蓄能型地源热泵式植物工厂供能系统

孙行健，石惠娴，陈慧子，裴晓梅

(1．同济大学新农村发展研究院，同济大学国家设施农业工程技术研究中心，上海 200092;

2．同济大学 建筑与城市规划学院，上海 200092)

植物工厂作为现代农业系统，利用高精度控制技术以达实现农作物高效增产的目的。目前大多数植物工厂的供能方式和温室一样，冬季较常采用传统的加温模式:燃油热风炉加温和燃煤热水加温系统等。但是此类传统加温方式需燃烧大量化石燃料，会造成大量二氧化碳等温室气体以及有害气体排放的恶果，危害生态环境。因此，应用地源热泵技术为植物工厂供能引起广泛关注。许多清洁能源利用技术如浅层地热能利用技术等逐渐引起学者们的关注。

Yumrutas［1］等研究了带季节性地下蓄能的太阳能热泵系统的全年运行工况，并通过数值计算的方法得到了贮能罐中全年水温分布状况，结果表明:土壤类型和系统尺寸均对系统运行性能有显著影响。Sharma［2］认为利用高能量存储密度的相变材料来蓄热具有较大的优势，同时有很多材料的熔化和凝固过程可在一个较宽的温度范围内发生，并调查和分析不同应用场合下的蓄能系统所适合的相变材料。韩宗伟［3］等对太阳能－土壤源热泵相变蓄热供暖实验系统进行了研究，详细阐述了系统的主要运行模式，并对该系统在严寒地区进行实验研究。肖红海［4］对武汉地区的办公楼进行地埋管地源热泵蓄能复合式空调系统供能研究，其利用消防水池作为水蓄冷装置，与燃气锅炉和冷水机组冷热源系统相比，节能效率78．6%，6 年左右时间可以收回高出的初投资，社会经济效益显著。钱堃［5］分析水蓄能结合地源热泵机组方案相对于常规地源热泵机组制冷制热+单冷机方案，初投资节省7%，年运行费用节省12%。

但是，目前针对蓄能型地源热泵的研究主要集中于建筑中的应用，而对利用蓄能型地源热泵空调系统为植物工厂供能的研究较少。本研究将圆柱形地上蓄能系统和地下水源热泵有机结合对植物工厂供能，通过计算植物工厂冷热负荷，进行蓄能型地源热泵系统设计及分析对比经济效益和节能减排效益。

1 蓄能型地源热泵供能植物工厂系统

位于上海市崇明县港沿镇的一处植物工厂，面积为2．1 万m2，分为A，B，C 三区，其中A 区采用蓄能型地源热泵供能系统，占地面积为5 880 m2，外围护结构为5 mm 厚单层浮法玻璃，以金属框架支撑。其蓄能型地下水源热泵系统包括地下水换热系统、热泵机组、末端系统和蓄能系统，根据系统产能和需能的匹配和峰谷电价通过阀门控制。如图1 所示。

系统有5 种运行模式:

图1 蓄能型地源热泵供能系统流程

(1)当处于电价谷段并且热泵机组制热(冷)量大于植物工厂所需负荷时，采用机组边储热(冷)边供热(冷)模式。冬季时，热水井中的潜水泵抽取地下水依次通过除砂器等水处理设备进入低温板式换热器水源侧，经过低温板式换热器提取热量后回灌到冷水井，储冷罐下侧的冷水进入低温板式换热器用户侧吸收地下水的热量后回到储冷罐的上侧。升温的储冷罐上侧冷水进入热泵蒸发器侧，经蒸发器提取热量后返回储冷罐下侧，蒸发器吸收的热量经冷凝器释放，冷凝器出水管温度升高，部分进入空气处理机组的热水进水管对植物工厂供热，剩余进入储热罐上侧进行储热;夏季时，与冬季原理类似，抽取冷水井中地下水依次通过除砂器等水处理设备进入高温板式换热器水源侧，经过高温板式换热器吸收冷量后回灌到热水井，储热罐上侧的热水进入高温板式换热器用户侧吸收地下水的冷量后回到储热罐的下侧。储热罐下侧热水进入热泵冷凝器侧，经冷凝器释放热量后返回储热罐上侧，热泵蒸发器侧一方面吸收空气处理机组冷水出水管热量从而降低冷水进水管的温度，对植物工厂供冷，另一方面吸收储冷罐上侧热量进行储冷。

