表冷器-风机机房热系统的实际应用效果如何？（一）
表冷器 - 风机集放热系统对四种园艺设施室内气温的调控效果研究
传统日光温室的后墙兼具保温和蓄热双重功能，可在日间储蓄太阳能，并在夜间向室内释放，是维持室内气温的重要构件。为了储蓄热量，传统日光温室的后墙需要使用夯土、黏土砖等重质材料建造（图 1），使得日光温室施工质量和施工效率较低、建造成本较高，不利于日光温室的可持续发展。另外，我国近年来面临着城镇化和老龄化进程的加快，设施蔬菜生产劳动力不足的问题愈加突出，迫切需要实施“机器换人”。但日光温室室内空间狭小，不利于农机装备的高效作业。因此，传统的日光温室必须进行变革以适应新时代设施园艺产业发展的要求，更好地为我国国民经济的发展提供助力。
a. 夯土墙
b. 砖土墙
图 1 夯土墙和黏土砖墙日光温室
在上述发展背景下，日光温室最近几年出现两种发展趋势：一种是使用轻质保温后墙替代传统墙体，该墙体使用聚苯板等保温板材或砌块建造，可装配化施工，具有施工效率高、建造成本低等特点，得到了较多应用。此外，还可以使用柔性保温材料替代保温板材或砌块建造后墙，以进一步提高施工效率。另一种是彻底取消温室后墙，加大跨度，形成大跨度外保温塑料大棚。这种新型塑料大棚一般南北走向，跨度 16~20 m，脊高 6 m左右，外侧覆盖可卷放保温被，具有较好的保温性能。与日光温室相比，大跨度外保温塑料大棚不仅造价低，而且土地利用率高，还具有较大的室内空间，能够满足大多数农机装备的作业需求。
图 2 试验温室所在地与类型示意图
图 3 表冷器 - 风机集放热系统组成示意图
图 4 表冷器 - 风机结构及其集热过程示意图
试验日光温室位于北京市通州区潞城镇中农富通园艺有限公司的通州国际农业科技园内（39.8ºN，116.7ºE）。东西长 50 m，南北跨度 8 m，脊高3.8 m，后墙高 2.6 m，后屋面长 1.5 m，后坡仰角 45º。温室后墙、后屋面及两侧山墙均采用 150 mm 聚苯乙烯发泡板装配而成，泡沫板两侧涂抹抗裂砂浆，墙体只有保温功能，没有蓄热功能。前屋面覆盖0.1 mm PVC 塑料薄膜。保温被被芯为针刺毡，无其他加温设备。沿温室东西方向中间位置 用 PC 板将测试温室均分为东、西两部分，分别作为试验温室和对照温室。
图 5 通州试验现场
集放热系统组成及其运行模式
试验温室内的表冷器 - 风机集放热系统，由 3 台表冷器 -风机、进水管路、回水管路、保温蓄热水池、1 台潜水泵、PLC 控制系统、控制系统的气温和水温传感器组成。表冷器 - 风机悬挂于屋脊下方、距地面 3 m 高度处，分别与供水管路和回水管路相连。风机将室内空气由北侧经表冷器后吹向前屋面，以利于气流循环。蓄热水池位于温室内，挖建而成，底部及四周粘贴发泡聚苯板进行保温，长 4.26 m， 宽2.40 m， 深 1.60 m，实际蓄水量为 4.6 m3。潜水泵位于蓄热水池中
白 天（8:00~16:30）， 当控制系统监测到温室气温高于22℃且高于水温 5℃时，启动风机和潜水泵，潜水泵将蓄热水池中的水媒以一定压力和流量泵入表冷器，水与空气在表冷器中通过强制对流的方式进行热交换，吸收空气中的热能后回流至蓄热水池中。水媒在系统中不断循环，温度逐渐升高，便将日光温室内空气中的盈余热能收集并储存起来。当温室气温低于 22℃，或气温与水温的差值 <5℃时，控制系统停止风机和潜水泵的运行，集热过程停止。
夜间（16:30~ 次日 8:00），当控制系统监测到温室气温低于 13 ℃且低于水温 2 ℃时，启动风机和潜水泵，水媒与空气在表冷器中发生强制对流换热，释放热能，进行夜间的加温。当温室气温高于 14 ℃，或者水温与气温的差值 <2 ℃时，系统停止运行，放热过程停止。
结果与分析
以 2018 年 3 月 2~5 日（晴天和阴天）试验温室和对照温室中的气温数据为例，进行分析。
2018 年 3 月 2 日 和 5 日是晴朗天气。从图 6a 可以看出，从 8:00 揭开保温被后，温室气温逐渐上升，9:20 温室气温 22.3℃，表冷器 - 风机集放热系统开始运行，试验温室与对照温室之间逐渐产生温差，10:00 后同时打开两个温室的上通风口，气温下降。集热期间，试验温室的气温始终低于对照温 室， 试 验 温 室 最 高 气 温 为32.1℃，对照温室最高气温为37.7℃，温差在（5.8±2.3）℃。3 月 5 日也是晴天，如图 6d 所示，同样从 8:00 揭开保温被后温室气温逐渐上升，9:30 时温室气温 22.7℃，表冷器 - 风机集放热系统开始运行，10:30 同时开启两温室的上通风口。集热期间试验温室的气温始终低于对照，试验温室最高气温为29.0℃，对照温室最高气温为34.8℃，温差在（5.1±1.2）℃。可见，表冷器 - 风机集放热系统可以有效降低集热期内日光温室的气温。
