0 引 言

 

  地源熱泵（ground source heat pump，GSHP）是一種以淺層土壤或地下水（200 m 以內(nèi)）作為空調(diào)熱源或冷源，兼具加溫和制冷雙重功能的熱泵技術(shù)，也是近年來世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速和研究較為廣泛的一項(xiàng)可再生能源空調(diào)工藝之一[1-4]。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)和都市農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，2006年底，北京地區(qū)擁有溫室及大棚數(shù)量達(dá)到19 321.1 hm2，共建成農(nóng)業(yè)觀光園區(qū)1 230 個(gè)[5]。地源熱泵技術(shù)逐漸在設(shè)施農(nóng)業(yè)熱環(huán)境調(diào)控中引起廣泛重視。

 

  Toyoki Kozai 在20 世紀(jì)80 年代采用燃油驅(qū)動地下水式熱泵系統(tǒng)在日本的一棟溫室中進(jìn)行供暖研究（地下水溫為14℃）[6]，機(jī)組性能系數(shù)（coefficient of performance，COP）達(dá)到2.16，比直接采用燃油加熱器節(jié)能50%。OnderOzgener 和Arif Hepbasli 在土耳其Ege 大學(xué)（北緯38°24′）采用一套小型太陽能輔助-地埋管式熱泵系統(tǒng)（供暖能力為4 kW）給一棟約50 m2 溫室進(jìn)行供暖[7]，系統(tǒng)供暖系數(shù)COP 約為2.27。方卉，楊其長等在北京一棟Venlo 型連棟溫室中進(jìn)行了GSHP 供暖的研究[8]，系統(tǒng)COP 達(dá)到3.14。上述研究均證實(shí)了GSHP 技術(shù)在溫室供暖中具有較高的COP，然而與其他供暖方式相比，其經(jīng)濟(jì)性如何，由于涉及不同采暖系統(tǒng)的利用方式、配置情況、不同能源的相對成本以及地域和利用時(shí)期上的差異等復(fù)雜因素，這是需要進(jìn)一步深入研究和分析的問題。

 

  為此，本研究通過在一棟溫室中采用GSHP 系統(tǒng)進(jìn)行冬季供暖試驗(yàn)，分析熱泵系統(tǒng)在溫室供暖中的工作性能和能耗情況及其經(jīng)濟(jì)性。

 

  1 試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)方法

 

  1.1 試驗(yàn)溫室-GSHP 系統(tǒng)

 

  試驗(yàn)溫室及地下水式GSHP 空調(diào)系統(tǒng)位于北京市海淀區(qū)上莊鎮(zhèn)（北緯39°40′），溫室為東西走向，長60 m，跨度8 m，脊高3.5 m，北墻高2.5 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及覆蓋材料詳見文獻(xiàn)[9]。試驗(yàn)選取兩棟結(jié)構(gòu)、材料以及建造時(shí)間均相同的試驗(yàn)站2 號和3 號日光溫室為研究對象，以下簡稱G2 和G3。試驗(yàn)期間G2 中使用GSHP 系統(tǒng)供暖，室內(nèi)種植黃瓜，草莓等作物；G3 中不使用任何供暖設(shè)施，早期種植黃瓜。G2 中GSHP 系統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管末端的關(guān)閉和開啟采用溫度自動控制，設(shè)置的夜間溫度下限為18℃，上限為20℃。G2、G3 保溫被覆蓋時(shí)間為晚上17:00 至次日9:00。

 

  圖 1 所示為本研究中使用的地下水式GSHP 空調(diào)系統(tǒng)的基本構(gòu)成。系統(tǒng)詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見參考文獻(xiàn)[9]。冬季進(jìn)行供暖運(yùn)行時(shí)，打開水閥a、d、f、g，關(guān)閉b、c、e、h 閥。地下水流經(jīng)路線為：抽水井-a-蒸發(fā)器-f-回水井，循環(huán)水流經(jīng)路線為：冷凝器- g –實(shí)驗(yàn)溫室末端/辦公樓– d–冷凝器。采暖期內(nèi)，GSHP 系統(tǒng)同時(shí)通過不同的循環(huán)管路給試驗(yàn)溫室和辦公樓以及另外一棟玻璃連棟溫室供暖。使用的地下水換熱之后，除了供給日常生活需要的用水之外，全部進(jìn)行回灌處理。

