表冷器 - 風機集放熱系統是怎么設計的（一）？

表冷器 - 風機集放熱系統的設計與應用效果

——以德州大跨度外保溫大棚為例（上）

為解決外保溫塑料大棚缺乏蓄熱體的難題，宋衛堂教授的團隊研發了表冷器 - 風機主動集放熱系統，即通過懸掛在室內的表冷器 - 風機，在日間收集并儲存空氣中盈余的熱量，夜間再將熱量釋放到室內提高溫度，以滿足喜溫蔬菜作物的溫度要求?，F以在寧城大跨度外保溫大棚進行的試驗為例，通過三篇文章分別介紹該系統的運行原理與設計方案、系統組成與測試試驗以及系統的放熱模式。

與日光溫室相比，大跨度外保溫塑料大棚不僅造價低，土地利用率高，還具有較大的室內空間，能滿足大多數農機裝備的作業要求。但該類設施與傳統日光溫室相比，缺乏蓄熱構件，冬季室內夜間氣溫會比較低，很難滿足喜溫蔬菜作物的溫度要求，在我國西北、華北、東北的大部分地區應用需要進行額外輔助加溫。而傳統的、以吸收太陽輻射熱能為主的主動集放熱系統，由于集放熱原理與裝置結構的限制，并不適合在大跨度外保溫塑料大棚中使用。

為了解決外保溫塑料大棚缺乏蓄熱體的難題，研發了表冷器 - 風機主動集放熱系統。它是通過懸掛在室內的表冷器 - 風機，在日間收集并儲存空氣中盈余的熱量，夜間再將熱量釋放到室內提高溫度，以滿足喜溫蔬菜作物的溫度要求，實現熱量在時間和空間上的轉移、使用。

系統模型

系統組成

如圖 1 所示，表冷器 - 風機主動集放熱系統主要包括表冷器 - 風機、供水管路、回水管路、蓄熱水池、閘閥、潛水泵等 6 部分。作為集熱和放熱裝置的表冷器 - 風機，進水端與供水管相連，回水端與回水管相連。蓄熱水池中的水通過潛水泵、閘閥進入供水管路，在表冷器  - 風機中進行水 - 氣熱交換后，再通過回水管路返回蓄熱水池中。

圖 1 表冷器 - 風機主動集放熱系統示意圖

系統運行原理

表冷器  - 風機主動集放熱系統是通過表冷器 -風機，以水 - 氣換熱的方式，日間收集空氣中盈余的熱量并儲存在蓄熱水池中，夜間再將這部分熱量從蓄熱水池中釋放到空氣中以提高溫室內的氣溫。系統的工作過程，主要包括集熱和放熱兩個過程。

◆集熱過程  如圖 2a 所示，日間，當室內氣溫達到作物適宜生長溫度后，啟動系統，蓄熱水池中溫度較低的水通過供水管路進入表冷器 - 風機，與在風機作用下從進風口進入的、溫度較高的空氣進行熱交換，溫度降低后的空氣從出風口排出，溫度升高后的水通過回水管路流回蓄熱水池，實現收集空氣中盈余熱量的目的。通過潛水泵的不斷循環，持續進行熱量的收集，直至達到系統停止運行的條件。

◆放熱過程  如圖 2b 所示，夜間，當室內氣溫低于一定值后，啟動系統，蓄熱水池中溫度相對較高的水通過供水管路進入表冷器  - 風機，與在風機作用下從進風口進入的、溫度較低的空氣進行熱交換，溫度升高后的空氣從出風口排出，溫度降低后的水通過回水管路流回蓄熱水池，實現放熱提高空氣溫度的目的。通過潛水泵的不斷循環，持續進行熱量的釋放，直至達到系統停止運行的條件。

a. 表冷器 - 風機集熱示意圖

b. 表冷器 - 風機放熱示意圖

圖 2 表冷器 - 風機集放熱示意圖

表冷器-風機主動集放熱系統的設計方法

表冷器  - 風機的選型

表冷器  - 風機是系統的核心，承擔收集和釋放熱量的作用。在工程實踐中，對表冷器 - 風機有以下技術要求：①換熱能力強——可以吸收更多的空氣盈余熱量；②節能性能優——消耗更少的電能，節約運行成本；③使用年限長——節約建造成本。為了滿足上述技術要求，選型過程中需要綜合考慮表冷器 - 風機的排風量、換熱系數、換熱面積、功率以及換熱材料等多種因素。

