sera ısıtma için ; seralar arası enerji transferi

Soyut

Çok açıklıklı seralar, kuzey Çin’de ısıtma için çok büyük miktarda enerji tüketiyor ve bu da karlılığın azalmasına ve sürdürülemezliğe neden oluyor. Bu soruna çözüm bulmak amacıyla , seralar arası enerji transferini çift kaynaklı ısı pompasına dayalı olarak kullanan bir sera ısıtma sistemi tasarlandı. Sistem, çok açıklıklı seraları ısıtmak için Çin güneş seraları (CSG’ler) içindeki fazla hava ısısını topluyor. Zaman ve mekanda sera enerjisi transferinin mümkün kılınması yoluyla, CSG’lerdeki fazla hava ısısının daha iyi kullanım verimliliği elde edilebilir ve bu da ısıtma maliyetlerinde genel bir azalmaya yol açar. Bu çalışma ısıtma yaklaşımını tanımlamakta ve genel sistem tasarımını açıklamaktadır. Çift kaynaklı ısı pompası, CSG’ye ve ortam havasına yerleştirilen iki ayrı evaporatör ile temel bileşen olarak görev yapar. Daha sonra, çok açıklıklı seraların ısıtma yükü modeli, CSG’lerin fazla hava ısısı modeli, gerekli ekipmanın seçimi (çift kaynaklı ısı pompası, ısı depolama tankı ve birleşik havanın yüzey hava soğutucusu) dahil olmak üzere sistem boyutlandırmaya yönelik hesaplamalar sunulmaktadır. iklimlendirme ünitesi) ve alan eşleştirme. Son olarak, bir vaka çalışması ısıtma sisteminin uygulama süreçlerini göstermektedir. Mevcut CSG fazla hava ısısı, sistem boyutlandırması için 100,8–112,6 W m ^{-2 aralığındaydı} ve CSG’lerin minimum alanının, çok açıklıklı sera alanının iki katı olması önerildi. Pilot test, sistemin çalışma durumunun ve ısıtma etkisinin stabil olduğunu gösterdi. Isı pompasının performans katsayısı (COP), ısı kaynağı olarak CSG fazla hava ısısı kullanıldığında 4,3–4,8’e ulaştı ve aynı dönemlerde ortam havası kullanıldığında %23–26 daha yüksek performans gösterdi. Tüm ısı toplama süreci boyunca, kaynakları ayarlarına göre değiştiren çift kaynaklı ısı pompaları, hava kaynaklı ısı pompalarına kıyasla %6-11 artışla 3,4-4,2’lik toplam COP’ye ulaştı. Bu çalışma, çok açıklıklı seralar için yeni bir ısıtma yaklaşımı ve enerji tasarrufu sağlayan bir sistem sunmaktadır.

giriiş

Çin genelinde sera bahçeciliği endüstrisi, büyük ölçekli seraların genişletilmesini pazar geliştirme stratejisi olarak kabul etti. Böyle bir temsilci, yüksek arazi kullanımı verimliliği, güçlü iklim kontrolü yeteneği ve yüksek düzeyde mekanize çalışma sergileyen çok açıklıklı seradır. Bu özellikler çok açıklıklı seraların ölçekli ve ticari üretime uygun olmasını sağlar. Ancak çok açıklıklı seralar, özellikle Çin’in kuzeyindeki soğuk mevsimlerde ısıtma için çok büyük miktarda enerji tüketiyor. Bu yüksek enerji girdilerine olan gereksinim verimsizdir, bu da karlılığın azalmasına ve sürdürülemezliğe neden olur. Bir serayı ısıtmak için gereken enerji, farklı enlemlere bağlı olarak toplam sera üretim maliyetinin %30-70’ini oluşturur [1]. Araştırmalarımıza ve sera yönetimi uygulamalarımıza göre, Pekin’deki çok açıklıklı bir seranın yıllık ısıtma maliyeti 6,3–12,5 ABD Doları m ⁻² olup , toplam işletme maliyetinin %40’ından fazlasına karşılık gelmektedir. Çok açıklıklı seraların iyi gelişmiş olduğu daha ılıman iklimlerde, örneğin Hollanda’da, sera ısıtması da önemli bir enerji tüketicisidir. Sera ısıtmasında birincil ısı kaynağı olan doğal gazın yıllık tüketimi 25 ile 40 m ³ m ⁻² arasında değişmekte olup ortalama maliyeti 7,8 ABD Doları m ⁻² [2], [3].

