基于簡化BIN法對寒區溫室供暖系統的分析

許國鋒 李慶才 姜濤 劉逸、4 鄭大宇

1哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院

2黑龍江省九0四環境工程勘察設計院

3航天科技控股集團有限公司

4東北石油大學

5哈爾濱商業大學輕工學院

隨著我國寒冷地區溫室的大面積建設，致使溫室能源消費占有比大幅增加。在我國節能減排的大趨勢下，能夠找到一種既經濟又環保的設備來替代常規高耗能、高污染的溫室溫度調控設備成了解決溫室能源浪費問題最直接的方法。目前，我國東北地區主要采用燃煤鍋爐給溫室大棚供熱，少數使用燃秸稈的方式。由于煙氣處理設備的缺乏，對大氣環境造成了極大的破壞，嚴重威脅當地居民的身體健康。溫室大棚采用一棚一爐的供熱模式相較于集中供熱模式造成了資源的嚴重浪費，并且不利于管理。隨著我國煤改電、煤改氣工程的大力推進，集中式土壤源熱泵供暖、電鍋爐供暖、燃氣鍋爐供暖成為溫室大棚供暖的可選擇方案。本文通過簡化溫頻法（BIN）[1]對溫室負荷進行計算對三種供暖方式從節能性、環保性和經濟性三方面進行比較分析。

1 簡化BIN法的數學模型

假設溫室大棚的某一時刻的熱負荷與室外干球溫度存在線性關系：

式中：Q為溫室大棚的某溫度的熱負荷，kW；K為常數，kW/℃；C 為常數，kW；t為溫室大棚室外干球溫度，℃。

根據已知條件，室外干球溫度t1、t2分別對應的溫室熱負荷為 Q1、Q2，將其代入（1）得：

由式（2）可以進一步求得 K、C 的值，代入式（1）得到了Q與t線性關系式：

當室外干球溫度t1與溫室內植物生長適宜溫度相等時，輔助熱源系統無需開啟對應時刻的溫室熱負荷Q 取0，化簡式（3）得：

2 工程實例分析

2.1 工程概況

本文所研究的工程實例位于黑龍江省哈爾濱市農業科學院的某個花卉培育基地。溫室大棚如圖1所示，長60 m，寬6 m，最高點為3 m，花卉培育基地內有6個同等規模的溫室大棚，實際種植面積為2100 m2。本供暖系統設計干球溫度為16℃，冬季供暖熱負荷354 kW。

圖1 溫室大棚

2.2 溫度數據處理

在中國氣象數據網數據庫[2]獲得的哈爾濱地區典型年氣象數據，分別選取了一天中2:00、8:00、14:00、20:00計算一天的平均溫度。以2℃作為一個溫度區間，分別統計各溫度區間的天數，得到了哈爾濱全年逐日溫頻數據，如表1所示：

表1 哈爾濱全年逐日溫頻數

根據溫室大棚花卉植物生長的適宜溫度可知，當室外干球溫度大于等于16℃時輔助熱源供暖系統停止工作。根據傳熱學計算，可知t1=16℃、Q1=0 kW、t2=-10℃、Q2=204.5 kW，將其代入式（4）分別計算各溫度段的熱負荷如表2所示：

表2 哈爾濱各溫度區間的熱負荷

2.3 設備能耗計算

本文選擇了黑龍江地區具有發展潛力輔助加熱方案進行比較分析。方案1：土壤源熱泵加熱系統；方案2：電鍋爐加熱系統；方案3：燃氣鍋爐加熱系統。

主要設備參數如表3所示：

表3 供熱系統主要設備參數

2.3.1 主機能耗計算

由于哈爾濱地區室外干球溫度較低，土壤源熱泵的制熱COP為3.1，電鍋爐的COP為0.98[3]。土壤源熱泵、電鍋爐各溫度區間的能耗以用電量表示，計算根據如下公式：

