許國鋒 李慶才 姜濤 劉逸、4 鄭大宇

1哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院

2黑龍江省九0四環(huán)境工程勘察設(shè)計(jì)院

3航天科技控股集團(tuán)有限公司

4東北石油大學(xué)

5哈爾濱商業(yè)大學(xué)輕工學(xué)院

隨著我國寒冷地區(qū)溫室的大面積建設(shè)，致使溫室能源消費(fèi)占有比大幅增加。在我國節(jié)能減排的大趨勢下，能夠找到一種既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的設(shè)備來替代常規(guī)高耗能、高污染的溫室溫度調(diào)控設(shè)備成了解決溫室能源浪費(fèi)問題最直接的方法。目前，我國東北地區(qū)主要采用燃煤鍋爐給溫室大棚供熱，少數(shù)使用燃秸稈的方式。由于煙氣處理設(shè)備的缺乏，對大氣環(huán)境造成了極大的破壞，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)鼐用竦纳眢w健康。溫室大棚采用一棚一爐的供熱模式相較于集中供熱模式造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，并且不利于管理。隨著我國煤改電、煤改氣工程的大力推進(jìn)，集中式土壤源熱泵供暖、電鍋爐供暖、燃?xì)忮仩t供暖成為溫室大棚供暖的可選擇方案。本文通過簡化溫頻法（BIN）[1]對溫室負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算對三種供暖方式從節(jié)能性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性三方面進(jìn)行比較分析。

1 簡化BIN法的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)溫室大棚的某一時刻的熱負(fù)荷與室外干球溫度存在線性關(guān)系：

式中：Q為溫室大棚的某溫度的熱負(fù)荷，kW；K為常數(shù)，kW/℃；C 為常數(shù)，kW；t為溫室大棚室外干球溫度，℃。

根據(jù)已知條件，室外干球溫度t1、t2分別對應(yīng)的溫室熱負(fù)荷為 Q1、Q2，將其代入（1）得：

由式（2）可以進(jìn)一步求得 K、C 的值，代入式（1）得到了Q與t線性關(guān)系式：

當(dāng)室外干球溫度t1與溫室內(nèi)植物生長適宜溫度相等時，輔助熱源系統(tǒng)無需開啟對應(yīng)時刻的溫室熱負(fù)荷Q 取0，化簡式（3）得：

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

本文所研究的工程實(shí)例位于黑龍江省哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院的某個花卉培育基地。溫室大棚如圖1所示，長60 m，寬6 m，最高點(diǎn)為3 m，花卉培育基地內(nèi)有6個同等規(guī)模的溫室大棚，實(shí)際種植面積為2100 m2。本供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)干球溫度為16℃，冬季供暖熱負(fù)荷354 kW。

圖1 溫室大棚

2.2 溫度數(shù)據(jù)處理

在中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫[2]獲得的哈爾濱地區(qū)典型年氣象數(shù)據(jù)，分別選取了一天中2:00、8:00、14:00、20:00計(jì)算一天的平均溫度。以2℃作為一個溫度區(qū)間，分別統(tǒng)計(jì)各溫度區(qū)間的天數(shù)，得到了哈爾濱全年逐日溫頻數(shù)據(jù)，如表1所示：

表1 哈爾濱全年逐日溫頻數(shù)

根據(jù)溫室大棚花卉植物生長的適宜溫度可知，當(dāng)室外干球溫度大于等于16℃時輔助熱源供暖系統(tǒng)停止工作。根據(jù)傳熱學(xué)計(jì)算，可知t1=16℃、Q1=0 kW、t2=-10℃、Q2=204.5 kW，將其代入式（4）分別計(jì)算各溫度段的熱負(fù)荷如表2所示：

表2 哈爾濱各溫度區(qū)間的熱負(fù)荷

2.3 設(shè)備能耗計(jì)算

本文選擇了黑龍江地區(qū)具有發(fā)展?jié)摿o助加熱方案進(jìn)行比較分析。方案1：土壤源熱泵加熱系統(tǒng)；方案2：電鍋爐加熱系統(tǒng)；方案3：燃?xì)忮仩t加熱系統(tǒng)。

主要設(shè)備參數(shù)如表3所示：

表3 供熱系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

2.3.1 主機(jī)能耗計(jì)算

由于哈爾濱地區(qū)室外干球溫度較低，土壤源熱泵的制熱COP為3.1，電鍋爐的COP為0.98[3]。土壤源熱泵、電鍋爐各溫度區(qū)間的能耗以用電量表示，計(jì)算根據(jù)如下公式：

式中：Q'為溫室大棚的某溫度區(qū)間的能耗，kW·h；n為各溫度區(qū)間的天數(shù)，d；COP為溫室大棚輔助熱源的性能系數(shù)。

燃?xì)忮仩t工作時，實(shí)際為間歇運(yùn)行，若直接求其全年耗氣量太過于復(fù)雜，我們可以運(yùn)用求當(dāng)量運(yùn)行時間的方式進(jìn)行求解具體求解如下式：

