北京地區溫室地源熱泵供暖能耗及經(jīng)濟性分析

  0 引 言

 

  地源熱泵（ground source heat pump，GSHP）是一種以淺層土壤或地下水（200 m 以?xún)龋┳鳛?a href="http://keyinmall.com/t/空調.html" >空調熱源或冷源，兼具加溫和制冷雙重功能的熱泵技術(shù)，也是近年來(lái)世界范圍內發(fā)展迅速和研究較為廣泛的一項可再生能源空調工藝之一[1-4]。隨著(zhù)設施農業(yè)和都市農業(yè)的迅速發(fā)展，2006年底，北京地區擁有溫室及大棚數量達到19 321.1 hm2，共建成農業(yè)觀(guān)光園區1 230 個(gè)[5]。地源熱泵技術(shù)逐漸在設施農業(yè)熱環(huán)境調控中引起廣泛重視。

 

  Toyoki Kozai 在20 世紀80 年代采用燃油驅動(dòng)地下水式熱泵系統在日本的一棟溫室中進(jìn)行供暖研究（地下水溫為14℃）[6]，機組性能系數（coefficient of performance，COP）達到2.16，比直接采用燃油加熱器節能50%。OnderOzgener 和Arif Hepbasli 在土耳其Ege 大學(xué)（北緯38°24′）采用一套小型太陽(yáng)能輔助-地埋管式熱泵系統（供暖能力為4 kW）給一棟約50 m2 溫室進(jìn)行供暖[7]，系統供暖系數COP 約為2.27。方卉，楊其長(cháng)等在北京一棟Venlo 型連棟溫室中進(jìn)行了GSHP 供暖的研究[8]，系統COP 達到3.14。上述研究均證實(shí)了GSHP 技術(shù)在溫室供暖中具有較高的COP，然而與其他供暖方式相比，其經(jīng)濟性如何，由于涉及不同采暖系統的利用方式、配置情況、不同能源的相對成本以及地域和利用時(shí)期上的差異等復雜因素，這是需要進(jìn)一步深入研究和分析的問(wèn)題。

 

  為此，本研究通過(guò)在一棟溫室中采用GSHP 系統進(jìn)行冬季供暖試驗，分析熱泵系統在溫室供暖中的工作性能和能耗情況及其經(jīng)濟性。

 

  1 試驗系統與試驗方法

 

  1.1 試驗溫室-GSHP 系統

 

  試驗溫室及地下水式GSHP 空調系統位于北京市海淀區上莊鎮（北緯39°40′），溫室為東西走向，長(cháng)60 m，跨度8 m，脊高3.5 m，北墻高2.5 m，圍護結構及覆蓋材料詳見(jiàn)文獻[9]。試驗選取兩棟結構、材料以及建造時(shí)間均相同的試驗站2 號和3 號日光溫室為研究對象，以下簡(jiǎn)稱(chēng)G2 和G3。試驗期間G2 中使用GSHP 系統供暖，室內種植黃瓜，草莓等作物；G3 中不使用任何供暖設施，早期種植黃瓜。G2 中GSHP 系統風(fēng)機盤(pán)管末端的關(guān)閉和開(kāi)啟采用溫度自動(dòng)控制，設置的夜間溫度下限為18℃，上限為20℃。G2、G3 保溫被覆蓋時(shí)間為晚上17:00 至次日9:00。

 

  圖 1 所示為本研究中使用的地下水式GSHP 空調系統的基本構成。系統詳細技術(shù)參數見(jiàn)參考文獻[9]。冬季進(jìn)行供暖運行時(shí)，打開(kāi)水閥a、d、f、g，關(guān)閉b、c、e、h 閥。地下水流經(jīng)路線(xiàn)為：抽水井-a-蒸發(fā)器-f-回水井，循環(huán)水流經(jīng)路線(xiàn)為：冷凝器- g –實(shí)驗溫室末端/辦公樓– d–冷凝器。采暖期內，GSHP 系統同時(shí)通過(guò)不同的循環(huán)管路給試驗溫室和辦公樓以及另外一棟玻璃連棟溫室供暖。使用的地下水換熱之后，除了供給日常生活需要的用水之外，全部進(jìn)行回灌處理。

