地源熱泵系統在西南地區溫室的應用分析

鄭吉澍 龍翰威 李佩原 李萍

摘 ? 要 ? 為探索地源熱泵系統在西南地區溫室的應用效果和發展潛力，于2016年開展了重慶地區玻璃溫室地源熱泵系統設計、工程施工和夏季降溫試驗研究。結果表明，在重慶氣溫最高的8月，采用地源熱泵系統可在室外平均氣溫36.2 ℃的情況下，將溫室內溫度降低至26.5 ℃，相比常規冷源空調，地源熱泵系統節能率23.5%。

關鍵詞 ? 地源熱泵系統;溫室;降溫;西南地區

中圖分類號：S625 ? ?文獻標志碼：B ? ?DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.10.023

地源熱泵系統（Ground source heat pump）是以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建筑物內系統等組成的供熱空調系統，統稱為地源熱泵（GSHP）系統[1]。地熱能作為一種可再生能源，具有低碳、節能、環保等優點，有一定的應用研究價值。根據地熱能交換系統形式的不同，可將地源熱泵系統分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統[2]。西南地區多為喀斯特地貌，在沒有江河水源的地區宜采用地埋管地源熱泵系統[3]。溫室作為耗能較高的設施農業載體，應用地熱能實現節能降耗已經成為一些發達國家的重要選擇[4]，但目前地熱能用于溫室環境調節的工程實例和相關研究較少，我國地源熱泵系統在溫室中的研究及應用主要集中在北方地區，如中國農業科學院[5]、北京市農林科學院、中國農業大學[6]等單位的實驗溫室均采用地源熱泵系統控制環境溫度，而采用地源熱泵系統進行溫室環境控制在南方地區較為少見。我們以重慶市農業科學院農業生物高科技中試基地的地源熱泵系統為研究對象，于2016年開展了地源熱泵系統在西南地區溫室的應用研究，為今后相關研究及工程實施提供參考。

1 工程設計

1.1 工程概況

農業生物高科技中試基地主要開展蔬菜、果樹的組培脫毒快繁技術中試，其溫室和組培工廠主要采用地源熱泵系統進行溫度控制，總空調面積2 407 m2，其中Venlo玻璃溫室面積1 344 m2、磚混結構管理房

1 063 m2。根據組培快繁環境條件要求，夏季降溫設計溫度25 ℃，冬季升溫設計溫度30 ℃。

1.2 系統設計

地源熱泵系統主要由主機泵房、地下埋管系統、空調末端三部分構成[7]。

1.2.1 負荷計算

項目建設地點位于重慶市九龍坡區，參考當地氣象參數，夏季通風室外計算溫度33 ℃、大氣壓力97.31 kPa，冬季通風室外計算溫度7 ℃、大氣壓力99.12 kPa。經計算，空調系統的總冷負荷為456.518 kW，總熱負荷為233.509 kW。

1.2.2 空調末端

采用地源熱泵空調系統，組培工廠室內機采用臥式風機盤管（吊頂安裝），溫室室內機采用立式風機盤管（落地安裝），送、回風口設在吊頂上并通過送、回風管進行室內空氣循環。冷凍水供回水溫度為7～12 ℃，冷卻水供回水溫度為32～37 ℃，熱水供回水溫度為50～60 ℃。

1.2.3 地源熱泵主機

系統采用土壤源熱泵作為該空調系統的冷熱源。采用一臺MWH130CEG-C型地源熱泵機組，提供空調系統的冷熱源，制冷量為516 kW，制熱量為538 kW。

1.2.4 地下埋管系統

系統采用土壤作為冷熱源系統的熱源、熱匯。埋管根據建筑周邊的空地，布置了3個長方形回路，共計70孔雙“U”型埋管。可以根據建筑冷熱負荷的變化來調整開啟回路的個數，有利于空調系統節能。埋管間距為5 m，埋管采用高密度聚乙烯材料，管徑為DN32，埋管的有效埋深為100 m。供水環路的集管與回水環路的集管埋深不小于1.5 m，兩者間距為0.6 m。井外換熱后，給機組的供水管采用30 mm的橡塑材料保溫。水平集管保持2‰以上的坡度。

