胥清華于明志毛煜東崔萍朱科

(1.山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，山東 濟南250101；2.山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 濟南250101)

0 引言

溫室大棚已廣泛用于蔬菜瓜果種植、花卉培育、工廠化育苗等。 北方冬季室外溫度較低，溫室對外散熱量大，內(nèi)部氣溫?zé)o法滿足植物的成長環(huán)境，因此應(yīng)給溫室配備供暖設(shè)備[1]。 目前，溫室傳統(tǒng)供暖主要采用電鍋爐和燃氣鍋爐等[2-3]。 由于節(jié)能減排的需要，推動“碳中和”目標(biāo)的實現(xiàn)以及“新農(nóng)業(yè)”的提出，采用可再生能源如空氣源熱泵、水源熱泵、太陽能等供暖溫室大棚的研究和應(yīng)用正逐漸增多[4-6]。

太陽能系統(tǒng)用于溫室大棚供暖具有較好的環(huán)境效益與經(jīng)濟效益，然而太陽輻射存在間歇性，從而導(dǎo)致太陽能系統(tǒng)供能不穩(wěn)定。 柴立龍等[7]分析了地下水源熱泵在溫室中的節(jié)能及經(jīng)濟性，表明地下水源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟性及節(jié)能性較好。 但是水源熱泵系統(tǒng)會受地質(zhì)條件的限制，其適用范圍具有局限性?？諝庠礋岜酶咝Ч?jié)能且安裝簡單，具有經(jīng)濟性較好的特點。 陳冰[8]研究了溫室空氣源熱泵系統(tǒng)，證明空氣源熱泵系統(tǒng)可很好地用于溫室供暖。 孫先鵬等[9]分析了太陽能聯(lián)合空氣源熱泵在溫室中的應(yīng)用， 顯示聯(lián)合系統(tǒng)提高了溫室內(nèi)的空氣溫度和土壤溫度，也有效降低了溫室內(nèi)的濕度，使得室內(nèi)環(huán)境更滿足植物的生長需要。 蔣綠林等[10]利用太陽能、地?zé)崮?、空氣能相結(jié)合的多熱源熱泵系統(tǒng)對溫室進行供暖研究，表明其經(jīng)濟效益與節(jié)能性較好，然而多熱源熱泵運行策略及其工藝十分復(fù)雜，制約其推廣應(yīng)用。 楊禹堯[11]實驗研究了空氣源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于溫室大棚，證明了其節(jié)能性優(yōu)于電鍋爐和燃煤鍋爐，但是空氣源熱泵應(yīng)用環(huán)境的溫度越低，其效率將隨之降低。 地源熱泵技術(shù)是一種高效、節(jié)能、無污染且可再生的能源技術(shù)，其利用土壤作為冷熱源，運行效率不受外界氣候環(huán)境影響[12-13]。 地源熱泵技術(shù)在冬夏季負荷較為平衡的建筑上應(yīng)用較多，若單純供熱時會導(dǎo)致土壤溫度不斷降低，系統(tǒng)能效逐漸下降，情況嚴(yán)重的甚至?xí)o法滿足供熱需求[14-16]。 但溫室大棚通常僅需夜間供暖，所需總負荷遠小于建筑物供熱負荷，故可考慮用于溫室冬季夜間的供熱。已有研究表明應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)可以滿足溫室供暖需求[17-18]，但目前尚無對地源熱泵系統(tǒng)用于溫室大棚供暖的長期運行傳熱特性和節(jié)能減排效益的研究。 為此，文章以濟南某溫室為對象，研究地源熱泵冬季溫室長期供暖的傳熱特性，以期能對工程實踐提供參考借鑒，并以目前節(jié)能性較高的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)和電鍋爐供暖系統(tǒng)為參照，分析其長期運行時的節(jié)能和減排效益。

