石惠嫻，安文婷，徐得天，田沁雨，張中華，任亦可，歐陽三川

蓄能型地源熱泵式植物工廠供能系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行調(diào)控

石惠嫻，安文婷，徐得天，田沁雨，張中華，任亦可，歐陽三川

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

蓄能型地源熱泵式植物工廠供能系統(tǒng)雖然避免了傳統(tǒng)化石能源供能所存在的一次能源利用率低且污染嚴(yán)重的問題，但目前缺乏長期運(yùn)行經(jīng)驗。以上海崇明自然光植物工廠為例，對蓄能型地下水源熱泵供能系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)存在3種不合理運(yùn)行情況：A.植物工廠熱負(fù)荷為負(fù)值時熱泵仍繼續(xù)供熱、B.熱泵向蓄熱水箱輸出過多熱量蓄熱、C.熱泵在用電高峰時仍運(yùn)行。經(jīng)過優(yōu)化調(diào)控后，避免A運(yùn)行情況，第1季度熱泵最終可減少輸出能量21.55 GJ，可減少耗電1 012.50 kWh，折合成電價可節(jié)約747元；避免B運(yùn)行情況，設(shè)定第1季度熱水充滿率上限為85%，在保證熱泵充分供能植物工廠前提下，可減少輸出97.2 GJ能量；避免C運(yùn)行情況，熱泵總輸出能量不變，將第1季度中熱泵140.25 GJ的熱量轉(zhuǎn)移到平價階段輸出，可以節(jié)約5 530元，此時電量總計8 654.07 kWh。通過優(yōu)化自然光植物工廠供能系統(tǒng)運(yùn)行過程，可以節(jié)能降耗，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

蓄能；熱泵；植物工廠；供熱；節(jié)能運(yùn)行

0 引 言

地下水源熱泵技術(shù)在溫室領(lǐng)域的應(yīng)用研究比較廣泛，主要集中在系統(tǒng)設(shè)計[1-2]、系統(tǒng)性能[3-6]、技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性[7-12]、系統(tǒng)運(yùn)行效果[13-15]和系統(tǒng)熱力學(xué)分析[16-17]、結(jié)合作物產(chǎn)量系統(tǒng)評價[18]以及控制系統(tǒng)研究[19-20]等方面。

不少學(xué)者嘗試將各種蓄能型地源熱泵應(yīng)用于植物工廠，并研究其運(yùn)行特性[21-24]。石惠嫻等[25]研究了典型周植物工廠水蓄能型地源熱泵式供能系統(tǒng)運(yùn)行基本特性，包括室外溫度、太陽輻射強(qiáng)度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)相對濕度、熱泵機(jī)組間歇運(yùn)行COP隨時間變化特性，深入研究了典型日基于分時電價政策的植物工廠水蓄能型地源熱泵供能系統(tǒng)間歇運(yùn)行模式及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行特性[25]；孫行健等[26]針對蓄能型地源熱泵式植物工廠供能系統(tǒng)，通過計算確定了植物工廠冷熱負(fù)荷，選型確定了水源熱泵型式、地下水抽水量及冷熱蓄能裝置體積，并計算分析系統(tǒng)節(jié)能減排效益；左睿[27]在常州15 000 m2的溫室中采用地源熱泵供熱，并根據(jù)具體工程運(yùn)行數(shù)據(jù)綜合比較了各能源供能經(jīng)濟(jì)性和實用性。結(jié)果表明，采用地下蓄能裝置地源熱泵供能系統(tǒng)能耗費(fèi)用只有傳統(tǒng)的10%～20%。胡濤等[28]以水蓄能地源熱泵系統(tǒng)為研究對象，得出相對于地源熱泵獨(dú)立直接供能系統(tǒng)，應(yīng)用在線優(yōu)化運(yùn)行控制后，大區(qū)間變?nèi)萘窟\(yùn)行熱泵性能系數(shù)可從3.0最大增至約4.5，同時在峰谷電價基礎(chǔ)上可為用戶節(jié)約日運(yùn)行費(fèi)用為21.8%。

