宋衛(wèi)堂，耿 若，王建玉，劉平建，陳先知，王平智※

（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)工程重點實驗室，北京 100083；3.曹縣百草莊園農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，菏澤 274400；4.溫州科技職業(yè)學(xué)院，溫州 325006）

0 引 言

日光溫室是中國特有的園藝設(shè)施類型，為北方地區(qū)的蔬菜越冬生產(chǎn)做出了巨大貢獻[1]。因傳統(tǒng)的日光溫室墻體多采用夯土、黏土磚等材料建造[2]，存在著建造成本高[3]、放熱可控性差[4]、占地面積大[5]等一系列問題。因此，各地逐漸顯現(xiàn)出了利用新型保溫材料取代日光溫室傳統(tǒng)墻體的發(fā)展趨勢[6-7]。在該情況下，溫室的蓄熱結(jié)構(gòu)主要由地面承擔，但僅依靠地面?zhèn)鳠?，傳熱緩慢且傳熱能力有限[8]，難以有效收集并儲存足夠的熱量，滿足作物夜間生長需求[9-11]。為提高溫室冬季的夜間溫度，需采取加溫措施，而隨著國家“煤改電”政策的改進和環(huán)保政策的收緊，依靠煤炭等化石能源提供熱量的傳統(tǒng)加溫方式正在被逐步淘汰[12]。因此，有必要進行利用太陽能、空氣熱能、地熱能等清潔可再生能源的主動集放熱技術(shù)的研究，來順應(yīng)設(shè)施園藝類型改變及國家環(huán)保力度加大的雙重發(fā)展趨勢。

近年來，日光溫室主動集放熱系統(tǒng)的研究取得了較大進展。其中溫室內(nèi)日間空氣溫度較高，蘊含了豐富的空氣熱能，可用于夜間增溫[13-15]。孫維拓等[16]設(shè)計了一套日光溫室空氣余熱熱泵加溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用熱泵收集日間空氣余熱并將其儲存在蓄熱水池內(nèi)，然后夜間利用表冷器將熱量釋放到室內(nèi)，從而提高日光溫室夜間氣溫。宋衛(wèi)堂等[17-20]提出了一種基于水循環(huán)蓄熱的空氣余熱主動集放熱系統(tǒng)—表冷器-風機主動集放熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過懸掛于溫室屋脊處的表冷器-風機，以水-氣換熱的方式，收集日間空氣余熱并于夜間釋放以提高室內(nèi)氣溫，實現(xiàn)了熱量在時間、空間上“削峰填谷”式轉(zhuǎn)移。但表冷器-風機主動集放熱系統(tǒng)在多云天等太陽輻射較弱的天氣條件下，系統(tǒng)日間集熱量小、夜晚加溫效果有限等問題就會暴露，主要原因是集熱時的水-氣溫差隨著水溫的升高及室內(nèi)氣溫的下降而逐漸減小，導(dǎo)致系統(tǒng)后期（主要是下午）的集熱效率及集熱量均下降，故而造成整體集熱量變小，從而放熱量也隨之變小。為避免因水溫升高過快導(dǎo)致水-氣溫差減小過快的問題，可采取配置較大容積的蓄熱水池用以減慢水溫升高速度，但這不僅占用了大量的溫室室內(nèi)空間，還增加了建造成本，同時較低的水溫還會使系統(tǒng)在夜間放熱時因水汽溫差較小而導(dǎo)致放熱效率不高。熱泵作為節(jié)能高效型能量提升裝置，能從空氣、水或土壤中獲取低位熱能，經(jīng)過耗功提供可被人們利用的高位熱能[12]，因此，基于水循環(huán)的溫室主動集放熱系統(tǒng)和熱泵相結(jié)合可有效降低并維持較低的循環(huán)水溫，基于此特點，為了進一步提高現(xiàn)有溫室主動集放熱技術(shù)的集熱潛力，越來越多的學(xué)者開展了利用熱泵對溫室供熱的研究[21-24]。

針對表冷器-風機主動集放熱系統(tǒng)集熱能力不足的問題，在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入熱泵，形成了一種包含表冷器-風機、集熱池、儲熱池、水泵、熱泵等組件的表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)，為使集熱過程能始終維持較大的水-氣溫差，提出了通過熱泵將集熱過程與儲熱過程分離的思路，試驗分析了3種集熱運行模式在2種典型天氣情況下的集熱性能，以期為無蓄熱功能墻體日光溫室的節(jié)能加溫提供新技術(shù)，為主動集放熱技術(shù)的性能提升提供新思路。