 

  1.2 試驗方法與測試儀器

 

  溫室GSHP 系統從2007 年10 月15 日開(kāi)始供暖，系統連續運行至2008 年3 月10 日采暖期結束。試驗期間主要采集了以下數據：1）在系統各供、回水管路上安裝冷/熱量表（京源水儀器儀表廠(chǎng)）記錄供暖量，圖1 所示位置5、6 為DN100 系列冷/熱量表，7、8 為DN35 系列冷/熱量表。2）在9、10 位置采用T 型熱電偶對進(jìn)、出井水的溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。3）采用溫、濕度傳感器（ESPEC RS-11，JAPAN）監測室內以及風(fēng)機盤(pán)管進(jìn)、出口空氣的溫、濕度變化，自動(dòng)采集時(shí)間步長(cháng)為10 min。

 

  沿著(zhù)溫室南北中心線(xiàn)，從東至西，室內分別在距離東端15、30 和45 m 的2 m 高度處各布置1 個(gè)。選取2 個(gè)風(fēng)機盤(pán)管（從東至西第4 個(gè)，第6 個(gè)），分別在其進(jìn)口和出口處各布置一個(gè)。所有RS-11 傳感器的感應探頭均使用鍍鋁膜材料進(jìn)行熱輻射屏蔽的處理。4）使用手持式日光輻射計（ESM-PY1 太陽(yáng)總輻射表，北京鴻泰順達科技有限公司）于晴朗天氣對G2、G3 兩棟溫室的透光率進(jìn)行了測量。5）利用試驗站的氣象數據采集站監測室外氣溫、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速等氣象參數。室外氣象站安裝在3 m 位置高處，數據采集時(shí)間步長(cháng)為10 min。6）使用普通電度表（上海華夏電表廠(chǎng)）記錄系統能耗情況。

 

  1.3 GSHP 系統性能評價(jià)方法

 

  關(guān)于本研究中涉及的熱泵機組組成、技術(shù)參數以及工作原理、過(guò)程等，已在文獻[9]中進(jìn)行了詳細闡述，本文僅對循環(huán)水供暖末端的換熱及系統能耗進(jìn)行分析。測定溫室內供暖末端設備風(fēng)機盤(pán)管供熱量的冷/熱量表由兩個(gè)T-型熱電偶、旋翼式流量表和計時(shí)器等部件組成，熱量值將被累計記錄.

 

  2 試驗結果與分析

 

  2.1 供暖系統工作情況以及溫室內的環(huán)境

 

  表1 所示為2008 年2 月2 日－8 日連續6 個(gè)夜間G2和G3 室內、外環(huán)境參數及夜間供暖量變化情況。連續6個(gè)夜間G2 內的平均氣溫均保持在19.5℃左右，比G3 高11.4℃。2 月3 日晚上至4 日凌晨夜間室外平均氣溫為-10.7℃，最低氣溫達到-15.2℃，G2 內夜間氣溫仍然能保持在17.9～20.7℃，GSHP 供暖系統具有較穩定的工作性能。與此同時(shí)，對比溫室G3 內的夜間平均氣溫僅約為7.6℃。

 