1 地源熱泵地埋管換熱器傳熱模型

地源熱泵供熱性能主要由其地埋管換熱器傳熱特性決定，因此主要討論了地埋管換熱器傳熱特性。地埋管換熱器傳熱分析方法主要有數(shù)值法和解析法。 數(shù)值法應(yīng)用于對地埋管長期運行過程的模擬時計算量巨大，而解析模型簡單易于運算，因此采用目前廣泛應(yīng)用的管群有限長線熱源模型分析地埋管換熱器傳熱過程[19-20]。

為便于簡化分析計算，作如下假設(shè):地埋管換熱器在地下的熱量傳遞只沿徑向、垂直方向?qū)?；土壤初始溫度均勻一致，忽略地表溫度波動對土壤溫度的干擾；將大地視為半無限大介質(zhì)，且假定土壤熱物性參數(shù)為定值；忽略地下水滲流對埋管傳熱的干擾和鉆孔內(nèi)的接觸熱阻。

計算單鉆孔周圍任一點土壤溫升的公式[20-21]由式(1)表示為

式中ΔTFLS為有限長線熱源模型任一點溫升；qL為鉆孔每延米承擔(dān)的負荷，W/m；λs為土壤導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；H為鉆孔總埋深， m；h為熱源上作用點到地面的軸向距離，m；Z為埋管軸向坐標(biāo)，m；R為距埋管中心的距離，m；Fo=at/H2，t為時間，s，a為土壤熱擴散系數(shù)，m2/s；erfc(x)為余誤差函數(shù)，由式(2)表示為

式中u為指數(shù)函數(shù)的自變量，無實際意義。

采用階躍負荷及疊加原理結(jié)合有限長線熱源模型計算埋管區(qū)域任意一點溫升，其公式由式(3)表示為

其中，g由式(4)表示為

式中i為鉆孔個數(shù)，共N個；j為負荷作用時間點；M為運行總時長，d；qi，j為第i個鉆孔在j時間點時每延米承擔(dān)負荷。

2 地埋管換熱器傳熱特性

2.1 溫室、地埋管換熱器及地下土壤等參數(shù)

為分析溫室大棚采用地源熱泵的可行性，文章以濟南某溫室為例。 此溫室占地面積為120 m2，其脊高為3.5 m、長為15 m、跨度為8 m，根據(jù)種植作物需要，該溫室供熱時間為每年12 月初至次年2 月底，系統(tǒng)運行時間為每天23:00 至次日5:00，目前采用空氣源熱泵進行供暖。 其冬季單位面積熱負荷為135.4 W/m2，總采暖熱負荷為16.25 kW。 當(dāng)?shù)赝寥莱跏紲囟葹?5.3 ℃、導(dǎo)熱系數(shù)為1.658 W/(m·K)、體積比熱為1.92×106J/(m3·K) 。

根據(jù)供熱負荷需求，經(jīng)初步計算，若采用地源熱泵供暖，則地埋管換熱器需要兩個鉆孔即可滿足需求。 埋管采用單U 形PE 管，其外徑為0.032 m、內(nèi)徑為0.026 m，管壁導(dǎo)熱系數(shù)為0.33 W/(m·K)、管內(nèi)流體比熱為4 187 J/(kg·K)、管內(nèi)流體質(zhì)量流量為0.27 kg/s。 采用C 語言編寫程序計算分析不同埋管設(shè)置時的地下溫度場和循環(huán)水溫度變化，其中m為運行天數(shù)。 地下土壤溫度場計算流程圖如圖1所示。

圖1 地下土壤溫度場計算流程圖

2.2 埋管深度對地下溫度場和循環(huán)水溫的影響

埋管數(shù)量相同時，埋管越深取熱能力越高，但同時初投資成本增加，因此應(yīng)分析地埋管深度對地下溫度場和循環(huán)水溫度的影響，以便確定合理的地埋管深度。 分別計算了80、90、100、120 m 等4 種深度的情況下，運行30 a 后的地埋管換熱器循環(huán)水溫隨時間的變化。 鉆孔間距取8 m，其余參數(shù)與2.1 節(jié)相同。 計算結(jié)果如圖2 和3 所示。

