蓄能型地源热泵式植物工厂供能系统节能运行调控

石惠娴，安文婷，徐得天，田沁雨，张中华，任亦可，欧阳三川

蓄能型地源热泵式植物工厂供能系统节能运行调控

石惠娴，安文婷，徐得天，田沁雨，张中华，任亦可，欧阳三川

（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）

蓄能型地源热泵式植物工厂供能系统虽然避免了传统化石能源供能所存在的一次能源利用率低且污染严重的问题，但目前缺乏长期运行经验。以上海崇明自然光植物工厂为例，对蓄能型地下水源热泵供能系统进行节能运行优化调控。研究发现该系统存在3种不合理运行情况：A.植物工厂热负荷为负值时热泵仍继续供热、B.热泵向蓄热水箱输出过多热量蓄热、C.热泵在用电高峰时仍运行。经过优化调控后，避免A运行情况，第1季度热泵最终可减少输出能量21.55 GJ，可减少耗电1 012.50 kWh，折合成电价可节约747元；避免B运行情况，设定第1季度热水充满率上限为85%，在保证热泵充分供能植物工厂前提下，可减少输出97.2 GJ能量；避免C运行情况，热泵总输出能量不变，将第1季度中热泵140.25 GJ的热量转移到平价阶段输出，可以节约5 530元，此时电量总计8 654.07 kWh。通过优化自然光植物工厂供能系统运行过程，可以节能降耗，经济运行。

蓄能；热泵；植物工厂；供热；节能运行

0 引 言

地下水源热泵技术在温室领域的应用研究比较广泛，主要集中在系统设计[1-2]、系统性能[3-6]、技术经济可行性[7-12]、系统运行效果[13-15]和系统热力学分析[16-17]、结合作物产量系统评价[18]以及控制系统研究[19-20]等方面。

不少学者尝试将各种蓄能型地源热泵应用于植物工厂，并研究其运行特性[21-24]。石惠娴等[25]研究了典型周植物工厂水蓄能型地源热泵式供能系统运行基本特性，包括室外温度、太阳辐射强度、室内温度、室内相对湿度、热泵机组间歇运行COP随时间变化特性，深入研究了典型日基于分时电价政策的植物工厂水蓄能型地源热泵供能系统间歇运行模式及经济运行特性[25]；孙行健等[26]针对蓄能型地源热泵式植物工厂供能系统，通过计算确定了植物工厂冷热负荷，选型确定了水源热泵型式、地下水抽水量及冷热蓄能装置体积，并计算分析系统节能减排效益；左睿[27]在常州15 000 m2的温室中采用地源热泵供热，并根据具体工程运行数据综合比较了各能源供能经济性和实用性。结果表明，采用地下蓄能装置地源热泵供能系统能耗费用只有传统的10%～20%。胡涛等[28]以水蓄能地源热泵系统为研究对象，得出相对于地源热泵独立直接供能系统，应用在线优化运行控制后，大区间变容量运行热泵性能系数可从3.0最大增至约4.5，同时在峰谷电价基础上可为用户节约日运行费用为21.8%。

目前，对大型自然光植物工厂供能系统运行节能降耗问题研究较少[29-32]。因此，以上海崇明自然光植物工厂为例，对蓄能型地源热泵式自然光植物工厂供能系统进行节能运行调控优化研究。