目前，對大型自然光植物工廠供能系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能降耗問題研究較少[29-32]。因此，以上海崇明自然光植物工廠為例，對蓄能型地源熱泵式自然光植物工廠供能系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行調(diào)控優(yōu)化研究。

1 蓄能型地源熱泵式植物工廠供能系統(tǒng)

上海市崇明國家設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心共有面積為21 000 m2的植物工廠，分為A，B，C3個區(qū)。A區(qū)的7棟溫室采用蓄能型地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，面積5 880 m2，每棟溫室長35 m，寬24 m，共6跨，每跨4 m，肩高6.5 m，頂高7.5 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為單層浮法玻璃，厚5 mm，以金屬框架支撐。崇明植物工廠采用2個圓柱形混凝土制蓄能水箱：蓄熱水箱體積為400 m3，直徑為7.65 m；蓄冷水箱體積為600 m3，直徑為9.29 m。以水為主要的蓄能介質(zhì)。植物工廠有2口熱水井和2口冷水井，冬季水由2個熱水井抽出，經(jīng)過對流板式換熱器，與蓄冷水箱流出的冷水換熱，換熱后的低溫水經(jīng)壓力泵回灌到2個冷水井。夏季則是反向運(yùn)行，冷水井的冷水回灌到熱水井，每年冷熱水井溫度呈周期性變化，能量基本保持平衡。傳感器附近的溫度會因為水井水泵輸出降低，但是當(dāng)水井水泵停止工作時，溫度會很快回復(fù)到平均溫度。實際使用供熱系統(tǒng)應(yīng)避免一次性抽取過多地下水，導(dǎo)致熱水井溫度下降過快，使系統(tǒng)運(yùn)行效率下降。間歇抽取地下水，有利于保證地下水溫度以及輸出功率。本文取2口熱水井的平均溫度作為熱水井出水溫度，取2口冷水井的回水溫度作為冷水井回水溫度。熱水井輸出溫度較穩(wěn)定，基本維持在16 ℃以上，但不會高于20 ℃；冷水井入水溫度整體保持穩(wěn)定，基本在7 ℃上下波動。熱水井在冬季典型工況下抽水流量保持在40 m3/h左右。水井輸出的熱量的計算公式為

式中Q為水井輸出的熱量，GJ；為水井的出水流量，m3/h；C1為水的比熱容，取4.18 kJ/kg·℃；1為水的密度，kg/m3；Δ為冷熱水井的溫差，℃。

水蓄能型地下水源熱泵系統(tǒng)冬季典型運(yùn)行流程如圖1所示。

1.冷水井 2.熱水井 3.低溫板式換熱器 4.蓄冷水箱 5.熱泵機(jī)組 6.玻璃溫室 7.蓄熱水箱 8.高溫板式換熱器 9.鍋爐 B1.潛水泵 B2.水源側(cè)循環(huán)水泵 B3.充冷水泵 B4.熱泵水源側(cè)循環(huán)水泵 B5.熱泵負(fù)載側(cè)循環(huán)水泵 B6.植物工廠側(cè)循環(huán)水泵 B7.充熱泵 B8.鍋爐供熱泵 V1～V24.電動閥

圖1中，植物工廠水蓄能型地下水源熱泵式供熱系統(tǒng)包括地下水換熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組、空氣處理機(jī)組和蓄能系統(tǒng)。根據(jù)該系統(tǒng)產(chǎn)能和需能的匹配和當(dāng)?shù)仉妰r峰谷時段的協(xié)同，控制閥門開關(guān)確定系統(tǒng)有5種運(yùn)行模式。當(dāng)處于電價低谷段并且熱泵機(jī)組制熱（冷）量大于植物工廠所需負(fù)荷時，采用機(jī)組邊儲熱（冷）邊供熱（冷）模式；當(dāng)熱泵機(jī)組制熱（冷）量和蓄熱（冷）水箱可供熱（冷）量均小于植物工廠所需負(fù)荷時，采用蓄熱（冷）水箱和機(jī)組供熱（冷）模式；當(dāng)處于電價高峰值時段，采用蓄熱（冷）水箱供熱（冷）模式；當(dāng)熱泵機(jī)組停止運(yùn)行時，采用冷水井儲冷模式；夏季，當(dāng)冷水井地下水溫度小于12 ℃時，采用冷水井直供冷模式。供能設(shè)備主要采用地下水源熱泵和蓄能罐，如圖2所示。

