浅层地热源节能技术在设施农业中的应用

设施农业是一种高效的农业产业,近几十年来,我国的设施农业取得了巨大的进展。不过,由于设施农业生产对能源的依赖很大,因此能源成为了制约其发展的最大瓶颈。不但如此,若采用煤、石油等化石燃料作为设施农业生产的主要能源,还会产生大量的一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫以及碳氧化物等有害气体,从而危害到自然环境。为此,人们一直在努力开发和寻找更加节能的能源以代替化石能源,地热能就是其中一种。

浅层地热源节能技术是一种新型节能技术,其供热系统COP高达3.5一4.5,远超采用电、化石燃料的锅炉供热系统;同时,浅层地热源节能技术的燃料也比锅炉供热系统节省50%以上。近十年左右,美国、加拿大、瑞士、瑞典等国家的浅层地热源节能技术取得了快速发展。截止到20伪年,全球约有3个国家安装了地源热泵装置,总台数高达130万台。而我国对于浅层地热源节能技术的学习和研究始于1995年,直至1997年正式对该技术进行了应用。200年,北京恒有源科技公司利用浅层地热源节能技术开发了中央液态冷热源环境系统,实现了建筑物的日常供热水、冬季供暖及夏季制冷。其后,清华大学、天津大学等学校通过与相关企业合作,联合研发出了中国自己品牌的地源热泵系统。20伪年,国家颁布的《节能中长期专项规划》中明确指出要积极发展地热能。2006年1月,国家颁布的《可再生能源法》中明确表示要鼓励对地热能的开发利用。在得到了国家的大力扶植之后,我国的浅层地热源节能技术进人了一个全新发展阶段,虽然由于起步较晚,目前与发达国家相比尚比较落后,但已经取得了一系列的经验与成就。

浅层地热源节能技术的主要类型

(l)闭式循环式浅层地热源采集系统

闭式循环式浅层地热源采集系统是一种通过介质在封闭式的土壤换热装置中循环流动来达到采集地热源目的的系统。介质可以通过换热装置实现与浅层土壤之间的热交换和传递,从而将浅层地热源连续输送至热泵系统,以提供给热泵系统需要的冷热源。目前常使用的土壤换热装置主要有三种形式,分别是:水平埋管、垂直埋管及螺旋地埋管。

(2)半封闭循环式浅层地热源采集系统

半封闭循环式浅层地热源采集系统是指通过潜水泵抽取地下水,再将介质水中的低位热源以井口间壁式换热方式交换给热泵系统,待水释放出能量后再回到同一口井内。通过该系统可以有效解决在双井抽灌过程中泥沙与水系之间的交又污染问题。

(3)提取转移地下水式浅层地热源采集系统

提取转移地下水式浅层地热源采集系统主要分为双井抽灌形式和一井抽多井回灌形式两种。通常情况下,若是在地下水含量丰富的地区的地质条件下,可以先通过相应的打井技术从一口井中抽取地下水,以获取地下水中的低位热源,然后再将能量释放完毕后的地下水回灌至其他井中。这种浅层地热源采集方式具有经济、方便、占地面积小的优点,而缺点则是运行时间较长,并且在长时间的运行下当排向回灌井的抽水井携带泥沙达到一定积累时,容易造成抽水井疏松及塌陷,以及当抽水井与回水井处于不同水质条件下时容易因两井水混合而造成地下水交又污染。

浅层地热源节能技术及其在设施农业中的应用进展

近年来由于能源危机的到来及大气污染的日益严重,世界各国都在积极寻找和发展新能源技术。设施农业是一种高效的农业产业,但由于其对能源的依赖很大,所以人们不断研究在设施农业中应用新能源技术。研究发现,在设施农业中应用浅层地热源节能技术可以实现良好的温室调温,缺点是初期投资较大、运行成本较高,但后来峰谷电价收费模式的出现很好地解决了这一问题。土耳其爱琴海大学的两位教授通过研究温室地源热泵系统发现热泵的COP约为2.0一3.13,整个系统的COP约为1.7一2.6。美国安得烈查森教授在浅层地热源在温室中利用的可行性研究中发现,当井下安装费用较低及天然气价格较高时利用浅层地热源节能技术来调控温室温度具有良好的经济性。而我国对于浅层地热源节能技术及其在设施农业中的应用的研究尚处于起步阶段。2006年中国农业科学院构建了600平方米的浅层地热源环境调控试验温室,并提出了“地面一冠层”的散热方式,有效实现了降低温室能耗。其后,河南农业大学的研究者又通过试验发现了水源热泵的COP约为3.31,比荷兰玻璃温室的节能效果高出约46.5%。

综上所述,随着浅层地热源节能技术的逐渐进步和完善,在一些发达国家使用浅层地热能来节能降耗越来越普遍,但我国目前在这方面尚比较落后,仍需进一步对浅层地热源节能技术及其在设施农业中的应用进行研究。