1 蓄能型地源热泵式植物工厂供能系统

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的植物工厂，分为A，B，C3个区。A区的7栋温室采用蓄能型地下水源热泵空调系统，面积5 880 m2，每栋温室长35 m，宽24 m，共6跨，每跨4 m，肩高6.5 m，顶高7.5 m，围护结构为单层浮法玻璃，厚5 mm，以金属框架支撑。崇明植物工厂采用2个圆柱形混凝土制蓄能水箱：蓄热水箱体积为400 m3，直径为7.65 m；蓄冷水箱体积为600 m3，直径为9.29 m。以水为主要的蓄能介质。植物工厂有2口热水井和2口冷水井，冬季水由2个热水井抽出，经过对流板式换热器，与蓄冷水箱流出的冷水换热，换热后的低温水经压力泵回灌到2个冷水井。夏季则是反向运行，冷水井的冷水回灌到热水井，每年冷热水井温度呈周期性变化，能量基本保持平衡。传感器附近的温度会因为水井水泵输出降低，但是当水井水泵停止工作时，温度会很快回复到平均温度。实际使用供热系统应避免一次性抽取过多地下水，导致热水井温度下降过快，使系统运行效率下降。间歇抽取地下水，有利于保证地下水温度以及输出功率。本文取2口热水井的平均温度作为热水井出水温度，取2口冷水井的回水温度作为冷水井回水温度。热水井输出温度较稳定，基本维持在16 ℃以上，但不会高于20 ℃；冷水井入水温度整体保持稳定，基本在7 ℃上下波动。热水井在冬季典型工况下抽水流量保持在40 m3/h左右。水井输出的热量的计算公式为

式中Q为水井输出的热量，GJ；为水井的出水流量，m3/h；C1为水的比热容，取4.18 kJ/kg·℃；1为水的密度，kg/m3；Δ为冷热水井的温差，℃。

水蓄能型地下水源热泵系统冬季典型运行流程如图1所示。

1.冷水井 2.热水井 3.低温板式换热器 4.蓄冷水箱 5.热泵机组 6.玻璃温室 7.蓄热水箱 8.高温板式换热器 9.锅炉 B1.潜水泵 B2.水源侧循环水泵 B3.充冷水泵 B4.热泵水源侧循环水泵 B5.热泵负载侧循环水泵 B6.植物工厂侧循环水泵 B7.充热泵 B8.锅炉供热泵 V1～V24.电动阀

图1中，植物工厂水蓄能型地下水源热泵式供热系统包括地下水换热系统、热泵机组、空气处理机组和蓄能系统。根据该系统产能和需能的匹配和当地电价峰谷时段的协同，控制阀门开关确定系统有5种运行模式。当处于电价低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；当热泵机组制热（冷）量和蓄热（冷）水箱可供热（冷）量均小于植物工厂所需负荷时，采用蓄热（冷）水箱和机组供热（冷）模式；当处于电价高峰值时段，采用蓄热（冷）水箱供热（冷）模式；当热泵机组停止运行时，采用冷水井储冷模式；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。供能设备主要采用地下水源热泵和蓄能罐，如图2所示。

图2 蓄能型地源热泵系统现场设备图

2 供热期热泵运行统计

为研究地下水源热泵长期供热效果以及评估目前运行方式节能性，选择2018年第1个季度共91 d的系统长期运行记录数据作为研究对象。因为该季度供热量占全年供热量的比重较大，并且热泵的工况只有制热一种形式。第1季度的记录数据研究供热情况如表1所示。该季度中，热泵的运行统计包括：运行时间、供热时间、输出热量、耗电量。

表1 第1季度热泵运行参数统计

由表1实测数据可以看出，热泵第1季度的耗电量为208 559.5 kWh。其中1月耗电为83 525.9 kWh，2月为76 673.3 kWh，3月为48 360.3 kWh；向植物工厂和蓄热水箱输出热总量为3 542.7 GJ，其中1月输出热1 445.9 GJ，2月输出热1 258.6 GJ，3月输出热838.2 GJ；第1季度热泵总计运行1 322.8 h，其中1月运行557.7 h，2月运行454.4 h，3月运行310.7 h。

