温室供暖的地源热泵传热特性及减排效益分析

胥清华于明志毛煜东崔萍朱科

(1.山东建筑大学 热能工程学院，山东 济南250101；2.山东省绿色建筑协同创新中心，山东 济南250101)

0 引言

温室大棚已广泛用于蔬菜瓜果种植、花卉培育、工厂化育苗等。 北方冬季室外温度较低，温室对外散热量大，内部气温无法满足植物的成长环境，因此应给温室配备供暖设备[1]。 目前，温室传统供暖主要采用电锅炉和燃气锅炉等[2-3]。 由于节能减排的需要，推动“碳中和”目标的实现以及“新农业”的提出，采用可再生能源如空气源热泵、水源热泵、太阳能等供暖温室大棚的研究和应用正逐渐增多[4-6]。

太阳能系统用于温室大棚供暖具有较好的环境效益与经济效益，然而太阳辐射存在间歇性，从而导致太阳能系统供能不稳定。 柴立龙等[7]分析了地下水源热泵在温室中的节能及经济性，表明地下水源热泵系统经济性及节能性较好。 但是水源热泵系统会受地质条件的限制，其适用范围具有局限性。空气源热泵高效节能且安装简单，具有经济性较好的特点。 陈冰[8]研究了温室空气源热泵系统，证明空气源热泵系统可很好地用于温室供暖。 孙先鹏等[9]分析了太阳能联合空气源热泵在温室中的应用， 显示联合系统提高了温室内的空气温度和土壤温度，也有效降低了温室内的湿度，使得室内环境更满足植物的生长需要。 蒋绿林等[10]利用太阳能、地热能、空气能相结合的多热源热泵系统对温室进行供暖研究，表明其经济效益与节能性较好，然而多热源热泵运行策略及其工艺十分复杂，制约其推广应用。 杨禹尧[11]实验研究了空气源热泵系统应用于温室大棚，证明了其节能性优于电锅炉和燃煤锅炉，但是空气源热泵应用环境的温度越低，其效率将随之降低。 地源热泵技术是一种高效、节能、无污染且可再生的能源技术，其利用土壤作为冷热源，运行效率不受外界气候环境影响[12-13]。 地源热泵技术在冬夏季负荷较为平衡的建筑上应用较多，若单纯供热时会导致土壤温度不断降低，系统能效逐渐下降，情况严重的甚至会无法满足供热需求[14-16]。 但温室大棚通常仅需夜间供暖，所需总负荷远小于建筑物供热负荷，故可考虑用于温室冬季夜间的供热。已有研究表明应用地源热泵系统可以满足温室供暖需求[17-18]，但目前尚无对地源热泵系统用于温室大棚供暖的长期运行传热特性和节能减排效益的研究。 为此，文章以济南某温室为对象，研究地源热泵冬季温室长期供暖的传热特性，以期能对工程实践提供参考借鉴，并以目前节能性较高的空气源热泵供暖系统和电锅炉供暖系统为参照，分析其长期运行时的节能和减排效益。

1 地源热泵地埋管换热器传热模型

地源热泵供热性能主要由其地埋管换热器传热特性决定，因此主要讨论了地埋管换热器传热特性。地埋管换热器传热分析方法主要有数值法和解析法。 数值法应用于对地埋管长期运行过程的模拟时计算量巨大，而解析模型简单易于运算，因此采用目前广泛应用的管群有限长线热源模型分析地埋管换热器传热过程[19-20]。

为便于简化分析计算，作如下假设:地埋管换热器在地下的热量传递只沿径向、垂直方向导热；土壤初始温度均匀一致，忽略地表温度波动对土壤温度的干扰；将大地视为半无限大介质，且假定土壤热物性参数为定值；忽略地下水渗流对埋管传热的干扰和钻孔内的接触热阻。

计算单钻孔周围任一点土壤温升的公式[20-21]由式(1)表示为

式中ΔTFLS为有限长线热源模型任一点温升；qL为钻孔每延米承担的负荷，W/m；λs为土壤导热系数，W/(m·K)；H为钻孔总埋深， m；h为热源上作用点到地面的轴向距离，m；Z为埋管轴向坐标，m；R为距埋管中心的距离，m；Fo=at/H2，t为时间，s，a为土壤热扩散系数，m2/s；erfc(x)为余误差函数，由式(2)表示为

