孫維拓，張義，楊其長(zhǎng)，薛緒掌，郭文忠*

（1. 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，北京 100097；2. 中國(guó)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，農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

基于水源熱泵的日光溫室夏季夜間降溫試驗(yàn)

孫維拓1，張義2，楊其長(zhǎng)2，薛緒掌1，郭文忠1*

（1. 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，北京 100097；2. 中國(guó)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，農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

周年高效、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)是日光溫室的發(fā)展方向。針對(duì)日光溫室夏季夜溫過(guò)高、晝夜溫差小且降溫方法欠缺的問題，以設(shè)施園區(qū)地表水為冷源，以熱泵作為能量提升、轉(zhuǎn)換手段，對(duì)日光溫室進(jìn)行夜間降溫，分析該方法的降溫、除濕效果，對(duì)CO2濃度累積的影響及系統(tǒng)能耗、冷凝水回收量等，探討水源熱泵用于日光溫室夏季夜間降溫的環(huán)境調(diào)控能力及節(jié)能節(jié)水效果。結(jié)果表明，在夏季高溫夜間（20:00-06:00），水源熱泵系統(tǒng)可有效降低試驗(yàn)溫室內(nèi)氣溫，平均溫度比自然通風(fēng)的對(duì)照溫室低2.6-2.9 ℃；同時(shí)，試驗(yàn)溫室內(nèi)氣溫低于室外氣溫，平均溫差為1.6-1.7 ℃。試驗(yàn)溫室內(nèi)夜間平均相對(duì)濕度為74.3%-78.6%，比對(duì)照溫室降低了8.9%-12.6%。在06:00時(shí)試驗(yàn)溫室內(nèi)CO2濃度可達(dá)1 430-1 660 μL/L，約為對(duì)照溫室的1.3-1.9倍，可在日出后一段時(shí)間內(nèi)提升試驗(yàn)溫室內(nèi)作物的凈光合速率。水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，日均制冷耗電量為19.3-19.9 W/m2，日均性能系數(shù)（coefficient of performance, COP）值可達(dá)4.1-4.4。系統(tǒng)制冷耗電量及COP受進(jìn)風(fēng)溫度、含濕量的影響，均呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。系統(tǒng)降溫過(guò)程冷凝水回收量實(shí)測(cè)值為0.37-0.45 kg/(m2·d)，可節(jié)約18%-21%的灌溉用水量。研究表明，水源熱泵系統(tǒng)可有效用于日光溫室夏季夜間降溫、除濕，有助于CO2濃度累積，并具備良好的節(jié)能、節(jié)水效果。該研究為日光溫室安全越夏生產(chǎn)提供了有效的環(huán)境調(diào)控方法。

日光溫室；水源熱泵；夏季；夜間降溫；節(jié)能；節(jié)水

Abstract：Year-round production with high efficiency and quality is the development direction of the solar greenhouse(SG). For SG production through summer, high nighttime temperature and small temperature difference between day and night have serious negative effects on yield and quality of crops. However, nighttime cooling has not yet been paid enough attention, and leads to a lack of effective cooling methods at night. In this study, the water source heat pump system (WSHPs) was used to cool a SG at night in summer. Surface water in the protected agriculture park was used as cold source, and the heat preservation quilt was covered during cooling period. Nighttime cooling experiment of the SG was carried out from July 30 to August 30, 2015 in Changping District, Beijing. During the test, cucumbers were cultivated inside the SG. And nighttime cooling effectiveness and performance of the WSHPs were studied. The results showed that, the WSHPs could effectively decrease air temperature inside the SG during the nighttime (20:00-06:00)in summer with high ambient temperature. Nighttime mean air temperature was significantly reduced by 2.6 to 2.9℃ and 1.6 to 1.7 ℃ in the experimental SG with WSHPs as compared to the comparable SG with natural ventilation and outside air, respectively. However, cooling effectiveness of the WSHPs decreased as the ambient temperature gotlower at night, and even indoor air temperature would be higher than ambient temperature. Nighttime mean relative humidity in the experimental SG was 74.3% to 78.6%, and 8.9% to 12.6% lower than that in the comparable SG. The CO2concentration in the experimental SG reached 1 430 to 1 660 μL/L at 06∶00 and was approximately 1.3 to 1.9 times that in the comparable SG, which could enhance net photosynthetic rate of the plants during a period of time after sunrise. The WSHPs ran steadily in this test, and mean power consumption was 19.3 to 19.9 W/m2and coefficient of performance (COP) ranged from 4.1 to 4.4 for nighttime cooling. Meanwhile, there was a significant positive correlation between power consumption or COP and inlet air temperature or specific humidity (P＜0.01). The amount of water drained from the WSHPs was 0.37 to 0.45 kg/(m2·d) during cooling period at night, and accounted for 18% to 21% of the amount of irrigated water. In conclusion, the WSHPs could be effectively used for the SG cooling, dehumidification,and CO2accumulation, with a good energy-saving and water-saving performance. These results can provide theoretical basis and technical support for the WSHPs application for nighttime cooling of the SG, and give an effective microclimate control method for the SG production through summer.

