北京地区温室地源热泵供暖能耗

  地源热泵（ground source heat pump，GSHP）是一种以浅层土壤或地下水（200 m 以内）作为空调热源或冷源，兼具加温和制冷双重功能的热泵技术，也是近年来世界范围内发展迅速和研究较为广泛的一项可再生能源空调工艺之一[1-4]。随着设施农业和都市农业的迅速发展，2006年底，北京地区拥有温室及大棚数量达到19 321.1 hm2，共建成农业观光园区1 230 个[5]。地源热泵技术逐渐在设施农业热环境调控中引起广泛重视。

 

  Toyoki Kozai 在20 世纪80 年代采用燃油驱动地下水式热泵系统在日本的一栋温室中进行供暖研究（地下水温为14℃）[6]，机组性能系数（coefficient of performance，COP）达到2.16，比直接采用燃油加热器节能50%。OnderOzgener 和Arif Hepbasli 在土耳其Ege 大学（北纬38°24′）采用一套小型太阳能辅助-地埋管式热泵系统（供暖能力为4 kW）给一栋约50 m2 温室进行供暖[7]，系统供暖系数COP 约为2.27。方卉，杨其长等在北京一栋Venlo 型连栋温室中进行了GSHP 供暖的研究[8]，系统COP 达到3.14。上述研究均证实了GSHP 技术在温室供暖中具有较高的COP，然而与其他供暖方式相比，其经济性如何，由于涉及不同采暖系统的利用方式、配置情况、不同能源的相对成本以及地域和利用时期上的差异等复杂因素，这是需要进一步深入研究和分析的问题。

 

  为此，本研究通过在一栋温室中采用GSHP 系统进行冬季供暖试验，分析热泵系统在温室供暖中的工作性能和能耗情况及其经济性。

 

  1.1 试验温室-GSHP 系统

 

  试验温室及地下水式GSHP 空调系统位于北京市海淀区上庄镇（北纬39°40′），温室为东西走向，长60 m，跨度8 m，脊高3.5 m，北墙高2.5 m，围护结构及覆盖材料详见文献[9]。试验选取两栋结构、材料以及建造时间均相同的试验站2 号和3 号日光温室为研究对象，以下简称G2 和G3。试验期间G2 中使用GSHP 系统供暖，室内种植黄瓜，草莓等作物；G3 中不使用任何供暖设施，早期种植黄瓜。G2 中GSHP 系统风机盘管末端的关闭和开启采用温度自动控制，设置的夜间温度下限为18℃，上限为20℃。G2、G3 保温被覆盖时间为晚上17:00 至次日9:00。

 

  图 1 所示为本研究中使用的地下水式GSHP 空调系统的基本构成。系统详细技术参数见参考文献[9]。冬季进行供暖运行时，打开水阀a、d、f、g，关闭b、c、e、h 阀。地下水流经路线为：抽水井-a-蒸发器-f-回水井，循环水流经路线为：冷凝器- g –实验温室末端/办公楼– d–冷凝器。采暖期内，GSHP 系统同时通过不同的循环管路给试验温室和办公楼以及另外一栋玻璃连栋温室供暖。使用的地下水换热之后，除了供给日常生活需要的1.2 试验方法与测试仪器温室GSHP 系统从2007 年10 月15 日开始供暖，系统连续运行至2008 年3 月10 日采暖期结束。试验期间主要采集了以下数据：1）在系统各供、回水管路上安装冷/热量表（京源水仪器仪表厂）记录供暖量，图1 所示位置5、6 为DN100 系列冷/热量表，7、8 为DN35 系列冷/热量表。2）在9、10 位置采用T 型热电偶对进、出井水的温度变化进行实时监测。3）采用温、湿度传感器（ESPEC RS-11，JAPAN）监测室内以及风机盘管进、出口空气的温、湿度变化，自动采集时间步长为10 min。

 

  沿着温室南北中心线，从东至西，室内分别在距离东端15、30 和45 m 的2 m 高度处各布置1 个。选取2 个风机盘管（从东至西第4 个，第6 个），分别在其进口和出口处各布置一个。所有RS-11 传感器的感应探头均使用镀铝膜材料进行热辐射屏蔽的处理。4）使用手持式日光辐射计（ESM-PY1 太阳总辐射表，北京鸿泰顺达科技有限公司）于晴朗天气对G2、G3 两栋温室的透光率进行了测量。5）利用试验站的气象数据采集站监测室外气温、太阳辐射、风速等气象参数。室外气象站安装在3 m 位置高处，数据采集时间步长为10 min。6）使用普通电度表（上海华夏电表厂）记录系统能耗情况。

 

  1.3 GSHP 系统性能评价方法

 

  关于本研究中涉及的热泵机组组成、技术参数以及工作原理、过程等，已在文献[9]中进行了详细阐述，本文仅对循环水供暖末端的换热及系统能耗进行分析。测定温室内供暖末端设备风机盘管供热量的冷/热量表由两个T-型热电偶、旋翼式流量表和计时器等部件组成，热量值将被累计记录。