毛細管輻射熱泵在溫室大棚冬季育苗中的應用

程路易,馬小丹,鄧晨冕,張杰,嚴艷蕾,古斌權,張春凡,涂虬

（1.寧波工程學院 建筑與交通工程學院,浙江 寧波 315211;2.寧波市海普智能科技有限公司,浙江 寧波 315042;3.寧波市農業(yè)科學研究院,浙江 寧波 315040）

0 引言

溫度控制對大棚蔬果育苗尤為重要，其技術措施包括電熱采暖、熱水采暖和熱泵采暖。對于電熱采暖，其加熱方式包括電加熱線、電加熱膜和碳晶電熱板。其中電加熱線容易漏電、安全性差[1]，使用壽命短且不能根據環(huán)境溫度自適應調節(jié)；電加熱膜存在同樣的問題；碳晶電熱板耗電率比發(fā)熱電纜低，但擺放方式對運行費用影響較大[2]。碳晶電地熱能顯著提高地溫，但對氣溫影響不顯著，且運行費用高于燃煤鍋爐[3]。熱水采暖系統是我國北方的大型連棟溫室主要加溫方式，溫室內熱穩(wěn)定性好，但整個加溫系統設備復雜，造價高，一次性投資大；且鍋爐燃煤，產生大量的CO、CO2、SO2等有害氣體，嚴重污染環(huán)境。該系統最大的弊端是不具備制冷功能，不能解決夏季降溫問題。

隨著熱泵技術的發(fā)展和推廣應用，農作物大棚開始采用空氣源熱泵[4-5]、地源熱泵采暖[6-9]以及太陽能-空氣能復合熱泵[10-12]，從水源、地下土壤或太陽能中獲取能量作為溫室采暖系統的熱負荷，滿足溫室加溫時的供熱需求。鄭子松[7]、鮑玲玲[8]等人針對水/地源熱泵加溫效果進行了試驗，結果表明其與傳統燃煤鍋爐相比，可節(jié)能30%以上；和永康研究的太陽能熱泵節(jié)能率為47%[12]。兩種方法具有顯著的節(jié)能減排效果。但因為水/地源和太陽能熱泵的應用受水源/土壤條件和太陽能的分散性、不穩(wěn)定性的限制，且一次性投資較大，所以應用受阻。另外，以水為換熱介質的熱泵，冬季不使用時存在凍壞管路的風險，為避免該問題產生，機組不定期開啟制取熱水以防凍壞管路，顯然浪費能量。

綜上，加熱控溫技術的發(fā)展促進了溫室大棚的規(guī)模化應用，但是仍然存在以上諸多問題。因此，冬季蔬果溫床育苗生產中急需一種安全、高效和節(jié)能較好的溫度調控系統。

多聯直膨式毛細管輻射熱泵系統，基于制冷劑為載冷劑并結合多聯機系統控制原理，提出的一種新型的制冷供暖系統。采用局部環(huán)境溫度調控，高效節(jié)能、舒適性好，且可以滿足冬季和夏季蔬果育苗溫度調控需求，具有一定的普適性。目前在冬季蔬果育苗中的應用尚未見到相關報道。為此，本文以多聯直膨式毛細管輻射熱泵溫床為研究對象，測試不同目標冷凝溫度條件下該機組對環(huán)境溫度調控的效果，并探究機組在育苗過程中的節(jié)能效果。旨在為多聯直膨式毛細管輻射熱泵在冬季溫床育苗中的應用提供理論和數據支持。

1 實驗條件與方法

1.1 設計方案

本項目設計多聯直膨式毛細管輻射熱泵，采用多聯機控制原理，實現一拖多，末端匹配多套毛細管，具體系統原理如文獻[13]所述?；谠撛碓O計一套3匹變頻多聯直膨式毛細管輻射熱泵，制冷劑為R410A，其室外機組同多聯機。其主要部件包括變頻壓縮機、室外換熱器、風機、主電子膨脹閥（EEV），末端匹配2套毛細管組，主機和毛細管組之間采用分歧管連接。每個毛細管組的出口端（制熱方向）安裝一個電子膨脹閥(PMV)。EEV和PMV分別用于制熱和制冷模式運行時制冷劑的節(jié)流。

