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连栋温室是设施农业作为现代农业生产的主要形式之一,但普遍存在夏季降温困难,运行能耗高等问题,因此研究可再生能源节能技术在连栋温室的应用及其环境控制效果,对促进我国设施农业的发展具有重要意义。针对水蓄能型地下水源热泵的运行性能、节能降耗能力和夏季降温效果,本文结合崇明大型连栋玻璃温室工程实际,进行试验和计算分析,并利用CFD技术对夏季温室环境进行模拟,得到以下结论:
(1)通过选取夏季高温典型日计算水蓄能型地下水源热泵系统的经济性,得到:水蓄能型地下水源供能系统与不采用蓄能装置的水蓄能型地下水源供能系统运行费用作比较,典型日当天可以节省运行费用193.33元,使用蓄能系统可节省总运行费用的16.98%;水蓄能型地下水源热泵系统相对空气源热泵和直燃式溴化锂冷热水机组这两种降温方式的一次能源的节能率分别为31.61%和79.10%,标煤替代量分别为364.02kg和2980.65kg,CO2减排量分别为953.73kg和7898.72kg;且试验系统对于可再生能源与耗电量的利用比例接近4∶1。显示水蓄能型地下水源热泵供能系统具有显著的经济效益和节能减排效益。
(2)热泵运行时的平均COP为4.345,整个供能系统的COP为3.80,系统在供冷季节运行稳定且高效。夏季主要以冷水井直供模式为主,热泵在电价低谷时段开启为蓄冷水箱蓄积冷量,为白天供冷做补充。从能量分析法和?分析法两个角度综合分析了水蓄能型地下水源热泵式温室空调系统在夏季降温下的热力学性能。结果显示:系统热效率的平均值为72.81%,能量分析法指出热损耗率较大的是板式换热器(32.34%)、水泵(16.41%)和空气处理机组(16.11%);?效率的平均值为17.21%,?分析法指出?损耗率较大的是压缩机(37.36%)、空气处理机组(21.43%),整个系统需要改善的组件是压缩机、空气处理机组、板式换热器和水泵。
(3)选取典型天气研究连续极端高温情况下空气处理机组(Air treatment unit,ATU)和湿帘风机降温效果,结果显示:在强太阳辐射的9:00~17:00阶段,室外环境平均温度36.97℃的高温下,而ATU可以使温室内温度保持在32℃以下,有ATU降温的温室比无ATU降温的温室平均温度低13.88℃,降温效果明显,且ATU持续运行降温效果好。通过ATU降温和湿帘风机降温系统对比,室外环境平均温度为32.30℃情况下,相对于无ATU和湿帘风机降温的温室,湿帘风机可以降温9.31℃,ATU比湿帘风机多降2.24℃。
(4)选取梅雨季节的阴雨天气典型日分析得到:白天9:15~17:00,仅进行机械通风的温室室内平均温度为28.10℃,最高室内温度分别为31.10℃,平均相对湿度为81.61%,得到典型日在不开启ATU制冷只进行机械通风,能够满足栽培作物的适宜温湿度需求。调整系统运行模式,典型日当天可节约运行成本337.34元,当年梅雨季可节约4048.08元。在夜间0:00~6:40和20:40~24:00,自然通风可降低温室内的相对湿度,夜间应加强自然通风。
(5)利用CFD模拟得到,使用ATU连接布袋式风管的降温方式,温室内部温度分布均匀,在外界环境温度34℃条件下,在同一水平面上温度,除去没有布袋式风管的区域(Y=33m~35m),距离温室外壁面越远温度越低,最大温差为4℃。垂直方向上,随着高度的增加温度不断升高,0.5m至6m处温差约为6℃,作物区的温度在21℃~27℃。对于温室内部速度场,整体上分布均匀,除去没有布袋式风管的区域(Y=33m~35m),距离温室外壁面越远气流速度越低,在作物区气流速度均在0.2m/s~0.8m/s之间,变化平缓速度分布合理。ATU能够为作物创造良好的生长环境。
(1)通过选取夏季高温典型日计算水蓄能型地下水源热泵系统的经济性,得到:水蓄能型地下水源供能系统与不采用蓄能装置的水蓄能型地下水源供能系统运行费用作比较,典型日当天可以节省运行费用193.33元,使用蓄能系统可节省总运行费用的16.98%;水蓄能型地下水源热泵系统相对空气源热泵和直燃式溴化锂冷热水机组这两种降温方式的一次能源的节能率分别为31.61%和79.10%,标煤替代量分别为364.02kg和2980.65kg,CO2减排量分别为953.73kg和7898.72kg;且试验系统对于可再生能源与耗电量的利用比例接近4∶1。显示水蓄能型地下水源热泵供能系统具有显著的经济效益和节能减排效益。
(2)热泵运行时的平均COP为4.345,整个供能系统的COP为3.80,系统在供冷季节运行稳定且高效。夏季主要以冷水井直供模式为主,热泵在电价低谷时段开启为蓄冷水箱蓄积冷量,为白天供冷做补充。从能量分析法和?分析法两个角度综合分析了水蓄能型地下水源热泵式温室空调系统在夏季降温下的热力学性能。结果显示:系统热效率的平均值为72.81%,能量分析法指出热损耗率较大的是板式换热器(32.34%)、水泵(16.41%)和空气处理机组(16.11%);?效率的平均值为17.21%,?分析法指出?损耗率较大的是压缩机(37.36%)、空气处理机组(21.43%),整个系统需要改善的组件是压缩机、空气处理机组、板式换热器和水泵。
(3)选取典型天气研究连续极端高温情况下空气处理机组(Air treatment unit,ATU)和湿帘风机降温效果,结果显示:在强太阳辐射的9:00~17:00阶段,室外环境平均温度36.97℃的高温下,而ATU可以使温室内温度保持在32℃以下,有ATU降温的温室比无ATU降温的温室平均温度低13.88℃,降温效果明显,且ATU持续运行降温效果好。通过ATU降温和湿帘风机降温系统对比,室外环境平均温度为32.30℃情况下,相对于无ATU和湿帘风机降温的温室,湿帘风机可以降温9.31℃,ATU比湿帘风机多降2.24℃。
(4)选取梅雨季节的阴雨天气典型日分析得到:白天9:15~17:00,仅进行机械通风的温室室内平均温度为28.10℃,最高室内温度分别为31.10℃,平均相对湿度为81.61%,得到典型日在不开启ATU制冷只进行机械通风,能够满足栽培作物的适宜温湿度需求。调整系统运行模式,典型日当天可节约运行成本337.34元,当年梅雨季可节约4048.08元。在夜间0:00~6:40和20:40~24:00,自然通风可降低温室内的相对湿度,夜间应加强自然通风。
(5)利用CFD模拟得到,使用ATU连接布袋式风管的降温方式,温室内部温度分布均匀,在外界环境温度34℃条件下,在同一水平面上温度,除去没有布袋式风管的区域(Y=33m~35m),距离温室外壁面越远温度越低,最大温差为4℃。垂直方向上,随着高度的增加温度不断升高,0.5m至6m处温差约为6℃,作物区的温度在21℃~27℃。对于温室内部速度场,整体上分布均匀,除去没有布袋式风管的区域(Y=33m~35m),距离温室外壁面越远气流速度越低,在作物区气流速度均在0.2m/s~0.8m/s之间,变化平缓速度分布合理。ATU能够为作物创造良好的生长环境。