1 試驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 試驗溫室

供試日光溫室位于山東省菏澤市曹縣朱洪廟鄉(xiāng)袁莊村（34.4°N，115.3°E），東西走向，長100 m，跨度10 m，后墻高3.1 m，脊高4.5 m，后坡長2.0 m，后坡仰角45°，采用鍍鋅鋼管結(jié)構(gòu)，前坡覆蓋材料為0.1 mm PO塑料薄膜，溫室北墻采用130 mm聚苯乙烯發(fā)泡板裝配而成，外側(cè)采用絲綿棉被覆蓋，東西側(cè)山墻均采用寬度為370 mm的紅磚建造，無其他加熱設(shè)備。在溫室最東側(cè)采用塑料薄膜隔出6 m的操作間，在剩余溫室東西方向的中線位置，用FRP板分隔成東、西兩個區(qū)，其中東側(cè)溫室安裝表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)作為試驗區(qū)，西側(cè)溫室不安裝增溫設(shè)備，作為對照區(qū)，兩區(qū)面積均為470 m2。

試驗期間，溫室內(nèi)種植黃瓜，采用漫灌灌溉，利用底部卷膜通風窗實現(xiàn)自然通風，保溫被揭開和閉合時間分別為8:00—9:00和16:00—18:00。

1.2 系統(tǒng)組成

表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)由表冷器-風機、集熱池、儲熱池、循環(huán)水泵、熱泵機組及循環(huán)管路組成，表冷器-風機、循環(huán)水泵及循環(huán)管路構(gòu)成了溫室內(nèi)的主動集放熱系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)包含10臺表冷器-風機，按4 m的間隔傾斜吊掛于屋脊下方，其風向為自南上向北下方吹送，每臺表冷器-風機換熱面積為42 m2，包含兩臺扇葉直徑0.4 m、輸入功率120 W的風機；循環(huán)水泵2臺，額定流量均為15 m3/h，揚程均為20 m；熱泵機組型號為YBF 4NCS-20.2GR，額定輸入功率15 kW，額定制熱量60 kW。儲熱池內(nèi)徑長3.65 m、寬3.65 m、高1.5 m，主體材料為0.35 m厚磚墻，外側(cè)涂抹水泥砂漿，水池外表面緊貼0.1 m厚聚苯乙烯發(fā)泡板，內(nèi)表面覆蓋8 mm厚PP板。集熱池為PE材質(zhì)水桶，容積為2 m3。集熱池為熱泵機組熱源，實際蓄水量為1.7 m3，儲熱池為熱泵機組熱匯，實際蓄水量為17 m3。以上各組件由不同內(nèi)徑的PPR管連接而成。

1.3 系統(tǒng)工作原理

表冷器-熱泵聯(lián)合集放熱系統(tǒng)以水-氣換熱的方式，日間收集空氣中盈余的熱量并儲存于儲熱池中，夜間再將這部分熱量從儲熱池中通過水循環(huán)釋放到空氣中以提高溫室內(nèi)的氣溫。

系統(tǒng)的集熱過程有2種方式，如圖2所示，一是熱泵與表冷器-風機聯(lián)合集熱，主要工作流程為：日間，集熱水池中溫度較低的水通過供水管路進入表冷器-風機，與在表冷器-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直接流入熱泵蒸發(fā)側(cè)進水口處，同時，水泵將儲熱池中溫度較低的水泵入熱泵冷凝側(cè)進水口處，熱泵將收集到的熱量從集熱池中不斷泵送至儲熱池中，僅利用集熱池中的水實現(xiàn)持續(xù)收集空氣中盈余熱量的目的，直至達到系統(tǒng)停止運行的條件；二是表冷器-風機集熱[19-20]，主要工作流程為：日間，儲熱水池中溫度較低的水通過供水管路進入表冷器-風機，與在表冷器-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儲熱水池，通過循環(huán)水泵的不斷循環(huán)，僅利用儲熱池中的水持續(xù)進行熱量的收集，直至達到系統(tǒng)停止運行的條件。

