地源热泵水蓄能型植物工厂降温系统夏季运行特性

石惠娴，田沁雨，孟祥真，任亦可，欧阳三川，张中华，安文婷

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

0 引 言

对于夏季户外平均温度超过35℃炎热地区,设施农业生产降温是值得研究的重要课题。目前，国内外文献研究涉及到的温室及植物工厂降温技术[1]有通风(自然通风[2]、机械通风[3])、蒸发（湿帘-风机降温系统[4-5]、高压喷雾系统[6-7]）、遮阳[8]、新能源[9]等及几种技术[10-11]的联合运用。

地源热泵(GSHP)作为新能源降温技术的一种，得到各国重视，广泛应用于设施农业（日光温室[12-13]，连栋温室[14]）、低碳畜牧业（如猪场[15-16]）、暖通空调[17-18]等领域。柴立龙等[19]对日光温室中的GSHP 系统的夏季性能进行分析，指出系统具有明显的降温和除湿效果。孙行健等[20]从设计角度给出蓄能型地源热泵式供能系统用电错开电力高峰可达到节能目的。杨仁全等[21]分析了大型农业设施夏季降温耗能情况，结果表明GSHP 制冷相比常规空调节能可达35%。但是制冷用的GSHP 长期运转可能会导致热量堆积，造成系统性能下降和运行成本增加。为解决长期利用地热能造成的热量堆积问题，岳高凡等[22-23]，Wang 等[23]对土壤温度场进行了研究，分别提出了自己的优化方案。Zhou 等[24]提出了带冷却塔的新型地源热泵方案，分析表明该系统减少热堆积效应显著，但能耗过大。江盼等[25]提出一种利用冷凝热再热空气的GSHP 系统。陆繁莉等[26]提出一种新型半解耦式除湿热泵系统，测试其夏季降温除湿性能，表明该系统可实现对空气温湿度的高效处理。Chou 等[27]通过提出一种基于传热过程的分析模型确定温室内能耗比（coefficient of performance，COP）及单位能耗（specific energy consumption，SEC），对一定大小的温室中冷凝器和蒸发器容量进行调整，可满足降温除湿性能要求。

以上关于地源热泵降温技术的研究主要集中在系统本身的改进，而对植物工厂蓄能式地源热泵降温系统夏季间歇运行特性研究较少[28-29]。因此，针对夏季炎热地区，将地下水式地源热泵技术和水蓄能技术相结合实现地源热泵间歇运行，以上海崇明自然光植物工厂为例，进行水蓄能型地下水源热泵式降温系统夏季间歇节能运行特性研究。

1 水蓄能型地源热泵式植物工厂降温系统

上海市崇明国家设施农业工程技术研究中心共有面积为21 000 m2的大型自然光植物工厂。其中7 栋采用水蓄能型地下水源热泵降温系统，面积5 880 m2，每1 栋植物工厂长35 m，宽24 m，共6 跨，每跨4 m，肩高6.5 m，顶高7.5 m，外围护结构为单层浮法玻璃，厚5 mm，以金属框架支撑。该植物工厂夏季降温与冬季供热共用同一套系统，其夏季降温运行流程如图1 所示[30]。

图1 中，植物工厂水蓄能型地下水源热泵式降温系统包括地下水换热系统、热泵机组、空气处理机组以及蓄能系统。该系统涉及3 个工质的循环：A.地下水循环，地下水从冷水井中抽出经板式换热器后严格回灌至地下；B.制冷剂循环，冷剂在蒸发器内吸收被冷却介质（水或空气等）的热量而汽化，在冷凝器中将热量传递给周围空气或水而冷凝；C.用户侧循环，用户侧空气处理机组通过回水或供水方式实现与室内换热器的传热过程。

图1 水蓄能型地下水源热泵系统夏季典型运行流程图 Fig.1 Flow chart of water storage groundwater source heat pump system in summer typical operating

