摘要：為研究低緯度地區(qū)玻璃溫室中地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的可行性，在南京市溧水區(qū)的玻璃溫室中進(jìn)行了地源熱泵系統(tǒng)加溫試驗(yàn)。結(jié)果表明，地源熱泵系統(tǒng)能夠有效增加玻璃溫室內(nèi)的溫度，制熱系數(shù)達(dá)到3.39，較傳統(tǒng)的燃煤鍋爐加溫平均節(jié)能36.38%；冬季使用地源熱泵系統(tǒng)加溫日運(yùn)行費(fèi)用為0.24元/m2，低于采用燃煤鍋爐加溫的日運(yùn)行費(fèi)用029元/m2。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；玻璃溫室；加溫；節(jié)能效果；效益分析

中圖分類號(hào)： S624文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）02-0374-03

收稿日期：2014-10-20

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號(hào)：CX（12）3008]。

作者簡(jiǎn)介：鄭子松（1973—），男，江蘇東海人，碩士，副研究員，主要從事園藝作物種苗研究。Tel：（025）84390623；E-mail：jaaszhzs@126.com。設(shè)施農(nóng)業(yè)作為一項(xiàng)高效農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，近年來(lái)發(fā)展迅速。2012年，我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)面積已占世界總面積85%以上，成為世界上設(shè)施農(nóng)業(yè)面積最大的國(guó)家。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對(duì)能源的依賴已越來(lái)越嚴(yán)重。研究表明，在中國(guó)35°～43°N地區(qū)，冬季采用燃煤鍋爐加熱的溫室耗能費(fèi)用約占全年總生產(chǎn)成本30%～70%以上[1]，一方面過(guò)高的能耗影響了設(shè)施農(nóng)業(yè)比較效益的獲得，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)燃煤加溫設(shè)備易產(chǎn)生環(huán)境污染[2]。因此，尋求節(jié)能、高效環(huán)保的冬季溫室加溫措施已經(jīng)成為當(dāng)前設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)。

地源熱泵（ground source heat pump，GSHP）是近年來(lái)逐步發(fā)展起來(lái)的一種新型節(jié)能環(huán)保技術(shù)，是利用地表水或淺層地下水作為空調(diào)熱（冷）源，兼具加溫、制冷雙重功能的現(xiàn)代空調(diào)工藝[3-6]，目前，國(guó)外相關(guān)研究較多[7-8]。我國(guó)對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)50年代[9]，近年來(lái)，在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[10-13]。目前，國(guó)內(nèi)研究主要集中于北方地區(qū)，方慧等的研究地點(diǎn)在北京市順義區(qū)三高國(guó)際鮮花港基地（40°2′N）[13]、張曉慧等的研究地點(diǎn)位于40°1′N[10]，柴立龍等的研究地點(diǎn)則位于39°40′N[11]，而對(duì)地源熱泵技術(shù)在長(zhǎng)江以南地區(qū)的應(yīng)用研究相對(duì)較少。

本研究地點(diǎn)位于江蘇省南京市（31°7′N），通過(guò)分析低緯度地區(qū)地源熱泵技術(shù)在冬季玻璃溫室中的加溫效果以及經(jīng)濟(jì)性能，為長(zhǎng)江以南地區(qū)現(xiàn)代設(shè)施合理利用地源熱泵技術(shù)提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地點(diǎn)與溫室狀況

試驗(yàn)于2013年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院溧水植物科學(xué)基地、江蘇省高效園藝作物種子種苗產(chǎn)業(yè)化示范基地玻璃溫室中進(jìn)行，基地位于江蘇省南京市溧水區(qū)（31°7′N、119°1′E）。

玻璃溫室建于2009年，溫室屋脊為南北走向，文洛式小尖頂一跨三、多雨槽、格構(gòu)架結(jié)構(gòu)，跨度12 m×6=72 m，開間8 m×5=40 m，肩高4.5 m，頂高5.5 m，面積2 880 m2，覆蓋 4 mm 厚國(guó)產(chǎn)浮法玻璃，透光率>90%。雙層內(nèi)保溫系統(tǒng)。溫室采用雙層保溫簾幕裝置：第1層簾幕平裝于溫室桁架上弦的平面上，采用綴鋁保溫幕做簾幕，保溫率不小于65%，遮陽(yáng)率為50%；第2層簾幕平裝于桁架下弦的平面上，采用專用保溫膜作為保溫簾幕，遮陽(yáng)率為15%。溫室分區(qū)均配備循環(huán)風(fēng)扇，每跨安裝2臺(tái)，風(fēng)量為5 200 m3/（h·臺(tái)）。對(duì)照溫室裝備與試驗(yàn)溫室相同，無(wú)加溫設(shè)備。

