人工光植物工廠風機和空調協(xié)同降溫節(jié)能效果

<p>第 29 卷 第 3 期 農 業(yè) 工 程 學 報 Vol.29 No.32013 年 2 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2013 177人工光植物工廠 風機和 空調 協(xié)同 降溫節(jié)能效果王 君 1,2， 楊其長 1,2 ， 魏靈玲 1,2， 仝宇欣 1,2（ 1. 中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 ， 北京 100081；2. 農業(yè)部設施農業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室 ， 北京 100081）摘 要 ： 為減少人工光植物工廠中空調降溫耗電量 ， 該 文 利用風機引進外界低溫空氣與空調協(xié)同降溫方式 ， 以低功率的風機減少高功率空調的運行時間 。 結果表明 ， 與僅利用空調進行降溫的對照植物工廠相比 ， 利用風機和空調協(xié)同降溫的試驗植物工廠節(jié)能效果明顯 ， 當 植物工廠 內部 明 、 暗期 空氣溫度 分別設定在 25 和 15 ， 外界空氣溫度在 -4 12 時 ， 明期耗電量的節(jié)省率為 24.6% 63.0%， 暗期為 2.3% 33.6%， 其節(jié)能效果 隨著外界空氣溫度的降低而增加 ； 并且 該降溫方式可以將植物工廠內空氣溫度控制在目標值 。 因此 ， 采用風機與空調協(xié)同方式對植物工廠內空氣溫度進行調控 ， 可以減少植物工廠降溫耗電量 ， 降低其運行成本 。關鍵詞 ： 節(jié)能 ， 降溫 ， 空調 ， 人工光植物工廠 ， 外界空氣溫度doi： 10.3969/j.issn.1002-6819.2013.03.024中圖分類號 ： S625.5 文獻 標志碼 ： A 文章編號 ： 1002-6819(2013)-03-0177-07王 君 ， 楊其長 ， 魏靈玲 ， 等 . 人工光植物工廠 風機和 空調 協(xié)同 降溫節(jié)能效果 J. 農業(yè)工程學報 ， 2013， 29(3)：177 183.Wang Jun, Yang Qichang, Wei Lingling, et al. Energy saving effect on cooperating cooling of conditioner and airexchanger in plant factory with artificial lightJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2013, 29(3): 177 183. (in Chinese with English abstract)0 引 言 近年來國內外植物工廠呈蓬勃發(fā)展之勢 1-2， 其具有傳統(tǒng)農業(yè)無法比擬的優(yōu)勢 3， 實現(xiàn)了多層立體栽培 ， 縮短了生產周期 4-5， 大幅度提高了 作物產量 、質量和投入資源 （ 土地 、 水等 ） 的利用效率 ， 改善了工作環(huán)境等 6-8。 但是 ， 植物工廠也是一項高投入的產業(yè) ， 其建設成本和運行成本較高 ， 尤其是以電能消耗為主的人工光植物工廠 9， 嚴重影響了植物工廠技術的進一步推廣應用 。在人工光植物工廠中 ， 圍護結構一般采用不透光的絕熱材料 10-11， 保溫性好 ， 但人工光源 、 營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng) 、 消毒系統(tǒng) 、 空氣清潔器等設備的運行會產生大量熱量 ， 為使植物工廠內空氣溫度維持在設定目標值 ， 一般采用空調進行溫度調控 。 日本學者研究表明 ， 空調耗電量占人工光植物工廠總耗電量的 15% 25%12-15。 朱本海等 16研究表明 ， 在人工光植物工廠中 ， 降溫耗電量占空調總耗電量的收稿日期 ： 2012-09-09 修訂日期 ： 2013-01-21基金項目 ： 植物工廠化節(jié)能關鍵控制技術研究 （ 2012ZL028）作者簡介 ： 王 君 （ 1989 ）， 女 ， 主要從事設施 農業(yè)環(huán)境工程方面的研究 。 