式中：τ為當(dāng)量運(yùn)行時間，h；QT為溫室大棚的某溫度區(qū)間的全年熱負(fù)荷能耗，kJ；QN為燃?xì)忮仩t的額定發(fā)熱量kW。

燃?xì)忮仩t某溫度區(qū)間的總的耗氣量ET：

式中：e為燃?xì)忮仩t滿載時的耗氣量，m3/h。

表4 哈爾濱全年各溫度區(qū)間主機(jī)的能耗

經(jīng)計(jì)算可得哈爾濱全年各溫度區(qū)間主機(jī)的能耗，如表4所示。

2.3.2 循環(huán)水泵的能耗計(jì)算

由于水泵長時間的工作，水泵的能耗在整個系統(tǒng)能耗中占很大比例。由表5所示，土壤源熱泵系統(tǒng)需要2臺循環(huán)泵，電鍋爐加熱系統(tǒng)需要1臺循環(huán)泵，燃?xì)忮仩t加熱系統(tǒng)需要1臺循環(huán)泵，其各溫度區(qū)間循環(huán)泵的能耗如表5所示：

表5 哈爾濱全年各溫度區(qū)間循環(huán)泵的能耗

2.4 節(jié)能性分析

系統(tǒng)總能耗等于主機(jī)的能耗與循環(huán)水泵能耗的和，統(tǒng)計(jì)各溫度區(qū)間的數(shù)據(jù)如表6所示：

表6 不同方案系統(tǒng)總的能耗

對于三種輔助加熱系統(tǒng)，直接應(yīng)用的能源分別為電能、電能、天然氣。不能從電能和天然氣的使用情況直接分析一個系統(tǒng)是否節(jié)能。因此，從系統(tǒng)全年一次能源利用率（PER）的角度比較系統(tǒng)的節(jié)能性。計(jì)算公式如下：

方案1：

方案2：

方案3：

一次能源利用率：

式中：E為系統(tǒng)全年一次能源消耗量，kJ；E1為系統(tǒng)主機(jī)全年耗電量，kW·h；E2為系統(tǒng)循環(huán)水泵全年耗電量，kW·h；E3為系統(tǒng)主機(jī)全年耗氣量，m3；η1、η2分別為發(fā)電效率38%，輸電效率94%；Qqd為天然氣的低位發(fā)熱量，取值為35588 kJ/m3；Q為系全年制熱量，kW。

經(jīng)過計(jì)算可得：方案1的PER為92%，方案2的PER為34%，方案3的PER為86%，如圖2所示：

圖2 一次能源利用率

通過觀察圖標(biāo)可知，方案1的節(jié)能效果最好，方案2的節(jié)能效果最差1。以節(jié)能效果最差的方案2為基準(zhǔn)最對比，方案1比方案2全年節(jié)能63%，方案3比方案2全年節(jié)能60%。綜合上述比較我們很明顯看出，若我們以節(jié)能性為系統(tǒng)選擇依據(jù)方案3為最優(yōu)選擇。但是，方案1和方案3的PER相差不大也是一種比較節(jié)能的方案。

2.5 環(huán)保性分析

對各方案環(huán)保性分析，只需考慮設(shè)備的排放對環(huán)境影響。電能作為直接應(yīng)用能源的設(shè)備，不需要考慮電能生產(chǎn)過程的排放，因?yàn)檫@部分排放已經(jīng)統(tǒng)計(jì)在電廠的總排放中，所以不必對設(shè)備用電再進(jìn)行排放計(jì)算。因此，可以認(rèn)為方案1、2為零排放。對于方案3燃燒天然氣將會產(chǎn)生顆粒物、SO2、NOX等有害物質(zhì)，關(guān)于新建鍋爐大氣污染物排放濃度限值的國家標(biāo)準(zhǔn)[4]給出了具體的數(shù)值，顆粒物排放濃度≤20 mg/m3、SO2物排放濃度≤50 mg/m3、NOX物排放濃度≤200 mg/m3。

當(dāng)1 m3天然氣完全燃燒產(chǎn)生的煙氣量為10.89 m3[5]，由表6可得方案3全年天然氣消耗量為103526.5 m3，計(jì)算可得方案3全年污染物排放量如表7所示：

表7 方案3全年污染物排放量

方案3相對于方案1、2來言是存在大氣污染的，但是目前應(yīng)用燃?xì)忮仩t的排放符合國家的排放標(biāo)準(zhǔn)。方案3運(yùn)行排放的顆粒物、SO2、NOX等有害物質(zhì)的排放量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于燃煤、燃秸稈的排放量[6]，方案3對改善污染物的排放的具有重要意義。

2.6 經(jīng)濟(jì)性分析

對于整個系統(tǒng)來言，影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的主要因素可以從分別是初投資和全年供暖成本兩方面進(jìn)行分析。