1.2地源熱泵系統(tǒng)及原理

供試的地源熱泵是根據(jù)GB 50366—2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》要求于2010年設(shè)計(jì)安裝。系統(tǒng)鉆井148口，鉆井深度90 m，埋雙U形管27 000 m，額定供冷量按照 0.21 kW/m2 配置，額定供熱量按照0.17 kW/m2配置。

1.3數(shù)據(jù)測(cè)定

在試驗(yàn)溫室、對(duì)照溫室、露地分別安裝5個(gè)溫度計(jì)，懸掛高度距地面80 cm。2013年1月10日至2月9日，于 07：00 分別記載試驗(yàn)溫室、對(duì)照溫室、露地溫度（5個(gè)溫度計(jì)的平均值）；2013年1月23日至2月3日每隔2 h記錄1次試驗(yàn)溫室、對(duì)照溫室、露地的溫度。

2013年1月11—18日分別記載源熱泵進(jìn)出溫室的熱水進(jìn)出口溫度，同時(shí)記載地源熱泵的實(shí)際耗電量。

1.4地源熱泵COP的計(jì)算

地源熱泵的COP值表示系統(tǒng)的制熱性能，其值越大則表明節(jié)能效果越好。地源熱泵加熱時(shí)，其COP值根據(jù)地面供熱管進(jìn)出口水溫度、流量和熱泵機(jī)組、潛水泵和循環(huán)水泵的耗電量來(lái)計(jì)算，計(jì)算公式[13]為：

COP=V×ρ×CρA×TP。（1）

式中：COP為地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際制熱系數(shù)；V為地源熱泵系統(tǒng)循環(huán)水流量；ρ為水的密度，取1 000 kg/m3；CρA為水的熱容，取4.2 kJ/（kg·℃）；T為地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)出水口平均溫度差；P為地源熱泵系統(tǒng)總輸入功率（kW·h）。

1.5地源熱泵節(jié)能率的計(jì)算

先將地源熱泵系統(tǒng)加溫所用的耗電量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤用量M1，再根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)加溫所獲得的熱量折算成采用燃煤鍋爐加溫所需的標(biāo)準(zhǔn)煤用量M2，并根據(jù)公式（2）計(jì)算獲得節(jié)能率。

節(jié)能率=M2-M1M2×100%。（2）

式中：M1根據(jù)公式（3）計(jì)算而得，M2根據(jù)公式（4）計(jì)算而得。

M1=W×3 600QH×ηd×ηp。（3）

式中：W為地源熱泵系統(tǒng)消耗的電量；QH為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，取29 260 kJ/kg；ηd為火力發(fā)電廠的發(fā)電效率，取0.35；ηp為輸配電效率，取0.95。

M2=V×ρ×CρA×T×tQH×ηg×ηw。（4）

式中：V為地源熱泵系統(tǒng)循環(huán)水流量；ρ為水的密度，取 1 000 kg/m3；CρA為水的熱容，取4.2 kJ/（kg·℃）；T為地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)出水口平均溫度差；t為加熱時(shí)間；QH為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，取29 260 kJ/kg；ηg為燃煤鍋爐的效率，取0.70；ηw為管網(wǎng)輸送效率，取0.95。endprint

2結(jié)果與分析

2.1地源熱泵系統(tǒng)的加溫效果

2.1.1地源熱泵系統(tǒng)對(duì)玻璃溫室日平均溫度的影響將2013年1月10日至2月9日期間地源熱泵系統(tǒng)溫室、普通溫室及露地的溫度記錄（時(shí)間為每日07：00）繪制成折線圖（圖1）。由圖1可知，試驗(yàn)期間地源熱泵系統(tǒng)溫室溫度在12.0～17.2 ℃之間變化，1月26日溫度最低，2月5日溫度最高，最大溫差為5.2 ℃；對(duì)照溫室的溫度在-1.0～9.1 ℃ 之間變化，溫度最低的日期為2月3日，而1月30日的溫度最高，最大溫差為10.1 ℃；露地溫度的變化范圍為 -6.0～4.3 ℃，極值溫度分別出現(xiàn)在1月23日（最低）和1月19日（最高），溫差為10.3 ℃。地源熱泵系統(tǒng)溫室的月平均溫度為14.72 ℃，明顯高于對(duì)照溫室的4.98 ℃和露地的1.09 ℃。表明地源熱泵系統(tǒng)對(duì)玻璃溫室的加溫效果明顯，并能有效減緩玻璃溫室內(nèi)溫度的大幅波動(dòng)。

