表冷器 - 風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)是怎么設(shè)計(jì)的（一）？

表冷器 - 風(fēng)機(jī)集放熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用效果

——以德州大跨度外保溫大棚為例（上）

為解決外保溫塑料大棚缺乏蓄熱體的難題，宋衛(wèi)堂教授的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了表冷器 - 風(fēng)機(jī)主動(dòng)集放熱系統(tǒng)，即通過懸掛在室內(nèi)的表冷器 - 風(fēng)機(jī)，在日間收集并儲(chǔ)存空氣中盈余的熱量，夜間再將熱量釋放到室內(nèi)提高溫度，以滿足喜溫蔬菜作物的溫度要求?，F(xiàn)以在寧城大跨度外保溫大棚進(jìn)行的試驗(yàn)為例，通過三篇文章分別介紹該系統(tǒng)的運(yùn)行原理與設(shè)計(jì)方案、系統(tǒng)組成與測(cè)試試驗(yàn)以及系統(tǒng)的放熱模式。

與日光溫室相比，大跨度外保溫塑料大棚不僅造價(jià)低，土地利用率高，還具有較大的室內(nèi)空間，能滿足大多數(shù)農(nóng)機(jī)裝備的作業(yè)要求。但該類設(shè)施與傳統(tǒng)日光溫室相比，缺乏蓄熱構(gòu)件，冬季室內(nèi)夜間氣溫會(huì)比較低，很難滿足喜溫蔬菜作物的溫度要求，在我國西北、華北、東北的大部分地區(qū)應(yīng)用需要進(jìn)行額外輔助加溫。而傳統(tǒng)的、以吸收太陽輻射熱能為主的主動(dòng)集放熱系統(tǒng)，由于集放熱原理與裝置結(jié)構(gòu)的限制，并不適合在大跨度外保溫塑料大棚中使用。

為了解決外保溫塑料大棚缺乏蓄熱體的難題，研發(fā)了表冷器 - 風(fēng)機(jī)主動(dòng)集放熱系統(tǒng)。它是通過懸掛在室內(nèi)的表冷器 - 風(fēng)機(jī)，在日間收集并儲(chǔ)存空氣中盈余的熱量，夜間再將熱量釋放到室內(nèi)提高溫度，以滿足喜溫蔬菜作物的溫度要求，實(shí)現(xiàn)熱量在時(shí)間和空間上的轉(zhuǎn)移、使用。

系統(tǒng)模型

系統(tǒng)組成

如圖 1 所示，表冷器 - 風(fēng)機(jī)主動(dòng)集放熱系統(tǒng)主要包括表冷器 - 風(fēng)機(jī)、供水管路、回水管路、蓄熱水池、閘閥、潛水泵等 6 部分。作為集熱和放熱裝置的表冷器 - 風(fēng)機(jī)，進(jìn)水端與供水管相連，回水端與回水管相連。蓄熱水池中的水通過潛水泵、閘閥進(jìn)入供水管路，在表冷器  - 風(fēng)機(jī)中進(jìn)行水 - 氣熱交換后，再通過回水管路返回蓄熱水池中。

圖 1 表冷器 - 風(fēng)機(jī)主動(dòng)集放熱系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)運(yùn)行原理

表冷器  - 風(fēng)機(jī)主動(dòng)集放熱系統(tǒng)是通過表冷器 -風(fēng)機(jī)，以水 - 氣換熱的方式，日間收集空氣中盈余的熱量并儲(chǔ)存在蓄熱水池中，夜間再將這部分熱量從蓄熱水池中釋放到空氣中以提高溫室內(nèi)的氣溫。系統(tǒng)的工作過程，主要包括集熱和放熱兩個(gè)過程。

