南京地區(qū)玻璃溫室中地源熱泵的加溫效果及效益分析

摘要：為研究低緯度地區(qū)玻璃溫室中地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的可行性，在南京市溧水區(qū)的玻璃溫室中進(jìn)行了地源熱泵系統(tǒng)加溫試驗。結(jié)果表明，地源熱泵系統(tǒng)能夠有效增加玻璃溫室內(nèi)的溫度，制熱系數(shù)達(dá)到3.39，較傳統(tǒng)的燃煤鍋爐加溫平均節(jié)能36.38%；冬季使用地源熱泵系統(tǒng)加溫日運行費用為0.24元/m2，低于采用燃煤鍋爐加溫的日運行費用029元/m2。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；玻璃溫室；加溫；節(jié)能效果；效益分析

中圖分類號： S624文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2015）02-0374-03

收稿日期：2014-10-20

基金項目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號：CX（12）3008]。

作者簡介：鄭子松（1973—），男，江蘇東海人，碩士，副研究員，主要從事園藝作物種苗研究。Tel：（025）84390623；E-mail：jaaszhzs@126.com。設(shè)施農(nóng)業(yè)作為一項高效農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，近年來發(fā)展迅速。2012年，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)面積已占世界總面積85%以上，成為世界上設(shè)施農(nóng)業(yè)面積最大的國家。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對能源的依賴已越來越嚴(yán)重。研究表明，在中國35°～43°N地區(qū)，冬季采用燃煤鍋爐加熱的溫室耗能費用約占全年總生產(chǎn)成本30%～70%以上[1]，一方面過高的能耗影響了設(shè)施農(nóng)業(yè)比較效益的獲得，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)燃煤加溫設(shè)備易產(chǎn)生環(huán)境污染[2]。因此，尋求節(jié)能、高效環(huán)保的冬季溫室加溫措施已經(jīng)成為當(dāng)前設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的熱點。

地源熱泵（ground source heat pump，GSHP）是近年來逐步發(fā)展起來的一種新型節(jié)能環(huán)保技術(shù)，是利用地表水或淺層地下水作為空調(diào)熱（冷）源，兼具加溫、制冷雙重功能的現(xiàn)代空調(diào)工藝[3-6]，目前，國外相關(guān)研究較多[7-8]。我國對地源熱泵系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)50年代[9]，近年來，在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[10-13]。目前，國內(nèi)研究主要集中于北方地區(qū)，方慧等的研究地點在北京市順義區(qū)三高國際鮮花港基地（40°2′N）[13]、張曉慧等的研究地點位于40°1′N[10]，柴立龍等的研究地點則位于39°40′N[11]，而對地源熱泵技術(shù)在長江以南地區(qū)的應(yīng)用研究相對較少。

本研究地點位于江蘇省南京市（31°7′N），通過分析低緯度地區(qū)地源熱泵技術(shù)在冬季玻璃溫室中的加溫效果以及經(jīng)濟性能，為長江以南地區(qū)現(xiàn)代設(shè)施合理利用地源熱泵技術(shù)提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗地點與溫室狀況

試驗于2013年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院溧水植物科學(xué)基地、江蘇省高效園藝作物種子種苗產(chǎn)業(yè)化示范基地玻璃溫室中進(jìn)行，基地位于江蘇省南京市溧水區(qū)（31°7′N、119°1′E）。

玻璃溫室建于2009年，溫室屋脊為南北走向，文洛式小尖頂一跨三、多雨槽、格構(gòu)架結(jié)構(gòu)，跨度12 m×6=72 m，開間8 m×5=40 m，肩高4.5 m，頂高5.5 m，面積2 880 m2，覆蓋 4 mm 厚國產(chǎn)浮法玻璃，透光率>90%。雙層內(nèi)保溫系統(tǒng)。溫室采用雙層保溫簾幕裝置：第1層簾幕平裝于溫室桁架上弦的平面上，采用綴鋁保溫幕做簾幕，保溫率不小于65%，遮陽率為50%；第2層簾幕平裝于桁架下弦的平面上，采用專用保溫膜作為保溫簾幕，遮陽率為15%。溫室分區(qū)均配備循環(huán)風(fēng)扇，每跨安裝2臺，風(fēng)量為5 200 m3/（h·臺）。對照溫室裝備與試驗溫室相同，無加溫設(shè)備。