2.6.1 初投資

所謂初投資指的是建成整個輔助熱源系統(tǒng)的花費(fèi)，主要包括主機(jī)及其輔助設(shè)備、溫室內(nèi)末端裝置以及安裝費(fèi)用。溫室大棚取暖，設(shè)備安裝較為簡單，安裝費(fèi)用也相對較少，為了方便計(jì)算，我們忽略安裝費(fèi)用。具體初投資如表8所示：

表8 各方案初投資計(jì)算

由表8可以看出方案1的初投資最大，方案2初投資最小。方案1是方案2的9.6倍，方案1是方案3的8.7倍左右，方案2和方案3初投資相差不大。對方案1，打井投資占總投資的4/5，想要降低總投資減少打井費(fèi)用很關(guān)鍵。若以初投資為系統(tǒng)選擇依據(jù)，則方案2為最優(yōu)選擇，方案3次之。

2.6.2 全年供暖成本

全年運(yùn)行成本主要包括電費(fèi)、燃料費(fèi)兩方面。方案1、2運(yùn)行依靠電力驅(qū)動，方案3需要電和天然氣兩種能源驅(qū)動。哈爾濱目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電電壓在1千伏以下的價格為0.489元/kWh，非民用天然氣的價格為4.3元/m3。具體的全年供暖成本如表9所示：

表9 各方案全年供暖成本計(jì)算

由表9可以看出方案2的全年供暖成本最大，方案1全年供暖成本最小。以全年供暖成本最小的方案1為基準(zhǔn)，方案2是方案1的2.7倍，方案3是方案1的2.6倍。以年供暖費(fèi)用作為比較依據(jù)，方案2、3比方案1要大得多。因此，方案1為比較好的選擇。

2.6.3費(fèi)用年值

僅僅從初投資和年供暖費(fèi)用角度單一比較不夠全面，需要從費(fèi)用年值進(jìn)行綜合對比。費(fèi)用年值指的是將供暖系統(tǒng)的初投資平均分到使用壽命年限中再加上年供暖費(fèi)用。利用費(fèi)用年值可以全面的考慮上述兩種因素，做出最優(yōu)選擇。系統(tǒng)的使用壽命以主機(jī)的使用壽命為基準(zhǔn)。由表5可得，方案1、2、3的使用壽命分別為22、10、12年。三種方案的費(fèi)用年值如圖2所示：

圖3 不同方案費(fèi)用年值

由圖3可知，方案1的費(fèi)用年值最低，方案2的費(fèi)用年值最高。方案2是方案1的2.2倍，方案3是方案1的2.1倍。雖然方案1的初投資比方案2、3大很多，但是由于方案1年供暖費(fèi)用相比方案2、3小，從長遠(yuǎn)看方案1是最優(yōu)的選擇方案。各方案中年供暖費(fèi)用在費(fèi)用年值中所占的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)備折舊費(fèi)在費(fèi)用年值中所占比例。因此，想要降低系統(tǒng)的費(fèi)用年值控制年供暖費(fèi)用成為了關(guān)鍵因素。

3 結(jié)論

本文通過對哈爾濱地區(qū)逐日溫度進(jìn)行分析，利用簡化的BIN法對溫室大棚負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)一步對哈爾濱地區(qū)溫室大棚常用的三種供暖方式從節(jié)能性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性三方面進(jìn)行比較分析。本文主要結(jié)論有以下幾個方面：

1）在節(jié)能方面，方案1的PER為92%，方案2的PER為34%，方案3的PER為86%。方案1比方案2全年節(jié)能63%，方案3比方案2全年節(jié)能60%，方案1在節(jié)能方面最為突出。

2）在環(huán)保方面，方案1、2能夠?qū)崿F(xiàn)零排放，方案3存在污染物的排放但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于燃煤、燃秸稈的污染物質(zhì)排放。

3）在初投資方面，方案1的初投資最大，方案2初投資最小。方案1是方案2的9.6倍，方案1是方案3的8.7倍左右。以初投資為系統(tǒng)選擇依據(jù)的則方案2為最優(yōu)選擇，方案3次之。方案1可以冬夏兩用，若考慮夏季制冷投資或許可以彌補(bǔ)它在初投資方面的不足。

4）在年供暖費(fèi)用方面，方案1相較于方案2、3全年供暖成本最小。以全年供暖成本最小的方案1為基準(zhǔn)，方案2是方案1的2.7倍，方案3是方案1的2.6倍，方案1為比較好的選擇。

5）在費(fèi)用年值方面，方案1的費(fèi)用年值最低，方案2的費(fèi)用年值最高。方案2是方案1的2.2倍，方案3是方案1的2.1倍，從長遠(yuǎn)看方案1是最優(yōu)的選擇方案。

6）未來將充分考慮上述3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)種植的需求，提出多種供暖方式混合的優(yōu)化方案。