由圖2 可以看出，埋管越淺，長時間運行后土壤溫度越低，這是由于取熱負荷不變時，隨著埋深的減少，埋管每延米承擔(dān)的取熱負荷增大，因此鉆孔周圍土壤溫度越低，這就越不利于埋管取熱，因此埋管深度不能太淺。

圖2 土壤溫度分布隨埋管深度變化圖

當(dāng)取熱負荷和流量一定時，地埋管循環(huán)水進、出口水溫差不變且隨運行時間變化規(guī)律相同，因此只分析進口水溫。 圖3 是運行30 a 間供暖期結(jié)束時的地埋管換熱器進口水溫隨時間的變化。 可以看出，隨運行時間增加，地埋管進口水溫呈逐年遞減趨勢，埋管越淺，水溫下降速率越大。 運行同樣時間時，埋管越深，進口水溫越高。 當(dāng)深度分別為80、90、100、120 m時，第30年最低進口水溫分別為1.63、3.10、4.31、6.10 ℃。 根據(jù)GB 50366—2009《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》[22]，冬季運行期間，地埋管換熱器進口最低溫度宜＞4 ℃，因此上述4 種埋深中只有100 和120 m 滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。 雖然進口水溫越高越好，但是鉆孔深度過大會導(dǎo)致初投資過大，因此地源熱泵系統(tǒng)地埋管深度取100 m即可。 為避免額外占用耕地，地埋管可沿溫室大棚墻根布置，各埋管間連接管及與機組連接管道通常埋設(shè)在地表下1.5～2 m。

圖3 不同埋深情況下進口水溫隨運行時間的變化圖

2.3 鉆孔間距對地下溫度場和循環(huán)水溫的影響

不同鉆孔間距時地下溫度場分布情況如圖4 所示。埋管深度取100 m，其余參數(shù)與2.1節(jié)相同，可以看出，鉆孔間距越大，相互間干擾越小，土壤整體溫度越高，越有利于埋管取熱。 但鉆孔間距不宜過大:(1) 間距大到一定程度后，鉆孔間相互干擾作用不再顯著，如圖4(e)和(f)所示，再增大間距對降低相互間熱干擾作用不明顯；(2) 間距越大，不同鉆孔間連接管道越長，管溝作業(yè)量和成本越大，因此間距不宜過大。

圖4 土壤溫度分布隨管間距的變化圖

不同鉆孔間距情況下，運行30 a 后的地埋管換熱器進口水溫隨運行時間的變化如圖5 所示。 鉆孔間距為3、4、5、6、8、10 m 時，第30 個采暖季結(jié)束時進口水溫分別為3.68、3.94、4.10、4.20、4.31、4.39 ℃，其中埋管間距5 m 及以上的地埋管換熱器循環(huán)水進口溫度符合國家規(guī)范要求。 考慮到鉆孔間管道連接成本等，鉆孔間距取5 或6 m 即可。

圖5 不同鉆孔間距情況下進口水溫隨運行年限的變化圖

3 耗電及減排效益分析

3.1 耗電量分析

針對上述溫室，根據(jù)其冬季供暖所需負荷，對地源熱泵系統(tǒng)及電鍋爐系統(tǒng)主要設(shè)備進行了選型，各主要設(shè)備型號、規(guī)格見表1。供暖系統(tǒng)耗電功率可由式(5)表示為

表1 3 種系統(tǒng)主要設(shè)備選用及單價表

式中Pjz為機組功率，kW；Q1為總采暖負荷，kW；ε為機組能效比，文章取地源熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)和電鍋爐的ε值分別為4.62、2.5 和1。

