孫行健，石惠嫻，陳慧子，裴曉梅

(1．同濟(jì)大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院，同濟(jì)大學(xué)國家設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 200092;

2．同濟(jì)大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 200092)

植物工廠作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，利用高精度控制技術(shù)以達(dá)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物高效增產(chǎn)的目的。目前大多數(shù)植物工廠的供能方式和溫室一樣，冬季較常采用傳統(tǒng)的加溫模式:燃油熱風(fēng)爐加溫和燃煤熱水加溫系統(tǒng)等。但是此類傳統(tǒng)加溫方式需燃燒大量化石燃料，會造成大量二氧化碳等溫室氣體以及有害氣體排放的惡果，危害生態(tài)環(huán)境。因此，應(yīng)用地源熱泵技術(shù)為植物工廠供能引起廣泛關(guān)注。許多清潔能源利用技術(shù)如淺層地?zé)崮芾眉夹g(shù)等逐漸引起學(xué)者們的關(guān)注。

Yumrutas［1］等研究了帶季節(jié)性地下蓄能的太陽能熱泵系統(tǒng)的全年運(yùn)行工況，并通過數(shù)值計(jì)算的方法得到了貯能罐中全年水溫分布狀況，結(jié)果表明:土壤類型和系統(tǒng)尺寸均對系統(tǒng)運(yùn)行性能有顯著影響。Sharma［2］認(rèn)為利用高能量存儲密度的相變材料來蓄熱具有較大的優(yōu)勢，同時(shí)有很多材料的熔化和凝固過程可在一個(gè)較寬的溫度范圍內(nèi)發(fā)生，并調(diào)查和分析不同應(yīng)用場合下的蓄能系統(tǒng)所適合的相變材料。韓宗偉［3］等對太陽能－土壤源熱泵相變蓄熱供暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的主要運(yùn)行模式，并對該系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。肖紅海［4］對武漢地區(qū)的辦公樓進(jìn)行地埋管地源熱泵蓄能復(fù)合式空調(diào)系統(tǒng)供能研究，其利用消防水池作為水蓄冷裝置，與燃?xì)忮仩t和冷水機(jī)組冷熱源系統(tǒng)相比，節(jié)能效率78．6%，6 年左右時(shí)間可以收回高出的初投資，社會經(jīng)濟(jì)效益顯著。錢堃［5］分析水蓄能結(jié)合地源熱泵機(jī)組方案相對于常規(guī)地源熱泵機(jī)組制冷制熱+單冷機(jī)方案，初投資節(jié)省7%，年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省12%。

但是，目前針對蓄能型地源熱泵的研究主要集中于建筑中的應(yīng)用，而對利用蓄能型地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為植物工廠供能的研究較少。本研究將圓柱形地上蓄能系統(tǒng)和地下水源熱泵有機(jī)結(jié)合對植物工廠供能，通過計(jì)算植物工廠冷熱負(fù)荷，進(jìn)行蓄能型地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析對比經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排效益。

1 蓄能型地源熱泵供能植物工廠系統(tǒng)

位于上海市崇明縣港沿鎮(zhèn)的一處植物工廠，面積為2．1 萬m2，分為A，B，C 三區(qū)，其中A 區(qū)采用蓄能型地源熱泵供能系統(tǒng)，占地面積為5 880 m2，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為5 mm 厚單層浮法玻璃，以金屬框架支撐。其蓄能型地下水源熱泵系統(tǒng)包括地下水換熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組、末端系統(tǒng)和蓄能系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)產(chǎn)能和需能的匹配和峰谷電價(jià)通過閥門控制。如圖1 所示。

系統(tǒng)有5 種運(yùn)行模式:

