组装式太阳能双效温室应用效果试验

为解决目前日光温室普遍存在的设备简陋、环境调控与抗寒防病能力差、土地利用率与劳动生产效率低的问题,建造了组装式太阳能双效温室并进行试验。该文分别选择内保温和外保温太阳能双效温室(温室内配置太阳能集热器、蓄热水池和热泵机组在内的太阳能热泵系统)测试其保温降湿性能和增产效果,主要测试指标为空气最低温度、日平均温度、光照度、空气相对湿度,种植作物的单株产量、单位面积产量。测试结果表明:内保温组装式太阳能双效温室室内最低气温都在9℃以上,与对照温室相比,1月份试验温室室内平均气温提高3.4℃,1月份室内平均最低气温提高4.0℃;外保温太阳能双效温室1月份室内平均最低气温为12.5℃,空气相对湿度控制在80%以下,比对照温室室内温度提高3.8℃,蔬菜增产19%~55%。组装式太阳能双效温室改善了温室的环境条件,提升了日光温室抗寒防病和增产增收的能力,该温室的研究与应用为中国北方同类地区提供借鉴与参考。     

太阳能-地源热泵联合供能系统研究现状

近年来,作为可再生能源领域中一种新型的热泵组合形式,太阳能-地源热泵系统得到了广泛应用。通过总结归纳出国内外太阳能-地源热泵式供能系统在建筑、温室及沼气工程等领域的研究现状;特别对该系统应用于大中型沼气工程,在微生物适应性、热负荷及经济环保方面进行了比较分析和阐述,并指出其应用前景。     

节能温室太阳能土壤蓄热加温系统的研究

为了改善节能温室冬天植物栽培生产地温低，严重影响植物生长发育，影响温室生产产量和品质的问题。以数学模拟和回归实验相结合的方法，研究了温室土壤的太阳能蓄热加温系统。研究结果表明：系统能有效的提高地温，减少地温的变化幅度；在以加热管形成的浅层土壤温度层和以蓄热管形成的深层土壤温度层之间具有一个过渡层，和其它层不一样， 这个过渡层的温度是不随时间变化的；以SAS软件拟合的非线性方程为基础的土壤温度场的数学模型的模拟结果与实验结果吻合较好；选用差分法计算的土壤热扩散率精确度高，符合实验及生产实际要求；由温室热平衡方程确定的太阳能集热器面积与温室种植面积的优化比例为1∶5，经试验验证，在目前技术状态下，该比例能满足作物冬季生长对土壤温度的要求。总之，研究的太阳能蓄热系统实现了太阳能夏天贮冬天用、日间贮夜间用、晴天贮阴天用的目的，从而在不消耗任何二次能源的条件下，能满足温室作物的正常生长要求。     

地源热泵温室降温系统的试验研究与性能分析

为探索地源热泵降温技术在设施农业领域中的应用途径和发展潜力,以及寻求传统蒸发式降温系统存在设施内湿度较高等问题的解决方法,该文作者在北京地区日光温室中进行了地源热泵温室夏季降温试验研究。该研究以COP即性能系数为评价指标对系统降温性能进行分析,并提出适用于该研究的能量传递和系统性能分析模型。2007年8月17～19日连续观测数据和分析结果显示,地源热泵温室降温系统制冷性能系数(COPsyscg)平均值达到3.01。2007年8月17日为连续观测的3天之中室外日均气温最高的一天,监测数据表明:上午10︰00至下午14︰00室内、外平均气温分别为31.3℃和34.1℃,平均温差2.8℃,同期室内平均相对湿度仅为60.7%,地源热泵系统具有明显的降温和除湿效果。测试期间温室外张挂遮阳幕,遮阳率为70%。     

