集装箱植物工厂变频空调系统设计与应用.pdf

第 10 卷 第 6 期 农 业 工 程 Vol 10 No 6 2020 年 6 月 Agricultural Engineering Jun 2020 收稿日期 2020 01 03 修回日期 2020 02 16 作者简介 董微 硕士 研究方向 生物安全 E mail dongwei2016 126 com 在线投稿 www d1ae com 集装箱植物工厂变频空调系统设计与应用 董 微 1 2 3 周增产 1 2 3 姚 涛 1 2 3 封喜雷 1 3 李秀刚 2 3 田凤梅 2 3 1 北京市农业机械研究所有限公司 北京 100096 2 北京京鹏环球科技股份有限公司 北京 100094 3 北京市植物工厂工程技术研究中心 北京 100094 摘 要 为解决集装箱植物工厂运行时内部温度偏高且不均匀 无法满足植物生产所需最佳温度等问题 对集装箱植 物工厂变频空调系统进行设计 通过对工厂的结构组成进行统计安排 以及总负荷的计算 确定变频空调系统设计方 案 通过测试室内外温度 湿度和光照 结果显示 明期集装箱内温度总平均值为 26 3 湿度总平均值为 44 8 光照总平均值为 12 082 lx 满足集装箱植物工厂的设计要求 该设计可加快集装箱内的降温速度 实现温度的精确 控制 关键词 集装箱 植物工厂 变频空调系统 中图分类号 S316 文献标识码 A 文章编号 2095 1795 2020 06 0046 05 Design and Application of Frequency Conversion Air Conditioning System in Container Plant Factory DONG Wei 1 2 3 ZHOU Zengchan 1 2 3 YAO Tao 1 2 3 FENG Xilei 1 3 LI Xiugang 2 3 TIAN Fengmei 2 3 1 Beijing Agricultural Machinery Institute Co Ltd Beijing100096 China 2 Beijing Kingpeng International Hi Tech Corporation Beijing 100094 China 3 Beijing Plant Engineering Technology esearch Center Beijing 100094 China Abstract In order to solve problems of high internal temperature and non uniform which can not meet optimal temperature for plant production a variable frequency air conditioning system of container plant factory was designed Through the statistical ar rangement of plant structure and calculation of total load design scheme of variable frequency air conditioning system was deter mined The temperature humidity and light in and out of the factory were tested esults showed that average temperature humidity and illumination in the container were 26 3 44 8 and 12 082 lx which meet design requirements of container plant factory The design could speed up cooling speed in container and realize precise control of temperature Keywords container plant factory variable frequency air conditioning system 0 引言 随着我国植物工厂技术的不断完善和提高 微型 化 迷你型植物工厂已应用于人们生活的各种环 境 1 在人口 耕地资源紧缺的大背景下 将我国 大量淘汰弃用的集装箱重新利用 改造成为集装箱植 物工厂 不但可以提高资源利用率 降低植物工厂建 设成本及运行成本 而且可以解决环境恶劣地区诸如 海岛荒漠等地的蔬菜生产问题 2 10 为保证集装箱植 物工厂内部的环境条件满足种植植物的生长需求 通 过对其内部的空调系统进行优化设计 