崇明植物工厂采用的地源热泵机组为Carrier 公司生产的30HXC200-PH3opt150 型热泵，其最大制冷量可达613 kW;板式换热器为Cipex 生产，换热能力为930 kW，降温水流量为100 m3/h，降温进口温度为12 ℃，出口温度为20 ℃；植物工厂所在地区地下水含水层为第二承压含水层，含水层厚度30 m 以上，富水性强，单井涌水量1 000～5 000 m3/d，地下水20～21 ℃，渗透系数为0.83～1.88 m/h。井间距在100 m 左右，回灌井布设在抽水井上游，起到直接补给的作用。热泵机组及蓄冷水箱如图2 所示。

图2 热泵系统现场设备 Fig.2 Field equipment of water storage type groundwater source heat pump system

基于分时电价政策，本文研究中水蓄能型地下水源热泵降温系统采取间歇运行模式，该系统在夏季的降温方式主要有冷水井直供、冷水井直供和蓄冷水箱联合供冷以及蓄冷水箱供冷3 种模式间歇。冷水井直供模式是指夏季冷水井供水温度低于12 ℃时，冷水井中的潜水泵抽取地下水后，依次通过除砂器、水源侧电子除垢仪等水处理设备进入板式换热器水源侧，经过低温板式换热器提取冷量后回灌到热水井，板式热水器中工质将从冷水井中得到的冷量供给空气处理组经过水-空气热交换转化为冷空气后，直接对温室供冷；蓄冷水箱供冷模式是指蓄冷水箱供冷量满足温室降温负荷要求时，打开温室侧循环水泵，由蓄冷水箱直接供冷；热泵机组蓄冷模式是在用电低谷时段开动热泵机组，机组按制冷工况运行，降低循环回路水温，开启充冷泵，向蓄冷水箱中输入冷源。

2 植物工厂水蓄能型地下水源热泵式降温系统运行特性

2.1 植物工厂气候条件

到目前为止（2019 年6 月），位于上海市崇明国家设施农业工程技术研究中心的自然光植物工厂已经稳定运行了6 个夏天。该植物工厂为半封闭工况，仅打开天窗，天窗位于天沟的两侧上方，开度取0.5 m。本文针对系统夏季高温时节降温特性进行研究，因此选取2018 年夏季7 月21 日至7 月27 日典型周运行数据进行分析。

在该典型周内夜间室外平均温度为29 ℃，白天11:00至15:00 室外温度基本在37 ℃以上，最高温度达到40 ℃以上，且连续高温，无降雨等特殊天气。26 日和27 日风速有所提高导致室外温度相对有所下降。同时在该周26日14:50 至27 日09:10 期间关闭了空气处理机组。

植物工厂及室外气象站各项数据由自动数据采集系统每5 min 记录1 次,其中室外温度、室外风速、太阳能辐射量等参数随时间的变化情况如图3～图5 所示。

图3 夏季高温典型周植物工厂室外温度随时间变化曲线 Fig.3 Outdoor temperature of plant factories change with time during typical week in hot summer

由图3 可知，该周植物工厂室外平均温度为32.3 ℃，7 月22 日出现典型周最高温度，为40.71 ℃，时间为13:25，当天室外平均温度为32.7 ℃。7 月26 日和27 日由于有风，室外平均温度分别为30.6 和30.9 ℃，温差（当日最高气温与最低气温之间差值的绝对值）在7～8 ℃，其余日室外平均温度均在32.5 ℃以上，温差在11～12 ℃。夜间温度基本在30 ℃以下，典型周室外温度一致表现出白天温度高、夜间温度相对降低的特征。

如图4 所示，室内温度和室外环境温度的变化整体趋于一致。在26日和27日室外环境温度明显较低的情况下，室内温度反而偏高，这是由于在26 日至27 日人为关闭了空气处理机组，室内温度快速升高。该周内在有空气处理机组降温的情况下，早上05:30 左右温度达到最低点，之后快速上升直到13:30 左右达到峰值。

图4 植物工厂典型周室内温度随时间变化 Fig.4 Indoor temperature of plant factories change with time during typical week

图5 典型周室外风速随时间变化 Fig.5 Typical weekly outdoor wind speed changed with time

室外风速是影响温室和植物工厂自然通风与机械通风的重要指标，对温室和植物工厂内的温度变化有很大影响。由图5 可以看出，典型周室外风速呈现出下午风速较高，夜间风速较低甚至为0 的特点。典型周期间室外平均风速为1.66 m/s，26 日和27 日风速相对较大分别为2.32和2.25 m/s。对比图3 和图5 可以发现，在典型周中平均温度相近的2 d 中的同一时间段，室外风速的提高可以有效降低室外环境温度。