3 供热期植物工厂热负荷与运行时间调控优化

根据温室能量平衡原理，温室能耗=围护结构传热+自然通风部分消耗的热量+地面散热输入-建筑的能量。

温室加温所需的基础能耗计算公式为

自然通风与机械通风的共同作用计算公式

式中q为温室单位地表面积加温或降温所需基础能耗，W/m2；h为温室内空气通过覆盖材料与室外空气的综合传热系数，与室外风速和覆盖材料有关，取为5.5W/(m2·K)；A和A分别为温室外壳表面积和温室地表面积，m2；2为空气密度，取1.205 kg/m3；C2为空气的定压比热，取1.004 KJ/(kg·K)；为温室自然通风率，m3/s，表示1 s内的通风体积，该值越大，通风越强；Δ为实际的室内外温差，K；q为空气与土表的显热交换量，W/m2；为土表蒸发潜热，W/m2；q为机械通风带来的温室能耗增加，W；q为自然通风与机械通风的共同作用，W/m2；0为进入温室内太阳辐射能中可以用于温室升温的部分，为温室太阳辐射透过率，温室采用的玻璃为白玻璃，取0.85，0为室外太阳总辐射，W/m2。

把间隔5 min记录的通风散热数据、太阳能辐射数据、室内外温差数据、温室结构数据等代入公式（2）中计算冬季植物工厂动态热负荷公式。计算后的数据采用卡尔曼滤波法过滤，能够根据系统的量测值来消除随机干扰，结果如图3所示。

由图3可知，温室的瞬时能耗呈现较强的规律性，图中的“谷”表明在2、3月份当中，温室白天有很长一段时间从外界得热而非散热。此时温室会降低热泵供热功率，如果外界向温室内部输入能量过大则采用帘幕遮阴或开窗通风。帘幕遮阴是供热季中最有效的散热形式，双层遮阴帘幕能有效的遮挡太阳辐射。供热季温室每晚都有供能需求，即温室向外界空气散发热量，也就是需要热泵或水箱持续工作。但散热功率除极寒天气外，不会超过1 000 kW。供热季中1月23－26日能耗较高，这4 d的夜间热负荷接近1 000 kW，热泵需要满负荷运行。查询上述日期室外温度，夜间达到−5 ℃。因此如果外界长期低于−5 ℃，温室将采取其他供能方式（例如燃油锅炉辅助加温），热泵不能够保证温室内部不低于15 ℃。

图3 供热期热负荷计算与滤波结果

由图4可知，由于热泵每天要给蓄热水箱供能，热泵功率高于植物工厂热负荷功率。图中正值表示植物工厂热负荷与热泵功率，负值表明植物工厂不需要供热。筛选出供热期间每天热负荷大于0的时间段，由此累加计算出供热期间每日植物工厂能耗结果，如表2所示。

图4 供热期植物工厂热负荷与热泵输出功率对比

表2 植物工厂第1季度运行参数统计

由表2可以得出，植物工厂第1季度平均能耗为433.1 kW，其中1月份平均能耗为553.7 kW，2月份平均能耗为612.8 kW，3月份为350.5 kW；植物工厂第1季度总需供热量为2 350.0 GJ，1月份为1 004.9 GJ，2月为755.4 GJ，3月为589.7 GJ。不考虑峰谷电价政策，第1季度植物工厂需要供热总计时长为1 507.0 h，其中1月份需要供热的时间为576.5 h，2月份需要供热时间为463.17 h，3月份需要供热时间为467.33 h。考虑峰谷电价政策时，在08:00－11:00、18:00－21:00期间为电价高峰期，热泵不应该工作，此时利用热泵平时累积的多余热量供热，因此还需要在每天的供热能耗数据中去除电价高峰的时间，再把余下需要供热的时间累加，即得出每天植物工厂理论需要热泵供热的最短时间。把每天的数据相加，得出月数据与季度数据。具体得出的结果见表3。

表3 第1季度的运行时间优化

由表3可知，第1季度理论需要供热的最短时间为1152.1 h。其中1月最少需要供热的时间为434.7 h，2月最少需要供热的时间为358.5 h，3月最少需要供热时间为358.9 h。因此，把卡尔曼滤波法修正后的供热能耗作为需求侧，考虑电价分时政策使用地源热泵系统进行供热时，理论结果要比实际节约时间，第1季度可节约169.9h。值得注意的是，表3中显示出3月理论需要供热的时间要比实测的供热时间长。