采用空调压缩 机和强制通风换气相结合的降温模式 可达到大幅度 降低能耗成本的目的 11 1 设计概况 本设计为北京市农业机械研究所有限公司集装箱 植物工厂变频空调系统 集装箱植物工厂变频空调系 统设计需满足集装箱内植物生长整个周期的温度需 求 集装箱植物工厂外形尺寸为 12 m 2 1 m 2 5 m 维护结构为 75 mm 净化板 集装箱植物工厂内设 计温度为 16 28 室外相对湿度为 40 60 光照为 9 000 18 000 lx 集装箱植物工厂内景如图 1 所示 集装箱植物工厂所在地基本参数情况如表 1 所 示 集装箱植物工厂所在地夏季环境条件参数如表 2 所示 董微 等 集装箱植物工厂变频空调系统设计与应用 图 1 集装箱植物工厂内景 Fig 1 Interior view of container plant factory 表 1 集装箱植物工厂所在地基本参数 Tab 1 Basic parameters of container plant factory location 项目 参数 国家 中国 省份 北京市 经度 E 116 47 纬度 N 39 8 表 2 集装箱植物工厂所在地夏季参数 Tab 2 Summer parameters of container plant factory location 项目 参数 夏季大气压 Pa 99 987 夏季室外空调计算日平均温度 29 1 夏季室外空调计算干球温度 33 6 夏季室外空调计算湿球温度 26 3 夏季室外平均风速 m s 1 2 2 大气透明度等级 4 2 负荷计算 2 1 建筑概况 集装箱植物工厂各项基本情况如表 3 所示 表 3 集装箱植物工厂基本情况 Tab 3 Basic information of container plant factory 项目 参数 建筑体积 m 3 63 建筑高度 m 2 5 外表面积 m 2 120 9 建筑层数 1 2 2 建筑物 2 2 1 外墙 集装箱植物工厂设计使用的外墙材料传热系数如 表 4 所示 2 2 2 屋面 集装箱植物工厂设计使用的屋面材料传热系数如 表 5 所示 2 3 设计负荷统计 将空调区的各分项冷负荷按各计算时刻累加 得 出空调区总冷负荷逐时值的时间序列 之后找出序列 中的最大值 即作为该空调区的计算冷负荷 集装箱 植物工厂冷负荷如表 6 所示 表 4 外墙传热系数 Tab 4 Heat transfer coefficient of external wall 材料名称 厚度 mm 干密度 kg m 3 导热系数 W m 1 K 1 比热容 kJ kg 1 K 1 导热系 数修正 热阻 m 2 K W 1 建筑钢材 1 7 850 58 2 0 48 1 0 矿棉岩棉玻璃棉毡 140 75 140 0 04 1 34 0 97 1 72 建筑钢材 1 7 850 58 2 0 48 1 0 各层之和 77 1 72 传热系数 K 0 53 表 5 屋面传热系数 Tab 5 Heat transfer coefficient of roof 材料名称 厚度 mm 干密度 kg m 3 导热系数 W m 1 K 1 比热容 kJ kg 1 K 1 导热系 数修正 热阻 m 2 K W 1 建筑钢材 1 7850 58 2 0 48 1 0 矿棉岩棉玻璃棉毡 140 75 140 0 04 1 34 0 97 1 72 建筑钢材 1 7850 58 2 0 48 1 0 各层之和 77 1 72 传热系数 K 0 53 74 农业工程 生物环境与能源 表 6 集装箱植物工厂冷负荷 Tab 6 Cooling load of container plant factory 时间 冷负荷 W m 2 0 00 14 702 3 00 14 575 6 00 14 499 9 00 15 185 12 00 15 677 15 00 15 868 18 00 15 703 21 00 14 960 时间 冷负荷 W m 2 1 00 14 659 4 00 14 543 7 00 14 677 10 00 15 411 13 00 15 716 16 00 16 159 19 00 15 500 22 00 14 839 时间 冷负荷 W m 2 2 00 14 614 5 00 14 513 8 00 14 936 11 00 15 578 14 00 15 791 17 00 15 828 20 00 15 179 23 00 14 758 2 4 负荷构成 根据集装箱植物工厂内部的配置情况 初步估算 各部分负荷如表 7 所示 集装箱植物工厂负荷构成如 图 2 所示 图 2 集装箱植物工厂负荷构成 Fig 2 Load composition of container plant factory 3 变频空调系统设计方案 