圖1 蓄能型地源熱泵供能系統(tǒng)流程

(1)當(dāng)處于電價(jià)谷段并且熱泵機(jī)組制熱(冷)量大于植物工廠所需負(fù)荷時(shí)，采用機(jī)組邊儲熱(冷)邊供熱(冷)模式。冬季時(shí)，熱水井中的潛水泵抽取地下水依次通過除砂器等水處理設(shè)備進(jìn)入低溫板式換熱器水源側(cè)，經(jīng)過低溫板式換熱器提取熱量后回灌到冷水井，儲冷罐下側(cè)的冷水進(jìn)入低溫板式換熱器用戶側(cè)吸收地下水的熱量后回到儲冷罐的上側(cè)。升溫的儲冷罐上側(cè)冷水進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器側(cè)，經(jīng)蒸發(fā)器提取熱量后返回儲冷罐下側(cè)，蒸發(fā)器吸收的熱量經(jīng)冷凝器釋放，冷凝器出水管溫度升高，部分進(jìn)入空氣處理機(jī)組的熱水進(jìn)水管對植物工廠供熱，剩余進(jìn)入儲熱罐上側(cè)進(jìn)行儲熱;夏季時(shí)，與冬季原理類似，抽取冷水井中地下水依次通過除砂器等水處理設(shè)備進(jìn)入高溫板式換熱器水源側(cè)，經(jīng)過高溫板式換熱器吸收冷量后回灌到熱水井，儲熱罐上側(cè)的熱水進(jìn)入高溫板式換熱器用戶側(cè)吸收地下水的冷量后回到儲熱罐的下側(cè)。儲熱罐下側(cè)熱水進(jìn)入熱泵冷凝器側(cè)，經(jīng)冷凝器釋放熱量后返回儲熱罐上側(cè)，熱泵蒸發(fā)器側(cè)一方面吸收空氣處理機(jī)組冷水出水管熱量從而降低冷水進(jìn)水管的溫度，對植物工廠供冷，另一方面吸收儲冷罐上側(cè)熱量進(jìn)行儲冷。

(2)當(dāng)熱泵機(jī)組制熱(冷)量和儲熱(冷)罐可供熱(冷)量均小于植物工廠所需負(fù)荷時(shí)，采用儲熱(冷)罐和機(jī)組供熱(冷)模式，此時(shí)機(jī)組供熱(冷)流程和機(jī)組邊儲熱(冷)邊供熱(冷)模式中相同。儲熱罐供熱是通過抽取儲熱罐上側(cè)熱水進(jìn)入空氣處理機(jī)組的熱水進(jìn)水管，從而對植物工廠供熱，儲冷罐供冷是通過抽取儲冷罐下側(cè)冷水進(jìn)入空氣處理機(jī)組的冷水進(jìn)水管，從而對植物工廠供冷，此時(shí)，儲熱(冷)泵停止。

(3)當(dāng)處于電價(jià)峰值時(shí)段，采用儲熱(冷)罐供熱(冷)模式，此時(shí)機(jī)組供熱(冷)流程和儲熱(冷)罐與機(jī)組供熱(冷)模式中的相同，此時(shí)熱泵機(jī)組不再運(yùn)行，潛水泵、水源側(cè)循環(huán)水泵和儲熱(冷)泵停止。

(4)當(dāng)熱泵機(jī)組停止運(yùn)行時(shí)，采用冷水井儲冷模式，此時(shí)冬季時(shí)，熱水井中的潛水泵抽取地下水依次通過除砂器等水處理設(shè)備進(jìn)入低溫板式換熱器水源側(cè)，經(jīng)過低溫板式換熱器提取熱量后回灌到冷水井，儲冷罐下側(cè)的冷水進(jìn)入低溫板式換熱器用戶側(cè)吸收地下水的熱量后回到儲冷罐的上側(cè)，此時(shí)冷水井儲存了被吸收熱量的地下水。

(5)夏季，當(dāng)冷水井地下水溫度小于12℃時(shí)，采用冷水井直供冷模式，此時(shí)夏季時(shí)，冷水井中的潛水泵抽取地下水進(jìn)入低溫板式換熱器水源側(cè)，交換冷量后回灌到熱水井，儲冷罐上側(cè)的冷水進(jìn)入低溫板式換熱器用戶側(cè)吸收地下水的冷量后回到儲冷罐的下側(cè)，儲冷罐下側(cè)冷水進(jìn)入空氣處理機(jī)組的冷水進(jìn)水管，直接對植物工廠供冷。

