温室用太阳能热泵土壤蓄能系统的研究_蒋绿林.pdf

蒋绿林，蔡佳霖，胡 静，等． 温室用太阳能热泵土壤蓄能系统的研究［J］． 江苏农业科学，2018，4612176 －179．doi10．15889/j． issn．1002 －1302．2018．12．044温室用太阳能热泵土壤蓄能系统的研究蒋绿林，蔡佳霖，胡 静，卢 旺，吕长宁常州大学石油工程学院，江苏常州213000摘要为提高北方地区温室作物的生长环境温度，建立温室用太阳能热泵土壤蓄能系统的试验装置。采集太阳辐射强度、系统供/回水温度、温室内部土壤、空气温度、主机输入功率等数据，分析在晴天和多云天气工况下系统的性能和供暖效果。结果表明，系统的供/回水温度及性能系数 coefficient of perance，简称 COP均受太阳辐射影响，辐射增强，供/回水温度及COP随之升高，反之则降低，但供/回水温度波动滞后于太阳辐射强度且较为平缓。在晴天和多云天气工况下，系统的平均 COP 分别为 4． 05、2． 50;晴天天气工况下，系统较对照温室土壤温度日平均提升3．24 ℃，夜间温室空气温度平均提升1．49 ℃;多云天气工况下，系统较对照温室土壤温度日平均提升2． 28 ℃，夜间温室空气温度平均提升1．02 ℃;系统供暖效果明显。不同天气工况下，试验温室空气温度较环境温度提升3 ～8 ℃。关键词温室;太阳能热泵;土壤蓄能;系统性能;供暖效果中图分类号 TK114;S214 文献标志码 A 文章编号1002 －1302201812 －0176 －03收稿日期2016 －12 －28基金项目国家自然科学基金编号51308077。作者简介蒋绿林1965，男，江苏常州人，硕士，副教授，硕士生导师，从事太阳能热泵及地源热泵利用研究。E － mail1012933992 qq． com。温室主要用于栽培蔬菜植物，在不适合作物生长的季节为作物生长提供适宜的温度。我国北方地区入秋后，昼夜温差逐渐增大。白天气温较高，温室作物能够正常生长;夜晚气温骤降，温室内部温度有时降到0 ℃以下。根据中国农业百科全书蔬菜卷可知，一般作物适宜的生长温度在 5 ～35 ℃ 之间。温度过低不利于作物生长，因此，北方地区必须在冬季为温室供暖。传统温室的供暖方式以燃煤锅炉为主，这种高温热源放热的供暖方式不仅造成大量的能源浪费，而且燃煤锅炉排放的CO2、NOx、SOx等污染物对环境也造成了严重污染［1］。随着我国现代化农业的发展，温室大棚供暖的能源供应不再仅限于一次能源。我国北方地区冬季太阳辐射较强，有研究者提出将太阳能热利用技术应用于温室大棚供暖，并对此进行了相关研究［2 －4］。江苏大学的毛罕平等研制了1 种温室太阳能加热系统，其主要由真空管太阳能集热器和循环管道组成，并采用电采暖作为系统的辅助热源以满足温室的连续供暖需求［5］。陕西科技大学的苏伟等设计了太阳能与地源热泵联合温室大棚系统及该系统的可编程逻辑控制器 programmable logic controller，简称PLC控制回路，并对其可行性作了简要分析［6］。太阳能与地源热泵联合温室大棚系统的初投资较高，对于农业生产来说，其系统投资回收期较长。沈阳农业大学的于威等设计了日光温室太阳能土壤加温系统，通过试验研究在该系统的作用下地温随着不同地热管埋深的变化情况。结果表明，太阳能土壤加温系统对夜间土壤温度有显著提升作用［4］。根据调研，国内温室大棚太阳能热利用技术大多采用太阳能闷晒水的集热方式，依靠太阳能闷晒真空管或平板式太阳能集热板来提升内部水的温度，结合储能水箱及温室内部换热系统对温室进行供暖。这种仅通过太阳闷晒来加热水的做法，其太阳能利用率较低，无法满足大面积温室大棚生产的供暖需求，且温室大棚供暖须配备较大的储能水箱，浪费了土地资源，后期维护也较为麻烦。针对以上温室供暖技术的不足，本研究设计1 种温室用太阳能热泵土壤蓄能系统，利用制冷剂R134A 在平板式太阳能集热板中采集太阳能量，通过压缩机提升能量品位，制冷剂通过板式换热器将热量换热给水，通过循环水泵使水在水平横埋管中循环流动，以这种形式将热量最终换热给温室内部土壤，最终实现温室内部土壤及空气温度的提升。通过试验对此系统进行研究，分析不同工况下系统性能及其供暖效果，得出相应结论。1 试验内容1．