北京 中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 ， 100081。Email： wangjun112209163.com 通 信 作者 ： 楊其長 （ 1963 ）， 男 ， 博士 ， 研究員 ， 博士生導師 ， 主要從事設施園藝環(huán)境工程方面的研究 。 北京 中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 ， 100081。 Email： yangqieda.org.cn85%以上 。 由此可知 ， 空調耗電量是人工光植物工廠能耗的重要部分 ， 并且主要用于降溫 。 針對上述問題 ， 一些研究學者通過降低人工光植物工廠內熱負荷來減少降溫耗電量 ， 例如 ， 用發(fā)熱量低的冷光源 ， 如 LED9,17-18、 LD19等 ， 代替發(fā)熱量高的傳統(tǒng)光源 ， 并開發(fā)水冷 式 LED 光源系統(tǒng) 20和采用分時分檔的控制策略 21-22來減少植物工廠內熱負荷 ； 或是使用性能系數(shù)較高的降溫設備 ， 目前進入市場的空調的性能系數(shù)限定值已從 2.6 提高到 3.223-24， 因此也可以減少降溫耗電量 。 但利用外界低溫空氣來減少人工光植物工廠降溫耗電量的方法還未見報道 。理論上 ， 空調運行在 80%負荷情況時 ， 其工作效率最高 25。 然而 ， 在暗期 ， 植物工廠內熱負荷遠小于空調的制冷量 ， 故暗期空調處于 “ 大馬拉小車 ”的低效率運行狀態(tài) 26-27， 不但會造成空調的頻繁啟停 ， 增大壓縮機的磨損程度 ， 還會增加空調降溫耗電量 ， 造成能源的浪費 28。 因此 ， 利用外界低溫空氣減少空調降溫耗電量 ， 特別是在低制冷負荷下的耗電量 ， 對降低植物工廠的運行成本具有重要意義 。本試驗是在植 物工廠現(xiàn)有設備的基礎上 ， 充分利用外界的低溫條件 ， 當室外空氣低于某一值 ， 借助風機引進外界低溫空氣與空調協(xié)同調控便可以將植物工廠內空氣溫度控制在目標值時 ， 以低功率的風機減少高功率的空調進行植物工廠內 空氣 降農業(yè)工程學報 2013 年178溫的運行時間 ， 來減少降溫耗電量 。 本試驗目的是為研究風機與空調協(xié)同降溫方式的節(jié)能效果及其影響因素 ， 為減少人工光植物工廠降溫耗電量提供一種方法 。1 材料與方法1.1 人工光植物工廠試驗于 2012 年 2 月 16 日至 3 月 13 日在中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所樓頂兩間人工光植物工廠 （ 39°57&#39;N， 116°19&#39;E） 內進行 。兩間植物工廠的體積規(guī)格均為 3 500 mm×3 000 mm×2 500 mm（ 長 ×寬 ×高 ）。 外墻和屋頂?shù)牟牧暇鶠?5 mm 厚的聚苯乙烯 （ EPS） 夾芯板 （ 中間聚苯乙烯泡沫層的厚度為 74 mm， 內外表面覆蓋的薄鋼板的厚度均為 0.5 mm）。 兩間植物工廠圍護結構除北墻與外界直接接觸外 ， 其他各面分別與育苗室 、 控制室和走廊接觸 。 如圖 1 所示 ， 試驗植物工廠除比對照植物工廠多一臺風機外 ， 其他內部設備均相同 。 并且選擇熱交換器作為風機使用 ， 引進的外界低溫空氣與植物工廠內輸出的熱空氣進行部分熱交換 。 兩間 植物工廠均以葉用萵苣 （ Lactuca sativaL.） 作為栽培對象 ， 以 24 W 的三基色熒光燈（ YZ24-T5， 廣州雷士照明有限公司 ， 總功率為1 872W） 作為光源 ， 并采用深液流水耕栽培技術和營養(yǎng)液自動灌溉系統(tǒng) 。 試驗期間 ， 植物工廠明 /暗期設定溫度為 25 /15 ， 光強為 150 mol/(m2·s） 29，光照時間為 10 h/d， 每小時循環(huán)供液 5 min。1.2 試驗儀器和設備溫度傳感器 （ HY-102， 北京華宇展業(yè)科技有限公司 ）， 測量精度為 ± 0.5 ， 測點高度為 1.5 m，植物工廠內部的 溫度傳感器均位于進風口側 ， 外部的溫度傳感器位于距植物工廠的東面墻體 1 m 處 ，試驗植物工廠風機內外部進風口處分別布置一個測點 （ 圖 1）。 數(shù)據(jù)采集的時間間隔為 1 min。