溫室供暖的地源熱泵傳熱特性及減排效益分析

胥清華于明志毛煜東崔萍朱科

(1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南250101；2.山東省綠色建筑協同創新中心，山東 濟南250101)

0 引言

溫室大棚已廣泛用于蔬菜瓜果種植、花卉培育、工廠化育苗等。 北方冬季室外溫度較低，溫室對外散熱量大，內部氣溫無法滿足植物的成長環境，因此應給溫室配備供暖設備[1]。 目前，溫室傳統供暖主要采用電鍋爐和燃氣鍋爐等[2-3]。 由于節能減排的需要，推動“碳中和”目標的實現以及“新農業”的提出，采用可再生能源如空氣源熱泵、水源熱泵、太陽能等供暖溫室大棚的研究和應用正逐漸增多[4-6]。

太陽能系統用于溫室大棚供暖具有較好的環境效益與經濟效益，然而太陽輻射存在間歇性，從而導致太陽能系統供能不穩定。 柴立龍等[7]分析了地下水源熱泵在溫室中的節能及經濟性，表明地下水源熱泵系統經濟性及節能性較好。 但是水源熱泵系統會受地質條件的限制，其適用范圍具有局限性。空氣源熱泵高效節能且安裝簡單，具有經濟性較好的特點。 陳冰[8]研究了溫室空氣源熱泵系統，證明空氣源熱泵系統可很好地用于溫室供暖。 孫先鵬等[9]分析了太陽能聯合空氣源熱泵在溫室中的應用， 顯示聯合系統提高了溫室內的空氣溫度和土壤溫度，也有效降低了溫室內的濕度，使得室內環境更滿足植物的生長需要。 蔣綠林等[10]利用太陽能、地熱能、空氣能相結合的多熱源熱泵系統對溫室進行供暖研究，表明其經濟效益與節能性較好，然而多熱源熱泵運行策略及其工藝十分復雜，制約其推廣應用。 楊禹堯[11]實驗研究了空氣源熱泵系統應用于溫室大棚，證明了其節能性優于電鍋爐和燃煤鍋爐，但是空氣源熱泵應用環境的溫度越低，其效率將隨之降低。 地源熱泵技術是一種高效、節能、無污染且可再生的能源技術，其利用土壤作為冷熱源，運行效率不受外界氣候環境影響[12-13]。 地源熱泵技術在冬夏季負荷較為平衡的建筑上應用較多，若單純供熱時會導致土壤溫度不斷降低，系統能效逐漸下降，情況嚴重的甚至會無法滿足供熱需求[14-16]。 但溫室大棚通常僅需夜間供暖，所需總負荷遠小于建筑物供熱負荷，故可考慮用于溫室冬季夜間的供熱。已有研究表明應用地源熱泵系統可以滿足溫室供暖需求[17-18]，但目前尚無對地源熱泵系統用于溫室大棚供暖的長期運行傳熱特性和節能減排效益的研究。 為此，文章以濟南某溫室為對象，研究地源熱泵冬季溫室長期供暖的傳熱特性，以期能對工程實踐提供參考借鑒，并以目前節能性較高的空氣源熱泵供暖系統和電鍋爐供暖系統為參照，分析其長期運行時的節能和減排效益。

1 地源熱泵地埋管換熱器傳熱模型

地源熱泵供熱性能主要由其地埋管換熱器傳熱特性決定，因此主要討論了地埋管換熱器傳熱特性。地埋管換熱器傳熱分析方法主要有數值法和解析法。 數值法應用于對地埋管長期運行過程的模擬時計算量巨大，而解析模型簡單易于運算，因此采用目前廣泛應用的管群有限長線熱源模型分析地埋管換熱器傳熱過程[19-20]。

為便于簡化分析計算，作如下假設:地埋管換熱器在地下的熱量傳遞只沿徑向、垂直方向導熱；土壤初始溫度均勻一致，忽略地表溫度波動對土壤溫度的干擾；將大地視為半無限大介質，且假定土壤熱物性參數為定值；忽略地下水滲流對埋管傳熱的干擾和鉆孔內的接觸熱阻。

計算單鉆孔周圍任一點土壤溫升的公式[20-21]由式(1)表示為

式中ΔTFLS為有限長線熱源模型任一點溫升；qL為鉆孔每延米承擔的負荷，W/m；λs為土壤導熱系數，W/(m·K)；H為鉆孔總埋深， m；h為熱源上作用點到地面的軸向距離，m；Z為埋管軸向坐標，m；R為距埋管中心的距離，m；Fo=at/H2，t為時間，s，a為土壤熱擴散系數，m2/s；erfc(x)為余誤差函數，由式(2)表示為

