的算數(shù)平均值[5]。
滿足條件如下:
由于干工況下空氣不發(fā)生相變,根據(jù)能量平衡可得:
式中:ma為換熱過程空氣質(zhì)量,kg;mw為換熱過程水的質(zhì)量,kg。
根據(jù)公式(17)可以得到:
根據(jù)公式(9)和(12)計(jì)算出ε1和ε2,帶入公式(3)和(4)計(jì)算等價(jià)干工況下的t1和t2,聯(lián)立公式(13)、(16)~(18),得出濕工況下的換熱功率為:
由公式可知,對(duì)于特定的表冷器-風(fēng)機(jī),換熱功率僅由表冷器-風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量、水流量、進(jìn)水溫度和進(jìn)風(fēng)溫度等因素確定[3]。
系統(tǒng)的配置與設(shè)計(jì),需要以冬季采暖期間大棚采暖系統(tǒng)的最大熱負(fù)荷作為依據(jù)[7],根據(jù)采暖熱負(fù)荷計(jì)算夜間需熱量(J),計(jì)算公式如下:
式中:Qh為采暖熱負(fù)荷,W;Tr為放熱時(shí)間,h。采暖熱負(fù)荷計(jì)算公式如下:
式中:Qw為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失,即通過屋頂、地面、門窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳散失的熱量,W;Qv為冷風(fēng)滲透的傳熱損失,即通過門、窗及圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙滲入的冷空氣散失的熱量,W;Qf為地中傳熱損失,W。
圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失Qw的計(jì)算公式如下:
式中:μj為第 j 種維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù),W/(m2·℃);Aj為第 j 種維護(hù)結(jié)構(gòu)的面積,m2;ti和to為溫室內(nèi)外采暖設(shè)計(jì)溫度,℃。
墻體的傳熱系數(shù)計(jì)算公式如下:
式中:αi為墻體內(nèi)表面的換熱系數(shù),W/(m2·℃);d為墻體厚度,m;λ為墻體材料導(dǎo)熱系數(shù),W/(m2·℃);αo為墻體外表面的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·℃)。
大棚的冷風(fēng)滲透熱損失Qv計(jì)算公式如下:
式中:n為棚內(nèi)換熱系數(shù),次/h;V為棚內(nèi)的體積,m3;ρa(bǔ)為空氣密度,kg/m3;cp為空氣的定壓比熱容,J/(kg·℃)。
地中傳熱損失Qf計(jì)算公式如下:
式中:K0為第 k 區(qū)地面的傳熱系數(shù),W/(m2·℃);Ak為第k 區(qū)地面的面積,m2。
需要從日間集熱量和夜間放熱量兩方面確定表冷器-風(fēng)機(jī)的數(shù)目。
◆集熱方面根據(jù)能量守恒,表冷器-風(fēng)機(jī)主動(dòng)集放熱系統(tǒng)日間收集的熱量,用于滿足夜間室內(nèi)加溫需求,集熱所需表冷器-風(fēng)機(jī)的數(shù)目Nc(臺(tái))的計(jì)算公式如下:
式中:q為室內(nèi)采暖所需熱量,J;Qc為集熱功率,W;Tc為集熱時(shí)長,h。
◆放熱方面根據(jù)能量守恒,表冷器-風(fēng)機(jī)主動(dòng)集放熱系統(tǒng)夜間釋放的熱量,用于滿足夜間室內(nèi)加溫需求,放熱所需表冷器-風(fēng)機(jī)的數(shù)目Nr(臺(tái))的計(jì)算公式如下:
式中:q為室內(nèi)采暖所需熱量,J;Qr為放熱功率,W;Tr為集熱時(shí)長,h。
為了同時(shí)滿足日間集熱和夜間放熱的需求,需取二者中較大者作為表冷器-風(fēng)機(jī)的數(shù)目N(臺(tái))??紤]到系統(tǒng)在使用過程中的積垢等因素,選取安全系數(shù) 1.1~1.2[7]。
表冷器-風(fēng)機(jī)收集的熱量儲(chǔ)存在蓄熱水池的水里,為滿足溫室內(nèi)夜間加溫需求,需要計(jì)算蓄熱水池的有效容積。
蓄熱水池的蓄水體積V(m3)為:
式中:ρw為水的密度,kg/m3;ΔTw集熱前后蓄熱水池中水的溫差,℃。
為避免在集放熱過程中水從蓄熱水池中溢出,在設(shè)計(jì)過程中給蓄熱水池預(yù)留一定的空間,可選擇安全系數(shù)1.1~1.2。