式中u为指数函数的自变量，无实际意义。

采用阶跃负荷及叠加原理结合有限长线热源模型计算埋管区域任意一点温升，其公式由式(3)表示为

其中，g由式(4)表示为

式中i为钻孔个数，共N个；j为负荷作用时间点；M为运行总时长，d；qi，j为第i个钻孔在j时间点时每延米承担负荷。

2 地埋管换热器传热特性

2.1 温室、地埋管换热器及地下土壤等参数

为分析温室大棚采用地源热泵的可行性，文章以济南某温室为例。 此温室占地面积为120 m2，其脊高为3.5 m、长为15 m、跨度为8 m，根据种植作物需要，该温室供热时间为每年12 月初至次年2 月底，系统运行时间为每天23:00 至次日5:00，目前采用空气源热泵进行供暖。 其冬季单位面积热负荷为135.4 W/m2，总采暖热负荷为16.25 kW。 当地土壤初始温度为15.3 ℃、导热系数为1.658 W/(m·K)、体积比热为1.92×106J/(m3·K) 。

根据供热负荷需求，经初步计算，若采用地源热泵供暖，则地埋管换热器需要两个钻孔即可满足需求。 埋管采用单U 形PE 管，其外径为0.032 m、内径为0.026 m，管壁导热系数为0.33 W/(m·K)、管内流体比热为4 187 J/(kg·K)、管内流体质量流量为0.27 kg/s。 采用C 语言编写程序计算分析不同埋管设置时的地下温度场和循环水温度变化，其中m为运行天数。 地下土壤温度场计算流程图如图1所示。

图1 地下土壤温度场计算流程图

2.2 埋管深度对地下温度场和循环水温的影响

埋管数量相同时，埋管越深取热能力越高，但同时初投资成本增加，因此应分析地埋管深度对地下温度场和循环水温度的影响，以便确定合理的地埋管深度。 分别计算了80、90、100、120 m 等4 种深度的情况下，运行30 a 后的地埋管换热器循环水温随时间的变化。 钻孔间距取8 m，其余参数与2.1 节相同。 计算结果如图2 和3 所示。

由图2 可以看出，埋管越浅，长时间运行后土壤温度越低，这是由于取热负荷不变时，随着埋深的减少，埋管每延米承担的取热负荷增大，因此钻孔周围土壤温度越低，这就越不利于埋管取热，因此埋管深度不能太浅。

图2 土壤温度分布随埋管深度变化图

当取热负荷和流量一定时，地埋管循环水进、出口水温差不变且随运行时间变化规律相同，因此只分析进口水温。 图3 是运行30 a 间供暖期结束时的地埋管换热器进口水温随时间的变化。 可以看出，随运行时间增加，地埋管进口水温呈逐年递减趋势，埋管越浅，水温下降速率越大。 运行同样时间时，埋管越深，进口水温越高。 当深度分别为80、90、100、120 m时，第30年最低进口水温分别为1.63、3.10、4.31、6.10 ℃。 根据GB 50366—2009《地源热泵系统工程技术规范》[22]，冬季运行期间，地埋管换热器进口最低温度宜＞4 ℃，因此上述4 种埋深中只有100 和120 m 满足标准要求。 虽然进口水温越高越好，但是钻孔深度过大会导致初投资过大，因此地源热泵系统地埋管深度取100 m即可。 为避免额外占用耕地，地埋管可沿温室大棚墙根布置，各埋管间连接管及与机组连接管道通常埋设在地表下1.5～2 m。

图3 不同埋深情况下进口水温随运行时间的变化图

2.3 钻孔间距对地下温度场和循环水温的影响

不同钻孔间距时地下温度场分布情况如图4 所示。埋管深度取100 m，其余参数与2.1节相同，可以看出，钻孔间距越大，相互间干扰越小，土壤整体温度越高，越有利于埋管取热。 但钻孔间距不宜过大:(1) 间距大到一定程度后，钻孔间相互干扰作用不再显著，如图4(e)和(f)所示，再增大间距对降低相互间热干扰作用不明显；(2) 间距越大，不同钻孔间连接管道越长，管沟作业量和成本越大，因此间距不宜过大。