式中u為指數函數的自變量，無實際意義。

采用階躍負荷及疊加原理結合有限長線熱源模型計算埋管區域任意一點溫升，其公式由式(3)表示為

其中，g由式(4)表示為

式中i為鉆孔個數，共N個；j為負荷作用時間點；M為運行總時長，d；qi，j為第i個鉆孔在j時間點時每延米承擔負荷。

2 地埋管換熱器傳熱特性

2.1 溫室、地埋管換熱器及地下土壤等參數

為分析溫室大棚采用地源熱泵的可行性，文章以濟南某溫室為例。 此溫室占地面積為120 m2，其脊高為3.5 m、長為15 m、跨度為8 m，根據種植作物需要，該溫室供熱時間為每年12 月初至次年2 月底，系統運行時間為每天23:00 至次日5:00，目前采用空氣源熱泵進行供暖。 其冬季單位面積熱負荷為135.4 W/m2，總采暖熱負荷為16.25 kW。 當地土壤初始溫度為15.3 ℃、導熱系數為1.658 W/(m·K)、體積比熱為1.92×106J/(m3·K) 。

根據供熱負荷需求，經初步計算，若采用地源熱泵供暖，則地埋管換熱器需要兩個鉆孔即可滿足需求。 埋管采用單U 形PE 管，其外徑為0.032 m、內徑為0.026 m，管壁導熱系數為0.33 W/(m·K)、管內流體比熱為4 187 J/(kg·K)、管內流體質量流量為0.27 kg/s。 采用C 語言編寫程序計算分析不同埋管設置時的地下溫度場和循環水溫度變化，其中m為運行天數。 地下土壤溫度場計算流程圖如圖1所示。

圖1 地下土壤溫度場計算流程圖

2.2 埋管深度對地下溫度場和循環水溫的影響

埋管數量相同時，埋管越深取熱能力越高，但同時初投資成本增加，因此應分析地埋管深度對地下溫度場和循環水溫度的影響，以便確定合理的地埋管深度。 分別計算了80、90、100、120 m 等4 種深度的情況下，運行30 a 后的地埋管換熱器循環水溫隨時間的變化。 鉆孔間距取8 m，其余參數與2.1 節相同。 計算結果如圖2 和3 所示。

由圖2 可以看出，埋管越淺，長時間運行后土壤溫度越低，這是由于取熱負荷不變時，隨著埋深的減少，埋管每延米承擔的取熱負荷增大，因此鉆孔周圍土壤溫度越低，這就越不利于埋管取熱，因此埋管深度不能太淺。

圖2 土壤溫度分布隨埋管深度變化圖

當取熱負荷和流量一定時，地埋管循環水進、出口水溫差不變且隨運行時間變化規律相同，因此只分析進口水溫。 圖3 是運行30 a 間供暖期結束時的地埋管換熱器進口水溫隨時間的變化。 可以看出，隨運行時間增加，地埋管進口水溫呈逐年遞減趨勢，埋管越淺，水溫下降速率越大。 運行同樣時間時，埋管越深，進口水溫越高。 當深度分別為80、90、100、120 m時，第30年最低進口水溫分別為1.63、3.10、4.31、6.10 ℃。 根據GB 50366—2009《地源熱泵系統工程技術規范》[22]，冬季運行期間，地埋管換熱器進口最低溫度宜＞4 ℃，因此上述4 種埋深中只有100 和120 m 滿足標準要求。 雖然進口水溫越高越好，但是鉆孔深度過大會導致初投資過大，因此地源熱泵系統地埋管深度取100 m即可。 為避免額外占用耕地，地埋管可沿溫室大棚墻根布置，各埋管間連接管及與機組連接管道通常埋設在地表下1.5～2 m。

圖3 不同埋深情況下進口水溫隨運行時間的變化圖

2.3 鉆孔間距對地下溫度場和循環水溫的影響

不同鉆孔間距時地下溫度場分布情況如圖4 所示。埋管深度取100 m，其余參數與2.1節相同，可以看出，鉆孔間距越大，相互間干擾越小，土壤整體溫度越高，越有利于埋管取熱。 但鉆孔間距不宜過大:(1) 間距大到一定程度后，鉆孔間相互干擾作用不再顯著，如圖4(e)和(f)所示，再增大間距對降低相互間熱干擾作用不明顯；(2) 間距越大，不同鉆孔間連接管道越長，管溝作業量和成本越大，因此間距不宜過大。