圖 1 人工光植物工廠結構示意圖及溫度傳感器測點布置Fig.1 Schematic diagram of plant factories with artificial lightand measuring points熱交換器 （ FY-25LD2C， 廣東松下環(huán)境系統(tǒng)有限公司北京分公司 ）， 在試驗植物工廠中作為引進外界低溫空氣的風機使 用 。 其風量為 250 m3/h， 功率為 90 W。電表 （ 型號 為 kWm8115， 松下電器有限公司 ）7 塊 ， 分別用于測量兩間植物工廠中空調 、 光源和整間植物工廠的耗電量以及試驗植物工廠中風機的耗電量 ， 數(shù)據(jù)采集的時間間隔為 1 min?？照{ （ 功率為 2 500 W， 北京空調制冷有限公司 ）， 經(jīng)試驗證明兩間植物工廠空調的性能無顯著差異 。1.3 試驗設計試驗是對采用風機和空調協(xié)同降溫 與 僅用空調降溫 每小時的 耗電量 進行 比較 。 試驗期間 ， 植物工廠內溫度 (Ti)允許波動范圍 29， Tb24 同時 To0， 將式 （ 5） 反求得 ， p s jffC T TPV COP （ 6）由于 空調安裝于最新的 GB12021.3-2010 房間空氣調節(jié)器能效限定值及能效等級 發(fā)布之前 ， 故計算中將空調的制冷系數(shù) COP 選為之前允許進入市場 空調 的制冷系數(shù) 2.6， 考慮植物工廠明期設定的下限溫度和管路對引進低溫空氣的影響 ， 將開啟風機設定溫度最大值為 22 ， 由式 （ 6） 得出 ，31374.1 J/mffPV （ 7）故選擇了滿足此條件的風機 ， 風量為 250 m3/h，功率為 90 W。1.5 耗電量節(jié)省率的計算100%E CCW WW （ 8）式中 ， 為降溫耗電量節(jié)省率 ， %； WE為試驗植物工廠 每小時 的 降溫耗電量 ， kW·h； WC 為對照植物工廠與試驗植物工廠同一時間段內的降溫耗電量 ，kW·h。1.6 數(shù)據(jù)處理利用 SAS8.0 對降溫設備 明暗期運行時間 和 每小時耗電量 隨外界空氣溫度的變化規(guī)律作回歸分析 。2 結果與分析2.1 節(jié)能效果分析試驗期間 ， 兩間植物工廠圍護結構除北墻與外界直接接觸外 ， 其他 各面分別與育苗室 、 控制室和走廊接觸 。 因此 ， 在暗期 ， 除北墻外 其他 各面均向植物工廠內部傳熱 ， 再加上植物工廠內使用設備的散熱 ， 造成空調一直處 于降溫的運行狀態(tài) 。 如圖 2所示 ， 當植物工廠內空氣溫度明期維持在 25 ， 暗期在 15 時 ， 用于明 、 暗期降溫的耗電量隨著外界空氣溫度的升高而增加 ， 此試驗結果與大山克己等 31研究結果一致 。 從圖 2 還可以看出 ， 試驗植物工廠降溫耗電量低于對照植物工廠 ， 當外界空氣溫度在4 12 條件下 ， 明期降溫耗電量的節(jié)省率為24.6% 63.0%， 暗期為 2.3% 33.6%。 按照一般工商業(yè)用電電價 0.8145 元 /(kW·h)計算 ， 明期降溫耗電節(jié)省成本為 0.09 0.30 元 /h， 暗期降溫耗電節(jié)省成本為 0.08 0.20 元 /h。 上述結果 表明 ， 與僅利用空調進行植物工廠內空氣降溫相比 ， 利用風機和空調協(xié)同降溫的調控方法具有明顯的節(jié)能效果 。注 ： 選取有代表性的天氣進行數(shù)據(jù)分析 ， 其中 包括 達到外界空氣溫度最低值的 2 月 17 日和最高值的 3 月 6 日 ， 以及 外界空氣溫度 在 4 12溫度范圍 內 變化的 2 月 22 日 。圖 2 植物工廠內降溫設備每小時耗電量隨外界空氣溫度的變化關系Fig.2 Effects of outside air temperature on hourly electric-energy consumption of cooling equipments inplant factories比較分析圖 2 中明 、 暗期每小時降溫耗電量隨外界空氣溫度變化的擬合關系可知 ， 在相同外界空氣溫度下 ， 出現(xiàn)暗期每小時降溫耗電量大于明期的情況 。 其主要原因為明 、 暗期植物工廠內設定的溫度不同 ， 明期為 25 ， 暗期為 15 。 