空气源热泵为什么越来越受欢迎？空气源热泵系统加温效果究竟如何

空气源热泵为什么越来越受欢迎？空气源热泵系统加温效果究竟如何本试验采用的空气源热泵为广东菲拉利空调设备有限公司生产的AWRZ120S-ZD-WS型号机组，额定输入功率为14.2 kW，额定电流为27.3 A，制冷剂为R410a，制冷输出功率为35 kW，制热输出功率为38 kW，排湿量为30 kg/h。热泵供热方式为传热风道供热，空气源热泵安装在试验温室外侧东部，热泵送、回风风道分别联通空气源热泵对应的传热风道送风口和回风口。两根送风风道安装于温室北侧通往温室东西中央线处；两根回风风道分别安置在东侧、西侧温室壁距地面 3.0 m 处（温室肩高位置），送、回风风道外径均为400 mm、壁厚12.3 mm，材质为聚氯乙烯，每根风道上开设小孔，小孔直径100 mm，间距600 mm，送风口开孔方向为水平斜向上60°，回风口开孔方向为水平斜向下60°。热泵设定为24 h自动工作，每日白天（7:30～17:30）设定制热目标温度为25℃，相对湿度设定为50%

|摘要|针对连栋薄膜温室传统越冬生产中加温能耗高、污染大、成本高等问题，设计了空气源热泵配合传热风道在冬季连栋薄膜温室中的加温效果试验。结果表明，典型晴天空气源热泵的平均性能系数（Coefficient of performance COP）值为1.76，与燃煤、燃气、电锅炉相比分别节能60%、51%、46%。连续运行三个月后，空气源热泵系统的总投资和运行成本低于燃气锅炉和电锅炉，具有可持续发展性。与对照温室相比，试验温室冬季夜间平均空气温度达到6.69℃，升温效果较为显著；相对湿度白天降低18.83%，夜间降低20.48%，除湿效果明显。通过计算流体力学（Computational fluid dynamics，CFD）模拟得到模型的平均相对误差为6.02%，进一步模拟温室内的温度场和气流场，分析出室内热环境分布较均匀，有利于作物生长，为空气源热泵在薄膜温室上的热环境改善提供了实践参考，并为传热风道的进一步优化奠定了研究基础。

空气源热泵工作原理示意图

空气源热泵工作原理示意图

试验温室

供试温室位于江苏省苏州市张家港市常阴沙农场（31°43′N，120°52′E），试验温室整体结构为圆弧形连栋薄膜温室，屋脊为南北走向，肩高3.0 m，脊高5.0 m，外覆聚乙烯薄膜。东西单个跨度为8.0 m，南北单个开间为4.0 m，整个温室共12跨、10开间。选择其中2跨、4开间为试验温室，对照温室位于试验温室隔壁，尺寸相同。试验期间，温室内种植的是草莓，灌溉方式为膜下滴灌模式。

试验温室

试验温室

空气源热泵系统的组成及工作模式

本试验采用的空气源热泵为广东菲拉利空调设备有限公司生产的AWRZ120S-ZD-WS型号机组，额定输入功率为14.2 kW，额定电流为27.3 A，制冷剂为R410a，制冷输出功率为35 kW，制热输出功率为38 kW，排湿量为30 kg/h。热泵供热方式为传热风道供热，空气源热泵安装在试验温室外侧东部，热泵送、回风风道分别联通空气源热泵对应的传热风道送风口和回风口。两根送风风道安装于温室北侧通往温室东西中央线处；两根回风风道分别安置在东侧、西侧温室壁距地面 3.0 m 处（温室肩高位置），送、回风风道外径均为400 mm、壁厚12.3 mm，材质为聚氯乙烯，每根风道上开设小孔，小孔直径100 mm，间距600 mm，送风口开孔方向为水平斜向上60°，回风口开孔方向为水平斜向下60°。热泵设定为24 h自动工作，每日白天（7:30～17:30）设定制热目标温度为25℃，相对湿度设定为50%；夜间（17:30~次日7:30）设定目标温度为10℃，相对湿度为70%。当温室内温湿度达到目标值后热泵停止工作，检测到温室内温湿度下降到目标值以下后热泵重新开始工作直至达到目标值为止。