1.2地源熱泵系統(tǒng)及原理

供試的地源熱泵是根據(jù)GB 50366—2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》要求于2010年設(shè)計安裝。系統(tǒng)鉆井148口，鉆井深度90 m，埋雙U形管27 000 m，額定供冷量按照 0.21 kW/m2 配置，額定供熱量按照0.17 kW/m2配置。

1.3數(shù)據(jù)測定

在試驗溫室、對照溫室、露地分別安裝5個溫度計，懸掛高度距地面80 cm。2013年1月10日至2月9日，于 07：00 分別記載試驗溫室、對照溫室、露地溫度（5個溫度計的平均值）；2013年1月23日至2月3日每隔2 h記錄1次試驗溫室、對照溫室、露地的溫度。

2013年1月11—18日分別記載源熱泵進(jìn)出溫室的熱水進(jìn)出口溫度，同時記載地源熱泵的實際耗電量。

1.4地源熱泵COP的計算

地源熱泵的COP值表示系統(tǒng)的制熱性能，其值越大則表明節(jié)能效果越好。地源熱泵加熱時，其COP值根據(jù)地面供熱管進(jìn)出口水溫度、流量和熱泵機組、潛水泵和循環(huán)水泵的耗電量來計算，計算公式[13]為：

COP=V×ρ×CρA×TP。（1）

式中：COP為地源熱泵系統(tǒng)實際制熱系數(shù)；V為地源熱泵系統(tǒng)循環(huán)水流量；ρ為水的密度，取1 000 kg/m3；CρA為水的熱容，取4.2 kJ/（kg·℃）；T為地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)出水口平均溫度差；P為地源熱泵系統(tǒng)總輸入功率（kW·h）。

1.5地源熱泵節(jié)能率的計算

先將地源熱泵系統(tǒng)加溫所用的耗電量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤用量M1，再根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)加溫所獲得的熱量折算成采用燃煤鍋爐加溫所需的標(biāo)準(zhǔn)煤用量M2，并根據(jù)公式（2）計算獲得節(jié)能率。

節(jié)能率=M2-M1M2×100%。（2）

式中：M1根據(jù)公式（3）計算而得，M2根據(jù)公式（4）計算而得。

M1=W×3 600QH×ηd×ηp。（3）

式中：W為地源熱泵系統(tǒng)消耗的電量；QH為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，取29 260 kJ/kg；ηd為火力發(fā)電廠的發(fā)電效率，取0.35；ηp為輸配電效率，取0.95。

M2=V×ρ×CρA×T×tQH×ηg×ηw。（4）

式中：V為地源熱泵系統(tǒng)循環(huán)水流量；ρ為水的密度，取 1 000 kg/m3；CρA為水的熱容，取4.2 kJ/（kg·℃）；T為地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)出水口平均溫度差；t為加熱時間；QH為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，取29 260 kJ/kg；ηg為燃煤鍋爐的效率，取0.70；ηw為管網(wǎng)輸送效率，取0.95。endprint

2結(jié)果與分析

2.1地源熱泵系統(tǒng)的加溫效果

2.1.1地源熱泵系統(tǒng)對玻璃溫室日平均溫度的影響將2013年1月10日至2月9日期間地源熱泵系統(tǒng)溫室、普通溫室及露地的溫度記錄（時間為每日07：00）繪制成折線圖（圖1）。由圖1可知，試驗期間地源熱泵系統(tǒng)溫室溫度在12.0～17.2 ℃之間變化，1月26日溫度最低，2月5日溫度最高，最大溫差為5.2 ℃；對照溫室的溫度在-1.0～9.1 ℃ 之間變化，溫度最低的日期為2月3日，而1月30日的溫度最高，最大溫差為10.1 ℃；露地溫度的變化范圍為 -6.0～4.3 ℃，極值溫度分別出現(xiàn)在1月23日（最低）和1月19日（最高），溫差為10.3 ℃。地源熱泵系統(tǒng)溫室的月平均溫度為14.72 ℃，明顯高于對照溫室的4.98 ℃和露地的1.09 ℃。表明地源熱泵系統(tǒng)對玻璃溫室的加溫效果明顯，并能有效減緩玻璃溫室內(nèi)溫度的大幅波動。

