表冷器-风机集放热系统的实际应用效果如何？（二）
试验大棚
图 12 南北向大跨度外保温塑料大棚
图 13 表冷器 - 风机集放热系统布置示意图
测试期间试验塑料大棚栽培番茄，采用滴灌进行灌溉。为维持较高的室内气温，塑料大棚东侧保温被一般在 9:30~10:00 开启，12:00 闭合；西侧屋面保温被则在 12:00 开启，16:00~16:30闭合。选择典型晴天 2019 年 1 月 22 日 9:30~23 日 9:30 的试验数据进行分析。
表冷器 - 风机集放热系统的组成及其运行模式
表冷器 - 风机集放热系统由表冷器 - 风机、供回水管路、水泵、保温蓄热水池、PLC 控制系统等组成。表冷器 - 风机安装于屋脊下方，共 9 台，间隔6 m 布置。每台表冷器 - 风 机中有 2 个 180 W 的轴流风机。为使室内空气分布均匀，交错布置表冷器出风口（图 14）。蓄热水池位于塑料大棚中部，蓄水量 22.8 m3。循环水泵为潜水泵，位于蓄热水池内，功率900 W，流量 12.4 m3/h。
图 14 表冷器 - 风机的布置
表冷器 - 风机集放热系统 的 工 作 模 式 为：当 室 内 气温 ≥ 17 ℃且水温低于室内气温 4℃时，控制系统开启集放热系统进行集热。当室内气温<17 ℃，或者水温低于室内气温不到 4℃时，系统停止集热。夜间，当室内气温低于 10℃且水温高于气温 2℃时，系统启动进行放热。当室内气温高于13℃或者水气温差 <2℃时，放热停止。
考虑到阴天时室内气温较低，系统无法进行集热，在室外安装了一台空气源热泵，用于阴天系统无法启动时对蓄水池进行热量补充。
结果与分析
如 图 1 5 所 示， 测 试 期间，室外太阳辐射最高可达5 3 6 W/m2，但室内辐射较低，最 高 182 W/m2。整个日间，室内太阳辐照度仅为室外太阳辐照度的 38±13%。该结果表明，南北走向大跨度外保温大棚透光率较低，不利于室内气温的快速升高。测试期间室外气温在 -7.8~8.5℃之间变化，最低温出现在 23 日的 8:30。
图 15 室内外太阳辐射与室外气温变化
如图 16 所示，日间室内气温先升高后降低，在 11:00 达 到 17℃，此时水温 12.3℃，较室内气温低 4.7℃，表冷器 - 风机集放热系统启动，开始集热。随 后 室 内 气 温 继 续 升 高， 在14:00 达 到 22.2 ℃。然后开始下降，在 14:50 跌至 20℃。此时，水池温度为 16.1℃，较室内气温低 3.9℃，系统停止运行，集热过程结束。
图 16 日间室内气温与水温的变化
如 图 17 所示，夜间室内气 温 持 续 下 降， 在 2:30 跌 至10℃。此时表冷器 - 风机集放热系统开始向室内放热，直到次日保温被开启。室内气温小幅提升，在 4:20 达到 12.3℃，然后又缓慢下降。9:00，室内气温为 11.5℃。夜间平均室内外温差为 16.9℃，最大值出现在 8:30，达到 19.5℃。根据模拟，在本系统加温作用下，室内最低气温平均提升了 2.2℃。
图 17 夜间实测室内气温、模拟室内气温（系统未开启）和水温的变化
表冷器 - 风机集放热系统日间集热 3.8 h，水温上升了 4.4℃，集热量 425 MJ，集热 COPc 为7.1。系统夜间放热 6.3 h，水温下降了 3.3 ℃，考虑到蓄水池自身散热的影响，系统夜间向室内释放热量 299.5 MJ，放热COPr 为 3.04。
另外，如前所述，测试塑料大棚的南北走向不利于采光，室内气温较低，不利于系统集放热性能的充分发挥。根据模拟，如果集热期间室内气温能达到 25℃，则日间集热量和夜间散热量可分别提高 68% 和85%，室内气温有望得到较大幅度的提升。因此，该系统具有较好的集放热能力，具有较大的应用潜力。