圖2 蓄能型地源熱泵系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備圖

2 供熱期熱泵運(yùn)行統(tǒng)計

為研究地下水源熱泵長期供熱效果以及評估目前運(yùn)行方式節(jié)能性，選擇2018年第1個季度共91 d的系統(tǒng)長期運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)作為研究對象。因為該季度供熱量占全年供熱量的比重較大，并且熱泵的工況只有制熱一種形式。第1季度的記錄數(shù)據(jù)研究供熱情況如表1所示。該季度中，熱泵的運(yùn)行統(tǒng)計包括：運(yùn)行時間、供熱時間、輸出熱量、耗電量。

表1 第1季度熱泵運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計

由表1實測數(shù)據(jù)可以看出，熱泵第1季度的耗電量為208 559.5 kWh。其中1月耗電為83 525.9 kWh，2月為76 673.3 kWh，3月為48 360.3 kWh；向植物工廠和蓄熱水箱輸出熱總量為3 542.7 GJ，其中1月輸出熱1 445.9 GJ，2月輸出熱1 258.6 GJ，3月輸出熱838.2 GJ；第1季度熱泵總計運(yùn)行1 322.8 h，其中1月運(yùn)行557.7 h，2月運(yùn)行454.4 h，3月運(yùn)行310.7 h。

3 供熱期植物工廠熱負(fù)荷與運(yùn)行時間調(diào)控優(yōu)化

根據(jù)溫室能量平衡原理，溫室能耗=圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱+自然通風(fēng)部分消耗的熱量+地面散熱輸入-建筑的能量。

溫室加溫所需的基礎(chǔ)能耗計算公式為

自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)的共同作用計算公式

式中q為溫室單位地表面積加溫或降溫所需基礎(chǔ)能耗，W/m2；h為溫室內(nèi)空氣通過覆蓋材料與室外空氣的綜合傳熱系數(shù)，與室外風(fēng)速和覆蓋材料有關(guān)，取為5.5W/(m2·K)；A和A分別為溫室外殼表面積和溫室地表面積，m2；2為空氣密度，取1.205 kg/m3；C2為空氣的定壓比熱，取1.004 KJ/(kg·K)；為溫室自然通風(fēng)率，m3/s，表示1 s內(nèi)的通風(fēng)體積，該值越大，通風(fēng)越強(qiáng)；Δ為實際的室內(nèi)外溫差，K；q為空氣與土表的顯熱交換量，W/m2；為土表蒸發(fā)潛熱，W/m2；q為機(jī)械通風(fēng)帶來的溫室能耗增加，W；q為自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)的共同作用，W/m2；0為進(jìn)入溫室內(nèi)太陽輻射能中可以用于溫室升溫的部分，為溫室太陽輻射透過率，溫室采用的玻璃為白玻璃，取0.85，0為室外太陽總輻射，W/m2。

把間隔5 min記錄的通風(fēng)散熱數(shù)據(jù)、太陽能輻射數(shù)據(jù)、室內(nèi)外溫差數(shù)據(jù)、溫室結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等代入公式（2）中計算冬季植物工廠動態(tài)熱負(fù)荷公式。計算后的數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波法過濾，能夠根據(jù)系統(tǒng)的量測值來消除隨機(jī)干擾，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，溫室的瞬時能耗呈現(xiàn)較強(qiáng)的規(guī)律性，圖中的“谷”表明在2、3月份當(dāng)中，溫室白天有很長一段時間從外界得熱而非散熱。此時溫室會降低熱泵供熱功率，如果外界向溫室內(nèi)部輸入能量過大則采用簾幕遮陰或開窗通風(fēng)。簾幕遮陰是供熱季中最有效的散熱形式，雙層遮陰簾幕能有效的遮擋太陽輻射。供熱季溫室每晚都有供能需求，即溫室向外界空氣散發(fā)熱量，也就是需要熱泵或水箱持續(xù)工作。但散熱功率除極寒天氣外，不會超過1 000 kW。供熱季中1月23－26日能耗較高，這4 d的夜間熱負(fù)荷接近1 000 kW，熱泵需要滿負(fù)荷運(yùn)行。查詢上述日期室外溫度，夜間達(dá)到?5 ℃。因此如果外界長期低于?5 ℃，溫室將采取其他供能方式（例如燃油鍋爐輔助加溫），熱泵不能夠保證溫室內(nèi)部不低于15 ℃。