  溫室的采暖負荷與溫室內外氣溫差、室外風(fēng)速、以及管理方式（例如白晝通風(fēng)、夜間溫室密閉程度等情況）等有關(guān)，對于日光溫室，還有墻體和地面白晝蓄積太陽(yáng)熱量的情況，蓄積熱量的多少，對夜間墻體內和地下土壤的溫度高低也有影響，從而影響墻體與地面傳遞的熱量（這一點(diǎn)是日光溫室采暖負荷變化的方面，與普通連棟溫室有很大差異之點(diǎn)）。一般情況下，溫室內、外氣溫差越大，供暖量也應該越大，但表1 反映的情況并非完全如此，例如2008 年2 月3 日夜間至4 日凌晨，室外氣溫平均值達到-10.7℃，室內外溫差達到30℃，是表中最大溫差，然而夜間加溫供暖量并非最大，其原因可能是該夜室外風(fēng)速較低（近乎零風(fēng)速），從而降低了溫室圍護結構外表面與室外氣流的對流換熱速率，同時(shí)，保溫被被風(fēng)掀動(dòng)得少，覆蓋較為嚴密、溫室密閉較好，因此保溫效果會(huì )得到提高。此外，2 月5 日夜間至6 日凌晨室外氣溫并非連續6 天之中最低的情況，但是G2 中夜間的供暖量卻在這幾天之中最高，其原因如圖2 所示，從2 月5日－6 日室內、外環(huán)境參數變化情況來(lái)看，G2 中氣溫在中午12:00 后有明顯降低的趨勢，并持續到13:30 左右，其原因是中午G2 溫室中天窗打開(kāi)換氣的時(shí)間較長(cháng)，室內、外空氣交換量增加，減少了室內的太陽(yáng)熱能積累。

 

  平時(shí)溫室中午開(kāi)天窗的時(shí)間一般為30 min。無(wú)采暖設備的G3 溫室內，在夜間仍然能維持高于室外十余度的氣溫，其熱量主要來(lái)源于儲存在墻體與地面土壤中的太陽(yáng)輻射熱量。

 

  圖 3 為夜間室內、外相對濕度的變化情況。室外夜間平均相對濕度RHO 普遍為35%～50%，2 月3 日至4日達到65%左右。而在觀(guān)測期間夜間，G3 內的相對濕度RH3 接近100%，G2 內的相對濕度RH2 平均為70%～80%。

 

  圖 4 所示為2 月2 日-7 日，9:00-17:00 室內平均太陽(yáng)輻射量。2008 年1 月5 日（基本處于供暖期中間時(shí)段）在G2，G3 兩棟溫室中測量的透光率分別為65.5%和67.9%（9:30，12:20，16:00 3 次測量取平均值）。G2 溫室內的太陽(yáng)輻射總量Qr2 略小于G3 溫室內的太陽(yáng)輻射總量Qr3。兩棟溫室采用的薄膜材料為同一材料，使用年限也相同。引起G2 溫室內太陽(yáng)輻射略低于G3 的原因可能有兩個(gè)：一是兩棟溫室內種植的作物數量不同，溫室G2中種植作物數量較多，G3 中種植作物較少且處于收獲季節。因此，在室內測量輻射時(shí)，種植作物較多的G2 溫室內的漫反射會(huì )少于G3；二是G2 溫室中白天進(jìn)行蒸騰作用散發(fā)的水汽多于G3，從而導致G2 薄膜材料內表面的水汽凝結多于G3。

 

  2.2 GSHP 系統與其他加溫方式的經(jīng)濟性對比

 

  根據2007 年10 月15 日－2008 年3 月10 日期間連續觀(guān)測的數據，GSHP 系統累計供給日光溫室的供暖量為149 270.4 MJ，溫室供暖消耗電能約為10 826.1 kW·h（38 974 MJ），則采暖期內系統供暖性能系數COPsys 約為3.83（=149270.4/38974）。按熱電轉換與輸送效率（熱電廠(chǎng)產(chǎn)生和輸送到用戶(hù)的電能與所消耗的燃煤燃燒產(chǎn)生的熱能之比值）為27%計算[11]，為提供上述GSHP 系統供暖消耗電能，發(fā)電廠(chǎng)消耗標準煤（燃燒值為29 306 MJ/t）為4.93 t（=38974/(0.27×29306)）。

 

