水源热泵在温室加温中的应用.docx
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水源热泵在温室加温中的应用
水地源热泵技术在温室加温中的使用
温室的能耗情况
温室冬季生产需要消耗大量能源。
我国除热带地区的温室冬季生产不需要加温外，大部分地区冬季都比较寒冷，有的地区严寒期甚至长达120-200天，要保证种植作物的正常生长和发育，温室生产，都必须配置加温，人工补充热量。
根据所在地区不同，温室加温的时间也长短不一，东北地区加温时间大约需要5~6个月，华北地区需要3~5个月。
我国南方地区的连栋温室，尤其是花卉生产温室和育苗温室，冬季生产也需要进行加温或临时加温。
一般，连栋温室加温年耗煤量约为90~150kg/m2，燃煤成本占整个生产成本的30%~50%。
设计不合理的温室或地处严寒地区的温室，加温耗煤可能会远远超出上述指标。
因此，能量消耗大是影响大型温室经济效益的重要因素之一。
目前，我国建设的大型温室，北纬35°地区，冬季加温耗能费约占总成本的30%~40%，北纬40°地区约占40%~50%，北纬43°及以上地区约占60%~70%。
北纬40度左右地区：
连栋温室加温能耗100～250W/m2
燃煤消耗60～150kg/（m2·年）
=40～100吨/（亩·年）
采暖煤、水电费用占生产成本的50%～70%
加温温室年耗煤量表
北纬35°
北纬40°
北纬43°
传统加温温室
20~26kg/m2
40~52kg/m2
65~90kg/m2
大型连栋温室
60~105kg/m2
90~120kg/m2
105~150kg/m2
现代温室工程采暖热负荷计算
采暖热负荷是温室加温的主要参数，是温室采暖设计的基础，也是设计时选择散热设备和供热设备的主要依据。
显然，热负荷计算过大，会使初始投资增加，造成浪费；过小，则不能满足使用要求，使生产有可能遭受严重损失。
实际工程中，温室设计一般用冬季最寒冷夜间的后半夜至凌晨的供热量作为采暖设计热负荷。
主要由两个部门组成：
围护结构热损失和冷风渗透热损失。
不同作物，不同品种，不同生长阶段，对环境温度有不同的额要求。
下表列出了常见温室瓜果类植物的适宜温度范围。
若不知确切作物，对于几大类作物温室的室内设计温度，可按下表取值。
温室采暖方式
采暖系统一般由热源，室内散热设备和热媒输送系统组成。
目前用于温室的采暖方式主要有热水采暖，蒸汽采暖，热风采暖，电热采暖和辐射采暖等。
目前温室中最常用的热源有燃煤锅炉，燃气锅炉和电锅炉。
散热方式主要有热水管道散热和热风散热。
热水采暖
以热水（60℃~80℃）为热媒的采暖系统，由热源锅炉，热水输送管道，循环水泵，散热器一级控制阀门等组成。
和热风和蒸汽采暖相比，一次性投资较多，循环动力大，热损失小，运行较为经济。
一般冬季室外采暖设计温度在-10℃以下且加温时间超过三个月的，常采用热水采暖系统。
我国北方地区大都采用热水采暖。
散热器类型：
柱形散热器——占用空间多，目前基本不用；
圆翼型散热器——散热面积大，节省材料，占地小，美观，温室常用。
光管散热器——常用来做成蛇形，直接给植物根部加热。
经验数据：
钢制圆翼型散热器散热量：
600～650W/m
在北京地区温室中的配置数量：
0.3～0.6m/m2
蒸汽采暖
以蒸汽为热媒的采暖系统，组成和热水采暖系统相近。
一般在有蒸汽资源的地方或有大面积连片温室群供暖时，为了节约投资，才选用蒸汽采暖系统。
热风采暖
热风系统是利用热源将空气加热到要求的温度，然后由风机将加热空气送入温室中。
相比热水加温系统，热风采暖设备投资低，安装简单，但是运行费用较高。
主要使用在冬季采暖时间短的地区，尤其适合于小面积单栋温室。
在我国主要使用在长江流域以南地区。
电热采暖
利用电流通过电阻大的导体将电能转变为热能进行空气或土壤加温的加温方式。
温室中常用的电加热线有空气加热线和地热加热线两种。
采用电热采暖不受季节地区限制，可根据种植作物的要求和天气条件控制加温的强度和加温时间，具有升温快，温度分部均匀，稳定，操作灵便等优点。
缺点是耗电量大，运行费用高。