系統(tǒng)放熱為表冷器-風機放熱：夜間，儲熱水池中溫度相對較高的水通過供水管路進入表冷器-風機，與在表冷器-風機作用下從進風口進入的、溫度較低的空氣進行熱交換，溫度升高后的空氣從出風口排出，溫度降低后的水通過回水管路流回儲熱水池。通過循環(huán)水泵的不斷循環(huán)，持續(xù)進行熱量的釋放，直至達到系統(tǒng)停止運行的條件。

1.4 系統(tǒng)集熱運行策略

系統(tǒng)的2種集熱運行方式共形成3種集熱運行模式：僅表冷器-風機集熱（以下簡稱為風機模式）；表冷器-風機集熱+熱泵與表冷器-風機聯(lián)合集熱（以下簡稱為混合模式）；僅熱泵與表冷器-風機聯(lián)合集熱（以下簡稱為聯(lián)合模式）。為了全面測試該系統(tǒng)在不同天氣、不同模式下的集熱性能，在已有研究[19-20]的基礎(chǔ)上制定了系統(tǒng)在不同情況下的集熱運行策略，如表1所示。

表1 不同天氣表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)集熱運行策略Table 1 Heat collection operation strategy of fan-coil units-heat pump combined system in different weather conditions

2 試驗方法

2.1 測試儀器與測點布置

室內(nèi)氣溫與水溫傳感器布置如圖3所示，使用Pt100型鉑電阻測量（測量范圍?50～200 ℃，精度±0.1 ℃），其中氣溫傳感器做防輻射處理。室內(nèi)太陽輻射照度采用YGC-TBQ型太陽總輻射傳感器測量（武漢辰云科技有限公司，測量范圍0～2000 W/m2，測量精度±3 W/m2）。水流量使用LDG-SUP型電磁流量計測量（杭州聯(lián)測自動化技術(shù)有限公司，測量范圍2.2～22 m3/h，測量精度0.5級）。所有設(shè)備儀器自動采集數(shù)據(jù)時間步長為5 min。

2.2 系統(tǒng)集熱性能評價方法

1）系統(tǒng)溫降效果評價

系統(tǒng)在集熱過程中會造成室內(nèi)氣溫的下降，其中平均溫降 ΔTin定義為在系統(tǒng)集熱過程中，試驗區(qū)低于對照區(qū)氣溫的平均值。

式中Tinc為集熱階段對照區(qū)氣溫平均值，℃；Tint為集熱階段試驗區(qū)氣溫平均值，℃；

2）系統(tǒng)的集熱量及平均集熱功率可由下式計算[19]：

式中Qc為系統(tǒng)的總集熱量，kJ；cw為水的平均定壓比熱容，取 4.2 kJ/(kg·℃)；ρw為水的平均密度，取 1 000 kg/m3；V為儲熱池實際蓄水量，m3；Twe為集熱結(jié)束時儲熱池水溫，℃；Tws為集熱開始時儲熱池水溫，℃；cφ為系統(tǒng)的平均集熱功率，kW；tc為集熱時長，h。

3）系統(tǒng)的集熱性能系數(shù)（COP）可由下式計算[19]：

式中Ec為集熱期間系統(tǒng)的總耗電量，kW·h。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗溫室基礎(chǔ)氣溫測試

2020年12月31 日—2021年1月1日測定了系統(tǒng)未運行的室內(nèi)基礎(chǔ)室溫，如圖4所示。2個區(qū)的氣溫不完全一致的主要原因為卷膜桿有一些彎曲，風口大小略有差異，氣溫在通風期間會有不同程度的波動，另外整個溫室的進出口位置位于對照溫室的西側(cè)，夜間存在更多的冷風滲透。結(jié)果表明，白天（8:00—16:00）試驗區(qū)和對照區(qū)室內(nèi)平均氣溫分別為27.8和27.3 ℃；夜間（16:00—翌日8:00）試驗區(qū)和對照區(qū)室內(nèi)平均氣溫分別為13.3和12.8 ℃。單因素方差分析顯示在白天及夜間兩區(qū)均無顯著差異（P>0.05），故認為對照區(qū)與試驗區(qū)環(huán)境條件一致。

3.2 典型天氣下系統(tǒng)集熱性能分析

3.2.1 典型天氣下系統(tǒng)集熱運行參數(shù)

