鄭吉澍 龍翰威 李佩原 李萍

摘 ? 要 ? 為探索地源熱泵系統(tǒng)在西南地區(qū)溫室的應(yīng)用效果和發(fā)展?jié)摿?，?016年開展了重慶地區(qū)玻璃溫室地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計、工程施工和夏季降溫試驗研究。結(jié)果表明，在重慶氣溫最高的8月，采用地源熱泵系統(tǒng)可在室外平均氣溫36.2 ℃的情況下，將溫室內(nèi)溫度降低至26.5 ℃，相比常規(guī)冷源空調(diào)，地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能率23.5%。

關(guān)鍵詞 ? 地源熱泵系統(tǒng);溫室;降溫;西南地區(qū)

中圖分類號：S625 ? ?文獻標志碼：B ? ?DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.10.023

地源熱泵系統(tǒng)（Ground source heat pump）是以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)等組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)，統(tǒng)稱為地源熱泵（GSHP）系統(tǒng)[1]。地熱能作為一種可再生能源，具有低碳、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，有一定的應(yīng)用研究價值。根據(jù)地熱能交換系統(tǒng)形式的不同，可將地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)[2]。西南地區(qū)多為喀斯特地貌，在沒有江河水源的地區(qū)宜采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)[3]。溫室作為耗能較高的設(shè)施農(nóng)業(yè)載體，應(yīng)用地熱能實現(xiàn)節(jié)能降耗已經(jīng)成為一些發(fā)達國家的重要選擇[4]，但目前地熱能用于溫室環(huán)境調(diào)節(jié)的工程實例和相關(guān)研究較少，我國地源熱泵系統(tǒng)在溫室中的研究及應(yīng)用主要集中在北方地區(qū)，如中國農(nóng)業(yè)科學院[5]、北京市農(nóng)林科學院、中國農(nóng)業(yè)大學[6]等單位的實驗溫室均采用地源熱泵系統(tǒng)控制環(huán)境溫度，而采用地源熱泵系統(tǒng)進行溫室環(huán)境控制在南方地區(qū)較為少見。我們以重慶市農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)生物高科技中試基地的地源熱泵系統(tǒng)為研究對象，于2016年開展了地源熱泵系統(tǒng)在西南地區(qū)溫室的應(yīng)用研究，為今后相關(guān)研究及工程實施提供參考。

1 工程設(shè)計

1.1 工程概況

農(nóng)業(yè)生物高科技中試基地主要開展蔬菜、果樹的組培脫毒快繁技術(shù)中試，其溫室和組培工廠主要采用地源熱泵系統(tǒng)進行溫度控制，總空調(diào)面積2 407 m2，其中Venlo玻璃溫室面積1 344 m2、磚混結(jié)構(gòu)管理房

1 063 m2。根據(jù)組培快繁環(huán)境條件要求，夏季降溫設(shè)計溫度25 ℃，冬季升溫設(shè)計溫度30 ℃。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

地源熱泵系統(tǒng)主要由主機泵房、地下埋管系統(tǒng)、空調(diào)末端三部分構(gòu)成[7]。

1.2.1 負荷計算

項目建設(shè)地點位于重慶市九龍坡區(qū)，參考當?shù)貧庀髤?shù)，夏季通風室外計算溫度33 ℃、大氣壓力97.31 kPa，冬季通風室外計算溫度7 ℃、大氣壓力99.12 kPa。經(jīng)計算，空調(diào)系統(tǒng)的總冷負荷為456.518 kW，總熱負荷為233.509 kW。

1.2.2 空調(diào)末端

采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，組培工廠室內(nèi)機采用臥式風機盤管（吊頂安裝），溫室室內(nèi)機采用立式風機盤管（落地安裝），送、回風口設(shè)在吊頂上并通過送、回風管進行室內(nèi)空氣循環(huán)。冷凍水供回水溫度為7～12 ℃，冷卻水供回水溫度為32～37 ℃，熱水供回水溫度為50～60 ℃。

1.2.3 地源熱泵主機

系統(tǒng)采用土壤源熱泵作為該空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源。采用一臺MWH130CEG-C型地源熱泵機組，提供空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源，制冷量為516 kW，制熱量為538 kW。

1.2.4 地下埋管系統(tǒng)

系統(tǒng)采用土壤作為冷熱源系統(tǒng)的熱源、熱匯。埋管根據(jù)建筑周邊的空地，布置了3個長方形回路，共計70孔雙“U”型埋管。可以根據(jù)建筑冷熱負荷的變化來調(diào)整開啟回路的個數(shù)，有利于空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能。埋管間距為5 m，埋管采用高密度聚乙烯材料，管徑為DN32，埋管的有效埋深為100 m。供水環(huán)路的集管與回水環(huán)路的集管埋深不小于1.5 m，兩者間距為0.6 m。井外換熱后，給機組的供水管采用30 mm的橡塑材料保溫。水平集管保持2‰以上的坡度。