  而如果該試驗溫室采用燃煤熱水系統采暖，其供熱最終的總熱效率按60%計算，則提供上述期間同樣的供暖量（149 270.4 MJ），燃煤熱水采暖系統需消耗標準煤8.49 t（=149270.4/(0.6×29306)）。因此，與燃煤熱水系統供暖相比，采用GSHP 系統加熱溫室可節約42%（=(8.49-4.93)/ 8.49）的能源消耗量，具有很好的節能、減排效果。

 

  對于 GSHP 系統供暖與其它供暖方式相比的經(jīng)濟性問(wèn)題，根據北京地區2007－2008 采暖期統計的電能、燃煤、天然氣和輕質(zhì)柴油價(jià)格，可以將幾類(lèi)供暖系統與地源熱泵供熱系統進(jìn)行經(jīng)濟性對比。采暖期內試驗站白天正常電價(jià)約為1.1 元/kW·h，夜間低谷時(shí)期電價(jià)為0.6元·kWh-1，由于溫室采暖主要集中在夜間，綜合考慮電價(jià)取為0.8 元/kW·h。實(shí)驗溫室整個(gè)采暖期供暖耗能費用約為8 661 元。對比分析結果如表2 所示（部分能源價(jià)格來(lái)自北京市發(fā)改委京發(fā)改〔2007〕2069 號文件）[12-13]。從表2 中可以看出，GSHP系統供暖費用高于燃煤熱水供暖，但低于天然氣供暖和燃油熱風(fēng)供暖。如以燃煤熱水供暖的冬季采暖運行費用為1.00，則地源熱泵供暖、天然氣供暖以及燃油熱風(fēng)供暖相應的冬季采暖相對運行費用為1.20、1.31 與3.36。與天然氣采暖方式相比，在試驗日光溫室中采用GSHP 供暖方式一個(gè)冬季采暖期可節省771 元采暖費用，約節省8%。與燃油熱風(fēng)爐相比，則可以節省15 573 元，可見(jiàn)燃油供暖不宜大規模使用，只在加溫量小、或加溫時(shí)間短的小規模臨時(shí)加溫中采用。

 

  此外，根據溫室總供暖量、耗電量、溫室面積以及采暖期時(shí)間長(cháng)度等數據，可以得出GSHP 系統的單位面積溫室的每日供暖耗電量約為0.15 kW·h/(m2·d)，費用約為0.12 元/(m2·d)。

 

  3 結 論

 

  本文根據地源熱泵系統采暖溫室的冬季運行試驗觀(guān)測結果，研究分析了地源熱泵系統用于北京地區溫室采暖的效果、能耗以及運行費用，并與其他溫室采暖方式進(jìn)行了對比，結論如下：

 

  1）在整個(gè)冬季加溫期間，地源熱泵系統用于溫室夜間加溫的能力充足，加溫效果穩定。試驗溫室夜間可以有效地維持室內氣溫在設定值18℃以上，同時(shí)，室內濕度保持在70%～80%左右，可以有效避免普通日光溫室中夜間出現的接近95%以上的高濕度狀況。

 

  2）試驗溫室采暖期內GSHP 系統供給溫室的熱量為149 270.4 MJ，同時(shí)消耗10 826.1 kW·h 的電能，其供暖COPsys 達到3.83。溫室單位面積的每日供暖耗電量為0.15 kW·h/(m2·d)，供暖費用為0.12 元/(m2·d)。

 

  3）溫室采用地源熱泵系統供暖具有顯著(zhù)的節能減排效果，與燃煤熱水采暖系統相比，地源熱泵系統供暖可節約42%的能源消耗量。

 

  4）地源熱泵供暖、天然氣供暖、燃煤熱水供暖以及燃油熱風(fēng)供暖幾種溫室采暖方式的相對運行費用分別約為1.20、1.31、1.00 與3.36，地源熱泵供暖的運行費用略高于燃煤熱水供暖，但低于天然氣供暖和燃油熱風(fēng)供暖。