根据集装箱植物工厂室内冷负荷计算 集装箱植 物工厂空调系统设计方案分为 4 项 第一 送风方式 是采用 PVC 方形风管送风 PVC 风管具有不生锈 耐腐蚀 质量轻 便于搬运安装 价格低廉的优点 第二 送风口形式是将送风口放置到集装箱中间走道 顶部 以便气流均匀扩散 送风风口为带调节阀双层 百叶 价格便宜且实用 双层百叶风阻小 可较容易 实现送风距离 送风角度可调整 第三 室内机选型 要考虑空调设备使用效果并兼顾经济性 选用 1 台 5HP 定频空调 1 台 5 HP 变频空调 室内机送风口 机外静压 80 120 Pa 的 2 档可调 满足长距离送风需 求 定频空调负责处理室内灯光负荷 变频空调负责 处理集装箱内维护结构传热 通风和植物散发冷负 荷 第四 室外机采用上海日立高品质压缩机 振动 小 效率高 运行平稳 噪声低 同时设备使用寿命 长 可靠性高 满足空调在恶劣环境中长时间不间断 运转需求 4 试验设计与方法 4 1 试验设计 对集装箱植物工厂室内外温度 湿度和光照进行 测试试验 测试时间为 9 00 17 00 温湿度每隔 30 min 记录测试数据 光照每隔 1 h 记录测试数据 4 2 测试仪器 试验采用的是 C 4HC 温湿度测量仪 数量 11 个 PLA 20 植物光照分析仪 数量 1 个 4 3 试验方法 温湿度测试需要将集装箱植物工厂一侧栽培架分 成 A B 的 2 个测试区 每个区域垂直方向设置 5 个 测试点 每个测试点距离灯管的距离为 10 cm 室外 温湿度测试点应选取背阴处 避免太阳光直射对测试 数据的影响 光照测试是在栽培架 A3 位置的 4 组光 源中间 光照分析仪距离光源 20 cm 处进行测试 温 湿度测点布置如图 3 所示 图 3 温湿度测点布置 Fig 3 Layout of temperature and humidity measuring points 5 结果与分析 5 1 温度 各测点温度对比如图 4 所示 测试期间栽培架上 A B 两区同一水平方向上的两点温差范围为 0 1 9 A 区垂直方向温差范围为 3 3 3 9 B 区垂 直方向温差范围为 3 1 3 9 室外测试点温度范 围为 0 4 3 7 12 00 时 室外温度达到全天最 高值 3 7 此时集装箱植物工厂内栽培架上 A B 两区同一水平方向上的两点温差范围为 0 3 1 0 A 区垂直方向温差为 3 9 B 区垂直方向温差为 3 9 室外温度达到最高值时 A B 两区垂直方 向温差均达到最大值 测试期间 变频空调系统一直 处于制冷状态 由此可见 变频空调系统具有良好的 降温均匀性 明期集装箱内温度总平均值为 26 3 表 7 集装箱植物工厂负荷构成 Tab 7 Load composition of container plant factory 科目 人体 灯光 75 mm 净化板 东侧 75 mm 净化板 西侧 75 mm 净化板 南侧 75 mm 净化板 北侧 75 mm 净化板 顶面 空气渗透 负荷 W 280 12 600 544 635 99 70 740 1 191 84 董微 等 集装箱植物工厂变频空调系统设计与应用 图 4 各测点温度对比 Fig 4 Temperature comparison of each measuring point 图 5 各测点湿度对比 Fig 5 Humidity comparison of measuring point 满足集装箱植物工厂的设计要求 5 2 湿度 各测点湿度对比如图 5 所示 测试期间栽培架 上 A B 两区同一水平方向上的两点湿度差范围为 0 2 9 8 A 区垂直方向湿度差范围为 7 2 19 4 B 区垂直方向湿度差范围为 2 0 19 3 室外 测 点 湿 度 范 围 为 42 4 46 6 11 00时 A B 两区垂直方向湿度差均达到各自最 大值 此时室外湿度为 45 5 栽培架上 A B 两 区同一水平方向上的两点湿度差范围为 2 4 8 0 17 00 时 室外湿度达到测试期间最高值 46 6 此时栽培架上 A B 两区同一水平方向上 的两点湿度差范围为 3 9 A 区垂直方向湿度 差为 11 1 B 区垂直方向湿度差为 9 5 明期 集装箱内湿度总平均值为 44 8 满足集装箱植物 工厂的设计要求 5 3 光照 如图 6 所示 测试期间栽培架 A3 位置的 4 组光 源光照范围为 9 227 15 857 lx 光照总平均值为 12 082 lx 满足集装箱植物工厂的设计要求 图 6 各测点光照对比 Fig 6 Light contrast of each measuring point 6 结论 1 测试期间栽培架上 A B 两区同一水平方向 上的两点温差为 0 1 9 湿度差为 0 2 9 8 A 区垂直方向温差为 3 3 3 9 湿度差为 7 2 94