摘要：污水源熱泵作為水源熱泵的一種，能夠有效回收污水處理廠排水中的低品位熱能。以盤錦市某城市污水處理廠作為熱源，設(shè)計(jì)一種污水源熱泵溫室大棚增溫系統(tǒng)，使其能在-16 ℃的寒冷夜晚有效提升溫室溫度至32 ℃，并能精確維持在（21±1）℃的穩(wěn)定范圍內(nèi)。通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行功率，發(fā)現(xiàn)其實(shí)際運(yùn)行成本低于0.19元/m2。污水源熱泵作為一種清潔、穩(wěn)定、高效且技術(shù)成熟的能源利用方式，具有成本低、效果好、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，適合在污水處理廠周邊的設(shè)施農(nóng)業(yè)中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：污水源熱泵； 溫室大棚； 增溫系統(tǒng)； 可再生能源； 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S-3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2024）06-0043-03

在當(dāng)前溫室大棚生產(chǎn)中，傳統(tǒng)能源系統(tǒng)面臨能源利用率低下、環(huán)境污染嚴(yán)重和運(yùn)行成本高昂等問題。在“雙碳”目標(biāo)背景下，利用可再生能源實(shí)現(xiàn)溫室大棚供冷供暖，構(gòu)建一個(gè)安全、綠色、智慧和高效的能源系統(tǒng)，已成為溫室大棚發(fā)展的重要方向。張東等[1]設(shè)計(jì)了一種耦合太陽能與空氣能利用的可再生能源系統(tǒng)，結(jié)果表明該再生能源系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用具有顯著的優(yōu)越性，空氣源熱泵的運(yùn)行時(shí)間和時(shí)刻差異是影響系統(tǒng)綜合性能的關(guān)鍵因素。吳翠南等[2]研究表明，與燃?xì)忮仩t和電鍋爐相比，空氣源熱泵系統(tǒng)的總投資和運(yùn)行成本更低，并且溫室內(nèi)的熱環(huán)境分布更為均勻，這有利于作物生長(zhǎng)。李艷斌等[3]在對(duì)溫室大棚多能互補(bǔ)能源配比的研究中提出，能源利用的優(yōu)先級(jí)排序?yàn)橹猩顚拥責(zé)崮?、地源熱泵、水源熱泵和空氣源熱泵。污水源熱泵作為水源熱泵的一種，能夠有效回收污水處理廠排水中的低品位熱能。以盤錦市某城市污水處理廠作為熱源，選取周邊的1 000 m2玻璃溫室作為研究對(duì)象，探討如何利用污水源熱泵技術(shù)為溫室提供穩(wěn)定、高效的熱能供應(yīng)，從而達(dá)到節(jié)能減排和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的雙重目標(biāo)。

1污水源熱泵溫室大棚增溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

污水源熱泵溫室大棚增溫系統(tǒng)由3個(gè)循環(huán)系統(tǒng)組成：沉淀池、換熱器、潛水泵組成第一循環(huán)；水源熱泵機(jī)組、循環(huán)泵、換熱器組成第二循環(huán)；風(fēng)機(jī)盤管、循環(huán)泵、水源熱泵機(jī)組組成第三循環(huán)。換熱器的作用是隔離污水以保護(hù)機(jī)組。污水源熱泵溫室大棚增溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2工作原理

污水?dāng)y帶著余熱在第一循環(huán)系統(tǒng)的換熱器中與第二循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生熱交換，熱量交換到第二循環(huán)系統(tǒng)后被水源熱泵機(jī)組做功提高品位，同時(shí)被轉(zhuǎn)移到第三循環(huán)系統(tǒng)，熱量最終在第三循環(huán)系統(tǒng)被風(fēng)機(jī)盤管釋放到溫室中。

2污水源熱泵溫室大棚增溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)目的：保證冬季溫室溫度達(dá)到喜溫作物要求，一般喜溫作物要求環(huán)境溫度20～24 ℃[4]。

設(shè)計(jì)要求：溫室內(nèi)溫度不低于20 ℃并保持穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)參數(shù)：盤錦市年平均氣溫9.7 ℃，冬季平均氣溫-4.6 ℃，最低氣溫-19.3 ℃[5]。某污水處理廠日處理量2 萬t，冬季排水溫度12～15 ℃[6]。某溫室面積1 000 m²，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為單層玻璃。

