北京地区温室地源热泵供暖能耗及经济性分析

 0 引 言

 

  地源热泵（ground source heat pump，GSHP）是一种以浅层土壤或地下水（200 m 以内）作为空调热源或冷源，兼具加温和制冷双重功能的热泵技术，也是近年来世界范围内发展迅速和研究较为广泛的一项可再生能源空调工艺之一[1-4]。随着设施农业和都市农业的迅速发展，2006年底，北京地区拥有温室及大棚数量达到19 321.1 hm2，共建成农业观光园区1 230 个[5]。地源热泵技术逐渐在设施农业热环境调控中引起广泛重视。

 

  Toyoki Kozai 在20 世纪80 年代采用燃油驱动地下水式热泵系统在日本的一栋温室中进行供暖研究（地下水温为14℃）[6]，机组性能系数（coefficient of performance，COP）达到2.16，比直接采用燃油加热器节能50%。OnderOzgener 和Arif Hepbasli 在土耳其Ege 大学（北纬38°24′）采用一套小型太阳能辅助-地埋管式热泵系统（供暖能力为4 kW）给一栋约50 m2 温室进行供暖[7]，系统供暖系数COP 约为2.27。方卉，杨其长等在北京一栋Venlo 型连栋温室中进行了GSHP 供暖的研究[8]，系统COP 达到3.14。上述研究均证实了GSHP 技术在温室供暖中具有较高的COP，然而与其他供暖方式相比，其经济性如何，由于涉及不同采暖系统的利用方式、配置情况、不同能源的相对成本以及地域和利用时期上的差异等复杂因素，这是需要进一步深入研究和分析的问题。

 

  为此，本研究通过在一栋温室中采用GSHP 系统进行冬季供暖试验，分析热泵系统在温室供暖中的工作性能和能耗情况及其经济性。

 

  1 试验系统与试验方法

 

  1.1 试验温室-GSHP 系统

 

  试验温室及地下水式GSHP 空调系统位于北京市海淀区上庄镇（北纬39°40′），温室为东西走向，长60 m，跨度8 m，脊高3.5 m，北墙高2.5 m，围护结构及覆盖材料详见文献[9]。试验选取两栋结构、材料以及建造时间均相同的试验站2 号和3 号日光温室为研究对象，以下简称G2 和G3。试验期间G2 中使用GSHP 系统供暖，室内种植黄瓜，草莓等作物；G3 中不使用任何供暖设施，早期种植黄瓜。G2 中GSHP 系统风机盘管末端的关闭和开启采用温度自动控制，设置的夜间温度下限为18℃，上限为20℃。G2、G3 保温被覆盖时间为晚上17:00 至次日9:00。

 

  图 1 所示为本研究中使用的地下水式GSHP 空调系统的基本构成。系统详细技术参数见参考文献[9]。冬季进行供暖运行时，打开水阀a、d、f、g，关闭b、c、e、h 阀。地下水流经路线为：抽水井-a-蒸发器-f-回水井，循环水流经路线为：冷凝器- g –实验温室末端/办公楼– d–冷凝器。采暖期内，GSHP 系统同时通过不同的循环管路给试验温室和办公楼以及另外一栋玻璃连栋温室供暖。使用的地下水换热之后，除了供给日常生活需要的用水之外，全部进行回灌处理。

 

  1.2 试验方法与测试仪器

 

  温室GSHP 系统从2007 年10 月15 日开始供暖，系统连续运行至2008 年3 月10 日采暖期结束。试验期间主要采集了以下数据：1）在系统各供、回水管路上安装冷/热量表（京源水仪器仪表厂）记录供暖量，图1 所示位置5、6 为DN100 系列冷/热量表，7、8 为DN35 系列冷/热量表。2）在9、10 位置采用T 型热电偶对进、出井水的温度变化进行实时监测。3）采用温、湿度传感器（ESPEC RS-11，JAPAN）监测室内以及风机盘管进、出口空气的温、湿度变化，自动采集时间步长为10 min。

 

