【摘要】：為解決化石能源在溫室冬季加溫中存在的節(jié)能性差、環(huán)保不達(dá)標(biāo)的問題,論文在前人研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計了直膨式太陽能熱泵根際-空氣溫室加溫系統(tǒng),并對其在大跨度主動蓄能型溫室內(nèi)的加溫效果、運行性能、集熱效率和節(jié)能率進(jìn)行了分析,確定了直膨式太陽能熱泵的集熱性能系數(shù)同集熱條件的關(guān)系,提出了系統(tǒng)集熱的優(yōu)化運行模式。通過計算北京地區(qū)溫室采暖熱負(fù)荷,設(shè)計并安裝了一套直膨式太陽能熱泵系統(tǒng),研究分析了該系統(tǒng)在不同集熱條件下的集熱效率、集熱性能系數(shù)和節(jié)煤減排效益。設(shè)計密閉式主動蓄放熱系統(tǒng),并研究分析了系統(tǒng)的可行性、集熱流體均勻性、穩(wěn)定性和集熱流體流量同集熱效率的關(guān)系。研究所得主要結(jié)論如下:1)大跨度主動蓄能型溫室直膨式太陽能熱泵根際與空氣結(jié)合的加溫方式:加溫效果明顯,不同天氣條件下試驗區(qū)的根際溫度在17.9℃以上,比對照區(qū)高1.5℃,空氣溫度在11.6℃以上,比對照區(qū)高3.6℃,相對濕度在90.8%以下,比對照區(qū)低3.2%;熱能利用率高、節(jié)能效果突出,連續(xù)陰天和連續(xù)晴天所集熱能的利用率分別達(dá)到了97.2%和92.7%,整套系統(tǒng)的節(jié)能率分別達(dá)到了47.2%和50.4%,整套系統(tǒng)的性能性能系數(shù)COP_(total)分別達(dá)到了1.87和2.02;集熱效率高、集熱性能穩(wěn)定,不同天氣條件下集熱系統(tǒng)均能在設(shè)定時間內(nèi)達(dá)到設(shè)定集熱溫度目標(biāo),且其集熱性能系數(shù)COP_c在2.3以上,其集熱效率在149.6%以上;根據(jù)集熱條件調(diào)節(jié)系統(tǒng)集熱的運行模式可進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能系數(shù)。2)按照北京地區(qū)連棟溫室采暖熱負(fù)荷設(shè)計值145.4W/m~2,選擇功率為16.6W/m~2的直膨式太陽能熱泵即可滿足溫室加溫需求。試驗測試結(jié)果表明:白天系統(tǒng)集熱效率均高于498.2%,且隨集熱起始時刻的推移略有下降;晴天或陰天的白天系統(tǒng)均能達(dá)到設(shè)定溫度值50℃,且晴天的性能系數(shù)比陰天高0.6,而夜間則天氣對系統(tǒng)集熱性能影響不大,系統(tǒng)在晴天和陰天夜間的性能系數(shù)分別為2.5和2.4;系統(tǒng)節(jié)煤減排效果明顯,不同天氣下系統(tǒng)白天和夜間的節(jié)煤量分別高于217.7kg和119.6kg,CO_2減排量分別為高于544.3kg和298.0kg,SO_2減排量分別高于16.3kg和9.0kg。3)設(shè)計了一套密閉式主動蓄放熱系統(tǒng),試驗結(jié)果表明:密閉式主動蓄放熱系統(tǒng)切實可行,集熱流體流動均勻穩(wěn)定,36組集熱板構(gòu)成的系統(tǒng)允許流入的集熱流體流量范圍為3.51~9.52m~3/h,對應(yīng)系統(tǒng)輸入功率為0.6~1.0kW;單組集熱板的集熱流體流量范圍和輸入功率范圍分別為0.10~0.27m~3/h和0.61~0.028kW;同等集熱條件下,最大流量的集熱量為574.6MJ,比最小流量多集了186.9MJ的熱能,耗電量為28.9MJ,比最小流量多耗了11.88MJ的電能,集熱效率為92.7%,比最小流量高30.0%,集熱性能系數(shù)為19.2,比最小流量低2.3。根際與空氣結(jié)合的加溫方式加溫效果好,熱能利用充分,且間接提高了系統(tǒng)的性能,根據(jù)集熱條件調(diào)節(jié)直膨式太陽能熱泵的運行模式可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的集熱性能。將直膨式太陽能熱泵以及密閉式主動蓄放熱系統(tǒng)用于連棟溫室加溫將極大地減少傳統(tǒng)溫室加溫方式帶來的能源浪費,有效避免環(huán)境污染,是溫室節(jié)能加溫的新方法。
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S625
【圖文】：