在2021年1月8日—1月30日期間有6個晴天；在2021年1月11日—2月8日期間有6個多云天（表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)在白天收集熱量，夜間釋放熱量即為完成一個集、放熱周期，所以定義從早上8:00到翌日8:00為1 d）。測試期間，系統(tǒng)運行的相關(guān)性能參數(shù)如表2。

由表2可看出，在2種天氣下，均是風機模式的集熱時間最長，混合模式次之，聯(lián)合模式最短，原因是由于 3種模式下對溫室的溫降效果不同，故達到停止集熱條件時的時間也不同。聯(lián)合模式對溫室正午高溫的降溫效果最佳、集熱量最大，可達(763.9±17.1) MJ，混合模式次之，而風機模式對溫室日間的降溫效果最小、集熱量也最小。原因是在風機模式下，隨著下午室內(nèi)氣溫的逐漸下降及水溫的逐漸升高，集熱時水氣溫差也逐漸減小，故而循環(huán)水與室內(nèi)熱空氣的換熱量逐漸減小，對室內(nèi)的溫降調(diào)節(jié)整體不高，并且其集熱量也在 3者中最低；而混合模式下，系統(tǒng)在后期轉(zhuǎn)為熱泵與表冷器-風機聯(lián)合集熱方式時，集熱的水氣溫差加大，從而換熱量加大，整體溫降及集熱量較風機模式略有提升；在聯(lián)合模式下，水氣溫差最大，故與溫室內(nèi)熱空氣的換熱量也最大，晴天時聯(lián)合模式集熱量分別比混合模式及風機模式高25.1%和73.9%，明顯優(yōu)于其他2種模式，溫降效果也最佳。多云天時，聯(lián)合模式集熱量分別比混合模式及風機模式高40.8%和132.9%，其集熱量大的優(yōu)勢比在晴天天氣下表現(xiàn)得更明顯。

表2 系統(tǒng)不同運行模式下的集熱性能Table 2 Performance of collector in different operation modes of the system

晴天時，在聯(lián)合模式下的集熱 COP最低，僅為3.5±0.2，原因是在系統(tǒng)運行前期，因室內(nèi)氣溫較高同時集熱池水溫較低，故剛開始集熱時水氣溫差較大，從而表冷器-風機的集熱速率高于熱泵蒸發(fā)側(cè)換熱速率，但因集熱池蓄水量較小難以儲存較多熱量，導(dǎo)致集熱池水溫上升較快，難以維持初始時較大的水氣溫差，造成集熱量略有下降；并且熱泵運行時耗電量較大，故導(dǎo)致聯(lián)合模式下COP較低。而在風機模式下，雖集熱量不高，但因運行時耗電量也最小，故其集熱COP是3種模式中最高的。混合模式因不需要長時間開啟熱泵，故其集熱量及集熱COP均介于另2種模式之間。在多云天時，風機模式的集熱COP最低，僅為3.2±0.1，原因是多云天氣時室內(nèi)氣溫較低，初始的水氣溫差也較低，隨著集熱的運行，儲熱池水溫逐漸升高，水氣溫差會更加減小，造成集熱后期的集熱量較少，但耗電量不變，因此這種集熱模式的總體集熱COP較低；在混合模式下，因為集熱后期轉(zhuǎn)為了表冷器-風機與熱泵聯(lián)合集熱，在熱泵參與運行時，集熱過程受室內(nèi)氣溫影響較小，可一直維持較大的水氣溫差，從而加大了集熱量，并且熱泵并不是全程一直運行，因此整體耗電量不大，是3種模式中COP最大的。