  沿着温室南北中心线，从东至西，室内分别在距离东端15、30 和45 m 的2 m 高度处各布置1 个。选取2 个风机盘管（从东至西第4 个，第6 个），分别在其进口和出口处各布置一个。所有RS-11 传感器的感应探头均使用镀铝膜材料进行热辐射屏蔽的处理。4）使用手持式日光辐射计（ESM-PY1 太阳总辐射表，北京鸿泰顺达科技有限公司）于晴朗天气对G2、G3 两栋温室的透光率进行了测量。5）利用试验站的气象数据采集站监测室外气温、太阳辐射、风速等气象参数。室外气象站安装在3 m 位置高处，数据采集时间步长为10 min。6）使用普通电度表（上海华夏电表厂）记录系统能耗情况。

 

  1.3 GSHP 系统性能评价方法

 

  关于本研究中涉及的热泵机组组成、技术参数以及工作原理、过程等，已在文献[9]中进行了详细阐述，本文仅对循环水供暖末端的换热及系统能耗进行分析。测定温室内供暖末端设备风机盘管供热量的冷/热量表由两个T-型热电偶、旋翼式流量表和计时器等部件组成，热量值将被累计记录，系统的实际供暖量以及COP。

 

  由于空气在经过风机盘管的加热过程中，不会产生水汽凝结现象（夏季降温工况下会经常出现水汽冷凝现象），空气的含湿量不会发生变化（dfc,o 与dfc,i 相等）。此外，水汽的显热变化相对于干空气的显热变化非常小，2 试验结果与分析2.1 供暖系统工作情况以及温室内的环境表1 所示为2008 年2 月2 日－8 日连续6 个夜间G2和G3 室内、外环境参数及夜间供暖量变化情况。连续6个夜间G2 内的平均气温均保持在19.5℃左右，比G3 高11.4℃。2 月3 日晚上至4 日凌晨夜间室外平均气温为-10.7℃，最低气温达到-15.2℃，G2 内夜间气温仍然能保持在17.9～20.7℃，GSHP 供暖系统具有较稳定的工作性能。与此同时，对比温室G3 内的夜间平均气温仅约为7.6℃。

 

  温室的采暖负荷与温室内外气温差、室外风速、以及管理方式（例如白昼通风、夜间温室密闭程度等情况）等有关，对于日光温室，还有墙体和地面白昼蓄积太阳热量的情况，蓄积热量的多少，对夜间墙体内和地下土壤的温度高低也有影响，从而影响墙体与地面传递的热量（这一点是日光温室采暖负荷变化的方面，与普通连栋温室有很大差异之点）。一般情况下，温室内、外气温差越大，供暖量也应该越大，但表1 反映的情况并非完全如此，例如2008 年2 月3 日夜间至4 日凌晨，室外气温平均值达到-10.7℃，室内外温差达到30℃，是表中最大温差，然而夜间加温供暖量并非最大，其原因可能是该夜室外风速较低（近乎零风速），从而降低了温室围护结构外表面与室外气流的对流换热速率，同时，保温被被风掀动得少，覆盖较为严密、温室密闭较好，因此保温效果会得到提高。此外，2 月5 日夜间至6 日凌晨室外气温并非连续6 天之中最低的情况，但是G2 中夜间的供暖量却在这几天之中最高，其原因如图2 所示，从2 月5日－6 日室内、外环境参数变化情况来看，G2 中气温在中午12:00 后有明显降低的趋势，并持续到13:30 左右，其原因是中午G2 温室中天窗打开换气的时间较长，室内、外空气交换量增加，减少了室内的太阳热能积累。

 

  平时温室中午开天窗的时间一般为30 min。无采暖设备的G3 温室内，在夜间仍然能维持高于室外十余度的气温，其热量主要来源于储存在墙体与地面土壤中的太阳辐射热量。

 

  注：G2 -2 号温室；G3 --3 号温室

 