小结
在南北向大跨度外保温塑料大棚中，室内太阳辐射弱，该温室的白天气温不超过 25℃。系统的集热时长为 3.8 h，集热量 425 MJ，集热 COPc 为 7.1；系统的放热时长为 6.3 h， 系统的放热量为 299.5 MJ，放热COPr 为 3.04。维持夜间气温不低于 11.5℃，室内外最大温差16.9℃。此外，系统的运行参数和运行条件对集放热性能的影响很大，研究其运行参数和运行条件能够使系统更节能、应用效果更佳。
表冷器 - 风机集放热系统具有很强的适应性，可以联合其他加温设备或系统共同使用，加强抵抗连阴天低温的能力。
为此，本团队在前述研究的基础上，又开展了表冷器 -风机集放热系统在东西走向大跨度外保温塑料大棚中调控气温的试验，进一步考察、分析利用该系统实现大棚密闭运行的可行性。
试验大棚
试验塑料大棚位于内蒙古自治区宁城县大城子镇（118.9ºE，41.7ºN），东西走向，东西长 144 m，南北宽 16 m，南北非对称，其中南侧宽 8 m，过道宽 2 m，北侧宽 6 m，屋脊高 4.5 m（如图 18、图 19）。室内过道两侧每隔 2.6 m 设置一根钢管柱，以提高结构稳定性。大棚东西山墙由砖墙建造。屋面覆盖草垫和保温被，北侧屋面保温被冬季不揭开。试验时采用塑料薄膜将大棚从中间一分为二，西侧为试验区，东侧为对照区。
图 18 东西向大跨度外保温塑料大棚内景
图 19 表冷器 - 风机集放热系统在东西向大跨度外保温塑料大棚中布置示意图
试验于 2019 年 12 月 ~2020年 2 月进行。试验期间塑料大棚栽培番茄，滴灌灌溉。塑料大棚南侧屋面保温被一般在9:00~10:00 揭开，16:00~16:30关闭；北侧保温被闭合不揭开。选择典型晴天 2019 年 12 月 31 日8:00~2020 年 1 月 1 日 8:00、2020 年 1 月 31 日 10:55~12:40的测试数据进行分析。
表冷器 - 风机集放热系统的组成及其运行模式
表冷器 - 风机集放热系统由表冷器 - 风机、供回水管路、水泵、蓄热水池、控制系统等组成。表冷器 - 风机悬挂安装于屋脊下方，共 15 台表冷器 - 风机，间距约为 4 m。每台表冷器 -风机包含 2 个 200 W 的风机。蓄热水池位于塑料大棚西侧，水量为 25.84 m3。潜水泵位于水池内，实际流量为 13.2 m3/h。
表冷器 - 风机集放热系统的运行模式如下：日间，当室内气温达到 25℃且水温低于室内气温 5℃时，系统启动进行集热；当室内气温低于 25℃，或者水温低于室内气温不到5 ℃时，系统停止运行，集热过程停止。夜间，当室内气温低于 10℃且水温高于温室气温3℃时，系统启动，进行放热；当室内气温高于 13℃，或者水温高于温室气温不到 3℃时，系统停止运行，放热过程停止。
图 20 表冷器 - 风机布置模式
结果与分析
◆风口打开条件下，表冷器 -风机集放热系统对室内气温的调控效果
图 21 室内外太阳辐射与室外气温变化
如 图 22 所示，日间保温被 开 启， 试 验 区 与 对 照 区 室内 气 温 均 升 高，11:00 达 到25 ℃， 上 风 口 开 启（ 试 验 区开口约为 2 cm、对照区开口约 为 10 cm）。此时水池水温为 11.8℃，较试验区室内气温低 13.2℃，表冷器 - 风机集放热系统启动，开始集热。随后试验区室内气温继续上升，在12:40 达 到 30.7 ℃，然后开始下降，15:00 至 25 ℃，集热过程结束，此时水温为 18.3℃。
