برای گرمایش گلخانه؛ انتقال انرژی بین گلخانه ها

خلاصه

گلخانه های چند دهانه مقادیر زیادی انرژی برای گرمایش در شمال چین مصرف می کنند که منجر به کاهش سود و ناپایداری می شود. به منظور یافتن راه حلی برای این مشکل، سیستم گرمایش گلخانه ای طراحی شد که از انتقال انرژی بین گلخانه ها بر اساس پمپ حرارتی دو منبع استفاده می کند . این سیستم گرمای هوای اضافی را در گلخانه های خورشیدی چینی (CSGs) جمع آوری می کند تا گلخانه های چند دهانه را گرم کند. با فعال کردن انتقال انرژی گلخانه ای در زمان و مکان، راندمان استفاده بهتر از گرمای هوای اضافی در CSGها حاصل می شود که منجر به کاهش کلی هزینه های گرمایش می شود. این مطالعه رویکرد گرمایش را تعریف می‌کند و طراحی کلی سیستم را توضیح می‌دهد. پمپ حرارتی دو منبع به عنوان جزء اصلی عمل می کند، با دو اواپراتور مجزا در CSG و هوای محیط قرار می گیرد. سپس محاسباتی برای اندازه سیستم ارائه شده است که شامل مدل بار گرمایش گلخانه های چند دهانه، مدل گرمای هوای اضافی CSG ها، انتخاب تجهیزات لازم (پمپ حرارتی دو منبع، مخزن ذخیره حرارت و کولر هوای سطحی هوای ترکیبی) می شود. ). واحد تهویه مطبوع) و تطبیق فضا. در نهایت، یک مطالعه موردی فرآیندهای کاربرد سیستم گرمایشی را نشان می‌دهد. گرمای اضافی هوای CSG موجود در محدوده 100.8-112.6 W m-2 برای اندازه سیستم بود و حداقل مساحت CSGها دو برابر مساحت گلخانه چند دهانه توصیه می شد. آزمایش آزمایشی نشان داد که وضعیت عملکرد و اثر گرمایش سیستم پایدار است. ضریب عملکرد (COP) پمپ حرارتی در هنگام استفاده از گرمای هوای اضافی CSG به عنوان منبع گرما به 4.3-4.8 رسید و عملکرد 23-26٪ در هنگام استفاده از هوای محیط در همان دوره‌ها را نشان داد. در کل فرآیند جمع‌آوری گرما، پمپ‌های حرارتی دو منبع که منابع را بر اساس تنظیماتشان تغییر می‌دهند، به COP کل 3.4-4.2 دست یافتند که در مقایسه با پمپ‌های حرارتی منبع هوا 6 تا 11 درصد افزایش داشت. این مطالعه یک رویکرد گرمایشی جدید و سیستم صرفه‌جویی در مصرف انرژی را برای گلخانه‌های چند دهانه ارائه می‌کند.

وارد شدن

صنعت باغبانی گلخانه ای در سرتاسر چین گسترش گلخانه های در مقیاس بزرگ را به عنوان یک استراتژی توسعه بازار پذیرفته است. یکی از این نمایندگان گلخانه چند دهانه است که کارایی بالای استفاده از زمین، توانایی کنترل آب و هوای قوی و عملکرد بسیار مکانیزه را نشان می دهد. این ویژگی ها گلخانه های چند دهانه را برای تولید در مقیاس و تجاری مناسب می کند. با این حال، گلخانه های چند دهانه مقدار زیادی انرژی برای گرمایش مصرف می کنند، به ویژه در فصل سرد در شمال چین. این نیاز برای ورودی های انرژی بالا ناکارآمد است و در نتیجه باعث کاهش سودآوری و ناپایداری می شود. انرژی مورد نیاز برای گرم کردن یک گلخانه، بسته به عرض های جغرافیایی مختلف، 30 تا 70 درصد از کل هزینه تولید گلخانه را تشکیل می دهد [1]. طبق تحقیقات و شیوه های مدیریت گلخانه ما، هزینه گرمایش سالانه یک گلخانه چند دهانه در پکن 6.3 تا 12.5 متر مربع است که بیش از 40٪ از کل هزینه عملیاتی را شامل می شود. در آب و هوای معتدل تر که گلخانه های چند دهانه به خوبی توسعه یافته اند، برای مثال در هلند، گرمایش گلخانه نیز مصرف کننده قابل توجهی از انرژی است. مصرف سالانه گاز طبیعی، که منبع گرمای اولیه در گرمایش گلخانه است، بین 25 تا 40 متر مکعب در متر مربع ، با هزینه متوسط ​​8/7 دلار در مترمربع متغیر است [2]، [3].

