地源熱泵水蓄能型植物工廠降溫系統夏季運行特性

石惠嫻，田沁雨，孟祥真，任亦可，歐陽三川，張中華，安文婷

（同濟大學新農村發展研究院國家設施農業工程技術研究中心，上海 200092）

0 引 言

對于夏季戶外平均溫度超過35℃炎熱地區,設施農業生產降溫是值得研究的重要課題。目前，國內外文獻研究涉及到的溫室及植物工廠降溫技術[1]有通風(自然通風[2]、機械通風[3])、蒸發（濕簾-風機降溫系統[4-5]、高壓噴霧系統[6-7]）、遮陽[8]、新能源[9]等及幾種技術[10-11]的聯合運用。

地源熱泵(GSHP)作為新能源降溫技術的一種，得到各國重視，廣泛應用于設施農業（日光溫室[12-13]，連棟溫室[14]）、低碳畜牧業（如豬場[15-16]）、暖通空調[17-18]等領域。柴立龍等[19]對日光溫室中的GSHP 系統的夏季性能進行分析，指出系統具有明顯的降溫和除濕效果。孫行健等[20]從設計角度給出蓄能型地源熱泵式供能系統用電錯開電力高峰可達到節能目的。楊仁全等[21]分析了大型農業設施夏季降溫耗能情況，結果表明GSHP 制冷相比常規空調節能可達35%。但是制冷用的GSHP 長期運轉可能會導致熱量堆積，造成系統性能下降和運行成本增加。為解決長期利用地熱能造成的熱量堆積問題，岳高凡等[22-23]，Wang 等[23]對土壤溫度場進行了研究，分別提出了自己的優化方案。Zhou 等[24]提出了帶冷卻塔的新型地源熱泵方案，分析表明該系統減少熱堆積效應顯著，但能耗過大。江盼等[25]提出一種利用冷凝熱再熱空氣的GSHP 系統。陸繁莉等[26]提出一種新型半解耦式除濕熱泵系統，測試其夏季降溫除濕性能，表明該系統可實現對空氣溫濕度的高效處理。Chou 等[27]通過提出一種基于傳熱過程的分析模型確定溫室內能耗比（coefficient of performance，COP）及單位能耗（specific energy consumption，SEC），對一定大小的溫室中冷凝器和蒸發器容量進行調整，可滿足降溫除濕性能要求。

以上關于地源熱泵降溫技術的研究主要集中在系統本身的改進，而對植物工廠蓄能式地源熱泵降溫系統夏季間歇運行特性研究較少[28-29]。因此，針對夏季炎熱地區，將地下水式地源熱泵技術和水蓄能技術相結合實現地源熱泵間歇運行，以上海崇明自然光植物工廠為例，進行水蓄能型地下水源熱泵式降溫系統夏季間歇節能運行特性研究。

1 水蓄能型地源熱泵式植物工廠降溫系統

上海市崇明國家設施農業工程技術研究中心共有面積為21 000 m2的大型自然光植物工廠。其中7 棟采用水蓄能型地下水源熱泵降溫系統，面積5 880 m2，每1 棟植物工廠長35 m，寬24 m，共6 跨，每跨4 m，肩高6.5 m，頂高7.5 m，外圍護結構為單層浮法玻璃，厚5 mm，以金屬框架支撐。該植物工廠夏季降溫與冬季供熱共用同一套系統，其夏季降溫運行流程如圖1 所示[30]。

圖1 中，植物工廠水蓄能型地下水源熱泵式降溫系統包括地下水換熱系統、熱泵機組、空氣處理機組以及蓄能系統。該系統涉及3 個工質的循環：A.地下水循環，地下水從冷水井中抽出經板式換熱器后嚴格回灌至地下；B.制冷劑循環，冷劑在蒸發器內吸收被冷卻介質（水或空氣等）的熱量而汽化，在冷凝器中將熱量傳遞給周圍空氣或水而冷凝；C.用戶側循環，用戶側空氣處理機組通過回水或供水方式實現與室內換熱器的傳熱過程。

圖1 水蓄能型地下水源熱泵系統夏季典型運行流程圖 Fig.1 Flow chart of water storage groundwater source heat pump system in summer typical operating