式中：Q'為溫室大棚的某溫度區間的能耗，kW·h；n為各溫度區間的天數，d；COP為溫室大棚輔助熱源的性能系數。

燃氣鍋爐工作時，實際為間歇運行，若直接求其全年耗氣量太過于復雜，我們可以運用求當量運行時間的方式進行求解具體求解如下式：

式中：τ為當量運行時間，h；QT為溫室大棚的某溫度區間的全年熱負荷能耗，kJ；QN為燃氣鍋爐的額定發熱量kW。

燃氣鍋爐某溫度區間的總的耗氣量ET：

式中：e為燃氣鍋爐滿載時的耗氣量，m3/h。

表4 哈爾濱全年各溫度區間主機的能耗

經計算可得哈爾濱全年各溫度區間主機的能耗，如表4所示。

2.3.2 循環水泵的能耗計算

由于水泵長時間的工作，水泵的能耗在整個系統能耗中占很大比例。由表5所示，土壤源熱泵系統需要2臺循環泵，電鍋爐加熱系統需要1臺循環泵，燃氣鍋爐加熱系統需要1臺循環泵，其各溫度區間循環泵的能耗如表5所示：

表5 哈爾濱全年各溫度區間循環泵的能耗

2.4 節能性分析

系統總能耗等于主機的能耗與循環水泵能耗的和，統計各溫度區間的數據如表6所示：

表6 不同方案系統總的能耗

對于三種輔助加熱系統，直接應用的能源分別為電能、電能、天然氣。不能從電能和天然氣的使用情況直接分析一個系統是否節能。因此，從系統全年一次能源利用率（PER）的角度比較系統的節能性。計算公式如下：

方案1：

方案2：

方案3：

一次能源利用率：

式中：E為系統全年一次能源消耗量，kJ；E1為系統主機全年耗電量，kW·h；E2為系統循環水泵全年耗電量，kW·h；E3為系統主機全年耗氣量，m3；η1、η2分別為發電效率38%，輸電效率94%；Qqd為天然氣的低位發熱量，取值為35588 kJ/m3；Q為系全年制熱量，kW。

經過計算可得：方案1的PER為92%，方案2的PER為34%，方案3的PER為86%，如圖2所示：

圖2 一次能源利用率

通過觀察圖標可知，方案1的節能效果最好，方案2的節能效果最差1。以節能效果最差的方案2為基準最對比，方案1比方案2全年節能63%，方案3比方案2全年節能60%。綜合上述比較我們很明顯看出，若我們以節能性為系統選擇依據方案3為最優選擇。但是，方案1和方案3的PER相差不大也是一種比較節能的方案。

2.5 環保性分析

對各方案環保性分析，只需考慮設備的排放對環境影響。電能作為直接應用能源的設備，不需要考慮電能生產過程的排放，因為這部分排放已經統計在電廠的總排放中，所以不必對設備用電再進行排放計算。因此，可以認為方案1、2為零排放。對于方案3燃燒天然氣將會產生顆粒物、SO2、NOX等有害物質，關于新建鍋爐大氣污染物排放濃度限值的國家標準[4]給出了具體的數值，顆粒物排放濃度≤20 mg/m3、SO2物排放濃度≤50 mg/m3、NOX物排放濃度≤200 mg/m3。

當1 m3天然氣完全燃燒產生的煙氣量為10.89 m3[5]，由表6可得方案3全年天然氣消耗量為103526.5 m3，計算可得方案3全年污染物排放量如表7所示：

表7 方案3全年污染物排放量

方案3相對于方案1、2來言是存在大氣污染的，但是目前應用燃氣鍋爐的排放符合國家的排放標準。方案3運行排放的顆粒物、SO2、NOX等有害物質的排放量要遠遠小于燃煤、燃秸稈的排放量[6]，方案3對改善污染物的排放的具有重要意義。