图 22 日间室内气温与水温的变化
由于对照区风口开得较大，11:00 后室内气温下降明显，11:40 下降至 23.7 ℃后开始回升，至 12:10 达 到 29.8 ℃，开始超过试验区，直至保温被关闭。虽然试验区的风口开启较小，但其气温仍明显低于对照区，说明表冷器 - 风机集放热系统的降温效果显著。
如 图 23 所示，保温被关闭后，室内气温持续下降，试验区气温在 2:30 跌 至 9.3 ℃，低于对照区 0.6 ℃。此时表冷器 - 风机集放热系统启动，向室内放热。试验区气温开始上升，在 3:30 达到 11.8℃，然后缓慢下降，直到 1 月 1 日 7:30放热停止。1 日 8:00 试验区室内气温为 11.1℃，高于对照区2.5℃；夜间平均室内外温差为26.4℃，最大达到 30.6℃。
图 23 夜间室内气温和水温的变化
表冷器 - 风机集放热系统日间集热 4 h，水温上升 6.43℃，集热量 693.5 MJ，耗电量19.74 kW·h，集热 COPc 为 9.7。夜间放热 5 h，水温下降 4.52℃，向室内释放热量 487.5 MJ，耗电 量 26.48 kW·h，放热 COPr 为 5.1。
另外，如前所述，在集热期间大棚的顶风口处于开启状态，棚内上部表冷器 - 风机周围的空气温度较低，不利于集热。若不开风口，表冷器 - 风机周围的空气温度将会提高，则有利于提升系统的集热性能。
◆密闭条件下，表冷器 - 风机集放热系统对室内气温的调控效果
2020年1月31日8:00~16:40期间大棚采取密闭运行模式进 行 集 热。如 图 24 所 示， 测试 期 间， 室 外 太 阳 辐 射 最 高可 达 482 W/m2，保温被开启时间段室外平均太阳辐射为 314 W/m2；室内太阳辐射最高为 414 W/m2，室内平均太阳辐射为 281.5 W/m2， 室内太阳辐照度仅为室外太阳辐照度的 69.6%。室外气温在 -13.3~5.3℃范围内变化，最低温出现在 2020 年 1 月 31 日 的 8:00。
图 24 室内外太阳辐射与室外气温变化
如 图 25 所示，日间保温被开启，室内气温升高，10:55试验区气温达到 27.4℃。此时水温为 13.1℃，较试验区室内气温低 14.3℃，表冷器 - 风机集放热系统启动，开始集热。
图 25 日间室内气温与水温的变化
10:55~11:20，试验区气温 在 27.5~28.5 ℃波动，风口保持关闭，水温从 13.1℃上升到 13.8℃；对照区气温逐渐升高，11:20 达 到 31.5 ℃，为了不对番茄造成高温伤害，开启了对照区风口。11:20~12:40，试验区气温仍在 27.5~28.5 ℃范围内波动，风口仍保持关闭；对照区风口开启（风口宽 度 15 cm）， 气 温 稳 定 在30℃左右。
12:40 集热过程结束后， 试 验 区 气 温 快 速 上 升 到31.6℃，随后开启顶风口，气温逐渐下降。
系统集热期间，试验区气温稳定在 27.5~28.5℃，对照区开风口前后一直高于试验区。由此可以说明，表冷器 - 风机集放热系统具有很好的降温、控温作用。
表冷器 - 风机集放热系统日间集热 105 min，水温上升了 4.35℃，集热量 472.1 MJ，集 热 COPc 可 达 14.4，与开启风口进行集热时相比，COPc 提高了 47.8%。
如图 26 所示，10:55~11:20试验区与对照区均保持密闭，试验区相对湿度持续下降，从65.7% 下降到 60.8%，与对照区的湿度差距逐步拉大，说明表冷器 - 风机集放热系统具有一定的除湿效果。