晴天時，在風機模式下，系統(tǒng)的平均集熱功率為(26.5±3.0) kW，是3種模式中最低的，原因是隨著集熱過程的進行，儲熱池中水溫逐漸升高，并且下午室內(nèi)氣溫在逐漸下降，導(dǎo)致水氣溫差逐漸減小，故集熱功率降低；混合集熱模式解決了風機模式集熱后期面臨的儲熱池中水溫和氣溫的溫差減小的問題，會在后期開啟熱泵與表冷器-風機聯(lián)合集熱，利用集熱池中較低溫的水進行集熱，并同時轉(zhuǎn)移了集熱池中的熱量將集熱池水溫維持在較低溫度，從而加大了后期集熱過程的水氣溫差，故整個集熱過程的集熱功率較風機模式有所提高，達到了(40.7±1.2) kW；聯(lián)合模式下，因全程利用集熱池中的低溫水進行集熱，同時通過熱泵轉(zhuǎn)移熱量的過程貫穿集熱過程始終，從而可一直維持較大的水氣溫差，故其平均集熱功率是3種模式中最大的，為(52.6±1.5) kW。多云天時，在風機模式、混合模式下，系統(tǒng)的平均集熱功率分別為(14.2±0.4) kW 和(30.0±1.8) kW，分別比晴天天氣相同模式下的平均集熱功率低86.6%和35.7%。但在聯(lián)合模式下，平均集熱功率為(52.5±0.1) kW，與晴天天氣時的集熱功率相差無幾，原因是在風機模式與混合模式時，系統(tǒng)都不同程度的受到室內(nèi)氣溫與儲熱池水溫差值的影響：多云天時，室內(nèi)氣溫較低，集熱過程中的平均水氣溫差沒有晴天時大，導(dǎo)致其集熱功率也相應(yīng)降低；而在聯(lián)合模式下，因熱泵轉(zhuǎn)移熱量的過程一直進行，集熱過程幾乎不受室內(nèi)氣溫與儲熱池水溫差值的影響，始終利用集熱池的低溫水進行集熱，因此其集熱功率與晴天時的差異很小。

3.2.2 典型天氣下3種集熱模式運行時水氣溫差

晴天時，在 3種集熱運行模式中各選擇其中一天在集熱時的水氣溫差（氣溫與集熱時所利用的相應(yīng)池子的水溫的差值）如圖5所示，在風機模式下，集熱全程均為表冷器-風機集熱方式，水氣溫差先升高再下降，在正午時刻，因室內(nèi)氣溫較高，室內(nèi)氣溫升高的速度大于儲熱池水溫升高的速度，故水氣溫差呈現(xiàn)一直升高的趨勢，最大達到了 9.9 ℃，到了下午，隨著室內(nèi)氣溫的逐漸下降及水溫的逐漸升高，集熱時水氣溫差也逐漸減小，直至達到系統(tǒng)停止的條件，整個集熱過程的平均水氣溫差為8.4 ℃；在混合模式下，集熱前期（11:15—13:45）為表冷器-風機集熱方式，水氣溫差同樣呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，在前期集熱時水氣溫差最大為 9.9 ℃，平均為9.1 ℃，集熱后期（13:45—15:15）為熱泵與表冷器-風機聯(lián)合集熱方式，因集熱池初始水溫較低，故轉(zhuǎn)變集熱方式的一瞬間造成了集熱的水氣溫差抖升，達到了14.3 ℃，隨著熱泵運行逐漸穩(wěn)定，水氣溫差穩(wěn)定于9.7～11.8 ℃，平均為10.6 ℃，整個集熱過程的平均水氣溫差為9.8 ℃，較風機模式有所提升；在聯(lián)合模式下，集熱全程為熱泵與表冷器-風機聯(lián)合集熱方式，在系統(tǒng)開啟一瞬間，水氣溫差為 14.3 ℃，待熱泵運行穩(wěn)定后，水氣溫差始終穩(wěn)定于10.3～11.9 ℃，整個集熱過程的平均水氣溫差可達11.1 ℃，為3種模式中最高。結(jié)果表明，熱泵與表冷器-風機聯(lián)合集熱方式彌補了表冷器-風機集熱方式下因集儲熱一體造成的、系統(tǒng)集熱后期水氣溫差減小的缺陷，可一直維持較高的水氣溫差進行集熱，提高集熱效率。

多云時，在 3種集熱運行模式中各選擇其中一天在集熱時的水氣溫差如圖6所示，在風機模式下，因多云天室內(nèi)氣溫較低，故隨著集熱過程的進行，水氣溫差呈現(xiàn)一直下降的趨勢，初始水氣溫差最大，為10.5 ℃，整個集熱過程的平均水氣溫差為 6.2 ℃，比典型晴天時相同模式下水氣溫差低35.5%；在混合模式下，集熱前期（11:15—13:40）為表冷器-風機集熱方式，水氣溫差在前期集熱時水氣溫差最大為 9.5 ℃，平均為8.4 ℃，集熱后期（13:40—14:35）為熱泵與表冷器-風機聯(lián)合集熱方式，水氣溫差為 10.4～12.3 ℃，平均為10.8 ℃，整個集熱過程的平均水氣溫差為 9.1 ℃，比晴天時相同模式下水氣溫差低 7.7%；在聯(lián)合模式下，水氣溫差為 9.1～12.3 ℃，平均水氣溫差為 11.0 ℃，與晴天時相同模式下平均水氣溫差相差無幾。結(jié)果表明，熱泵與表冷器-風機聯(lián)合集熱方式解決了表冷器-風機集熱方式下因室內(nèi)氣溫較低易造成的集熱量較少的問題，可不受室內(nèi)氣溫與儲熱池水溫的影響，在多云天也可維持較大的水氣溫差進行集熱。