2.1.2地源熱泵系統(tǒng)對玻璃溫室日不同時段氣溫的影響為了解不同天氣條件下地源熱泵系統(tǒng)對玻璃溫室的增溫效果，分別記錄1月23日（晴天）和2月3日（陰天）的日氣溫情況并繪制成折線（圖2、圖3）。由圖2可知，在晴天條件下，地源熱泵系統(tǒng)溫室中全天溫度變化范圍為1.3～26.1 ℃，溫差為13.8 ℃；對照溫室中全天溫度變化范圍為 -1.2～24.5 ℃，溫差達(dá)25.7 ℃；室外溫度的變化范圍在-7.7～8.6 ℃，溫差為16.3 ℃。地源熱泵系統(tǒng)溫室、對照溫室和露地的日最高溫度均出現(xiàn)在14：00，分別達(dá)到了26.1、245、8.6 ℃；最低溫度均出現(xiàn)在凌晨06：00，分別為12.3、-1.2、-7.7 ℃。地源熱泵系統(tǒng)溫室的日平均溫度最高，達(dá)16.46 ℃，比對照溫室的7.59 ℃、露地的-1.77 ℃分別高887 ℃和18.23 ℃。由圖3可知，在陰天條件下，地源熱泵系統(tǒng)溫室中全天溫度變化范圍為12.5～23.9 ℃，溫差為114 ℃；對照溫室中全天溫度變化范圍為-1.5～17.0 ℃，溫差為18.5 ℃；露地溫度的變化范圍在-5.5～10.5 ℃，溫差為16.0 ℃。地源熱泵系統(tǒng)溫室、對照溫室和露地的日最高溫度出現(xiàn)的時段分別為14：00、13：00、12：00，溫度分別為23.9、17.0、10.5 ℃；地源熱泵系統(tǒng)溫室中日最低溫度出現(xiàn)在凌晨04：00，為12.5 ℃，對照溫室、露地的日最低溫度則出現(xiàn)在凌晨06：00，最低溫度分別為-1.5 ℃和-5.5 ℃，比地源熱泵系統(tǒng)溫度低14.0 ℃和18.0 ℃。地源熱泵系統(tǒng)溫室日平均氣溫達(dá)到了16.40 ℃，分別比對照溫室和露地高10.95 ℃和 15.80 ℃。表明在不同天氣條件下，地源熱泵系統(tǒng)對玻璃溫室的增溫效果明顯，不僅可以提高日平均溫度，還能夠提高日最低、最高溫度。

2.2地源熱泵系統(tǒng)的制熱系數(shù)分析

一般生產(chǎn)上用制熱系數(shù)COP（Coefficient of Performance）來表示熱泵的性能，為制熱量與所耗機械功（或熱能）的比值。試驗于1月11日18：00至1月18日08：00間記載了地源熱泵進(jìn)出水口平均溫度、循環(huán)水流量、耗電量及耗電功率，根據(jù)公式（1），分別計算出實際COP值（表1）。由表1可知，1月12日18：00至1月13日8：00期間的COP值最高，達(dá)到3.66，而1月16日18：00至1月17日8：00期間的COP值最低，為3.16；試驗期間的平均COP值為3.39，表示外界每輸入1 kW·h的能量，溫室可得到3.39 kW·h的熱量。

