для обогрева теплиц; передача энергии между теплицами

Аннотация

Многопролетные теплицы в северном Китае потребляют огромное количество энергии на отопление, что приводит к снижению рентабельности и неэкологичности. Чтобы найти решение этой проблемы, была разработана система отопления теплиц, основанная на тепловом насосе с двумя источниками тепла для передачи энергии между теплицами. Система собирает избыточное тепло воздуха в китайских солнечных теплицах (CSG) для обогрева многопролетных теплиц. Благодаря возможности передачи парниковой энергии во времени и пространстве, можно добиться большей эффективности использования избыточного воздушного тепла в ПГС, что приведет к общему снижению затрат на отопление. В этой статье описывается подход к нагреву и объясняется общий дизайн системы. Тепловой насос с двумя источниками тепла выступает в качестве основного компонента с двумя отдельными испарителями, размещенными в ПГС и окружающем воздухе. Затем представлены расчеты для определения размеров системы, включая моделирование отопительной нагрузки многопролетных теплиц, моделирование избыточного воздушного тепла CSG, выбор необходимого оборудования (тепловой насос с двойным источником тепла, бак-аккумулятор тепла и поверхностный охладитель комбинированного воздуха). Кондиционер) и согласование пространства. Наконец, пример иллюстрирует процесс внедрения системы отопления. Доступная температура избыточного воздуха CSG находилась в диапазоне 100,8-112,6 Вт м -2 для определения размеров системы, а минимальная площадь CSG была рекомендована в два раза больше площади многопролетной теплицы. Пилотное тестирование показало, что рабочее состояние и нагревательный эффект системы были стабильными. Коэффициент полезного действия (COP) теплового насоса достиг 4,3-4,8 при использовании избыточного тепла воздуха CSG в качестве источника тепла, и был на 23-26% выше при использовании окружающего воздуха в те же периоды. В течение всего процесса сбора тепла тепловые насосы с двумя источниками, переключающие источники в соответствии с настройками, достигли общего COP 3,4-4,2, что на 6-11% больше, чем у тепловых насосов с воздушными источниками. В этой статье представлен новый подход к отоплению и энергосберегающая система для многопролетных теплиц.

Введение

Индустрия тепличного садоводства в Китае в качестве стратегии развития рынка выбрала расширение крупномасштабных теплиц. Одним из таких представителей является многопролетная теплица, которая отличается высокой эффективностью использования земли, способностью контролировать климат и высоким уровнем механизированной эксплуатации. Эти особенности делают многопролетные теплицы подходящими для масштабного и коммерческого производства. Однако многопролетные теплицы потребляют огромное количество энергии на обогрев, особенно в холодное время года на севере Китая. Потребность в таких высоких затратах энергии является неэффективной, что приводит к снижению рентабельности и неустойчивости. Энергия, необходимая для обогрева теплицы, составляет 30-70% от общей стоимости производства теплиц, в зависимости от разных широт [1]. Согласно нашим исследованиям и практике управления теплицами, ежегодные затраты на отопление многопролетной теплицы в Пекине составляют 6,3-12,5 м -2, что составляет более 40% от общих эксплуатационных расходов. В странах с более мягким климатом, где хорошо развиты многопролетные теплицы, например, в Нидерландах, отопление теплиц также является важным потребителем энергии. Годовое потребление природного газа, который является основным источником тепла для обогрева теплиц, варьируется от 25 до 40 м3 м -2 при средней стоимости 7,8 USD м -2 [2], [3].

Обзор различных методов энергосбережения для снижения затрат на отопление теплиц представлен в работе Ahamed et al. [4]. [10] Эти меры по снижению спроса на отопление или прямых затрат энергии в основном включают оптимизацию конструкции теплицы и ее структурных компонентов [5], [6], улучшение управления микроклиматом в теплице [7], [8], [9], . [11]и использование возобновляемых источников энергии или энергоэффективных технологий для снижения потребления ископаемого топлива или тепловой энергии. На начальном этапе развития индустрии многопролетных теплиц в Китае одним из наиболее эффективных решений проблемы отопления теплиц является создание энергосберегающего, экономичного и стабильного подхода к отоплению и разработка необходимого вспомогательного оборудования.