2 植物工廠空調(diào)冷熱負(fù)荷計(jì)算

2．1 植物工廠空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算

利用負(fù)荷系數(shù)法可計(jì)算得出夏季空調(diào)冷負(fù)荷，即通過冷負(fù)荷溫度與冷負(fù)荷系數(shù)直接從求得各分項(xiàng)逐時(shí)冷負(fù)荷，各項(xiàng)逐時(shí)冷負(fù)荷之和的最大值即為植物工廠的冷負(fù)荷。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)玻璃瞬變傳熱引起的冷負(fù)荷為［6－9］

式中

K——圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

F——圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面積/m2;

tl——圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷溫度的逐時(shí)值/℃;

td——逐時(shí)冷負(fù)荷溫度的地點(diǎn)修正值/℃，上海地區(qū)為1℃;

tn——植物工廠內(nèi)設(shè)計(jì)溫度/℃，取26℃。

透過圍護(hù)結(jié)構(gòu)玻璃進(jìn)入的日射得熱引起的冷負(fù)荷為［6－9］

式中 Cs——窗玻璃遮擋系數(shù)，取0．93;

Ci——窗內(nèi)遮陽設(shè)施的遮陽系數(shù)，取0．6;Ca——窗的有效面積系數(shù)，取0．85;

F——圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面積/m2;

Dj，max——日射得熱因數(shù)最大值/W·m－2;Ccl——冷負(fù)荷系數(shù)。植物工廠逐時(shí)冷負(fù)荷為［6－9］

植物工廠冷負(fù)荷為［6］

所以，植物工廠冷負(fù)荷取最大夏季逐時(shí)冷負(fù)荷，為1 328 kW。

2．2 植物工廠空調(diào)熱負(fù)荷計(jì)算

對于供暖工程設(shè)計(jì)來講，不需計(jì)算植物工廠每一刻時(shí)間內(nèi)需要補(bǔ)充的熱量，而是選擇一個(gè)非常不利的條件，計(jì)算其需要補(bǔ)充的熱量［10］。由于實(shí)際工程中一般在后半夜至凌晨時(shí)室外環(huán)境溫度最低，此時(shí)的供熱量需求最大，因此一般用此刻的供熱量作為植物工廠設(shè)計(jì)采暖熱負(fù)荷［10］。植物工廠內(nèi)地面?zhèn)鳠岬貛У膭澐秩鐖D2 所示。

圖2 地面?zhèn)鳠岬貛У膭澐?/p>

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量為［11－12］

式中

K——圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

F——圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面積/m2;

tn——植物工廠內(nèi)計(jì)算溫度/℃，取17℃;

tw——植物工廠外空調(diào)計(jì)算溫度/℃，?。?℃;

ɑ——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫差修正系數(shù)，取1;

xf——風(fēng)力修正，取0;

xch——朝向修正，取0;

xj——結(jié)構(gòu)修正，取0．05;

xg——高度修正，取0．04。地面?zhèn)鳠釤釗p失為［11－12］

式中

Ki——地面各地帶傳熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

Fi——地面各地帶的面積/m2。冷風(fēng)滲透熱損失為［11－12］

式中

cp——空氣的比熱容/kJ·kg－1·℃－1;

N——換氣次數(shù)，取1 次/h;

V——植物工廠的體積/m3;

ρ——空氣的密度/kg·m－3。

植物工廠熱負(fù)荷為［11－12］

計(jì)算植物工廠熱負(fù)荷Qr為1 089．6 kW。

2．3 植物工廠冷熱負(fù)荷不平衡率

供暖季總供熱量為

式中

Qr——植物工廠熱負(fù)荷/kW，經(jīng)計(jì)算為1 089．6 kW;

Lr——冬季供暖期/d，(上海冬季供暖期按100 d 計(jì)，其中100%負(fù)荷日為30 d，60%負(fù)荷日為40 d，30%負(fù)荷日為30 d);Qx——夏季系統(tǒng)吸熱量，考慮到機(jī)組制熱時(shí)，機(jī)組水泵等設(shè)備會向地下排熱，系數(shù)取為1．1。