2.3地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果分析

根據(jù)公式（3）將地源熱泵系統(tǒng)實際消耗的電量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量，再根據(jù)公式（4）將地源熱泵系統(tǒng)加溫獲得的熱量折算成采用燃煤鍋爐加溫所需的標(biāo)準(zhǔn)煤用量，并根據(jù)公式（2）計算獲得節(jié)能率（表2）。由表2可知，試驗期間地源熱泵系統(tǒng)日均耗電量折合標(biāo)準(zhǔn)煤用量為460.69～49954 kg，平均為478.13 kg，若采用燃煤鍋爐加熱獲得相同熱量需消耗標(biāo)準(zhǔn)煤用量為678.84～848.55 kg，平均為 751.57 kg，則地源熱泵系統(tǒng)加熱較燃煤鍋爐加熱相對節(jié)能31.86%～41.13%，平均節(jié)能效率為36.38%。

2.4地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析

為比較地源熱泵系統(tǒng)與燃煤鍋爐加熱的運行費用，將地源熱泵系統(tǒng)、燃煤鍋爐加熱的實際消耗電量、標(biāo)準(zhǔn)煤用量分別乘以平均單價[電0.53元/（kW·h）、煤1.13元/kg]求出運行費用（表3）。1月11—18日期間，地源熱泵系統(tǒng)日均消耗電量為1 292 kW·h，日均運行費用為684.84元；如使用燃煤鍋爐加熱獲得相同的熱量，日均消耗標(biāo)準(zhǔn)煤用量為 751.57 kg，日均運行費用為849.27元。結(jié)果表明，在加熱效果相同的情況下，使用地源熱泵系統(tǒng)較使用燃煤鍋爐加熱的日均運行費用低164.43元。

3結(jié)論與討論

3.1地源熱泵系統(tǒng)的加溫效果

本試驗研究了地源熱泵系統(tǒng)對玻璃溫室的加溫效果，結(jié)果表明，地源熱泵系統(tǒng)能夠有效增加玻璃溫室內(nèi)的溫度，與前人的研究結(jié)果[10-13]基本一致。從月平均溫度（2013年1月10日至2月9日）來看，地源熱泵系統(tǒng)溫室較對照玻璃溫室提高了9.74 ℃，較露地提高了13.63 ℃；從日均溫度來看，在晴天條件下地源熱泵系統(tǒng)溫室溫度達(dá)到了16.46 ℃，比對照玻璃溫室、露地分別高8.87 ℃和18.23 ℃，而在陰天條件下，地源熱泵系統(tǒng)溫室溫度比對照溫室和露地提高1095 ℃和15.80 ℃。本研究結(jié)果還表明，地源熱泵系統(tǒng)溫室中溫度的變化相對平緩，有利作物生長，如在2013年1月10日至2月9日期間，地源熱泵系統(tǒng)溫室內(nèi)的溫差僅為5.2 ℃，而對照溫室及露地的溫差分別達(dá)到了10.1、10.3 ℃。

本試驗中溫度測量點高度距地表80 cm處，該高度一般為育苗床架的高度，試驗結(jié)果對溫室育苗具有較好指導(dǎo)意義。對于溫室普遍栽培而言，地溫對于作物的生長更加重要。本試驗雖然未對地溫進(jìn)行測量，但前人的研究已經(jīng)證明，地源熱泵系統(tǒng)對于地溫有著明顯的提升作用[10，13]。endprint

3.2地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果

本研究中地源熱泵系統(tǒng)的制熱系數(shù)為3.39，與王吉慶等研究結(jié)果相當(dāng)（COP=3.31）[14]，但小于張曉慧等的研究結(jié)果（COP=4.16）[10]、大于方慧等的研究結(jié)果（COP=262）[13]。這種差異來源于試驗溫室的保溫性能不同，此外試驗地點、天氣條件、地源熱泵系統(tǒng)的差異也有可能造成結(jié)果的不一致。

由于熱泵系統(tǒng)的制熱系數(shù)恒大于1，即熱泵的能量輸出大于能量輸入，而消耗煤、石油、天然氣以及直接用電取暖時的熱效益小于1，因此地源熱泵系統(tǒng)要比其他加溫設(shè)備節(jié)能[10]。本試驗中使用地源熱泵系統(tǒng)較傳統(tǒng)的燃煤鍋爐加溫平均節(jié)能36.38%，使用地源熱泵系統(tǒng)一是減少了能量的輸入，二是減少了二氧化碳、粉塵等污染物的排放，有利于緩減環(huán)境壓力。