典型周处于一年中太阳辐射强度最高的时段，如图6 所示，典型周内室内平均日辐射累积量为2.41 kJ/cm2，7 月22 日日辐射累积量最高，为2.51 kJ/cm2，25 日最低，为2.12 kJ/cm2。太阳辐射量在10 时到下午14 时较高，基本高于800 W/m2。太阳辐射强度每天在12:00 左右到达峰值。

图6 植物工厂典型周太阳辐射量和辐射积累量 随时间变化曲线 Fig.6 Solar radiation and solar radiation accumulation of plant factories change with time during typical week

2.2 植物工厂设备运行情况

受外界环境影响，植物工厂内热泵系统运行情况、蓄冷水箱冷水充满率、冷水井的运行和空气处理机组供水温度和供水流量随时间变化特性如图7～图11 所示。

图7 植物工厂典型周热泵功率和耗电功率随时间变化 Fig.7 Heat pump power and energy consumption power of plant factories change with time during typical week

图8 典型周热泵机组运行平均能效比COP 随时间变化 Fig.8 Change of coefficient of performance （COP）of heat pump with time during typical week

图9 蓄冷水箱冷水充满率随时间变化 Fig.9 Cold water filling rate of cooling water tank changes with time

由图7 和图8 可知，每日热泵运行的时间均集中在22:00 至次日的05:00，此时为用电低谷时段，热泵工作，为蓄冷水箱供冷。典型周热泵开启期间功率平稳运行在700 kW 附近，基本处于满负荷状态，耗电功率维持在150 kW 上下，运行稳定。如图9 所示，热泵的COP 基本稳定在4.2 以上，23 日最高，达5.51，除热泵开启和关闭时有稍大的变化，其他时间均保持稳定，平均COP 为4.53，说明热泵运行制冷效果稳定。

由图9 可以看出，夜间22:00 至次日05:00 时段，热泵机组开启为蓄冷水箱蓄冷，水箱中冷水充满率一直增加，5时热泵关闭，水箱开始输出供冷，冷水充满率开始降低，一直到下午随着太阳辐射强度的减弱，在17:00 至22:00 之间冷水充满率保持在一定水平，之后进入电价低谷时段，热泵重新开启，冷水充满率开始升高。通过比较每天开始和结束时的冷水充满率可以得到当日蓄冷水箱蓄冷量的变化情况。在21 日、22 日、26 日和27 日开始时的冷水充满率低于结束时，说明当天蓄冷水箱的蓄冷量大于供冷量，冷量有所积累。23 日至25 日则消耗了之前储存在蓄冷水箱的冷量。

该地源热泵系统设有两口冷水井，2 口井在夏季交替使用，由图10 可知，24 日冷水井1 关闭，冷水井2 开启。打开水源侧循环水泵，从冷水井2 中抽取的水经过板式换热器交换热量后仍从原管道回灌至另一热水井中，从而防止地下水位下降导致的地面沉降。低于12 ℃时冷水井冷水输出温度十分稳定，而单井持续供冷，出水温度会有所升高，至一定水平切换另一口冷水井，继续工作，从而为系统提供稳定的冷源。

图10 冷水井出水口温度随时间变化 Fig.10 Outlet temperature of cool water well changes with time

地下水源热泵蓄能型植物工厂降温系统对植物工厂的降温是通过空气处理机组实现的，因此系统工质运行流量即为通过空气处理机组的供水流量。从图11 中可以看出的是，供水温度同回水温度变化趋势基本相同，受太阳辐射影响，供水温度及回水温度在6 时及12 时分别达到最低值、最高值。供水流量大约在5 时达到峰值，为14.28 m3/h，这是因为水源热泵降温系统短暂开启了热泵机组蓄冷，在9时至19 时这段时间，系统以冷水井直供和蓄冷水箱联合供冷模式稳定运行，在此之后停止蓄冷水箱供冷，可以很明显地看到供水流量明显下降，维持在6 m3/h。

