基于简化BIN法对寒区温室供暖系统的分析

许国锋 李庆才 姜涛 刘逸、4 郑大宇

1哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院

2黑龙江省九0四环境工程勘察设计院

3航天科技控股集团有限公司

4东北石油大学

5哈尔滨商业大学轻工学院

随着我国寒冷地区温室的大面积建设，致使温室能源消费占有比大幅增加。在我国节能减排的大趋势下，能够找到一种既经济又环保的设备来替代常规高耗能、高污染的温室温度调控设备成了解决温室能源浪费问题最直接的方法。目前，我国东北地区主要采用燃煤锅炉给温室大棚供热，少数使用燃秸秆的方式。由于烟气处理设备的缺乏，对大气环境造成了极大的破坏，严重威胁当地居民的身体健康。温室大棚采用一棚一炉的供热模式相较于集中供热模式造成了资源的严重浪费，并且不利于管理。随着我国煤改电、煤改气工程的大力推进，集中式土壤源热泵供暖、电锅炉供暖、燃气锅炉供暖成为温室大棚供暖的可选择方案。本文通过简化温频法（BIN）[1]对温室负荷进行计算对三种供暖方式从节能性、环保性和经济性三方面进行比较分析。

1 简化BIN法的数学模型

假设温室大棚的某一时刻的热负荷与室外干球温度存在线性关系：

式中：Q为温室大棚的某温度的热负荷，kW；K为常数，kW/℃；C 为常数，kW；t为温室大棚室外干球温度，℃。

根据已知条件，室外干球温度t1、t2分别对应的温室热负荷为 Q1、Q2，将其代入（1）得：

由式（2）可以进一步求得 K、C 的值，代入式（1）得到了Q与t线性关系式：

当室外干球温度t1与温室内植物生长适宜温度相等时，辅助热源系统无需开启对应时刻的温室热负荷Q 取0，化简式（3）得：

2 工程实例分析

2.1 工程概况

本文所研究的工程实例位于黑龙江省哈尔滨市农业科学院的某个花卉培育基地。温室大棚如图1所示，长60 m，宽6 m，最高点为3 m，花卉培育基地内有6个同等规模的温室大棚，实际种植面积为2100 m2。本供暖系统设计干球温度为16℃，冬季供暖热负荷354 kW。

图1 温室大棚

2.2 温度数据处理

在中国气象数据网数据库[2]获得的哈尔滨地区典型年气象数据，分别选取了一天中2:00、8:00、14:00、20:00计算一天的平均温度。以2℃作为一个温度区间，分别统计各温度区间的天数，得到了哈尔滨全年逐日温频数据，如表1所示：

表1 哈尔滨全年逐日温频数

根据温室大棚花卉植物生长的适宜温度可知，当室外干球温度大于等于16℃时辅助热源供暖系统停止工作。根据传热学计算，可知t1=16℃、Q1=0 kW、t2=-10℃、Q2=204.5 kW，将其代入式（4）分别计算各温度段的热负荷如表2所示：

表2 哈尔滨各温度区间的热负荷

2.3 设备能耗计算

本文选择了黑龙江地区具有发展潜力辅助加热方案进行比较分析。方案1：土壤源热泵加热系统；方案2：电锅炉加热系统；方案3：燃气锅炉加热系统。

主要设备参数如表3所示：

表3 供热系统主要设备参数

2.3.1 主机能耗计算

由于哈尔滨地区室外干球温度较低，土壤源热泵的制热COP为3.1，电锅炉的COP为0.98[3]。土壤源热泵、电锅炉各温度区间的能耗以用电量表示，计算根据如下公式：

式中：Q'为温室大棚的某温度区间的能耗，kW·h；n为各温度区间的天数，d；COP为温室大棚辅助热源的性能系数。

燃气锅炉工作时，实际为间歇运行，若直接求其全年耗气量太过于复杂，我们可以运用求当量运行时间的方式进行求解具体求解如下式：

式中：τ为当量运行时间，h；QT为温室大棚的某温度区间的全年热负荷能耗，kJ；QN为燃气锅炉的额定发热量kW。

燃气锅炉某温度区间的总的耗气量ET：

式中：e为燃气锅炉满载时的耗气量，m3/h。

表4 哈尔滨全年各温度区间主机的能耗

经计算可得哈尔滨全年各温度区间主机的能耗，如表4所示。

2.3.2 循环水泵的能耗计算

由于水泵长时间的工作，水泵的能耗在整个系统能耗中占很大比例。由表5所示，土壤源热泵系统需要2台循环泵，电锅炉加热系统需要1台循环泵，燃气锅炉加热系统需要1台循环泵，其各温度区间循环泵的能耗如表5所示：

表5 哈尔滨全年各温度区间循环泵的能耗

2.4 节能性分析

系统总能耗等于主机的能耗与循环水泵能耗的和，统计各温度区间的数据如表6所示：

表6 不同方案系统总的能耗

对于三种辅助加热系统，直接应用的能源分别为电能、电能、天然气。不能从电能和天然气的使用情况直接分析一个系统是否节能。因此，从系统全年一次能源利用率（PER）的角度比较系统的节能性。计算公式如下：

方案1：

方案2：

方案3：

一次能源利用率：

式中：E为系统全年一次能源消耗量，kJ；E1为系统主机全年耗电量，kW·h；E2为系统循环水泵全年耗电量，kW·h；E3为系统主机全年耗气量，m3；η1、η2分别为发电效率38%，输电效率94%；Qqd为天然气的低位发热量，取值为35588 kJ/m3；Q为系全年制热量，kW。

