基于天气预报的日光温室夜间逐时气温预测模型构建

为得到一种可行的日光温室夜间逐时气温预测方法,从而提高主动集放热系统的适应力,该研究尝试从中国天气网发布的天气预报中获取试验地点72 h天气状况、室外气温等气象信息,同时将爬取筛选的天气状况简分为晴天、多云天以及阴天三类,并基于多元线性回归、支持向量机回归和随机森林回归方法,选取2020年11月－2021年2月中晴天、多云天和阴天各25 d的数据作为训练集,选取训练集外的三种天气各10 d的数据作为测试集,分别构建了三种天气状况下温室内夜间逐时气温预测模型。该研究使用均方误差（MSE）和决定系数（R2）对各类模型预测精度进行评价：晴天和多云天时,随机森林回归模型预测精度最高,MSE、R2分别达到了0.37、0.94和0.05、0.98,而阴天时支持向量机回归模型预测精度最高,MSE、R2分别达到了0.40、0.87;根据不同的天气状况选用精度最高的回归模型进行气温预测,经验证预测气温和实测气温的变化曲线拟合度较高,单因素方差分析显示两者间无显著差异（P＞0.05）,在晴天、多云天和阴天MSE分别为0.19、0.19和0.15,R2分别达到了0.98、0.95和0.90,平均绝对误差依次为0.1、0.3和0.3℃。因此,该研究所构建的基于天气预报的日光温室夜间逐时气温预测模型预测精度较高,可以为主动集放热系统放热策略的制定提供指导。     

外保温塑料大棚表冷器-风机集放热系统性能分析

为调节外保温塑料大棚的室内气温,设计了一套通过表冷器-风机与室内空气进行热交换的表冷器-风机集放热系统（TSFU系统）。根据测试,TSFU系统在晴天和多云天的放热量Qr分别为(433.0±48.6)MJ和(199.3±0.1)MJ,系统性能系数（COP）分别达到2.9和3.1,可将室内气温分别提高(2.5±0.4)℃和(1.1±0.3)℃,且加温成本较燃气热风炉节约了40.2%。根据模拟分析,将系统表冷器-风机的全热交换效率和表冷器-风机数量分别提高至0.44和20时,可分别使晴天Qr增加(67.4±14.9)%和(76.1±14.7)%,多云天Qr增加(149±76)%和(17.0±4.5)%,COP达到3.6±0.6以上。若将蓄水池中的水体积提高到52m3,可使多云天Qr和COP分别提高(31.7±20.3)%和10±07,但晴天Qr和COP未得到改善;将水体积减小至13m3时,晴天Qr未受影响,但使多云天Qr和COP显著减小。因此,可使用TSFU系统调节外保温塑料大棚的室内温度。     

表冷器-热泵联合集热系统的设计方法

为了加快表冷器-热泵联合集热系统在无蓄热后墙日光温室及大跨度外保温塑料大棚中的推广应用,该研究提供了一种可以在不同类型、不同规格的园艺设施中使用的该系统的设计计算方法,主要包括棚室热负荷计算、热泵的选型、集热池潜水泵的选型、储热池潜水泵的选型、储热池体积的计算以及表冷器-风机台数的确定等。并以其在一500 m2无蓄热后墙日光温室中的实际应用为例,计算得出在夜间平均气温–10℃条件下,为了维持室内气温不低于15℃,需配置FNH型表冷器-风机10台,热泵的额定输入功率为15 kW,集热池潜水泵和储热池潜水泵流量分别为15 m3/h和14 m3/h,储热池体积为19.8 m3。该研究为表冷器-热泵联合集热系统的推广应用提供了理论基础和设计实例。     

表冷器-热泵联合集热系统的优化及可用能分析

为进一步提升表冷器-热泵联合集热系统的放热性能,并为系统进行节能优化提出方向和途径建议,首先计算了储热池优化水温42℃目标下的实际蓄水量,试验并分析了蓄水量的减少对系统集放热性能的影响;在此基础上,进行了两种集热方式、一种放热方式的可用能分析,进一步明确了系统在3种运行方式时可用能损失的主要位置和原因;最后,提出了表冷器-热泵联合集热系统主要工作部件节能优化的建议。试验结果表明：优化蓄水量为8.4 m3的条件下,系统的放热功率和放热性能系数分别为27.1 kW和6.2,提升了33.5%和37.8%,放热性能提升显著。可用能分析表明,水泵的可用能效率最高,最高可达98.8%;表冷器-风机的可用能效率在表冷器-风机集热方式、热泵与表冷器-风机联合集热方式、放热模式下分别为89.3%、87.8%、60.1%,传热温差造成的不可逆损失是放热模式下效率较低的原因;热泵机组可用能效率最低,仅为46.4%,是后续系统节能优化的重点。该研究为优化提升主动集放热系统的节能性,提供了方向指导和解决新思路。     

表冷器-热泵联合集热系统不同运行模式的集热性能

针对现有的表冷器-风机主动集放热系统集热能力不足的问题,该研究在现有系统的基础上加入热泵,设计了一套表冷器-热泵联合集热系统。该系统共有3种集热运行模式：仅表冷器-风机集热（风机模式）;表冷器-风机集热+热泵与表冷器-风机联合集热（混合模式）;仅热泵与表冷器-风机联合集热（联合模式）。依据不同天气下的不同需求确定指标赋分方式,并对各指标赋分,最终总分最高模式作为该天气下的最佳集热模式。试验结果表明：晴天时,风机模式的集热性能系数（COP）最高,达到了6.0±0.7,联合模式的集热量最大,为(763.9±17.1) MJ,而混合模式的集热COP及集热量均居中。多云天时,混合模式的集热COP最高,为4.8±0.3,联合模式的集热量最大,为(519.7±30.5) MJ。在两种天气下,平均水-气温差均呈现出风机模式、混合模式、联合模式递增的趋势。通过对各指标赋分后得出,晴天时混合模式为最佳集热模式;多云天时联合模式为最佳集热模式。该研究可为主动集放热技术的性能提升提供新思路。