——以宁城大跨度外保温大棚为例（下）
大棚夜间需热量的计算
式中：Qh 为采暖热负荷，W；Tr 为放热时间，h。采暖热负荷计算公式如下：
式中：Qw 为围护结构的传热损失，即通过屋顶、地面、门窗等围护结构传散失的热量，W；Qv 为冷风渗透的传热损失，即通过门、窗及围护结构缝隙渗入的冷空气散失的热量，W；Qf 为地中传热损失，W。
围护结构的传热损失 Qw 的计算公式如下：
式中：μj 为 第 j 种维护结构的传热系数，W/(m2·℃ )；Aj 为第 j 种维护结构的面积，m2；ti 和 t o 为温室内外采暖设计温度，℃。
墙体的传热系数计算公式如下：
式 中：αi 为 墙 体 内 表 面 的 换 热 系 数，W/(m2· ℃ )；d 为墙体厚度，m；λ 为墙体材料导热系数，W/(m2·℃ )；αo 为墙体外表面的对流换热系数，W/(m2·℃ )。
大棚的冷风渗透热损失 Qv 计算公式如下：
式中：n 为棚内换热系数，次 /h；V 为棚内的体积，m3；ρ a 为空气密度，kg/m3；c p 为空气的定压比热容，J/(kg·℃ )。
地中传热损失 Qf 计算公式如下：
式中：K0 为 第 k 区地面的传热系数，W/(m2·℃ )；Ak 为第 k 区地面的面积，m2。
表冷器 - 风机台数的确定
需要从日间集热量和夜间放热量两方面确定表冷器 - 风机的数目。
◆集热方面 根据能量守恒，表冷器 - 风机主动集放热系统日间收集的热量，用于满足夜间室内加温需求，集热所需表冷器 - 风机的数目 N（台） c的计算公式如下：
式中：q 为室内采暖所需热量，J；Qc 为集热功率，W；Tc 为集热时长，h。
◆放热方面 根据能量守恒，表冷器 - 风机主动集放热系统夜间释放的热量，用于满足夜间室内加温需求，放热所需表冷器 - 风机的数目 N（台） r的计算公式如下：
式中：q 为室内采暖所需热量，J；Qr 为放热功率，W；Tr 为集热时长，h。
为了同时满足日间集热和夜间放热的需求，需取二者中较大者作为表冷器 - 风机的数目 N（台）。考虑到系统在使用过程中的积垢等因素，选取安全系数 1.1~1.2。
蓄热水池有效容积的计算
表冷器 - 风机收集的热量储存在蓄热水池的水里，为满足温室内夜间加温需求，需要计算蓄热水池的有效容积。
蓄热水池的蓄水体积 V（m3）为：
试验大棚表冷器—风机主动集放热系统的设计
试验大棚
试验塑料大棚位于内蒙古自治区宁城县大城子镇（118.9°E， 41.7°N），东西走向，南北非对称。东西长 140 m，南北宽 16 m，其中南面宽8 m，过道宽 2 m，北面宽 6 m，屋脊高 4.5 m（图4~5）。室内过道两侧每 2.6 m 设置一根钢管柱，以提高结构稳定性。塑料大棚的东西山墙由砖墙建造。屋面覆盖草垫和保温被，北面屋面保温被日间不揭开。采用薄膜将温室从中间隔开，西侧作为试验区，东侧作为对照区。
图 4 大跨度外保温塑料试验大棚
图 5 试验大棚结构图 /m
表冷器 - 风机的选型
根据前期对多种型号表冷器 - 风机的风速、排管排列形式、集热量、耗电量等性能的测试结果，选取 FNH 型表冷器 - 风机作为集放热装置。结构尺寸长 × 宽 × 高 =100 cm×20 cm×60 cm；包括 2 个风机，风机扇叶直径 40 cm，输入功率2×120 W；表冷器换热面积 33 m2/ 台。
表冷器 - 风机换热量的计算
为了计算表冷器 - 风机的换热量，首先需要确定其总传热系数。不同类型的表冷器 - 风机，总传热系数不同。通过前期测试单台表冷器 - 风机的性能，由式（8）得到该型表冷器 - 风机的总传热系数表达式为：
假设系统日间集热过程中平均水气温差为5℃，在夜间放热过程中平均水气温差为 4℃，风机风速为 5 m/s，水流速度为 2 m/s，将公式（29）带入公式（19），计算得到单台风机集热功率和放热功率分别为 3773.7 W 和 3120.7 W，取整后，集热功率和放热功率分别为 3800 W 和 3200 W。
大棚夜间需热量的计算
为了保证在夜间室外平均气温为 -15℃的情况下，棚内的夜间气温不低于 10℃，根据公式（20）~（25）计算得到棚内夜间采暖热负荷为35908.6 W。假设一晚加温时长为 9 h，加温需要的热量为 1163.4 MJ。具体计算参数见表 1。
表冷器 - 风机台数的确定
表冷器 - 风机的数目 N（台）可根据公式（26）和（27）进行估算。由于试验地所在的地理位置，冬季日间时间较短，取集热时长为 5 h，计算得到集热所需表冷器 - 风机 17.0 台，选取安全系数 1.1， 为 18.7 台；取夜间放热时长为 9 h，计算得到放热所需表冷器-风机数目为11.2台，选取安全系数1.1， 为 12.3 台。取二者的较大值 18.7 台，取整为 19 台。