3.3 典型天氣下系統(tǒng)集熱模式選擇

從上面的分析可以看出，3種集熱模式在不同天氣條件下各有優(yōu)點，為了綜合比較并選擇在不同天氣條件下最佳的運行模式，按照表3的方法對每種評價指標進行賦分（根據(jù)冬季大量試驗數(shù)據(jù)，在所獲取的各指標數(shù)據(jù)的上限和下限之間取整后等步長分為 6個級別，并賦予各個級別相應(yīng)的分值，從0～5分不等）。其中，集熱量直接決定夜間放熱量，集熱COP與系統(tǒng)的節(jié)能性密切相關(guān)，這兩項指標為評定溫室主動集放熱系統(tǒng)性能的最主要參數(shù)[24-25]。此外，集熱功率與平均溫降也可間接體現(xiàn)出系統(tǒng)的運行效果。再根據(jù)不同天氣下的具體需求設(shè)定不同占比（如表4、表5），以最終綜合得分最高者為該天氣條件下的最佳集熱運行模式。

表3 各指標評價標準Table 3 Evaluation criteria for indicators

3.3.1 典型晴天天氣

晴天天氣，因日間室內(nèi)溫度較高，土壤蓄熱量大，夜間土壤放熱量可使室內(nèi)溫度達到一個相較高的溫度，對主動放熱量需求較低，對主動集熱量的需求也較低，因此此種情況下要更注重系統(tǒng)的COP：占總分的50%，其次為集熱量，占30%，集熱功率和平均溫降各占10%。按照表3的標準賦分并按比例計算后，3種模式的得分如表4所示?？偡?集熱COP×50%+集熱量×30%+集熱功率×10%+平均溫降×10%。

表4 典型晴天天氣下系統(tǒng)不同集熱運行模式賦分及總分表Table 4 Score table of different heat collection operation modes of the system in typical sunny weather

由表4可知，在賦分取值后，風機模式、混合模式、聯(lián)合模式3種集熱模式下，系統(tǒng)加權(quán)總分分別為3.1±0.4、3.6±0.1和3.2±0.1，混合模式下的綜合得分最高，因此晴天時可采取混合模式運行系統(tǒng)進行集熱。

3.3.2 典型多云天氣

多云天氣，因日間室內(nèi)溫度較低，土壤蓄熱量較少，夜間面臨著較大的主動放熱需求，因此在多云天氣情況下，應(yīng)更注重系統(tǒng)的集熱量：占總分的 50%，其次為集熱COP，占30%，集熱功率和平均溫降各占10%。按照表3的標準賦分并按比例計算后，3種模式的得分如表5所示?？偡?集熱量×50%+集熱 COP×30%+集熱功率×10%+平均溫降×10%。

表5 典型多云天氣下系統(tǒng)不同集熱運行模式賦分及總分表Table 5 Score table of different heat collection operation modes of the system in typical cloudy weather

由表5可知，在賦分取值后，多云天下各集熱運行模式的得分都較晴天天氣下的偏低。風機模式、混合模式、聯(lián)合模式 3種集熱模式下，系統(tǒng)加權(quán)總分分別為0.6±0.1、2.1±0.1 和 2.8±0.1，聯(lián)合模式下的綜合得分最高，因此多云時可采取聯(lián)合模式進行集熱。

