提高溫室地熱利用率的關鍵技術

鄭曉菲

（天津地熱勘查開發設計院，天津 300250）

提高溫室地熱利用率的關鍵技術

鄭曉菲

（天津地熱勘查開發設計院，天津 300250）

本文分析了地熱溫室的溫室特性和地熱特性，研究了提高溫室地熱利用率的關鍵技術，構建了地熱溫室復合供熱系統模型。

溫室特性；地熱特性；地熱利用率；地熱溫室復合供熱系統

建立高地熱利用率溫室供熱系統，是地熱溫室獲得最佳的栽培效果和提高經濟效益的重要保障。在提高溫室地熱利用率的研究中，首先應當了解溫室的結構特性和溫室生產的特點與規律；其次應當掌握地熱資源本身的供熱特點，存在的問題與解決辦法。只有將溫室特性和地熱特性結合起來，以此為基礎，研究地熱資源高效利用的有效途徑，才能真正促進地熱溫室供熱的可持續發展。

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1 溫室特性

氣溫是作物的重要生活因子之一，作物的光合、呼吸、蒸騰、從土壤中吸收養分及其它一些生理過程,只能在一定的溫度范圍內進行。在溫室種植開始，應首先了解作物生長的溫度范圍，生長、發育和產量形成的適宜溫度，在適宜溫度范圍內，溫度與作物的生長是成正相關的；在適宜溫度的范圍之外，最高溫度和最低溫度的限度以內，作物尚能生存，但不能正常生長和發育，這一限度之內稱為適應溫度（即生存溫度）,適應溫度的范圍較寬。

不同作物或同一作物不同發育時期,適宜溫度和適應溫度是不同的,表1介紹了幾種果菜營養生長的適宜溫度與適應溫度。

加大晝夜溫差,大膽降低夜溫，減少養分消耗，增加物質積累是增產的有效措施[1]。作物正常生長需要有晝夜溫差，白天溫度在適溫范圍內稍高一些，有利于營養物質的積累,夜間溫度低一些，可以減弱呼吸作用的消耗。如果晝夜恒溫，甚至形成倒溫差，對作物生育極為不利。

地溫直接影響植物根系的生長和養分水分的吸收,只有根系發達，地上部才能正常生長發育。在寒冷季節或陰雪天氣，溫室內的地溫稍高而氣溫稍低，對植物生長發育有利。栽培時應注意與氣溫的配合，二者可以互補。

2 地熱特性

受地質條件的限制，不同地熱井的出水溫度、出水量和開采投資差異較大。就一眼地熱成井而言，其出水溫度比較固定。與常規鍋爐供熱系統不同，地熱供熱系統可以看成是有恒定熱源溫度的開口熱力系統，而常規鍋爐供熱可以看成是有恒定熱流密度的閉口熱力循環系統。因此，在地熱利用過程中，在獲取地熱水熱量，進行熱能利用的同時，伴隨著地熱水的排放或回灌。一眼地熱井的供熱負荷與地熱井出水量和地熱利用溫降有關。

3 溫室高地熱利用率的實現途徑

3.1 保持地熱井滿負荷運行的方法

1.地熱蓄水儲能

地熱蓄水儲能可以實現地熱井全天滿負荷運行。圖2表明由于太陽輻射的存在，地熱負荷大幅降低，當太陽輻射提供的熱量可以滿足溫室的負荷需求時，地熱供熱負荷降為零。地熱停供時段的長度與室外溫度和天氣情況有關，由于不論晴天或陰天，溫室內的氣溫變化趨勢會滯后于太陽輻射強度的變化約1～2小時[8]，因此一般晴天地熱停供時段可取9：00～16：00，約7個小時。結合溫室特性和地熱特性，將這一時段內的地熱水從井中泵出，儲存起來，可用于其它時段溫室供熱，宏觀上擴大了溫室供熱面積。通過采用地熱蓄水儲能技術，地熱井基本實現全天滿負荷運行，地熱井日取水量增加41%。

2.配置調峰熱源

配置調峰熱源可以提高整個采暖季地熱井利用率.由供熱負荷延時圖（圖2）可以看出，在室外溫度很低時，采暖累積時數很少，而供熱負荷很大，絕大部分時間供熱系統在低于設計熱負荷狀態下運行。如果整個采暖期的供熱負荷均由地熱負擔，那么只有在短暫的高峰期地熱井才會滿負荷運行，而在采暖期絕大部分時間里，地熱井未得到充分利用。

為了增加采暖期地熱井取水量，使地熱井接近滿負荷運行，應該配置調峰熱源（鍋爐或熱泵），組成地熱、調峰熱源聯合供熱系統，即將溫室供熱負荷分為基本負荷和尖峰負荷，基本負荷運行時間長，由地熱承擔；尖峰負荷運行時間短，由調峰熱源承擔，如圖3。

3.2 降低地熱排水溫度的方法

降低地熱排水溫度意味著增大地熱水利用溫差，這往往受到供熱系統采暖方式的限制。結合溫室生產需求，利用多種采暖方式串聯技術、地熱尾水余熱利用技術和低溫熱泵技術,是實現地熱梯級的有效方式。其中，利用熱泵可以在不改變采暖方式的條件下，達到進一步降低地熱排水溫度的目的，如果熱泵系統配置得當，可以降到理論排水溫度以下，而經濟上可以承受。

廣義上講，提高地熱利用率，不僅要提高地熱利用的溫差，還要提高地熱利用的流量，它綜合表現在提高采暖期地熱累積供熱量上。綜前所述，結合溫室特性和地熱特性，提高溫室地熱利用率的主要途徑包括：地熱蓄水儲能、配置調峰熱源和地熱梯級利用，這三種途徑是實現溫室高地熱利用率的技術核心。

4 地熱溫室復合供熱系統模型

根據實現溫室高地熱高利用率的三種途徑，綜合地熱蓄水儲能技術、地熱調峰技術和地熱梯級利用技術，設計構造的地熱溫室復合供熱系統模型，如圖4。

復合供熱系統模型是在單純地熱間接供熱系統的基礎上增加了地熱蓄熱水池、調峰鍋爐和水源熱泵。蓄熱水池用于調節地熱井供熱負荷的日不均勻性，與地熱井聯合供熱；調峰鍋爐用于保障整個采暖期地熱井大流量運行，也用作地熱井泵維修時的安全備用熱源；水源熱泵用于提取采暖回水中的余熱，降低地熱排水溫度。

該系統針對溫室特性和地熱特性，綜合了提高溫室高地熱高利用率的三種途徑，實現了采暖季地熱井滿負荷運行。與單純地熱供熱系統相比，溫室采暖期地熱利用率顯著提高，單井供熱規模顯著增加，是實現地熱溫室可持續發展的有效途徑。

S215文獻識別碼B

1673-2251（2010）01-0070-02

10.3969/j.i ssn.1673-2251.2010.03.016