2 系統節能量計算

2016年8月，對此地源熱泵系統夏季降溫節能性進行了檢測。檢測依據及方法、儀器、結果分析如下。

2.1 檢測依據及方法

1）《公共建筑節能檢測標準》（JGJ/T 177-2009）;

2）《公共場所衛生檢驗方法第一部分：物理因素》（GB/T 18204.1-2013）;

3）《重慶市公共建筑節能改造節能量核定辦法》;

4）農業生物高科技中試基地項目空調用地源熱泵系統資料。

2.2 檢測儀器

溫濕度傳感器（hobo u-23），測定室內、外溫濕度;超聲波流量計，測定主管道水流量;三項鉗型功率表，測定機組功率、用戶側水泵功率、地源側水泵功率;鉑電阻傳感器，測定進水口溫度、出水口溫度。

2.3 檢測結果

2.3.1 組培工廠和溫室的空氣濕度、溫度采集

對組培工廠和溫室內部、外部的空氣濕度、溫度進行采集、記錄，平均每棟建筑布置5個傳感器，采集間隔10 min/次，檢測結果見表1。

2.3.2 地源熱泵系統性能

對地源熱泵機組的進水口溫度（℃）、出水口溫度（℃）、水流量（m3·h-1）、機組功率（kW）、用戶側水泵功率（kW）、地源側水泵功率（kW）進行采集、記錄，采集間隔10 min/次，檢測結果見表2。

2.3.3 系統節能量計算

對常規冷源系統與該地源熱泵系統的能耗進行比較，根據該建筑的計算冷負荷及其他參數，冷水機組選用螺桿冷水機組WHS 145.2，制冷量為506.8 kW，額定制冷功率114.9 kW;用戶側與地源側水泵各兩臺（一用一備），型號為KQL 100/170-15/2，流量為104 m3·h-1，揚程為32 m，額定功率15 kW。根據《重慶市公共建筑節能改造能量核定辦法》計算系統節能率。

空調系統季節節能率（%）=空調季節節能量/改造前空調系統季節能耗量×100

計算結果表明，相比常規冷源空調，地源熱泵系統夏季降溫節能量34.76 kW，系統節能率為23.5%。

3 結論與展望

地源熱泵系統具有顯著的降溫效果和一定的節能性，通過檢測分析，在西南地區夏季高溫高濕氣候條件下，采用地源熱泵系統可以在室外平均氣溫為36.2 ℃的情況下，將溫室內溫度降低至26.5 ℃。相比常規冷源空調，地源熱泵系統夏季降溫節能23.5%。

由于采用地埋管換熱的形式，西南地區在地源熱泵系統工程造價上要遠高于北方地區，主要是鉆井工程量的增加。目前地源熱泵系統在設施農業生產中的應用所需要解決的主要問題是能耗過高，其運行能耗是現有溫室傳統降溫設備的5～6倍，故并不能完全替代現有的降溫設備。地源熱泵空調更適宜于大規模的集約化、工廠化的生產模式，如生態餐廳、花卉溫室、水產養殖育苗等。未來將進一步研究傳統降溫設備與新能源設備相結合，通過設施改造、控制策略優化，達到最佳的經濟性。

參考文獻：

[1] 徐偉，劉志堅.中國地源熱泵技術發展與展望[J].建筑科學，2013（10）：26-33.

[2] 任子君，賈延宇，趙陽，等.水·地源熱泵在我國溫室生產上的應用[J].安徽農業科學，2011（7）：4405-4408.

[3] 鐘云翔.重慶地區地源熱泵系統實測分析及監測策略[D].重慶：重慶大學，2014.

[4] 方慧，楊其長，王柟，等.淺層地熱源節能技術及其在設施農業中的應用[J].農業工程學報，2008（10）：286-290.

[5] 方慧，楊其長，孫驥.地源熱泵—地板散熱系統在溫室冬季供暖中的應用[J].農業工程學報，2008（12）：145-149.

[6] 柴立龍，馬承偉，張義，等.北京地區溫室地源熱泵供暖能耗及經濟性分析[J].農業工程學報，2010（3）：249-254.

[7] 趙根，吳偉麗，陳麗萍，等.地源熱泵在設施農業中的應用[J].現代化農業，2016（11）：61-63.