经过计算可得：方案1的PER为92%，方案2的PER为34%，方案3的PER为86%，如图2所示：

图2 一次能源利用率

通过观察图标可知，方案1的节能效果最好，方案2的节能效果最差1。以节能效果最差的方案2为基准最对比，方案1比方案2全年节能63%，方案3比方案2全年节能60%。综合上述比较我们很明显看出，若我们以节能性为系统选择依据方案3为最优选择。但是，方案1和方案3的PER相差不大也是一种比较节能的方案。

2.5 环保性分析

对各方案环保性分析，只需考虑设备的排放对环境影响。电能作为直接应用能源的设备，不需要考虑电能生产过程的排放，因为这部分排放已经统计在电厂的总排放中，所以不必对设备用电再进行排放计算。因此，可以认为方案1、2为零排放。对于方案3燃烧天然气将会产生颗粒物、SO2、NOX等有害物质，关于新建锅炉大气污染物排放浓度限值的国家标准[4]给出了具体的数值，颗粒物排放浓度≤20 mg/m3、SO2物排放浓度≤50 mg/m3、NOX物排放浓度≤200 mg/m3。

当1 m3天然气完全燃烧产生的烟气量为10.89 m3[5]，由表6可得方案3全年天然气消耗量为103526.5 m3，计算可得方案3全年污染物排放量如表7所示：

表7 方案3全年污染物排放量

方案3相对于方案1、2来言是存在大气污染的，但是目前应用燃气锅炉的排放符合国家的排放标准。方案3运行排放的颗粒物、SO2、NOX等有害物质的排放量要远远小于燃煤、燃秸秆的排放量[6]，方案3对改善污染物的排放的具有重要意义。

2.6 经济性分析

对于整个系统来言，影响系统经济性的主要因素可以从分别是初投资和全年供暖成本两方面进行分析。

2.6.1 初投资

所谓初投资指的是建成整个辅助热源系统的花费，主要包括主机及其辅助设备、温室内末端装置以及安装费用。温室大棚取暖，设备安装较为简单，安装费用也相对较少，为了方便计算，我们忽略安装费用。具体初投资如表8所示：

表8 各方案初投资计算

由表8可以看出方案1的初投资最大，方案2初投资最小。方案1是方案2的9.6倍，方案1是方案3的8.7倍左右，方案2和方案3初投资相差不大。对方案1，打井投资占总投资的4/5，想要降低总投资减少打井费用很关键。若以初投资为系统选择依据，则方案2为最优选择，方案3次之。

2.6.2 全年供暖成本

全年运行成本主要包括电费、燃料费两方面。方案1、2运行依靠电力驱动，方案3需要电和天然气两种能源驱动。哈尔滨目前农业生产用电电压在1千伏以下的价格为0.489元/kWh，非民用天然气的价格为4.3元/m3。具体的全年供暖成本如表9所示：

表9 各方案全年供暖成本计算

由表9可以看出方案2的全年供暖成本最大，方案1全年供暖成本最小。以全年供暖成本最小的方案1为基准，方案2是方案1的2.7倍，方案3是方案1的2.6倍。以年供暖费用作为比较依据，方案2、3比方案1要大得多。因此，方案1为比较好的选择。

2.6.3费用年值

仅仅从初投资和年供暖费用角度单一比较不够全面，需要从费用年值进行综合对比。费用年值指的是将供暖系统的初投资平均分到使用寿命年限中再加上年供暖费用。利用费用年值可以全面的考虑上述两种因素，做出最优选择。系统的使用寿命以主机的使用寿命为基准。由表5可得，方案1、2、3的使用寿命分别为22、10、12年。三种方案的费用年值如图2所示：

图3 不同方案费用年值

由图3可知，方案1的费用年值最低，方案2的费用年值最高。方案2是方案1的2.2倍，方案3是方案1的2.1倍。虽然方案1的初投资比方案2、3大很多，但是由于方案1年供暖费用相比方案2、3小，从长远看方案1是最优的选择方案。各方案中年供暖费用在费用年值中所占的比例远远超过设备折旧费在费用年值中所占比例。因此，想要降低系统的费用年值控制年供暖费用成为了关键因素。

3 结论

本文通过对哈尔滨地区逐日温度进行分析，利用简化的BIN法对温室大棚负荷进行计算。进一步对哈尔滨地区温室大棚常用的三种供暖方式从节能性、环保性和经济性三方面进行比较分析。本文主要结论有以下几个方面：

1）在节能方面，方案1的PER为92%，方案2的PER为34%，方案3的PER为86%。方案1比方案2全年节能63%，方案3比方案2全年节能60%，方案1在节能方面最为突出。

2）在环保方面，方案1、2能够实现零排放，方案3存在污染物的排放但是远远小于燃煤、燃秸秆的污染物质排放。

3）在初投资方面，方案1的初投资最大，方案2初投资最小。方案1是方案2的9.6倍，方案1是方案3的8.7倍左右。以初投资为系统选择依据的则方案2为最优选择，方案3次之。方案1可以冬夏两用，若考虑夏季制冷投资或许可以弥补它在初投资方面的不足。

4）在年供暖费用方面，方案1相较于方案2、3全年供暖成本最小。以全年供暖成本最小的方案1为基准，方案2是方案1的2.7倍，方案3是方案1的2.6倍，方案1为比较好的选择。

5）在费用年值方面，方案1的费用年值最低，方案2的费用年值最高。方案2是方案1的2.2倍，方案3是方案1的2.1倍，从长远看方案1是最优的选择方案。

6）未来将充分考虑上述3种方案的优缺点结合当地农业种植的需求，提出多种供暖方式混合的优化方案。