 

  1.2 試驗(yàn)方法與測試儀器

 

  溫室GSHP 系統(tǒng)從2007 年10 月15 日開始供暖，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行至2008 年3 月10 日采暖期結(jié)束。試驗(yàn)期間主要采集了以下數(shù)據(jù)：1）在系統(tǒng)各供、回水管路上安裝冷/熱量表（京源水儀器儀表廠）記錄供暖量，圖1 所示位置5、6 為DN100 系列冷/熱量表，7、8 為DN35 系列冷/熱量表。2）在9、10 位置采用T 型熱電偶對進(jìn)、出井水的溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。3）采用溫、濕度傳感器（ESPEC RS-11，JAPAN）監(jiān)測室內(nèi)以及風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)、出口空氣的溫、濕度變化，自動采集時(shí)間步長為10 min。

 

  沿著溫室南北中心線，從東至西，室內(nèi)分別在距離東端15、30 和45 m 的2 m 高度處各布置1 個(gè)。選取2 個(gè)風(fēng)機(jī)盤管（從東至西第4 個(gè)，第6 個(gè)），分別在其進(jìn)口和出口處各布置一個(gè)。所有RS-11 傳感器的感應(yīng)探頭均使用鍍鋁膜材料進(jìn)行熱輻射屏蔽的處理。4）使用手持式日光輻射計(jì)（ESM-PY1 太陽總輻射表，北京鴻泰順達(dá)科技有限公司）于晴朗天氣對G2、G3 兩棟溫室的透光率進(jìn)行了測量。5）利用試驗(yàn)站的氣象數(shù)據(jù)采集站監(jiān)測室外氣溫、太陽輻射、風(fēng)速等氣象參數(shù)。室外氣象站安裝在3 m 位置高處，數(shù)據(jù)采集時(shí)間步長為10 min。6）使用普通電度表（上海華夏電表廠）記錄系統(tǒng)能耗情況。

 

  1.3 GSHP 系統(tǒng)性能評價(jià)方法

 

  關(guān)于本研究中涉及的熱泵機(jī)組組成、技術(shù)參數(shù)以及工作原理、過程等，已在文獻(xiàn)[9]中進(jìn)行了詳細(xì)闡述，本文僅對循環(huán)水供暖末端的換熱及系統(tǒng)能耗進(jìn)行分析。測定溫室內(nèi)供暖末端設(shè)備風(fēng)機(jī)盤管供熱量的冷/熱量表由兩個(gè)T-型熱電偶、旋翼式流量表和計(jì)時(shí)器等部件組成，熱量值將被累計(jì)記錄.

 

  2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

 

  2.1 供暖系統(tǒng)工作情況以及溫室內(nèi)的環(huán)境

 

  表1 所示為2008 年2 月2 日－8 日連續(xù)6 個(gè)夜間G2和G3 室內(nèi)、外環(huán)境參數(shù)及夜間供暖量變化情況。連續(xù)6個(gè)夜間G2 內(nèi)的平均氣溫均保持在19.5℃左右，比G3 高11.4℃。2 月3 日晚上至4 日凌晨夜間室外平均氣溫為-10.7℃，最低氣溫達(dá)到-15.2℃，G2 內(nèi)夜間氣溫仍然能保持在17.9～20.7℃，GSHP 供暖系統(tǒng)具有較穩(wěn)定的工作性能。與此同時(shí)，對比溫室G3 內(nèi)的夜間平均氣溫僅約為7.6℃。

 