Sera ısıtma maliyetlerini azaltmaya yönelik farklı enerji tasarrufu tekniklerine genel bir bakış, Ahamed ve diğerleri tarafından sağlanmaktadır. [4]. Isıtma talebini veya doğrudan enerji girişini azaltan bu önlemler temel olarak seranın ve yapısal bileşenlerinin tasarım optimizasyonunu [5], [6], sera iklim yönetiminin iyileştirilmesini [7], [8], [9], [10] içermektedir. ve fosil yakıt veya ısıtma gücü tüketimini azaltmak için yenilenebilir enerji veya enerji verimli teknolojilerin kullanılması [11]. Çin’de çok açıklıklı sera endüstrisinin başlangıç ​​gelişme aşamasında, sera ısıtma sorununa yönelik en etkili çözümlerden biri, enerji tasarrufu sağlayan, uygun maliyetli ve istikrarlı bir ısıtma yaklaşımı oluşturmak ve gerekli destekleyici ekipmanı geliştirmektir.

Enerji dönüşüm verimi yüksek, işletme maliyeti düşük, çevre dostu olarak kabul edilen ısı pompası teknolojisi sera ısıtmasında başarıyla kullanılmaktadır [12], [13], [14], [15], [16], [ 17], [18], [19]. Üstelik, _CO2 emisyonlarının azaltılmasına yönelik daha sıkı gereklilikleri takip ettikçe, giderek daha önemli bir rol oynayacaktır [2]. Örneğin, COP’si 3,5 olan bir ısı pompasının ısıtma maliyeti, kömür yakıtlı kazana göre biraz daha yüksek, ancak yine de doğal gazlı kazan ve elektrikli ısıtmanın çok altındadır [20]. Bu arada, ısı pompası en düşük birincil enerji tüketimine ve CO ₂ emisyonuna sahiptir [20]. Ayrıca güneş termal sistemleriyle karşılaştırıldığında [21], [22], ısı pompaları daha istikrarlı ısıtma performanslarına sahiptir ve bu da mahsul güvenliği üretimi için çok önemlidir. Son yıllarda, en yaygın kullanılan ısı pompası türleri olan hava kaynaklı ısı pompaları [23], nispeten ucuz ve istikrarlı olmaları ve kurulumu ve bakımı kolay olmaları nedeniyle Çin’de giderek daha fazla çok açıklıklı seranın ısıtılması için tercih edilmektedir. . Bununla birlikte, soğuk havalarda azalan ısıtma kapasitesi ve düşük COP [24], hava kaynaklı ısı pompalarının verimli kullanımı için zorluklar olmaya devam etmektedir. Isı kaynağı kalitesi büyük ölçüde COP’leri belirlediğinden [13], [24], [25], hava kaynaklı ısı pompaları ile enerji tasarruflu sera ısıtması, soğuk bölgelerde yüksek dereceli kaynaklardan tam olarak yararlanmak için sağlam bir gereklilik ortaya koymaktadır. pratik açıdan bu pek büyütülemez.

