水源熱泵在溫室加溫中的應(yīng)用

1、水地源熱泵技術(shù)在溫室加溫中的應(yīng)用溫室的能耗情況溫室冬季生產(chǎn)需要消耗大量能源。 我國除熱帶地區(qū)的溫室冬季生產(chǎn)不需要加溫外，大部分地區(qū)冬季都比較寒冷，有的地區(qū)嚴(yán)寒期甚至長達(dá) 120-200 天，要保證種植作物的正常生長和發(fā)育，溫室生產(chǎn)，都必須配置加溫，人工補充熱量。根據(jù)所在地區(qū)不同，溫室加溫的時間也長短不一，東北地區(qū)加溫時間大約需要 56 個月，華北地區(qū)需要 35 個月。我國南方地區(qū)的連棟溫室， 尤其是花卉生產(chǎn)溫室和育苗溫室，冬季生產(chǎn)也需要進(jìn)行加溫或臨時加溫。一般，連棟溫室加溫年耗煤量約為90150kg/m2 ，燃煤成本占整個生產(chǎn)成本的 30%50%。設(shè)計不合理的溫室或地處嚴(yán)寒地區(qū)的溫室，加溫耗煤

2、可能會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出上述指標(biāo)。 因此，能量消耗大是影響大型溫室經(jīng)濟效益的重要因素之一。 目前，我國建設(shè)的大型溫室，北緯 35°地區(qū)，冬季加溫耗能費約占總成本的 30% 40%，北緯 40°地區(qū)約占 40%50%，北緯 43°及以上地區(qū)約占 60%70%。北緯 40 度左右地區(qū)：連棟溫室加溫能耗100250W/ m2燃煤消耗 60150kg/(m2·年)= 40100 噸/(畝·年)采暖煤、水電費用占生產(chǎn)成本的50%70%加溫溫室年耗煤量表北緯 35°北緯 40°北緯 43°傳統(tǒng)加溫溫室2026 kg/m24052 kg/

3、m26590 kg/m2大型連棟溫室60105 kg/m290120 kg/m2105150 kg/m2現(xiàn)代溫室工程采暖熱負(fù)荷計算采暖熱負(fù)荷是溫室加溫的主要參數(shù)，是溫室采暖設(shè)計的基礎(chǔ)，也是設(shè)計時選擇散熱設(shè)備和供熱設(shè)備的主要依據(jù)。 顯然，熱負(fù)荷計算過大，會使初始投資增加，造成浪費；過小，則不能滿足使用要求，使生產(chǎn)有可能遭受嚴(yán)重?fù)p失。實際工程中， 溫室設(shè)計一般用冬季最寒冷夜間的后半夜至凌晨的供熱量作為采暖設(shè)計熱負(fù)荷。 主要由兩個部門組成： 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失和冷風(fēng)滲透熱損失。 不同作物，不同品種，不同生長階段，對環(huán)境溫度有不同的額要求。下表列出了常見溫室瓜果類植物的適宜溫度范圍。若不知確切作物，對于幾

4、大類作物溫室的室內(nèi)設(shè)計溫度，可按下表取值。溫室采暖方式采暖系統(tǒng)一般由熱源， 室內(nèi)散熱設(shè)備和熱媒輸送系統(tǒng)組成。目前用于溫室的采暖方式主要有熱水采暖，蒸汽采暖，熱風(fēng)采暖，電熱采暖和輻射采暖等。目前溫室中最常用的熱源有燃煤鍋爐，燃?xì)忮仩t和電鍋爐。 散熱方式主要有熱水管道散熱和熱風(fēng)散熱。熱水采暖以熱水（6080） 為熱媒的采暖系統(tǒng)，由熱源鍋爐，熱水輸送管道，循環(huán)水泵，散熱器一級控制閥門等組成。 與熱風(fēng)和蒸汽采暖相比， 一次性投資較多，循環(huán)動力大，熱損失小，運行較為經(jīng)濟。一般冬季室外采暖設(shè)計溫度在 -10以下且加溫時間超過三個月的， 常采用熱水采暖系統(tǒng)。 我國北方地區(qū)大都采用熱水采暖。散熱器類型：柱形散