  溫室的采暖負(fù)荷與溫室內(nèi)外氣溫差、室外風(fēng)速、以及管理方式（例如白晝通風(fēng)、夜間溫室密閉程度等情況）等有關(guān)，對于日光溫室，還有墻體和地面白晝蓄積太陽熱量的情況，蓄積熱量的多少，對夜間墻體內(nèi)和地下土壤的溫度高低也有影響，從而影響墻體與地面?zhèn)鬟f的熱量（這一點(diǎn)是日光溫室采暖負(fù)荷變化的方面，與普通連棟溫室有很大差異之點(diǎn)）。一般情況下，溫室內(nèi)、外氣溫差越大，供暖量也應(yīng)該越大，但表1 反映的情況并非完全如此，例如2008 年2 月3 日夜間至4 日凌晨，室外氣溫平均值達(dá)到-10.7℃，室內(nèi)外溫差達(dá)到30℃，是表中最大溫差，然而夜間加溫供暖量并非最大，其原因可能是該夜室外風(fēng)速較低（近乎零風(fēng)速），從而降低了溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面與室外氣流的對流換熱速率，同時(shí)，保溫被被風(fēng)掀動得少，覆蓋較為嚴(yán)密、溫室密閉較好，因此保溫效果會得到提高。此外，2 月5 日夜間至6 日凌晨室外氣溫并非連續(xù)6 天之中最低的情況，但是G2 中夜間的供暖量卻在這幾天之中最高，其原因如圖2 所示，從2 月5日－6 日室內(nèi)、外環(huán)境參數(shù)變化情況來看，G2 中氣溫在中午12:00 后有明顯降低的趨勢，并持續(xù)到13:30 左右，其原因是中午G2 溫室中天窗打開換氣的時(shí)間較長，室內(nèi)、外空氣交換量增加，減少了室內(nèi)的太陽熱能積累。

 

  平時(shí)溫室中午開天窗的時(shí)間一般為30 min。無采暖設(shè)備的G3 溫室內(nèi)，在夜間仍然能維持高于室外十余度的氣溫，其熱量主要來源于儲存在墻體與地面土壤中的太陽輻射熱量。

 

  圖 3 為夜間室內(nèi)、外相對濕度的變化情況。室外夜間平均相對濕度RHO 普遍為35%～50%，2 月3 日至4日達(dá)到65%左右。而在觀測期間夜間，G3 內(nèi)的相對濕度RH3 接近100%，G2 內(nèi)的相對濕度RH2 平均為70%～80%。

 

  圖 4 所示為2 月2 日-7 日，9:00-17:00 室內(nèi)平均太陽輻射量。2008 年1 月5 日（基本處于供暖期中間時(shí)段）在G2，G3 兩棟溫室中測量的透光率分別為65.5%和67.9%（9:30，12:20，16:00 3 次測量取平均值）。G2 溫室內(nèi)的太陽輻射總量Qr2 略小于G3 溫室內(nèi)的太陽輻射總量Qr3。兩棟溫室采用的薄膜材料為同一材料，使用年限也相同。引起G2 溫室內(nèi)太陽輻射略低于G3 的原因可能有兩個(gè)：一是兩棟溫室內(nèi)種植的作物數(shù)量不同，溫室G2中種植作物數(shù)量較多，G3 中種植作物較少且處于收獲季節(jié)。因此，在室內(nèi)測量輻射時(shí)，種植作物較多的G2 溫室內(nèi)的漫反射會少于G3；二是G2 溫室中白天進(jìn)行蒸騰作用散發(fā)的水汽多于G3，從而導(dǎo)致G2 薄膜材料內(nèi)表面的水汽凝結(jié)多于G3。

 

  2.2 GSHP 系統(tǒng)與其他加溫方式的經(jīng)濟(jì)性對比

 

  根據(jù)2007 年10 月15 日－2008 年3 月10 日期間連續(xù)觀測的數(shù)據(jù)，GSHP 系統(tǒng)累計(jì)供給日光溫室的供暖量為149 270.4 MJ，溫室供暖消耗電能約為10 826.1 kW·h（38 974 MJ），則采暖期內(nèi)系統(tǒng)供暖性能系數(shù)COPsys 約為3.83（=149270.4/38974）。按熱電轉(zhuǎn)換與輸送效率（熱電廠產(chǎn)生和輸送到用戶的電能與所消耗的燃煤燃燒產(chǎn)生的熱能之比值）為27%計(jì)算[11]，為提供上述GSHP 系統(tǒng)供暖消耗電能，發(fā)電廠消耗標(biāo)準(zhǔn)煤（燃燒值為29 306 MJ/t）為4.93 t（=38974/(0.27×29306)）。

 