2.1.2地源熱泵系統(tǒng)對(duì)玻璃溫室日不同時(shí)段氣溫的影響為了解不同天氣條件下地源熱泵系統(tǒng)對(duì)玻璃溫室的增溫效果，分別記錄1月23日（晴天）和2月3日（陰天）的日氣溫情況并繪制成折線（圖2、圖3）。由圖2可知，在晴天條件下，地源熱泵系統(tǒng)溫室中全天溫度變化范圍為1.3～26.1 ℃，溫差為13.8 ℃；對(duì)照溫室中全天溫度變化范圍為 -1.2～24.5 ℃，溫差達(dá)25.7 ℃；室外溫度的變化范圍在-7.7～8.6 ℃，溫差為16.3 ℃。地源熱泵系統(tǒng)溫室、對(duì)照溫室和露地的日最高溫度均出現(xiàn)在14：00，分別達(dá)到了26.1、245、8.6 ℃；最低溫度均出現(xiàn)在凌晨06：00，分別為12.3、-1.2、-7.7 ℃。地源熱泵系統(tǒng)溫室的日平均溫度最高，達(dá)16.46 ℃，比對(duì)照溫室的7.59 ℃、露地的-1.77 ℃分別高887 ℃和18.23 ℃。由圖3可知，在陰天條件下，地源熱泵系統(tǒng)溫室中全天溫度變化范圍為12.5～23.9 ℃，溫差為114 ℃；對(duì)照溫室中全天溫度變化范圍為-1.5～17.0 ℃，溫差為18.5 ℃；露地溫度的變化范圍在-5.5～10.5 ℃，溫差為16.0 ℃。地源熱泵系統(tǒng)溫室、對(duì)照溫室和露地的日最高溫度出現(xiàn)的時(shí)段分別為14：00、13：00、12：00，溫度分別為23.9、17.0、10.5 ℃；地源熱泵系統(tǒng)溫室中日最低溫度出現(xiàn)在凌晨04：00，為12.5 ℃，對(duì)照溫室、露地的日最低溫度則出現(xiàn)在凌晨06：00，最低溫度分別為-1.5 ℃和-5.5 ℃，比地源熱泵系統(tǒng)溫度低14.0 ℃和18.0 ℃。地源熱泵系統(tǒng)溫室日平均氣溫達(dá)到了16.40 ℃，分別比對(duì)照溫室和露地高10.95 ℃和 15.80 ℃。表明在不同天氣條件下，地源熱泵系統(tǒng)對(duì)玻璃溫室的增溫效果明顯，不僅可以提高日平均溫度，還能夠提高日最低、最高溫度。

2.2地源熱泵系統(tǒng)的制熱系數(shù)分析

一般生產(chǎn)上用制熱系數(shù)COP（Coefficient of Performance）來(lái)表示熱泵的性能，為制熱量與所耗機(jī)械功（或熱能）的比值。試驗(yàn)于1月11日18：00至1月18日08：00間記載了地源熱泵進(jìn)出水口平均溫度、循環(huán)水流量、耗電量及耗電功率，根據(jù)公式（1），分別計(jì)算出實(shí)際COP值（表1）。由表1可知，1月12日18：00至1月13日8：00期間的COP值最高，達(dá)到3.66，而1月16日18：00至1月17日8：00期間的COP值最低，為3.16；試驗(yàn)期間的平均COP值為3.39，表示外界每輸入1 kW·h的能量，溫室可得到3.39 kW·h的熱量。

2.3地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果分析

根據(jù)公式（3）將地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際消耗的電量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量，再根據(jù)公式（4）將地源熱泵系統(tǒng)加溫獲得的熱量折算成采用燃煤鍋爐加溫所需的標(biāo)準(zhǔn)煤用量，并根據(jù)公式（2）計(jì)算獲得節(jié)能率（表2）。由表2可知，試驗(yàn)期間地源熱泵系統(tǒng)日均耗電量折合標(biāo)準(zhǔn)煤用量為460.69～49954 kg，平均為478.13 kg，若采用燃煤鍋爐加熱獲得相同熱量需消耗標(biāo)準(zhǔn)煤用量為678.84～848.55 kg，平均為 751.57 kg，則地源熱泵系統(tǒng)加熱較燃煤鍋爐加熱相對(duì)節(jié)能31.86%～41.13%，平均節(jié)能效率為36.38%。

2.4地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析

為比較地源熱泵系統(tǒng)與燃煤鍋爐加熱的運(yùn)行費(fèi)用，將地源熱泵系統(tǒng)、燃煤鍋爐加熱的實(shí)際消耗電量、標(biāo)準(zhǔn)煤用量分別乘以平均單價(jià)[電0.53元/（kW·h）、煤1.13元/kg]求出運(yùn)行費(fèi)用（表3）。1月11—18日期間，地源熱泵系統(tǒng)日均消耗電量為1 292 kW·h，日均運(yùn)行費(fèi)用為684.84元；如使用燃煤鍋爐加熱獲得相同的熱量，日均消耗標(biāo)準(zhǔn)煤用量為 751.57 kg，日均運(yùn)行費(fèi)用為849.27元。結(jié)果表明，在加熱效果相同的情況下，使用地源熱泵系統(tǒng)較使用燃煤鍋爐加熱的日均運(yùn)行費(fèi)用低164.43元。