耗電量w計算公式可由式(6)表示為

式中t1為年運行時間，d；t2為日運行時間，h。 取t1=90 d、t2=6 h。

根據(jù)2.1 節(jié)給出的溫室大棚總采暖負荷16.25 kW和式(5)，計算得到地源熱泵系統(tǒng)機組、空氣源熱泵系統(tǒng)機組功率、電鍋爐機組耗電功率分別為3.52、6.50、16.25 kW。 地源熱泵系統(tǒng)耗電功率為空氣源熱泵系統(tǒng)的54.2%，并為電鍋爐的21.7%，可以看出地源熱泵系統(tǒng)運行較其他兩種系統(tǒng)耗電顯著降低。

根據(jù)系統(tǒng)耗電功率和年運行時間和式(6)，可以得到地源熱泵、空氣源熱泵、電鍋爐3 種系統(tǒng)年運行耗電量分別為1 903.24、3 509.57、8 773.92 kW·h，3 種供暖系統(tǒng)的耗電量隨運行時間的變化規(guī)律如圖6 所示，可以看出隨著運行時間的增加，地源熱泵系統(tǒng)節(jié)省的電能越來越多。 3 種系統(tǒng)運行30 a 所消耗的總電量分別為57 097.09、105 287.00、263 217.60 kW·h，地源熱泵系統(tǒng)較空氣源熱泵系統(tǒng)和電鍋爐分別節(jié)電約45.77%和78.31%。

圖6 3 種供暖系統(tǒng)的耗電量隨運行時間的變化圖

3.2 節(jié)能減排效益

我國以煤電為主，因此以燃煤火力發(fā)電為參考，計算節(jié)電的減排效益。 每節(jié)電1 kW·h，可節(jié)約0.4 kg的標(biāo)準(zhǔn)煤，同時減少污染排放0.272 kg 的煙塵、0.015 kg 的氮氧化物、0.03 kg 的二氧化硫、0.997 kg 的二氧化碳[23]。 地源熱泵系統(tǒng)與空氣源熱泵、電鍋爐系統(tǒng)運行30 a 的標(biāo)煤耗量及污染氣體排放量見表2。

表2 3 種供暖系統(tǒng)運行30 a 煤耗及排放量表 單位:kg

由表2 可以看出，隨運行時間增加，地源熱泵較空氣源熱泵和電鍋爐節(jié)能及減排效益越來越顯著。地源熱泵系統(tǒng)在運行30 a 內(nèi)相對于空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)煤總量為19 275.98 kg，煙塵、二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫減少排放總量分別為13 106.67、48 045.38、722.85、1 445.70 kg，地源熱泵系統(tǒng)比空氣源熱泵系統(tǒng)排污總量下降了約45.77%。 相對于電鍋爐系統(tǒng)節(jié)煤總量為82 448.20 kg，煙塵、二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫減少排放總量分別為56 064.78、205 502.15、38 626.18、6 183.62 kg，地源熱泵系統(tǒng)比電鍋爐系統(tǒng)排污總量下降了約78.31%。由此可見，地源熱泵系統(tǒng)具有顯著的減排效益。

4 結(jié)論

以上研究可知:

(1) 埋管數(shù)量相同時，埋深越淺，初投資越少，但長時間運行后土壤溫度越低，因此為避免初投資過大，在滿足全壽命期供暖需求的前提下，埋管越淺越好。 文章條件下經(jīng)分析埋管深度取100 m。

(2) 鉆孔間距越大，相互間干擾越小，土壤整體溫度越高，越有利于埋管取熱。 但其成本和占地面積會相應(yīng)增加，在滿足全壽命期供暖需求的前提下，鉆孔間距不宜過大。 鉆孔間距取5 m 可保證地埋管換熱器最低進口水溫＞4 ℃，地源熱泵能夠滿足采用輔助供暖設(shè)施的溫室大棚的長期供暖需求。

(3) 由于耗電量降低，采用地源熱泵系統(tǒng)供暖可減少大量煙塵、二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫等污染物的排放，地源熱泵系統(tǒng)較空氣源熱泵系統(tǒng)和電鍋爐的排污總量分別下降了約為45.77%和78.31%。 具有顯著的節(jié)能減排效益。