中國(guó)的日光溫室主要關(guān)注保溫、蓄熱性能而對(duì)夏季降溫問題考慮較少，致使日光溫室內(nèi)極易形成對(duì)植物不利的高溫環(huán)境。白天室內(nèi)溫度過(guò)高會(huì)降低植株光合生產(chǎn)能力，減少坐果率，并抑制果實(shí)顏色形成[1-2]；夜間高溫會(huì)造成植株暗呼吸速率過(guò)高，不利于碳水化合物的積累，同時(shí)引起幼苗徒長(zhǎng)，植株落花率增加等問題[3]。實(shí)際生產(chǎn)中，除去10 d左右的時(shí)間用于高溫悶棚，日光溫室在6-9月份通常選擇休茬，過(guò)長(zhǎng)的休茬期造成設(shè)施用地及設(shè)備閑置，不僅影響投資者收益，也是對(duì)我國(guó)緊缺土地資源的極大浪費(fèi)。周年高效、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)是日光溫室的發(fā)展方向，為保證溫室作物安全越夏，進(jìn)而提高日光溫室使用效率，縮短投資回收期，需要增設(shè)低碳節(jié)能的溫室降溫措施[4-5]。

目前，國(guó)內(nèi)外研究報(bào)道的溫室降溫措施主要包括遮陽(yáng)（遮陽(yáng)網(wǎng)、噴涂 ）[6-8]、 通 風(fēng)（ 機(jī) 械、 自 然 ）[9-11]、蒸發(fā)（濕簾風(fēng)機(jī)、噴霧）[4,11-14]、噴淋[15-16]以及上述措施之間的組合[16-17]等。上述傳統(tǒng)降溫措施成本低、實(shí)用性強(qiáng)，能基本解決溫室白天高溫問題。已有研究表明晝夜溫差過(guò)小，會(huì)減少蔬菜生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[3]。在適溫范圍內(nèi)，降低夜間氣溫、增大晝夜溫差會(huì)提升果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)[18]。而在溫室越夏生產(chǎn)中夜間降溫同樣重要，尤其是對(duì)于具有蓄熱墻體的日光溫室。然而，前述各降溫措施主要針對(duì)溫室白天降溫，無(wú)法在高溫高濕的夏季夜間發(fā)揮其效能，或者具有局限性，或者會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生負(fù)面影響。與此同時(shí)，利用地?zé)崮艿乃降芈窆芟到y(tǒng)[19]，光伏發(fā)電輔助閉式土壤-空氣熱交換器[20-21]，地下空氣通道[22]，地下恒溫蓄水層與空氣熱交換器組成的調(diào)溫系統(tǒng)[23]等熱交換系統(tǒng)開始逐漸被應(yīng)用于溫室降溫，但其降溫潛力不足，且目前針對(duì)溫室夜間降溫的研究較少。

熱泵技術(shù)作為有效緩解高溫危害、提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的一種可靠手段在設(shè)施栽培中普遍應(yīng)用[24-25]，并具備夜間降溫的能力[26]。其中，采用家用空氣源熱泵機(jī)組對(duì)塑料薄膜溫室進(jìn)行夜間降溫，可獲得更加適宜的室內(nèi)環(huán)境條件、較高的性能系數(shù)（coefficient of performance, COP）和節(jié)水率，但其能耗大、造價(jià)高，很顯然不適于中國(guó)的國(guó)情[27]。而地源熱泵具有穩(wěn)定的COP及相對(duì)較低的運(yùn)行費(fèi)用[28-29]，但需要打井或埋管，建造成本高，也很難在日光溫室生產(chǎn)中應(yīng)用推廣。因此，本研究立足于設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)的能源整合利用，以設(shè)施園區(qū)內(nèi)地表水為冷源，以熱泵為能量提升、轉(zhuǎn)換手段，對(duì)溫室進(jìn)行夜間降溫，增大晝夜溫差，并在降溫過(guò)程中覆蓋保溫被隔熱，分析該方法的降溫、除濕效果，對(duì)CO2濃度累積的影響及系統(tǒng)能耗、冷凝水回收量等，探討水源熱泵用于日光溫室夏季夜間降溫的環(huán)境調(diào)控能力及節(jié)能節(jié)水效果等，以期為溫室安全越夏生產(chǎn)提供有效的環(huán)境調(diào)控方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)溫室