3結(jié)論與討論

3.1地源熱泵系統(tǒng)的加溫效果

本試驗(yàn)研究了地源熱泵系統(tǒng)對(duì)玻璃溫室的加溫效果，結(jié)果表明，地源熱泵系統(tǒng)能夠有效增加玻璃溫室內(nèi)的溫度，與前人的研究結(jié)果[10-13]基本一致。從月平均溫度（2013年1月10日至2月9日）來(lái)看，地源熱泵系統(tǒng)溫室較對(duì)照玻璃溫室提高了9.74 ℃，較露地提高了13.63 ℃；從日均溫度來(lái)看，在晴天條件下地源熱泵系統(tǒng)溫室溫度達(dá)到了16.46 ℃，比對(duì)照玻璃溫室、露地分別高8.87 ℃和18.23 ℃，而在陰天條件下，地源熱泵系統(tǒng)溫室溫度比對(duì)照溫室和露地提高1095 ℃和15.80 ℃。本研究結(jié)果還表明，地源熱泵系統(tǒng)溫室中溫度的變化相對(duì)平緩，有利作物生長(zhǎng)，如在2013年1月10日至2月9日期間，地源熱泵系統(tǒng)溫室內(nèi)的溫差僅為5.2 ℃，而對(duì)照溫室及露地的溫差分別達(dá)到了10.1、10.3 ℃。

本試驗(yàn)中溫度測(cè)量點(diǎn)高度距地表80 cm處，該高度一般為育苗床架的高度，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)溫室育苗具有較好指導(dǎo)意義。對(duì)于溫室普遍栽培而言，地溫對(duì)于作物的生長(zhǎng)更加重要。本試驗(yàn)雖然未對(duì)地溫進(jìn)行測(cè)量，但前人的研究已經(jīng)證明，地源熱泵系統(tǒng)對(duì)于地溫有著明顯的提升作用[10，13]。endprint

3.2地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果

本研究中地源熱泵系統(tǒng)的制熱系數(shù)為3.39，與王吉慶等研究結(jié)果相當(dāng)（COP=3.31）[14]，但小于張曉慧等的研究結(jié)果（COP=4.16）[10]、大于方慧等的研究結(jié)果（COP=262）[13]。這種差異來(lái)源于試驗(yàn)溫室的保溫性能不同，此外試驗(yàn)地點(diǎn)、天氣條件、地源熱泵系統(tǒng)的差異也有可能造成結(jié)果的不一致。

由于熱泵系統(tǒng)的制熱系數(shù)恒大于1，即熱泵的能量輸出大于能量輸入，而消耗煤、石油、天然氣以及直接用電取暖時(shí)的熱效益小于1，因此地源熱泵系統(tǒng)要比其他加溫設(shè)備節(jié)能[10]。本試驗(yàn)中使用地源熱泵系統(tǒng)較傳統(tǒng)的燃煤鍋爐加溫平均節(jié)能36.38%，使用地源熱泵系統(tǒng)一是減少了能量的輸入，二是減少了二氧化碳、粉塵等污染物的排放，有利于緩減環(huán)境壓力。

3.3地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益

地源熱泵系統(tǒng)通過(guò)輸入少量的高品位能源（如電能），實(shí)現(xiàn)低品位熱能（地?zé)幔┫蚋咂肺粺崮苻D(zhuǎn)移，因此在節(jié)約能源的基礎(chǔ)上可以顯著降低運(yùn)行費(fèi)用。本試驗(yàn)中冬季使用地源熱泵系統(tǒng)加溫日運(yùn)行費(fèi)用為0.24元/m2（684.84元/2 880 m2），而采用燃煤鍋爐加溫的日運(yùn)行費(fèi)用為0.29元/m2（849.27元/2 880 m2）；此外，燃煤鍋爐加溫時(shí)需配備1～2名鍋爐工，且日常維護(hù)費(fèi)用也高于地源熱泵系統(tǒng)，所以在經(jīng)濟(jì)性層面，地源熱泵系統(tǒng)較燃煤鍋爐有著明顯的優(yōu)越性。目前，限制其應(yīng)用的主要問題在于高昂的初期投入費(fèi)用，因此推廣地源熱泵系統(tǒng)一方面需要不斷降低地源熱泵安裝的費(fèi)用以減

少初期投入，另一方面需要溫室采用更好的保溫措施以減少熱能的消耗，進(jìn)一步減少運(yùn)行費(fèi)用。在種植品種上，需要選擇效益更高的作物，如精品蔬菜、花卉苗木等，增加單位面積的產(chǎn)值，以降低生產(chǎn)成本，這也是擴(kuò)大地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的可能途徑之一。

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