مروری بر تکنیک های مختلف صرفه جویی در انرژی برای کاهش هزینه های گرمایش گلخانه توسط احمد و همکاران ارائه شده است. [4]. این اقدامات که تقاضای گرمایش یا ورودی مستقیم انرژی را کاهش می‌دهد، عمدتاً شامل بهینه‌سازی طراحی گلخانه و اجزای ساختاری آن می‌شود [5، [6]، بهبود مدیریت آب و هوای گلخانه [7، [8]، [9]،[10] حاوی. و استفاده از انرژی های تجدیدپذیر یا فناوری های کارآمد انرژی برای کاهش مصرف سوخت فسیلی یا انرژی گرمایشی[11] . در مرحله توسعه اولیه صنعت گلخانه چند دهانه در چین، یکی از موثرترین راه حل ها برای مشکل گرمایش گلخانه، ایجاد یک رویکرد گرمایشی صرفه جویی در انرژی، مقرون به صرفه و پایدار و توسعه تجهیزات حمایتی لازم است.

فناوری پمپ حرارتی که دارای راندمان تبدیل انرژی بالا، هزینه های عملیاتی کم و سازگار با محیط زیست است، با موفقیت در گرمایش گلخانه استفاده می شود. [12], [13], [14], [15], [16]، [17]، [18], [19]. علاوه بر این، با پیگیری الزامات سخت گیرانه تر برای کاهش انتشار CO2 [2]، نقش مهمی ایفا خواهد کرد. به عنوان مثال، هزینه گرمایش یک پمپ حرارتی با COP 3.5 کمی بیشتر از دیگ بخار زغال سنگ است، اما هنوز بسیار کمتر از دیگ بخار گاز طبیعی و گرمایش الکتریکی است.[20] . در همین حال، پمپ حرارتی کمترین مصرف انرژی اولیه و انتشار CO 2 را دارد[20] . همچنین در مقایسه با سیستم های حرارتی خورشیدی[21] ،[22] پمپ های حرارتی عملکرد گرمایش پایدارتری دارند که برای تولید ایمنی محصول بسیار مهم است. در سال های اخیر، پمپ های حرارتی منبع هوا به متداول ترین انواع پمپ های حرارتی تبدیل شده اند.[23] به طور فزاینده ای برای گرم کردن گلخانه های چند دهانه در چین ترجیح داده می شوند زیرا نسبتاً ارزان و پایدار هستند و نصب و نگهداری آنها آسان است. . با این حال، کاهش ظرفیت گرمایش و کاهش COP در هوای سرد[24] چالش هایی برای استفاده کارآمد از پمپ های حرارتی منبع هوا وجود دارد. از آنجایی که کیفیت منبع حرارت تا حد زیادی COP ها را تعیین می کند[13] ،[24] ،[25] گرمایش گلخانه با مصرف انرژی کارآمد با پمپ های حرارتی منبع هوا، یک نیاز اساسی برای استفاده کامل از منابع با عیار بالا در مناطق سردسیر است. از منظر عملی نمی توان در این مورد اغراق کرد.