南方温室内空气循环式蓄热除湿系统的保温效果

为探索南方温室内空气循环式蓄热除湿系统的保温效果,设置了空气循环式冷凝除湿（冷凝处理）、土壤地面地膜覆盖降湿（覆盖处理）和普通换气除湿（对照）三种处理,观测了不同条件下温室内的气温和地温变化数据。结果表明：在晴天除湿系统运行期间,冷凝处理温室内下层气温明显比对照和覆盖处理的高,分别高0．9—2．7℃和0．2～1．7℃;在阴雨天（不启动除湿系统）,冷凝处理温室内各层的气温均高于或等于对照和覆盖。典型晴天,冷凝处理的5cm、10cm、15cm、20cm地温比对照分别高1．0～2．1℃、1．0～1．5℃、1．2～1．5℃、1．4～1．6℃。全年气温最低的1月份,冷凝处理温室下层的日平均气温均高于对照和覆盖,分别高0．1～2．3℃和0．1～1．5℃,其中高于0．5℃以上的天数分别为17d和18d。说明在南方地区冬季,空气循环式冷凝除湿系统具有明显的保温效果。     

主动蓄放热加热基质与加热空气温室增温效果对比

为进一步提高日光温室内主动蓄放热热能的利用效率,该文以主动蓄放热加热基质系统(active heat storage-release substrate warming system,AHSSWS)提升栽培基质温度作为试验组,以主动蓄放热加热空气系统(active heat storage-release air warming system,AHSAWS)提升夜间气温处理作为对照组,比较了2种加温方式对基质温度、室内气温及番茄生长、产量的影响,并对2个系统的能量收支情况、设备投入、运行成本进行了比较。试验结果表明,相比主动蓄放热加热空气系统,主动蓄放热加热基质系统可提高基质温度2.5~5.3℃;与加热空气相比,加热基质处理可提高番茄株高及产量(增产43%)。连续晴天情况下,主动蓄放热加热基质系统的COP(coefficient of performance)为1.5~1.9,主动蓄放热加热空气系统的COP为3.0~4.0;连续阴天情况下,主动蓄放热加热基质系统的COP为0.5~0.9,主动蓄放热加热空气系统的COP为1.0~2.2。相对于主动蓄放热加热空气系统,主动蓄放热加热基质系统的集热效率、节能率、平均COP略低;但试验组的单位产量耗能量为0.7 k J/kg,低于对照组的单位产量耗能量(1.0 k J/kg),从单产能耗角度来讲,主动蓄放热加热基质系统更具优势,因此可根据番茄销售价格及当地电价来选择相应的加温系统。该文研究结果为主动蓄放热热能的高效利用以及主动蓄放热加热基质系统在日光温室冬春季番茄加温栽培应用提供了理论依据。     

北京地区温室地源热泵供暖能耗及经济性分析

为研究地热在温室中应用的可行性,该文在北京地区一栋日光温室中采用地下水式地源热泵系统进行了供暖试验研究。试验结果表明,整个供暖期（2007年10月15日－2008年3月10日）地源热泵系统的供暖性能系数约为3.83,与燃煤热水采暖系统相比,地源热泵系统供暖可节约42%的能源消耗量,具有显著的节能减排效果。温室内单位面积的每日供暖耗电量约为0.15 kW·h/(m2·d),供暖费用约为0.12元/(m2·d)。地源热泵供暖、天然气供暖、燃煤热水供暖以及燃油热风供暖几种温室采暖方式的相对运行费用分别约为1.20、1.31、1.00与3.36,地源热泵供暖的运行费用略高于燃煤热水供暖,但低于天然气供暖和燃油热风供暖。     

南方温室内空气循环式蓄热除湿系统的冷凝、蓄热与除湿效应

根据2003年1月、2月的相关观测资料,研究了冷凝温室内空气循环式蓄热除湿系统的冷凝、蓄热与除湿效应。结果表明：冷凝温室在2003年1月的晴天里,集水池平均每天蓄积冷凝水76810m^3,折合温室产生冷凝水量32g／m^2和12．1g／m^3;平均每天冷凝水吸收的汽化热为18858kJ。在典型晴天,冷凝温室下、中、上各层的日平均相对湿度分别比对照温室降低2．7个百分点、3．5个百分点、2．6个百分点,日平均绝对湿度分别比对照温室降低2．7g／m^3、4．1g／m^3、4．5g／m^3;在1月份,2座温室内同日同层次的相对湿度与绝对湿度,均呈现出冷凝〈对照,但以晴天差异尤为明显,阴雨天差异较小。空气循环式温室蓄热除湿系统的冷凝、蓄热、除湿效果明显。     

