王建輝，劉自強，劉 偉，周 泉，彭國輝

（河北省科學院能源研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構，增加農(nóng)民收入，是目前我國的基本國策之一，作為其中的設施農(nóng)業(yè)的一部分，日光溫室目前已經(jīng)得到了廣泛的應用，并且深受廣大農(nóng)民的喜愛。近年來，日光溫室發(fā)展迅速，已成為廣大農(nóng)民脫貧致富的重要支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，目前河北省內(nèi)溫室大棚種植面積已達450多萬畝，且呈逐年增長的趨勢。

日光溫室不僅可以實現(xiàn)跨季節(jié)蔬菜種植，還可進行花卉種植、組織培養(yǎng)以及一些動物的特種養(yǎng)殖。對提高農(nóng)民收入，豐富市民的菜籃子，起著十分重要的作用［1－2］。在我國北方地區(qū)、冬春季為了維持溫室內(nèi)一定溫度，保證喜溫蔬菜正常生長發(fā)育，必要時就需要加溫。尤其是在溫室育苗育種的過程中，冬季在晚上或者陰雪天氣下，溫室內(nèi)的溫度顯著降低，達不到蔬菜育苗所需要的溫度要求，蔬菜就會停止生長發(fā)育，甚至會凍死，這時就需要為溫室加溫。加溫的方法很多，如火道加溫、水暖鍋爐加溫、釀熱加溫、電熱線加溫、暖風加溫等［3－5］。各有優(yōu)缺點，效果也不同，但如何達到較理想的加溫效果，采用最好的最經(jīng)濟、最有效的加溫方法是每個生產(chǎn)者必須考慮的重要因素。

地源熱泵（ground source heat pump，GSHP）技術屬可再生能源利用技術，其原理是一種以淺層土壤或地下水（200m以內(nèi)）作為空調(diào)熱源或冷源，兼具加溫和制冷雙重功能的熱泵技術，也是近年來世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速和研究較為廣泛的一項可再生能源空調(diào)工藝之一［6－7］。

把地源熱泵系統(tǒng)應用到溫室溫度調(diào)節(jié)中，可以極大的節(jié)約能源和資源，并且易于根據(jù)蔬菜育苗育種生長的最佳溫度對溫室中的溫度進行調(diào)節(jié)。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 工程概況

河北省石家莊市某農(nóng)業(yè)高科技園區(qū)蔬菜基地2號溫室大棚位于農(nóng)業(yè)高科技園區(qū)院內(nèi)，東西長40m，南北寬7m，坡高3.2m，面積280m2，棚頂為塑料薄膜。采用水源熱泵系統(tǒng)作為該溫室大棚的空調(diào)冷熱源。當?shù)貙贉貛Т箨懶约撅L性氣候，太陽輻射及氣候狀況如表1所示，冬季各月采暖天數(shù)如表2所示。

表1 太陽輻射及室外平均溫度

表2 冬季各月采暖天數(shù)

1.2 地源熱泵實驗系統(tǒng)設計

（1）室內(nèi)外溫濕度設計參數(shù)：見圖3，圖4。

表3 室外溫濕度

表4室內(nèi)溫濕度

（2）空調(diào)冷熱負荷：

根據(jù)蔬菜育苗、育種分別在冬季、夏季所需的溫濕度數(shù)據(jù)和現(xiàn)場2號溫室大棚實際的維護結構以及棚頂薄膜的冷、熱損失，按照冬季最高熱損、冷風滲透耗熱量損耗，項目熱負荷按照170W設計，

夏季室內(nèi)溫度保持在28℃－32℃左右，由于該溫室設有遮陽設施及通風換氣口，對室內(nèi)溫度要求不高，而冬季主要靠地源熱泵系統(tǒng)加溫，沒有其他輔助設施，而且室內(nèi)溫度需嚴格保持在15℃－22℃，因此本設計以冬季負荷為設計依據(jù)；

空調(diào)熱負荷：280＊170＝47.6kW

（3）系統(tǒng)設計方案：

a、系統(tǒng)及主機選型設計方案。本工程擬采用水源熱泵系統(tǒng)為冬季采暖熱源，兼顧夏季室內(nèi)降溫空調(diào)，熱泵機組安裝在大棚門口小房內(nèi)，采暖及空調(diào)形式為冬季地下輻射采暖，夏季風機盤管空調(diào)降溫；地下輻射采暖供熱均勻，溫度可控，溫度由地下向上輻射，大棚頂部熱損損耗最低。