圖3 供熱期熱負(fù)荷計算與濾波結(jié)果

由圖4可知，由于熱泵每天要給蓄熱水箱供能，熱泵功率高于植物工廠熱負(fù)荷功率。圖中正值表示植物工廠熱負(fù)荷與熱泵功率，負(fù)值表明植物工廠不需要供熱。篩選出供熱期間每天熱負(fù)荷大于0的時間段，由此累加計算出供熱期間每日植物工廠能耗結(jié)果，如表2所示。

圖4 供熱期植物工廠熱負(fù)荷與熱泵輸出功率對比

表2 植物工廠第1季度運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計

由表2可以得出，植物工廠第1季度平均能耗為433.1 kW，其中1月份平均能耗為553.7 kW，2月份平均能耗為612.8 kW，3月份為350.5 kW；植物工廠第1季度總需供熱量為2 350.0 GJ，1月份為1 004.9 GJ，2月為755.4 GJ，3月為589.7 GJ。不考慮峰谷電價政策，第1季度植物工廠需要供熱總計時長為1 507.0 h，其中1月份需要供熱的時間為576.5 h，2月份需要供熱時間為463.17 h，3月份需要供熱時間為467.33 h?？紤]峰谷電價政策時，在08:00－11:00、18:00－21:00期間為電價高峰期，熱泵不應(yīng)該工作，此時利用熱泵平時累積的多余熱量供熱，因此還需要在每天的供熱能耗數(shù)據(jù)中去除電價高峰的時間，再把余下需要供熱的時間累加，即得出每天植物工廠理論需要熱泵供熱的最短時間。把每天的數(shù)據(jù)相加，得出月數(shù)據(jù)與季度數(shù)據(jù)。具體得出的結(jié)果見表3。

表3 第1季度的運(yùn)行時間優(yōu)化

由表3可知，第1季度理論需要供熱的最短時間為1152.1 h。其中1月最少需要供熱的時間為434.7 h，2月最少需要供熱的時間為358.5 h，3月最少需要供熱時間為358.9 h。因此，把卡爾曼濾波法修正后的供熱能耗作為需求側(cè)，考慮電價分時政策使用地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供熱時，理論結(jié)果要比實際節(jié)約時間，第1季度可節(jié)約169.9h。值得注意的是，表3中顯示出3月理論需要供熱的時間要比實測的供熱時間長。

對卡爾曼濾波法過濾后的正值能耗進(jìn)行統(tǒng)計，計算不同能耗區(qū)間的累計時間，得出不同能耗的所占時間比，如圖5所示。

圖5 不同熱負(fù)荷區(qū)間所占時間比

由圖5可以得出，植物工廠能耗大于熱泵的理論最大輸出功率上限（799 kW）所占時間僅占2%，植物工廠主要的能耗集中于＞200～600 kW，約占71%。因此，有必要進(jìn)行植物工廠運(yùn)行策略調(diào)控優(yōu)化。

4 植物工廠運(yùn)行策略調(diào)控優(yōu)化

4.1 不合理運(yùn)行情況

通過分析蓄能型地下水源熱泵式植物工廠供能系統(tǒng)運(yùn)行過程，主要在以下3種不合理運(yùn)行情況。

1）植物工廠能耗為負(fù)值時，熱泵繼續(xù)供熱

當(dāng)陽光照射，自然光植物工廠內(nèi)溫度升高、熱負(fù)荷為負(fù)值時，植物工廠熱泵系統(tǒng)仍然在供熱。比如01-01的11:10－13:10，電價為平價階段，太陽能輻射量較大，室內(nèi)溫度平均值為23.54℃，但熱泵仍然以滿負(fù)荷運(yùn)行。植物工廠蓄熱水箱運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，在12:50－13:15之間，僅用25 min就使熱水充滿率上升至85.1%。向蓄熱水箱蓄熱仍采取植物工廠自控系統(tǒng)控制運(yùn)行，而在11:10－12:50之間應(yīng)該停止熱泵向溫室供熱。