4 討 論

表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于，可將集熱過程與儲熱過程進行分離，利用熱泵將收集到的熱量隨時轉(zhuǎn)移進行儲存，始終維持較大的水氣溫差進行集熱。試驗期間，在聯(lián)合模式運行過程中，平均水氣溫差為(11.1±1.1) ℃，日間集熱量(519.7±30.5)～(763.9±17.1) MJ，集熱功率(52.5±0.1)～(52.6±1.5) kW；而采用風機模式，平均水氣溫差為(7.3±2.4)℃，日間集熱量(223.1±8.9)～(439.3±4.7) MJ，集熱功率(14.2±0.4)～(26.5±3.0) kW?？梢?，表冷器-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)提升了表冷器-風機主動集放熱系統(tǒng)的集熱功率及集熱量，同時在不同天氣下還可根據(jù)不同需求選擇不同的最佳集熱模式，更加節(jié)能高效地收集白天溫室內(nèi)富余的空氣熱能，避免了單一模式易出現(xiàn)的集熱量不夠的問題。

該系統(tǒng)具有節(jié)能減排效益，在晴天和多云 2種典型天氣下，先進行表冷器-風機集熱后、再進行熱泵與表冷器-風機聯(lián)合集熱的組合方式，在提高集熱量的基礎(chǔ)上最大程度地降低了能耗，集熱COP分別達到了5.3±0.4和4.8±0.3，節(jié)能效果顯著。按照實際集熱量與實際耗電量等比例計算的方法進行該系統(tǒng)減排指標的估算。晴天，假設(shè)3種模式下系統(tǒng)均需收集400 MJ的熱量，按照試驗期間實際耗電量進行等比例估算，風機模式、混合模式、聯(lián)合模式三種集熱模式的日間集熱耗電量分別為 15.7、26.1和34.1 kW·h。折合成標準煤分別為0.6、1.1和1.4 kg（設(shè)火力發(fā)電廠的發(fā)電效率為0.35，輸配電效率為0.95，標準煤的熱值為 29 260 kJ/kg）[12]，燃燒 1 kg煤將釋放3.67 kg的CO2[26-27]，故其火力發(fā)電燃燒相應(yīng)標準煤所排放的CO2量分別為2.2、4.0和5.1 kg，若使用燃煤熱水供暖提供同樣的400 MJ熱量，則需9.1 kg標準煤（設(shè)燃煤鍋爐效率為0.7，管網(wǎng)輸送效率為0.95）[12]，將釋放CO2量33.4 kg，分別較風機模式、混合模式和聯(lián)合模式高出93.4%、88.0%和 84.7%，此外，隨著清潔能源發(fā)電技術(shù)的逐漸推廣應(yīng)用，該系統(tǒng)也有望實現(xiàn)真正意義的溫室氣體零排放，環(huán)境效益突出。

該系統(tǒng)集熱降溫的功能可避免日光溫室正午高溫對作物產(chǎn)生的高溫脅迫[28]，可實現(xiàn)延遲通風甚至不通風，最大限度降低溫室熱量損失。且系統(tǒng)為成熟的工業(yè)化產(chǎn)品組合，無需漫長的研發(fā)周期，在各類園藝設(shè)施及養(yǎng)殖場中皆具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前系統(tǒng)的應(yīng)用研究還處于初級階段，系統(tǒng)的參數(shù)配置及加工工藝等還有待完善，系統(tǒng)對溫室小氣候的影響等仍需進一步試驗。

5 結(jié) 論

1）提出了集熱、儲熱分開進行的集熱思路，將集熱過程與儲熱過程分離。利用熱泵將集熱池中收集到的熱量立即轉(zhuǎn)移到儲熱池中儲存，使得集熱過程能始終維持較大的水氣溫差，從而提升系統(tǒng)的集熱性能。

2）3種運行模式中，聯(lián)合模式的集熱量在典型晴天及多云條件下均最多，分別可達(763.9±17.1) MJ和(519.7±30.5) MJ；風機模式的集熱 COP在晴天時最高，為 6.0±0.7；混合模式的集熱 COP在多云天時最高，為4.8±0.3，晴天條件下性能居中。

3）在典型晴天和多云天，平均水氣溫差均呈現(xiàn)出風機模式、混合模式、聯(lián)合模式遞增的趨勢，其中多云天風機模式和混合模式分別比晴天時相同模式下低 35.5%和7.7%，聯(lián)合模式下水氣溫差在2種天氣條件下相差無幾。

4）晴天時，因溫室室內(nèi)氣溫較高，對主動放熱量需求較低，故以集熱性能系數(shù)COP為最高權(quán)重綜合得出優(yōu)選混合模式集熱。多云天氣，聯(lián)合模式集熱更適合，因考慮了多云天夜間面臨著較大的主動放熱需求，應(yīng)以集熱量為先。