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地源热泵地面供热系统在温室中的应用实验研究

 

 

    摘要:本文介绍了温室冬季供热采用地源热泵作为热源,地面供热系统作为加热方式的实验研究。测试表明实验温室中地面供热系统的采用使温室内垂直温度分布从植物根部到植物冠层,再到温室上部空间逐渐降低,昼夜温差小,温度分布有利于植物生长。分析结果表明温室地面供热系统比传统供热系统节能28.8%。实验温室供热系统与传统供热系统的温室相比,实验温室相对节能62.5%
   
关键词:温室 地面供热系统 地源热泵 节能

    1 引言
   
现代温室生产,要求在外界环境不适宜植物生长的季节进行反季节栽培,一方面满足人们不同季节对于蔬菜、花卉的需求,另一方面则是让温室经营者能够从季节反差中获得经济效益[1]。目前,我国引进的荷兰、以色列、美国等国外的温室,主要存在以下问题:温室的构造和配套技术没有全面考虑我国的气象特点,基本照搬国外技术[2],导致温室的造价高、气候适应性差、年利用率低;温室冬季供热需要消耗大量能源,温室加热设备以燃煤锅炉、热风炉为主,能源利用率仅为40%50%[1],另外还存在环境污染严重的问题。
    
温室与常规建筑的相比,其主要特点有以下几点:a)温室的外围结构基本上没有蓄热能力;b)植物,特别是枝叶少,单棵小的植物不具有蓄热能力;c)植物的生长空间一般来说在2m以内;d)温室植物生长所需的温度分布应按近地面高而上部温度较低分布。
   
由于温室的以上特点,因此,需要改变温室冬季传统的供热方式,采用新的供热方式。传统供热方式是将温室整个空间的温度控制在设定温度范围内,温室内温度呈上部温度高而近地面温度较低的分布形式,供热空间大,热损失大,造成供热负荷大,消耗能源多。温室地面辐射供热系统仅将植物生长区温度控制在设定温度范围,温度从地表到作物冠层,再到温室顶部逐渐降低,既适应了植物生长需要又降低了温室上部空间的无效供热,能源利用率高。
   
地源热泵技术是一种利用岩土蓄能实现供热与供冷的高效空调技术。冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑供暖,同时储存冷量,以备夏用;夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下,对建筑进行降温,同时储存热量,以备冬用[3]。与其他系统相比,具有节能、对环境危害小的特性,这对于位于城市近郊和观光旅游区现代温室更符合可持续发展的要求。
    2
实验装置简介
    2.1.
概述
    2.1.1
实验温室构造
   
实验温室位于重庆大学B区绿化科苗圃露天空地,为圆拱形屋面单层聚乙烯塑料薄膜温室。温室东西走向,东西长度12m,南北跨度6m,脊高3m,屋面弓架间距1m,可拆卸式固膜系统。
    2.1.2
地源热泵系统
   
该地源热泵系统地下埋管位于温室地下,地下岩土结构为:回填土层(0-36m)—砂岩层(-36-50m)。地下埋管管群包括16U型管换热器并联连接,各管间的切换可通过阀门控制。埋管分3组:16号孔、914号孔和781516号孔。冬季温室供热采用16号孔和914号孔,共计12孔(总孔深527m)。孔的平面布置及孔深如图1所示。钻孔孔径90mm,地埋管采用DN20铝塑复合管,回填物为细河砂。机组采用水—水式水源热泵MSR-J054,整机额定制热量为16.5KW。系统中,为克服地下埋管水侧阻力,采用了扬程为20mH2O的立式水泵。热水泵为水源热泵机组自带。系统采用膨胀水箱定压,聚乙烯泡沫保温。实验温室供暖用地源热泵系统如图2所示。

 

 


1 孔的平面布置及孔深度

 


 

2 实验温室供暖系统图


    2.1.3
温室地面供热系统
   
温室地面供热是指将加热管置于地表以下,加热管将热量传递给地面,然后以整个地面作为散热面加热温室的一种加热方式。温室地面供热系统采用DN20的镀锌钢管作为辐射供暖管道,总长度180m5根长5m的镀锌钢管同程式连接组成一组,共分为6组盘管,分别将各自的进出水管用塑料软管与地沟中的总进出水接头相连接,如图2所示。管道下方铺设20mm的细河砂找平层,铺设管道后再铺25mm的细河砂覆盖层和20mm的碎石覆盖层,如图3
 