Seralar mahsul yetiştirmenin yanı sıra enerji de topluyor. Örneğin ideal bir kapalı seranın içindeki yıllık kümülatif fazla enerji 164 kW h m ^−2’ye ulaşır [26]. Gündüzleri bir seradan fazla ısı enerjisinin geri kazanılması ve geceleri seranın kendisinin ısıtılması için sağlanmasının, gece termal ortamını iyileştirmek [27], ürün verimini artırmak [28] ve enerji tasarrufu [29] için bir çözüm olduğu kanıtlanmıştır. Bununla birlikte, soğuk bölgelerdeki veya yüksek enlemlerdeki en soğuk aylarda, ticari seraların içindeki aşırı gündüz ısısı (çoğu günlerde 0,5 MJ m ^-2 gün ^-1’in altında ) sera ısıtma gereksinimine çok az katkıda bulunur [29], enerji fazlalığı ise çoğunlukla ek aydınlatma aşamasında veya sıcak mevsimlerde ortaya çıkar [30]. Yapay ışıkların ürettiği bu tür aşırı ısı sürdürülemez ve yüksek basınçlı sodyumdan (HPS) ışık yayan diyot (LED) aydınlatmaya geçişle azaltılabilir [31]. Ayrıca mevsimsel termal enerji depolama, yüksek yatırım maliyeti nedeniyle tercih edilen bir seçenek değildir [32]. Prensip olarak, özellikle günlük ısı depolama-salım modeli dahilinde, soğuk alanlarda ısıtma için çok açıklıklı seralardan fazla enerjinin çekilmesi tavsiye edilmez.

Enerji tasarrufu sağlayan ve düşük maliyetli Çin güneş serası (CSG), kuzey Çin’de kışlama ekimi için birincil tercihtir. CSG’lerin toplam alanı 2018 sonu itibarıyla 570.000 hm2’yi aşmış olup, Çin’deki toplam sera alanının yaklaşık %30,5’ine tekabül etmektedir [33] ^. Benzersiz kuzey duvarı nedeniyle CSG iyi bir ısı yalıtımına ve güneş ışınımı önleme performansına sahiptir. Sonuç olarak, iç mekan hava sıcaklığı, kış aylarında bile öğlen saatlerinde kolayca 35 ° C’ye ulaşabilir ve aşabilir, bu da bol miktarda hava ısısı fazlası yaratır. Uygulamada, çatı havalandırması CSG’yi soğutur ve mahsullerin yüksek sıcaklık stresinden korunmasını sağlar. Ancak aynı zamanda süreçte fazla enerji de israf edilir. Araştırmacılar, fazla hava ısı enerjisinden veya hem fazla güneş radyasyonundan hem de CSG’lerin içindeki hava ısısından yararlanmak için birçok aktif ve pasif ısıtma sistemi geliştirdiler. Aktif güneş ısısı depolama-salma sistemleri, su sirkülasyonu yoluyla enerji aktaran ve depolayan en çok çalışılanlardır [34], [35], [36], [37], [38]. Isı yayma kapasitesini göz önünde bulundurarak iç mekan kolektörlerinin ısı toplama verimliliğini artırmaya odaklandılar. CSG fazla enerjisini kullanan diğer yaygın uygulamalar arasında havalandırmalı duvarlar [39], [40], su akan çatı iskelet ağı [41] ve faz değişim malzemesi (PCM) [42], [43] ve ısı iletim bileşenleri [42] içeren duvarlar yer alır. 44]. Bu sistemler düşük maliyetli, enerji tasarrufu sağlayan ve sera iklimi ve mahsul büyümesine fayda sağlayan sistemler olmasına rağmen ortak bir teknik soruna sahiptirler; etkili ısı toplama süresi ve toplam ısıtma kapasitesi, ısı transferi ve depolama ortamının sıcaklığının artmasıyla sınırlıdır. değişen dereceler. Bunun nedeni, ısı yakalamalarının iç hava ile konveksiyon süreçlerine bağlı olması veya bunlardan etkilenmesidir. Bu sorun, CSG fazla enerjisinin kullanım verimliliğinin düşük olmasına neden olur.

Ortam hava kaynağıyla karşılaştırıldığında, CSG’nin içindeki fazla hava ısısı daha yüksek dereceli ısı enerjisidir ve özellikle soğuk kış aylarında değerlidir. Bu fazla enerji toplanabilir ve COP’leri iyileştirmek için bir ısı pompasının düşük sıcaklıktaki ısı kaynağı olarak değerlendirilebilir. Ayrıca, ısı pompasının cebri çekişi sayesinde, ısı depolama ortamı ile iç ortam havası arasında verimli bir şekilde pozitif sıcaklık farkı oluşacaktır. Sera enerjisini dolaylı olarak çeken karmaşık ısı pompası sistemlerinden farklı olarak yukarıdaki CSG enerji kullanım sistemlerinin ısıtma kapasitesi ve enerji kullanım verimliliği açısından sınırlamalarını çözmek için [29], [45], Sun ve ark. [46] CSG ısıtması için tek bir fazla hava ısısı kaynağına sahip bir ısı pompası sistemi geliştirdi. Geliştirilen sistem, ısı pompasının ısıtma performansını artırmasını sağlayarak ısıtma sisteminin genel COP’sinin 2,7’ye ulaşmasını sağladı. Sonuçlar, gece CSG’nin kendisini ısıtmak için gündüzleri CSG fazla hava ısısının doğrudan ısı pompası tarafından toplanmasının sera üretimi için etkili olduğunu göstermektedir.