多用于育苗温室的基质加温和实验温室的空气加温等。
地中热交换
在封闭状态下利用贮热原理，白天收集太阳能贮存在土壤中，夜间室内温度低时，再把地下贮存的热量补充到室内，提高夜间室温，有效地均衡昼夜室温。
地中热交换系统存在问题
1）管道用量大，埋设施工量大，系统建设费用高（20～50元/m2）。
2）蓄、放热效果和加温能力有限。
（在室内气温25℃以上且持续相当时间条件下，才能有效蓄热，严冬季节不易达到该条件。
夜间难以维持室内12℃以上气温。
）
3）白昼温室密闭运行方式，CO2不足的问题突出，应考虑进行CO2施肥。
4）连阴数日时，不能有效发挥作用。
5）风机运行时产生噪音。
火炉采暖
用地炉或铁炉，燃煤的烟气通过烟道散热供暖。
热稳定性较好，有辐射加热效果；设备费用低；操作管理较麻烦；主要在日光温室和塑料大棚中使用。
地源热泵使用前景
伴随着我国以设施农业为主体的现代农业的迅速发展，能源对农业生产成本的影响也越来越大。
节能高效已经成为我国未来设施农业发展的主题。
目前国内外各种大型连栋温室，包括正在全国快速发展的新型生态餐厅多采用燃煤、燃油或天然气等传统能源，锅炉集中供暖，夏季有的还用中央空调集中制冷。
由于大型农业设施较普通建筑物所需冷热负荷大得多，采用传统能源消耗比较大，环境污染严重，采用中央空调制冷电能消耗大，能源利用率低；且二者的运行费用都比较高。
在面积比较大，负荷比较大的温室或者生态酒店，地源热泵相对燃油锅炉+普通空调初投资要低一点，运行费用相对燃油锅炉+普通空调模式要低得多，故在面积比较大，档次比较高的设施农业项目上建议采用地源热泵作为供暖和降温手段。
不论是连栋玻璃温室还是普通日光温室，土地面积基本足够使用。
当然最好能在温室设计时，将系统设计进去，以便能在施工时充分利用温室内的面积。
经济性比较
地源热泵系统的初期投资相对其他供暖方式要高些，但其供暖时，能量70％以上来自浅层地能，可比锅炉节省70％以上的能源和40％—60％运行费用。
根据国外的经验，由于地源热泵运行费用低，增加的初期投资在3－7年内可以收回。
地源热泵系统在整个服务周期内的平均费用，要低于传统的供暖方式。
温室常规加温造价
1、暖气加温（不含锅炉部分）
（1）地面均布80元/平方（5000平方温室为例）
（2）抱柱均布210元/平方（5000平方温室为例）
2、热风炉加温（不含锅炉部分）
前期投入不多110元/平方（5000平方温室为例）后期维护及运行费用较高
3、空调加温（仅适合于小型温室）
前期和后期费用均较高，没有现成的报价，基本上300-500元/平方，调控教精确。
日光温室
以北京地区20000m2建筑为例，热负荷为250w/m2，投资及运行费估算如下表（不包括室内末端设备）：
方式
项目
华誉地温
热泵
溴化锂吸收直燃机组
燃油锅炉
燃气锅炉
电锅炉
市政管网
初
投
资
锅炉或换热设备（万元）
100
140
17
30
24
20
辅助设备（万元）
5.2
15.2
24.2
20.2
17.2
17.2
机房土建（万元）
10
15
20
20
15
15
设备安装（万元）
10
18
20
20
20
20
管网（万元）
20
25
27
27
27
27
总投资（万元）
145.2
213.2
108.2
117.2
103.2
99.2
运行费
冬季120天
（元/季·m2）
16
45
45
42
35
30
大型连栋温室
以北京地区20000m2建筑为例，供暖、制冷负荷为250w/m2，投资及运行费估算如下表（不包括室内末端设备）：
方式
项目
华誉地温
热泵
溴化锂吸收直燃机组
水冷机组＋燃油锅炉
水冷机组＋
燃气锅炉
水冷机组＋电锅炉
水冷机组＋市政管网
初
投
资
制冷主机（万元）
100
140
90
90
90
90
锅炉或换热设备（万元）
17
30
24
20
冷却设备（万元）
10（水井）
12（冷却塔）
10（冷却塔）
10（冷却塔）
10（冷却塔）
10（冷却塔）
辅助设备（万元）
5.2
15.2
24.2
20.2
17.2
17.2
机房土建（万元）
10
15
20
20
15
15
设备安装（万元）