崇明植物工廠采用的地源熱泵機組為Carrier 公司生產的30HXC200-PH3opt150 型熱泵，其最大制冷量可達613 kW;板式換熱器為Cipex 生產，換熱能力為930 kW，降溫水流量為100 m3/h，降溫進口溫度為12 ℃，出口溫度為20 ℃；植物工廠所在地區地下水含水層為第二承壓含水層，含水層厚度30 m 以上，富水性強，單井涌水量1 000～5 000 m3/d，地下水20～21 ℃，滲透系數為0.83～1.88 m/h。井間距在100 m 左右，回灌井布設在抽水井上游，起到直接補給的作用。熱泵機組及蓄冷水箱如圖2 所示。

圖2 熱泵系統現場設備 Fig.2 Field equipment of water storage type groundwater source heat pump system

基于分時電價政策，本文研究中水蓄能型地下水源熱泵降溫系統采取間歇運行模式，該系統在夏季的降溫方式主要有冷水井直供、冷水井直供和蓄冷水箱聯合供冷以及蓄冷水箱供冷3 種模式間歇。冷水井直供模式是指夏季冷水井供水溫度低于12 ℃時，冷水井中的潛水泵抽取地下水后，依次通過除砂器、水源側電子除垢儀等水處理設備進入板式換熱器水源側，經過低溫板式換熱器提取冷量后回灌到熱水井，板式熱水器中工質將從冷水井中得到的冷量供給空氣處理組經過水-空氣熱交換轉化為冷空氣后，直接對溫室供冷；蓄冷水箱供冷模式是指蓄冷水箱供冷量滿足溫室降溫負荷要求時，打開溫室側循環水泵，由蓄冷水箱直接供冷；熱泵機組蓄冷模式是在用電低谷時段開動熱泵機組，機組按制冷工況運行，降低循環回路水溫，開啟充冷泵，向蓄冷水箱中輸入冷源。

2 植物工廠水蓄能型地下水源熱泵式降溫系統運行特性

2.1 植物工廠氣候條件

到目前為止（2019 年6 月），位于上海市崇明國家設施農業工程技術研究中心的自然光植物工廠已經穩定運行了6 個夏天。該植物工廠為半封閉工況，僅打開天窗，天窗位于天溝的兩側上方，開度取0.5 m。本文針對系統夏季高溫時節降溫特性進行研究，因此選取2018 年夏季7 月21 日至7 月27 日典型周運行數據進行分析。

在該典型周內夜間室外平均溫度為29 ℃，白天11:00至15:00 室外溫度基本在37 ℃以上，最高溫度達到40 ℃以上，且連續高溫，無降雨等特殊天氣。26 日和27 日風速有所提高導致室外溫度相對有所下降。同時在該周26日14:50 至27 日09:10 期間關閉了空氣處理機組。

植物工廠及室外氣象站各項數據由自動數據采集系統每5 min 記錄1 次,其中室外溫度、室外風速、太陽能輻射量等參數隨時間的變化情況如圖3～圖5 所示。

圖3 夏季高溫典型周植物工廠室外溫度隨時間變化曲線 Fig.3 Outdoor temperature of plant factories change with time during typical week in hot summer

由圖3 可知，該周植物工廠室外平均溫度為32.3 ℃，7 月22 日出現典型周最高溫度，為40.71 ℃，時間為13:25，當天室外平均溫度為32.7 ℃。7 月26 日和27 日由于有風，室外平均溫度分別為30.6 和30.9 ℃，溫差（當日最高氣溫與最低氣溫之間差值的絕對值）在7～8 ℃，其余日室外平均溫度均在32.5 ℃以上，溫差在11～12 ℃。夜間溫度基本在30 ℃以下，典型周室外溫度一致表現出白天溫度高、夜間溫度相對降低的特征。

如圖4 所示，室內溫度和室外環境溫度的變化整體趨于一致。在26日和27日室外環境溫度明顯較低的情況下，室內溫度反而偏高，這是由于在26 日至27 日人為關閉了空氣處理機組，室內溫度快速升高。該周內在有空氣處理機組降溫的情況下，早上05:30 左右溫度達到最低點，之后快速上升直到13:30 左右達到峰值。

圖4 植物工廠典型周室內溫度隨時間變化 Fig.4 Indoor temperature of plant factories change with time during typical week