表冷器 - 風機換熱量的計算

◆表冷器  - 風機的換熱模型

對于風量、水量、水初溫相同的同一表冷器而言，與某一濕工況進出風比焓以及接觸系數相等的干工況，為該濕工況的等價干工況 。采用干濕轉換法 ，利用干工況來替代當前濕工況建立表冷器 - 風機換熱模型，進行熱力計算，以便消除析濕系數對傳熱系數的影響。

如圖 3 所示，點 1′ 和點 2′ 為進出風狀態，點 1′和點 2′ 連線的延長線與飽和線相交于點 3（點 3表示理想條件下空氣能達到的終狀態），過點 3的等焓濕線 d1 與比焓值為 h1、h2 的等焓線，分別相交于點 1 和點 2。干工況 1-2 為濕工況 1′-2′ 的等價干工況。

圖 3 表冷器 - 風機換熱焓濕圖

表冷器 - 風機接觸系數 ε 2（實際溫降與理想溫降的比值）可以表示為：

式中：t 1′、t 2′ 分別為點 1′ 和點 2′ 的干球溫度，℃；t 1、t 2 分別為等價干工況點 1 和點 2 的干球溫度，℃。等價干工況換熱效率系數 ε 1 定義為：

式中：tw1 為進水溫度，℃。結合公式（1）和公式（2）可得：

◆總傳熱系數對于給定的表冷器 - 風機換熱器，總傳熱系數 K[W/(m2· ℃ )] 主要由內表面傳熱系數αi[W/(m2·℃ )] 和外表面傳熱系數 αo[W/(m2·℃ )]決定 [4]。通?？梢院雎詫嵯禂档挠绊?，計算公式如下：

式中：φ 為肋表面全效率；ε 為析濕系數；p為特定的常數；τ 為肋化系數。對于特定的換熱器，φ 和 τ 可以認為是常數。對于結構一定的風機盤管，外表面傳熱系數αo 是空氣流速 υ a（m/s）的函數，內表面傳熱系數 αi 是水流速度 w（m/s）的函數：

式中：A1，B1，n 為特定的常數。不同型號的表冷器 - 風機總換熱系數不同，系數 A、n 可通過干工況下變流量試驗確定，系數 B 可通過變風量試驗確定。一般情況下，干工況下，取析濕系數 ε 為 1，將式（6）和（7）帶入式（5）簡化為：

由換熱理論可知，換熱效率系數 ε1 定義為實際傳熱量與最大可能傳熱量的比值 [5]，則可以表示為：

式中：β 為傳熱單元數；為水當量比。β， 的定義分別如下：

式中：F 為換熱面積，m2；G 為通風量，kg/s；c p 為空氣的定壓比熱容，kJ/(kg·℃ )；W 為水流量，kg/s；cw 為水的比熱容，kJ/(kg·℃ )。根據換熱理論，接觸系數 ε 2 可表示為：

干工況條件下，一定型號的表冷器 - 風機，當風量、水量已知，任何初始狀態下空氣的換熱效率系數 ε 1 和接觸系數 ε 2 都是定值。◆換熱量的簡化計算采用對數平均溫差法計算表冷器 - 風機的換熱效率 （W），計算式如下：

式中：?tm 為對數平均溫差，℃。按照逆流傳熱過程進行計算：

為了簡化計算，在誤差允許范圍內，可以用算數平均溫差進行計算，算數平均溫差為換熱器進出兩端溫差的算數平均值。滿足條件如下：

由于干工況下空氣不發生相變，根據能量平衡可得：

式中：ma 為換熱過程空氣質量，kg；mw 為換熱過程水的質量，kg。根據公式（17）可以得到：

根據公式（9）和（12）計算出 ε 1 和 ε 2，帶入公式（3）和（4）計算等價干工況下的 t 1 和 t 2， 聯立公式（13）、（16）~（18），得出濕工況下的換熱功率為：

由公式可知，對于特定的表冷器 - 風機，換熱功率僅由表冷器 - 風機的通風量、水流量、進水溫度和進風溫度等因素確定。