Bununla birlikte, CSG’lerdeki fazla enerjinin kullanım verimliliğini artırmak için önceki çalışmalar, önceden tanımlanmış kısıtlamalar altında enerji kaynağından daha fazla ısının nasıl emileceğine odaklandı ve ısıtma sisteminin ısı salınım performansını hesaba kattı, ancak düzenlemeyi hiç dikkate almadı. elde edilen ısıyı verimli bir şekilde sindirebilecek enerji yutucuları. CSG yapılarının termal enerji depolaması ve özellikle iyi yalıtılmış CSG’lerde toprak içinde olması nedeniyle ısı arzı ve talebi arasında dengesizlikler meydana gelebilir. Aşırı miktarda ısı enerjisinin mevcut olduğu güneşli günlerde, gece takviyesi için CSG ısıtma gereksinimi azalır veya hatta gerek kalmaz. Bu durumda depolanan enerji o gece yeterince tüketilememekte [37], bu durum gün içerisinde ısı toplanmasını olumsuz yönde etkilemektedir. CSG’lerin düşük ısı gereksinimi, CSG’nin Kuzey Çin’de (32-43° K) çoğunlukla ek ısıtma olmadan sebze ve meyve üretebilmesi gerçeğiyle de doğrulanabilir [47]. Sonuç olarak, mevcut sistemlere dayalı olarak, gündüzleri fazla iç mekan enerjisini yakalayan ve geceleri bu ısıyı CSG’yi ısıtmak için serbest bırakan ısıtma yaklaşımı, enerji tedarik zinciri göz önüne alındığında, enerji kullanımında düşük verimliliğe sahiptir. CSG’lerle karşılaştırıldığında, çok açıklıklı seralar daha yüksek ısıtma yüküne sahiptir [48]; Çok açıklıklı seranın birim alanı başına günlük ısıtma maliyetinin, tüm ısıtma periyodu boyunca CSG’nin kabaca 3,6 katı olduğu test edilmiştir [17]. Üstelik ısıtma mevsimine girdikten sonra ısıtma ihtiyaçları dış hava koşullarından neredeyse hiç etkilenmez. Bu nedenle, çok açıklıklı seralara ısıtma sağlamak için güneşli günlerde CSG fazla ısısının toplanması, genel CSG enerji kullanım verimliliğini artırabilir ve alternatif enerji kaynakları kullanarak çok açıklıklı seraların ısıtma maliyetlerini azaltabilir. Bu nedenle bu çalışmada seralar arası enerji aktarımını kullanan yeni bir ısıtma yaklaşımı ortaya koyduk. Ancak bu ısıtma yaklaşımını uygulayacak herhangi bir destekleyici sistem mevcut değildir.

Proje, sorunları çözmek ve fırsatlardan yararlanmak için, çift kaynaklı ısı pompasına (ETGHP) dayalı olarak seralar arasında enerji aktarımını kullanan bir sera ısıtma sistemi geliştirmeyi amaçlıyor. Sistem, çok açıklıklı seraların ısıtılması için CSG’lerin içindeki fazla hava ısısını toplar. Hava kaynaklı ısı pompasının verimli kullanılmasıyla sera enerjisinin zaman ve mekânda transferinin sağlanması, CSG fazla hava ısısının kullanımının ve verimliliğinin arttırılması beklenmektedir. Bunun başarılması, çok açıklıklı seraların ısıtılması için gereken enerji tüketimini azaltacak ve çok açıklıklı seraların temsil ettiği büyük ölçekli seraların sürdürülebilir gelişimini teşvik edecektir.