圖5 典型周室外風速隨時間變化 Fig.5 Typical weekly outdoor wind speed changed with time

室外風速是影響溫室和植物工廠自然通風與機械通風的重要指標，對溫室和植物工廠內的溫度變化有很大影響。由圖5 可以看出，典型周室外風速呈現出下午風速較高，夜間風速較低甚至為0 的特點。典型周期間室外平均風速為1.66 m/s，26 日和27 日風速相對較大分別為2.32和2.25 m/s。對比圖3 和圖5 可以發現，在典型周中平均溫度相近的2 d 中的同一時間段，室外風速的提高可以有效降低室外環境溫度。

典型周處于一年中太陽輻射強度最高的時段，如圖6 所示，典型周內室內平均日輻射累積量為2.41 kJ/cm2，7 月22 日日輻射累積量最高，為2.51 kJ/cm2，25 日最低，為2.12 kJ/cm2。太陽輻射量在10 時到下午14 時較高，基本高于800 W/m2。太陽輻射強度每天在12:00 左右到達峰值。

圖6 植物工廠典型周太陽輻射量和輻射積累量 隨時間變化曲線 Fig.6 Solar radiation and solar radiation accumulation of plant factories change with time during typical week

2.2 植物工廠設備運行情況

受外界環境影響，植物工廠內熱泵系統運行情況、蓄冷水箱冷水充滿率、冷水井的運行和空氣處理機組供水溫度和供水流量隨時間變化特性如圖7～圖11 所示。

圖7 植物工廠典型周熱泵功率和耗電功率隨時間變化 Fig.7 Heat pump power and energy consumption power of plant factories change with time during typical week

圖8 典型周熱泵機組運行平均能效比COP 隨時間變化 Fig.8 Change of coefficient of performance （COP）of heat pump with time during typical week

圖9 蓄冷水箱冷水充滿率隨時間變化 Fig.9 Cold water filling rate of cooling water tank changes with time

由圖7 和圖8 可知，每日熱泵運行的時間均集中在22:00 至次日的05:00，此時為用電低谷時段，熱泵工作，為蓄冷水箱供冷。典型周熱泵開啟期間功率平穩運行在700 kW 附近，基本處于滿負荷狀態，耗電功率維持在150 kW 上下，運行穩定。如圖9 所示，熱泵的COP 基本穩定在4.2 以上，23 日最高，達5.51，除熱泵開啟和關閉時有稍大的變化，其他時間均保持穩定，平均COP 為4.53，說明熱泵運行制冷效果穩定。

由圖9 可以看出，夜間22:00 至次日05:00 時段，熱泵機組開啟為蓄冷水箱蓄冷，水箱中冷水充滿率一直增加，5時熱泵關閉，水箱開始輸出供冷，冷水充滿率開始降低，一直到下午隨著太陽輻射強度的減弱，在17:00 至22:00 之間冷水充滿率保持在一定水平，之后進入電價低谷時段，熱泵重新開啟，冷水充滿率開始升高。通過比較每天開始和結束時的冷水充滿率可以得到當日蓄冷水箱蓄冷量的變化情況。在21 日、22 日、26 日和27 日開始時的冷水充滿率低于結束時，說明當天蓄冷水箱的蓄冷量大于供冷量，冷量有所積累。23 日至25 日則消耗了之前儲存在蓄冷水箱的冷量。

該地源熱泵系統設有兩口冷水井，2 口井在夏季交替使用，由圖10 可知，24 日冷水井1 關閉，冷水井2 開啟。打開水源側循環水泵，從冷水井2 中抽取的水經過板式換熱器交換熱量后仍從原管道回灌至另一熱水井中，從而防止地下水位下降導致的地面沉降。低于12 ℃時冷水井冷水輸出溫度十分穩定，而單井持續供冷，出水溫度會有所升高，至一定水平切換另一口冷水井，繼續工作，從而為系統提供穩定的冷源。

圖10 冷水井出水口溫度隨時間變化 Fig.10 Outlet temperature of cool water well changes with time

地下水源熱泵蓄能型植物工廠降溫系統對植物工廠的降溫是通過空氣處理機組實現的，因此系統工質運行流量即為通過空氣處理機組的供水流量。從圖11 中可以看出的是，供水溫度同回水溫度變化趨勢基本相同，受太陽輻射影響，供水溫度及回水溫度在6 時及12 時分別達到最低值、最高值。供水流量大約在5 時達到峰值，為14.28 m3/h，這是因為水源熱泵降溫系統短暫開啟了熱泵機組蓄冷，在9時至19 時這段時間，系統以冷水井直供和蓄冷水箱聯合供冷模式穩定運行，在此之后停止蓄冷水箱供冷，可以很明顯地看到供水流量明顯下降，維持在6 m3/h。