地源热泵—地板散热系统在温室冬季供暖中的应用

针对浅层地能低品位的特点,在中国农业科学院Venlo型试验温室内设计建造了一套地源热泵与地板散热方式相结合的供暖系统,并对加热效果进行了试验,结果表明:温室内垂直方向的气温随着高度的增加而下降,水平方向气温分布均匀,温度分布有利于植物的生长。整套地源热泵系统的实际制热系数COP值达到3.14,与燃煤锅炉相比节能36.3%,节能效果明显。     

北京猪舍空气源热泵供暖的可行性

随着各界对环境保护的重视,猪场迫切需要找到低成本的节能减排供暖方式。该研究把空气源热泵（Air Source Heat Pump, ASHP）供暖系统安装在猪舍里,通过测量供回水温度和能效比（Coefficient of Performance, COP）,分别比较了ASHP供暖系统与直接电加热系统的节能率,以及ASHP供暖系统与直接电加热的电锅炉、管道天然气和液化天然气（Liquefied Natural Gas, LNG）的供暖运行费用。结果表明：试验期间,在北京供暖期室外平均温度为0.1 ℃时,ASHP系统的COP为2.86。与直接电供暖相比,ASHP供暖系统节能率为66%。ASHP、电锅炉、管道天然气和LNG供暖运行费用单位能源价格分别为0.22、0.62、0.34和0.37元/kW·h。在猪舍供暖中,ASHP系统具有降低能耗与减少CO2排放的潜力,是一种经济、清洁的可替代燃煤的供暖方式。     

日光温室空气余热热泵加温系统应用效果

中国日光温室是低碳节能设施结构类型的代表,但昼夜能量分布极不平衡,白天室内热量富余,而夜间低温高湿,冷害、病虫害时有发生。为实现日光温室内热量在时间、空间上的转移,以提高空气热能利用效率,提升日光温室抵御低温能力,设计了一套日光温室空气余热热泵加温系统。白天适时运行系统,将日光温室内富余空气热能泵取并储存于蓄热水池中;夜间室内气温较低时,首先开启风机和水泵,以对流换热方式通过表冷器直接散热;当蓄热水池水温降至一定温度,逆向运行热泵系统强制放热;此外,在连阴天及极端低温天气条件下,可开启风机与翅片式电加热对温室进行应急加温。对加温系统的应用效果进行试验,试验结果表明：与对照温室相比,系统运行期间,试验温室夜间平均气温高出2.8～4.4℃,相对湿度降低8.0%～11.5%;白天平均气温降低3.7～5.2℃,相对湿度降低12.3%～16.5%。系统不仅夜间加温、降湿效果显著,同时白天降温、除湿效果显著。系统白天集热功率为12.5～16.4 kW,制热性能系数为3.3～4.2;夜间表冷器散热阶段系统放热功率为9.3～10.3 kW,性能系数为6.6～7.4;逆向运行热泵强制放热阶段系统性能系数为3.8～4.1。加温周期内系统集、放热过程始终处于制热工况,整体性能系数达2.7,节能效果显著。该研究为日光温室夜间节能加温提供了新思路。     

