地热技术在温室降温中的应用研究

中国环境学会  2012年 02月16日

  张晓文,北京市农业机械研究所,13910056072  北京海淀区德外西三旗建材城西路31号、100096


  【摘要】本文介绍了浅层地能的开发利用原理,通过对北京西三旗生态园温室工程项目设计的地源热泵系统夏季使用情况的测试,分析了大型农业设施地源热泵夏季降温的能耗情况,并与相同工况下常规空调所需能耗进行了对比分析,试验结果表明地源热泵夏季制冷比使用常规空调可节能35%,并针对地源热泵系统在设施农业中的应用提出了有效建议。
  关键词:浅层地能,温室降温,地源热泵
  
  引言


  浅层地温能广泛存在于地球浅表层(<200 m)巨大的恒温带中,其能量主要来源于太阳辐射和地球梯度增温,土壤温度相对恒定,几乎不受环境气候变化的影响。与深层地热相比,浅层地温能分布广泛、储量巨大、再生迅速、采集方便、开发利用价值更大。因此,浅层地温能作为一种新型、可再生的优质清洁能源,越来越受到国家和社会的重视[1]。
  伴随着我国以设施农业为主体的现代农业的迅速发展,能源消耗对农业生产成本的影响也越来越大。节能、高效、环保已经成为未来设施农业发展的主题。目前大型农业设施主要包括各种大型连栋温室、农业交易展销大厅、大型畜禽舍,以及正在全国快速发展的各种新型生态园。目前这些大型农业设施多采用燃煤、燃油或天然气等传统能源,冬季利用锅炉集中供暖,夏季有的还用中央空调集中降温制冷。由于大型农业设施较普通建筑物所需冷热负荷大得多,采用传统能源消耗比较大,环境污染严重,而采用中央空调制冷电能消耗大,能源利用率低;且二者的运行费用都比较高[2]。因此开发利用浅层地能已经成为我国乃至全世界未来供暖与制冷替代化石能源的首选。


  1地源热泵系统组成及工作原理


  地源热泵系统是浅层地能利用的重要形式。如图1所示,所述的流程由三套循环系统、两套能量交换系统及末端能量释放系统构成,用井水作为中间介质与地下恒温岩土进行热交换,以获取岩土中能量。热泵机组的能量转换,是利用其压缩机的作用,通过消耗一定的辅助能量(如电能),在压缩机和换热系统内循环的制冷剂的共同作用下,由环境热源(如水、空气)中吸取较低温热能,然后转换为较高温热能释放至循环介质(如水、空气)中成为高温热源输出,冬季可用于为农业设施内部加温;该技术夏季还可用于对农业设施进行降温。   
  因大型农业设施传热面积大、覆盖材料传热系数大,所以能耗非常大,运行费用含冬季补温和夏季降温较高,这也是影响大型农业设施在我国发展一个主要原因,利用地源热泵技术可以很好的解决这个问题。为此在北京西三旗生态园进行了地源热泵技术的应用,见图2。

  2生态园地源热泵系统夏季降温试验设计


  2.1 测试目的
  此实验是对位于北京的西三旗生态园地源热泵夏季使用状况进行测试,通过测试温、湿度来检测温室地源热泵夏季使用时能耗情况,并与相同情况下使用空调所需能耗做比较,通过实际检测地源热泵夏季节能状况。
  2.2 测试指标
  主要测试指标为温室内、外空气温度和湿度两项指标。
  2.3 试验设备器材
  全自动温、湿度记录仪4个。其中室外放置1台,室内放置3台。
  2.4 西三旗生态园概况
  温室占地面积9504 m2,跨度33 m,开间8 m,天沟高7.5 m,顶高8.65 m,温室主体骨架为工字钢结构,温室顶部采用8 mm厚拜耳索拉塔夫PC板覆盖与100 mm厚彩钢复合板,北立面采用100 mm厚彩钢复合板,南立面采用12 mm厚钢化玻璃,东西立面采用(5+6+5)mm双层中空玻璃。 


  3 数据处理及实验分析


  3.1 温湿度测试试验数据与分析
  此次测试主要对西三旗生态园室内外温度、湿度进行了测试;夏季环境下生态园的使用情况进行了测试。同时对地源热泵夏季降温与普通空调夏季降温性能进行对比。
  试验是在生态园正常运行时间10:00~24:00进行,且运营期间保证室内温度在26℃左右,天气为晴天。试验从早9:30开始,其中自动记录仪每15分钟测试一次,测定结果如图4、图5所示。其中1点温度和1点湿度分别为室外温度和湿度。
  从上图可以看出,在空调工作时间内(10:00~24:00),室内最高温度为28.7℃,最低温度为25.9℃,日较差为2.8℃;同一时刻不同点温度最高相差1.7℃,出现在傍晚19:00点,最高点温度为28.7℃,最低点温度为27.0℃。从以上分析知西三旗生态园室内温度分布比较均匀,且日温度波动较小。而室内最高湿度为70.6%,最低湿度为59.5%,室内日湿度较差为11.1%;同一时刻不同点湿度最高相差2.7%,出现在傍晚19:00点,最高点湿度为64.2%,最低点湿度为61.5%。从以上分析知西三旗生态园室内湿度分布比较均匀,可满足大多数绿色植物生长的需要,但大部分时间不在人感觉最舒适湿度范围内。
  3.2  生态园地源热泵系统能耗分析:
  西三旗生态园地源热泵系统主要参数如下:
  主机两台,一备一用;制热功率1251 kW, 耗电量258 kW;制冷功率1020 kW, 耗电量192 kW;风机盘管331台,每台耗电量50 W;循环水泵两台,每台功率35 kW,两台同时运行;潜水泵一台,功率35 kW;制热能效比cop为4.85,制冷能效比cop为5.32。
  由前面测试结果可以看出室内外温差基本保持在26℃左右,最高温差可达28.7℃。通过实际测试统计主机运行时间及费用如表1。
  表1 地源热泵系统周天运行费用 