利用空調進行植物工廠內降溫時 ， 其制冷系數(shù)會隨著植物工廠內溫度降低而減小 ， 并且 ， 當利用風機進行植物工廠內空氣降溫時 ， 其降溫效果也會隨著植物工廠內農業(yè)工程學報 2013 年180溫度降低而減小 。 另一方面 ， 暗期植物工廠內熱負荷較明期低 ， 當空調在較低負荷下運行時 ， 其制冷系數(shù)也會降低 ， 并且會造成空調的頻繁啟停 ， 使暗期降溫耗電量增大 。 因此 ， 在外界空氣溫度相同的情況下 ， 會出現(xiàn)暗期降溫耗電量高于明期的情況 。2.2 節(jié)能效果影響因素分析通過 2.1 節(jié)中結果分析可知 ， 與僅利用空調進行植物工廠內溫度調控相比 ， 利用風機和空調協(xié)同降溫方法的節(jié)能效果主要受風機引進的外界空氣溫度和空調運行時制冷系數(shù)的影響 。 當空調運行的制冷系數(shù)一定時 ， 其節(jié)能效果會隨著風機引進外界空氣溫度的降低而提高 。利用風機和空調協(xié)同降溫的另外一個優(yōu)點是可以減少空調在低制冷負荷下的運行時間 ， 從而降低空調耗電量 。 如圖 3 所示 ， 與對照植物工 廠相比 ，試驗植物工廠中空調的運行時間明顯減少 ， 明期減少了 36.6% 82.0%， 暗期減少了 16.3% 64.2%。因此 ， 在外界空氣溫度允許的情況下 ， 利用風機引進外界低溫空氣降溫 ， 通過減少空調的運行時間 ，特別是在低制冷負荷下的運行時間 ， 可以增加其節(jié)能效果 。注 ： 選取數(shù)據(jù)為 2012 年 2 月 17 日至 2 月 25 日 。圖 3 植物工廠降溫設備運行時間與外界空氣溫度的關系Fig.3 Effects of outside air temperature on the runtime ofcooling equipments in plant factories在該試驗中 ， 為避免或減小由于引進過低溫度的外界空氣對植物工廠內進風口處萵苣生長的影響 ， 選擇熱交換器作為引進外界空氣的風機 。 故在引進外界低溫空氣時 ， 低溫空氣與植物工廠內輸出的熱空氣進行部分熱交換 ， 使進入植物工廠內的空氣溫度有所提高 。 由圖 4 可知 ， 試驗植物工廠內部引進外界空氣的進風口處空氣溫度明顯高于外界空氣溫度 ， 暗期提升了 12.2 14.4 ， 明期則提升了 13.0 18.7 。 因此 ， 本試驗中將熱交換器作為風機使用 ， 雖然減少了降溫耗電量 ， 但在很大程度上也降低了利用 外界低溫空氣降溫的節(jié)能效果 。注 ： 選取數(shù)據(jù)為 2012 年 2 月 16 日 22:00 至 2 月 17 日 22:00。圖 4 外界空氣溫度與進入試驗植物工廠空氣溫度隨時間變化關系Fig.4 Time course of the air temperatures outside and enteredinto the experimental plant factory2.3 兩種降溫方法對植物工廠內空氣溫度影響分析由圖 5 可知 ， 利用風機與空調協(xié)同降溫的方法可以將明 、 暗期植物工廠內空氣溫度控制在設定的目標溫度 。 并且與對照植物工廠相比 ， 明 、 暗期試驗植物工廠內空氣溫度隨時間變化較為平緩 。 其原因是空調的開啟方式為 ON/OFF 控制 ， 內部空氣升溫至上限由空調快速降溫至設定溫度 ， 試驗植物工注 ： 試驗時間為 2012 年 2 月 16 日 22:00 至 2 月 17 日 22:00。圖 5 植物工廠內外空氣溫度變化曲線Fig.5 Time course of air temperatures inside and outside plantfactories第 3 期 王 君等 ： 人工光植物工廠 風機和 空調 協(xié)同 降溫節(jié)能效果 181廠由于引進外界低溫空氣減緩了植物工廠內空氣溫度上升速度 ， 從而減少了空調的開啟 次數(shù) 。 結合圖 5 可知 ， 明期試驗植物工廠空調的開啟次數(shù)為 3次 ， 比對照植物工廠減少了 3 次 ， 暗期試驗植物工廠空調的開啟次數(shù)為 4 次 ， 比對照植物工廠減少了3 次 。 采用風機和空調協(xié)同降溫方法的不足之處為 ，增加了風機的啟動次數(shù) ， 而空調和風機的啟停次數(shù)均與引進外界空氣的溫度密切相關 。