南京地区玻璃温室中地源热泵的加温效果及效益分析

摘要：为研究低纬度地区玻璃温室中地源热泵系统应用的可行性，在南京市溧水区的玻璃温室中进行了地源热泵系统加温试验。结果表明，地源热泵系统能够有效增加玻璃温室内的温度，制热系数达到3.39，较传统的燃煤锅炉加温平均节能36.38%；冬季使用地源热泵系统加温日运行费用为0.24元/m2，低于采用燃煤锅炉加温的日运行费用029元/m2。

关键词：地源热泵；玻璃温室；加温；节能效果；效益分析

中图分类号： S624文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）02-0374-03

收稿日期：2014-10-20

基金项目：江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（12）3008]。

作者简介：郑子松（1973—），男，江苏东海人，硕士，副研究员，主要从事园艺作物种苗研究。Tel：（025）84390623；E-mail：jaaszhzs@126.com。设施农业作为一项高效农业产业，近年来发展迅速。2012年，我国设施农业面积已占世界总面积85%以上，成为世界上设施农业面积最大的国家。随着设施农业的发展，对能源的依赖已越来越严重。研究表明，在中国35°～43°N地区，冬季采用燃煤锅炉加热的温室耗能费用约占全年总生产成本30%～70%以上[1]，一方面过高的能耗影响了设施农业比较效益的获得，另一方面传统燃煤加温设备易产生环境污染[2]。因此，寻求节能、高效环保的冬季温室加温措施已经成为当前设施农业发展的热点。

地源热泵（ground source heat pump，GSHP）是近年来逐步发展起来的一种新型节能环保技术，是利用地表水或浅层地下水作为空调热（冷）源，兼具加温、制冷双重功能的现代空调工艺[3-6]，目前，国外相关研究较多[7-8]。我国对地源热泵系统的研究始于20世纪50年代[9]，近年来，在设施农业领域得到了广泛应用[10-13]。目前，国内研究主要集中于北方地区，方慧等的研究地点在北京市顺义区三高国际鲜花港基地（40°2′N）[13]、张晓慧等的研究地点位于40°1′N[10]，柴立龙等的研究地点则位于39°40′N[11]，而对地源热泵技术在长江以南地区的应用研究相对较少。

本研究地点位于江苏省南京市（31°7′N），通过分析低纬度地区地源热泵技术在冬季玻璃温室中的加温效果以及经济性能，为长江以南地区现代设施合理利用地源热泵技术提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验地点与温室状况

试验于2013年在江苏省农业科学院溧水植物科学基地、江苏省高效园艺作物种子种苗产业化示范基地玻璃温室中进行，基地位于江苏省南京市溧水区（31°7′N、119°1′E）。

玻璃温室建于2009年，温室屋脊为南北走向，文洛式小尖顶一跨三、多雨槽、格构架结构，跨度12 m×6=72 m，开间8 m×5=40 m，肩高4.5 m，顶高5.5 m，面积2 880 m2，覆盖 4 mm 厚国产浮法玻璃，透光率>90%。双层内保温系统。温室采用双层保温帘幕装置：第1层帘幕平装于温室桁架上弦的平面上，采用缀铝保温幕做帘幕，保温率不小于65%，遮阳率为50%；第2层帘幕平装于桁架下弦的平面上，采用专用保温膜作为保温帘幕，遮阳率为15%。温室分区均配备循环风扇，每跨安装2台，风量为5 200 m3/（h·台）。对照温室装备与试验温室相同，无加温设备。

1.2地源热泵系统及原理

供试的地源热泵是根据GB 50366—2005《地源热泵系统工程技术规范》要求于2010年设计安装。系统钻井148口，钻井深度90 m，埋双U形管27 000 m，额定供冷量按照 0.21 kW/m2 配置，额定供热量按照0.17 kW/m2配置。

1.3数据测定

在试验温室、对照温室、露地分别安装5个温度计，悬挂高度距地面80 cm。2013年1月10日至2月9日，于 07：00 分别记载试验温室、对照温室、露地温度（5个温度计的平均值）；2013年1月23日至2月3日每隔2 h记录1次试验温室、对照温室、露地的温度。

2013年1月11—18日分别记载源热泵进出温室的热水进出口温度，同时记载地源热泵的实际耗电量。

1.4地源热泵COP的计算

地源热泵的COP值表示系统的制热性能，其值越大则表明节能效果越好。地源热泵加热时，其COP值根据地面供热管进出口水温度、流量和热泵机组、潜水泵和循环水泵的耗电量来计算，计算公式[13]为：

COP=V×ρ×CρA×TP。（1）

式中：COP为地源热泵系统实际制热系数；V为地源热泵系统循环水流量；ρ为水的密度，取1 000 kg/m3；CρA为水的热容，取4.2 kJ/（kg·℃）；T为地源热泵系统进出水口平均温度差；P为地源热泵系统总输入功率（kW·h）。