 

供热管道剖面图


     2.2.
实验装置测试系统
     2.2.1
测量仪表及设备
  
1)温度测量
-康铜热电偶+数据采集仪,水银温度计
  
aU型管管壁温度测试
    U
型埋管供回水管壁埋深-1m,-3m,-6m,-9m,-19m,-29m,-39m,-49m处均设有温度测点,采用热电偶测量。
  
b)水温测量
   
进出地下埋管换热器的进出水温,采用热电偶和水银温度计同时测量。
   
水源热泵负载侧进出水温,采用热电偶和水银温度计同时测量。
  
c)空气温度测量
   
包括:室外温度,温室内部测点温度采用热电偶测量。
  
2)流量测量
   
实验中采用2LZB-50型玻璃转子流量计,分别测量源水侧和负载侧水流量,测量范围0.46m3/h,基本误差±1.5%,压力≤0.4MPa
  
3)压力测量
   
水泵进出水段均装有压力表,测量范围为01MPa,精度1.5。用以测试环路的工作压力和系统阻力。
    2.2.2
实验测点布置
 
1)水温测点及流量测点详地源热泵系统图
  
2)空气温度测量
   
室外温度—室外通风背阴处,离地1.5m
温室内温度布置,水平方向设8个点,竖直方向在距地0.1m0.2m0.5m1m2.5m处设测点,如图4所示,共计40个测点,测试温室在地面供热实验条件下的温度分布情况。

 

 

                                                          
水平面位置   

 

                                
剖面1-1
温室内温度测点水平面与垂直面位置图


    3
实验结果与分析
    3.1.
温室温度分布
   
温室内植物生长区域温度变化见图5,图中tw为室外温度,T0.1T0.2T0.5T1分别为温室中高度0.1m0.2m0.5m1m处的平均温度。温室内各高度层的平均温度维持在1416.5℃之间。植物生长区夜间温度也可维持在15℃以上,清晨630温度最低,也能达到15℃。在室外无太阳辐射,温度变化不大的情况下,植物生长区域平均温度,取01m范围内测点的平均温度,保持在1416℃之间波动,昼夜温度波动小,最大温差仅有1.5℃。从图5可以看出各高度层温度有明显的分层现象。随着距离地面的高度增加而有所降低,但在1m范围以内降低的梯度较小。图6反映了温室内各高度层的温度变化梯度,可以发现随着高度的增加,温室内温度降低。在0.11m高度范围温度梯度为0.94/m,在1m2.5m高度范围温度梯度为0.34/m,说明随着高度的增加温度梯度减小。在植物生长区域的垂直方向温度由植物根部到植物冠层逐渐降低,这与植物对生长温度的需求重点在于根部相适应,有利于植物的生长。而温室内非植物生长区,即植物冠层上部温室空间温度较低,2.5m处的温度在1314℃。这与传统加热方式温度垂直梯度分布有着明显的不同。在温室四周与柱间布置散热器的传统加热方式,由于热空气向上运动,形成温室垂直方向空气温度近地面低保温幕下高的梯度分布,保温幕下温度比地面附近温度高23℃。

                                     

 

5 温室内各高度层温度与室外温度变化曲线图 

 

 

6 温室内温度梯度图


 

 

    求得温室内平均温度tp=14.46℃,无量纲高度与无量纲温度如图7所示。

 

 


7 无量纲高度与无量纲温度关系图

 

    3.2.温室供热系统实际供热能力
   
系统的实际供热量根据温室地面供热管总进出水温(负载侧进出水温)和流量确定,其计算式为:


 

 

    对温室地源热泵+地面供热系统实际制热效率进行测定,每次测量间隔时间为5min。测得供热管道实际进出水温度,系统的总流量,可以得到温室实际供热量,该工况下最大供热量为20.89kW,最小供热量为12.23kW。经计算,该温室供热系统的平均实际供热量为15.95kW,地源热泵机组输入功率3.6kW,配套水泵输入功率0.608kW,实验温室供热系统的实际供热系数COP=3.79
    3.3.
温室供热系统节能分析
   