2）熱泵向蓄熱水箱輸出過多的熱量

以2月12日和13日為例，室外溫度為12～15 ℃，植物工廠內(nèi)部溫度為夜間17 ℃左右，熱負(fù)荷較小，而這兩天蓄熱水箱中的水溫平均為48 ℃，溫度過高。因此，可以停止熱泵向植物工廠供熱，并停止熱泵向蓄熱水箱蓄熱，在夜間溫室內(nèi)部有熱負(fù)荷需求時采用僅蓄熱水箱供熱模式，降低蓄熱水箱內(nèi)部能量，實現(xiàn)節(jié)能。

3）熱泵在電價高峰期（以下簡稱“峰時”）仍然運(yùn)行

說明蓄能水箱沒有達(dá)到應(yīng)有的功用，理想的狀態(tài)是熱泵在電價平價和谷價運(yùn)行，同時完成供熱和蓄熱，但高峰時期則嚴(yán)格停止熱泵繼續(xù)工作，除非室外溫度過低，植物工廠熱負(fù)荷很大以至于蓄熱水箱不能完成獨(dú)立供熱。然而，實際情況是在熱泵的3個月運(yùn)行數(shù)據(jù)中，熱泵在電價高峰運(yùn)行的時間總計117.25 h，占峰時的21.47%。因此，可調(diào)整運(yùn)行策略，將這段時間熱泵供熱，改為利用有足夠熱水的蓄熱水箱供熱以節(jié)能。

4.2 調(diào)控優(yōu)化

4.2.1 無熱負(fù)荷時關(guān)閉熱泵

為防止過多的關(guān)閉熱泵影響整體供熱效果，篩選卡爾曼濾波法中計算出加溫能耗功率小于?100 kW的時間段，如果這些時間內(nèi)熱泵有開啟并向植物工廠供熱，則將其關(guān)閉。但如果熱泵向蓄熱水箱蓄熱，則不關(guān)閉。因此在白天氣溫較高，太陽輻射較充足，熱負(fù)荷為負(fù)，同時蓄熱水箱又不需要蓄熱時，為節(jié)約能源可以選擇適當(dāng)時間段關(guān)閉熱泵。如表4所示。

表4 熱泵運(yùn)行中可關(guān)閉時間和節(jié)約能量

由表4可知，熱泵輸出總計節(jié)約21.55 GJ，根據(jù)耗電數(shù)據(jù)可以節(jié)約1 012.5 kWh，以上時間段的電價均為平價，總計747元。因此在白天氣溫較高，太陽輻射較充足，熱負(fù)荷為負(fù)，同時蓄熱水箱又不需要蓄熱時，為節(jié)約能源可以選擇適當(dāng)時機(jī)關(guān)閉熱泵。

4.2.2 設(shè)定蓄熱水箱溫度上限

蓄熱水箱的熱水充滿率以39℃為基準(zhǔn)計算。一般來說，沒有必要將蓄熱水箱中的熱量積蓄到100%的熱水充滿率。因為會浪費(fèi)大量的熱量，蓄熱水箱與室外溫差越大，散熱速率越快，不利于能量的保存。因此分別篩選出熱水充滿率超過85%、90%、95%的運(yùn)行時間，即在向蓄熱水箱蓄熱的過程中，設(shè)定蓄熱上限。此時熱泵機(jī)組根據(jù)植物工廠熱負(fù)荷選擇是否對植物工廠進(jìn)行供熱，篩選出既不需要供熱也不需要蓄熱的時間段，熱泵機(jī)組可以停止向水箱蓄熱，同時按照植物工廠當(dāng)時能耗進(jìn)行供熱。限定熱水充滿率后計算其可以節(jié)約的能量如表5所示。