2015年7月30日-2015年8月30日進(jìn)行了基于設(shè)施園區(qū)地表水源熱泵的日光溫室夜間降溫試驗(yàn)。供試日光溫室位于北京市小湯山國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地（40°10′N，116°26′E）。試驗(yàn)溫室東西走向，長(zhǎng)29.8 m，跨度7 m，北墻高2.7 m，脊高3.7 m，后坡長(zhǎng)1.3 m，采用鋼骨架結(jié)構(gòu)，北墻及山墻為24 cm紅磚+15 cm聚苯乙烯泡沫板+24 cm紅磚。對(duì)照溫室結(jié)構(gòu)、材料及建造時(shí)間均與試驗(yàn)溫室相同。試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室均以7月30日定植的黃瓜作為栽培對(duì)象。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水源熱泵系統(tǒng)由水源系統(tǒng)、熱泵機(jī)組和散熱末端組成。水源系統(tǒng)包括設(shè)施園區(qū)地表水、循環(huán)水泵、輸水管網(wǎng)以及過(guò)濾器等。其中，設(shè)施園區(qū)地表水為試驗(yàn)日光溫室西側(cè)的集雨池，水面面積約2 500 m2，深約2 m；循環(huán)水泵為日井JLm70-600自吸泵，最大吸程8 m，最高揚(yáng)程40 m，最大流量3 m3/h，額定功率0.60 kW，實(shí)測(cè)0.56 kW，位于集雨池邊，距熱泵機(jī)組約25 m。熱泵機(jī)組名義制冷量11.85 kW，制冷劑為二氟一氯甲烷（R22），充注5 kg，主要集成壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥、離心風(fēng)機(jī)等。其中，壓縮機(jī)為美國(guó)Copeland公司生產(chǎn)的渦旋式VR48KS-TFP-542，380 V電壓，額定輸入功率3.06 kW；蒸發(fā)器為翅片換熱器；冷凝器為套管換熱器；離心風(fēng)機(jī)為臨淄空調(diào)風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的LKW280M-4，額定流量5 000 m3/h，全壓500 Pa，380 V電壓，額定功率1.37 kW，實(shí)測(cè)0.99 kW。散熱末端包括布袋風(fēng)管及靜壓箱等。其中，布袋風(fēng)管（Φ300 mm）連接靜壓箱兩側(cè)出風(fēng)口，東西延伸，懸掛于溫室屋脊下方距地面2.2 m高處。

當(dāng)夜間室內(nèi)氣溫較高時(shí)，運(yùn)行水源熱泵系統(tǒng)。在壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)下，制冷劑經(jīng)過(guò)翅片換熱器吸收室內(nèi)空氣熱量，由低溫低壓液體變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w，然后流經(jīng)套管換熱器與水泵驅(qū)動(dòng)的循環(huán)水換熱，冷凝為高溫高壓液體，并將熱量導(dǎo)入到集雨池中，高溫高壓液體經(jīng)膨脹閥降壓變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w重新進(jìn)入翅片換熱器形成循環(huán)。熱泵循環(huán)不斷將室內(nèi)熱量轉(zhuǎn)移至集雨池中，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)降溫。

1.3 系統(tǒng)降溫過(guò)程計(jì)算

水源熱泵系統(tǒng)制冷性能系數(shù)COP計(jì)算方法為：

式中：Q為系統(tǒng)制冷量（kW）；E為系統(tǒng)降溫耗電量（kW）；q為離心風(fēng)機(jī)排風(fēng)量，試驗(yàn)期間實(shí)測(cè)0.95 m3/s；v為熱泵機(jī)組出風(fēng)口濕空氣比容（m3/kg）；h為濕空氣比焓（kJ/kg）；hin，hout分別為系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口濕空氣焓值（kJ/kg）；t為濕空氣溫度（℃）；d為濕空氣含濕量，是指濕空氣中與1 kg干空氣同時(shí)并存的水蒸氣的質(zhì)量（kg/kg）；pv為水蒸氣分壓力（Pa）；p為濕空氣總壓力，取大氣壓力101 300 Pa；ps為飽和水蒸氣分壓力（Pa），由飽和水蒸氣表查知；φ為空氣相對(duì)濕度（%）；T為濕空氣溫度（K）；Rg為濕空氣氣體常數(shù)（J/(kg·K)）；Rg,a為干空氣氣體常數(shù)，取287.0 J/(kg·K)；Rg,v為水蒸氣氣體常數(shù)，取461.7 J/(kg·K)。

系統(tǒng)降溫過(guò)程冷凝水回收量（m，kg）計(jì)算方法為：

式中：din，dout分別為系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口濕空氣含濕量（kg/kg）。

降溫系統(tǒng)的總制冷量為調(diào)節(jié)處理潛熱和顯熱能力的總和，而顯熱比（sensible heat ratio，SHR）為顯熱量在總制冷量中所占的比例。顯熱比近似計(jì)算方法為：