經(jīng)計(jì)算

制冷季總制冷量為

式中 Qc——植物工廠冷負(fù)荷/kW，經(jīng)計(jì)算為1 328kW;

Ll——夏季制冷期/d，(上海夏季制冷期按120 d 計(jì)算，100%負(fù)荷日為24 d，70%負(fù)荷日為60 d，30%負(fù)荷日為36 d);

Qp——夏季系統(tǒng)排熱量，考慮到機(jī)組制熱時(shí)，機(jī)組水泵等設(shè)備會向地下排熱，系數(shù)取為1．1。

經(jīng)計(jì)算

冬夏季不平衡率為

經(jīng)計(jì)算

地下全年冷熱量不平衡11．1%，無需采取輔助散熱或供熱措施保證地下負(fù)荷平衡。地下取排熱量平衡是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，保證地源熱泵長年高效率運(yùn)行。

3 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵設(shè)備選型

3．1 熱泵機(jī)組選型

根據(jù)植物工廠的冷熱負(fù)荷選型熱泵機(jī)組，由于有蓄能系統(tǒng)，機(jī)組制熱量取熱負(fù)荷的70%，為762 kW，制冷量取冷負(fù)荷的45%，為598 kW，并考慮一定的富裕量，則選取一臺額定制熱量為799 kW，耗電量為196 kW，制熱COP 為4．1，制冷量為613 kW，耗電量為120 kW，制冷COP 為5．1 的熱泵機(jī)組。熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)條件如表2 所示。

表2 熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)條件

3．2 地下抽水量

通過計(jì)算得出的夏冬兩季地下水流量的較大值為所需要的地下抽水量。

制熱時(shí)需要地下抽水量［13］

式中

Q1——熱泵機(jī)組制熱量/kW，取799 kW;

COP1——制熱時(shí)的系統(tǒng)性能系數(shù)，COP1=4.1;

t1——地下水抽水溫度/℃，20℃;

t2——地下水回灌溫度/℃，9℃。

經(jīng)計(jì)算得到G1為47．3 m3/h。制冷時(shí)需要地下抽水量［13］

式中 Q2——熱泵機(jī)組制冷量/kW，取613 kW;

COP2——制冷時(shí)的系統(tǒng)性能系數(shù)，COP2=5.1;

t1——地下水抽水溫度/℃，19℃;t2——地下水回灌溫度/℃，27℃。計(jì)算得到G2為78．9 m3/h。

3．3 蓄能系統(tǒng)

由于在上述計(jì)算過程中均采用最大負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算分析，故選擇的設(shè)備容量往往比實(shí)際需用值偏大，致使系統(tǒng)設(shè)備許多時(shí)間都無法以最佳設(shè)計(jì)狀態(tài)運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)備使用效率比較低，尤其是夏季時(shí)，一天的負(fù)荷變化很大，白天最大逐時(shí)負(fù)荷較大，晚上基本不需要供冷，大部分時(shí)間機(jī)組不能滿負(fù)荷運(yùn)行，使用效率很低。應(yīng)用蓄能系統(tǒng)能提高熱泵機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行率，使制冷制熱效率升高，利用蓄冷蓄熱系統(tǒng)可以削峰填谷，利用夜間用電量低谷時(shí)段的空余電量向蓄能設(shè)備儲能，在日間用電量高峰時(shí)段減少設(shè)備電力消耗，利用蓄能設(shè)備為系統(tǒng)釋放能量，同時(shí)利用峰谷電價(jià)差來降低運(yùn)行費(fèi)用。