3.3地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟效益

地源熱泵系統(tǒng)通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現(xiàn)低品位熱能（地?zé)幔┫蚋咂肺粺崮苻D(zhuǎn)移，因此在節(jié)約能源的基礎(chǔ)上可以顯著降低運行費用。本試驗中冬季使用地源熱泵系統(tǒng)加溫日運行費用為0.24元/m2（684.84元/2 880 m2），而采用燃煤鍋爐加溫的日運行費用為0.29元/m2（849.27元/2 880 m2）；此外，燃煤鍋爐加溫時需配備1～2名鍋爐工，且日常維護(hù)費用也高于地源熱泵系統(tǒng)，所以在經(jīng)濟性層面，地源熱泵系統(tǒng)較燃煤鍋爐有著明顯的優(yōu)越性。目前，限制其應(yīng)用的主要問題在于高昂的初期投入費用，因此推廣地源熱泵系統(tǒng)一方面需要不斷降低地源熱泵安裝的費用以減

少初期投入，另一方面需要溫室采用更好的保溫措施以減少熱能的消耗，進(jìn)一步減少運行費用。在種植品種上，需要選擇效益更高的作物，如精品蔬菜、花卉苗木等，增加單位面積的產(chǎn)值，以降低生產(chǎn)成本，這也是擴大地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的可能途徑之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬學(xué)遂. 我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 農(nóng)業(yè)機械，2000（11）：4-6.

[2]馬丹，須暉，韓亞東，等. 日光溫室專用燃煤熱風(fēng)爐加溫效果分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)·溫室園藝，2007（5）：13-14.

[3]Zheng D. Modeling of standing column well in ground source heat pump system[D]. Stillwater：Oklahoma State University，2004.

[4]Michopoulos A，Bozis D，Kikidis P，et al. Three-years operation experience of a ground source heat pump system in Northern Greece[J]. Energy and Buildings，2007，39（3）：328-334.

[5]劉照華. 我國地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展前景分析[J]. 江蘇建筑，2013（1）：100-102.

[6]徐偉，劉志堅. 中國地源熱泵技術(shù)發(fā)展與展望[J]. 建筑科學(xué)，2013，29（10）：26-33.

[7]Kozai T. Thermal performance of an oil engine driven heat pump for greenhouse heating[J]. Journal of Agricultural Engineering Research，1986，35（1）：25-37.

[8]Ozgener O，Hepbasli A. A parametrical study on the energetic and exergetic assessment of a solar-assisted vertical ground-source heat pump system used for heating a greenhouse[J]. Building and Environment，2007，42（1）：11-24.

[9]郭月明，張春月，王珂. 地源熱泵研究文獻(xiàn)綜述[J]. 中國科技博覽，2013（22）：2.

[10]張曉慧，陳青云，曲梅，等. 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在日光溫室中的加溫效果[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報：農(nóng)業(yè)科學(xué)版，2008，26（5）：436-439.

[11]柴立龍，馬承偉，張義，等. 北京地區(qū)溫室地源熱泵供暖能耗及經(jīng)濟性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（3）：249-254.

[12]田豐果，賀瑩，孫鐵弓，等. 水源熱泵在溫室大棚溫度調(diào)節(jié)中的應(yīng)用[J]. 北方園藝，2008（12）：91-93.

[13]方慧，楊其長，孫驥. 地源熱泵在日光溫室中的應(yīng)用[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報，2010，19（4）：196-200.

[14]王吉慶，張百良. 水源熱泵在溫室加溫中的應(yīng)用研究[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2005，21（6）：415-419，442.劉艷昌，左現(xiàn)剛，李國厚. 基于可編程邏輯控制器（PLC）的豬舍環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（2）：377-380.endprint