空气源热泵系统在温室中的布置

数据采集

本试验数据采集时间为2018年12月25日~2019年2月28日。试验温室温湿度测点4个，分别布置于温室几何中心处地上1.5 m处、东西回风道中部风口各1处、中部风道送风口1处（风口的温湿度测点用来测量送、回风口温差使用）。对照温室温湿度测点位于温室几何中心地上1.5 m处。土壤温度测点分别布置于试验与对照温室几何中心处及试验温室西部边际中部，土壤深度分别为距离地表以下10、20、30、40、50、60 cm。风速仪分别在送、回风风道中部风口处测量风速。太阳辐射照度测点分别放置在试验温室和对照温室中部距地面1.5 m高处。室外环境数据测点布置在距试验温室正西方10 m处的空旷场地，温湿度测点和太阳总辐射测点的水平高度均与温室内测点一致。

结果与分析

试验期间空气源热泵运行稳定，选择2019年1月17~22日连续6天测试数据为代表进行分析。

光照强度分析

1月17~22日连续6天室外平均太阳辐射照度分别为154.99、161.40、25.00、144.82、160.55、176.75 W/m2，温室内平均太阳辐射照度分别为58.17、59.29、13.76、51.63、54.26、60.10 W/m2，温室内的平均透光率为33.80%~55.04%。从图4也可以看出，2019年1月19日为阴雨天。

室内外光照强度的变化

空气温湿度分析

2019年1月17~22日室内外的空气温度变化趋势一致，试验温室6天平均气温白天可以达到21.99℃，比对照温室（13.48℃）和室外（8.66℃）分别提高8.51℃13.33℃；试验温室夜间平均气温为6.69℃，比对照温室（2.49℃）和室外（1.35℃）分别提高4.20℃和5.34℃，说明空气源热泵在白天和夜间均能稳定地为温室供温。从图可以看出，室内外的空气相对湿度变化趋势基本一致，且室内要高于室外，但在开启空气源热泵之后试验温室内的相对湿度明显下降。白天，试验温室、对照温室和室外平均相对湿度分别为44.73%、63.56%和63.60%。试验温室湿度比对照温室和室外分别降低18.83%和18.87%；夜间，试验温室、对照温室和室外平均相对湿度分别为68.27%、88.75%、72.84%。因此，无论是白天还是夜间，试验温室比对照温室内的空气相对湿度均明显降低，说明空气源热泵具有较好的除湿效果。试验结果与热泵的设定值仍有一定差距，这是因为试验温室地处长江南岸，地下水位较高、空气相对湿度大，同时，薄膜的保温隔热性能差，热损耗较大。

室内外空气温湿度对比图

室内外空气温湿度对比图

土壤温度分析

试验温室、对照温室和室外的土壤温度变化趋势基本相似，随着土层深度的增加，温度波动范围逐渐变小，本试验选取地下10、30和50 cm深度的土壤温度为代表进行数据分析。土层越深，室外土壤温度和对照温室的土壤温度越接近，10 cm土层相差0.33～1.4℃，50 cm土层相差0.51～0.63℃。采用空气源热泵加温处理后，50 cm土层土壤温度可以提高2.0℃左右，10～30 cm土层可以提高1.5℃左右。结果表明，地下50 cm土壤温度波动较为平稳，可以考虑将白天的多余热量储存到地下并在夜间进行释放，即利用土壤的蓄热性能来提高温室夜间温度。

室内外不同深度土壤温度对比

室内外不同深度土壤温度对比

室内外不同深度土壤温度对比

热泵COP计算

空气源热泵的COP值表示系统的制热性能，COP值越大则节能效果越好。COP值计算在空气源热泵加热条件下，其实际制热效果计算公式为：

式中：Q为热泵的制热量，kW；vτ为τ时段为时段风道内空气流速，m/s；A为风道截面面积，m2；Vin、Vout分别为τ时段送、回风口空气的比容，m3/kg；Hin、Hout分别为τ时段送、回风口空气的焓值，kJ/kg；tτ为测试期间记录数据的时间间隔，即600 s；COP为空气源热泵实际制热系数；P为空气源热泵系统总输入功率，kW。本文Hin、Hout、Vin、Vout由文献计算得来。代入数据计算得到Q=1350 MJ，空气源热泵的COP值为1.76。