如果夜间使用全部的表冷器 - 风机进行放热，使得放热功率过大，从而导致前半夜热量释放过多、后半夜热量不足，室内气温上升过快、热损失增加。因此，夜间采用 13 台（12.3 台取整得到）表冷器 - 风机进行放热。
蓄热水池有效容积的计算
表冷器 - 风机收集的热量储存在蓄热水池的水里，为满足试验大棚夜间加温需求，根据公式（27）计算蓄热水池的有效容积。假设集热后水温上升 5℃，计算得到水池蓄水体积为 55.4 m3。考虑到需给蓄热水池预留一定的空间，避免在集放热过程中水溢出来，选择储备系数 1.1，计算蓄热水池有效容积为 61 m3。
图 6 为蓄热水池结构示意图。蓄热水池长6.5 m，宽 3.8 m，高 2.5 m，位于大棚西北侧。其结构由内向外依次为面层、防水混凝土、防水层、砌筑水泥砖，上面覆盖塑料薄膜。
图 6 蓄热水池示意图
水泵的选型需要根据所需的流量和扬程进行选择，为保证管路中水流速度为 2 m/s，所需水泵流量大于 10 m3/h，为保证将蓄热水池底部的水输送到挂在大棚屋脊的表冷器 - 风机中，所需潜水泵扬程大于 9 m，选择潜水泵型号为 WQ40-10-2.2，功率 2.2 kW，流量 40 m3/h，扬程 10 m。
表冷器 - 风机主动集放热系统的安装布置
如图 7 所示，根据试验大棚的结构，为了不影响棚内日常的农事作业，将供水管道布置在屋脊下方，采用同程式系统，以保证各并联环路管路长度相等、阻力大致相同、流量分配均匀。表冷器 - 风机进水端与供水管相连，出水端与回水管相连。供水和回水主管均使用直径为 50 mm 的PVC 管，供水管上安装闸阀来控制流量。
图 7 表冷器 - 风机主动集放热系统布置示意图
图 8 为棚内表冷器 - 风机主动集放热系统的实物图，棚内上层空气通过风机自北向南流动，再在下层自南向北流动，形成空气环流。
图 8 表冷器 - 风机主动集放热系统实物图
经济性能的初步分析
以该大跨度外保温塑料大棚（占地面积70 m×16 m=1120 m2）为例，计算表冷器 - 风机主动集放热系统建造成本。19 台表冷器 - 风机的成本为 20000~21000 元，容积 61 m3 蓄热水池的建造成本为 30000~32000 元，供回水管道的成本约为 3000 元，水泵与电气控制设备等的成本约为 2000 元，合计建造成本为 55000~58000 元，折合单位面积的建造成本为 49.1~51.8 元 /m2；设备、设施按 10 年使用期进行折旧，则平均每年的折旧费为 4.9~5.2 元 /m2。与其他太阳能集放热系统相比，本集放热系统的单位面积建造成本比较低。
以在内蒙古赤峰地区使用本集放热系统为例，估算系统的运行成本。按照前面的假设，每天系统运行 14 h（集热 5 h、放热 9 h），共耗电 81.6 kW·h；按照 0.5 元 /（kW·h）的电价，则每天集放热需要 40.8 元的电费，折合单位面积的运行成本为 0.036 元 /（m2· 天）。一个冬季需累积运行大约 80~100 天，则需要耗电约6528~8160 kW·h，需要电费 3264~4080 元。与其他太阳能集放热系统 相比，本集放热系统单位面积的运行成本也比较低。
另外，表冷器 - 风机主动集热系统对大棚原有的构造不产生影响，建造、维护简单方便，还具有较长的使用年限。
结论
（1）构建了表冷器 - 风机主动集放热系统的系统模型，并阐述了系统的工作原理。
（2）构建了表冷器 - 风机集放热系统的换热模型。并由此分析得出，对于特定的表冷器 -风机，换热量仅由表冷器 - 风机的通风量、水流量、进水温度和进风温度等因素确定。
（3）提出了表冷器 - 风机主动集放热系统的设计方法。设计方法主要包括表冷器 - 风机的选型、表冷器 - 风机换热量的计算、温室大棚夜间加温需热量的计算、表冷器 - 风机台数的确定以及蓄热水池有效容积的计算等。此方法可针对不同温室大棚进行集放热系统主要参数的计算。
（4）对试验大棚进行了表冷器 - 风机集放热系统的计算设计。试验大棚东西走向长 70 m，南北跨度宽 16 m，屋脊高 4.5 m，在夜间平均气温为 -15℃的条件下，为了保持棚内夜间气温不低于 10℃，需要配置 FNH 型表冷器 - 风机 19 台，蓄热水池的有效容积 61 m3。
（5）表冷器 - 风机主动集放热系统，建造成本和运行成本比较低，且建造简易，易于维护，使用年限长。
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