1.5地源热泵节能率的计算

先将地源热泵系统加温所用的耗电量折算成标准煤用量M1，再根据地源热泵系统加温所获得的热量折算成采用燃煤锅炉加温所需的标准煤用量M2，并根据公式（2）计算获得节能率。

节能率=M2-M1M2×100%。（2）

式中：M1根据公式（3）计算而得，M2根据公式（4）计算而得。

M1=W×3 600QH×ηd×ηp。（3）

式中：W为地源热泵系统消耗的电量；QH为标准煤热值，取29 260 kJ/kg；ηd为火力发电厂的发电效率，取0.35；ηp为输配电效率，取0.95。

M2=V×ρ×CρA×T×tQH×ηg×ηw。（4）

式中：V为地源热泵系统循环水流量；ρ为水的密度，取 1 000 kg/m3；CρA为水的热容，取4.2 kJ/（kg·℃）；T为地源热泵系统进出水口平均温度差；t为加热时间；QH为标准煤热值，取29 260 kJ/kg；ηg为燃煤锅炉的效率，取0.70；ηw为管网输送效率，取0.95。endprint

2结果与分析

2.1地源热泵系统的加温效果

2.1.1地源热泵系统对玻璃温室日平均温度的影响将2013年1月10日至2月9日期间地源热泵系统温室、普通温室及露地的温度记录（时间为每日07：00）绘制成折线图（图1）。由图1可知，试验期间地源热泵系统温室温度在12.0～17.2 ℃之间变化，1月26日温度最低，2月5日温度最高，最大温差为5.2 ℃；对照温室的温度在-1.0～9.1 ℃ 之间变化，温度最低的日期为2月3日，而1月30日的温度最高，最大温差为10.1 ℃；露地温度的变化范围为 -6.0～4.3 ℃，极值温度分别出现在1月23日（最低）和1月19日（最高），温差为10.3 ℃。地源热泵系统温室的月平均温度为14.72 ℃，明显高于对照温室的4.98 ℃和露地的1.09 ℃。表明地源热泵系统对玻璃温室的加温效果明显，并能有效减缓玻璃温室内温度的大幅波动。

2.1.2地源热泵系统对玻璃温室日不同时段气温的影响为了解不同天气条件下地源热泵系统对玻璃温室的增温效果，分别记录1月23日（晴天）和2月3日（阴天）的日气温情况并绘制成折线（图2、图3）。由图2可知，在晴天条件下，地源热泵系统温室中全天温度变化范围为1.3～26.1 ℃，温差为13.8 ℃；对照温室中全天温度变化范围为 -1.2～24.5 ℃，温差达25.7 ℃；室外温度的变化范围在-7.7～8.6 ℃，温差为16.3 ℃。地源热泵系统温室、对照温室和露地的日最高温度均出现在14：00，分别达到了26.1、245、8.6 ℃；最低温度均出现在凌晨06：00，分别为12.3、-1.2、-7.7 ℃。地源热泵系统温室的日平均温度最高，达16.46 ℃，比对照温室的7.59 ℃、露地的-1.77 ℃分别高887 ℃和18.23 ℃。由图3可知，在阴天条件下，地源热泵系统温室中全天温度变化范围为12.5～23.9 ℃，温差为114 ℃；对照温室中全天温度变化范围为-1.5～17.0 ℃，温差为18.5 ℃；露地温度的变化范围在-5.5～10.5 ℃，温差为16.0 ℃。地源热泵系统温室、对照温室和露地的日最高温度出现的时段分别为14：00、13：00、12：00，温度分别为23.9、17.0、10.5 ℃；地源热泵系统温室中日最低温度出现在凌晨04：00，为12.5 ℃，对照温室、露地的日最低温度则出现在凌晨06：00，最低温度分别为-1.5 ℃和-5.5 ℃，比地源热泵系统温度低14.0 ℃和18.0 ℃。地源热泵系统温室日平均气温达到了16.40 ℃，分别比对照温室和露地高10.95 ℃和 15.80 ℃。表明在不同天气条件下，地源热泵系统对玻璃温室的增温效果明显，不仅可以提高日平均温度，还能够提高日最低、最高温度。

2.2地源热泵系统的制热系数分析

一般生产上用制热系数COP（Coefficient of Performance）来表示热泵的性能，为制热量与所耗机械功（或热能）的比值。试验于1月11日18：00至1月18日08：00间记载了地源热泵进出水口平均温度、循环水流量、耗电量及耗电功率，根据公式（1），分别计算出实际COP值（表1）。由表1可知，1月12日18：00至1月13日8：00期间的COP值最高，达到3.66，而1月16日18：00至1月17日8：00期间的COP值最低，为3.16；试验期间的平均COP值为3.39，表示外界每输入1 kW·h的能量，温室可得到3.39 kW·h的热量。