通過以上對典型周內室內外環境、熱泵系統運行效率以及蓄冷水箱蓄冷量變化、冷水井運行情況和空氣處理機組供水情況的分析，植物工廠水蓄能型地下水源熱泵降溫系統在夏季極端高溫條件下可以有效降低植物工廠內溫度，且熱泵機組COP 保持在4.2 以上，運行期間高效平穩。

圖11 植物工廠空氣處理機組供水溫度和供水流量隨時間變化 Fig.11 Water supply temperature and water supply flow of air treatment unit of plant factories change with time

3 植物工廠水蓄能型地下水源熱泵式降溫系統節能經濟運行特性

3.1 系統間歇運行特性

如文前圖3 和圖6 所示，7 月21 日室外平均溫度為32.5 ℃，12 時至14 時保持在38 ℃以上，在13:25 達最高值39.5 ℃，太陽輻射強度最高達966.8 W/m2，日輻射累積量為2.39 kJ/cm2，屬于典型的夏季極端高溫天氣，因此選為典型日進行分析。上海崇明地區采用分時電價政策：高峰時段(8～11 時、18～21 時)電費1.189 元/kWh，平價時段(6～8 時、 11～18 時、21～22 時)電費0.738 元/kWh，低谷時段(22 時～次日6 時)電費0.351 元/kWh。針對上海市分時電價政策采用系統運行模式如表1 所示。

表1 基于分時電價政策的水蓄能型地下水源熱泵供能系統間歇運行模式 Table1 Intermittent operation mode of water storage type groundwater source heat pump energy supply system based on time of use price policy

由表1 可知，在7 月21 日22 時至次日5 時之間，地下水源溫度穩定，前一日系統消耗了大量儲備冷源，此時正處于用電低谷階段，因此選擇熱泵機組儲備蓄冷和冷水井直供模式。6 時氣溫逐漸升高，在14 時左右達到最高溫度，到18 時氣溫已降至一相對低值，5 時至17 時基本處于非用電低谷時段，選擇冷水井直供和蓄冷水箱供冷模式充分利用地熱能及儲備冷源，17 時至22 時處于用電平價或高峰時段，但較日間氣溫已降至一較低值，只需采用冷水井直供即可滿足供冷需求。這表明系統通過用電低谷時段輸入少量高品位能源就實現了低品位熱能向高品位熱能轉移，減少了電能消耗，從而達到節能環保的目的。

3.2 系統熱性能系數

系統的能效比（coefficient of performance，COP）是熱泵系統所能實現的制冷量和輸入功率的比值，在相同的工況下，其比值越大說明這個熱泵系統的效率越高越節能。

基于分時電價政策的植物工廠水蓄能型地下水源熱泵供能系統制冷性能系數（COPsys）計算如式（1）所示。

式中Q 為空氣處理機組的總供冷量，MJ；Wp為熱泵機組的耗電量，MJ；W 為各水泵的耗電量之和，MJ；WF為空氣處理機組風機的耗電量，MJ。

選用圖11 通過計算可得7 月21 日全天空氣處理機組的總供冷量為27 642.16MJ，熱泵機組的耗電量為3 829.60 MJ，空氣機組全天的耗電量為1 358.10 MJ，潛水泵耗電量為1 518.05 MJ，水源側循環水泵耗電量為202.39 MJ，儲熱泵耗電量為30.28 MJ，用戶側循環水泵耗電量為332.64 MJ。根據式1 計算得到該系統COP 為3.80。說明該水蓄能型水源熱泵系統在夏季運行高效。

3.3 系統節能經濟性分析

根據7 月21 日運行模式和分時電價計算7 月21 日全天系統運行費用見表2。

表2 水蓄能型地下水源熱泵供冷系統7 月21 日運行費用 Table2 Operating costs of water storage type groundwater source heat pump cooling system on July 21

表2 計價標準為高峰時段1.222 元/（kW·h），平段時段0.752 元/（kW·h），低谷時段0.364 元/kW·h,將此系統在典型日運行模式下的費用與不采用蓄能裝置的地源熱泵空調系統運行費用進行比較：

在低谷電價期間熱泵機組運行共7 h，對蓄冷水箱的總供冷量為16 610.68 MJ，總耗電量為3 829.60 MJ，即1 063.78 kW·h，僅花費387.21 元。蓄冷水箱在白天對植物工廠供冷，若沒有蓄冷水箱，此部分費用將會在白天高峰時段和平價時段產生，此時按照高峰電價和平段電價1:1 的用電比例，運行費用將高達1 049.18 元，相對節省661.97 元。