节能率和成本核算

经计算，若温室获得的热量Q为1350 MJ，所需热量为321654.96 kcal。采用燃气锅炉加热，燃气的理论热值取8500 kcal/(m3.h)，综合热效率取85%，则所需的天然气用气量为44.52 Nm3；若采用电锅炉加热，理论热值取860 kcal/kW·h，综合热效率取95%，则所需用电量为393.7（kW·h）；采用燃煤锅炉加热，燃煤的理论热值为4900 kcal/kg，综合热效率取70%，则所需标准煤为65.64 kg。综上，空气源热泵的节能率与燃气锅炉、电锅炉、燃煤锅炉相比分别节能51%、46%、60%。

核算运行成本时，农业用电费用按0.44元/度比较，燃气3.5元/m3，所需热量为321654.96 kcal。各个热源加温成本如表所示，可以看出，空气源热泵供暖机组的加温成本较燃气锅炉和电锅炉分别降低40%和46%。由于燃煤锅炉全面禁烧，此表未作比较。

燃烧成本比较

总的来说，空气源热泵配合管道通风的温室供温系统节能效果较为显著，且运行3个月后，空气源热泵系统的总投资和运行成本低于燃气锅炉和电锅炉，系统响应国家节能减排政策，具有一定的可持续发展性。

气流场与温度场CFD模拟

为了更直观地了解试验温室内的温度场和气流场分布情况，本文通过ANSYS Fluent软件进行CFD模拟。

控制方程

温室及管道内空气假设为理想气体，传热风道连接处气密性良好，无漏风漏压现象，送、回风口热风流匀速且等温。本次CFD模拟将热空气视为不可压定常流，流场中气体的流动遵循基本的物理守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律及组分守恒定律。

试验温室三维模型

几何模型

该计算模型考虑热泵运行过程中温度和相对湿度的变化，模型采用Unigraphics（UG）软件进行参数化建模，按照试验温室实际尺寸和相关关系创建比例为1:1的3D几何模型，忽略植物对气流的影响。采用Fluent meshing对试验温室整体进行网格划分，空气流体域与土壤固体域共节点处理，整个模型网格为多面体网格，网格单元数为1057339。整体计算模型如图所示。

边界条件

热泵风速按照实际测量值设定为7 m/s，作为传热风道的入口边界条件。传热风道送风口为压力出口，进风口为速度入口。假设蓄热土壤初始温度分布均匀，传热风道材质均匀，实测土壤表面初始温度为9.36℃；温室内气温变化范围较小，而常温条件下空气密度变化极小，故默认为室内空气为理想气体，试验温室采用标准k-ε湍流模型。各风道的进、送风口的温湿度根据2019年1月18日实测温湿度数值代入。

模拟结果验证

提取与空气温度实测值相同位置的模拟值，提取时间间隔为1 h，将温度实测值与模拟值进行对比，来验证模拟结果的可行性。由图可知，温度模拟值与实测值的最大绝对误差为2.95℃、平均绝对误差为0.70℃，最大相对误差为14.24%、平均相对误差为6.02%，模拟结果与实测结果吻合度较高，表明该计算模型可以用于模拟试验温室内的温度场和气流场情况。值得一提的是，植物的蒸腾作用会对温室内部环境产生影响，同时较高的植物对室内气流也会产生影响。因此下一步应考虑作物对温室内温度场和气流场的影响，提高模拟的精确度。

温度实测值与模拟值比较

温度场和气流场模拟

依据试验温室内空气温湿度测点布置位置，本文模拟出温室中部剖面温度及气流分布图。如图所示，可以看出送风口附近温度及气流速度明显偏高，高温气流从送风口以射流状态进入温室中，并沿着覆盖的薄膜和地面形成环流，但温室中部的气流速度较低，空气的流动性较强，在没有作物的影响下室内气温分布较均匀。

模拟结果

模拟结果