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针对日光温室设备简陋，环境调控与抗冻防病能力较弱，土地利用率与劳动生产率低的问题，在甘肃省蔬菜产业科技攻关项目支持下，研究与建造了9 座太阳能双效温室，现予以初报，供批评指正。
太阳能双效温室设计方案
设计目标
总体要求
一是将太阳能利用由单纯被动式方式，提升为主动与被动相结合方式，最大化收集与蓄存太阳光热，满足低温连阴时供热。
二是温室既要有增温防冻的功效，又要有控湿防病的功效，有利于作物生长发育及抑制病害，促进产品产量与质量的提高。
三是既保持冬季生产的优势，又提高温暖季增产增收能力。
四是优化温室建设性价比，改变由农民建造日光温室为工厂化制造和现场组装，同时，提升温室装备的现代化技术水平，增强温室环境的调控功能，减轻温室运营者的劳动强度。
性能指标
太阳能双效温室与现有第二代日光温室相比，土地利用率提高30%，太阳光热利用率提高40%，保温能力提高5 ℃，室内最低气温维持在12 ℃，自动调控室内空气温湿度在适宜范围，具有良好的建设性价比。第二代日光温室改造提升的太阳能双效温室每667 m2投入2～3 万元，工厂化制造的太阳能双效温室每667 m2建造成本12～15 万元。温室主体和设备的使用寿命达到15 年以上。
设计方法与技术路线
设计方法与技术路线见图1。
太阳能双效温室主体结构设计
现有第二代日光温室改造提升为太阳能双效温室
在现有第二代日光温室结构、材料基本不变的条件下，室内安装太阳能双效热泵系统；将墙体内面改为蜂窝状，提高墙体蓄放热能力。降雨、连阴天多的地方取消日光温室后屋面，使采光屋面的顶部直接搭放在后墙头，增强日光透射率，在后墙3 m高度安装支架，用于铺设水袋式太阳能集热器。
工厂化制造组装的太阳能双效温室
工厂化制造与组装的温室取消了日光温室原有的墙体与后屋面，采用了全钢架结构，温室分为内保温组装式和外保温组装式二种基本结构分类。外保温组装式太阳能双效温室的主要特点是：第一，墙体为双PC板20 cm夹层结构，冬季填充轻质高效保温材料提高保温性能，暖季抽出保温材料提高日光照度；第二，装备了太阳能集热系统和太阳能双效热泵机组；第三，温室具有较高的现代化水平。如图2。
太阳能热泵双效系统设计
该系统由太阳能集热器、热泵机组、蓄热池及自控装置等组成，以水为热媒。集热器把温暖季节及冬季晴天的太阳能收集转化为热能蓄存在温室，冬春低温连阴时向温室空间供热。当蓄热池不能连续供热，启动热泵把蓄热池中的低品位热量提升为高品位热量，向空间供热；同时，热泵还可将空气中的水蒸气及富余热量转为热水送入蓄热池，实现自动调控空气温度、湿度。主要设计内容如下：
太阳能集热器设计
为了经济实用，设计了既能集热又能散热的水幕式太阳能集热器与水袋式太阳能集热器。早上启动集热器，开始集热并蓄热，当室内气温低到设定值时由集热转为放热，当蓄热水池水温低于空气温度时，系统自动停止运转。水幕式太阳能集放热器经过3 次试制定型为长2.5 m、高1.8 m、面积4.5 m2、厚度45 mm的模块化结构，由透明PC板、黑色PC板、挤塑保温板、PC龙骨组成。每667 m2太阳能双效温室安装28 个模块，集热总面积126 m2。循环水泵驱动功率0.75 kW。水袋式集热放器是闷晒式水袋，采用黑色或蓝色筒状塑料薄膜制成，水平宽度1 m左右，长度比温室长度少1～2 m，水层厚度5 cm左右。水泵驱动功率为0.5 kW，水袋的水流速0.5 m/s。在11：00～15：00，气温-1～-9 ℃范围，水袋的静态水温达到47 ℃；当水池水温7 ℃，水袋的动态水温达到17 ℃。