2.6 經濟性分析

對于整個系統來言，影響系統經濟性的主要因素可以從分別是初投資和全年供暖成本兩方面進行分析。

2.6.1 初投資

所謂初投資指的是建成整個輔助熱源系統的花費，主要包括主機及其輔助設備、溫室內末端裝置以及安裝費用。溫室大棚取暖，設備安裝較為簡單，安裝費用也相對較少，為了方便計算，我們忽略安裝費用。具體初投資如表8所示：

表8 各方案初投資計算

由表8可以看出方案1的初投資最大，方案2初投資最小。方案1是方案2的9.6倍，方案1是方案3的8.7倍左右，方案2和方案3初投資相差不大。對方案1，打井投資占總投資的4/5，想要降低總投資減少打井費用很關鍵。若以初投資為系統選擇依據，則方案2為最優選擇，方案3次之。

2.6.2 全年供暖成本

全年運行成本主要包括電費、燃料費兩方面。方案1、2運行依靠電力驅動，方案3需要電和天然氣兩種能源驅動。哈爾濱目前農業生產用電電壓在1千伏以下的價格為0.489元/kWh，非民用天然氣的價格為4.3元/m3。具體的全年供暖成本如表9所示：

表9 各方案全年供暖成本計算

由表9可以看出方案2的全年供暖成本最大，方案1全年供暖成本最小。以全年供暖成本最小的方案1為基準，方案2是方案1的2.7倍，方案3是方案1的2.6倍。以年供暖費用作為比較依據，方案2、3比方案1要大得多。因此，方案1為比較好的選擇。

2.6.3費用年值

僅僅從初投資和年供暖費用角度單一比較不夠全面，需要從費用年值進行綜合對比。費用年值指的是將供暖系統的初投資平均分到使用壽命年限中再加上年供暖費用。利用費用年值可以全面的考慮上述兩種因素，做出最優選擇。系統的使用壽命以主機的使用壽命為基準。由表5可得，方案1、2、3的使用壽命分別為22、10、12年。三種方案的費用年值如圖2所示：

圖3 不同方案費用年值

由圖3可知，方案1的費用年值最低，方案2的費用年值最高。方案2是方案1的2.2倍，方案3是方案1的2.1倍。雖然方案1的初投資比方案2、3大很多，但是由于方案1年供暖費用相比方案2、3小，從長遠看方案1是最優的選擇方案。各方案中年供暖費用在費用年值中所占的比例遠遠超過設備折舊費在費用年值中所占比例。因此，想要降低系統的費用年值控制年供暖費用成為了關鍵因素。

3 結論

本文通過對哈爾濱地區逐日溫度進行分析，利用簡化的BIN法對溫室大棚負荷進行計算。進一步對哈爾濱地區溫室大棚常用的三種供暖方式從節能性、環保性和經濟性三方面進行比較分析。本文主要結論有以下幾個方面：

1）在節能方面，方案1的PER為92%，方案2的PER為34%，方案3的PER為86%。方案1比方案2全年節能63%，方案3比方案2全年節能60%，方案1在節能方面最為突出。

2）在環保方面，方案1、2能夠實現零排放，方案3存在污染物的排放但是遠遠小于燃煤、燃秸稈的污染物質排放。

3）在初投資方面，方案1的初投資最大，方案2初投資最小。方案1是方案2的9.6倍，方案1是方案3的8.7倍左右。以初投資為系統選擇依據的則方案2為最優選擇，方案3次之。方案1可以冬夏兩用，若考慮夏季制冷投資或許可以彌補它在初投資方面的不足。

4）在年供暖費用方面，方案1相較于方案2、3全年供暖成本最小。以全年供暖成本最小的方案1為基準，方案2是方案1的2.7倍，方案3是方案1的2.6倍，方案1為比較好的選擇。

5）在費用年值方面，方案1的費用年值最低，方案2的費用年值最高。方案2是方案1的2.2倍，方案3是方案1的2.1倍，從長遠看方案1是最優的選擇方案。

6）未來將充分考慮上述3種方案的優缺點結合當地農業種植的需求，提出多種供暖方式混合的優化方案。