試驗(yàn)塑料大棚位于內(nèi)蒙古自治區(qū)寧城縣大城子鎮(zhèn)(118.9°E,41.7°N),東西走向,南北非對(duì)稱。東西長140 m,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(圖4~5)。室內(nèi)過道兩側(cè)每2.6 m設(shè)置一根鋼管柱,以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。塑料大棚的東西山墻由磚墻建造。屋面覆蓋草墊和保溫被,北面屋面保溫被日間不揭開。采用薄膜將溫室從中間隔開,西側(cè)作為試驗(yàn)區(qū),東側(cè)作為對(duì)照區(qū)。
根據(jù)前期對(duì)多種型號(hào)表冷器-風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、排管排列形式、集熱量、耗電量等性能的測(cè)試結(jié)果,選取FNH型表冷器-風(fēng)機(jī)作為集放熱裝置。結(jié)構(gòu)尺寸長×寬×高=100 cm×20 cm×60 cm;包括2個(gè)風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)扇葉直徑40 cm,輸入功率2×120 W;表冷器換熱面積33 m2/臺(tái)。
為了計(jì)算表冷器-風(fēng)機(jī)的換熱量,首先需要確定其總傳熱系數(shù)。不同類型的表冷器-風(fēng)機(jī),總傳熱系數(shù)不同。通過前期測(cè)試單臺(tái)表冷器-風(fēng)機(jī)的性能,由式(8)得到該型表冷器-風(fēng)機(jī)的總傳熱系數(shù)表達(dá)式為:
假設(shè)系統(tǒng)日間集熱過程中平均水氣溫差為5℃,在夜間放熱過程中平均水氣溫差為4℃,風(fēng)機(jī)風(fēng)速為5 m/s,水流速度為2 m/s,將公式(29)帶入公式(19),計(jì)算得到單臺(tái)風(fēng)機(jī)集熱功率和放熱功率分別為3773.7 W和3120.7 W,取整后,集熱功率和放熱功率分別為3800 W和 3200 W。
為了保證在夜間室外平均氣溫為-15℃的情況下,棚內(nèi)的夜間氣溫不低于10℃,根據(jù)公式(20)~(25)計(jì)算得到棚內(nèi)夜間采暖熱負(fù)荷為35908.6 W。假設(shè)一晚加溫時(shí)長為9 h,加溫需要的熱量為 1163.4 MJ。具體計(jì)算參數(shù)見表1。
表冷器-風(fēng)機(jī)的數(shù)目N(臺(tái))可根據(jù)公式(26)和(27)進(jìn)行估算。由于試驗(yàn)地所在的地理位置,冬季日間時(shí)間較短,取集熱時(shí)長為 5 h,計(jì)算得到集熱所需表冷器-風(fēng)機(jī)17.0臺(tái),選取安全系數(shù)1.1,為18.7臺(tái);取夜間放熱時(shí)長為 9 h,計(jì)算得到放熱所需表冷器-風(fēng)機(jī)數(shù)目為11.2臺(tái),選取安全系數(shù)1.1,為12.3臺(tái)。取二者的較大值18.7臺(tái),取整為19臺(tái)。
表1 計(jì)算參數(shù)表[7]
如果夜間使用全部的表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)行放熱,使得放熱功率過大,從而導(dǎo)致前半夜熱量釋放過多、后半夜熱量不足,室內(nèi)氣溫上升過快、熱損失增加。因此,夜間采用13臺(tái)(12.3臺(tái)取整得到)表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)行放熱。
表冷器-風(fēng)機(jī)收集的熱量儲(chǔ)存在蓄熱水池的水里,為滿足試驗(yàn)大棚夜間加溫需求,根據(jù)公式(27)計(jì)算蓄熱水池的有效容積。假設(shè)集熱后水溫上升 5℃,計(jì)算得到水池蓄水體積為 55.4 m3??紤]到需給蓄熱水池預(yù)留一定的空間,避免在集放熱過程中水溢出來,選擇儲(chǔ)備系數(shù) 1.1,計(jì)算蓄熱水池有效容積為61 m3。
圖6為蓄熱水池結(jié)構(gòu)示意圖。蓄熱水池長6.5 m,寬3.8 m,高2.5 m,位于大棚西北側(cè)。其結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外依次為面層、防水混凝土、防水層、砌筑水泥磚,上面覆蓋塑料薄膜。
水泵的選型需要根據(jù)所需的流量和揚(yáng)程進(jìn)行選擇,為保證管路中水流速度為2 m/s,所需水泵流量大于10 m3/h,為保證將蓄熱水池底部的水輸送到掛在大棚屋脊的表冷器-風(fēng)機(jī)中,所需潛水泵揚(yáng)程大于9 m,選擇潛水泵型號(hào)為WQ40-10-2.2,功率2.2 kW,流量40 m3/h,揚(yáng)程10 m。