(2)当热泵机组制热(冷)量和储热(冷)罐可供热(冷)量均小于植物工厂所需负荷时，采用储热(冷)罐和机组供热(冷)模式，此时机组供热(冷)流程和机组边储热(冷)边供热(冷)模式中相同。储热罐供热是通过抽取储热罐上侧热水进入空气处理机组的热水进水管，从而对植物工厂供热，储冷罐供冷是通过抽取储冷罐下侧冷水进入空气处理机组的冷水进水管，从而对植物工厂供冷，此时，储热(冷)泵停止。

(3)当处于电价峰值时段，采用储热(冷)罐供热(冷)模式，此时机组供热(冷)流程和储热(冷)罐与机组供热(冷)模式中的相同，此时热泵机组不再运行，潜水泵、水源侧循环水泵和储热(冷)泵停止。

(4)当热泵机组停止运行时，采用冷水井储冷模式，此时冬季时，热水井中的潜水泵抽取地下水依次通过除砂器等水处理设备进入低温板式换热器水源侧，经过低温板式换热器提取热量后回灌到冷水井，储冷罐下侧的冷水进入低温板式换热器用户侧吸收地下水的热量后回到储冷罐的上侧，此时冷水井储存了被吸收热量的地下水。

(5)夏季，当冷水井地下水温度小于12℃时，采用冷水井直供冷模式，此时夏季时，冷水井中的潜水泵抽取地下水进入低温板式换热器水源侧，交换冷量后回灌到热水井，储冷罐上侧的冷水进入低温板式换热器用户侧吸收地下水的冷量后回到储冷罐的下侧，储冷罐下侧冷水进入空气处理机组的冷水进水管，直接对植物工厂供冷。

2 植物工厂空调冷热负荷计算

2．1 植物工厂空调冷负荷计算

利用负荷系数法可计算得出夏季空调冷负荷，即通过冷负荷温度与冷负荷系数直接从求得各分项逐时冷负荷，各项逐时冷负荷之和的最大值即为植物工厂的冷负荷。

围护结构玻璃瞬变传热引起的冷负荷为［6－9］

式中

K——围护结构传热系数/W·m－2·℃－1;

F——围护结构表面积/m2;

tl——围护结构冷负荷温度的逐时值/℃;

td——逐时冷负荷温度的地点修正值/℃，上海地区为1℃;

tn——植物工厂内设计温度/℃，取26℃。

透过围护结构玻璃进入的日射得热引起的冷负荷为［6－9］

式中 Cs——窗玻璃遮挡系数，取0．93;

Ci——窗内遮阳设施的遮阳系数，取0．6;Ca——窗的有效面积系数，取0．85;

F——围护结构表面积/m2;

Dj，max——日射得热因数最大值/W·m－2;Ccl——冷负荷系数。植物工厂逐时冷负荷为［6－9］

植物工厂冷负荷为［6］

所以，植物工厂冷负荷取最大夏季逐时冷负荷，为1 328 kW。

2．2 植物工厂空调热负荷计算

对于供暖工程设计来讲，不需计算植物工厂每一刻时间内需要补充的热量，而是选择一个非常不利的条件，计算其需要补充的热量［10］。由于实际工程中一般在后半夜至凌晨时室外环境温度最低，此时的供热量需求最大，因此一般用此刻的供热量作为植物工厂设计采暖热负荷［10］。植物工厂内地面传热地带的划分如图2 所示。