式中：Qs為全熱量變化的顯熱量（kW）；ha為干空氣比焓（kJ/kg）；cp,a為干空氣比定壓熱容，取值1.005 kJ/(kg·K)。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 試驗(yàn)儀器與測(cè)點(diǎn)布置 選用美國(guó)Onset公司生產(chǎn)的HOBO U14-001型溫濕度記錄儀測(cè)量室內(nèi)外溫濕度以及熱泵機(jī)組進(jìn)出風(fēng)溫濕度，溫度、濕度傳感器精度分別為±0.2 ℃和±2.5%。試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室內(nèi)溫濕度測(cè)點(diǎn)均設(shè)置3個(gè)，分別布置于溫室跨中距西墻5、15和25 m處，距地面1.5 m；室外溫濕度測(cè)點(diǎn)置于溫室前屋面外1.5 m高處。選用銅-康銅T型熱電偶作為溫度傳感器測(cè)量熱泵機(jī)組供回水溫度，精度為±0.2 ℃。選用美國(guó)Campbell公司生產(chǎn)的CR1000數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。選用杭州路格科技有限公司生產(chǎn)的L99-CO2-2二氧化碳記錄儀監(jiān)測(cè)室內(nèi)CO2濃度變化，量程為0-2 000 μL/L，精度為±40 μL/L。測(cè)點(diǎn)布置于溫室?guī)缀沃行木嗟孛?.5 m高處。選用山東力創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的LCDG-DG三相電子式電能表監(jiān)測(cè)水源熱泵系統(tǒng)的累計(jì)電能消耗、瞬時(shí)功率等。選用德國(guó)Testo公司生產(chǎn)的testo 417葉輪風(fēng)速儀測(cè)量離心風(fēng)機(jī)流量，精度為±(0.1 m/s +1.5%測(cè)量值)。熱泵冷凝水通過(guò)軟管導(dǎo)流回收至塑料容器中，采用普通電子秤進(jìn)行稱重，每天06:00對(duì)整個(gè)降溫過(guò)程的冷凝水回收總量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。所有自動(dòng)記錄設(shè)備數(shù)據(jù)采集頻率為10min。測(cè)點(diǎn)位置布置見圖1。

圖1 日光溫室結(jié)構(gòu)示意圖及測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Schematic diagram of solar greenhouses and measurement points

1.4.2 試驗(yàn)設(shè)置 日間（06:00-20:00），試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室均采取外遮陽(yáng)、頂通風(fēng)、前屋面?zhèn)韧L(fēng)、山墻通風(fēng)等傳統(tǒng)措施組合進(jìn)行降溫。夜間（20:00-次日06:00），試驗(yàn)溫室閉合所有通風(fēng)口，并覆蓋保溫被隔熱，采用水源熱泵系統(tǒng)降溫；對(duì)照溫室延續(xù)白天操作，采取自然通風(fēng)降溫。熱泵運(yùn)行采用時(shí)間與溫度協(xié)同控制，夜間當(dāng)室內(nèi)氣溫高于22 ℃時(shí)運(yùn)行熱泵，下降至18 ℃時(shí)停止運(yùn)行。試驗(yàn)期間熱泵實(shí)際降溫過(guò)程無(wú)停頓出現(xiàn)，即水源熱泵系統(tǒng)日累計(jì)運(yùn)行10 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 水源熱泵系統(tǒng)環(huán)境調(diào)控能力

2.1.1 降溫 選取典型天氣分析系統(tǒng)降溫效果。2015年8月6-7日和8月12-13日，夜間室外平均氣溫分別為24.1和25.6℃，為夏季夜間相對(duì)高溫和高溫天氣?？紤]到夜間抑制呼吸，同時(shí)又要有利于光合產(chǎn)物運(yùn)轉(zhuǎn)，一般果菜類作物前半夜應(yīng)調(diào)控溫度為（17±2）℃，后半夜為（14±2）℃[3]。而對(duì)照溫室內(nèi)夜間平均氣溫分別高達(dá)25.1和26.7 ℃，可見依靠自然通風(fēng)無(wú)法保持適宜的溫度環(huán)境，急需引入其他降溫措施。

在水源熱泵系統(tǒng)作用下，試驗(yàn)溫室氣溫低于對(duì)照溫室，平均溫差分別為2.6和2.9 ℃，最大溫差分別為4.0和3.3 ℃（圖2）。同時(shí)，試驗(yàn)溫室氣溫低于室外氣溫，平均溫差分別為1.6和1.7 ℃。

2015年8月15-16日，夜間室外平均氣溫20.8 ℃，為夏季夜間低溫天氣。對(duì)照溫室內(nèi)夜間平均氣溫為22.7 ℃，試驗(yàn)溫室氣溫低于對(duì)照溫室，平均溫差為0.6 ℃，最大溫差0.9 ℃。然而，試驗(yàn)溫室氣溫高于室外氣溫，平均溫差為1.3 ℃，這主要是由于室外氣溫較低，而溫室保溫隔熱性能良好，墻體及室內(nèi)土壤不斷向溫室內(nèi)釋放熱量，熱泵系統(tǒng)的制冷量無(wú)法將室內(nèi)氣溫降低至室外水平。

上述典型天氣分析可知，采取自然通風(fēng)的對(duì)照溫室內(nèi)氣溫始終高于環(huán)境溫度。在夏季高溫夜間，日光溫室自然通風(fēng)的降溫效果并不想理，水源熱泵系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。但當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，與自然通風(fēng)相比，系統(tǒng)降溫幅度減小，甚至出現(xiàn)試驗(yàn)溫室內(nèi)氣溫高于室外氣溫的現(xiàn)象，綜合考慮降溫效果及運(yùn)行成本，此時(shí)本研究中的熱泵降溫方法將不再適用，宜采用機(jī)械通風(fēng)或自然通風(fēng)降溫。

圖2 典型天氣室內(nèi)外氣溫變化Fig.2 Time courses of air temperature inside and outside the greenhouses in typical weather conditions