  而如果該試驗(yàn)溫室采用燃煤熱水系統(tǒng)采暖，其供熱最終的總熱效率按60%計(jì)算，則提供上述期間同樣的供暖量（149 270.4 MJ），燃煤熱水采暖系統(tǒng)需消耗標(biāo)準(zhǔn)煤8.49 t（=149270.4/(0.6×29306)）。因此，與燃煤熱水系統(tǒng)供暖相比，采用GSHP 系統(tǒng)加熱溫室可節(jié)約42%（=(8.49-4.93)/ 8.49）的能源消耗量，具有很好的節(jié)能、減排效果。

 

  對于 GSHP 系統(tǒng)供暖與其它供暖方式相比的經(jīng)濟(jì)性問題，根據(jù)北京地區(qū)2007－2008 采暖期統(tǒng)計(jì)的電能、燃煤、天然氣和輕質(zhì)柴油價(jià)格，可以將幾類供暖系統(tǒng)與地源熱泵供熱系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比。采暖期內(nèi)試驗(yàn)站白天正常電價(jià)約為1.1 元/kW·h，夜間低谷時(shí)期電價(jià)為0.6元·kWh-1，由于溫室采暖主要集中在夜間，綜合考慮電價(jià)取為0.8 元/kW·h。實(shí)驗(yàn)溫室整個(gè)采暖期供暖耗能費(fèi)用約為8 661 元。對比分析結(jié)果如表2 所示（部分能源價(jià)格來自北京市發(fā)改委京發(fā)改〔2007〕2069 號文件）[12-13]。從表2 中可以看出，GSHP系統(tǒng)供暖費(fèi)用高于燃煤熱水供暖，但低于天然氣供暖和燃油熱風(fēng)供暖。如以燃煤熱水供暖的冬季采暖運(yùn)行費(fèi)用為1.00，則地源熱泵供暖、天然氣供暖以及燃油熱風(fēng)供暖相應(yīng)的冬季采暖相對運(yùn)行費(fèi)用為1.20、1.31 與3.36。與天然氣采暖方式相比，在試驗(yàn)日光溫室中采用GSHP 供暖方式一個(gè)冬季采暖期可節(jié)省771 元采暖費(fèi)用，約節(jié)省8%。與燃油熱風(fēng)爐相比，則可以節(jié)省15 573 元，可見燃油供暖不宜大規(guī)模使用，只在加溫量小、或加溫時(shí)間短的小規(guī)模臨時(shí)加溫中采用。

 

  此外，根據(jù)溫室總供暖量、耗電量、溫室面積以及采暖期時(shí)間長度等數(shù)據(jù)，可以得出GSHP 系統(tǒng)的單位面積溫室的每日供暖耗電量約為0.15 kW·h/(m2·d)，費(fèi)用約為0.12 元/(m2·d)。

 

  3 結(jié) 論

 

  本文根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)采暖溫室的冬季運(yùn)行試驗(yàn)觀測結(jié)果，研究分析了地源熱泵系統(tǒng)用于北京地區(qū)溫室采暖的效果、能耗以及運(yùn)行費(fèi)用，并與其他溫室采暖方式進(jìn)行了對比，結(jié)論如下：

 

  1）在整個(gè)冬季加溫期間，地源熱泵系統(tǒng)用于溫室夜間加溫的能力充足，加溫效果穩(wěn)定。試驗(yàn)溫室夜間可以有效地維持室內(nèi)氣溫在設(shè)定值18℃以上，同時(shí)，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。

 

  2）試驗(yàn)溫室采暖期內(nèi)GSHP 系統(tǒng)供給溫室的熱量為149 270.4 MJ，同時(shí)消耗10 826.1 kW·h 的電能，其供暖COPsys 達(dá)到3.83。溫室單位面積的每日供暖耗電量為0.15 kW·h/(m2·d)，供暖費(fèi)用為0.12 元/(m2·d)。

 

  3）溫室采用地源熱泵系統(tǒng)供暖具有顯著的節(jié)能減排效果，與燃煤熱水采暖系統(tǒng)相比，地源熱泵系統(tǒng)供暖可節(jié)約42%的能源消耗量。

 

  4）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(yùn)行費(fèi)用分別約為1.20、1.31、1.00 與3.36，地源熱泵供暖的運(yùn)行費(fèi)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。