集熱效率和系統(tǒng)的節(jié)煤減排效益，為系統(tǒng)在溫室內(nèi)的設(shè)計和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。3.1 連棟溫室直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)設(shè)計連棟溫室是一種重要的溫室結(jié)構(gòu)形式，為我國果蔬、花卉、食用菌等溫室作物的穩(wěn)定供給提供了有力的保障。設(shè)計一種綠色、節(jié)能、可持續(xù)的加溫方式，將極大地促進(jìn)連棟溫室產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效。科學(xué)合理的溫室加溫系統(tǒng)選擇和設(shè)計，是實現(xiàn)溫室節(jié)能加溫的前提和重要保障。直膨式太陽能熱泵結(jié)合了太陽能技術(shù)和熱泵技術(shù)的優(yōu)勢，為連棟溫室的加溫提供了新的選擇。3.1.1 試驗溫室試驗溫室為 5 連跨 6 開間拱頂連棟溫室，溫室位于北京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所試驗基地（緯度 40°13′N，經(jīng)度 116°65′E），其結(jié)構(gòu)示意圖見圖 3.1，其實物示意圖見圖 3.2。溫室東西走向，坐北朝南，采用鋼結(jié)構(gòu)骨架，覆蓋材料為 PO 膜，溫室長52m，跨度 5×8m，脊高 5.5m，檐高 4.0m，種植面積 2000m2，溫室頂部及四立面均有內(nèi)保溫被，其中北側(cè)立面有總長 43m，高 2.5m 的冷庫板。溫室內(nèi)部有預(yù)留地下蓄熱水池位置，外部南面預(yù)留無遮擋空地。

圖 3.2 連棟溫室實物示意圖Fig.3.2 Diagram of entity of multi-span室熱負(fù)荷計算溫系統(tǒng)設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其中溫室采暖熱負(fù)荷是溫室加溫系統(tǒng)實現(xiàn)溫室采暖熱負(fù)荷與設(shè)備供暖能力的相對匹配，將直接決定溫室加溫系負(fù)荷因溫室本身所在地理位置，環(huán)境條件，溫室結(jié)構(gòu)形式、及所用建造材物、及不同生長階段的作物需求等因素的不同而不同。通常，溫室采暖熱熱損失、冷風(fēng)滲透傳熱損失和地面?zhèn)鳠釗p失這 3 部分組成，為此在針對某以下公式（薛東巖等，2016）進(jìn)行計算： h= 1+ 2+ 3（3.1） h為溫室采暖總熱負(fù)荷，kW； 1為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱損失，kW； 2為冷風(fēng)滲透地面?zhèn)鳠釗p失，kW。構(gòu)傳熱損失構(gòu)包括溫室的基礎(chǔ)、骨架結(jié)構(gòu)、墻體結(jié)構(gòu)、覆蓋物、門窗等，其可由下式 = ∑ ( ) （3.2）

跟地面土壤種類、土壤含水量、種植作物種類及其長勢均有關(guān)系，常取溫室損失總熱量的5%～10%，有保溫隔熱措施的溫室可將熱損失降面分區(qū)法（周增產(chǎn)，2004）進(jìn)行計算，其計算公式如下： 3= ∑ b b( in ) （3.5）第 b 區(qū)地面的傳熱系數(shù)，W/(m2 K)； b為第 b 區(qū)的地面面積，m2。溫室頂部及四立面均有厚度為 30mm 的保溫被，故將溫室看成一個長m、4.5m 立方體，溫室內(nèi)擬在冬季種植番茄故取室內(nèi)設(shè)計溫度為 15℃區(qū)近 20 年累計最低氣溫平均值-15℃。四立面及頂部保溫被厚度為 .04 K ℃，由公式（3.1）～（3.5）計算得溫室的總采暖熱負(fù)荷 h為 池?zé)崴亟Y(jié)構(gòu)示意圖，蓄熱水池于溫室建設(shè)時同期建造，為 2 個完全一池，其有效容積為 10m3，分別位于溫室自西向東第四和五開間靠南柱狀，近地面收口并留有直徑為 800mm 的工作井與地面水平，不影構(gòu)由內(nèi)向外依次為 PE 材質(zhì)塑料桶、100mm 擠塑保溫板、150mm 黏

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