2.3地源热泵系统节能效果分析

根据公式（3）将地源热泵系统实际消耗的电量折算成标准煤消耗量，再根据公式（4）将地源热泵系统加温获得的热量折算成采用燃煤锅炉加温所需的标准煤用量，并根据公式（2）计算获得节能率（表2）。由表2可知，试验期间地源热泵系统日均耗电量折合标准煤用量为460.69～49954 kg，平均为478.13 kg，若采用燃煤锅炉加热获得相同热量需消耗标准煤用量为678.84～848.55 kg，平均为 751.57 kg，则地源热泵系统加热较燃煤锅炉加热相对节能31.86%～41.13%，平均节能效率为36.38%。

2.4地源热泵系统经济效益分析

为比较地源热泵系统与燃煤锅炉加热的运行费用，将地源热泵系统、燃煤锅炉加热的实际消耗电量、标准煤用量分别乘以平均单价[电0.53元/（kW·h）、煤1.13元/kg]求出运行费用（表3）。1月11—18日期间，地源热泵系统日均消耗电量为1 292 kW·h，日均运行费用为684.84元；如使用燃煤锅炉加热获得相同的热量，日均消耗标准煤用量为 751.57 kg，日均运行费用为849.27元。结果表明，在加热效果相同的情况下，使用地源热泵系统较使用燃煤锅炉加热的日均运行费用低164.43元。

3结论与讨论

3.1地源热泵系统的加温效果

本试验研究了地源热泵系统对玻璃温室的加温效果，结果表明，地源热泵系统能够有效增加玻璃温室内的温度，与前人的研究结果[10-13]基本一致。从月平均温度（2013年1月10日至2月9日）来看，地源热泵系统温室较对照玻璃温室提高了9.74 ℃，较露地提高了13.63 ℃；从日均温度来看，在晴天条件下地源热泵系统温室温度达到了16.46 ℃，比对照玻璃温室、露地分别高8.87 ℃和18.23 ℃，而在阴天条件下，地源热泵系统温室温度比对照温室和露地提高1095 ℃和15.80 ℃。本研究结果还表明，地源热泵系统温室中温度的变化相对平缓，有利作物生长，如在2013年1月10日至2月9日期间，地源热泵系统温室内的温差仅为5.2 ℃，而对照温室及露地的温差分别达到了10.1、10.3 ℃。

本试验中温度测量点高度距地表80 cm处，该高度一般为育苗床架的高度，试验结果对温室育苗具有较好指导意义。对于温室普遍栽培而言，地温对于作物的生长更加重要。本试验虽然未对地温进行测量，但前人的研究已经证明，地源热泵系统对于地温有着明显的提升作用[10，13]。endprint

3.2地源热泵系统的节能效果

本研究中地源热泵系统的制热系数为3.39，与王吉庆等研究结果相当（COP=3.31）[14]，但小于张晓慧等的研究结果（COP=4.16）[10]、大于方慧等的研究结果（COP=262）[13]。这种差异来源于试验温室的保温性能不同，此外试验地点、天气条件、地源热泵系统的差异也有可能造成结果的不一致。

由于热泵系统的制热系数恒大于1，即热泵的能量输出大于能量输入，而消耗煤、石油、天然气以及直接用电取暖时的热效益小于1，因此地源热泵系统要比其他加温设备节能[10]。本试验中使用地源热泵系统较传统的燃煤锅炉加温平均节能36.38%，使用地源热泵系统一是减少了能量的输入，二是减少了二氧化碳、粉尘等污染物的排放，有利于缓减环境压力。

3.3地源热泵系统的经济效益

地源热泵系统通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低品位热能（地热）向高品位热能转移，因此在节约能源的基础上可以显著降低运行费用。本试验中冬季使用地源热泵系统加温日运行费用为0.24元/m2（684.84元/2 880 m2），而采用燃煤锅炉加温的日运行费用为0.29元/m2（849.27元/2 880 m2）；此外，燃煤锅炉加温时需配备1～2名锅炉工，且日常维护费用也高于地源热泵系统，所以在经济性层面，地源热泵系统较燃煤锅炉有着明显的优越性。目前，限制其应用的主要问题在于高昂的初期投入费用，因此推广地源热泵系统一方面需要不断降低地源热泵安装的费用以减

少初期投入，另一方面需要温室采用更好的保温措施以减少热能的消耗，进一步减少运行费用。在种植品种上，需要选择效益更高的作物，如精品蔬菜、花卉苗木等，增加单位面积的产值，以降低生产成本，这也是扩大地源热泵系统应用的可能途径之一。

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