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 以內）作為空調熱源或冷源，兼具加溫和制冷雙重功能的熱泵技術，也是近年來世界范圍內發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]。隨著設施農業和都市農業的迅速發展，2006年底，北京地區擁有溫室及大棚數量達到19 321.1 hm2，共建成農業觀光園區1 230 個[5]。地源熱泵技術逐漸在設施農業熱環境調控中引起廣泛重視。

 

  Toyoki Kozai 在20 世紀80 年代采用燃油驅動地下水式熱泵系統在日本的一棟溫室中進行供暖研究（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（北緯38°24′）采用一套小型太陽能輔助-地埋管式熱泵系統（供暖能力為4 kW）給一棟約50 m2 溫室進行供暖[7]，系統供暖系數COP 約為2.27。方卉，楊其長等在北京一棟Venlo 型連棟溫室中進行了GSHP 供暖的研究[8]，系統COP 達到3.14。上述研究均證實了GSHP 技術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期上的差異等復雜因素，這是需要進一步深入研究和分析的問題。

 

  為此，本研究通過在一棟溫室中采用GSHP 系統進行冬季供暖試驗，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文獻[9]。試驗選取兩棟結構、材料以及建造時間均相同的試驗站2 號和3 號日光溫室為研究對象，以下簡稱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 系統風機盤管末端的關閉和開啟采用溫度自動控制，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。系統詳細技術參數見參考文獻[9]。冬季進行供暖運行時，打開水閥a、d、f、g，關閉b、c、e、h 閥。地下水流經路線為：抽水井-a-蒸發器-f-回水井，循環水流經路線為：冷凝器- g –實驗溫室末端/辦公樓– d–冷凝器。采暖期內，GSHP 系統同時通過不同的循環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）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、出井水的溫度變化進行實時監測。3）采用溫、濕度傳感器（ESPEC RS-11，JAPAN）監測室內以及風機盤管進、出口空氣的溫、濕度變化，自動采集時間步長為10 min。

 

  沿著溫室南北中心線，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。選取2 個風機盤管（從東至西第4 個，第6 個），分別在其進口和出口處各布置一個。所有RS-11 傳感器的感應探頭均使用鍍鋁膜材料進行熱輻射屏蔽的處理。4）使用手持式日光輻射計（ESM-PY1 太陽總輻射表，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、太陽輻射、風速等氣象參數。室外氣象站安裝在3 m 位置高處，數據采集時間步長為10 min。6）使用普通電度表（上海華夏電表廠）記錄系統能耗情況。

 

  1.3 GSHP 系統性能評價方法

 

  關于本研究中涉及的熱泵機組組成、技術參數以及工作原理、過程等，已在文獻[9]中進行了詳細闡述，本文僅對循環水供暖末端的換熱及系統能耗進行分析。測定溫室內供暖末端設備風機盤管供熱量的冷/熱量表由兩個T-型熱電偶、旋翼式流量表和計時器等部件組成，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境

 

  表1 所示為2008 年2 月2 日－8 日連續6 個夜間G2和G3 室內、外環境參數及夜間供暖量變化情況。連續6個夜間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，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、室外風速、以及管理方式（例如白晝通風、夜間溫室密閉程度等情況）等有關，對于日光溫室，還有墻體和地面白晝蓄積太陽熱量的情況，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）。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速較低（近乎零風速），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，保溫被被風掀動得少，覆蓋較為嚴密、溫室密閉較好，因此保溫效果會得到提高。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、外環境參數變化情況來看，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 溫室中天窗打開換氣的時間較長，室內、外空氣交換量增加，減少了室內的太陽熱能積累。

 

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

 

  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 室內平均太陽輻射量。2008 年1 月5 日（基本處于供暖期中間時段）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 溫室內的太陽輻射總量Qr2 略小于G3 溫室內的太陽輻射總量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 溫室內太陽輻射略低于G3 的原因可能有兩個：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，種植作物較多的G2 溫室內的漫反射會少于G3；二是G2 溫室中白天進行蒸騰作用散發的水汽多于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濟性對比

 

  根據2007 年10 月15 日－2008 年3 月10 日期間連續觀測的數據，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（熱電廠產生和輸送到用戶的電能與所消耗的燃煤燃燒產生的熱能之比值）為27%計算[11]，為提供上述GSHP 系統供暖消耗電能，發電廠消耗標準煤（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濟性問題，根據北京地區2007－2008 采暖期統計的電能、燃煤、天然氣和輕質柴油價格，可以將幾類供暖系統與地源熱泵供熱系統進行經濟性對比。采暖期內試驗站白天正常電價約為1.1 元/kW·h，夜間低谷時期電價為0.6元·kWh-1，由于溫室采暖主要集中在夜間，綜合考慮電價取為0.8 元/kW·h。實驗溫室整個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（部分能源價格來自北京市發改委京發改〔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 供暖方式一個冬季采暖期可節省771 元采暖費用，約節省8%。與燃油熱風爐相比，則可以節省15 573 元，可見燃油供暖不宜大規模使用，只在加溫量小、或加溫時間短的小規模臨時加溫中采用。

 

  此外，根據溫室總供暖量、耗電量、溫室面積以及采暖期時間長度等數據，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行了對比，結論如下：

 

  1）在整個冬季加溫期間，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，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供暖。