通过以上对典型周内室内外环境、热泵系统运行效率以及蓄冷水箱蓄冷量变化、冷水井运行情况和空气处理机组供水情况的分析，植物工厂水蓄能型地下水源热泵降温系统在夏季极端高温条件下可以有效降低植物工厂内温度，且热泵机组COP 保持在4.2 以上，运行期间高效平稳。

图11 植物工厂空气处理机组供水温度和供水流量随时间变化 Fig.11 Water supply temperature and water supply flow of air treatment unit of plant factories change with time

3 植物工厂水蓄能型地下水源热泵式降温系统节能经济运行特性

3.1 系统间歇运行特性

如文前图3 和图6 所示，7 月21 日室外平均温度为32.5 ℃，12 时至14 时保持在38 ℃以上，在13:25 达最高值39.5 ℃，太阳辐射强度最高达966.8 W/m2，日辐射累积量为2.39 kJ/cm2，属于典型的夏季极端高温天气，因此选为典型日进行分析。上海崇明地区采用分时电价政策：高峰时段(8～11 时、18～21 时)电费1.189 元/kWh，平价时段(6～8 时、 11～18 时、21～22 时)电费0.738 元/kWh，低谷时段(22 时～次日6 时)电费0.351 元/kWh。针对上海市分时电价政策采用系统运行模式如表1 所示。

表1 基于分时电价政策的水蓄能型地下水源热泵供能系统间歇运行模式 Table1 Intermittent operation mode of water storage type groundwater source heat pump energy supply system based on time of use price policy

由表1 可知，在7 月21 日22 时至次日5 时之间，地下水源温度稳定，前一日系统消耗了大量储备冷源，此时正处于用电低谷阶段，因此选择热泵机组储备蓄冷和冷水井直供模式。6 时气温逐渐升高，在14 时左右达到最高温度，到18 时气温已降至一相对低值，5 时至17 时基本处于非用电低谷时段，选择冷水井直供和蓄冷水箱供冷模式充分利用地热能及储备冷源，17 时至22 时处于用电平价或高峰时段，但较日间气温已降至一较低值，只需采用冷水井直供即可满足供冷需求。这表明系统通过用电低谷时段输入少量高品位能源就实现了低品位热能向高品位热能转移，减少了电能消耗，从而达到节能环保的目的。

3.2 系统热性能系数

系统的能效比（coefficient of performance，COP）是热泵系统所能实现的制冷量和输入功率的比值，在相同的工况下，其比值越大说明这个热泵系统的效率越高越节能。

基于分时电价政策的植物工厂水蓄能型地下水源热泵供能系统制冷性能系数（COPsys）计算如式（1）所示。

式中Q 为空气处理机组的总供冷量，MJ；Wp为热泵机组的耗电量，MJ；W 为各水泵的耗电量之和，MJ；WF为空气处理机组风机的耗电量，MJ。

选用图11 通过计算可得7 月21 日全天空气处理机组的总供冷量为27 642.16MJ，热泵机组的耗电量为3 829.60 MJ，空气机组全天的耗电量为1 358.10 MJ，潜水泵耗电量为1 518.05 MJ，水源侧循环水泵耗电量为202.39 MJ，储热泵耗电量为30.28 MJ，用户侧循环水泵耗电量为332.64 MJ。根据式1 计算得到该系统COP 为3.80。说明该水蓄能型水源热泵系统在夏季运行高效。

3.3 系统节能经济性分析

根据7 月21 日运行模式和分时电价计算7 月21 日全天系统运行费用见表2。

表2 水蓄能型地下水源热泵供冷系统7 月21 日运行费用 Table2 Operating costs of water storage type groundwater source heat pump cooling system on July 21

表2 计价标准为高峰时段1.222 元/（kW·h），平段时段0.752 元/（kW·h），低谷时段0.364 元/kW·h,将此系统在典型日运行模式下的费用与不采用蓄能装置的地源热泵空调系统运行费用进行比较：