5、熱器占用空間多，目前基本不用；圓翼型散熱器散熱面積大，節(jié)省材料，占地小，美觀，溫室常用。光管散熱器常用來做成蛇形，直接給植物根部加熱。經(jīng)驗數(shù)據(jù)：鋼制圓翼型散熱器散熱量：600 650W/m在北京地區(qū)溫室中的配置數(shù)量：0.3 0.6m/m2蒸汽采暖以蒸汽為熱媒的采暖系統(tǒng)， 組成與熱水采暖系統(tǒng)相近。 一般在有蒸汽資源的地方或有大面積連片溫室群供暖時，為了節(jié)約投資，才選用蒸汽采暖系統(tǒng)。熱風(fēng)采暖熱風(fēng)系統(tǒng)是利用熱源將空氣加熱到要求的溫度，然后由風(fēng)機將加熱空氣送入溫室中。相比熱水加溫系統(tǒng)，熱風(fēng)采暖設(shè)備投資低，安裝簡單，但是運行費用較高。主要使用在冬季采暖時間短的地區(qū)，尤其適合于小面積單棟溫室。在我國主要使

6、用在長江流域以南地區(qū)。電熱采暖利用電流通過電阻大的導(dǎo)體將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苓M(jìn)行空氣或土壤加溫的加溫方式。溫室中常用的電加熱線有空氣加熱線和地?zé)峒訜峋€兩種。采用電熱采暖不受季節(jié)地區(qū)限制，可根據(jù)種植作物的要求和天氣條件控制加溫的強度和加溫時間，具有升溫快，溫度分部均勻，穩(wěn)定，操作靈便等優(yōu)點。缺點是耗電量大，運行費用高。多用于育苗溫室的基質(zhì)加溫和實驗溫室的空氣加溫等。地中熱交換在封閉狀態(tài)下利用貯熱原理，白天收集太陽能貯存在土壤中，夜間室內(nèi)溫度低時，再把地下貯存的熱量補充到室內(nèi)，提高夜間室溫，有效地均衡晝夜室溫。20 30冷空氣熱空氣冷空氣14 8 熱空氣冷空氣熱空氣18 地中熱交換系統(tǒng)存在問題1）管道用

7、量大，埋設(shè)施工量大，系統(tǒng)建設(shè)費用高（2050 元/m2 ）。2）蓄、放熱效果和加溫能力有限。 （在室內(nèi)氣溫25以上且持續(xù)相當(dāng)時間條件下，才能有效蓄熱，嚴(yán)冬季節(jié)不易達(dá)到該條件。夜間難以維持室內(nèi)12以上氣溫。）3）白晝溫室密閉運行方式，CO2不足的問題突出，應(yīng)考慮進(jìn)行CO2施肥。4）連陰數(shù)日時，不能有效發(fā)揮作用。5）風(fēng)機運行時產(chǎn)生噪音?；馉t采暖用地爐或鐵爐， 燃煤的煙氣通過煙道散熱供暖。熱穩(wěn)定性較好， 有輻射加熱效果；設(shè)備費用低；操作管理較麻煩；主要在日光溫室和塑料大棚中使用。地源熱泵應(yīng)用前景伴隨著我國以設(shè)施農(nóng)業(yè)為主體的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展， 能源對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的影響也越來越大。 節(jié)能高效已經(jīng)成為我

8、國未來設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的主題。 目前國內(nèi)外各種大型連棟溫室， 包括正在全國快速發(fā)展的新型生態(tài)餐廳多采用燃煤、 燃油或天然氣等傳統(tǒng)能源， 鍋爐集中供暖， 夏季有的還用中央空調(diào)集中制冷。 由于大型農(nóng)業(yè)設(shè)施較普通建筑物所需冷熱負(fù)荷大得多， 采用傳統(tǒng)能源消耗比較大， 環(huán)境污染嚴(yán)重，采用中央空調(diào)制冷電能消耗大， 能源利用率低； 且二者的運行費用都比較高。在面積比較大，負(fù)荷比較大的溫室或者生態(tài)酒店，地源熱泵相對燃油鍋爐+普通空調(diào)初投資要低一點，運行費用相對燃油鍋爐+普通空調(diào)模式要低得多，故在面積比較大，檔次比較高的設(shè)施農(nóng)業(yè)項目上建議采用地源熱泵作為供暖和降溫手段。不論是連棟玻璃溫室還是普通日光溫室，土地面積基