設計方案如圖1(a)、1(b)所示，每個苗床上的毛細管組設計一個電子膨脹閥(PMV)，用于制冷劑流路的關斷，以實現每個苗床的獨立控制。制冷時，通過該電子膨脹閥節(jié)流，吸收苗床內的熱量實現降溫。冬季制熱時，采用室外機上的電子膨脹閥進行節(jié)流，節(jié)流后的制冷劑在蒸發(fā)器中和室外空氣換熱，吸收空氣能轉化為熱量。

熱泵外機結構類似于普通空調，結構小型化、成本低、安裝方便。毛細管采用銅管，換熱系數高、不易破損。此外，每個溫床內布置2個溫度傳感器，根據平均溫度判定對應的苗床制冷/制熱的運行狀態(tài)。當苗床內平均溫度低于設定溫度時，機組制熱運行；當平均溫度高于設定溫度2℃以上時，對應苗床的電子膨脹閥關閉，全部苗床達到設定溫度，機組停機。當苗床內平均溫度高于設定溫度以上時，機組制冷運行；當平均溫度低于設定溫度2℃以上時，對應苗床的電子膨脹閥關閉，全部苗床達到設定溫度，機組停機。本實驗僅驗證該機組用于苗床育苗加熱的可行性，測試時設定溫度為32℃。

圖1 毛細管輻射熱泵溫床系統方案圖:(a)制熱系統;(b)制冷系統

溫床長10 m，為實現溫床內溫度分布均勻，設計為對稱式布管方式，即毛細管組的進管和出管布置在苗床中部位置，用分液器把各毛細管連接起來，如圖2所示。

圖2 溫床毛細管組布置

對高大空間的育苗大棚，為節(jié)能并降低設備投資費用，設計為苗床局部控溫方式，即在苗床四周采用聚乙烯塑料薄膜保溫，苗床高度僅為0.5～0.6 m。在苗床上鋪設毛細管進行輻射制熱，在苗床頂部架設毛細管進行輻射制冷。

1.2 測試裝置與測試方法

試驗于2021年1月在寧波市農科院溫室大棚進行，大棚四周高約2.8 m，拱頂最高處高3.5 m，相對于苗床而言，屬于高大空間。大棚內建有2個溫床，由系統并聯的2組毛細管末端進行獨立控溫。

多聯直膨式毛細管輻射熱泵溫床由育苗架、隔熱層、毛細管組及相關控制系統等組成。其中育苗架長10 m，寬1.3 m，高0.6 m；毛細管采用外徑4.5 mm、內徑3.0 mm的銅管，管間距10 cm，放置于厚度1 cm的隔熱材料聚苯乙烯板上面；苗床四周采用聚乙烯塑料薄膜保溫。

為測試溫床內部環(huán)境干度溫度分布，沿育苗架均勻布置6組干球溫度熱電偶，其中每組有2個熱電偶，分別位于同一位置的0.1 m和0.5 m高度處，如圖3所示。此外，在溫室內外分別布置1個干球熱電偶，以適時檢測室內外溫度變化。測試期間熱電偶溫度由精度為±0.01℃的Agilent34970A溫度采集儀進行記錄，測試頻率為1次/2 min；通過電能表（DDS1666）記錄每次試驗的耗電量。

本次試驗以溫床為研究對象，測試多聯直膨式毛細管輻射熱泵在不同目標冷凝溫度條件下機組的耗電量以及對溫床內部溫度的影響，目的是根據測試制熱效果并結合耗電量，確定出最優(yōu)的目標冷凝溫度，并評估其節(jié)能性。實驗測試時采用監(jiān)控軟件設定冷凝溫度。在不同冷凝溫度下測試16 h，測試時間為傍晚18點左右到次日中午10點。測試步驟如圖4所示。

圖3 育苗溫床干濕球溫度測點布置示意圖

圖4 測試流程和步驟

2 測試結果與分析

2.1 不同目標冷凝溫度對溫床溫度的影響

根據試驗測試結果，取溫床不同高度處熱電偶測得的溫度平均值，得到不同目標冷凝溫度制熱工況下溫床內空氣溫度分布隨時間變化的測試結果，如圖5所示。

測試結果表明：目標冷凝溫度為46℃時，苗床內達到的最低溫度為18.5℃，基本滿足設計目標。當目標冷凝溫度為48℃、50℃和54℃時，溫床內空氣溫度夜晚均能保持在20℃左右、白天25℃以上，且隨著目標冷凝溫度的增加而增加。此外，機組運行初始溫床內空氣溫度溫升較快，預熱時間較短。不同冷凝溫度下溫床內溫度從5℃升高到20℃左右，僅需15 min，平均升溫約1℃/min。實驗目的是測試機組加熱效果，白天溫度達到目標溫度25℃以上，機組不停機。實際使用時，可以根據目標溫度控制壓縮機輸出能力，使得苗床內溫度維持在目標溫度。當苗床內溫度比目標溫度高1℃時，機組停機；當低于目標溫度1℃以下時，機組啟動運行。維持苗床內溫度基本恒定，并實現節(jié)能。