对卡尔曼滤波法过滤后的正值能耗进行统计，计算不同能耗区间的累计时间，得出不同能耗的所占时间比，如图5所示。

图5 不同热负荷区间所占时间比

由图5可以得出，植物工厂能耗大于热泵的理论最大输出功率上限（799 kW）所占时间仅占2%，植物工厂主要的能耗集中于＞200～600 kW，约占71%。因此，有必要进行植物工厂运行策略调控优化。

4 植物工厂运行策略调控优化

4.1 不合理运行情况

通过分析蓄能型地下水源热泵式植物工厂供能系统运行过程，主要在以下3种不合理运行情况。

1）植物工厂能耗为负值时，热泵继续供热

当阳光照射，自然光植物工厂内温度升高、热负荷为负值时，植物工厂热泵系统仍然在供热。比如01-01的11:10－13:10，电价为平价阶段，太阳能辐射量较大，室内温度平均值为23.54℃，但热泵仍然以满负荷运行。植物工厂蓄热水箱运行数据表明，在12:50－13:15之间，仅用25 min就使热水充满率上升至85.1%。向蓄热水箱蓄热仍采取植物工厂自控系统控制运行，而在11:10－12:50之间应该停止热泵向温室供热。

2）热泵向蓄热水箱输出过多的热量

以2月12日和13日为例，室外温度为12～15 ℃，植物工厂内部温度为夜间17 ℃左右，热负荷较小，而这两天蓄热水箱中的水温平均为48 ℃，温度过高。因此，可以停止热泵向植物工厂供热，并停止热泵向蓄热水箱蓄热，在夜间温室内部有热负荷需求时采用仅蓄热水箱供热模式，降低蓄热水箱内部能量，实现节能。

3）热泵在电价高峰期（以下简称“峰时”）仍然运行

说明蓄能水箱没有达到应有的功用，理想的状态是热泵在电价平价和谷价运行，同时完成供热和蓄热，但高峰时期则严格停止热泵继续工作，除非室外温度过低，植物工厂热负荷很大以至于蓄热水箱不能完成独立供热。然而，实际情况是在热泵的3个月运行数据中，热泵在电价高峰运行的时间总计117.25 h，占峰时的21.47%。因此，可调整运行策略，将这段时间热泵供热，改为利用有足够热水的蓄热水箱供热以节能。

4.2 调控优化

4.2.1 无热负荷时关闭热泵

为防止过多的关闭热泵影响整体供热效果，筛选卡尔曼滤波法中计算出加温能耗功率小于−100 kW的时间段，如果这些时间内热泵有开启并向植物工厂供热，则将其关闭。但如果热泵向蓄热水箱蓄热，则不关闭。因此在白天气温较高，太阳辐射较充足，热负荷为负，同时蓄热水箱又不需要蓄热时，为节约能源可以选择适当时间段关闭热泵。如表4所示。

表4 热泵运行中可关闭时间和节约能量

由表4可知，热泵输出总计节约21.55 GJ，根据耗电数据可以节约1 012.5 kWh，以上时间段的电价均为平价，总计747元。因此在白天气温较高，太阳辐射较充足，热负荷为负，同时蓄热水箱又不需要蓄热时，为节约能源可以选择适当时机关闭热泵。

4.2.2 设定蓄热水箱温度上限

蓄热水箱的热水充满率以39℃为基准计算。一般来说，没有必要将蓄热水箱中的热量积蓄到100%的热水充满率。因为会浪费大量的热量，蓄热水箱与室外温差越大，散热速率越快，不利于能量的保存。因此分别筛选出热水充满率超过85%、90%、95%的运行时间，即在向蓄热水箱蓄热的过程中，设定蓄热上限。此时热泵机组根据植物工厂热负荷选择是否对植物工厂进行供热，筛选出既不需要供热也不需要蓄热的时间段，热泵机组可以停止向水箱蓄热，同时按照植物工厂当时能耗进行供热。限定热水充满率后计算其可以节约的能量如表5所示。