  图2 温室内、外环境参数变化（2 月5 日8:00－6 日8:00）Fig.2 Environmental parameters changing in and outside ofgreenhouses (8:00, Feb.5- 8:00, Feb.6)图 3 为夜间室内、外相对湿度的变化情况。室外夜间平均相对湿度RHO 普遍为35%～50%，2 月3 日至4日达到65%左右。而在观测期间夜间，G3 内的相对湿度RH3 接近100%，G2 内的相对湿度RH2 平均为70%～80%。

 

  注：RH2——2 号温室内空气相对湿度；RH3——3 号温室内空气相对湿度；RHO——室外空气相对湿度图 4 所示为2 月2 日-7 日，9:00-17:00 室内平均太阳辐射量。2008 年1 月5 日（基本处于供暖期中间时段）在G2，G3 两栋温室中测量的透光率分别为65.5%和67.9%（9:30，12:20，16:00 3 次测量取平均值）。G2 温室内的太阳辐射总量Qr2 略小于G3 温室内的太阳辐射总量Qr3。两栋温室采用的薄膜材料为同一材料，使用年限也相同。引起G2 温室内太阳辐射略低于G3 的原因可能有两个：一是两栋温室内种植的作物数量不同，温室G2中种植作物数量较多，G3 中种植作物较少且处于收获季节。因此，在室内测量辐射时，种植作物较多的G2 温室内的漫反射会少于G3；二是G2 温室中白天进行蒸腾作用散发的水汽多于G3，从而导致G2 薄膜材料内表面的水汽凝结多于G3。

 

  2.2 GSHP 系统与其他加温方式的经济性对比

 

  根据2007 年10 月15 日－2008 年3 月10 日期间连续观测的数据，GSHP 系统累计供给日光温室的供暖量为149 270.4 MJ，温室供暖消耗电能约为10 826.1 kW·h（38 974 MJ），则采暖期内系统供暖性能系数COPsys 约为3.83（=149270.4/38974）。按热电转换与输送效率（热电厂产生和输送到用户的电能与所消耗的燃煤燃烧产生的热能之比值）为27%计算[11]，为提供上述GSHP 系统供暖消耗电能，发电厂消耗标准煤（燃烧值为29 306 MJ/t）为4.93 t（=38974/(0.27×29306)）。

 

  而如果该试验温室采用燃煤热水系统采暖，其供热最终的总热效率按60%计算，则提供上述期间同样的供暖量（149 270.4 MJ），燃煤热水采暖系统需消耗标准煤8.49 t（=149270.4/(0.6×29306)）。因此，与燃煤热水系统供暖相比，采用GSHP 系统加热温室可节约42%（=(8.49-4.93)/ 8.49）的能源消耗量，具有很好的节能、减排效果。

 

  对于 GSHP 系统供暖与其它供暖方式相比的经济性问题，根据北京地区2007－2008 采暖期统计的电能、燃煤、天然气和轻质柴油价格，可以将几类供暖系统与地源热泵供热系统进行经济性对比。采暖期内试验站白天正常电价约为1.1 元/kW·h，夜间低谷时期电价为0.6元·kWh-1，由于温室采暖主要集中在夜间，综合考虑电价取为0.8 元/kW·h。实验温室整个采暖期供暖耗能费用约为8 661 元。对比分析结果如表2 所示（部分能源价格来自北京市发改委京发改〔2007〕2069 号文件）[12-13]。从表2 中可以看出，GSHP系统供暖费用高于燃煤热水供暖，但低于天然气供暖和燃油热风供暖。如以燃煤热水供暖的冬季采暖运行费用为1.00，则地源热泵供暖、天然气供暖以及燃油热风供暖相应的冬季采暖相对运行费用为1.20、1.31 与3.36。与天然气采暖方式相比，在试验日光温室中采用GSHP 供暖方式一个冬季采暖期可节省771 元采暖费用，约节省8%。与燃油热风炉相比，则可以节省15 573 元，可见燃油供暖不宜大规模使用，只在加温量小、或加温时间短的小规模临时加温中采用。

 

  此外，根据温室总供暖量、耗电量、温室面积以及采暖期时间长度等数据，可以得出GSHP 系统的单位面积温室的每日供暖耗电量约为0.15 kW·h/(m2·d)，费用约为0.12 元/(m2·d)。