表5 限定熱水充滿率可節(jié)約能量及蓄熱時間

植物工廠自動控制系統(tǒng)基本能夠保證當(dāng)蓄熱水箱的熱水充滿率較高時，及時停止向蓄熱水箱蓄熱。設(shè)定熱水充滿率上限為95%時，供熱時間內(nèi)僅能夠比設(shè)定前節(jié)約0.4 GJ的能量。但是設(shè)定熱水充滿率上限為85%時，在保證熱泵能夠足夠給植物工廠供能的前提下，可減少熱泵輸出97.2 GJ的能量。尤其在3月份室外溫度偏高、太陽輻射量較足時，很多時間植物工廠能耗極小，因此沒有必要向蓄熱水箱儲存大量熱量。此時植物工廠白天所需的供能功率基本在100～300 kW之間，因此熱泵空調(diào)應(yīng)當(dāng)采用變頻技術(shù)，控制和調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，減少輸出功率。此外，做好天氣預(yù)報工作也是十分必要的。當(dāng)天氣預(yù)報預(yù)測接下來一周溫度較高時，可減少熱泵向蓄能水箱積蓄的熱量，即減少熱泵的輸出功率，節(jié)約能耗。當(dāng)天氣預(yù)報預(yù)測溫度降低時，解除熱水充滿率上限，讓蓄能水箱正常工作。

4.2.3 峰時段熱泵關(guān)閉原則

統(tǒng)計峰時熱泵運(yùn)行的時間、耗電量以及熱泵輸出功率如表6所示。

表6 第1季度耗電量與輸出功率

熱泵在運(yùn)行中存在用電高峰時段仍然運(yùn)行的問題。排除熱水箱無熱水的時間時，設(shè)定蓄熱水箱的熱水充滿率不低于20%，即認(rèn)為當(dāng)熱水充滿率低于20%時，蓄熱水箱沒有足夠的熱水給溫室供熱；排除當(dāng)室外溫度小于0時，單獨(dú)使用蓄熱水箱供熱不能滿足溫室供熱需要，因此只能使用熱泵供熱。排除以上2種條件，可得到第1季度在用電高峰時段調(diào)控由蓄熱水箱供熱，熱泵僅在谷價或平價時供熱以節(jié)約成本。經(jīng)計算，第1季度熱泵共有140.25 GJ的熱量可以轉(zhuǎn)移到平價階段輸出，此時電量總計8 654.07 kWh，平價和谷價的平均電價為：0.55元。因此合理的使用蓄熱水箱蓄熱，雖然熱泵總輸出能量不變，但1季度內(nèi)仍然可以節(jié)約5 530.0元。

5 結(jié) 論

針對蓄能型地源熱泵式植物工廠供能系統(tǒng)中每棟溫室能量平衡原理得出植物工廠第1季度熱負(fù)荷，用卡爾曼濾波法對熱負(fù)荷結(jié)果過濾誤差。得出冬季熱泵輸出熱量、耗電量、運(yùn)行時間、植物工廠熱負(fù)荷變化、不同熱負(fù)荷區(qū)間所占比例，得出熱泵可以減少運(yùn)行時間及輸出功率的理論計算依據(jù)。

通過分析運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)存在3種不合理運(yùn)行情況：A.植物工廠熱負(fù)荷為負(fù)值時熱泵仍繼續(xù)供熱、B.熱泵向蓄熱水箱輸出過多熱量蓄熱、C.熱泵在用電高峰時仍運(yùn)行。經(jīng)過優(yōu)化調(diào)控后，避免A運(yùn)行情況，第1季度熱泵最終可減少輸出能量21.55 GJ，可減少耗電1 012.50 kWh，折合成電價可節(jié)約747元；避免B運(yùn)行情況，設(shè)定第1季度熱水充率上限為85%，在保證熱泵充分供能植物工廠前提下，可減少輸出97.2 GJ能量；避免C運(yùn)行情況，熱泵總輸出能量不變，將第1季度中熱泵140.25 GJ的熱量轉(zhuǎn)移到平價階段輸出，可以節(jié)約5 530元，此時電量總計8 654.07 kWh。

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Regulation for energy-saving operation of energy supply system in plant factory with energy-storage ground-source heat pump

Shi Huixian, An Wenting, Xu Detian, Tian Qinyu, Zhang Zhonghua, Ren Yike, Ouyang Sanchuan

(,200092,)