表5 限定热水充满率可节约能量及蓄热时间

植物工厂自动控制系统基本能够保证当蓄热水箱的热水充满率较高时，及时停止向蓄热水箱蓄热。设定热水充满率上限为95%时，供热时间内仅能够比设定前节约0.4 GJ的能量。但是设定热水充满率上限为85%时，在保证热泵能够足够给植物工厂供能的前提下，可减少热泵输出97.2 GJ的能量。尤其在3月份室外温度偏高、太阳辐射量较足时，很多时间植物工厂能耗极小，因此没有必要向蓄热水箱储存大量热量。此时植物工厂白天所需的供能功率基本在100～300 kW之间，因此热泵空调应当采用变频技术，控制和调节压缩机转速，减少输出功率。此外，做好天气预报工作也是十分必要的。当天气预报预测接下来一周温度较高时，可减少热泵向蓄能水箱积蓄的热量，即减少热泵的输出功率，节约能耗。当天气预报预测温度降低时，解除热水充满率上限，让蓄能水箱正常工作。

4.2.3 峰时段热泵关闭原则

统计峰时热泵运行的时间、耗电量以及热泵输出功率如表6所示。

表6 第1季度耗电量与输出功率

热泵在运行中存在用电高峰时段仍然运行的问题。排除热水箱无热水的时间时，设定蓄热水箱的热水充满率不低于20%，即认为当热水充满率低于20%时，蓄热水箱没有足够的热水给温室供热；排除当室外温度小于0时，单独使用蓄热水箱供热不能满足温室供热需要，因此只能使用热泵供热。排除以上2种条件，可得到第1季度在用电高峰时段调控由蓄热水箱供热，热泵仅在谷价或平价时供热以节约成本。经计算，第1季度热泵共有140.25 GJ的热量可以转移到平价阶段输出，此时电量总计8 654.07 kWh，平价和谷价的平均电价为：0.55元。因此合理的使用蓄热水箱蓄热，虽然热泵总输出能量不变，但1季度内仍然可以节约5 530.0元。

5 结 论

针对蓄能型地源热泵式植物工厂供能系统中每栋温室能量平衡原理得出植物工厂第1季度热负荷，用卡尔曼滤波法对热负荷结果过滤误差。得出冬季热泵输出热量、耗电量、运行时间、植物工厂热负荷变化、不同热负荷区间所占比例，得出热泵可以减少运行时间及输出功率的理论计算依据。

通过分析运行数据发现该系统存在3种不合理运行情况：A.植物工厂热负荷为负值时热泵仍继续供热、B.热泵向蓄热水箱输出过多热量蓄热、C.热泵在用电高峰时仍运行。经过优化调控后，避免A运行情况，第1季度热泵最终可减少输出能量21.55 GJ，可减少耗电1 012.50 kWh，折合成电价可节约747元；避免B运行情况，设定第1季度热水充率上限为85%，在保证热泵充分供能植物工厂前提下，可减少输出97.2 GJ能量；避免C运行情况，热泵总输出能量不变，将第1季度中热泵140.25 GJ的热量转移到平价阶段输出，可以节约5 530元，此时电量总计8 654.07 kWh。

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Regulation for energy-saving operation of energy supply system in plant factory with energy-storage ground-source heat pump

Shi Huixian, An Wenting, Xu Detian, Tian Qinyu, Zhang Zhonghua, Ren Yike, Ouyang Sanchuan

(,200092,)