10
18
20
20
20
20
管网（万元）
20
25
27
27
27
27
总投资（万元）
155.2
225.2
208.2
217.2
203.2
199.2
运行费
冬季120天
（元/季·m2）
16
45
45
42
35
30
夏季110天
（元/季·m2）
12
40
18
18
18
18
全年
（元/季·m2）
28
85
63
60
53
48
已有的研究论文及实例
中国农业大学上庄试验站日光温室地源热泵系统：
水源热泵系统，末端风机盘管（温度控制开启）供暖性能指数约为3.83，每日供暖耗电量约为0.15kwh/（m2d），供暖费用约为0.12元/（m2d）。
在整个冬季加温期间，温室夜间加温效果稳定，夜间可以有效地维持室内气温在18℃以上，同时，室内湿度保持在70%~80%左右，可以有效避免普通日光温室中夜间出现的接近95%以上的高湿度状况。
一栋480m2左右的日光温室冬季采暖费用（不含人工费）达到8600元，合18元/（m2年）。
地源热泵供暖、天然气供暖、燃煤热水供暖以及燃油热风供暖几种温室采暖方式的相对运行费用分别约为1.20，1.31，1.00，3.36。
地源热泵供暖的运行费用略高于燃煤热水供暖，但低于天然气供暖和燃油热风供暖。
虽然在运行费用方面，地源热泵系统供暖和传统的燃煤热水供暖还不具有优势，但其显著的节能减排效果以及不会对温室建设地区造成污染的优点，目前尤其是在城市郊区发展具有特殊的意义。
西三旗生态园：
温室面积9504m2，跨度33米，开间8米，天沟高7.5米，顶高8.65米，温室主体骨架为工字钢结构。
系统配置：
热泵主机2台，1用1备。
制热功率1251kw，耗电量258kw；制冷功率1020kw，耗电量192kw。
末端采用风机盘管331台，每台耗电量50w。
生态酒店内种热带植物，室内温度全天保持在22℃左右，最高温差达到26℃。
使用地源热泵比使用普通空调节约能耗30%左右。
草莓博览园：
草莓博览园标志性建筑“三中心”占地5万平米，连栋温室面积4.4万平米，园区绿化面积22万平米。
博览园地源热泵系统包含智能温室及“三中心”建筑的采暖及空调系统。
供热总面积达9.3万平米，共设置120米深的地源换热孔2110个。
跟普通燃煤锅炉相比一年可以节约标煤760吨，直接减少二氧化碳排放1400吨。
北京鲜花港：
鲜花港一期温室及其附属设置占地面积400亩，建筑面积22万平米。
鲜花港花卉生产基地拥有17万平米的智能温室，是北京最大的设施花卉生产基地之一。
鲜花港是国内首次在农业设施上大规模自主开发浅层地能，地热新能源等节能环保技术的标杆项目。
鲜花港采用的供暖系统，属于地源热泵，水源热泵，地热梯级利用加燃气锅炉调峰的复合式能源利用方案供暖方式，比传统能源提高30~50%的效率。
鲜花港的供暖总负荷达4.6万kw。
该系统有4口深层地热井，33口水源井和1900多口150米深的土壤源换热孔。
鲜花港温室不设暖气片，而是把导热管铺设在地板下。
夏季，鲜花港利用热泵技术把地下100多米14度的冷水抽上来，通过风机盘管制成冷气均匀的输送到温室，从而实现降温催花。
经过测算，运行费用53元每年每平米。
冬季在温室中使用地源热泵系统供暖比采用传统的燃煤热水或燃油燃气供暖方式运行费用要低30%以上。
而夏季降温工况下，由当前的实验观察和理论分析可知，地源热泵空调系统无论在降温效果方面还是节能方面都落后于当前中国温室普遍采用的湿帘-风机降温系统。
这是因为湿帘-风机系统是利用水的蒸发潜热降温，而热泵系统风机盘管制冷采用的是显热降温，所以，前者的降温效果要快，运行费用也相应地要低一些（温室采用湿帘-风机系统降温风机耗能约为2元/（m2·a），不过湿帘-风机系统存在耗水量大和空气湿度大等缺点。
因此，夏季在温室中可以采用湿帘-风机、地源热泵联合降温系统，合理搭配使用两个系统，既可以减少投资费用和运行成本，又可以解决单一使用湿帘-风机系统带来相对湿度较大，易引发病虫害和抑制蒸腾作用等问题。
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