計算在對應電價階段熱泵將相應耗能花費為580.54 元。因此采用蓄能裝置的系統在當日當天節省193.33 元，節省了總運行費用的16.98%。經濟效益較為顯著。

4 典型日系統穩定運行的節能和環保效益

將水蓄能型地下水源熱泵系統與同樣具備降溫和供熱功能的空氣源熱泵系統和直燃式溴化鋰冷熱水機組2個方案進行節能性分析和比較，以便分析水蓄能型地下水源熱泵系統供冷的優越性。

式中W'為系統實際功耗，一天中取工作時間為8 h，系統按滿負荷額定功率運行，MJ；η1為發電效率，火力發電取35%；η2為輸配電效率，取90%。

1）節能率：

節能率又稱系統一次能耗節能率，根據要比較的兩種系統的一次能耗，以另一種系統的一次能耗為基礎，可以算出節能率ηE為

式中H1為水蓄能型地下水源熱泵空調系統一次能耗，MJ；H2為待比較系統的一次能耗，MJ。

2）標煤替代量Trs

式中Hce為標煤的發熱值，29 307 kJ/kg。每燃燒1 t 標煤排放二氧化碳約2.62 t。

3）供冷量

地下水源熱泵蓄能型植物工廠降溫系統對植物工廠的降溫是通過空氣處理機組供冷實現的，對植物工廠的供冷量通過空氣處理機組的供回水溫度、供水流量求得。

空氣處理機組供給植物工廠的熱量可以通過每一間植物工廠空氣處理機組的進回水溫度和水流量計算得到

式中vag為每間植物工廠空氣處理機組的抽水量，m3/h；T9i，T10i為每間植物工廠空氣處理機組的進出口溫度，℃；ρ為水的密度，1 g/cm3；c 為水的比熱容，4.2×103J/kg℃，取25 ℃時。

采取對照試驗的方法，在其他條件均相同，而只有系統形式不同的情況下，以水蓄能型地下水源熱泵降溫系統為對照組，空氣源熱泵降溫系統、地下水熱泵降溫系統及直燃式溴化鋰冷水機組降溫系統為實驗組，在額定供冷量為27 642.16 KJ 時通過上述計算公式，分別計算3 種不同供能方式的一次能源消耗、標煤替代量、節能率、節能減排效益和供冷量，計算結果見表3。

由表3 可知，7 月21 日當天水蓄能型地下水源熱泵供能系統相對于空氣源熱泵、地下水源熱泵系統和直燃式溴化鋰冷熱水機組這3 種降溫方式一次能源的節能率分別為31.61%、20.82%和79.10%，標煤替代量分別為364.02、207.15 和2 980.65 kg，CO2減排量分別為953.73、542.73 和7 898.72 kg。表明水蓄能型地下水源熱泵供能系統運行具有節能減排的顯著效果，可減少對不可再生能源的依賴，減輕能源壓力，降低CO2等氣體的排放量，保護環境，具有經濟和環保雙重效益。

表3 系統節能性分析 Table3 System energy saving analysis

5 結 論

選取典型周對水蓄能型地源熱泵降溫系統進行分析計算，得到熱泵運行時的平均COP 為4.53，整個供能系統的COP 為3.80，說明系統運行穩定且高效。夏季降溫運行模式有冷水井直供、熱泵機組蓄冷模式和蓄冷水箱供冷模式，其中以冷水井直供為主。熱泵在電價低谷時段開啟為蓄冷水箱蓄積冷量，用以白天供冷。

通過將水蓄能型地下水源供能系統與不采用蓄能裝置的系統運行費用作比較，選取典型日當天可以節省運行費用193.33 元，采用蓄能系統可以節省總運行費用的16.98%，經濟效益較為顯著。通過將試驗系統與空氣源熱泵和直燃式溴化鋰冷熱水機組這2 種降溫方式作對比，得到試驗系統相對上述2 種降溫系統的一次能源的節能率分別為31.61%和79.10%，標煤替代量分別為364.02 kg和2 980.65 kg,CO2減排量分別為953.73 kg以及7 898.72 kg。以上數據表明水蓄能型地下水源熱泵供能系統具有顯著經濟和環境效益。