Groundwater source heat pumps have high efficiency and environmental protection in greenhouse temperature control. Most importantly, the operating energy consumption can be further reduced if the water storage technology were combined. Although the energy storage type ground source heat pump plant factory energy supply system avoids the problems of low primary energy utilization and serious pollution in traditional fossil energy supply, it currently lacks long-term operating experience. This study takes Shanghai Chongming Natural Light Plant Factory as an example to optimize the energy-saving operation of the energy storage groundwater source heat pump energy supply system. The total area of the plant factory is 21 000 square meters, which is divided into three areas A, B and C. The 7 greenhouses in area A use an energy storage groundwater source heat pump air-conditioning system with an area of 5 880 square meters. The greenhouse uses two cylindrical concrete storage tanks, of which the volume of the thermal storage tank is 400 cubic meters and the diameter is 7.65 meters; the volume of the cold storage tank is 600 cubic meters and the diameter is 9.29 meters. The plant factory has 2 hot water wells and 2 cold water wells. In winter, water was drawn from the 2 hot water wells and passed through a convection plate heat exchanger to exchange heat with the cold water flowing from the cold water tank. The low-temperature water after the heat exchange was pumped back by pressure fill 2 cold water wells. Under typical operating conditions in winter, the output temperature of hot water wells was basically maintained at 16-20℃.The inlet water temperature of cold water wells remained stable at about 7℃, and the pumping flow of hot water wells was maintained at about 40 m3/h. According to the statistics of the operating parameters of the heat pump in the first quarter, it could be concluded that the four output water temperatures and input water temperatures of the heat pump remain stable, and the heat pump operated normally during the heating season. The power consumption of the heat pump in the first quarter was 208 559.5 kWh. Among them, the power consumption in January was 83 525.9 kWh, February was 76 673.3 kWh, and March was 48 360.3 kWh; the total heat output to the greenhouse and hot water tank was 3 542.7 GJ, of which 1 445.9 GJ was output in January and 1 258.6 GJ was output in February. In March, the heat output was 838.2 GJ; in the first quarter, the total heat pump operation was 1 322.8 h, including 557.7 h in January, 454.4 h in February, and 310.7 h in March. After research, there are three unreasonable operating conditions of the system: A. The heat pump continued to supply heat when the plant factory heat load s negative; B. The heat pump output excessive heat to the hot water storage tank; C. The heat pump was still running during peak hours. After optimization and control, to avoid the A operation, the heat pump could finally reduce the output energy by 21.55 GJ in the first quarter, which could reduce the power consumption by 1 012.50 kWh, which could save 747 yuan when converted to electricity price; to avoid the B operation, set the upper limit of hot water charge rate at 85% in the first quarter, which can reduce the output of 97.2 GJ energy under the premise of ensuring that the heat pump is fully powered by the plant factory; to avoid the C operation, to avoid the C operation, assuming that the heat pump was used during the price trough, the total output energy of the heat pump was unchanged. Transferring the heat of the heat pump 140.25 GJ in the first quarter to the parity stage output could save 5 530 yuan, and the total power at this time was 8 654.07 kWh, at this time, the total amount of electricity was 8 654.07 kWh. By optimizing the operation process of the natural light plant factory's energy supply system, energy saving and consumption reduction can be achieved, and economic operation can be achieved.

energy storage; heat pump system; plant factory; heating; energy saving operation

石惠娴，安文婷，徐得天，田沁雨，张中华，任亦可，欧阳三川. 蓄能型地源热泵式植物工厂供能系统节能运行调控[J]. 农业工程学报，2020，36(1)：245－251.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.029 http://www.tcsae.org

Shi Huixian, An Wenting, Xu Detian, Tian Qinyu, Zhang Zhonghua, Ren Yike, Ouyang Sanchuan. Regulation for energy-saving operation of energy supply system in plant factory with energy-storage ground-source heat pump[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 245－251. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.029http://www.tcsae.org

2018-06-22

2018-10-05

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2013AA103006-02）

石惠娴，副教授，博士，主要从事农业设施领域可再生能源应用研究。Email：huixian_shi@tongji.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.029

S215; S625.4

A

1002-6819(2020)-01-0245-07