就甘肃省环境条件而言，每667 m2太阳能双效温室中配置水幕式与水袋式两种集热器的总集热面积为160 m2。水幕式和水袋式太阳能集热器换热水流量3000 kg/h、流速0.1 m/s。温室外平均光照度80 kLx，温室内平均光照度50 kLx，平均集热时间6.5 h，蓄热水池27 吨蓄热水的平均温升7 ℃，日集热量达到792 MJ。
地下蓄热水池设计
蓄热水池容量是按太阳能双效温室抵御7 天以上低温连阴天，维持12 ℃室温所需要的热量配置。设计蓄热水池容量为30 吨/667m2。蓄热水池为地下建造，采用钢板焊接安装式、塑料板焊接安装式和钢筋砼现浇式，采取500 MJ厚三七灰土夯实保温和基础加固。蓄热水池与太阳能集热器、热泵的双效系统联合作业，设计日提升水温20 ℃，蓄放热温差40 ℃，蓄热总量5000 MJ，完全供热时间100 h。
太阳能双效热泵机组设计
热泵是国际公认的高效节能环保设备。太阳能双效热泵具有被动式与主动式太阳能双效特性，空气源热能与水源热能重复利用双效特性，调温与调湿双效特性。如图3。
热泵机组采用R410A冷媒。我们采用了自主创新并获中国发明专利的“套管反馈式液压外平衡通道和隧道射流流口双向双通道热力膨胀阀”（以下简称双向膨胀阀），蒸发温度范围-40～+60 ℃，过冷度与过热度同步调节，反应时间小于3 s，压力与温度的波折度小于5%，压力、流量、时间调节曲线圆滑、无突变，高质量调节。根据提取河水制热实验，河水流量约0.5m3/s，河水水温2 ℃，外界气温-7 ℃，采用该热泵风机出风温度21 ℃，温室室温达到12 ℃。太阳能热泵双效机组主要由空气换热器、仪器仪表、主机室组成，全部集成于立式机柜内。主机室则由压缩机、水换热器、双向热力膨胀阀等组成。太阳能热泵双效机组使用R410A冷媒往复式压缩机，采用分离式温差控制仪，空气换热器采用大风量管板式结构，水换热器采用不锈钢钎焊板式换热器，机体采用冷轧板烤漆防水、防腐制造。依据甘肃省地理、气象、种植三项主要条件，在保持温室适宜温度条件下的温差20～30 ℃范围内，每667 m2温室供热量50～100 MJ之间；因此，热泵机组定制规格为换热量72 MJh/台（MJh为兆焦时，以下同）。
① 设计基础资料 太阳能热泵双效机组按甘肃省环境设计的基础资料为：甘肃省位于北纬32°31′～42°57′、东经92°13′～108°46′之间，全省居人区域的海拔高度在1000～3800 m，年平均气温0～14 ℃，降雨量130～800 mm，年日照时数1700～3300 h，年太阳辐射强度5000～6500 MJ。
② 空气换热器配置 空气换热器用于温室内空间换热和供热。
备注：△tm表示对数温差，Kc表示换热系数，Qh表示热泵空气冷凝器热交换的热量密度，Ar表示空气换热器的换热面积，Gf表示风机换热器单位时间换热流量。
③ 水换热器配置 水换热器用于空间与水之间的热转换。
备注：△tm表示对数温差，Kc表示换热系数，Qh表示热泵空气冷凝器热交换的热量密度，As表示水换热器的换热面积，Gs表示水换热器单位时间换热流量。
④ 压缩机配置 温室在低温条件下需要保暖的启动温度设为12 ℃，热泵在温室高温条件下换热的启动温度设为25 ℃。
备注：h1～h4分别表示R410A冷媒的蒸发热焓、压缩热焓、冷凝热焓、节流热焓。
太阳能双效温室建造与测试
永昌试验温室
永昌县地处河西走廊中部，年平均气温5.3 ℃，极端最低气温-28.3 ℃,年日照2880 h，年日照率66%，年降水量210 mm。永昌试验基地位于金昌市永昌县城西4 km，海拨2008 m。
这是第一座太阳能双效温室，为外保温组装式的太阳能双效温室，跨度7.4 m，长62 m，脊高4.2 m，空间1960 m3，全钢架结构，PC板夹层式墙体。建造冷轧板焊接蓄热水池2 座，分别为高温水箱和低温水箱，尺寸与容积均为2.5 m×2.5 m×2.5 m和15 m3。测试时高温水箱存水11 吨，低温水箱存水10 吨。温室装备了太阳能热泵双效系统1 套。配置3 种类型的太阳能集热器，即：面积58 m2整体型水幕式太阳能集放器，面积57 m2水袋式太阳能集放热器，面积10.44 m2真空管太阳能集热器。配置日本三菱R410A热媒涡旋式高温型压缩机1 台，风量4000 m3/h、换热面积36 m2空气换热器1 台，流量3500 kg/h钛管式水换热器1 台。