گلخانه ها علاوه بر کشت محصولات، انرژی را نیز جمع آوری می کنند. به عنوان مثال، انرژی اضافی تجمعی سالانه در داخل یک گلخانه سرپوشیده ایده آل به 164 کیلووات hm -2 می رسد.[26] . بهبود محیط حرارتی شبانه با بازیابی انرژی گرمایی اضافی از گلخانه در طول روز و تامین آن برای گرم کردن خود گلخانه در شب.[27] افزایش بازده محصول[28] و صرفه جویی در انرژی[29] ثابت شده است که راه حلی برای با این حال، در طول سردترین ماه‌ها در مناطق سردسیر یا عرض‌های جغرافیایی بالا، گرمای بیش از حد روزانه در گلخانه‌های تجاری (زیر 0.5 مگا ژول متر -2 روز -1 در اکثر روزها) کمک چندانی به نیاز گرمایش گلخانه‌ها نمی‌کند.[29] ، مازاد انرژی بیشتر در مرحله روشنایی اضافی یا در فصول گرم رخ می دهد[30] . این نوع گرمای اضافی تولید شده توسط نورهای مصنوعی ناپایدار است و می توان آن را با تغییر از نور پرفشار سدیم (HPS) به نور دیود ساطع نور (LED) کاهش داد.[31] . علاوه بر این، ذخیره‌سازی فصلی انرژی حرارتی به دلیل هزینه بالای سرمایه‌گذاری، گزینه مطلوبی نیست.[32] . اصولاً مصرف انرژی اضافی از گلخانه های چند دهانه برای گرمایش در مناطق سردسیر، به ویژه در مدل ذخیره-رهاسازی حرارت روزانه توصیه نمی شود.

گلخانه خورشیدی چینی با صرفه جویی در انرژی و کم هزینه (CSG) انتخاب اولیه برای کشت زمستانه در شمال چین است. مساحت کل CSG ها تا پایان سال 2018 از 570000 میلی متر مربع فراتر رفت که تقریباً 30.5٪ از کل مساحت گلخانه در چین را تشکیل می دهد.[33] . با توجه به دیوار شمالی منحصر به فرد، CSG دارای عملکرد عایق حرارتی و ضد تشعشع خورشیدی خوبی است. در نتیجه دمای هوای داخل ساختمان می تواند به راحتی در ظهر حتی در زمستان به 35 درجه سانتیگراد برسد و از آن عبور کند و گرمای هوای اضافی فراوان ایجاد کند. در عمل، تهویه سقف، CSG را خنک می کند و محصولات را از تنش دمای بالا محافظت می کند. اما در عین حال، انرژی زیادی در این فرآیند تلف می شود. محققان بسیاری از سیستم‌های گرمایش فعال و غیرفعال را برای استفاده از انرژی گرمای اضافی هوا یا هر دو تشعشع خورشیدی و گرمای هوا در داخل CSG توسعه داده‌اند. سیستم‌های ذخیره‌سازی گرمای فعال خورشیدی بیشترین مطالعه را دارند که انرژی را از طریق گردش آب منتقل و ذخیره می‌کنند.[34] ،[35] ،[36] ،[37] ،[38] . آنها بر بهبود راندمان جمع آوری گرما در کلکتورهای داخلی با در نظر گرفتن ظرفیت اتلاف گرما تمرکز کردند. سایر کاربردهای رایج که از انرژی اضافی CSG استفاده می کنند شامل دیوارهای تهویه شده است [39], [40]، شبکه قاب سقف جریان آب [41] و مواد تغییر فاز (PCM) [42], [43] و اجزای هدایت گرما [42] شامل دیوارها 44]. اگرچه این سیستم‌ها کم‌هزینه، صرفه‌جویی در مصرف انرژی و بهره‌مندی از آب و هوای گلخانه‌ای و رشد محصول هستند، اما یک مشکل فنی مشترک دارند. زمان جمع آوری گرما موثر و ظرفیت گرمایش کل با افزایش دمای محیط انتقال حرارت و ذخیره سازی محدود می شود. درجات مختلف. این به این دلیل است که جذب گرما آنها به فرآیندهای همرفتی با هوای داخل خانه بستگی دارد یا تحت تأثیر آن قرار می گیرد. این مشکل باعث می شود راندمان استفاده از انرژی اضافی CSG پایین باشد.