在低谷电价期间热泵机组运行共7 h，对蓄冷水箱的总供冷量为16 610.68 MJ，总耗电量为3 829.60 MJ，即1 063.78 kW·h，仅花费387.21 元。蓄冷水箱在白天对植物工厂供冷，若没有蓄冷水箱，此部分费用将会在白天高峰时段和平价时段产生，此时按照高峰电价和平段电价1:1 的用电比例，运行费用将高达1 049.18 元，相对节省661.97 元。

计算在对应电价阶段热泵将相应耗能花费为580.54 元。因此采用蓄能装置的系统在当日当天节省193.33 元，节省了总运行费用的16.98%。经济效益较为显著。

4 典型日系统稳定运行的节能和环保效益

将水蓄能型地下水源热泵系统与同样具备降温和供热功能的空气源热泵系统和直燃式溴化锂冷热水机组2个方案进行节能性分析和比较，以便分析水蓄能型地下水源热泵系统供冷的优越性。

式中W'为系统实际功耗，一天中取工作时间为8 h，系统按满负荷额定功率运行，MJ；η1为发电效率，火力发电取35%；η2为输配电效率，取90%。

1）节能率：

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ηE为

式中H1为水蓄能型地下水源热泵空调系统一次能耗，MJ；H2为待比较系统的一次能耗，MJ。

2）标煤替代量Trs

式中Hce为标煤的发热值，29 307 kJ/kg。每燃烧1 t 标煤排放二氧化碳约2.62 t。

3）供冷量

地下水源热泵蓄能型植物工厂降温系统对植物工厂的降温是通过空气处理机组供冷实现的，对植物工厂的供冷量通过空气处理机组的供回水温度、供水流量求得。

空气处理机组供给植物工厂的热量可以通过每一间植物工厂空气处理机组的进回水温度和水流量计算得到

式中vag为每间植物工厂空气处理机组的抽水量，m3/h；T9i，T10i为每间植物工厂空气处理机组的进出口温度，℃；ρ为水的密度，1 g/cm3；c 为水的比热容，4.2×103J/kg℃，取25 ℃时。

采取对照试验的方法，在其他条件均相同，而只有系统形式不同的情况下，以水蓄能型地下水源热泵降温系统为对照组，空气源热泵降温系统、地下水热泵降温系统及直燃式溴化锂冷水机组降温系统为实验组，在额定供冷量为27 642.16 KJ 时通过上述计算公式，分别计算3 种不同供能方式的一次能源消耗、标煤替代量、节能率、节能减排效益和供冷量，计算结果见表3。

由表3 可知，7 月21 日当天水蓄能型地下水源热泵供能系统相对于空气源热泵、地下水源热泵系统和直燃式溴化锂冷热水机组这3 种降温方式一次能源的节能率分别为31.61%、20.82%和79.10%，标煤替代量分别为364.02、207.15 和2 980.65 kg，CO2减排量分别为953.73、542.73 和7 898.72 kg。表明水蓄能型地下水源热泵供能系统运行具有节能减排的显著效果，可减少对不可再生能源的依赖，减轻能源压力，降低CO2等气体的排放量，保护环境，具有经济和环保双重效益。

表3 系统节能性分析 Table3 System energy saving analysis

5 结 论

选取典型周对水蓄能型地源热泵降温系统进行分析计算，得到热泵运行时的平均COP 为4.53，整个供能系统的COP 为3.80，说明系统运行稳定且高效。夏季降温运行模式有冷水井直供、热泵机组蓄冷模式和蓄冷水箱供冷模式，其中以冷水井直供为主。热泵在电价低谷时段开启为蓄冷水箱蓄积冷量，用以白天供冷。

通过将水蓄能型地下水源供能系统与不采用蓄能装置的系统运行费用作比较，选取典型日当天可以节省运行费用193.33 元，采用蓄能系统可以节省总运行费用的16.98%，经济效益较为显著。通过将试验系统与空气源热泵和直燃式溴化锂冷热水机组这2 种降温方式作对比，得到试验系统相对上述2 种降温系统的一次能源的节能率分别为31.61%和79.10%，标煤替代量分别为364.02 kg和2 980.65 kg,CO2减排量分别为953.73 kg以及7 898.72 kg。以上数据表明水蓄能型地下水源热泵供能系统具有显著经济和环境效益。