而水蓄能空調(diào)的設(shè)計(jì)，需要知道每天每小時(shí)的負(fù)荷量，即逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷，以及全天的累計(jì)負(fù)荷，用來計(jì)算蓄能量。蓄水箱供水和回水的溫度差均對蓄能水箱的容量大小有較大影響，在一般實(shí)際使用中溫差為5 ～11℃，本項(xiàng)目蓄冷溫差為7℃，蓄熱溫差為10℃。冬季時(shí)設(shè)計(jì)蓄能量為全天累計(jì)負(fù)荷的20%，為3 788 kW，考慮水箱的熱量損失系數(shù)1．2，需要蓄熱量為4 546 kW 的蓄水箱，則蓄熱水箱的容量:V=4546 ×3600/(10 ×4．2 ×1000)=390 m3，則選擇400 m3的蓄熱水箱。夏季時(shí)設(shè)計(jì)蓄能量為全天累計(jì)負(fù)荷的35%，為4 000 kW，考慮水箱的熱量損失系數(shù)1．2，需要蓄冷量為4 847 kW 的蓄水箱，則蓄冷水箱的容量:V = 4847 × 3600/(7 × 4． 2 ×1000)=593 m3，則選擇600 m3的蓄冷水箱。

4 系統(tǒng)效益分析

根據(jù)蓄能型地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)所處的市政資源條件、場地條件及負(fù)荷特點(diǎn)，還可能適合的系統(tǒng)方案有冷水機(jī)組與燃?xì)忮仩t配套和直燃式溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組空調(diào)系統(tǒng)。為了探討蓄能型地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性，與其他兩種系統(tǒng)形式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排效益的分析。

4．1 經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)計(jì)算，蓄能型地源熱泵系統(tǒng)初投資約為670 元/m2，冷水機(jī)組與燃?xì)忮仩t系統(tǒng)初投資為362 元/m2，直燃式溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組376 元/m2。綜合表3 信息，蓄能型地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)初投資高，但是運(yùn)行費(fèi)用較低，對于冷水機(jī)組與燃?xì)忮仩t配套和直燃式溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組空調(diào)系統(tǒng)的投資回收期分別為8．5 年和5 年，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命為25 年，具有一定投資意義。

表3系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用比較

4．2 節(jié)能減排效益分析

系統(tǒng)一次能源消耗為［15］

式中 H——系統(tǒng)一次能源消耗/kJ;W'——系統(tǒng)實(shí)際功耗/kJ;η1——發(fā)電效率/［%］，燃煤發(fā)電取35%;η2——輸配電效率/［%］，取90%。

節(jié)能率又稱系統(tǒng)一次能耗節(jié)能率，根據(jù)要比較的兩種系統(tǒng)的一次能耗，以另一種系統(tǒng)的一次能耗為基礎(chǔ)，可以算出節(jié)能率

目前我國火力發(fā)電煤耗為36g(標(biāo)煤)/kW·h［16］，每燃燒1 t 標(biāo)煤排放二氧化碳約2．62 t，1 m3天然氣生成1．9 kg 二氧化碳。系統(tǒng)的節(jié)能減排效益分析如表4 所示。

表4 系統(tǒng)節(jié)能減排效益分析

從表4 得到，蓄能型地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有很好的節(jié)能減排的效益，有效地減少常規(guī)能源的消耗，并且不僅可以減排大量二氧化碳，還可以減排大量二氧化硫，氮氧化合物，粉塵和煙塵等。

5 結(jié)語

通過確定植物工廠的冷熱負(fù)荷，選型制熱量和制冷量分別為799 kW 和613 kW 的水源熱泵，地下水抽水量為78．9 m3/h，選型蓄熱水箱為400 m3，蓄冷水箱為600 m3。分析了蓄能型地源熱泵式植物工廠供能系統(tǒng)的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)雖然初投資高，但是運(yùn)行費(fèi)用較低，對于冷水機(jī)組與燃?xì)忮仩t配套和直燃式溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組空調(diào)系統(tǒng)的投資回收期分別為8．5 年和5 年，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命為25 年，具有一定投資意義。該系統(tǒng)對于冷水機(jī)組與燃?xì)忮仩t配套和直燃式溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率分別為73．9%和82．9%，每年二氧化碳減排量分別為66 t 和61 t，節(jié)能減排效益顯著。

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