一种集成温室余热蓄放与正压通风的供热与降温系统

《Energy》：A system integrating greenhouse surplus heat storage-release and positive pressure ventilation for heating and cooling

　　

中国太阳能温室（CSG）实现全年高效生产需要集成化热管理。现有主动式蓄热-放热系统在温室供热方面表现良好，但缺乏降温能力，限制了气候调控效果与成本效益。该研究提出了一种集成温室余热蓄放与正压通风的供热与降温系统（SHVS）。该系统以组合式空调机组为核心，在寒冷季节通过带内部空气循环的表冷器收集CSG空气中的富余热量，用于夜间供热；在温暖季节则通过正压通风下的蒸发湿帘实现降温。田间试验表明，该系统维持了36.3 W m^-2的日平均集热速率，峰值达到58.1 W m^-2，日放热量为0.41 MJ m^-2。系统运行期间，CSG内夜间空气平均温度比室外高18.5 °C，较无加热情景高4.4 °C。在温室供热方面，系统集热过程的性能系数（COP）达到6.4，整个供热过程的COP为4.8。夏季运行时，该系统可提供0.0158 m s^-1的温室通风，并在单位面积功耗14.7 W m^-2条件下，使CSG空气平均温度较自然通风降低3.0 °C。其蒸发降温能效比（EER）达到11.8。系统平均降温效率达到90.6%，耗水量范围为0.040–0.047 g m^-2 s^-1。所提出的集成系统在温室供热、降温与节能方面表现良好，有助于促进CSG可持续栽培。

该论文发表于《Energy》，聚焦中国太阳能温室（CSG）的全年热环境调控问题。中国太阳能温室作为我国北方设施园艺的重要生产形式，依靠南向透明屋面采光、北墙及侧墙蓄热保温，在冬季蔬菜周年供应中具有重要作用。然而，这类温室主要依赖被动太阳能利用，被动蓄放热虽然节能，但调控能力有限，夜间低温时室内空气温度仍可能降至作物受害阈值以下；与此同时，强调保温性能的结构特征又会在暖季造成明显的降温负荷。因此，如何兼顾寒冷季节供热与温暖季节降温，形成一套可全年运行、设备利用率高且成本效益较好的综合热环境调控方案，成为中国太阳能温室稳定生产面临的关键问题。

现有温室供热方式如燃煤锅炉、燃气锅炉和电加热，通常存在能耗高、运行成本高及环境污染问题。尽管地源热泵、空气源热泵、太阳能集热及季节性蓄能等技术已被用于设施农业，但其推广常受限于初始投资、地质条件、维护复杂性及经济性。围绕中国太阳能温室节能供热，近年来研究逐渐转向更具实用性的主动式蓄热-放热系统（AHSR）。这类系统利用晴天棚内过剩热量，在白天蓄热、夜间释热，已在夜温提升和节能方面表现出较好效果，包括地下土壤蓄热、屋脊风机盘管、北墙板式集热装置以及复合式地下换热—墙体水循环系统等多种形式。然而，现有AHSR普遍仅适用于供热，难以有效融合暖季降温需求，导致设备季节利用率不足、综合调控能力不强，制约了其在全年生产中的应用价值。

针对这一缺口，研究人员提出了一种集成温室余热蓄放与正压通风的供热与降温系统（SHVS），旨在扩展主动式蓄热-放热系统的功能边界，实现中国太阳能温室热环境的一体化、节能化调控。研究指出，与传统负压风机-湿帘系统相比，采用湿帘与送风管道构成的正压通风方式，对温室气密性的要求较低，送风距离更长，且可将冷空气更均匀、定向地输送至作物栽培区，更适合狭长空间特征明显的中国太阳能温室。基于这一技术逻辑，研究将内部循环供热和外部循环降温耦合于同一套空气处理与送风装置之中，从而提高设备共享程度和运行经济性。

为开展该研究，研究人员构建了以组合式空调机组为核心的SHVS，主要包括组合式空调机组、蓄热水箱、循环泵、湿帘供水泵、循环管路、送风管道及控制系统，并在北京市平谷区（40.2°N，117.0°E）进行冬夏两季田间试验。试验对象为东西走向的柔性墙体中国太阳能温室，该温室采用保温被与轻钢立柱构成围护结构。研究主要通过系统设计、实地运行监测和性能评价开展分析，考察指标包括供热与降温效果、集热量与放热量、性能系数（COP）、能效比（EER）、降温效率、耗水量、节能表现及运行成本。

在“System design”部分，研究人员介绍了SHVS的总体构成与运行机理。该系统大部分部件安装在设备间内，设备间同时连接温室内部栽培区和室外环境。寒冷季节，系统采用内部空气循环模式，利用表冷器从温室空气中提取白天富余热量并存入蓄热单元，在夜间再释放以提升棚内温度；温暖季节则切换为外部空气循环模式，借助蒸发湿帘和正压送风完成降温。该设计实现了供热与降温设备平台的集成化，体现出明显的多功能耦合特征。