温室传统的供热方式将整个温室空间加热,其热负荷为:
        

 Q=a1a2Q1Q2Q3        5


   
式中Q-温室供热负荷,W
    a1-
结构修正系数;
    a2-
风力修正系数;
    Q1-
温室基本传热量,W
    Q2-
温室冷风渗透热损失,W
    Q3-
温室地面传热量,W
   
整个温室的基本传热量等于它的各个维护结构基本传热量的总和,即


      Q1=
qi=KiFi(Tn-Tw)         6


    
式中Ki-温室维护结构i(屋面、墙面、门、窗等)的传热系数,W/(㎡·K)
     Fi-
温室围护结构i(屋面、墙面、门、窗等)的传热面积,㎡;
 Tn
Tw-分别为温室室内外供暖设计温度,℃。
冷风渗透热损失其计算式为:


Q2=CpM(Tn-Tw)= CpNV
γ(Tn-Tw)   7


   
式中Cp-空气的定压比热,Cp0.279kW·h/(kg·℃)
    M-
冷风渗透进入温室的空气质量,kg
    N-
温室与室外的空气交换率,即换气次数;
    V-
温室内部体积,m3
   
γ-空气的容重,kg/m3
   
温室向土壤传热采用假定传热系数法。


           Q3 =
KiFi(Tn-Tw)          8


   
式中Ki-i区的地面传热系数,W/(㎡·K)
    Fi-
i区的地面面积,㎡;
    Tn
Tw-分别为温室室内外采暖设计温度,℃。
   
采用地面供热方式有效地降低了温室上部空间的温度,减少了热损失,其实质是降低了温室空间的运行温度,与传统供热方式所需供热量比较,其节能率为:


               n1=1
Q0/Q               (9)


   
与采用燃煤锅炉作为热源的温室比较,地源热泵作为热源其节能效果的考察,按日平均供热12h,分别计算出2种不同热源单位面积的日总能耗量,折合为标准煤后,进行节能效果比较。
   
地源热泵供热能耗按下式计算:

 

 

    实验温室采用地源热泵+地面供热系统,实际供热量为15950W,单位面积供热指标为221.53W/㎡。若温室采用传统供热方式,而不使用地面供热系统,经计算,其热负荷为22394W,单位面积供热指标为311.03W/㎡。可以得到实验地面供热系统的节能率为28.8%
   
考察温室采用不同供热系统单位面积的日总能耗情况,折合为标准煤后,进行节能效果比较。实验温室单位面积日总能耗折合标准煤量为0.259kg/(㎡·d),燃煤锅炉+地面供热系统的温室单位面积日总能耗折合标准煤量为0.492kg/(㎡·d),燃煤锅炉+传统供热系统的温室单位面积日总能耗折合标准煤量为0.690 kg/(㎡·d)。与采用燃煤锅炉+地面供热系统的温室相比,实验温室的节能率为47.4%;与采用燃煤锅炉+传统供热系统的温室相比,实验温室的节能率为62.5%
    4
结论
  
1)温室地面供热系统在重庆地区冬季低温寡照的室外条件下,能维持温室内植物生长适宜温度,昼夜温差小。温室内垂直温度分布从植物根部到植物冠层,再到温室上部空间逐渐降低,在0.11m高度范围温度梯度为0.94/m,在1m2.5m高度范围温度梯度为0.34/m。(2)温室地面供热系统能合理的利用供暖热能,使之充分有效地供给地面上的植物,温度分布有利于植物的生长,并降低植物冠层上部空间的气温,减少了通过覆盖材料向外界散失的热量,降低了温室冬季能耗,分析结果表明地面供热系统比传统供热系统节能28.8%。(3)实验温室采用的地源热泵+地面供热系统的COP值为3.79。与采用燃煤锅炉+地面供热系统的温室相比,实验温室相对节能47.4%;与采用燃煤锅炉+传统供热系统的温室相比,实验温室相对节能62.5%


   
参考文献


    [1]
周长吉.现代温室工程.北京:化学工业出版社,2003

    [2]蔡龙俊,鲁雅萍.农业温室供热系统的研究和设计.建筑热能通风空调,20012:23-25

    [3]刘宪英、王勇等,地源热泵地下垂直埋管换热器的试验研究.重庆建筑大学学报,1999521):21-26 

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