如圖7所示,根據(jù)試驗(yàn)大棚的結(jié)構(gòu),為了不影響棚內(nèi)日常的農(nóng)事作業(yè),將供水管道布置在屋脊下方,采用同程式系統(tǒng),以保證各并聯(lián)環(huán)路管路長度相等、阻力大致相同、流量分配均勻。表冷器-風(fēng)機(jī)進(jìn)水端與供水管相連,出水端與回水管相連。供水和回水主管均使用直徑為50 mm的PVC管,供水管上安裝閘閥來控制流量。
圖8為棚內(nèi)表冷器-風(fēng)機(jī)主動(dòng)集放熱系統(tǒng)的實(shí)物圖,棚內(nèi)上層空氣通過風(fēng)機(jī)自北向南流動(dòng),再在下層自南向北流動(dòng),形成空氣環(huán)流。
以該大跨度外保溫塑料大棚(占地面積70 m×16 m=1120 m2)為例,計(jì)算表冷器-風(fēng)機(jī)主動(dòng)集放熱系統(tǒng)建造成本。19臺(tái)表冷器-風(fēng)機(jī)的成本為20000~21000元,容積61 m3蓄熱水池的建造成本為30000~32000元,供回水管道的成本約為3000元,水泵與電氣控制設(shè)備等的成本約為2000元,合計(jì)建造成本為55000~58000元,折合單位面積的建造成本為49.1~51.8元/m2;設(shè)備、設(shè)施按10年使用期進(jìn)行折舊,則平均每年的折舊費(fèi)為4.9~5.2元/m2。與其他太陽能集放熱系統(tǒng)[8,12]相比,本集放熱系統(tǒng)的單位面積建造成本比較低。
以在內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)使用本集放熱系統(tǒng)為例,估算系統(tǒng)的運(yùn)行成本。按照前面的假設(shè),每天系統(tǒng)運(yùn)行14 h(集熱5 h、放熱9 h),共耗電81.6 kW·h;按照0.5元/(kW·h)的電價(jià),則每天集放熱需要40.8元的電費(fèi),折合單位面積的運(yùn)行成本為0.036元/(m2·天)。一個(gè)冬季需累積運(yùn)行大約80~100天,則需要耗電約6528~8160 kW·h,需要電費(fèi)3264~4080元。與其他太陽能集放熱系統(tǒng)[9-12]相比,本集放熱系統(tǒng)單位面積的運(yùn)行成本也比較低。
另外,表冷器-風(fēng)機(jī)主動(dòng)集熱系統(tǒng)對(duì)大棚原有的構(gòu)造不產(chǎn)生影響,建造、維護(hù)簡單方便,還具有較長的使用年限。
(1)構(gòu)建了表冷器-風(fēng)機(jī)主動(dòng)集放熱系統(tǒng)的系統(tǒng)模型,并闡述了系統(tǒng)的工作原理。
(2)構(gòu)建了表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的換熱模型。并由此分析得出,對(duì)于特定的表冷器-風(fēng)機(jī),換熱量僅由表冷器-風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量、水流量、進(jìn)水溫度和進(jìn)風(fēng)溫度等因素確定。
(3)提出了表冷器-風(fēng)機(jī)主動(dòng)集放熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)方法主要包括表冷器-風(fēng)機(jī)的選型、表冷器-風(fēng)機(jī)換熱量的計(jì)算、溫室大棚夜間加溫需熱量的計(jì)算、表冷器-風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)的確定以及蓄熱水池有效容積的計(jì)算等。此方法可針對(duì)不同溫室大棚進(jìn)行集放熱系統(tǒng)主要參數(shù)的計(jì)算。
(4)對(duì)試驗(yàn)大棚進(jìn)行了表冷器-風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)計(jì)。試驗(yàn)大棚東西走向長70 m,南北跨度寬16 m,屋脊高4.5 m,在夜間平均氣溫為-15℃的條件下,為了保持棚內(nèi)夜間氣溫不低于10℃,需要配置FNH型表冷器-風(fēng)機(jī)19臺(tái),蓄熱水池的有效容積61 m3。
(5)表冷器-風(fēng)機(jī)主動(dòng)集放熱系統(tǒng),建造成本和運(yùn)行成本比較低,且建造簡易,易于維護(hù),使用年限長。