温室于2012年2月建成，因电压低，热泵机组不能运行。3月24～25日对3 种太阳能集热设备进行集热效果测试。测试结果表明，水幕式与水袋式太阳能集热器集热效果优于真空管式太阳能集热器。
平凉试验温室
在平凉建造了一座代表陇东生态类型的太阳能双效温室（图4）。该地海拨1120 m。平凉年平均气温10. 8 ℃，年日照2380 h。温室跨度7.5 m，长50 m，脊高4.2 m，空间1280 m3。温室提高了后墙，将前屋面延长到后墙顶端，增加光热。在后墙3 m高设置水袋式太阳能集热器支架，水袋有效面积4 0 m2。温室其他结构不变。
平凉试验温室装备20 MJh太阳能热泵双效系统1套，装备美国康泰R410A冷媒高温型往复式压缩机1台，3400 m3/h轴流式风机1 台、28 m2管板式空气换热器1台，2000 kg/h钛管式水换热器1 台。建设现浇钢筋砼地下蓄热水池1 座，有效容积15 m3。3月22～23日测试。水池存水27.5 吨，气温4～16 ℃，上午多云间晴、下午晴间少云，室温8.3～34.2 ℃，对照温室的室温6.1～31.8 ℃。热泵运行8 h，冷凝温度57～73 ℃，水池水温上升3 ℃，计算得热量3 4 5 . 7 M J 。平均电压3 5 0 V ，计算电耗2 9 . 1 k W h 。计算换热效率为3 4 5 . 7 M J ÷ ( 3 . 6M J h × 2 9 . 1 k W h ) = 3 3 0 % 。
榆中试验温室
榆中试验温室建造了外保温组装式太阳能双效温室（图5），建设地点位于甘肃中部兰州市榆中县城郊，海拔1850 m，年无霜期180 天，年平均气温6.8 ℃，冬季极端最低气温-19.7 ℃，年日照时数2600 h，年太阳辐照量5600 MJ。该温室长66 m、跨度10 m，面积660 m2，空间2290m3。结构为特型槽钢棚架，PC板夹层式墙体，夹层厚度20 cm。夹层中间充填专制的高效环保保温蓄热材料。
保暖负荷
以气温- 1 9 . 7 ℃、维持室温12 ℃为条件，保暖热负荷为95.3 MJh。根据当地极端低气温和连阴天等气候特征，设计保暖运行的累计时间为36 h，蓄热水池的蓄放热温差为40 ℃，总蓄热量4000 MJ。
主要配置
① 地下蓄热水池 镀锌钢板焊制，容水量25吨，埋深3 m。
② 太阳能热泵双效机组 配置2台机组分别安装在温室东西两端。总换热量150 MJ/h，总换气量26,000 m3/h，总输入功率9.36 kW。
③ 太阳能集热器 配置水幕式太阳能集热面积80 m2，驱动功率0 . 7 5 kW。水袋式太阳能集热面积55 m2，驱动功率0.5 kW。
换热效率测试
榆中试验温室的太阳能双效温室，测试的太阳能热泵双效机组，在温室高温、高湿条件下的运行情况：地下蓄热水池存水17吨，热泵给水池蓄热的启动室温27.2 ℃,相对湿度87%，热泵装机功率7350 W；蓄热水池的水温上升1 ℃所用的时间为45 min；此时，室温降至24.7 ℃，相对湿度降至71%，蓄热水池的蓄热量Qr=4.19G(tq-tn）=71 MJ，式中，4.19表示水的比热容，单位kJ/(kg.K)；G表示蓄热水量；(tq-tn）表示蓄热水蓄热前后的温差，即：温差为1 ℃。平均电压370 V、总电流13 A，电度表显示功耗5.6 kWh。使用蓄热量与功耗计算，太阳能热泵双效系统换热效率为352.2%。
皋兰试验温室