2.1.2 除濕 夏季雨水較多，受外界影響，日光溫室內(nèi)夜間濕度較大。本試驗(yàn)中夜間室外平均濕度在86.4%以上，對(duì)照日光溫室內(nèi)平均濕度也高達(dá)83.5%以上，再加之22-27 ℃的溫度環(huán)境，很容易發(fā)生黃瓜病害。與冬季可引入室外干冷空氣進(jìn)行降濕不同，在高溫高濕的夏季夜間，通風(fēng)降濕很顯然是不適用的。水源熱泵系統(tǒng)在溫室降溫過(guò)程中，可對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行冷凝除濕。試驗(yàn)溫室內(nèi)夜間平均相對(duì)濕度分別為78.6%、74.3%和74.7%，比對(duì)照溫室分別降低了12.6%、9.4%和8.9%（圖3）?？梢姛o(wú)論室外環(huán)境溫度如何變化，水源熱泵系統(tǒng)的除濕效果都很明顯。

圖3 典型天氣室內(nèi)外濕度變化Fig.3 Time courses of relative humidity inside and outside the greenhouses in typical weather conditions

2.1.3 CO2比較 低溫可抑制作物呼吸，因此本試驗(yàn)中對(duì)照溫室內(nèi)黃瓜夜間呼吸作用釋放的CO2量必然大于試驗(yàn)溫室。但2015年8月6-7日、12-13日和15-16日，試驗(yàn)溫室內(nèi)CO2濃度基本都高于對(duì)照溫室內(nèi)CO2濃度，特別是在上午06:00可達(dá)1 430-1 660 μL/L（圖4），比對(duì)照溫室高出360-790 μL/L，約為對(duì)照溫室的1.3-1.9倍。這是由于水源熱泵系統(tǒng)降溫過(guò)程中，試驗(yàn)溫室通風(fēng)口關(guān)閉，并覆蓋了保溫被，形成了相對(duì)密閉的空間，釋放的CO2可以有效積累。而對(duì)照溫室通風(fēng)口全開，處于半封閉狀態(tài)，釋放的大量CO2很容易擴(kuò)散到室外，尤其是在風(fēng)速較大時(shí)。黃瓜、番茄等蔬菜的CO2飽和點(diǎn)一般在1 500-1 600 μL/L，在CO2補(bǔ)償點(diǎn)和飽和點(diǎn)之間隨CO2濃度的增加，光合速率明顯提高[3]。因此可以推斷，在上午太陽(yáng)升起后的一段時(shí)間內(nèi)，試驗(yàn)溫室內(nèi)種植的黃瓜凈光合速率將高于對(duì)照溫室。

圖4 典型天氣室內(nèi)CO2變化Fig.4 Time courses of CO2concentration inside the greenhouses in typical weather conditions

2.2 系統(tǒng)能耗分析

2.2.1 系統(tǒng)降溫性能參數(shù) 選取典型天氣分析系統(tǒng)能耗。水源熱泵系統(tǒng)在夜間降溫過(guò)程中運(yùn)行穩(wěn)定，其日均耗電量為19.3-19.9 W/m2，日均COP值可達(dá)4.1-4.4（表1）?？梢姡捎迷O(shè)施園區(qū)地表水作為熱泵冷源對(duì)日光溫室進(jìn)行夜間降溫，具有明顯的節(jié)能效果。

系統(tǒng)的日均制冷量為16.617-17.973 kW，其中可計(jì)算得到日均顯熱量為7.344-7.785 kW，日均顯熱比為0.41-0.47（表1）。系統(tǒng)的名義制冷量由熱泵委托加工廠家給出11.85 kW，實(shí)際制冷量高于名義制冷量，其原因可能是冷源端集雨池水溫波動(dòng)?。欢?fù)荷端室內(nèi)氣溫也未達(dá)到所設(shè)定的下限溫度，熱泵進(jìn)風(fēng)溫度相對(duì)較高；同時(shí)顯熱比相對(duì)較低；且風(fēng)機(jī)與水泵選型合理，最終使系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定的運(yùn)行，獲得較高的制冷量和COP。

根據(jù)農(nóng)業(yè)用電價(jià)格0.554元/(kW·h)計(jì)算，系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用約為0.1元/(m2·d)，具有較低的運(yùn)行成本。

表1 水源熱泵系統(tǒng)夜間降溫性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of the water source heat pump system for nighttime cooling

2.2.2 系統(tǒng)降溫性能影響因素 在本試驗(yàn)中，日光溫室內(nèi)夜間氣溫未達(dá)到所設(shè)定的下限溫度，也沒有維持一定的室內(nèi)氣溫，降溫過(guò)程熱泵系統(tǒng)始終滿負(fù)荷不間斷運(yùn)行。因此，水源熱泵系統(tǒng)耗電量及COP值主要受熱泵機(jī)組進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)風(fēng)含濕量、進(jìn)水溫度及流量等因素的影響，受室外環(huán)境溫度的影響較小。其中，進(jìn)風(fēng)溫度、含濕量反映室內(nèi)氣溫、含濕量的變化。試驗(yàn)期間熱泵機(jī)組進(jìn)水（即設(shè)施園區(qū)地表水）溫度在27.8-30.5 ℃之間，變化幅度小，其對(duì)于系統(tǒng)耗電量及COP值的影響在此不做分析，同時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中忽略進(jìn)水流量的變化。