◆集熱過程  如圖 2a 所示，日間，當(dāng)室內(nèi)氣溫達(dá)到作物適宜生長溫度后，啟動(dòng)系統(tǒng)，蓄熱水池中溫度較低的水通過供水管路進(jìn)入表冷器 - 風(fēng)機(jī)，與在風(fēng)機(jī)作用下從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的、溫度較高的空氣進(jìn)行熱交換，溫度降低后的空氣從出風(fēng)口排出，溫度升高后的水通過回水管路流回蓄熱水池，實(shí)現(xiàn)收集空氣中盈余熱量的目的。通過潛水泵的不斷循環(huán)，持續(xù)進(jìn)行熱量的收集，直至達(dá)到系統(tǒng)停止運(yùn)行的條件。

◆放熱過程  如圖 2b 所示，夜間，當(dāng)室內(nèi)氣溫低于一定值后，啟動(dòng)系統(tǒng)，蓄熱水池中溫度相對(duì)較高的水通過供水管路進(jìn)入表冷器  - 風(fēng)機(jī)，與在風(fēng)機(jī)作用下從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的、溫度較低的空氣進(jìn)行熱交換，溫度升高后的空氣從出風(fēng)口排出，溫度降低后的水通過回水管路流回蓄熱水池，實(shí)現(xiàn)放熱提高空氣溫度的目的。通過潛水泵的不斷循環(huán)，持續(xù)進(jìn)行熱量的釋放，直至達(dá)到系統(tǒng)停止運(yùn)行的條件。

a. 表冷器 - 風(fēng)機(jī)集熱示意圖

b. 表冷器 - 風(fēng)機(jī)放熱示意圖

圖 2 表冷器 - 風(fēng)機(jī)集放熱示意圖

表冷器-風(fēng)機(jī)主動(dòng)集放熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

表冷器  - 風(fēng)機(jī)的選型

表冷器  - 風(fēng)機(jī)是系統(tǒng)的核心，承擔(dān)收集和釋放熱量的作用。在工程實(shí)踐中，對(duì)表冷器 - 風(fēng)機(jī)有以下技術(shù)要求：①換熱能力強(qiáng)——可以吸收更多的空氣盈余熱量；②節(jié)能性能優(yōu)——消耗更少的電能，節(jié)約運(yùn)行成本；③使用年限長——節(jié)約建造成本。為了滿足上述技術(shù)要求，選型過程中需要綜合考慮表冷器 - 風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量、換熱系數(shù)、換熱面積、功率以及換熱材料等多種因素。

表冷器 - 風(fēng)機(jī)換熱量的計(jì)算

◆表冷器  - 風(fēng)機(jī)的換熱模型

對(duì)于風(fēng)量、水量、水初溫相同的同一表冷器而言，與某一濕工況進(jìn)出風(fēng)比焓以及接觸系數(shù)相等的干工況，為該濕工況的等價(jià)干工況 。采用干濕轉(zhuǎn)換法 ，利用干工況來替代當(dāng)前濕工況建立表冷器 - 風(fēng)機(jī)換熱模型，進(jìn)行熱力計(jì)算，以便消除析濕系數(shù)對(duì)傳熱系數(shù)的影響。

如圖 3 所示，點(diǎn) 1′ 和點(diǎn) 2′ 為進(jìn)出風(fēng)狀態(tài)，點(diǎn) 1′和點(diǎn) 2′ 連線的延長線與飽和線相交于點(diǎn) 3（點(diǎn) 3表示理想條件下空氣能達(dá)到的終狀態(tài)），過點(diǎn) 3的等焓濕線 d1 與比焓值為 h1、h2 的等焓線，分別相交于點(diǎn) 1 和點(diǎn) 2。干工況 1-2 為濕工況 1′-2′ 的等價(jià)干工況。

圖 3 表冷器 - 風(fēng)機(jī)換熱焓濕圖

表冷器 - 風(fēng)機(jī)接觸系數(shù) ε 2（實(shí)際溫降與理想溫降的比值）可以表示為：

式中：t 1′、t 2′ 分別為點(diǎn) 1′ 和點(diǎn) 2′ 的干球溫度，℃；t 1、t 2 分別為等價(jià)干工況點(diǎn) 1 和點(diǎn) 2 的干球溫度，℃。等價(jià)干工況換熱效率系數(shù) ε 1 定義為：

