表冷器 - 风机集放热系统是怎么设计的（一）？

表冷器 - 风机集放热系统的设计与应用效果

——以德州大跨度外保温大棚为例（上）

为解决外保温塑料大棚缺乏蓄热体的难题，宋卫堂教授的团队研发了表冷器 - 风机主动集放热系统，即通过悬挂在室内的表冷器 - 风机，在日间收集并储存空气中盈余的热量，夜间再将热量释放到室内提高温度，以满足喜温蔬菜作物的温度要求。现以在宁城大跨度外保温大棚进行的试验为例，通过三篇文章分别介绍该系统的运行原理与设计方案、系统组成与测试试验以及系统的放热模式。

与日光温室相比，大跨度外保温塑料大棚不仅造价低，土地利用率高，还具有较大的室内空间，能满足大多数农机装备的作业要求。但该类设施与传统日光温室相比，缺乏蓄热构件，冬季室内夜间气温会比较低，很难满足喜温蔬菜作物的温度要求，在我国西北、华北、东北的大部分地区应用需要进行额外辅助加温。而传统的、以吸收太阳辐射热能为主的主动集放热系统，由于集放热原理与装置结构的限制，并不适合在大跨度外保温塑料大棚中使用。

为了解决外保温塑料大棚缺乏蓄热体的难题，研发了表冷器 - 风机主动集放热系统。它是通过悬挂在室内的表冷器 - 风机，在日间收集并储存空气中盈余的热量，夜间再将热量释放到室内提高温度，以满足喜温蔬菜作物的温度要求，实现热量在时间和空间上的转移、使用。

系统模型

系统组成

如图 1 所示，表冷器 - 风机主动集放热系统主要包括表冷器 - 风机、供水管路、回水管路、蓄热水池、闸阀、潜水泵等 6 部分。作为集热和放热装置的表冷器 - 风机，进水端与供水管相连，回水端与回水管相连。蓄热水池中的水通过潜水泵、闸阀进入供水管路，在表冷器  - 风机中进行水 - 气热交换后，再通过回水管路返回蓄热水池中。

图 1 表冷器 - 风机主动集放热系统示意图

系统运行原理

表冷器  - 风机主动集放热系统是通过表冷器 -风机，以水 - 气换热的方式，日间收集空气中盈余的热量并储存在蓄热水池中，夜间再将这部分热量从蓄热水池中释放到空气中以提高温室内的气温。系统的工作过程，主要包括集热和放热两个过程。

◆集热过程  如图 2a 所示，日间，当室内气温达到作物适宜生长温度后，启动系统，蓄热水池中温度较低的水通过供水管路进入表冷器 - 风机，与在风机作用下从进风口进入的、温度较高的空气进行热交换，温度降低后的空气从出风口排出，温度升高后的水通过回水管路流回蓄热水池，实现收集空气中盈余热量的目的。通过潜水泵的不断循环，持续进行热量的收集，直至达到系统停止运行的条件。

◆放热过程  如图 2b 所示，夜间，当室内气温低于一定值后，启动系统，蓄热水池中温度相对较高的水通过供水管路进入表冷器  - 风机，与在风机作用下从进风口进入的、温度较低的空气进行热交换，温度升高后的空气从出风口排出，温度降低后的水通过回水管路流回蓄热水池，实现放热提高空气温度的目的。通过潜水泵的不断循环，持续进行热量的释放，直至达到系统停止运行的条件。

a. 表冷器 - 风机集热示意图

b. 表冷器 - 风机放热示意图

图 2 表冷器 - 风机集放热示意图

表冷器-风机主动集放热系统的设计方法

表冷器  - 风机的选型

表冷器  - 风机是系统的核心，承担收集和释放热量的作用。在工程实践中，对表冷器 - 风机有以下技术要求：①换热能力强——可以吸收更多的空气盈余热量；②节能性能优——消耗更少的电能，节约运行成本；③使用年限长——节约建造成本。为了满足上述技术要求，选型过程中需要综合考虑表冷器 - 风机的排风量、换热系数、换热面积、功率以及换热材料等多种因素。