 

  名称

主机

风机

盘管

循环

水泵

潜水泵

数量(台)

1

331

2

1

耗电量(kW/h)

192

0.05

35

35

运行时间(h)

12.6

13

13

13

总耗电量(kWh)

2419.2

215.15

910

455

单价(元)

1

1

1

1

费用(元)

2419.2

215.15

910

455

总计费用(元)

3999.35

 

  3.3 普通冷水机组空调运行分析:
  相同负荷相同工况下普通水冷式空调分析[3][4][5]:
  主机两台,一备一用;制热功率1251 kW,制冷功率1020 kW;制热能效比cop为3.3,制冷能效比cop为3.4;制热耗电量379 kW,制冷耗电量300 kW;风机盘管331台,每台耗电量50 W;循环水泵两台,每台功率35 kW,两台同时运行;潜水泵一台,功率:35 kW。
  表2 普通空调运行费用

 

  名称

主机

风机盘管

循环水泵

潜水泵

数量(台)

1

331

2

1

耗电量(kW/h)

300

0.05

35

35

运行时间(h)

12.6

13

13

13

合计耗电量(kW)

3780

215.15

910

455

单价(元)

1

1

1

1

费用(元)

3780

215.15

910

455

合计费用(元)

5360.15 

 

  3.4地源热泵系统与普通空调系统对比分析:
  经过计算,西三旗生态园总冷负荷为945 kW,选用的主机名义工况下35℃,制冷负荷为1020 kW,耗电功率为192 kW,能效比cop为5.32;一天运行费用为3999.35元;如果选用普通水冷空调,由于实际室外温度比标准状况35℃要高,这样能效比即cop的值也会随之下降,而且呈直线下降,当室外温度38℃时,根据统计结果cop一般在2.5左右,如果室外温度再升高,则普通空调能耗比会更低。
  按照一个采暖季节90天计算,从上表可以看出西三旗生态园地源热泵夏季运行费用为359941.5元,如使用普通空调夏季运行费用为482413.5元;使用地源热泵比使用普通空调夏季节约122472元,节约34.03%。
  3.5 地源热泵系统投资对比分析
  地源热泵系统同常规的燃油锅炉加冷水机组初投资分析如表3和表4所示。就西三旗生态园项目二种调温系统投资而言, 地源热泵系统投资低于常规的燃油锅炉加冷水机组投资。
  表3 地源热泵初投资分析

 

  序号

名称

单价(万元)

1

热泵机组

220

2

各类泵

30

3

热泵机组机房电气与控制

5

4

抽灌井

15

5

井内采集装置

93

6

末端系统

130

合计

 

493

  表4 燃油锅炉+冷水机组初投资分析  

 

  序号

名称

单价(万元)

1

锅炉

98

2

各种泵类

9

3

水处理除氧设备

9

4

燃油锅炉房防爆设备

7

5

过虑装置

3

6

锅炉房电控与自控

5

7

锅炉房设备基础及烟筒

8

8

冷水机组

190

9

各类泵

19

10

冷却塔

16

11

冷水机组机房电气与控制

5

12

水处理设备

8

13

末端系统

120

合计

 

497

 
  4 结论与建议:


  通过对西三旗生态园地源热泵项目理论与实际测试分析,可以看出地源热泵系统相对普通中央空调机组具有环保节能的优点。具体结论与建议如下:
  (1)夏季使用地源热泵制冷比使用普通中央空调节约能耗约35%左右。
  (2)地源热泵系统能够实现供暖(冷)建筑使用区域的零排放,零污染。
  (3)一套地源热泵设备,冬季既可供暖,夏季又可制冷,并提供日常生活热水,能有效节约总体投资。
  地源热泵具有广泛的应用前景。面积比较大、负荷比较大的农业设施及生态园建议采用地源热泵,地源热泵相对燃油锅炉+普通空调初投资要低一点,但运行费用相对燃油锅炉+普通空调模式要低的多,故在面积比较大、档次比较高的设施农业项目上建议采用地源热泵作为供暖和降温手段。
  从上述实验数据表格可以看出设施内湿度日偏差比较大,可满足大多数绿色植物生长的需要,但多数时间略高于人最舒适感范围45%~65%。因此,建议像西三旗生态园这种高档生态园项目应增设新风系统,从而可以有效控制湿度,提高人的舒适感。
   
  参考文献
  [1] 程韧.《浅层地能(热)得开发与利用》.高科技与产业化,2007年4月.
  [2] 吕世华.《地源热泵技术与建筑节能》.暖通空调,2006年7月.
  [3] 陆耀庆.《实用供暖空调设计手册》.中国建筑工业出版社,2004年4月.
  [4] 李岱森.《简明供暖设计手册》.中国建筑工业出版社,1999年9月.
  [5] 陆延魁.《空气调节设计手册》.中国建筑工业出版社,2003年.

 
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