南京地區玻璃溫室中地源熱泵的加溫效果及效益分析

摘要：為研究低緯度地區玻璃溫室中地源熱泵系統應用的可行性，在南京市溧水區的玻璃溫室中進行了地源熱泵系統加溫試驗。結果表明，地源熱泵系統能夠有效增加玻璃溫室內的溫度，制熱系數達到3.39，較傳統的燃煤鍋爐加溫平均節能36.38%；冬季使用地源熱泵系統加溫日運行費用為0.24元/m2，低于采用燃煤鍋爐加溫的日運行費用029元/m2。

關鍵詞：地源熱泵；玻璃溫室；加溫；節能效果；效益分析

中圖分類號： S624文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）02-0374-03

收稿日期：2014-10-20

基金項目：江蘇省農業科技自主創新資金[編號：CX（12）3008]。

作者簡介：鄭子松（1973—），男，江蘇東海人，碩士，副研究員，主要從事園藝作物種苗研究。Tel：（025）84390623；E-mail：jaaszhzs@126.com。設施農業作為一項高效農業產業，近年來發展迅速。2012年，我國設施農業面積已占世界總面積85%以上，成為世界上設施農業面積最大的國家。隨著設施農業的發展，對能源的依賴已越來越嚴重。研究表明，在中國35°～43°N地區，冬季采用燃煤鍋爐加熱的溫室耗能費用約占全年總生產成本30%～70%以上[1]，一方面過高的能耗影響了設施農業比較效益的獲得，另一方面傳統燃煤加溫設備易產生環境污染[2]。因此，尋求節能、高效環保的冬季溫室加溫措施已經成為當前設施農業發展的熱點。

地源熱泵（ground source heat pump，GSHP）是近年來逐步發展起來的一種新型節能環保技術，是利用地表水或淺層地下水作為空調熱（冷）源，兼具加溫、制冷雙重功能的現代空調工藝[3-6]，目前，國外相關研究較多[7-8]。我國對地源熱泵系統的研究始于20世紀50年代[9]，近年來，在設施農業領域得到了廣泛應用[10-13]。目前，國內研究主要集中于北方地區，方慧等的研究地點在北京市順義區三高國際鮮花港基地（40°2′N）[13]、張曉慧等的研究地點位于40°1′N[10]，柴立龍等的研究地點則位于39°40′N[11]，而對地源熱泵技術在長江以南地區的應用研究相對較少。

本研究地點位于江蘇省南京市（31°7′N），通過分析低緯度地區地源熱泵技術在冬季玻璃溫室中的加溫效果以及經濟性能，為長江以南地區現代設施合理利用地源熱泵技術提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗地點與溫室狀況

試驗于2013年在江蘇省農業科學院溧水植物科學基地、江蘇省高效園藝作物種子種苗產業化示范基地玻璃溫室中進行，基地位于江蘇省南京市溧水區（31°7′N、119°1′E）。

玻璃溫室建于2009年，溫室屋脊為南北走向，文洛式小尖頂一跨三、多雨槽、格構架結構，跨度12 m×6=72 m，開間8 m×5=40 m，肩高4.5 m，頂高5.5 m，面積2 880 m2，覆蓋 4 mm 厚國產浮法玻璃，透光率>90%。雙層內保溫系統。溫室采用雙層保溫簾幕裝置：第1層簾幕平裝于溫室桁架上弦的平面上，采用綴鋁保溫幕做簾幕，保溫率不小于65%，遮陽率為50%；第2層簾幕平裝于桁架下弦的平面上，采用專用保溫膜作為保溫簾幕，遮陽率為15%。溫室分區均配備循環風扇，每跨安裝2臺，風量為5 200 m3/（h·臺）。對照溫室裝備與試驗溫室相同，無加溫設備。

1.2地源熱泵系統及原理

供試的地源熱泵是根據GB 50366—2005《地源熱泵系統工程技術規范》要求于2010年設計安裝。系統鉆井148口，鉆井深度90 m，埋雙U形管27 000 m，額定供冷量按照 0.21 kW/m2 配置，額定供熱量按照0.17 kW/m2配置。

1.3數據測定

在試驗溫室、對照溫室、露地分別安裝5個溫度計，懸掛高度距地面80 cm。2013年1月10日至2月9日，于 07：00 分別記載試驗溫室、對照溫室、露地溫度（5個溫度計的平均值）；2013年1月23日至2月3日每隔2 h記錄1次試驗溫室、對照溫室、露地的溫度。

2013年1月11—18日分別記載源熱泵進出溫室的熱水進出口溫度，同時記載地源熱泵的實際耗電量。

1.4地源熱泵COP的計算

地源熱泵的COP值表示系統的制熱性能，其值越大則表明節能效果越好。地源熱泵加熱時，其COP值根據地面供熱管進出口水溫度、流量和熱泵機組、潛水泵和循環水泵的耗電量來計算，計算公式[13]為：

COP=V×ρ×CρA×TP。（1）

式中：COP為地源熱泵系統實際制熱系數；V為地源熱泵系統循環水流量；ρ為水的密度，取1 000 kg/m3；CρA為水的熱容，取4.2 kJ/（kg·℃）；T為地源熱泵系統進出水口平均溫度差；P為地源熱泵系統總輸入功率（kW·h）。