9、本足夠使用。 當(dāng)然最好能在溫室設(shè)計時，將系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)去，以便能在施工時充分利用溫室內(nèi)的面積。經(jīng)濟性比較地源熱泵系統(tǒng)的初期投資相對其他供暖方式要高些， 但其供暖時，能量 70以上來自淺層地能，可比鍋爐節(jié)省 70以上的能源和 4060運行費用。根據(jù)國外的經(jīng)驗，由于地源熱泵運行費用低，增加的初期投資在 37 年內(nèi)可以收回。地源熱泵系統(tǒng)在整個服務(wù)周期內(nèi)的平均費用，要低于傳統(tǒng)的供暖方式。溫室常規(guī)加溫造價1、 暖氣加溫 (不含鍋爐部分 )（ 1） 地面均布80 元/ 平方（ 5000 平方溫室為例）（ 2） 抱柱均布210 元/ 平方（ 5000 平方溫室為例）2、 熱風(fēng)爐加溫 (不含鍋爐部分 )前期投入不

10、多110 元/ 平方 （5000 平方溫室為例）后期維護(hù)及運行費用較高3、 空調(diào)加溫（僅適合于小型溫室）前期和后期費用均較高，沒有現(xiàn)成的報價，基本上 300-500 元/ 平方，調(diào)控教精確。日光溫室以北京地區(qū) 20000m 2 建筑為例，熱負(fù)荷為 250w/m 2，投資及運行費估算如下表（不包括室內(nèi)末端設(shè)備） ：方式華譽地溫溴化鋰吸收燃油鍋爐燃?xì)忮仩t電鍋爐市政管網(wǎng)項目熱泵直燃機組鍋爐或換熱設(shè)備初（萬元）輔助設(shè)備（萬元）投機房土建（萬元）設(shè)備安裝（萬元）資管網(wǎng)（萬元）總投資（萬元）運冬季 120 天行(元 /季 ·m 2)費100140173024205.215.224.220.217

11、.217.2101520201515101820202020202527272727145.2213.2108.2117.2103.299.2164545423530大型連棟溫室以北京地區(qū) 20000m 2 建筑為例，供暖、制冷負(fù)荷為 250w/m 2 ，投資及運行費估算如下表（不包括室內(nèi)末端設(shè)備） ：方式華譽地溫溴化鋰吸收 水冷機組 水冷機組 水冷機組水冷機組熱泵直燃機組燃油鍋爐燃?xì)忮仩t電鍋爐市政管網(wǎng)項目制冷主機（萬元）鍋爐或換熱設(shè)備（萬元）初冷卻設(shè)備（萬元）輔助設(shè)備（萬元）機房土建（萬元）投設(shè)備安裝（萬元）管網(wǎng)（萬元）資總投資（萬元）運 冬季120天(元 /季 ·m2)行夏季 1

12、10 天費(元 /季 ·m2)全年2(元 /季 ·m )100140909090901730242010( 水井 )12（冷卻塔） 10 （冷卻塔） 10 （冷卻塔） 10 （冷卻塔）10（冷卻塔）5.215.224.220.217.217.2101520201515101820202020202527272727155.2225.2208.2217.2203.2199.2164545423530124018181818288563605348已有的研究論文及實例中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗站日光溫室 地源熱泵系統(tǒng)：水源熱泵系統(tǒng)， 末端風(fēng)機盤管（溫度控制開啟）供暖性能指數(shù)約為3.8