1 试验原理及主要装置对于太阳能热泵土壤蓄能系统，制冷剂 R134A 在太阳能集热蒸发器内吸收热量，经压缩机压缩后变为高温高压的过热蒸气，再经温室内地埋管侧板式换热器冷凝后，进入膨胀阀节流为低温低压的气液两相混合物，最后回到太阳能集热蒸发器中吸热蒸发，如此完成1 个循环过程。在白天，随着太阳能热泵的持续运行，系统能够收集较多能量，通过埋深为40 cm 的水平横埋管将能量换热给土壤，土壤温度不断升高;在夜晚，释放储存在土壤中的能量向温室供暖。由于白天土壤中储存了较多能量且土壤的放热速度较慢，因此土壤对温室供暖的持续时间较长，能够满足夜间温室作物的正常温度需求。随着系统的正常运行，温室的土壤温度及空气温度得到明显提升。温室用太阳能热泵土壤蓄能系统图1所选用的压缩机为上海日立家用电器有限公司 WHP09800DCV － C9EU 型转子式压缩机，其额定制热量为 9． 97 kW，额定功率为2．46 kW。太阳能集热蒸发器是由12 块太阳能集热板并联671 江苏农业科学 2018 年第46卷第12 期而成，集热板选用江苏省常州海卡太阳能热泵有限公司生产的有玻璃盖板的平板式太阳能集热板，尺寸为1 000 mm 2 000 mm 80 mm，朝正南方向放置，与水平面夹角为60°。1．2 试验方法以山西省大同市一温室大棚为例，该温室大棚长为60．0 m，宽为8．0 m，背墙高度为2．5 m，墙厚为0．5 m，设计总暖负荷为20 kW。温室夜间覆盖保温棉被，1600 覆盖，次日0900 揭开。为分析太阳能热泵土壤蓄能系统的运行效果，用隔热板将温室隔成东、西2 个相同的区域进行对比试验，东半部铺设地埋管，而西半部设为无地埋管的对照区。太阳能热泵运行时间为08001700。对有太阳能热泵土壤蓄能系统和无太阳能热泵土壤蓄能系统的温室分别进行试验测试。测试记录的数据 0． 5 h 采集1 次包括太阳辐射强度、地埋管总管水流量 qm、主机功率 W、地埋管总管的供/回水温度 T1/T2。图2 为试验温室/对照温室地面往下20 cm、地面往上1． 5 m处的温度 T3/T5、T4/T6视作温室的土壤温度、空气温度、室外环境温度 T7。所用的试验仪器主要包括太阳辐射强度测量采用的北京中西远大科技有限公司生产的辐射量采集仪，水流量的测量采用的江苏进源仪表有限公司生产的涡轮流量计，主机功率测量采用的浙江乔宇电气有限公司生产的 RS485 通信远程控制电能表，温度测定选用的江苏省常州市金艾联电子科技有限公司生产的JK －16U多路温度巡检仪。2 结果与分析试验工况包括晴天工况和多云工况2 个部分。2．1 晴天工况下试验2．1．1 系统性能分析 由图3 可知，太阳辐射良好，辐射强度峰值出现在1330，为1 018 W/m2;系统供水温度在15．1 ～21．0 ℃之间，峰值出现在 14 00;系统回水温度在 13．7 ～17．6 ℃ 之间，峰值出现在1530;系统供回水温差在1． 4 ～3. 4 ℃之间，峰值出现在1400。系统供水温度受太阳辐射强度的影响较为明显。随着辐射强度的增强，供水温度随之升高，而回水温度变化相对较平缓，供回水温差加大，土壤的热量增大。随着太阳辐射强度的减弱，供/回水温度也随之下降。另外，由于土壤具有较大的热容量，供/回水温度及其温差出现峰值的时间均晚于太阳辐射最强时的时间。对系统的性能系数 coefficient of perance，简称COP进行分析。COP的计算公式如下COP QW; 1Q C0qm T1－ T2。 2式中Q为系统的制热量，kW;W为系统运行时的主机输入功率包括压缩机、水泵的耗功，kW; C0为水的比热容，4．186 kJ/ kg·K;T1、T2为供/回水温度，℃;qm为水的质量流量，kg/s，根据试验，系统水平横埋管中水的质量流量 qm趋于稳定，其值约为0．94 kg/s。由图4可知，系统的制热量随太阳辐射强度的变化而变化，而主机的输入功率相对变化不大。将系统的制热量和主机输入功率代入COP的计算公式，得到相应的COP。结果表明，系统的COP随太阳辐射强度增强而增大，随太阳辐射强度减弱而减小。根据计算，晴天工况下系统的平均COP为4．05。2．1．2 供暖效果分析 由图5 可知，在白天地埋管与土壤的持续换热下，系统对土壤温度有明显提升。与对照温室相比，试验温室的土壤温度日平均提升 3． 3 ℃，最大提升时间在1400，提升3．9 ℃。