水源熱泵系統(tǒng)制冷耗電量及COP均與熱泵進(jìn)風(fēng)溫度呈線性正相關(guān)關(guān)系，且達(dá)到顯著水平（圖5，P＜0.01）。日光溫室內(nèi)夜間氣溫越高，相應(yīng)的進(jìn)風(fēng)溫度越高，則降溫耗電量越大，但COP也越高，這是由于制冷量的提升幅度大于增加的降溫耗電量。隨著降溫過(guò)程的進(jìn)行，室內(nèi)氣溫逐漸降低，系統(tǒng)耗電量及COP均逐漸降低。

總壓力一定時(shí)，含濕量只取決于水蒸氣的分壓力，相對(duì)濕度隨含濕量增大而增大。水源熱泵系統(tǒng)制冷耗電量及COP均與熱泵機(jī)組進(jìn)風(fēng)含濕量呈線性正相關(guān)關(guān)系，且達(dá)到顯著水平（圖5，P＜0.01）。隨著進(jìn)風(fēng)含濕量的增加，系統(tǒng)的耗電量及COP逐漸增加。

2.3 系統(tǒng)節(jié)水效果

水源熱泵系統(tǒng)夜間降溫過(guò)程中，濕熱空氣通過(guò)熱泵機(jī)組蒸發(fā)器，溫度降至露點(diǎn)溫度以下，析出冷凝水，干冷空氣重新回到溫室內(nèi)。冷凝水析出不僅可以降低溫室內(nèi)空氣濕度，同時(shí)通過(guò)冷凝水回收利用，可實(shí)現(xiàn)溫室節(jié)水生產(chǎn)。本試驗(yàn)中冷凝水回收量實(shí)測(cè)值為0.37-0.45 kg/(m2·d)（圖6），與計(jì)算值有較大差別，冷凝水量實(shí)測(cè)值約為計(jì)算值的64%。其原因可能是冷凝水量及風(fēng)機(jī)流量的測(cè)定存在較大誤差。根據(jù)Tong[27]的研究，該比值為0.35，認(rèn)為其原因有可能是冷凝水量不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)造成了測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。以日光溫室秋冬茬黃瓜為例，從初花期至末瓜期的全生育期內(nèi)，灌水量約為2.1 kg/(m2·d)[30]，如將回收的冷凝水用于灌溉，則可節(jié)約18%-21%的灌溉用水量。鑒于水源熱泵系統(tǒng)夜間降溫過(guò)程良好的冷凝水回收能力，此方法對(duì)于推動(dòng)干旱荒漠區(qū)發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)將具有積極意義。

圖5 水源熱泵機(jī)組進(jìn)風(fēng)溫度、含濕量對(duì)系統(tǒng)COP及耗電量的影響Fig.5 COP and power consumption of the water source heat pump system as affected by inlet air temperature and inlet air specific humidity

圖6 水源熱泵系統(tǒng)夜間降溫過(guò)程冷凝水回收量的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值Fig.6 Measured value and calculated value of condensate water recovered from water source heat pump system during cooling period at night

3 討論

目前，溫室降溫主要針對(duì)白天，夜間降溫還沒有引起足夠的重視，這也造成了夜間降溫方法的缺失。例如，夜間采取通風(fēng)降溫，僅在環(huán)境溫度較低時(shí)才有良好的降溫效果，且室內(nèi)氣溫一般不會(huì)低于環(huán)境溫度[13]。若要保持室內(nèi)氣溫低于室外，可以引進(jìn)一些蒸發(fā)降溫措施[14]。但蒸發(fā)降溫僅在環(huán)境濕度較低時(shí)才發(fā)揮作用，濕簾在高濕地區(qū)降溫效率一般僅為干燥地區(qū)的60%-80%[9]；與機(jī)械通風(fēng)相比，濕簾風(fēng)機(jī)可將夜間溫室內(nèi)平均氣溫降低1.2 ℃，但也增加了10%的相對(duì)濕度，同時(shí)番茄裂果率增加，果實(shí)商品性大大降低[11]。此外，屋頂噴淋易造成水資源浪費(fèi)，降溫效率低，也很難在夜間發(fā)揮作用[15-16]。在高溫多雨的夏季夜間，既能實(shí)現(xiàn)溫室降溫，又不增加室內(nèi)濕度或者還能有效除濕，這就需要引入熱交換系統(tǒng)[19-23]，進(jìn)行冷卻降溫。

熱泵用于溫室白天降溫需要較大的裝機(jī)容量，并消耗巨大電能，這是由于太陽(yáng)輻射不斷入射到室內(nèi)，產(chǎn)生巨大的冷負(fù)荷，尤其對(duì)于采光較好的日光溫室[24]。與傳統(tǒng)降溫方式相比，將熱泵等熱交換系統(tǒng)用于日光溫室白天降溫并不是合理的選擇，但用于夜間降溫是可以的。