1.5地源熱泵節能率的計算

先將地源熱泵系統加溫所用的耗電量折算成標準煤用量M1，再根據地源熱泵系統加溫所獲得的熱量折算成采用燃煤鍋爐加溫所需的標準煤用量M2，并根據公式（2）計算獲得節能率。

節能率=M2-M1M2×100%。（2）

式中：M1根據公式（3）計算而得，M2根據公式（4）計算而得。

M1=W×3 600QH×ηd×ηp。（3）

式中：W為地源熱泵系統消耗的電量；QH為標準煤熱值，取29 260 kJ/kg；ηd為火力發電廠的發電效率，取0.35；ηp為輸配電效率，取0.95。

M2=V×ρ×CρA×T×tQH×ηg×ηw。（4）

式中：V為地源熱泵系統循環水流量；ρ為水的密度，取 1 000 kg/m3；CρA為水的熱容，取4.2 kJ/（kg·℃）；T為地源熱泵系統進出水口平均溫度差；t為加熱時間；QH為標準煤熱值，取29 260 kJ/kg；ηg為燃煤鍋爐的效率，取0.70；ηw為管網輸送效率，取0.95。endprint

2結果與分析

2.1地源熱泵系統的加溫效果

2.1.1地源熱泵系統對玻璃溫室日平均溫度的影響將2013年1月10日至2月9日期間地源熱泵系統溫室、普通溫室及露地的溫度記錄（時間為每日07：00）繪制成折線圖（圖1）。由圖1可知，試驗期間地源熱泵系統溫室溫度在12.0～17.2 ℃之間變化，1月26日溫度最低，2月5日溫度最高，最大溫差為5.2 ℃；對照溫室的溫度在-1.0～9.1 ℃ 之間變化，溫度最低的日期為2月3日，而1月30日的溫度最高，最大溫差為10.1 ℃；露地溫度的變化范圍為 -6.0～4.3 ℃，極值溫度分別出現在1月23日（最低）和1月19日（最高），溫差為10.3 ℃。地源熱泵系統溫室的月平均溫度為14.72 ℃，明顯高于對照溫室的4.98 ℃和露地的1.09 ℃。表明地源熱泵系統對玻璃溫室的加溫效果明顯，并能有效減緩玻璃溫室內溫度的大幅波動。

2.1.2地源熱泵系統對玻璃溫室日不同時段氣溫的影響為了解不同天氣條件下地源熱泵系統對玻璃溫室的增溫效果，分別記錄1月23日（晴天）和2月3日（陰天）的日氣溫情況并繪制成折線（圖2、圖3）。由圖2可知，在晴天條件下，地源熱泵系統溫室中全天溫度變化范圍為1.3～26.1 ℃，溫差為13.8 ℃；對照溫室中全天溫度變化范圍為 -1.2～24.5 ℃，溫差達25.7 ℃；室外溫度的變化范圍在-7.7～8.6 ℃，溫差為16.3 ℃。地源熱泵系統溫室、對照溫室和露地的日最高溫度均出現在14：00，分別達到了26.1、245、8.6 ℃；最低溫度均出現在凌晨06：00，分別為12.3、-1.2、-7.7 ℃。地源熱泵系統溫室的日平均溫度最高，達16.46 ℃，比對照溫室的7.59 ℃、露地的-1.77 ℃分別高887 ℃和18.23 ℃。由圖3可知，在陰天條件下，地源熱泵系統溫室中全天溫度變化范圍為12.5～23.9 ℃，溫差為114 ℃；對照溫室中全天溫度變化范圍為-1.5～17.0 ℃，溫差為18.5 ℃；露地溫度的變化范圍在-5.5～10.5 ℃，溫差為16.0 ℃。地源熱泵系統溫室、對照溫室和露地的日最高溫度出現的時段分別為14：00、13：00、12：00，溫度分別為23.9、17.0、10.5 ℃；地源熱泵系統溫室中日最低溫度出現在凌晨04：00，為12.5 ℃，對照溫室、露地的日最低溫度則出現在凌晨06：00，最低溫度分別為-1.5 ℃和-5.5 ℃，比地源熱泵系統溫度低14.0 ℃和18.0 ℃。地源熱泵系統溫室日平均氣溫達到了16.40 ℃，分別比對照溫室和露地高10.95 ℃和 15.80 ℃。表明在不同天氣條件下，地源熱泵系統對玻璃溫室的增溫效果明顯，不僅可以提高日平均溫度，還能夠提高日最低、最高溫度。

2.2地源熱泵系統的制熱系數分析

一般生產上用制熱系數COP（Coefficient of Performance）來表示熱泵的性能，為制熱量與所耗機械功（或熱能）的比值。試驗于1月11日18：00至1月18日08：00間記載了地源熱泵進出水口平均溫度、循環水流量、耗電量及耗電功率，根據公式（1），分別計算出實際COP值（表1）。由表1可知，1月12日18：00至1月13日8：00期間的COP值最高，達到3.66，而1月16日18：00至1月17日8：00期間的COP值最低，為3.16；試驗期間的平均COP值為3.39，表示外界每輸入1 kW·h的能量，溫室可得到3.39 kW·h的熱量。