表冷器 - 风机换热量的计算

◆表冷器  - 风机的换热模型

对于风量、水量、水初温相同的同一表冷器而言，与某一湿工况进出风比焓以及接触系数相等的干工况，为该湿工况的等价干工况 。采用干湿转换法 ，利用干工况来替代当前湿工况建立表冷器 - 风机换热模型，进行热力计算，以便消除析湿系数对传热系数的影响。

如图 3 所示，点 1′ 和点 2′ 为进出风状态，点 1′和点 2′ 连线的延长线与饱和线相交于点 3（点 3表示理想条件下空气能达到的终状态），过点 3的等焓湿线 d1 与比焓值为 h1、h2 的等焓线，分别相交于点 1 和点 2。干工况 1-2 为湿工况 1′-2′ 的等价干工况。

图 3 表冷器 - 风机换热焓湿图

表冷器 - 风机接触系数 ε 2（实际温降与理想温降的比值）可以表示为：

式中：t 1′、t 2′ 分别为点 1′ 和点 2′ 的干球温度，℃；t 1、t 2 分别为等价干工况点 1 和点 2 的干球温度，℃。等价干工况换热效率系数 ε 1 定义为：

式中：tw1 为进水温度，℃。结合公式（1）和公式（2）可得：

◆总传热系数对于给定的表冷器 - 风机换热器，总传热系数 K[W/(m2· ℃ )] 主要由内表面传热系数αi[W/(m2·℃ )] 和外表面传热系数 αo[W/(m2·℃ )]决定 [4]。通常可以忽略导热系数的影响，计算公式如下：

式中：φ 为肋表面全效率；ε 为析湿系数；p为特定的常数；τ 为肋化系数。对于特定的换热器，φ 和 τ 可以认为是常数。对于结构一定的风机盘管，外表面传热系数αo 是空气流速 υ a（m/s）的函数，内表面传热系数 αi 是水流速度 w（m/s）的函数：

式中：A1，B1，n 为特定的常数。不同型号的表冷器 - 风机总换热系数不同，系数 A、n 可通过干工况下变流量试验确定，系数 B 可通过变风量试验确定。一般情况下，干工况下，取析湿系数 ε 为 1，将式（6）和（7）带入式（5）简化为：

由换热理论可知，换热效率系数 ε1 定义为实际传热量与最大可能传热量的比值 [5]，则可以表示为：

式中：β 为传热单元数；为水当量比。β， 的定义分别如下：

式中：F 为换热面积，m2；G 为通风量，kg/s；c p 为空气的定压比热容，kJ/(kg·℃ )；W 为水流量，kg/s；cw 为水的比热容，kJ/(kg·℃ )。根据换热理论，接触系数 ε 2 可表示为：

干工况条件下，一定型号的表冷器 - 风机，当风量、水量已知，任何初始状态下空气的换热效率系数 ε 1 和接触系数 ε 2 都是定值。◆换热量的简化计算采用对数平均温差法计算表冷器 - 风机的换热效率 （W），计算式如下：

式中：∆tm 为对数平均温差，℃。按照逆流传热过程进行计算：

为了简化计算，在误差允许范围内，可以用算数平均温差进行计算，算数平均温差为换热器进出两端温差的算数平均值。满足条件如下：

由于干工况下空气不发生相变，根据能量平衡可得：

式中：ma 为换热过程空气质量，kg；mw 为换热过程水的质量，kg。根据公式（17）可以得到：

根据公式（9）和（12）计算出 ε 1 和 ε 2，带入公式（3）和（4）计算等价干工况下的 t 1 和 t 2， 联立公式（13）、（16）~（18），得出湿工况下的换热功率为：

由公式可知，对于特定的表冷器 - 风机，换热功率仅由表冷器 - 风机的通风量、水流量、进水温度和进风温度等因素确定。