Groundwater source heat pumps have high efficiency and environmental protection in greenhouse temperature control. Most importantly, the operating energy consumption can be further reduced if the water storage technology were combined. Although the energy storage type ground source heat pump plant factory energy supply system avoids the problems of low primary energy utilization and serious pollution in traditional fossil energy supply, it currently lacks long-term operating experience. This study takes Shanghai Chongming Natural Light Plant Factory as an example to optimize the energy-saving operation of the energy storage groundwater source heat pump energy supply system. The total area of the plant factory is 21 000 square meters, which is divided into three areas A, B and C. The 7 greenhouses in area A use an energy storage groundwater source heat pump air-conditioning system with an area of 5 880 square meters. The greenhouse uses two cylindrical concrete storage tanks, of which the volume of the thermal storage tank is 400 cubic meters and the diameter is 7.65 meters; the volume of the cold storage tank is 600 cubic meters and the diameter is 9.29 meters. The plant factory has 2 hot water wells and 2 cold water wells. In winter, water was drawn from the 2 hot water wells and passed through a convection plate heat exchanger to exchange heat with the cold water flowing from the cold water tank. The low-temperature water after the heat exchange was pumped back by pressure fill 2 cold water wells. Under typical operating conditions in winter, the output temperature of hot water wells was basically maintained at 16-20℃.The inlet water temperature of cold water wells remained stable at about 7℃, and the pumping flow of hot water wells was maintained at about 40 m3/h. According to the statistics of the operating parameters of the heat pump in the first quarter, it could be concluded that the four output water temperatures and input water temperatures of the heat pump remain stable, and the heat pump operated normally during the heating season. The power consumption of the heat pump in the first quarter was 208 559.5 kWh. Among them, the power consumption in January was 83 525.9 kWh, February was 76 673.3 kWh, and March was 48 360.3 kWh; the total heat output to the greenhouse and hot water tank was 3 542.7 GJ, of which 1 445.9 GJ was output in January and 1 258.6 GJ was output in February. In March, the heat output was 838.2 GJ; in the first quarter, the total heat pump operation was 1 322.8 h, including 557.7 h in January, 454.4 h in February, and 310.7 h in March. After research, there are three unreasonable operating conditions of the system: A. The heat pump continued to supply heat when the plant factory heat load s negative; B. The heat pump output excessive heat to the hot water storage tank; C. The heat pump was still running during peak hours. After optimization and control, to avoid the A operation, the heat pump could finally reduce the output energy by 21.55 GJ in the first quarter, which could reduce the power consumption by 1 012.50 kWh, which could save 747 yuan when converted to electricity price; to avoid the B operation, set the upper limit of hot water charge rate at 85% in the first quarter, which can reduce the output of 97.2 GJ energy under the premise of ensuring that the heat pump is fully powered by the plant factory; to avoid the C operation, to avoid the C operation, assuming that the heat pump was used during the price trough, the total output energy of the heat pump was unchanged. Transferring the heat of the heat pump 140.25 GJ in the first quarter to the parity stage output could save 5 530 yuan, and the total power at this time was 8 654.07 kWh, at this time, the total amount of electricity was 8 654.07 kWh. By optimizing the operation process of the natural light plant factory's energy supply system, energy saving and consumption reduction can be achieved, and economic operation can be achieved.

energy storage; heat pump system; plant factory; heating; energy saving operation

石惠嫻，安文婷，徐得天，田沁雨，張中華，任亦可，歐陽三川. 蓄能型地源熱泵式植物工廠供能系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行調(diào)控[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(1)：245－251.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.029 http://www.tcsae.org

Shi Huixian, An Wenting, Xu Detian, Tian Qinyu, Zhang Zhonghua, Ren Yike, Ouyang Sanchuan. Regulation for energy-saving operation of energy supply system in plant factory with energy-storage ground-source heat pump[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 245－251. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.029http://www.tcsae.org

2018-06-22

2018-10-05

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2013AA103006-02）

石惠嫻，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)設(shè)施領(lǐng)域可再生能源應(yīng)用研究。Email：huixian_shi@#edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.029

S215; S625.4

A

1002-6819(2020)-01-0245-07