在“Experimental setup”部分，研究人员说明了试验温室与场地条件。实验温室为柔性墙体中国太阳能温室，其围护结构具有较传统砖墙更好的保温性能、更低建造成本和更高土地利用率，但也存在蓄热能力不足的问题。这一背景意味着主动式热管理系统对于该类型温室具有更强的应用必要性。通过冬夏季连续监测，研究为评价系统在不同气候条件下的适应性与稳定性提供了基础。

在“Heating performance of the system”部分，研究人员将一个供热周期定义为从09:00至次日09:00的完整昼夜运行过程，其中09:00–16:00为集热阶段，16:00–09:00为放热阶段，并在2023年12月16日至2024年1月20日的冬季最冷时段进行评估，覆盖晴天、阴天和多云天气。结果表明，系统日平均集热速率为36.3 W m^-2，峰值达到58.1 W m^-2，日放热量为0.41 MJ m^-2。运行期间，夜间棚内空气平均温度比室外高18.5 °C，较无加热工况高4.4 °C，说明系统能够有效回收并利用白天富余热量，提高夜间保温能力。与此同时，系统在集热阶段COP达到6.4，整个供热过程COP达到4.8，显示出较高的能源利用效率。该结果说明，利用中国太阳能温室白天富余空气热进行夜间供热，是一种具有较好节能效果和工程可行性的技术路径。

在关于夏季降温性能的结果中，研究人员表明，SHVS通过正压通风与蒸发湿帘联用实现暖季降温。系统可提供0.0158 m s^-1的温室通风，并使CSG空气平均温度较自然通风降低3.0 °C。其单位面积功耗为14.7 W m^-2，蒸发降温能效比（EER）达到11.8，平均降温效率为90.6%，耗水量维持在0.040–0.047 g m^-2 s^-1。这些数据表明，该系统不仅具备较高的降温效率，而且在能耗与耗水方面保持了相对合理的运行水平。与自然通风相比，正压送风模式能够更加稳定地改善棚内热环境，并提升降温调控的均匀性与可控性。

在“System performance evaluation and comparison”部分，研究人员对系统全年综合调控能力进行了归纳评估。研究认为，该系统在寒冷季节通过温室内部空气循环实现主动式蓄热与夜间放热，在温暖季节通过外部空气循环和正压蒸发降温实现降温，从而建立起面向全年生产的一体化热环境调控框架。系统在供热阶段表现为夜温提升明显、空气温度分布更均匀、能源利用效率较高；在降温阶段则体现为可观的温降效果、较高的降温效率以及较好的运行经济性。综合来看，SHVS有效提升了设备全年利用率，弥补了传统AHSR缺乏降温功能的不足，也改善了单一负压风机-湿帘系统在中国太阳能温室应用中的局限。

该研究的意义主要体现在三个方面。其一，在技术层面，研究首次将温室富余空气热蓄放与正压通风集成为同一系统，拓展了主动式蓄热-放热系统的功能范围。其二，在应用层面，研究在实际中国太阳能温室生产场景中完成了冬夏两季田间验证，证明该系统具备现实部署基础。其三，在产业层面，该系统通过共享空气处理设备和送风管道，提高了综合成本效益，为中国太阳能温室的高效、节能和可持续周年栽培提供了新的工程化解决方案。

方法概括而言，该研究主要采用了系统集成设计、田间实测监测和热工性能评价三类关键技术方法。研究人员在北京市平谷区实际中国太阳能温室中部署SHVS，围绕冬季供热与夏季降温分别构建运行工况；通过连续监测棚内外空气温度、太阳辐射、通风及系统运行参数，计算集热速率、放热量、COP、EER、降温效率、耗水量及单位面积功耗等指标，并对不同季节运行表现进行综合评价，以验证该系统对中国太阳能温室全年热环境调控的适用性。

讨论部分表明，当前中国太阳能温室热环境调控长期面临冬季夜间低温与夏季高温并存的矛盾，而多数已有技术往往只能解决单一季节问题。该研究提出的SHVS通过内部循环与外部循环的模式切换，在同一硬件平台上实现供热与降温兼容，提升了系统功能集成度和经济性。研究结果显示，该系统在夜间增温、夏季温降、能效和节水等方面均取得较好表现，说明其能够满足中国太阳能温室对全年稳定生产和节能降耗的双重需求。研究同时强调，这一系统为狭长型、空间受限的中国太阳能温室提供了更适配的正压通风集成方案，对推动设施农业可持续发展具有现实意义。

研究结论部分可译述为：该研究开发了一种集成化气候调控系统，通过扩展主动式蓄热-放热系统的降温功能，实现了中国太阳能温室热环境的节能型调控。SHVS以组合式空调机组为核心，在寒冷季节通过内部空气循环下的表冷器收集CSG富余空气热，用于夜间温室供热；在温暖季节通过正压通风条件下的蒸发湿帘实现温室降温。田间试验表明，该系统在供热与降温方面均表现良好，具有较高的能源利用效率与较好的节能潜力，可为中国太阳能温室全年高效、可持续生产提供可行的集成化技术路径。