主动蓄放热-热泵联合加温系统在日光温室的应用

为提高主动蓄放热系统集热效率,增强日光温室抵御低温能力,设计了一套主动蓄放热-热泵联合加温系统。白天运行主动蓄放热系统,将北墙获得的太阳辐射能储存到蓄水池中;根据天气情况及蓄水池水温变化适时开启热泵机组,降低主动蓄放热系统循环水温,进而提升其集热效率;夜间室内气温较低时,通过主动蓄放热系统放热。试验结果表明：与对照温室相比,试验温室夜间气温高出5.26～6.64℃;热泵机组制热性能系数COPHp为4.38～5.17,主动蓄放热系统可为热泵机组热源提供充足的热量,保证理想的热源温度;在日光温室特定的光热环境下,主动蓄放热-热泵联合加温系统的集热效率达到了72.32%～83.62%,总体COPSys值达5.59,节能效果显著。该研究为提高日光温室夜间温度提供了新思路。     

基于热泵的日光温室浅层土壤水媒蓄放热装置试验

由于日光温室的蓄热能力有限,后半夜温度往往比较低,难以满足作物生长需求。针对这一问题,该文提出了基于热泵的日光温室浅层土壤水媒蓄放热方法,其原理是白天开启循环水泵,将后墙获得的太阳辐射储存到温室浅层土壤中;前半夜通过浅层土壤热量的自然释放加热温室;当温室温度较低时,启动热泵系统将浅层土壤中的热量提升后加热温室。试验结果表明,在阴天系统系数(coefficient of performance,COP)能达到3以上,与燃煤热水锅炉相比节能33%;与对照温室相比,盖上保温被后,由于试验温室蓄热量大于对照温室,试验温室空气温度和土壤温度分别比对照温室平均高3.2和3.3℃;开启热泵机组后,试验温室空气温度和土壤温度分别比对照温室平均高5.7和2.9℃。     

温室主动蓄放热-热泵联合加温系统热力学分析

主动蓄放热-热泵联合加温系统加温和节能效果显著,在温室加温领域应用前景广阔,但系统技术参数及工艺仍有待优化。该文通过对系统进行能量平衡和可用能(Exergy)分析,得出系统及各组件的性能系数、可用能损失、损失比和可用能效率,以此为依据对系统进行性能评价和优化。试验结果表明:系统平均1 d中集热和保温阶段可用能损失总量为9.77×104 kJ,可用能效率为48.7%;可用能损失最大、可用能效率最低的组件是主动蓄放热装置,其次是热泵装置、循环水泵和蓄热水箱,其可用能损失比分别为78.7%、8.3%、7.7%、5.3%,可用能效率分别为25.6%、38.3%、75.0%、88.2%。就整个系统而言,最需要进行技术优化的是主动蓄放热装置与热泵装置,可用能损失主要由有限温差传热引起,降低传热温差、减少有限温差传热过程以及改进生产工艺是优化的重点。试验期间系统的集热效率为89.0%~100.5%,热泵装置制热性能系数(coefficient of performance,COPHp)达5.48~6.08,性能远远高于传统太阳能热水系统以及水、地源热泵。该研究为温室加温系统性能评价和优化设计提供思路。     

主动式太阳能集热/土壤蓄热塑料大棚增温系统及效果

试验研究了一套主动式太阳能塑料大棚增温系统。它以空气为载热介质,土壤为蓄热介质,白天利用太阳能空气集热器加热空气,由风机把热空气抽入地下,通过地下管道与土壤的热交换,将热量传给土壤储存。夜间热量缓慢上升至地表,从而使土壤保持恒温。经过连续4 d的加温试验得出：与利用自然辐照的对比温室相比,主动式太阳能塑料大棚的夜间气温平均升高3.8℃,地温平均升高2.3℃,系统蓄热量可达228.9～319.1 MJ。试验结果证明,这种结合太阳能空气集热器和土壤蓄热的塑料大棚增温系统,能有效地提高棚内的气温和地温,具有良好的发展前景。     