保溫被不僅可以在冬季夜間覆蓋保溫，在夏季夜間降溫過(guò)程中也可以增加溫室的保溫隔熱性，提升降溫效果。系統(tǒng)降溫過(guò)程耗電量?jī)H為19.3-19.9 W/m2，卻可以獲得1.6-1.7 ℃的室內(nèi)外溫差，降溫過(guò)程覆蓋保溫被是其原因之一。然而，由覆蓋保溫被所提升的降溫及節(jié)能效果的量化工作還有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

系統(tǒng)降溫過(guò)程中熱泵進(jìn)出風(fēng)平均溫差約為6.4-6.8 ℃，供回水溫差在6.2-7.0 ℃之間，均在合理的溫差范圍內(nèi)，可初步認(rèn)為風(fēng)機(jī)與水泵的選型與系統(tǒng)的需要相匹配。需要指出的是，本試驗(yàn)中水源熱泵系統(tǒng)始終滿負(fù)荷不間斷運(yùn)行，沒有達(dá)到夜間適宜溫度的下限，熱泵制冷量偏小。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)酌情提高熱泵機(jī)組裝機(jī)容量，使系統(tǒng)運(yùn)行在約80%的負(fù)荷工況。

本文完成了熱泵用于日光溫室夏季夜間降溫的探索和引領(lǐng)任務(wù)。后續(xù)工作將主要圍繞“在不同氣候區(qū)域、不同熱工性能溫室和不同時(shí)間段，為滿足不同作物生長(zhǎng)所要求的最佳室內(nèi)溫濕度條件，如何配置和調(diào)節(jié)熱泵系統(tǒng)”而展開。

4 結(jié)論

基于水源熱泵的日光溫室夏季夜間降溫方法是可行的。在夏季高溫夜間，與自然通風(fēng)的日光溫室相比，水源熱泵系統(tǒng)可將室內(nèi)平均氣溫降低2.6-2.9℃，相對(duì)濕度降低8.9%-12.6%，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)CO2濃度有效積累，具有良好的環(huán)境調(diào)控能力。降溫過(guò)程水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，日均COP值可達(dá)4.1-4.4，并可回收0.37-0.45 kg/(m2·d)的冷凝水，具有明顯的節(jié)能與節(jié)水效果。

該研究為水源熱泵用于日光溫室夜間降溫提供了理論支撐，為日光溫室安全越夏生產(chǎn)提供了有效的環(huán)境調(diào)控方法，將在日光溫室周年高效、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)，溫室節(jié)能、節(jié)水等領(lǐng)域發(fā)揮積極作用，具有引領(lǐng)性，應(yīng)用前景廣闊，應(yīng)予以重視。

[1]Morales D, Rodriguez P, Dell’Amico J, et al. Hightemperature preconditioning and thermal shock imposition affects water relations, gas exchange and root hydraulic conductivity in tomato[J]. Biologia Plantarum, 2003, 47(2): 203-208.

[2]張潔, 李天來(lái), 徐晶. 晝間亞高溫處理時(shí)期對(duì)日光溫室番茄光合作用與產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2008, 24(3):193-197.Zhang J, Li T L, Xu J. Effects of sub-high temperature in daytime from different stages on tomato photosynthesis and yield in greenhouse[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2008, 24(3): 193-197.

[3]李天來(lái). 日光溫室蔬菜栽培理論與實(shí)踐[M]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2013.Li T L. Theory and Practice on Vegetable Cultivation in Solar Greenhouse[M]. Beijing: China Agriculture Press, 2013.

[4]Fuchs M, Dayan E, Presnov E. Evaporative cooling of a ventilated greenhouse rose crop[J]. Agricultural &Forest Meteorology, 2006, 138: 203-215.

[5]Kumar K S, Tiwari K N, Jha M K. Design and technology for greenhouse cooling in tropical and subtropical regions: A review[J]. Energy & Buildings, 2009,41(12): 1269-1275.

[6]Mutwiwa U N, Elsner B V, Tantau J H, et al. Cooling naturally ventilated greenhouses in the tropics by near-infra red reflection[J]. Acta Horticulturae,2007, 801: 259-266.

[7]Shukla A, Tiwari G N, Sodha M S. Experimental study of effect of an inner thermal curtain in evaporative cooling system of a cascade greenhouse[J]. Solar Energy, 2008, 82(1): 61-72.

[8]García M L, Medrano E, Sánchez-Guerrero M C, et al. Climatic effects of two cooling systems in greenhouses in the Mediterranean area: External mobile shading and fog system[J]. Biosystems Engineering, 2011, 108(2): 133-143.

[9]Willits D H. Cooling fan-ventilated greenhouses: A modelling study[J]. Biosystems Engineering, 2003,84(3): 315-329.

[10]Kittas C, Katsoulas N, Bartzanas T. Characterization and analysis of the effects of greenhouse climate control equipment on greenhouse microclimate and crop response[J]. Acta Horticulturae, 2011, 893(12): 117-132.