图2 地面传热地带的划分

围护结构的耗热量为［11－12］

式中

K——围护结构传热系数/W·m－2·℃－1;

F——围护结构表面积/m2;

tn——植物工厂内计算温度/℃，取17℃;

tw——植物工厂外空调计算温度/℃，取－2℃;

ɑ——围护结构的温差修正系数，取1;

xf——风力修正，取0;

xch——朝向修正，取0;

xj——结构修正，取0．05;

xg——高度修正，取0．04。地面传热热损失为［11－12］

式中

Ki——地面各地带传热系数/W·m－2·℃－1;

Fi——地面各地带的面积/m2。冷风渗透热损失为［11－12］

式中

cp——空气的比热容/kJ·kg－1·℃－1;

N——换气次数，取1 次/h;

V——植物工厂的体积/m3;

ρ——空气的密度/kg·m－3。

植物工厂热负荷为［11－12］

计算植物工厂热负荷Qr为1 089．6 kW。

2．3 植物工厂冷热负荷不平衡率

供暖季总供热量为

式中

Qr——植物工厂热负荷/kW，经计算为1 089．6 kW;

Lr——冬季供暖期/d，(上海冬季供暖期按100 d 计，其中100%负荷日为30 d，60%负荷日为40 d，30%负荷日为30 d);Qx——夏季系统吸热量，考虑到机组制热时，机组水泵等设备会向地下排热，系数取为1．1。

经计算

制冷季总制冷量为

式中 Qc——植物工厂冷负荷/kW，经计算为1 328kW;

Ll——夏季制冷期/d，(上海夏季制冷期按120 d 计算，100%负荷日为24 d，70%负荷日为60 d，30%负荷日为36 d);

Qp——夏季系统排热量，考虑到机组制热时，机组水泵等设备会向地下排热，系数取为1．1。

经计算

冬夏季不平衡率为

经计算

地下全年冷热量不平衡11．1%，无需采取辅助散热或供热措施保证地下负荷平衡。地下取排热量平衡是地源热泵系统设计的基础，保证地源热泵长年高效率运行。

3 地源热泵系统设计及关键设备选型

3．1 热泵机组选型

根据植物工厂的冷热负荷选型热泵机组，由于有蓄能系统，机组制热量取热负荷的70%，为762 kW，制冷量取冷负荷的45%，为598 kW，并考虑一定的富裕量，则选取一台额定制热量为799 kW，耗电量为196 kW，制热COP 为4．1，制冷量为613 kW，耗电量为120 kW，制冷COP 为5．1 的热泵机组。热泵机组设计条件如表2 所示。

表2 热泵机组设计条件

3．2 地下抽水量

通过计算得出的夏冬两季地下水流量的较大值为所需要的地下抽水量。

制热时需要地下抽水量［13］

式中

Q1——热泵机组制热量/kW，取799 kW;

COP1——制热时的系统性能系数，COP1=4.1;

t1——地下水抽水温度/℃，20℃;

t2——地下水回灌温度/℃，9℃。

经计算得到G1为47．3 m3/h。制冷时需要地下抽水量［13］

式中 Q2——热泵机组制冷量/kW，取613 kW;

COP2——制冷时的系统性能系数，COP2=5.1;

t1——地下水抽水温度/℃，19℃;t2——地下水回灌温度/℃，27℃。计算得到G2为78．9 m3/h。

3．3 蓄能系统

由于在上述计算过程中均采用最大负荷进行计算分析，故选择的设备容量往往比实际需用值偏大，致使系统设备许多时间都无法以最佳设计状态运行，导致设备使用效率比较低，尤其是夏季时，一天的负荷变化很大，白天最大逐时负荷较大，晚上基本不需要供冷，大部分时间机组不能满负荷运行，使用效率很低。应用蓄能系统能提高热泵机组满负荷运行率，使制冷制热效率升高，利用蓄冷蓄热系统可以削峰填谷，利用夜间用电量低谷时段的空余电量向蓄能设备储能，在日间用电量高峰时段减少设备电力消耗，利用蓄能设备为系统释放能量，同时利用峰谷电价差来降低运行费用。