另外，结合图3 可以看出，白天的各个时段，试验系统的回水温度在13 ～ 18 ℃范围内波动，而试验温室土壤温度在10 ～16 ℃范围内波动，回水温度高于试验温室771江苏农业科学 2018 年第46卷第12 期土壤温度，说明白天系统运行期间，地埋管与土壤换热良好，土壤持续吸收地埋管热量。由图6 可知，在白天将温室保温棉被揭开后，温室空气在太阳辐射下不断升温。地埋管与土壤换热对温室空气温度提升较小，试验温室与对照温室空气温度相差不大;到了晚上由于储存在土壤中的热量会缓慢地释放到温室内，试验温室比对照温室中空气温度高，试验温室中空气夜晚温度 1700 至次日0800比对照温室平均高1．4 ℃，说明本研究的系统对温室空气的增温效果明显。晴天工况下白天 08001700 室外环境温度在 4 ～14 ℃ 之间，夜间1700 至次日0800温度在5 ～8 ℃之间，昼夜温差较大。白天试验温室中空气温度比环境温度高5 ～8 ℃，夜间高3 ～5 ℃。由于在白天系统运行的同时，温室也在被动的吸收、储存太阳能量，所以试验温室较室外环境温度高。温室温度能满足作物生长需求。2．2 多云工况下试验2．2． 1 系统性能分析 由图7 可知，太阳辐射强度波动剧烈，随着系统的运行，系统供/回水温度一定程度上随着辐射强度的波动而波动，但由于土壤具有较大的热容量，供/回水温度不会出现像太阳辐射强度那样剧烈的变化，二者达到动态平衡。随着辐射强度的不断减弱，供水、回水温差不断减小。在1600 以后，太阳辐射强度降至100 W/m2以下，此时的供水、回水温差仅有 0． 2 ℃左右，地埋管与土壤基本不换热。由图8 可知，系统制热量的波动受太阳辐射强度的影响较明显，而其主机输入功率依然波动不大，因此系统的 COP变化受太阳辐射强度影响明显。1600 以后，太阳辐射强度过低，系统制热量降到2 kW左右，而此时的主机输入功率略低于制热量，系统能效比过低，主机应停止运行。根据计算，多云工况下系统COP平均值为2．50。2．2．2 供暖效果分析 由图9 可知，在多云工况下，与对照温室相比，试验温室土壤温度日平均提升2． 28 ℃。由图10可知，在白天试验温室与对照温室中空气温度相差不大;夜晚1700 至次日0800试验温室比对照温室中空气温度高，平均高1．0 ℃，可见本研究的系统对温室增温效果明显。在多云工况下，白天 08 0017 00 室外温度在 6 ～9 ℃ 之间，夜间1700 至次日0800温度在5 ～ 6 ℃之间，昼夜温差较大。白天，在系统和被动式温室太阳能蓄能的共同影响下，试验温室内部空气温度比环境温度高2 ～5 ℃;夜间高3 ～4 ℃。温室中空气温度明显提升，有利于作物生长。3 结论温室用太阳能热泵土壤蓄能系统在晴天和多云天气工况下运行情况良好。系统的供/回水温度及性能系数 COP均受太阳辐射强度影响，辐射增强，供/回水温度及 COP随之升高，反之则降低。由于土壤具有较大热容量，系统供/回水温871 江苏农业科学 2018 年第46卷第12 期櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄度波动滞后于太阳辐射强度且较为平缓，二者达到动态平衡;晴天和多云天气工况下，系统的平均COP分别为4. 05、2．50。系统供暖效果明显。在晴天工况下，与对照温室相比，试验温室土壤温度日平均提升3．24 ℃，夜间温室空气温度平均提升1．49 ℃;在多云天气工况下，与对照温室相比，试验温室土壤温度日平均提升2． 28 ℃，夜间温室空气温度平均提升1．02 ℃;同时，在太阳能热泵土壤蓄能系统和被动式温室太阳能蓄能的共同影响下，温室内部空气温度比室外环境温度提升大，温度提升2 ～8 ℃，在较大程度上提高了作物的生长环境温度。根据调研，温室年供暖平均天数约为120 d，其中阴、雨、雪等恶劣天气天数占15。在连续恶劣天气工况下，太阳能热泵土壤蓄能系统无法满足温室的供暖需求。因此，考虑增加辅助能源来保证系统的全年稳定运行。下一步工作集中在选择合适的辅助供暖设备来匹配太阳能热泵土壤蓄能系统，并对结合辅助供暖设备的系统进行全年运行的应用研究。参考文献［1］王丽艳，邱立春，郭树国． 我国温室发展现状与对策［J］． 农机化研究，200810207 －209．［2］戴巧利，左 然，李 平，等． 主动式太阳能集热/土壤蓄热塑料大棚增温系统及效果［J］． 