式中：tw1 為進(jìn)水溫度，℃。結(jié)合公式（1）和公式（2）可得：

◆總傳熱系數(shù)對(duì)于給定的表冷器 - 風(fēng)機(jī)換熱器，總傳熱系數(shù) K[W/(m2· ℃ )] 主要由內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)αi[W/(m2·℃ )] 和外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) αo[W/(m2·℃ )]決定 [4]。通?？梢院雎詫?dǎo)熱系數(shù)的影響，計(jì)算公式如下：

式中：φ 為肋表面全效率；ε 為析濕系數(shù)；p為特定的常數(shù)；τ 為肋化系數(shù)。對(duì)于特定的換熱器，φ 和 τ 可以認(rèn)為是常數(shù)。對(duì)于結(jié)構(gòu)一定的風(fēng)機(jī)盤管，外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)αo 是空氣流速 υ a（m/s）的函數(shù)，內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) αi 是水流速度 w（m/s）的函數(shù)：

式中：A1，B1，n 為特定的常數(shù)。不同型號(hào)的表冷器 - 風(fēng)機(jī)總換熱系數(shù)不同，系數(shù) A、n 可通過干工況下變流量試驗(yàn)確定，系數(shù) B 可通過變風(fēng)量試驗(yàn)確定。一般情況下，干工況下，取析濕系數(shù) ε 為 1，將式（6）和（7）帶入式（5）簡化為：

由換熱理論可知，換熱效率系數(shù) ε1 定義為實(shí)際傳熱量與最大可能傳熱量的比值 [5]，則可以表示為：

式中：β 為傳熱單元數(shù)；為水當(dāng)量比。β， 的定義分別如下：

式中：F 為換熱面積，m2；G 為通風(fēng)量，kg/s；c p 為空氣的定壓比熱容，kJ/(kg·℃ )；W 為水流量，kg/s；cw 為水的比熱容，kJ/(kg·℃ )。根據(jù)換熱理論，接觸系數(shù) ε 2 可表示為：

干工況條件下，一定型號(hào)的表冷器 - 風(fēng)機(jī)，當(dāng)風(fēng)量、水量已知，任何初始狀態(tài)下空氣的換熱效率系數(shù) ε 1 和接觸系數(shù) ε 2 都是定值。◆換熱量的簡化計(jì)算采用對(duì)數(shù)平均溫差法計(jì)算表冷器 - 風(fēng)機(jī)的換熱效率 （W），計(jì)算式如下：

式中：?tm 為對(duì)數(shù)平均溫差，℃。按照逆流傳熱過程進(jìn)行計(jì)算：

為了簡化計(jì)算，在誤差允許范圍內(nèi)，可以用算數(shù)平均溫差進(jìn)行計(jì)算，算數(shù)平均溫差為換熱器進(jìn)出兩端溫差的算數(shù)平均值。滿足條件如下：

由于干工況下空氣不發(fā)生相變，根據(jù)能量平衡可得：

式中：ma 為換熱過程空氣質(zhì)量，kg；mw 為換熱過程水的質(zhì)量，kg。根據(jù)公式（17）可以得到：

根據(jù)公式（9）和（12）計(jì)算出 ε 1 和 ε 2，帶入公式（3）和（4）計(jì)算等價(jià)干工況下的 t 1 和 t 2， 聯(lián)立公式（13）、（16）~（18），得出濕工況下的換熱功率為：

由公式可知，對(duì)于特定的表冷器 - 風(fēng)機(jī)，換熱功率僅由表冷器 - 風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量、水流量、進(jìn)水溫度和進(jìn)風(fēng)溫度等因素確定。