兰州市皋兰县水阜乡长川村建造了第二代日光温室改进的太阳能双效温室2 座。如图6。这里海拔1614 m，年平均气温7.2 ℃,极端最低-25.4 ℃，年平均日照时数2768 h，年平均降水266 mm，秋季干爽，冬季干冷。温室跨度8 m、长80 m，脊高4.5 m，空间2292 m3，温室地面下沉0.4 m，砖包土墙钢架结构。温室主体结构村料仍属第二代日光温室。室内配置水幕式太阳能集放器、地下蓄热水池、双效热泵机组及自动控制装置等。水幕式太阳能集放热器为模块式结构，垂直安装在温室后墙前，安装面积140 m2，共用28 个模块，供回水管采用DN40钢丝软管连接。蓄水池有效容积36 m2，总埋深3.45 m，池顶距地面1.4 m，为现浇钢筋混凝土结构，池壁采用防水砂浆五皮防水处理。共配置3 台双效热泵机组，分别安装在东、西山墙位置。每台机组配置1 台5HP涡旋式高温型压缩机，设计单位面积装机功率为8 W/m2，因此，装机总功率 11.03 kW，总排气量42.66 m3/h，总换气量39000 m3/h；总换热水量10 t/h。该二座温室将于2012年11月中旬峻工。
天水试验温室
天水试验现场是工厂化制造的内保温组装式太阳能双效温室。如图7。地处海拨为1230 m；年平均气温11 ℃，冬季极端最低气温-17.4 ℃；年降水量600 mm；年日照时数2520 h。天水试验现场是农业企业，共建4 座温室，其中2 座单栋、2 座连栋。单栋温室东西长60 m，南北宽11 m，建设面积660 m2；连栋温室为十连栋，每座东西宽48 m，南北长84 m，建设面积4032 m2；总建设面积约0.94 公顷。
太阳能集热器的配置：单栋温室只配水袋式，放置在温室南北两边，长度为温室东西长度（60 m），宽度为1 m，水层厚度50 mm，水袋四周用120砖砌围埂，底部土壤夯实后用两层塑料泡沫包装软膜隔热保温。连栋温室北、西、南三面墙边设水幕式太阳能集热器，东面设水袋式太阳能集热器。水袋式设置方法与单栋温相同。水幕式为单元整体型，每单元高2 m、厚0.45 m、长20 m，共配置16 个单元，有效总集热面积576 m2。在2号连栋温室修建总水站，建了6 个钢筋混凝土现浇水池，总容水量120 m3。水站集蓄水、蓄热、灌溉为一体。同时，又将该试验农场东边一条小河的河水引入温室，通过太阳能双效热泵机组转换河水中潜热热能，用于温室保暖。
太阳能热泵双效机组配置：共配置11 台太阳能双效热泵机组，总换热量500 MJh，总换气量143 K·m3/h，总循环水量55 t/h，含太阳能换热循环水泵、热泵机组循环水泵、河水提水水泵、灌溉用水泵，以及热泵机组在内，总装机功率57 kW。
天水试验现场已于2012年10月开始育苗和栽培。
天水试验现场的测试：2012年10月28日，实测气温3～24 ℃，北风1～3级，晴间多云；室外平均日照900 kLx，室内平均日照700 kLx；四台热泵机组同时加热地下蓄热水池的 20 吨水，机组总装机功率14.7 kW，水泵功率1.5 kW；运行6.5 h水温由10 ℃提升至27 ℃，机组与水泵总耗电 110.6 kWh；不考虑地下水池散热之影响，17 ℃温升共获得热量 394.4 kWh，耗电110.6 kWh的换热效率为 356%。平均每吨水、每提升1 ℃耗电0.05 kWh。
讨论
本项研究获得的研究经费较少，还不够建造1 座工厂化制造组装的太阳能双效温室。目前的9 座占地约13,000 m2的太阳能双效温室系科研单位与龙头企业及农民专业合作社自筹资金建造。这表明，太阳能双效温室设计建筑方案已初步被人们所认同。有关领导部门也十分关注与支持，《太阳能双效温室建造技术试验示范》已被列入2012年度甘肃省农业科技创新项目。太阳能双效温室的研究设计仅有2 年时间，实体建造仅1 年时间，存在的问题较多，需要进一步深入研究解决。