3 結論1） 與僅利用空調進行降溫的對照植物工廠相比 ， 利用風機和空調協(xié)同降溫的試驗植物工廠節(jié)能效果明顯 ， 當植物工廠明 、 暗期內部空氣溫度分別設定在 25 和 15 ， 并且外界空氣溫度在 4 12條件下 ， 明期降溫耗電量的節(jié)省率為 24.6%63.0%， 暗期為 2.3% 33.6%。2） 風機和空調協(xié)同降溫較僅用空調降溫的節(jié)能效果隨著引進外界空氣溫度的降低而提高 ， 并且空調的運行時間隨著引進外界空氣溫度的降低而減少 ， 當外界空氣溫度在 3 6 條件下 ， 明期空調運行時間減少了 36.6% 82.0%， 暗期減少了16.3% 64.2%。3） 利用風機和空調協(xié)同降溫的方式可以將植物工廠內空氣溫度明期控制在 （ 25±2） ， 暗期控制在 （ 15±2） 。試驗是在外界空氣溫度 4 12 下進行 ， 雖然熱交換器作為風機對引進的外界空氣溫度有所提升 ， 但風機和空調協(xié)同降溫的方式仍能達 到明顯的節(jié)能效果 。 由前面的理論計算可知 ， 只要滿足進入植物工廠內空氣的溫度低于風機開啟的設定溫度 ， 即使在春 、 秋季節(jié) ， 也可以達到一定的節(jié)能效果 。為使此方法帶來更大程度的節(jié)能 ， 并進一步推廣應用 ， 今后試驗將綜合考慮植物工廠內熱負荷 ，空調的制冷系數(shù) 、 所在地域的氣象條件以及不同作物生長的最適溫度 ， 確定風機和空調協(xié)同調控的最優(yōu)控制方式 ， 以減少人工光植物工廠用于降溫的運行成本 。 另外 ， 在采用風機與空調協(xié)同降溫時 ， 僅對植物工廠內空氣溫度進行調控 ， 忽略了對相對濕度和 CO2 濃度的影響 。 所以今后試驗中 ， 還需對植物工廠內部空氣的溫度 、 濕度及 CO2濃度綜合考慮來確定調控方案 ， 實現(xiàn)作物在最適生長環(huán)境下最大程度的節(jié)能 。參 考 文 獻 1 楊其長 ， 張成波 .植物工廠概論 M. 北京 ： 中國農業(yè)科學技術出版社 ， 2004： 185 187.2 賀冬仙 ， 朱本海 ， 楊珀 ， 等 . 人工光型密閉式植物工廠的設計與環(huán)境控制 J. 農業(yè)工程學報 ， 2007， 23(3)：151 157.He Dongxian, Zhu Benhai, Yang Po, et al. 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Institute of Environment and Sustainable in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Science, Beijing 100081, China;2.Key Laboratory for Energy Saving and Waste Disposal of Protected Agriculture, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)Abstract: In recent years, the use of plant factory with artificial light (PF) for plant production is graduallyincreasing in many countries due to its incomparable advantages compared with other plant production systems,such as improving the utilization efficiencies of water and land, improving work conditions. However, the higherinitial construction and operation costs limit the further use of the PF. The main electric-energy consumption byair conditioner (AC) for cooling accounts for 15%-25% of the total energy consumption in the PF. In thisexperiment, the objective of this study</p>