در مقایسه با منبع هوای محیط، گرمای هوای اضافی داخل CSG انرژی حرارتی با درجه بالاتری دارد و به ویژه در ماه های سرد زمستان ارزشمند است. این انرژی اضافی را می توان جمع آوری کرد و به عنوان منبع گرمای کم دمای یک پمپ حرارتی برای بهبود COP ها استفاده کرد. علاوه بر این، به لطف کشش اجباری پمپ حرارتی، یک اختلاف دمای مثبت به طور موثر بین محیط ذخیره گرما و هوای داخلی رخ می دهد. برای حل محدودیت‌های سیستم‌های مصرف انرژی CSG فوق از نظر ظرفیت گرمایشی و راندمان مصرف انرژی، بر خلاف سیستم‌های پمپ حرارتی پیچیده که به طور غیرمستقیم انرژی گلخانه‌ای را جذب می‌کنند.[29] ،[45] سان و همکاران[46] یک سیستم پمپ حرارتی با یک منبع گرمای هوای اضافی برای گرمایش CSG توسعه داده است. سیستم توسعه‌یافته پمپ حرارتی را قادر می‌سازد تا عملکرد گرمایشی را افزایش دهد و COP کلی سیستم گرمایش را به ۲.۷ برساند. نتایج نشان می دهد که جمع آوری مستقیم گرمای هوای اضافی CSG در طول روز توسط پمپ حرارتی برای گرم کردن خود CSG در شب برای تولید گلخانه موثر است.

با این حال، برای بهبود راندمان استفاده از انرژی اضافی در CSGها، مطالعات قبلی بر چگونگی جذب گرمای بیشتر از منبع انرژی تحت محدودیت‌های از پیش تعریف‌شده متمرکز بود و عملکرد آزادسازی گرما در سیستم گرمایش را در نظر گرفت، اما به هیچ وجه مقررات را در نظر نگرفت. . غرق انرژی که می تواند گرمای حاصل را به طور موثر هضم کند. از آنجایی که سازه‌های CSG انرژی حرارتی را ذخیره می‌کنند و در زمین هستند، به‌ویژه در CSG‌هایی که به خوبی عایق‌بندی شده‌اند، ممکن است عدم تعادل بین عرضه و تقاضای گرما رخ دهد. در روزهای آفتابی که انرژی گرمایی اضافی در دسترس است، نیاز به گرمایش CSG برای آرایش شب کاهش یافته یا حتی غیر ضروری است. در این صورت انرژی ذخیره شده در آن شب نمی تواند به اندازه کافی مصرف شود.[37] این وضعیت بر تجمع گرما در طول روز تأثیر منفی می گذارد. نیاز به حرارت کم CSG ها را می توان با این واقعیت نیز تأیید کرد که CSG می تواند سبزیجات و میوه ها را در شمال چین (32-43 درجه شمالی) عمدتاً بدون حرارت اضافی تولید کند.[47] . در نتیجه، رویکرد گرمایش مبتنی بر سیستم‌های موجود که انرژی اضافی داخل ساختمان را در طول روز جذب می‌کند و این گرما را برای گرم کردن CSG در شب آزاد می‌کند، با توجه به زنجیره تامین انرژی، راندمان پایینی در مصرف انرژی دارد. در مقایسه با CSG ها، گلخانه های چند دهانه بار گرمایش بیشتری دارند[48] ; هزینه گرمایش روزانه در واحد سطح گلخانه چند دهانه تقریباً 3.6 برابر CSG در کل دوره گرمایش آزمایش شده است.[17] . علاوه بر این، هنگامی که وارد فصل گرما می شویم، نیازهای گرمایشی تقریباً تحت تأثیر شرایط آب و هوایی خارج قرار نمی گیرند. بنابراین، جمع‌آوری گرمای اضافی CSG در روزهای آفتابی برای تأمین گرمایش گلخانه‌های چند دهانه می‌تواند بازده کلی مصرف انرژی CSG را بهبود بخشد و هزینه‌های گرمایش گلخانه‌های چند دهانه را با استفاده از منابع انرژی جایگزین کاهش دهد. بنابراین، در این مطالعه، رویکرد گرمایشی جدیدی را معرفی کردیم که از انتقال انرژی بین گلخانه‌ها استفاده می‌کند. با این حال، هیچ سیستم پشتیبانی برای اجرای این رویکرد گرمایشی وجود ندارد.