农业工程学报，2009，257164 －168．［3］张 莹，刘文合，于 威，等． 东北型日光温室太阳能辅助加温系统试验研究［J］． 水电能源科学，20103158 －160．［4］于 威，王铁良，刘文合，等． 太阳能土壤加温系统在日光温室土壤加温中的应用效果研究［J］． 沈阳农业大学学报，2010，412190 －194．［5］毛罕平，王晓宁，王多辉． 温室太阳能加热系统的设计与试验研究［J］． 太阳能学报，2004，253305 －309．［6］苏 伟，穆 青，董继先，等． 太阳能与地源热泵联合温室大棚系统的设计［J］． 浙江农业学报，2015，272290 －294．陈 洪，赵庆展，李沛婷． 无校正点的机载LiDAR农作物点云数据精度评价［J］． 江苏农业科学，2018，4612179 －184．doi10．15889/j． issn．1002 －1302．2018．12．045无校正点的机载LiDAR农作物点云数据精度评价陈 洪，赵庆展，李沛婷石河子大学信息科学与技术学院/国家遥感中心新疆兵团分部/兵团空间信息工程技术研究中心/兵团空间信息工程实验室，新疆石河子832000摘要农作物高度是农业遥感应用中极为重要的参数，目前已能够使用机载激光雷达获取准确的农作物高度信息，但对其获取点云数据精度的评价是困扰研究人员的问题之一。在分析机载激光雷达点云获取与定位模型的基础上，从系统误差和随机误差2 个方面进行误差分析，结合具体试验设计得到定量化描述与分析激光测距误差和动态时延误差。利用点云脚点的空间拓扑关系，得到拟合高程模型真值与平面模型拟合方程，以此为基础进行无校正点的点云数据精度评价。结果表明，高程精度最大残差值为 5． 60 cm，均方根误差为 0． 94 cm，平面精度最大残差值为2．78 cm，均方根误差为8．63 cm，这与定位定姿系统 positioning and orientation system，简称POS数据精度报告相近，该结果可为研究无校正点条件下作物高度的高精度测量提供参考和借鉴。关键词机载激光雷达;农作物;点云数据;精度评价;系统误差;随机误差中图分类号 TP751;S127 文献标志码 A 文章编号1002 －1302201812 －0179 －06收稿日期2017 －09 －20基金项目中央引导地方科技发展专项编号 BT011;新疆生产建设兵团科技计划编号2016BA001。作者简介陈 洪1991，男，山西临汾人，硕士，主要从事空间信息技术及应用、无人机遥感的应用等研究。E － mail714772559qq． com。通信作者赵庆展，硕士，教授，主要从事空间信息技术及应用、农业信息化领域的研究。E － mailzqz_inf shzu． edu． cn。机载激光雷达 light detection and ranging，简称 LiDAR一般由激光扫描仪、全球定位系统 global positioning system，简称 GPS、惯性测量装置 inertial measurement unit，简称IMU等一系列测量仪器组成。LiDAR 作为综合主动测量系统，它具有全自动化作业、获取数据方式灵活、精度高、受天气及环境影响较小等特点，通过获取扫描区域的三维空间坐标、反射强度信息以及回波次数等目标物的点云数据，进而可直接生成高精度的数字高程模型、数字表面模型等成果，也可利用反射强度对地物进行分类和植被参数的提取等，目前，已经在高精度测量的多个行业和领域得到广泛应用。数据获取与处理、数据使用者更关心系统的稳定性和数据获取的准确性。国内外学者针对不同的机载激光雷达系统，使用不同方法开展了精度评价研究。Schenk 通过对机载LiDAR的系统误差源分析，提出了瞬时扫描角误差影响定位误差的公式［1］;李峰等在机载LiDAR系统基础上建立定位误差方程，详细分析了不同路面情况时，定位精度影响因素并讨论误差来源及影响因素大小［2］;刘经南等分析了各种系统误差因素对激光脚点定位精度的影响，并结合动态偏心改正及动态时效误差对影响测高精度的因素进行分析［3］;邬建伟等以摆动扫描方式机载LiDAR系统为例，研究了激光束与扫描镜对准误差的水平和垂直对准误差，其定位原理定性和定量两误差分量对LiDAR定位精度的影响［4］;王建军等分析了姿971江苏农业科学 2018 年第46卷第12 期