图 6 室内外气温的变化
3 月 3 日 是 阴 天， 如 图6b 所 示， 日 间 未 集 热， 对 照与试验温室的温度基本一致。3 月 4 日也是阴天，如图 6c 所示， 日 间 系 统 运 行 了 1.5 h，试验温室比对照温室气温降低（2.6±1.8）℃。由此可见，即使是阴天天气下，只要温室内的气温满足集热条件，系统同样能够收集空气中的盈余热量。
夜间，表冷器 - 风机集放热 系 统 为 试 验 温 室 放 热， 如图 6a、 图 6b 所 示。3 月 2 日晚， 试 验 温 室 的 最 低 气 温 为13.2℃，对照温室的最低气温为 11.3 ℃， 最 低 气 温 提 升 了1.9℃；在经历 3 月 3~4 日的连续阴天后，3 月 4 日晚试验温室的最低气温为 10.0℃，对照温室最低气温为 7.1℃，最低气温提升了 2.9℃。可见，表冷器 -风机集放热系统的夜间加温效果明显，即使是连续两个阴天也能为温室提供热能，维持室内气温在 10℃，具有一定抵抗连阴天的能力。
◆表冷器 - 风机集放热系统的集放热性能与节能效果
表冷器 - 风机集放热系统中的水媒温度变化如图 7 所示。
图 7 晴天和阴天条件下蓄热水池的水媒温度变化
晴朗天气下，系统集热时长约 5 h，水温升高 5.8~9.0℃，日集热量 112.1~154.6 MJ，集热流量 5.7~8.3 kW，集热COPc 3.4~4.9。阴天条件下，也能够收集一些热量。晴天的集热流量和集热 COPc 表明，表冷器 - 风机的单位时间换热量大，集热优势明显；系统在集热阶段的节能率较高。
系统放热阶段的水温下降3.5~7.9℃，日放热量 44.4~189.1 MJ，放热流量 1.5~5.4 kW，放热 COPr 为 0.9~3.2。白天所收集、储存在水媒中的热量，一部分用于放热，另一部分则由于蓄热水池保温性能不佳而损失。该试验系统的放热性能不及集热性能，说明其放热性能还有提升潜力。
系统运行过程中每小时耗 电 2.45 kW·h，日耗电量在15~48 kW·h。由于该系统是首次应用于温室测试，未对表冷器 - 风机、潜水泵等设备进行选型，表冷器 - 风机的台数、蓄水池水量等参数也未进行优化，蓄水池保温性能不佳，致使设备的功率储备过大，“大马拉小车”，造成无效功耗过大。
试验过程中还发现，表冷器 - 风机集放热系统的集放热效果与蓄水池的水量存在密切关系。水量较大时，水温较低，有利于在日间形成较大的水、气温差，系统集热量大，集热效率高。但在夜间则会导致水、气温差较低，不利于放热。反之，水量较少时不利于日间集热，且集热量有限，但夜间放热却较快，难以满足温室长时间的加温需求。通过合理设计蓄水池的水量，将有助于获得较好的集热 COPc 和放热 COPr。
传统日光温室晴天夜间单位面积墙体放热量为 1.06~1.9 MJ，平均放热强度为 24.4 W；阴天夜间单位面积墙体放热量为0.35~0.76 MJ/m2，平均放热强度为 8.13 W/m2 。该表冷器 -风机集放热系统，晴天夜放热量为 1.1 MJ/m2，平均放热强度为 28.9 W/m2；阴天夜间单位后墙面积放热量为 0.4 MJ，平均放热强度为 10.7 W。由此可见，该系统与传统温室后墙相比，放热性能相近，但通过优化后该系统仍有性能提升潜力，而且该系统能够实现对温室白天降温、夜间升温的主动调控，提高了对温室热环境的调控能力，这些特点是传统日光温室所不具备的。
小结
在轻质保温后墙日光温室内，表冷器 - 风机集放热系统白天集热时能够降低温室气温3.5~8.1℃；夜间放热时平均提升温室气温 2.6℃，在连续两个阴天时也能够维持室内外温差16.9℃。因此，该系统白天可降低室内气温，夜间可提升温室最低气温，并具有抵抗连阴天的能力，能够提升温室气温的可控性，可实现精准放热，弥补了传统日光温室主动调控温室气温能力差的弱项。
冬季晴朗天气下运行该系统集热，日光温室内的气温依然在 30℃以上，说明还有大量的空气余热可供回收利用，需要进一步优化系统参数，使得该集放热系统能够收集更多的热量、集放热性能更佳。