هدف این پروژه توسعه سیستم گرمایش گلخانه با استفاده از انتقال انرژی بین گلخانه ها بر اساس پمپ حرارتی دو منبع (ETGHP) برای حل مشکلات و استفاده از فرصت ها است. این سیستم گرمای اضافی هوا را در داخل CSG ها برای گرم کردن گلخانه های چند دهانه جمع آوری می کند. با استفاده کارآمد از پمپ حرارتی منبع هوا، انتظار می رود از انتقال انرژی گلخانه ای در زمان و مکان اطمینان حاصل شود و استفاده و کارایی گرمای اضافی هوای CSG افزایش یابد. دستیابی به این امر مصرف انرژی مورد نیاز برای گرم کردن گلخانه‌های چند دهانه را کاهش می‌دهد و توسعه پایدار گلخانه‌های مقیاس بزرگ را که توسط گلخانه‌های چند دهانه ارائه می‌شوند، ترویج می‌کند.

مطالعات قبلی در مورد توسعه سیستم‌های استفاده از انرژی گلخانه‌ای تلاش بیشتری را به توصیف کلی سیستم و ارزیابی عملکرد اختصاص داده‌اند و تعداد کمی از آنها شامل طراحی دقیق تجهیزات اساسی، اندازه‌گیری سیستم و پیاده‌سازی شده‌اند. در عین حال، محاسبات طراحی برای سیستم های پمپ حرارتی عمدتاً بر پیکربندی داخلی متمرکز است[49] ،[50] . هیچ مدل بار گرمایی قابل اعتمادی برای انتخاب پمپ های حرارتی منبع هوا در کشت گلخانه ای اعمال نشده است. اول از همه، یک شکاف تحقیقاتی در چارچوب وجود دارد که رویکرد گرمایش با استفاده از انتقال انرژی بین گلخانه‌ها را می‌توان دنبال کرد، به‌ویژه طراحی اجرا شده توسط سیستم ETGHP. دوم، جزء اصلی سیستم، پمپ حرارتی دو منبع، متداول ترین مورد استفاده خورشیدی/هوا است.[51] ،[52] و خاک/هوا[53] ،[54] با تکنیک ها متفاوت است. برای اهداف گرمایش پایدار و صرفه جویی در مصرف انرژی به طراحی خاصی نیاز دارد. سوم، مطالعه پیاده‌سازی سیستم به نفع تمرین مهندسی و کشف دانش در مورد رویکرد گرمایش است. بنابراین، این مقاله بر روی طراحی و پیاده سازی سیستم ETGHP تمرکز دارد. مشارکت ها و نوآوری های اصلی او عبارتند از:

  • (1) پیشنهاد یک رویکرد گرمایش با استفاده از انتقال انرژی بین گلخانه ها و توسعه سیستم ETGHP برای اجرای این رویکرد.
  • (2) طراحی یک پمپ حرارتی دو منبع با دو اواپراتور جداگانه که به ترتیب در CSG و هوای محیط قرار می گیرند، با تحقق سه شرایط عملیاتی، صرفه جویی در انرژی و گرمایش پایدار.
  • (3) ایجاد یک روش اندازه‌گیری سیستماتیک برای طراحی مهندسی سیستم ETGHP، که شامل مدل بار گرمایش گلخانه‌های چند دهانه، مدل گرمای هوای اضافی CSGها و انتخاب تجهیزات است، از نظر تئوری بهبود یافته است. چشم انداز.
  • (4) فرآیندهای پیاده سازی را بررسی کنید و سیستم را آزمایش کنید. در نتیجه به سوالات تحقیق زیر پاسخ می دهیم:
  • • چه مقدار گرمای اضافی هوا در CSG وجود دارد؟
  • • مساحت CSGهای منبع حرارت چقدر می تواند با گلخانه چند دهانه ای که قرار است گرم شود مطابقت داشته باشد؟
  • • تا چه حد می توان COPهای پمپ حرارتی را با استفاده از تامین هوای CSG بهبود بخشید؟