图 26 密闭运行期间空气相对湿度的变化
小结
东西走向大跨度外保温塑料大棚中，在风口开启条件下，系统的集热量为 693.5 MJ，集 热 COPc 为 9.7；夜间可提高室内气温 2.5 ℃，放热量为487.5 MJ，放热 COPr 为 5.1。在大棚密闭条件下，系统的集热 COPc 达 到 14.4，较非密闭提高了 47.8%。该系统在大棚密闭运行时，能够维持室内气温在 27.4~28.4℃，无需开风口散热；同时，还能够调控室内湿度，运行时室内湿度有所下降。因此，该系统能够满足大跨度外保温塑料大棚密闭运行时对温度、湿度的控制需求。
上述结果表明，本团队所开发的表冷器 - 风机集放热系统，可以在东西向大跨度外保温大棚中应用，在收集空气中盈余热量的同时，还能够有效抑制室内的高温，降低相对湿度。温度的有效管控是实现温室密闭运行的基石，而要实现对温室空气环境的全面管控，还需要进行空气灭菌、CO2 气肥施用等多方面的调控。
表冷器 - 风机集放热系统是一种新型的主动集放热系统
该系统利用表冷器 - 风机作为白天的集热器和夜间的放热器，收集和利用温室内产生的空气盈余热量，实现对温室气温的调控。该系统具有不占用栽培空间、不遮挡太阳辐射、不受温室类型限制、能充分利用温室空间、直接调控室内气温等优势。
表冷器 - 风机集放热系统具有明显的日间降温、减少通风的效果
在轻质保温墙体日光温室中，日间平均降低 5.8℃；在东西向大跨度外保温塑料大棚中，延迟开风口通风时间80 min；在其他温室中也有不同程度的降温效果。
表冷器-风机集放热系统具有夜间提升温室气温的效果
在后墙无蓄热能力的日光温室中，可提升夜间最低气温2.6~4.0℃；在大跨度外保温塑料大棚中，可提升夜间最低气温 2.2~4.5 ℃。在 最 冷 月， 运行该系统能够维持室内温度在10℃以上，最大室内外温差能够达到 21℃以上。
集热、放热性能好
系统最大日集热量达到 1008 MJ，集热 COPc 可 达 3.4~14.4，说明该系统日间能够收集到足够的热量，集热过程中的节能性好；放热量为 44.4~504 MJ，放热COPr 可 达 1.3~5.1，说明系统的放热量充足，优化系统参数和运行条件后，还能进一步提升系统的放热性能。
提升温室土壤的热环境
表冷器 - 风机集放热系统能够明显提升土壤温度。系统的夜间放热提升了温室气温，减少了土壤向空气释放的热量，使得热量留存在土壤中，提升了作物的根区温度，也有利于冬春茬作物提前定植。
表冷器 - 风机集放热系统还具有调控湿度、扰动室内空气等作用
日间集热过程中，能够将温室空气中的水汽凝结，降低室内绝对湿度，改善室内的高湿环境，并且凝结的水汽能够再次用于蓄热；夜间温室的气温提升，降低了温室的相对湿度。湿度的调控对病害的防控至关重要。表冷器 - 风机运行过程中，风机吹向前屋面，气流会在室内形成循环，均匀室内温度、湿度、CO2 浓度等空气环境。由此可见，该系统还具有调节温室内湿度、气流和 CO2 均匀性等多种功能，具有实现温室密闭运行、全面调控温室空气环境的潜力。
综上所述，表冷器 - 风 机集放热系统是一种节能型的温室主动式集放热新技术、新装备，具有较好的日间降温和夜间加温效果、集放热性能及除湿效果，提高了对温室空气温度、湿度的可控程度，可以应用于各种类型的温室，对于加快大跨度大棚、装配式日光温室等新型棚室的发展和推广，具有重要意义。未来，通过优化表冷器 - 风机集放热系统的设计参数和运行参数，进一步提升集放热性能，并对除湿、杀菌、补充 CO2 气肥等功能进行深入研究，有助于实现温室的全时密闭运行，从而大幅度提升温室空气环境的综合调控水平。