2 系統(tǒng)節(jié)能量計算

2016年8月，對此地源熱泵系統(tǒng)夏季降溫節(jié)能性進行了檢測。檢測依據(jù)及方法、儀器、結(jié)果分析如下。

2.1 檢測依據(jù)及方法

1）《公共建筑節(jié)能檢測標準》（JGJ/T 177-2009）;

2）《公共場所衛(wèi)生檢驗方法第一部分：物理因素》（GB/T 18204.1-2013）;

3）《重慶市公共建筑節(jié)能改造節(jié)能量核定辦法》;

4）農(nóng)業(yè)生物高科技中試基地項目空調(diào)用地源熱泵系統(tǒng)資料。

2.2 檢測儀器

溫濕度傳感器（hobo u-23），測定室內(nèi)、外溫濕度;超聲波流量計，測定主管道水流量;三項鉗型功率表，測定機組功率、用戶側(cè)水泵功率、地源側(cè)水泵功率;鉑電阻傳感器，測定進水口溫度、出水口溫度。

2.3 檢測結(jié)果

2.3.1 組培工廠和溫室的空氣濕度、溫度采集

對組培工廠和溫室內(nèi)部、外部的空氣濕度、溫度進行采集、記錄，平均每棟建筑布置5個傳感器，采集間隔10 min/次，檢測結(jié)果見表1。

2.3.2 地源熱泵系統(tǒng)性能

對地源熱泵機組的進水口溫度（℃）、出水口溫度（℃）、水流量（m3·h-1）、機組功率（kW）、用戶側(cè)水泵功率（kW）、地源側(cè)水泵功率（kW）進行采集、記錄，采集間隔10 min/次，檢測結(jié)果見表2。

2.3.3 系統(tǒng)節(jié)能量計算

對常規(guī)冷源系統(tǒng)與該地源熱泵系統(tǒng)的能耗進行比較，根據(jù)該建筑的計算冷負荷及其他參數(shù)，冷水機組選用螺桿冷水機組WHS 145.2，制冷量為506.8 kW，額定制冷功率114.9 kW;用戶側(cè)與地源側(cè)水泵各兩臺（一用一備），型號為KQL 100/170-15/2，流量為104 m3·h-1，揚程為32 m，額定功率15 kW。根據(jù)《重慶市公共建筑節(jié)能改造能量核定辦法》計算系統(tǒng)節(jié)能率。

空調(diào)系統(tǒng)季節(jié)節(jié)能率（%）=空調(diào)季節(jié)節(jié)能量/改造前空調(diào)系統(tǒng)季節(jié)能耗量×100

計算結(jié)果表明，相比常規(guī)冷源空調(diào)，地源熱泵系統(tǒng)夏季降溫節(jié)能量34.76 kW，系統(tǒng)節(jié)能率為23.5%。

3 結(jié)論與展望

地源熱泵系統(tǒng)具有顯著的降溫效果和一定的節(jié)能性，通過檢測分析，在西南地區(qū)夏季高溫高濕氣候條件下，采用地源熱泵系統(tǒng)可以在室外平均氣溫為36.2 ℃的情況下，將溫室內(nèi)溫度降低至26.5 ℃。相比常規(guī)冷源空調(diào)，地源熱泵系統(tǒng)夏季降溫節(jié)能23.5%。

由于采用地埋管換熱的形式，西南地區(qū)在地源熱泵系統(tǒng)工程造價上要遠高于北方地區(qū)，主要是鉆井工程量的增加。目前地源熱泵系統(tǒng)在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用所需要解決的主要問題是能耗過高，其運行能耗是現(xiàn)有溫室傳統(tǒng)降溫設(shè)備的5～6倍，故并不能完全替代現(xiàn)有的降溫設(shè)備。地源熱泵空調(diào)更適宜于大規(guī)模的集約化、工廠化的生產(chǎn)模式，如生態(tài)餐廳、花卉溫室、水產(chǎn)養(yǎng)殖育苗等。未來將進一步研究傳統(tǒng)降溫設(shè)備與新能源設(shè)備相結(jié)合，通過設(shè)施改造、控制策略優(yōu)化，達到最佳的經(jīng)濟性。

參考文獻：

[1] 徐偉，劉志堅.中國地源熱泵技術(shù)發(fā)展與展望[J].建筑科學，2013（10）：26-33.

[2] 任子君，賈延宇，趙陽，等.水·地源熱泵在我國溫室生產(chǎn)上的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2011（7）：4405-4408.

[3] 鐘云翔.重慶地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)實測分析及監(jiān)測策略[D].重慶：重慶大學，2014.

[4] 方慧，楊其長，王柟，等.淺層地熱源節(jié)能技術(shù)及其在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2008（10）：286-290.

[5] 方慧，楊其長，孫驥.地源熱泵—地板散熱系統(tǒng)在溫室冬季供暖中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2008（12）：145-149.

[6] 柴立龍，馬承偉，張義，等.北京地區(qū)溫室地源熱泵供暖能耗及經(jīng)濟性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2010（3）：249-254.

[7] 趙根，吳偉麗，陳麗萍，等.地源熱泵在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2016（11）：61-63.