Önceki çalışmalarda sera enerji kullanım sistemlerinin geliştirilmesi, genel sistem tanımına ve performans değerlendirmesine daha fazla çaba sarfetmiş ve çok azı temel ekipmanın ayrıntılı tasarımını, sistem boyutlandırmasını ve uygulamasını içermiştir. Aynı zamanda, ısı pompası sistemleri için tasarım hesaplamaları esas olarak iç konfigürasyona odaklanmaktadır [49], [50]. Sera yetiştiriciliğinde hava kaynaklı ısı pompalarının seçimine uygulanan güvenilir bir ısıtma yükü modeli mevcut değildir. Öncelikle, seralar arasında enerji transferini kullanan ısıtma yaklaşımının, özellikle de ETGHP sistemi tarafından uygulanan tasarımın takip edebileceği çerçevede bir araştırma boşluğu bulunmaktadır. İkincisi, sistemin temel bileşeni olan çift kaynaklı ısı pompası, en sık kullanılan güneş/hava [51], [52] ve toprak/hava [53], [54] tekniklerinden farklıdır. Kararlı ve enerji tasarruflu ısıtma amaçları için özel bir tasarıma ihtiyaç duyar. Üçüncüsü, sistem uygulamasını incelemek, mühendislik uygulamasına ve ısıtma yaklaşımına ilişkin bilgi keşfine fayda sağlar. Bu nedenle bu makale ETGHP sisteminin tasarımı ve uygulamasına odaklanmaktadır. Başlıca katkıları ve yenilikleri şunlardır:

• (1)Seralar arası enerji transferini kullanan bir ısıtma yaklaşımının önerilmesi ve bu yaklaşımın uygulanması için ETGHP sisteminin geliştirilmesi.
• (2)Sırasıyla CSG ve ortam havasına yerleştirilen iki ayrı evaporatöre sahip, üç çalışma koşulunu gerçekleştiren, enerji tasarrufu ve stabil ısıtma sağlayan çift kaynaklı bir ısı pompasının tasarlanması.
• (3)Çok açıklıklı seraların ısıtma yükü modelini, CSG’lerin fazla hava ısısı modelini ve ekipman seçimini içeren ETGHP sisteminin mühendislik tasarımına yönelik sistematik boyutlandırma yönteminin oluşturulması teorik açıdan iyileştirilmiştir.
• (4)Uygulama süreçlerini incelemek ve sistemin pilot testini gerçekleştirmek; bunun sonucunda aşağıdaki araştırma sorularına yanıt veriyoruz:
• •CSG’lerde fazla hava ısısı ne kadar mevcuttur?
• •Isı kaynağı CSG’lerinin alanı ısıtılacak çok açıklıklı serayla ne kadar büyük eşleşebilir?
• •Isı pompası COP’leri CSG hava kaynağı kullanılarak ne dereceye kadar geliştirilebilir?

Bu makalenin geri kalanı şu şekildedir: Bölüm 2’de ısıtma yaklaşımı tanımlanmakta ve ardından genel sistem tasarımı verilmektedir. Bölüm 3’te ısıtma yükü modeli, fazla hava ısısı modeli ve ekipman seçimi için hesaplamalar sunulmaktadır. 4. bölümde sistem uygulama sürecini örnek olay çalışmasıyla gösteriyoruz. Ayrıca sistemin çalışma durumu ve ısıtma etkisinin yanı sıra ısı pompalarının performansını analiz etmek için bir pilot test gerçekleştirildi. Tartışmalar bu bölüm boyunca devam eder ve perspektifin açıklaması ve daha ileri çalışmalarla sona erer. Sonuçlar 5. bölümde verilmektedir. Bu makale teorik destek sağlayabilir ve ETGHP sisteminin tasarımı ve uygulaması için bir vaka referansı olarak kullanılabilir.