而水蓄能空调的设计，需要知道每天每小时的负荷量，即逐时空调负荷，以及全天的累计负荷，用来计算蓄能量。蓄水箱供水和回水的温度差均对蓄能水箱的容量大小有较大影响，在一般实际使用中温差为5 ～11℃，本项目蓄冷温差为7℃，蓄热温差为10℃。冬季时设计蓄能量为全天累计负荷的20%，为3 788 kW，考虑水箱的热量损失系数1．2，需要蓄热量为4 546 kW 的蓄水箱，则蓄热水箱的容量:V=4546 ×3600/(10 ×4．2 ×1000)=390 m3，则选择400 m3的蓄热水箱。夏季时设计蓄能量为全天累计负荷的35%，为4 000 kW，考虑水箱的热量损失系数1．2，需要蓄冷量为4 847 kW 的蓄水箱，则蓄冷水箱的容量:V = 4847 × 3600/(7 × 4． 2 ×1000)=593 m3，则选择600 m3的蓄冷水箱。

4 系统效益分析

根据蓄能型地源热泵空调系统所处的市政资源条件、场地条件及负荷特点，还可能适合的系统方案有冷水机组与燃气锅炉配套和直燃式溴化锂冷热水机组空调系统。为了探讨蓄能型地源热泵空调系统的可行性和优越性，与其他两种系统形式进行经济和节能减排效益的分析。

4．1 经济效益分析

经计算，蓄能型地源热泵系统初投资约为670 元/m2，冷水机组与燃气锅炉系统初投资为362 元/m2，直燃式溴化锂冷热水机组376 元/m2。综合表3 信息，蓄能型地源热泵空调系统初投资高，但是运行费用较低，对于冷水机组与燃气锅炉配套和直燃式溴化锂冷热水机组空调系统的投资回收期分别为8．5 年和5 年，系统的设计寿命为25 年，具有一定投资意义。

表3系统运行费用比较

4．2 节能减排效益分析

系统一次能源消耗为［15］

式中 H——系统一次能源消耗/kJ;W'——系统实际功耗/kJ;η1——发电效率/［%］，燃煤发电取35%;η2——输配电效率/［%］，取90%。

节能率又称系统一次能耗节能率，根据要比较的两种系统的一次能耗，以另一种系统的一次能耗为基础，可以算出节能率

目前我国火力发电煤耗为36g(标煤)/kW·h［16］，每燃烧1 t 标煤排放二氧化碳约2．62 t，1 m3天然气生成1．9 kg 二氧化碳。系统的节能减排效益分析如表4 所示。

表4 系统节能减排效益分析

从表4 得到，蓄能型地源热泵空调系统具有很好的节能减排的效益，有效地减少常规能源的消耗，并且不仅可以减排大量二氧化碳，还可以减排大量二氧化硫，氮氧化合物，粉尘和烟尘等。

5 结语

通过确定植物工厂的冷热负荷，选型制热量和制冷量分别为799 kW 和613 kW 的水源热泵，地下水抽水量为78．9 m3/h，选型蓄热水箱为400 m3，蓄冷水箱为600 m3。分析了蓄能型地源热泵式植物工厂供能系统的环境效益和经济效益。该系统虽然初投资高，但是运行费用较低，对于冷水机组与燃气锅炉配套和直燃式溴化锂冷热水机组空调系统的投资回收期分别为8．5 年和5 年，系统的设计寿命为25 年，具有一定投资意义。该系统对于冷水机组与燃气锅炉配套和直燃式溴化锂冷热水机组空调系统的节能率分别为73．9%和82．9%，每年二氧化碳减排量分别为66 t 和61 t，节能减排效益显著。

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