13、3，每日供暖耗電量約為0.15kwh/（ m2d），供暖費用約為 0.12 元 / （m2d）。在整個冬季加溫期間，溫室夜間加溫效果穩(wěn)定，夜間可以有效地維持室內(nèi)氣溫在18以上，同時，室內(nèi)濕度保持在70%80%左右，可以有效避免普通日光溫室中夜間出現(xiàn)的接近95%以上的高濕度狀況。一棟 480m2 左右的日光溫室冬季采暖費用（不含人工費）達(dá)到8600 元，合 18 元/(m2 年)。地源熱泵供暖、 天然氣供暖、 燃煤熱水供暖以及燃油熱風(fēng)供暖幾種溫室采暖方式的相對運行費用分別約為 1.20， 1.31，1.00， 3.36。地源熱泵供暖的運行費用略高于燃煤熱水供暖， 但低于天然氣供暖和燃油熱風(fēng)供暖。

14、 雖然在運行費用方面， 地源熱泵系統(tǒng)供暖與傳統(tǒng)的燃煤熱水供暖還不具有優(yōu)勢， 但其顯著的節(jié)能減排效果以及不會對溫室建設(shè)地區(qū)造成污染的優(yōu)點， 目前尤其是在城市郊區(qū)發(fā)展具有特殊的意義。西三旗生態(tài)園：溫室面積9504m2，跨度 33 米，開間 8 米，天溝高 7.5 米，頂高 8.65 米，溫室主體骨架為工字鋼結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)配置：熱泵主機 2 臺， 1 用 1 備。制熱功率 1251kw，耗電量 258kw；制冷功率 1020kw，耗電量 192kw。末端采用風(fēng)機盤管 331 臺，每臺耗電量 50w。生態(tài)酒店內(nèi)種熱帶植物， 室內(nèi)溫度全天保持在 22左右，最高溫差達(dá)到 26。使用地源熱泵比使用普通空調(diào)節(jié)約能

15、耗30%左右。草莓博覽園：草莓博覽園標(biāo)志性建筑“三中心”占地5 萬平米，連棟溫室面積 4.4 萬平米，園區(qū)綠化面積 22 萬平米。博覽園地源熱泵系統(tǒng)包含智能溫室及“三中心”建筑的采暖及空調(diào)系統(tǒng)。供熱總面積達(dá) 9.3 萬平米，共設(shè)置 120 米深的地源換熱孔 2110 個。跟普通燃煤鍋爐相比一年可以節(jié)約標(biāo)煤 760 噸，直接減少二氧化碳排放 1400 噸。北京鮮花港：鮮花港一期溫室及其附屬設(shè)置占地面積400 畝，建筑面積22萬平米。鮮花港花卉生產(chǎn)基地?fù)碛?17 萬平米的智能溫室，是北京最大的設(shè)施花卉生產(chǎn)基地之一。 鮮花港是國內(nèi)首次在農(nóng)業(yè)設(shè)施上大規(guī)模自主開發(fā)淺層地能， 地?zé)嵝履茉吹裙?jié)能環(huán)保技術(shù)的標(biāo)

16、桿項目。鮮花港采用的供暖系統(tǒng)，屬于地源熱泵，水源熱泵，地?zé)崽菁壚眉尤細(xì)忮仩t調(diào)峰的復(fù)合式能源利用方案供暖方式， 比傳統(tǒng)能源提高 3050%的效率。鮮花港的供暖總負(fù)荷達(dá) 4.6 萬 kw。該系統(tǒng)有 4 口深層地?zé)峋?33 口水源井和 1900 多口 150 米深的土壤源換熱孔。鮮花港溫室不設(shè)暖氣片，而是把導(dǎo)熱管鋪設(shè)在地板下。夏季，鮮花港利用熱泵技術(shù)把地下100多米 14 度的冷水抽上來，通過風(fēng)機盤管制成冷氣均勻的輸送到溫室，從而實現(xiàn)降溫催花。經(jīng)過測算，運行費用 53 元每年每平米。冬季在溫室中使用地源熱泵系統(tǒng)供暖比采用傳統(tǒng)的燃煤熱水或燃油燃?xì)夤┡绞竭\行費用要低30%以上。而夏季降溫工況下， 由當(dāng)前的實驗觀察和理論分析可知，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)無論在降溫效果方面還是節(jié)能方面都落后于當(dāng)前