Yaklaşım teklifi

Seralar arası enerji transferini kullanan ısıtma yaklaşımı, bir veya daha fazla seranın içindeki fazla ısı enerjisinin diğer bir veya daha fazla serayı ısıtmak için toplanması olarak tanımlanmaktadır. Bu ısıtma yaklaşımının ortaya atılmasının birkaç amacı vardır; Zaman ve mekânda sera enerjisi transferi sağlanarak, fazla sera ısı enerjisinin enerji kullanım verimliliği arttırılabilir ve ısıtma için genel enerji tüketimi azaltılabilir. İlgili iki tür sera şunlar olabilir:

Hesaplama

ETGHP sistem boyutlandırmasına ilişkin hesaplama işlemleri Şekil 3’te gösterilmektedir. Bu hesaplamalar sistem ve bileşen düzeyinde yapılmaktadır. Bu nedenle bileşenlerin kendilerinin yapılandırılması (örneğin, ısı pompasının buharlaştırıcılarının ve kondansatörlerinin boyutlandırılması) araştırma kapsamında değildir, çünkü bu genellikle üreticinin sorumluluğundadır. Ayrıca su pompalarının, sirkülasyon su borularının ve havalandırma kanallarının boyutlandırılması Isıtma Havalandırma İklimlendirme bölümündeki teknik malzemelere başvurabilir.

Sistem uygulaması

Bölüm 2 ve Bölüm 3’te gösterilen sistem tasarım çerçevesine göre, ETGHP sistemi Çin’in Shandong eyaletinin Shouguang şehrinde (36° 54′ K, 118° 51′ D) inşa edilmiştir. Çok açıklıklı bir serayı, fide üretimi için bir CSG’yi ve bir ekipman odasını ısıtmak için altı CSG’den fazla hava ısısını aldı (Şekil 7). Sistem çift kaynaklı ısı pompası üniteleri, ısı depolama tankı, fanlar ve yüzey hava soğutucuları, su pompaları, havalandırma kanalları, sirkülasyonlu su boruları ve bir kontrol sisteminden oluşuyordu.

Sonuçlar

Bu çalışma, seralar arasındaki enerji transferini kullanan bir ısıtma yaklaşımı önermektedir. ETGHP sistemi bu yaklaşımı uygulamak için tasarlanmış ve inşa edilmiştir. Sistem, çok açıklıklı serayı ısıtmak için CSG’lerin içindeki fazla hava ısısını toplayarak sera enerjisinin zaman ve mekanda aktarımını sağlar. Bir pilot çalışma, sistemin çalışma durumlarının ve ısıtma etkilerinin stabil olduğunu gösterdi.

Referanslar (79)

• MS Ahamed ve ark.Geleneksel seraların ısıtma maliyetini azaltmak için enerji tasarrufu teknikleriBiyosyst Müh(2019)
• MJ Gupta ve diğerleri.Sera çevre kontrolü için sera tasarım parametrelerinin enerji tasarrufuna etkisiEnerji(2002)
• A. Vadiee ve ark.Ticari seralar için enerji yönetimi stratejileri Uygulama Enerji(2014)
• N. Sigrimis ve ark.Sıcaklık entegrasyonunu kullanarak seralarda enerji tasarrufu: bir simülasyon araştırmasıHesaplama Elektron Tarımı(2000)
• PJM Van Beveren ve ark.Modern bir gül serasında minimum ısıtma ve soğutmaUygulama Enerji(2015)
• PJM van Beveren ve ark.Minimum enerji ve yetiştirici tarafından belirlenen sınırlar kullanılarak sera ikliminin optimum kontrolüUygulama Enerji(2015)
• PJM van Beveren ve ark.Bahçıvanlık seralarında kazan, kombine ısı ve güç tesisatı ve ısı tamponlarının optimum kullanımıHesaplama Elektron Tarımı(2019)
• E. Cuce ve ark.Sera sistemleri için yenilenebilir ve sürdürülebilir enerji tasarrufu stratejileri: Kapsamlı bir incelemeSürdürülebilir Enerji Revini Yenileyin(2016)
• Y. Tong ve diğerleri.Yüksek performans katsayısına (COP) sahip ısı pompaları kullanılarak sera ısıtmasıBiyosyst Müh(2010)
• L. Aye ve ark.Sera ısıtması için ısı pompası sisteminin değerlendirilmesiInt J Therm Sci(2010)