[11]Max J F J, Horst W J, Mutwiwa U N, et al. Effects of greenhouse cooling method on growth, fruit yield and quality of tomato (Solanum lycopersicumL.) in a tropical climate[J]. Scientia Horticulturae, 2009,122(2): 179-186.

[12]López A, Valera D L, Molina-Aiz F D, et al. Sonic anemometry to evaluate airflow characteristics and temperature distribution in empty Mediterranean greenhouses equipped with pad–fan and fog systems[J]. Biosystems Engineering, 2012, 113(4):334-350.

[13]Katsoulas N, Savvas D, Tsirogiannis I, et al. Response of an eggplant crop grown under Mediterranean summer conditions to greenhouse fog cooling[J]. Scientia Horticulturae, 2009, 123(1): 90-98.

[14]Perdigones A, García J L, Romero A, et al. Cooling strategies for greenhouses in summer: Control of fogging by pulse width modulation[J]. Biosystems Engineering, 2008, 99(4): 573-586.

[15]Li Y, Li B, Wang C, et al. Effects of shading and roof sprinkling in venlo-type greenhouse in Summer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2002, 18(5): 127-130.

[16]Sethi V P, Sharma S K. Survey of cooling technologies for worldwide agricultural greenhouse applications[J].Solar Energy, 2007, 81(12): 1447-1459.

[17]Villarreal-Guerrero F, Kacira M, Fitz-Rodríguez E,et al. Comparison of three evapotranspiration models for a greenhouse cooling strategy with natural ventilation and variable high pressure fogging[J].Scientia Horticulturae, 2012, 134(2): 210-221.

[18]楊再?gòu)?qiáng), 王學(xué)林, 彭曉丹, 等. 人工環(huán)境晝夜溫差對(duì)番茄營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和干物質(zhì)分配的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2014,30(5): 138-147.Yang Z Q, Wang X L, Peng X D, et al. Effect of difference between day and night temperature on nutrients and dry mass partitioning of tomato in climate chamber[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(5):138-147.

[19]Mongkon S, Thepa S, Namprakai P, et al. Cooling performance assessment of horizontal earth tube system and effect on planting in tropical greenhouse[J]. Energy Conversion & Management, 2014,78: 225-236.

[20]Yildiz A, Ozgener O, Ozgener L. Energetic performance analysis of a solar photovoltaic cell (PV) assisted closed loop earth-to-air heat exchanger for solar greenhouse cooling: An experimental study for low energy architecture in Aegean Region[J]. Renewable Energy, 2012, 44(4): 281-287.

[21]Yildiz A, Ozgener O, Ozgener L. Exergetic performance assessment of solar photovoltaic cell (PV) assisted earth to air heat exchanger (EAHE) system for solar greenhouse cooling[J]. Energy & Buildings, 2011,43(11): 3154-3160.

[22]Ozgener L, Ozgener O. An experimental study of the exergetic performance of an underground air tunnel system for greenhouse cooling[J]. Renewable Energy,2010, 35(12): 2804-2811.

[23]Sethi V P, Sharma S K. Greenhouse heating and cooling using aquifer water[J]. Energy, 2007, 32(8): 1414-1421.

[24]柴立龍, 馬承偉, 袁小艷, 等. 基于Exergy研究的地源熱泵降溫系統(tǒng)性能分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2009, 40(2):146-150.Chai L L, Ma C W, Yuan X Y, et al. Performance

Nighttime cooling of solar greenhouse in summer based on water source heat pump system

SUN Wei-tuo1, ZHANG Yi2, YANG Qi-chang2, XUE Xu-zhang1, GUO Wen-zhong1
（1. Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences; Beijing Agricultural IOT Engineering Technology Research Center, Beijing 100097, China; 2. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences; Key Lab of Energy Conservation and Waster Treatment of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China）

S625.5; S21

A

1000-0275（2017）05-0885-08

農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2015 年度開放課題（2015KT01）；國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目（2013AA103005）。

孫維拓（1989-），男，山東鄒城人，工程師，主要從事設(shè)施園藝環(huán)境工程方面的研究，E-mail: sunwt@nercita.org.cn；通信作者：郭文忠（1970-），男，寧夏中衛(wèi)人，博士，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事設(shè)施園藝工程與高效栽培體系構(gòu)建研究，E-mail: guowz@nercita.org.cn。

2017-01-17，接受日期：2017-04-05Foundation item:Open Foundation of Key Lab of Energy Conservation and Waster Treatment of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture(2015KT01); National High Technology Research and Development Plan of China (2013AA103005).

Corresponding author:GUO Wen-zhong, E-mail: guowz@nercita.org.cn.

Received17 January, 2017;Accepted5 April, 2017

10.13872/j.1000-0275.2017.0028

孫維拓, 張義, 楊其長(zhǎng), 薛緒掌, 郭文忠. 基于水源熱泵的日光溫室夏季夜間降溫試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究, 2017,38(5): 885-892.

Sun W T, Zhang Y, Yang Q C, Xue X Z, Guo W Z. Nighttime cooling of solar greenhouse in summer based on water source heat pump system[J]. Research of Agricultural Modernization, 2017, 38(5): 885-892.