圖5 多聯直膨式毛細管輻射熱泵機組制熱溫床內空氣溫度變化:

以上表明多聯直膨式毛細管輻射熱泵溫床具有較好的加溫效果，達到了設計目標。為增強回油效果，回油在制冷模式下進行[14]，回油過程溫床內空氣溫度會出現短暫的下降，但在3 min內達到回油前的溫室內溫度，不會影響控溫效果。

2.2 高大空間大棚溫度控制效果

為對比毛細管輻射熱泵對高大空間和局部空間的升溫效果，本次試驗以溫床為研究對象，在溫床不采取薄膜保溫措施前提下，測試了目標冷凝溫度分別為50℃和54℃制熱條件下溫床內空氣溫度隨時間變化，如圖6所示。

圖6 大棚加溫對溫床內空氣溫度的影響:(a)50℃;(b)54℃

與圖5中目標冷凝溫度50℃和54℃制熱工況下溫床加溫情況進行比較，結果表明：毛細管輻射熱泵對高大空間的育苗大棚加熱效果不明顯，僅比室外環(huán)境溫度升高8～10℃。這說明在大棚高大空間加溫的情況下，多聯直膨式毛細管輻射熱泵加溫對環(huán)境溫度的調控效果較差。根據多聯式空調（熱泵）制熱特性，降低目標冷凝溫度，則制熱效果下降、大棚內升溫效果更差，因此46℃和48℃冷凝溫度的測試不再進行。

2.3 多聯直膨式毛細管輻射熱泵加溫溫床對耗電量的影響

溫床育苗周期長，長期生產對加溫設備節(jié)能的需求就顯得尤為重要。在目前的電熱溫床中以電熱線的使用最為普遍。為了測試多聯直膨式毛細管輻射熱泵加溫溫床的節(jié)能效果，試驗記錄了每次開、關機前后電表讀數，獲得機組的耗電情況；并以電熱線規(guī)格1000 W/120 m、布線間距6.5 cm為對照，按照苗床規(guī)格需要布置21行電熱線，通過耗電率對兩者節(jié)能效果差異進行對比，結果如圖7所示。耗電率定義為單位面積苗床在單位時間內的耗電量。

根據圖7中的不同冷凝溫度的耗電量以及圖5中的制熱效果，可以確定出在室外環(huán)境溫度為-5～0℃時最優(yōu)目標冷凝溫度為48℃，既可以達到良好的制熱效果，還可以節(jié)能。如不考慮到溫停機節(jié)省的耗電量，測試耗電率僅為1.46(kW·h)/(m2·d)，與電熱線1000 W/120 m加熱方式相比，省電約60.43%。實際使用時機組溫停機，節(jié)能效果會更加顯著。

兩者比較結果表明：多聯直膨式毛細管輻射熱泵加溫溫床節(jié)能效果明顯。

圖7 多聯直膨式毛細管輻射熱泵加溫溫床對耗電量的影響

3 結論

本文提出采用多聯直膨式毛細管輻射熱泵加溫溫床，安全、高效且運行成本較低。試驗測試了系統運行期間對溫床內局部環(huán)境溫度的調控效果以及節(jié)能效果，可得出如下結論：

（1）多聯直膨式毛細管輻射熱泵加溫溫床，在不同目標冷凝溫度制熱工況下，15 min溫床內空氣溫度均可維持在20℃左右，升溫快，具有較好溫度調控效果。

（2）毛細管輻射熱泵對高大空間的育苗大棚加熱效果不明顯，僅比室外環(huán)境溫度升高8～10℃，不利于蔬果育苗生長發(fā)育。

（3）在室外環(huán)境溫度為-5～0℃，多聯直膨式毛細管輻射熱泵加溫溫床的最優(yōu)目標冷凝溫度確定為48℃，測試耗電率僅為1.46(kW·h)/(m2·d)，與電熱線1000 W/120 m加熱方式對比，省電約60.43%。節(jié)能效果顯著，可大幅度降低溫床育苗運行成本。