ادامه این مقاله به شرح زیر است: بخش 2 رویکرد گرمایش و به دنبال آن طراحی کلی سیستم را توضیح می دهد. فصل 3 مدل بار گرمایشی، مدل گرمای هوای اضافی و محاسبات برای انتخاب تجهیزات را ارائه می‌کند. در بخش 4، فرآیند پیاده سازی سیستم را با مطالعه موردی نشان می دهیم. یک آزمایش آزمایشی نیز برای تجزیه و تحلیل عملکرد پمپ های حرارتی و همچنین وضعیت عملکرد و اثر گرمایش سیستم انجام شد. بحث در سراسر این فصل ادامه می یابد و با توضیح دیدگاه و مطالعه بیشتر به پایان می رسد. نتایج در فصل 5 آورده شده است. این مقاله می تواند پشتیبانی تئوری ارائه دهد و به عنوان مرجع موردی برای طراحی و پیاده سازی سیستم ETGHP مورد استفاده قرار گیرد.

نزدیک شدن به پیشنهاد

رویکرد گرمایش با استفاده از انتقال انرژی بین گلخانه ای به عنوان جمع آوری انرژی حرارتی اضافی در یک یا چند گلخانه برای گرم کردن یک یا چند گلخانه دیگر تعریف می شود. اهداف مختلفی برای معرفی این رویکرد گرمایشی وجود دارد. با حصول اطمینان از انتقال انرژی گلخانه ای در زمان و مکان، می توان راندمان مصرف انرژی انرژی گرمای اضافی گلخانه را افزایش داد و مصرف کلی انرژی برای گرمایش را کاهش داد. دو نوع گلخانه مرتبط می توانند عبارتند از:

محاسبه

روش های محاسبه برای اندازه سیستم ETGHP در شکل 3 نشان داده شده است. این محاسبات در سطح سیستم و جزء انجام می شود. بنابراین پیکربندی خود اجزا (به عنوان مثال اندازه تبخیرکننده ها و کندانسورهای پمپ حرارتی) در محدوده تحقیق نیست، زیرا این معمولاً به عهده سازنده است. علاوه بر این، اندازه پمپ های آب، لوله های آب گردشی و کانال های تهویه را می توان به مواد فنی در بخش گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع اشاره کرد.

کاربرد سیستم

با توجه به چارچوب طراحی سیستم نشان داده شده در فصل 2 و فصل 3، سیستم ETGHP در شهر شوگوانگ (36 درجه و 54 دقیقه شمالی، 118 درجه و 51 دقیقه شرقی)، استان شاندونگ، چین ساخته شد. گرمای هوا از بیش از شش CSG برای گرم کردن یک گلخانه چند دهانه، یک CSG برای تولید نهال و یک اتاق تجهیزات مورد نیاز است (شکل 7). این سیستم شامل واحدهای پمپ حرارتی دو منبع، مخزن ذخیره حرارت، فن ها و خنک کننده های هوای سطحی، پمپ های آب، کانال های تهویه، لوله های آب در گردش و یک سیستم کنترل بود.

نتایج

این مطالعه یک رویکرد گرمایشی را پیشنهاد می‌کند که از انتقال انرژی بین گلخانه‌ها استفاده می‌کند. سیستم ETGHP برای پیاده سازی این رویکرد طراحی و ساخته شده است. این سیستم انتقال انرژی گلخانه ای در زمان و مکان را با جمع آوری گرمای هوای اضافی در داخل CSG ها برای گرم کردن گلخانه چند دهانه امکان پذیر می کند. یک مطالعه آزمایشی نشان داد که حالت های عملیاتی و اثرات گرمایشی سیستم پایدار است.

مراجع (79)

برای اطلاعات بیشتر

شما می توانید بلافاصله با ما تماس بگیرید

مشاوره رایگان

اطلاعات تماس

تلفن

+90-850-308-6442
+90-532-364-8448

پست الکترونیک

info@greenclimate.com.tr

محل

Çalkaya, Mir Plaza, Serik Cad No:218/C, 07112 Aksu/Antalya

© 2023 Green Climate Technology  تمامی حقوق محفوظ است.

سیاست حفظ حریم خصوصی وب سایت