項目選用特靈水源熱泵機組 WPWE1605SH3A型1臺（制冷量41.7kW，耗電量9.66kW；制熱量47.8kW，耗電量13.6kW）；

b、循環(huán)水泵選型方案。循環(huán)水量8.2t／h，選2臺水泵1用1備，功率2.2kW／臺，揚程30m，流量10t／h；水源測選2臺水泵1用1備，功率2.2kW／臺，揚程30m，流量10t／h。

c、水源井設計方案。根據(jù)當?shù)氐刭|(zhì)水文資料及同地區(qū)地源熱泵項目水源側實際換熱量計算，打水源井1眼，井深60m，出水溫度15.5℃，水流量10t／h?；厮?眼，井深60米。

d、系統(tǒng)末端設計。水源熱泵系統(tǒng)的末端采用地板輻射式采暖和風機盤管空調(diào)制冷。在地下50cm深度鋪置苯板隔熱層，苯板間間隔30～40cm，方便滲水。在苯板上鋪置蛇形盤管，然后用土壤回填，用于冬季地下輻射采暖。在溫室北側墻壁上安裝6臺風機盤管用于夏季空調(diào)降溫。

e、機房控制系統(tǒng)設計方案。機房設備采用安能科技最新研制的能源管理系統(tǒng)（i－EMS V2.0），可以實現(xiàn)大棚內(nèi)土壤溫度、室內(nèi)溫度、土壤濕度、室內(nèi)濕度的控制；根據(jù)不同的作物不同生長時期對溫度、濕度的要求實時調(diào)整系統(tǒng)運行參數(shù)，根據(jù)上述作物的生長要求系統(tǒng)自動運行，保證設備按需運行，經(jīng)濟節(jié)能，利于操控與維修。

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在整個系統(tǒng)循環(huán)管路中安裝了溫度傳感器、流量傳感器、電功率測量表等測量儀表，利用計算機板卡和計算機系統(tǒng)連接起來。制作了污水源熱泵測試軟件，建立了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。基于FIX數(shù)據(jù)采集軟件進行了二次開發(fā)?？梢詫崟r顯示各點的溫度，同時可以就不同運行情況下的系統(tǒng)運行效率（COP）進行顯示。

1.4 實驗系統(tǒng)原理圖。

實驗系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 溫室大棚地源熱泵空調(diào)采暖系統(tǒng)圖

2 運行實驗內(nèi)容

2012／2013年冬季是近30年最冷的一年，并且1月出現(xiàn)了多日霧霾天氣，棚室內(nèi)溫度持續(xù)偏低，不能滿足正常蔬菜生長。實驗系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后，從1月9日下午開始，石家莊市某農(nóng)業(yè)高科技園區(qū)蔬菜基地2號溫室大棚開始采用水源熱泵機組對溫室大棚進行加溫處理，每日16時至次日9時進行加溫，加溫管理到2月底停止。

溫室冬季育苗最低溫度保持在12℃左右（育苗一次），溫室冬季種植最低溫度保持在10℃左右。因此熱泵機組冷凝器出水端溫度設定在25℃，通過地埋盤管蓄熱加溫，保證溫室冬季育苗所需的溫度。

在運行過程中詳細記錄了系統(tǒng)運行工作時熱泵機組冷凝器進出水溫度、機組和系統(tǒng)COP數(shù)據(jù)、溫室加熱前后溫度情況等實驗數(shù)據(jù)，并繪出曲線圖。結果表明，該系統(tǒng)具有較高的COP和良好的使用性能，節(jié)能效果十分顯著。

2.1 熱泵機組水源側進出口溫度

由圖2可以看出，在蔬菜基地2號溫室大棚采用水源熱泵機組進行加溫處理工況下，水源熱泵機組井水側的供水溫度始終保持在15.5℃左右，經(jīng)機組吸熱后，回水溫度降低到到12.0℃左右，供回水溫差保持在3.5℃左右。

圖2 熱泵機組水源側進出口溫度

2.2 熱泵機組用戶側進出口溫度

圖3 熱泵機組用戶側進出口溫度

由圖3可以看出，在蔬菜基地2號溫室大棚采用水源熱泵機組進行加溫處理工況下，水源熱泵機組用戶側的出水溫度平均保持在25.0℃左右，經(jīng)溫室地埋盤管循環(huán)向土壤放熱后，回水溫度平均降低到23.5℃左右，供回水溫差平均保持在1.5℃左右。

2.3 熱泵機組電功率、制熱量

圖4 熱泵機組電功率、制熱量

根據(jù)熱泵機組電功率、制熱量曲線圖可以看出，該水源熱泵機組的制熱量在42.4～63.5kW之間，平均制熱量為48.4kW。機組運行平均功率為8.3kW。

2.4 熱泵機組COP

圖5 熱泵機組COP

根據(jù)水源熱泵機組的制冷量和電功率測試數(shù)據(jù)，可以計算出該水源熱泵機組的能效比（COP），實際測得該水源熱泵機組的的能效比（COP）曲線如上圖所示，可以看出COP最低為3.36，最高為7.52，平均為5.83，具有很高的能效比（COP）。

2.5 溫室加溫前后氣溫、低溫數(shù)據(jù)