日光温室地源热泵供暖碳足迹的生命周期分析

为分析日光温室地源热泵供暖的碳足迹,该文以日光温室地源热泵供暖系统中浅层地热能的存储、提取、制冷压缩提升和温室末端供暖整个过程为研究对象,对系统的温室气体排放和单位温室供暖面积的排放水平进行分析,构建基于生命周期分析LCA(life cycle assessment)的日光温室地源热泵供暖碳足迹分析方法。同时以北京地区日光温室地源热泵系统冬季供暖采集的试验数据为依据,分析和计算出北京地区日光温室在采用燃煤和燃气2种不同发电方式下地源热泵系统的供暖碳足迹和基于20 a和100 a温室地源热泵供暖碳足迹的全球变化潜能(global warming potential,GWP,单位为二氧化碳当量排放-CO2-eq.)的变化。研究表明,在北京地区采用燃煤和燃气驱动地源热泵系统的碳足迹GWP分别为257和72 g/(m2·d)。基于100 a的GWP总量比20 a的计算值分别减少了1.6%和5.4%。对比荷兰Venlo型温室天然气供暖,该研究中采用燃煤发电驱动日光温室地源热泵供暖的碳足迹是其1.39倍,而燃气发电驱动日光温室地源热泵供暖的碳足迹仅为Venlo型温室供暖的41%。采用燃气发电驱动的地源热泵供暖系统具有更低的碳足迹。     

热泵与家用太阳热水器联合供热性能试验

为解决家用太阳能热水器供热的间歇性和不稳定性,应用热泵辅助可达到全天候供热,该文通过对这种联合供热系统的供热性能和运行性能进行了测试,并对热水器的升温、保温和热泵的加热进行了试验和分析,结果表明：空气源热泵辅助型真空管家用太阳热水系统仅在累积太阳辐照量小于14 MJ/m2时,需要空气源热泵辅助加热,总制热性能系数可达6.18。     

太阳能辅助闭式热源塔热泵系统冬季制热性能

热源塔热泵系统以空气为冷热源,在冬季制热时其性能会随环境温度的降低而降低。为此研发了可应用陕南地区农村建筑的太阳能辅助闭式热源塔热泵系统,试验研究了冬季工况下系统的制热性能,初步分析了太阳热能与空气热能的互补机理。研究结果表明：系统制热量范围为12.1～15.2 kW,热泵机组性能系数范围为2.3～3.5,系统能效比范围为1.5～2.4,供热温度高于41 ℃;冷却水温度对压缩机耗电量的影响程度大于防冻溶液温度,冷却水平均温度每升高1 ℃,压缩要耗电量增加98.1 W,而防冻溶液平均温度每升高1 ℃,压缩机耗电量减小9.5 W;太阳能辅助热源塔热泵制热模式下,热泵机组通过改变防冻溶液与空气和集热工质换热温差的方法来改变防冻溶液从空气和集热水箱中的吸热量,以实现空气热能与太阳热能的互补。建议在实际应用中应避免供热温度过高以减小压缩机耗电;在集热水箱温度较高时通过降低风机频率减小风机耗电以提高系统综合能效,但应避免风机低频率工作可能给机组安全运行带来的隐患。     

日光温室金属膜集放热装置增温效果的性能测试

日光温室冬季夜间温度较低,为满足作物能正常生长往往需要加温装置,为此,该课题组设计了一种双黑膜主动集放热装置,该装置白天以热辐射和热对流的模式吸收太阳辐射热和温室内空气中的热量,夜间通过热对流的模式将热量释放到温室中,以增加温室夜间温度。通过冬季加温试验发现该装置对太阳辐射的吸收率偏低,为进一步提升该装置的集放热性能,该文对原有双黑膜集放热装置进行了改进,用金属膜替换原有双黑膜吸热面,试验结果表明:运行金属膜集放热装置能将温室夜间最低温度提高2.4℃,装置的集热效率为83%,热量的有效利用率为68%;与电加热加温方式相比节能量为110 MJ,节能72.6%,节能效果显著;金属膜集放热装置对太阳辐射的吸收系数为0.81,比双黑膜集放热装置提高了0.22;白天温室自然通风条件下,装置与空气间的对流换热系数为14.6W/(m2·℃),比双黑膜蓄放热装置高6.3 W/(m2·℃)。