Технология теплового насоса, которая отличается высокой эффективностью преобразования энергии, низкими эксплуатационными расходами и экологичностью, успешно используется для обогрева теплиц. [12], [13], [14], [15], [16], [ 17], [18], [19]. Более того, он будет играть все более важную роль по мере выполнения более строгих требований по сокращению выбросов CO2 [2]. [20]Например, стоимость отопления тепловым насосом с COP 3,5 немного выше, чем у котла, работающего на угле, но все равно намного ниже, чем у котла на природном газе и электрического отопления. [20]При этом тепловой насос имеет самый низкий уровень потребления первичной энергии и выбросов CO2. [21] [22]Кроме того, по сравнению с солнечными тепловыми системами, тепловые насосы имеют более стабильные показатели нагрева, что очень важно для безопасного выращивания сельскохозяйственных культур. [23]В последние годы тепловые насосы с воздушным источником тепла, наиболее распространенные типы тепловых насосов, все чаще используются для отопления все большего количества многопролетных теплиц в Китае, поскольку они относительно дешевы и стабильны, а также просты в установке и обслуживании. . [24]Однако снижение тепловой мощности в холодную погоду и низкий COP остаются проблемами для эффективного использования тепловых насосов с воздушным источником тепла. [13] [24] [25]Поскольку качество источника тепла в значительной степени определяет COPs , , , энергоэффективное отопление теплиц с помощью тепловых насосов с воздушным источником тепла является убедительным аргументом в пользу полного использования высококачественных ресурсов в холодных регионах. С практической точки зрения, это не так уж и важно.

Помимо выращивания культур, теплицы также собирают энергию. [26]Например, годовая суммарная избыточная энергия в идеальной крытой теплице достигает 164 кВт ч м -2. [27] [28] [29] Извлечение избыточной тепловой энергии из теплицы в течение дня и ее использование для обогрева самой теплицы в ночное время оказалось решением для улучшения ночной тепловой среды, повышения урожайности и экономии энергии. [29] [30]Однако в самые холодные месяцы в холодных регионах или высоких широтах избыток дневного тепла внутри коммерческих теплиц (менее 0,5 МДж м -2 день -1 в большинство дней) вносит незначительный вклад в потребность в обогреве теплиц, в то время как избыток энергии возникает в основном во время фазы дополнительного освещения или в теплое время года. [31]Такое чрезмерное тепло, выделяемое искусственным освещением, нерационально и может быть уменьшено путем перехода от натриевого освещения высокого давления (HPS) к освещению светоизлучающими диодами (LED). [32]Кроме того, сезонное хранение тепловой энергии не является предпочтительным вариантом из-за высокой стоимости инвестиций. В принципе, не рекомендуется извлекать избыточную энергию из многопролетных теплиц для отопления холодных районов, особенно в рамках модели ежедневного накопления-отдачи тепла.

Энергосберегающие и недорогие китайские солнечные теплицы (CSG) — основной выбор для зимовки культур в северном Китае. [33] К концу 2018 года общая площадь CSG превысила 570 000 м2, что составляет около 30,5% от общей площади теплиц в Китае . Благодаря уникальной северной стене, CSG обладает хорошими теплоизоляционными характеристиками и способностью предотвращать солнечную радиацию. В результате температура воздуха в помещении может легко достигать и превышать 35°C в полдень даже зимой, создавая обильный избыток воздушного тепла. На практике вентиляция крыши охлаждает CSG и защищает культуры от высокого температурного стресса. Но в то же время, слишком много энергии тратится впустую. Исследователи разработали множество активных и пассивных систем отопления для использования избыточной тепловой энергии воздуха или как избыточной солнечной радиации, так и тепла воздуха внутри CSG. [34] [35] [36] [37] [38]Активные системы аккумулирования солнечного тепла, которые передают и накапливают энергию посредством циркуляции воды, являются наиболее изученными , , , , , . Они сосредоточились на повышении эффективности сбора тепла внутренними коллекторами за счет учета теплоотдачи. Другие распространенные области применения, использующие избыточную энергию CSG, включают вентилируемые стены [39], [40]Сетка для скелета крыши с текущей водой [41] и материал для изменения фазы (PCM) [42], [43] и компоненты теплопроводности [42] содержащие стены. 44]. Хотя эти системы недороги, энергосберегающи и благоприятны для климата теплиц и роста культур, у них есть общая техническая проблема: эффективное время сбора тепла и общая тепловая мощность ограничены теплопередачей и повышением температуры аккумулирующей среды. в разной степени. Это связано с тем, что их теплоотдача зависит от конвекционных процессов с воздухом в помещении или подвержена их влиянию. Эта проблема приводит к низкой эффективности использования избыточной энергии CSG.