2.3地源熱泵系統節能效果分析

根據公式（3）將地源熱泵系統實際消耗的電量折算成標準煤消耗量，再根據公式（4）將地源熱泵系統加溫獲得的熱量折算成采用燃煤鍋爐加溫所需的標準煤用量，并根據公式（2）計算獲得節能率（表2）。由表2可知，試驗期間地源熱泵系統日均耗電量折合標準煤用量為460.69～49954 kg，平均為478.13 kg，若采用燃煤鍋爐加熱獲得相同熱量需消耗標準煤用量為678.84～848.55 kg，平均為 751.57 kg，則地源熱泵系統加熱較燃煤鍋爐加熱相對節能31.86%～41.13%，平均節能效率為36.38%。

2.4地源熱泵系統經濟效益分析

為比較地源熱泵系統與燃煤鍋爐加熱的運行費用，將地源熱泵系統、燃煤鍋爐加熱的實際消耗電量、標準煤用量分別乘以平均單價[電0.53元/（kW·h）、煤1.13元/kg]求出運行費用（表3）。1月11—18日期間，地源熱泵系統日均消耗電量為1 292 kW·h，日均運行費用為684.84元；如使用燃煤鍋爐加熱獲得相同的熱量，日均消耗標準煤用量為 751.57 kg，日均運行費用為849.27元。結果表明，在加熱效果相同的情況下，使用地源熱泵系統較使用燃煤鍋爐加熱的日均運行費用低164.43元。

3結論與討論

3.1地源熱泵系統的加溫效果

本試驗研究了地源熱泵系統對玻璃溫室的加溫效果，結果表明，地源熱泵系統能夠有效增加玻璃溫室內的溫度，與前人的研究結果[10-13]基本一致。從月平均溫度（2013年1月10日至2月9日）來看，地源熱泵系統溫室較對照玻璃溫室提高了9.74 ℃，較露地提高了13.63 ℃；從日均溫度來看，在晴天條件下地源熱泵系統溫室溫度達到了16.46 ℃，比對照玻璃溫室、露地分別高8.87 ℃和18.23 ℃，而在陰天條件下，地源熱泵系統溫室溫度比對照溫室和露地提高1095 ℃和15.80 ℃。本研究結果還表明，地源熱泵系統溫室中溫度的變化相對平緩，有利作物生長，如在2013年1月10日至2月9日期間，地源熱泵系統溫室內的溫差僅為5.2 ℃，而對照溫室及露地的溫差分別達到了10.1、10.3 ℃。

本試驗中溫度測量點高度距地表80 cm處，該高度一般為育苗床架的高度，試驗結果對溫室育苗具有較好指導意義。對于溫室普遍栽培而言，地溫對于作物的生長更加重要。本試驗雖然未對地溫進行測量，但前人的研究已經證明，地源熱泵系統對于地溫有著明顯的提升作用[10，13]。endprint

3.2地源熱泵系統的節能效果

本研究中地源熱泵系統的制熱系數為3.39，與王吉慶等研究結果相當（COP=3.31）[14]，但小于張曉慧等的研究結果（COP=4.16）[10]、大于方慧等的研究結果（COP=262）[13]。這種差異來源于試驗溫室的保溫性能不同，此外試驗地點、天氣條件、地源熱泵系統的差異也有可能造成結果的不一致。

由于熱泵系統的制熱系數恒大于1，即熱泵的能量輸出大于能量輸入，而消耗煤、石油、天然氣以及直接用電取暖時的熱效益小于1，因此地源熱泵系統要比其他加溫設備節能[10]。本試驗中使用地源熱泵系統較傳統的燃煤鍋爐加溫平均節能36.38%，使用地源熱泵系統一是減少了能量的輸入，二是減少了二氧化碳、粉塵等污染物的排放，有利于緩減環境壓力。

3.3地源熱泵系統的經濟效益

地源熱泵系統通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現低品位熱能（地熱）向高品位熱能轉移，因此在節約能源的基礎上可以顯著降低運行費用。本試驗中冬季使用地源熱泵系統加溫日運行費用為0.24元/m2（684.84元/2 880 m2），而采用燃煤鍋爐加溫的日運行費用為0.29元/m2（849.27元/2 880 m2）；此外，燃煤鍋爐加溫時需配備1～2名鍋爐工，且日常維護費用也高于地源熱泵系統，所以在經濟性層面，地源熱泵系統較燃煤鍋爐有著明顯的優越性。目前，限制其應用的主要問題在于高昂的初期投入費用，因此推廣地源熱泵系統一方面需要不斷降低地源熱泵安裝的費用以減

少初期投入，另一方面需要溫室采用更好的保溫措施以減少熱能的消耗，進一步減少運行費用。在種植品種上，需要選擇效益更高的作物，如精品蔬菜、花卉苗木等，增加單位面積的產值，以降低生產成本，這也是擴大地源熱泵系統應用的可能途徑之一。

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