圖4 土壤溫度分布隨管間距的變化圖

不同鉆孔間距情況下，運行30 a 后的地埋管換熱器進口水溫隨運行時間的變化如圖5 所示。 鉆孔間距為3、4、5、6、8、10 m 時，第30 個采暖季結束時進口水溫分別為3.68、3.94、4.10、4.20、4.31、4.39 ℃，其中埋管間距5 m 及以上的地埋管換熱器循環水進口溫度符合國家規范要求。 考慮到鉆孔間管道連接成本等，鉆孔間距取5 或6 m 即可。

圖5 不同鉆孔間距情況下進口水溫隨運行年限的變化圖

3 耗電及減排效益分析

3.1 耗電量分析

針對上述溫室，根據其冬季供暖所需負荷，對地源熱泵系統及電鍋爐系統主要設備進行了選型，各主要設備型號、規格見表1。供暖系統耗電功率可由式(5)表示為

表1 3 種系統主要設備選用及單價表

式中Pjz為機組功率，kW；Q1為總采暖負荷，kW；ε為機組能效比，文章取地源熱泵系統、空氣源熱泵系統和電鍋爐的ε值分別為4.62、2.5 和1。

耗電量w計算公式可由式(6)表示為

式中t1為年運行時間，d；t2為日運行時間，h。 取t1=90 d、t2=6 h。

根據2.1 節給出的溫室大棚總采暖負荷16.25 kW和式(5)，計算得到地源熱泵系統機組、空氣源熱泵系統機組功率、電鍋爐機組耗電功率分別為3.52、6.50、16.25 kW。 地源熱泵系統耗電功率為空氣源熱泵系統的54.2%，并為電鍋爐的21.7%，可以看出地源熱泵系統運行較其他兩種系統耗電顯著降低。

根據系統耗電功率和年運行時間和式(6)，可以得到地源熱泵、空氣源熱泵、電鍋爐3 種系統年運行耗電量分別為1 903.24、3 509.57、8 773.92 kW·h，3 種供暖系統的耗電量隨運行時間的變化規律如圖6 所示，可以看出隨著運行時間的增加，地源熱泵系統節省的電能越來越多。 3 種系統運行30 a 所消耗的總電量分別為57 097.09、105 287.00、263 217.60 kW·h，地源熱泵系統較空氣源熱泵系統和電鍋爐分別節電約45.77%和78.31%。

圖6 3 種供暖系統的耗電量隨運行時間的變化圖

3.2 節能減排效益

我國以煤電為主，因此以燃煤火力發電為參考，計算節電的減排效益。 每節電1 kW·h，可節約0.4 kg的標準煤，同時減少污染排放0.272 kg 的煙塵、0.015 kg 的氮氧化物、0.03 kg 的二氧化硫、0.997 kg 的二氧化碳[23]。 地源熱泵系統與空氣源熱泵、電鍋爐系統運行30 a 的標煤耗量及污染氣體排放量見表2。

表2 3 種供暖系統運行30 a 煤耗及排放量表 單位:kg

由表2 可以看出，隨運行時間增加，地源熱泵較空氣源熱泵和電鍋爐節能及減排效益越來越顯著。地源熱泵系統在運行30 a 內相對于空氣源熱泵系統節煤總量為19 275.98 kg，煙塵、二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫減少排放總量分別為13 106.67、48 045.38、722.85、1 445.70 kg，地源熱泵系統比空氣源熱泵系統排污總量下降了約45.77%。 相對于電鍋爐系統節煤總量為82 448.20 kg，煙塵、二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫減少排放總量分別為56 064.78、205 502.15、38 626.18、6 183.62 kg，地源熱泵系統比電鍋爐系統排污總量下降了約78.31%。由此可見，地源熱泵系統具有顯著的減排效益。

4 結論

以上研究可知:

(1) 埋管數量相同時，埋深越淺，初投資越少，但長時間運行后土壤溫度越低，因此為避免初投資過大，在滿足全壽命期供暖需求的前提下，埋管越淺越好。 文章條件下經分析埋管深度取100 m。

(2) 鉆孔間距越大，相互間干擾越小，土壤整體溫度越高，越有利于埋管取熱。 但其成本和占地面積會相應增加，在滿足全壽命期供暖需求的前提下，鉆孔間距不宜過大。 鉆孔間距取5 m 可保證地埋管換熱器最低進口水溫＞4 ℃，地源熱泵能夠滿足采用輔助供暖設施的溫室大棚的長期供暖需求。

(3) 由于耗電量降低，采用地源熱泵系統供暖可減少大量煙塵、二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫等污染物的排放，地源熱泵系統較空氣源熱泵系統和電鍋爐的排污總量分別下降了約為45.77%和78.31%。 具有顯著的節能減排效益。