По сравнению с источником окружающего воздуха, избыточное тепло воздуха внутри CSG является тепловой энергией более высокого класса и особенно ценно в холодные зимние месяцы. Эту избыточную энергию можно собрать и использовать в качестве низкотемпературного источника тепла для теплового насоса, чтобы улучшить COP. Кроме того, принудительная тяга теплового насоса эффективно создает положительную разницу температур между теплоносителем и воздухом в помещении. [29] [45]Для того чтобы решить проблемы, связанные с ограничениями вышеупомянутых систем использования энергии ПГС с точки зрения тепловой мощности и эффективности использования энергии, в отличие от сложных систем тепловых насосов, которые косвенно извлекают парниковую энергию, Sun et al. [46] разработали систему теплового насоса с единственным источником избыточного воздушного тепла для нагрева ПГС. Разработанная система позволила тепловому насосу улучшить производительность отопления, благодаря чему общий COP системы отопления достиг 2,7. Результаты показывают, что прямой сбор избыточного тепла воздуха CSG тепловым насосом в дневное время для обогрева самого CSG в ночное время эффективен для производства теплиц.

Однако предыдущие исследования, направленные на повышение эффективности использования избыточной энергии в ПГС, были сосредоточены на том, как поглотить больше тепла из источника энергии при заданных ограничениях, учитывали эффективность теплоотдачи системы отопления, но совсем не рассматривали регулирование. поглотители энергии, способные эффективно перерабатывать выделяемое тепло. Дисбаланс между спросом и предложением тепла может возникнуть из-за аккумулирования тепловой энергии в конструкциях ПГС и, особенно в хорошо изолированных ПГС, в грунте. В солнечные дни, когда имеется избыток тепловой энергии, потребность в ночном отоплении с помощью ПГС снижается или даже становится ненужной. [37]В этом случае накопленная энергия не может быть израсходована в достаточном количестве ночью, что негативно сказывается на сборе тепла в течение дня. [47]Низкая потребность CSG в тепле также подтверждается тем фактом, что CSG могут производить овощи и фрукты в Северном Китае (32-43° K) в основном без дополнительного подогрева. Следовательно, исходя из существующих систем, подход к отоплению, при котором избыточная энергия внутри помещения улавливается в течение дня, а ночью это тепло высвобождается для обогрева ПГС, имеет низкую эффективность использования энергии, учитывая цепочку энергоснабжения. [48] [17]По сравнению с ПГС, многопролетные теплицы имеют более высокую отопительную нагрузку; было проверено, что ежедневные затраты на отопление единицы площади многопролетной теплицы примерно в 3,6 раза больше, чем у ПГС в течение всего отопительного периода. Более того, после вступления в отопительный сезон потребности в отоплении практически не зависят от внешних погодных условий. Поэтому сбор избыточного тепла CSG в солнечные дни для обогрева многопролетных теплиц может повысить общую эффективность использования энергии CSG и снизить затраты на отопление многопролетных теплиц с помощью альтернативных источников энергии. Поэтому в этом исследовании мы представляем новый подход к обогреву, который использует передачу энергии между теплицами. Однако для реализации этого подхода к отоплению не существует никакой системы поддержки.

Цель проекта — разработать систему отопления теплиц, использующую передачу энергии между теплицами на основе теплового насоса с двойным источником тепла (ETGHP), чтобы решить проблемы и использовать возможности. Система собирает избыточное тепло воздуха внутри CSG для обогрева многопролетных теплиц. Ожидается, что эффективное использование теплового насоса с воздушным источником энергии обеспечит передачу парниковой энергии во времени и пространстве, а также повысит утилизацию и эффективность использования избыточного воздушного тепла CSG. Достижение этой цели позволит снизить расход энергии на обогрев многопролетных теплиц и будет способствовать устойчивому развитию крупных теплиц, представленных многопролетными теплицами.

При разработке систем использования энергии в теплицах в предыдущих исследованиях больше внимания уделялось общему описанию системы и оценке ее эффективности, и лишь немногие из них включали в себя детальное проектирование основного оборудования, определение размеров системы и ее реализацию. [49] [50]В то же время, проектные расчеты для систем тепловых насосов в основном сосредоточены на внутренней конфигурации, . Не существует надежного моделирования отопительной нагрузки, применяемого при выборе тепловых насосов с воздушным источником тепла для выращивания в теплицах. Во-первых, существует пробел в исследованиях, касающихся рамок, в которых может быть реализован подход к отоплению, использующий передачу энергии между теплицами, особенно в дизайне, реализованном в системе ETGHP. [51] [52] [53] [54] Во-вторых, основной компонент системы, тепловой насос с двойным источником тепла, отличается от наиболее часто используемых технологий «солнце/воздух» и «грунт/воздух». Для стабильного и энергоэффективного обогрева ему требуется особая конструкция. В-третьих, изучение внедрения системы способствует открытию знаний об инженерной практике и подходе к отоплению. Поэтому данная статья посвящена разработке и внедрению системы ETGHP. Его основной вклад и инновации заключаются в следующем:

  • (1) Предложение подхода к отоплению с использованием межтепловой передачи энергии и разработка системы ETGHP для реализации этого подхода.
  • (2) Разработка теплового насоса с двумя источниками тепла с двумя отдельными испарителями, размещенными в CSG и окружающем воздухе соответственно, реализующая три рабочих режима, обеспечивающая экономию энергии и стабильное отопление.
  • (3)Создание систематического метода определения размеров для инженерного проектирования системы ETGHP, включая модель отопительной нагрузки многопролетных теплиц, модель избыточного воздушного тепла CSG и выбор оборудования, улучшено с теоретической точки зрения.
  • (4) Анализ процессов внедрения и проведение пилотного тестирования системы; в результате мы ответили на следующие исследовательские вопросы
  • -Как много избыточного воздушного тепла имеется в ПГС?
  • Насколько большая площадь ПГС источника тепла может соответствовать площади обогреваемой многопролетной теплицы?
  • -В какой степени можно улучшить COP теплового насоса за счет использования источника воздуха CSG?

Остальная часть этой статьи изложена следующим образом: В разделе 2 описывается подход к отоплению, а затем общий дизайн системы. В разделе 3 представлены модель отопительной нагрузки, модель избыточного тепла воздуха и расчеты для выбора оборудования. В главе 4 мы проиллюстрируем процесс внедрения системы на конкретном примере. Также было проведено пилотное испытание для анализа рабочего состояния и эффекта обогрева системы, а также производительности тепловых насосов. Обсуждения продолжаются на протяжении всей этой главы и завершаются объяснением перспектив и дальнейшей работы. Результаты Раздел 5. Эта статья может предоставить теоретическую поддержку и может быть использована в качестве примера для разработки и внедрения системы ETGHP.

Предложение по подходу

Подход к отоплению с использованием межтепличной передачи энергии определяется как сбор избыточной тепловой энергии из одной или нескольких теплиц для обогрева одной или нескольких других теплиц. Внедрение такого подхода к отоплению преследует несколько целей; благодаря передаче парниковой энергии во времени и пространстве можно повысить эффективность использования избыточной парниковой тепловой энергии и снизить общее потребление энергии на отопление. Теплицы могут быть двух типов:

Расчет

Процедуры расчетов для определения размеров системы ETGHP показаны на Рисунке 3. Эти расчеты выполняются на уровне системы и компонентов. Поэтому конфигурация самих компонентов (например, размеры испарителей и конденсаторов теплового насоса) не входит в сферу исследования, поскольку за это обычно отвечает производитель. Также при определении размеров водяных насосов, циркуляционных водопроводов и вентиляционных каналов можно обратиться к техническим материалам в разделе «Отопление, вентиляция, кондиционирование».

Реализация системы

Согласно схеме проектирования системы, показанной в Разделе 2 и Разделе 3, система ETGHP была построена в городе Шоугуан (36° 54′ с.ш., 118° 51′ в.д.), провинция Шаньдун, Китай. Для обогрева многопролетной теплицы, ПГС для выращивания рассады и помещения для оборудования потребовалось тепло воздуха от более чем шести ПГС (Рис. 7). Система состояла из тепловых насосов с двумя источниками тепла, резервуара для хранения тепла, вентиляторов и поверхностных воздухоохладителей, водяных насосов, вентиляционных каналов, труб с циркулирующей водой и системы управления.

Результаты

В данном исследовании предлагается подход к обогреву, использующий передачу энергии между теплицами. Система ETGHP была разработана и построена для реализации этого подхода. Система позволяет передавать энергию теплицы во времени и пространстве, собирая избыточное тепло воздуха внутри CSG для обогрева многопролетной теплицы. Пилотное исследование показало, что рабочие состояния и нагревательные эффекты системы стабильны.

Ссылки (79)

для получения дополнительной информации

Вы можете немедленно связаться с

Контактная информация

Телефон

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

Расположение

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

  © 2023 Green Climate Technology Все права защищены.