方案設(shè)計(jì)：使用圖1所示的三循環(huán)結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)計(jì)算：采用指標(biāo)法估算，參考張亞紅[7]的研究，溫室最大熱負(fù)荷由北向南逐漸減少，其中沈陽處于高值區(qū)，單位面積最大熱負(fù)荷為262W/m²。盤錦地理位置與沈陽接近，且試驗(yàn)條件是在極低溫天氣的夜晚環(huán)境下進(jìn)行，因此本方案熱負(fù)荷指標(biāo)同樣取262W/m²，最終估算總熱負(fù)荷為262kW。主要設(shè)備選型見表1。

2.2方案實(shí)施

第一循環(huán)系統(tǒng)：潛水泵懸掛于取水池中段水層，并在吸入口處加裝粗過濾裝置，在潛水泵出口端的管道上加裝過濾器；第二循環(huán)系統(tǒng)：循環(huán)水泵吸入端加裝穩(wěn)壓罐；第三循環(huán)系統(tǒng)：在循環(huán)水泵吸入端的管道上安裝保溫水箱，風(fēng)機(jī)盤管在溫室內(nèi)均勻布置。水源熱泵機(jī)組通過電氣控制來實(shí)現(xiàn)與水泵聯(lián)動(dòng)，能有效降低運(yùn)行費(fèi)用。調(diào)試階段根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在機(jī)組上設(shè)置好回水溫度，在風(fēng)機(jī)盤管控制器上設(shè)置好目標(biāo)溫度，這有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制。工程一角如圖2所示。

3污水源熱泵溫室大棚增溫系統(tǒng)應(yīng)用試驗(yàn)

3.1方法與步驟

試驗(yàn)方法是采用12h連續(xù)運(yùn)行逐時(shí)記錄的方式來測(cè)試系統(tǒng)性能。分兩階段進(jìn)行：第一階段是關(guān)閉自動(dòng)控制，連續(xù)運(yùn)行12h，測(cè)試系統(tǒng)能力上限；第二階段是開啟自動(dòng)控制，設(shè)置溫室目標(biāo)溫度為21 ℃，連續(xù)運(yùn)行12h，測(cè)試系統(tǒng)可靠性。測(cè)試開始時(shí)間均選擇在日落2h后，系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)如圖3所示，系統(tǒng)可靠性監(jiān)測(cè)如圖4所示。

3.2統(tǒng)計(jì)與分析

在系統(tǒng)性能測(cè)試階段，夜里最低氣溫-16 ℃，平均氣溫-13.5 ℃。系統(tǒng)經(jīng)過12 h連續(xù)運(yùn)行后，溫室內(nèi)溫度逐漸上升，最高溫度達(dá)到32 ℃，系統(tǒng)性能滿足設(shè)計(jì)要求。在可靠性試驗(yàn)階段，夜里最低氣溫-16 ℃，平均氣溫-13 ℃。系統(tǒng)開啟自動(dòng)控制后經(jīng)過4 h 升溫，溫室內(nèi)溫度達(dá)到22 ℃，后續(xù)保持在（21±1）℃，系統(tǒng)可靠性滿足設(shè)計(jì)要求。在可靠性試驗(yàn)階段，溫室達(dá)到設(shè)置溫度后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入間歇運(yùn)行狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)該階段總耗電量約為380 kW/h，按農(nóng)業(yè)每度電費(fèi)0.5元計(jì)算，當(dāng)天電費(fèi)為190元，單位面積每天電費(fèi)為0.19元/m²。試驗(yàn)是在全年最不利的工況下進(jìn)行的，耗電量大于常規(guī)工況，由此推測(cè)冬季平均運(yùn)行費(fèi)用低于0.19元/m²。村中污水處理廠一角如圖5所示。

4結(jié)論與討論

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，污水源熱泵技術(shù)服務(wù)于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是可行的。在-16 ℃的寒夜中，既能將溫室內(nèi)溫度提升至32 ℃，又能精確控制溫度穩(wěn)定在（21±1）℃。通過觀測(cè)運(yùn)行功率，推測(cè)污水源熱泵增溫系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用低于0.19元/m²。

污水源熱泵清潔、穩(wěn)定、高效、技術(shù)成熟，是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)能源向新型可再生能源轉(zhuǎn)型的方向之一。設(shè)計(jì)中需把握好服務(wù)農(nóng)業(yè)的理念，有針對(duì)性地制定符合實(shí)際生產(chǎn)需要的解決方案。污水源熱泵溫室大棚增溫系統(tǒng)依附于污水處理廠、服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，成本較低、效果較好、穩(wěn)定性佳，但受眾面窄、限制條件較多，適合在污水廠周邊的設(shè)施農(nóng)業(yè)中推廣。