圖6 2013年1月2號溫室大棚加熱前（后）16時至次日9時1.5m逐時氣溫變化曲線

由圖6和表5數(shù)據(jù)可以看出，加熱前（1－8日）16時至次日9時1.5m逐時氣溫基本維持在5～10℃，該段時間日平均氣溫值在6.8～9.5℃，加熱前平均值為7.9℃；加熱后（9日后）16時至次日9時1.5m整點氣溫基本維持在9～15℃，該段時間日平均氣溫值在11.4～14.9℃，加熱后平均值為12.6℃，加熱后較加熱前1.5m平均氣溫提高了4.7℃。加熱前5cm地溫日平均值在7.5～10.3℃，平均值為8.7℃，加熱后日平均值在11.9～15.7℃，平均值為13.2℃，加熱后5cm地溫平均提高了4.5℃（表5）。可見，經(jīng)過熱泵加溫處理，無論是棚內(nèi)氣溫還是淺層地溫均有明顯提高，加溫后，夜間氣溫和地溫穩(wěn)定在10℃以上，溫度條件能夠滿足嚴寒冬季蔬菜生產(chǎn)。

表5 2013年1月科技園16時至次日9時小氣候資料分析

2.6 實驗結果分析

（1）由熱泵機組水源側進出口溫度記錄可以看出，在河北省石家莊市某農(nóng)業(yè)高科技園區(qū)蔬菜基地2號溫室大棚采用水源熱泵機組進行加溫處理工況下，水源熱泵機組井水側的供水溫度始終保持在15.5℃左右，經(jīng)機組吸熱后，回水溫度降低到到12.0℃左右，供回水溫差保持在3.5℃左右。地下水溫度相對環(huán)境溫度變化很小，常年保持恒定，地下水溫度常年保持在14～16℃之間，是一種很好的空調(diào)低溫冷熱源。

（2）由實驗數(shù)據(jù)可以看出，地源熱泵加溫系統(tǒng)具有較高的COP和良好的使用性能，節(jié)能效果十分顯著。地源熱泵加溫系統(tǒng)的COP最低為3.36，最高為7.52，平均為5.83，具有很高的能效比（COP）。

（3）在熱泵加溫運行期間，溫室內(nèi)1.5m氣溫平均值為12.6℃，加熱后較加熱前1.5m平均氣溫提高了4.7℃。5cm地溫平均值為13.2℃，加熱后5cm地溫平均提高了4.5℃。經(jīng)過熱泵加溫后，無論是棚內(nèi)氣溫還是淺層地溫均有明顯提高，加溫后，夜間氣溫和地溫穩(wěn)定在10℃以上，溫度條件能夠滿足嚴寒冬季蔬菜生產(chǎn)。

3 結論

近年來的能源危機促使人們重視尋找和發(fā)展新能源。溫室作為耗能較高的領域，積極采用地源熱泵技術是十分必要的。與傳統(tǒng)燃煤供熱相比，使用地源熱泵可減少燃煤過程中廢氣和二氧化硫的排放。地源熱泵的能量來源于地下淺層地能，它不向外界排放任何廢氣、廢水和廢渣，而且還具有加溫制冷的雙重功能，應用于大型溫室替代燃煤鍋爐進行冬季加溫，夏季又可以利用其制冷功能對溫室進行降溫，溫度可控性強，是一種值得研究的溫室調(diào)溫技術，也符合國家產(chǎn)業(yè)政策和發(fā)展方向。其較低的運行費用和顯著的節(jié)能減排效果以及不會對溫室建設地區(qū)造成污染的優(yōu)點具有較好的社會意義。目前溫室地源熱泵系統(tǒng)供暖還只是在剛剛起步的階段。相信經(jīng)過優(yōu)化熱泵系統(tǒng)設計，合理配置和利用溫室熱泵系統(tǒng)。完善相關技術，針對不同溫室結構特征、不同溫室內(nèi)環(huán)境，減少初投資費用，地源熱泵技術在溫室生產(chǎn)中的應用前景將更廣闊［8］。

［1］ 方慧，楊其長，孫驥.地源熱泵在日光溫室中的應用［J］.西北農(nóng)業(yè)學報，2010，19（4）：196－200.

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［3］ 吳靜怡，金鼎，王如竹.電熱泵用于蔬菜溫室供熱的經(jīng)濟性分析［J］.工熱物理學報，2002，23（1）：17－19.

［4］ 盛國成.日光溫室增溫方式與供熱設備［J］.農(nóng)業(yè)工程技術，2007，2：21－21.

［5］ 王順生.日光溫室內(nèi)置式太陽能集熱調(diào)溫裝置的研究［D］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2006：2－4.

［6］ 呂世華.地源熱泵技術與建筑節(jié)能［Z］.高科技與產(chǎn)業(yè)化，2007（4）：84－86.

［7］ 柴立龍，馬承偉，張義，等.北京地區(qū)溫室地源熱泵供暖能耗及經(jīng)濟性分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26（3）：249－254.

［8］ 任子君，賈延宇，趙陽，孫治強.水·地源熱泵在我國溫室生產(chǎn)上的應用［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2011，39（7）：4405—4408.