图4 土壤温度分布随管间距的变化图

不同钻孔间距情况下，运行30 a 后的地埋管换热器进口水温随运行时间的变化如图5 所示。 钻孔间距为3、4、5、6、8、10 m 时，第30 个采暖季结束时进口水温分别为3.68、3.94、4.10、4.20、4.31、4.39 ℃，其中埋管间距5 m 及以上的地埋管换热器循环水进口温度符合国家规范要求。 考虑到钻孔间管道连接成本等，钻孔间距取5 或6 m 即可。

图5 不同钻孔间距情况下进口水温随运行年限的变化图

3 耗电及减排效益分析

3.1 耗电量分析

针对上述温室，根据其冬季供暖所需负荷，对地源热泵系统及电锅炉系统主要设备进行了选型，各主要设备型号、规格见表1。供暖系统耗电功率可由式(5)表示为

表1 3 种系统主要设备选用及单价表

式中Pjz为机组功率，kW；Q1为总采暖负荷，kW；ε为机组能效比，文章取地源热泵系统、空气源热泵系统和电锅炉的ε值分别为4.62、2.5 和1。

耗电量w计算公式可由式(6)表示为

式中t1为年运行时间，d；t2为日运行时间，h。 取t1=90 d、t2=6 h。

根据2.1 节给出的温室大棚总采暖负荷16.25 kW和式(5)，计算得到地源热泵系统机组、空气源热泵系统机组功率、电锅炉机组耗电功率分别为3.52、6.50、16.25 kW。 地源热泵系统耗电功率为空气源热泵系统的54.2%，并为电锅炉的21.7%，可以看出地源热泵系统运行较其他两种系统耗电显著降低。

根据系统耗电功率和年运行时间和式(6)，可以得到地源热泵、空气源热泵、电锅炉3 种系统年运行耗电量分别为1 903.24、3 509.57、8 773.92 kW·h，3 种供暖系统的耗电量随运行时间的变化规律如图6 所示，可以看出随着运行时间的增加，地源热泵系统节省的电能越来越多。 3 种系统运行30 a 所消耗的总电量分别为57 097.09、105 287.00、263 217.60 kW·h，地源热泵系统较空气源热泵系统和电锅炉分别节电约45.77%和78.31%。

图6 3 种供暖系统的耗电量随运行时间的变化图

3.2 节能减排效益

我国以煤电为主，因此以燃煤火力发电为参考，计算节电的减排效益。 每节电1 kW·h，可节约0.4 kg的标准煤，同时减少污染排放0.272 kg 的烟尘、0.015 kg 的氮氧化物、0.03 kg 的二氧化硫、0.997 kg 的二氧化碳[23]。 地源热泵系统与空气源热泵、电锅炉系统运行30 a 的标煤耗量及污染气体排放量见表2。

表2 3 种供暖系统运行30 a 煤耗及排放量表 单位:kg

由表2 可以看出，随运行时间增加，地源热泵较空气源热泵和电锅炉节能及减排效益越来越显著。地源热泵系统在运行30 a 内相对于空气源热泵系统节煤总量为19 275.98 kg，烟尘、二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫减少排放总量分别为13 106.67、48 045.38、722.85、1 445.70 kg，地源热泵系统比空气源热泵系统排污总量下降了约45.77%。 相对于电锅炉系统节煤总量为82 448.20 kg，烟尘、二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫减少排放总量分别为56 064.78、205 502.15、38 626.18、6 183.62 kg，地源热泵系统比电锅炉系统排污总量下降了约78.31%。由此可见，地源热泵系统具有显著的减排效益。

4 结论

以上研究可知:

(1) 埋管数量相同时，埋深越浅，初投资越少，但长时间运行后土壤温度越低，因此为避免初投资过大，在满足全寿命期供暖需求的前提下，埋管越浅越好。 文章条件下经分析埋管深度取100 m。

(2) 钻孔间距越大，相互间干扰越小，土壤整体温度越高，越有利于埋管取热。 但其成本和占地面积会相应增加，在满足全寿命期供暖需求的前提下，钻孔间距不宜过大。 钻孔间距取5 m 可保证地埋管换热器最低进口水温＞4 ℃，地源热泵能够满足采用辅助供暖设施的温室大棚的长期供暖需求。

(3) 由于耗电量降低，采用地源热泵系统供暖可减少大量烟尘、二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫等污染物的排放，地源热泵系统较空气源热泵系统和电锅炉的排污总量分别下降了约为45.77%和78.31%。 具有显著的节能减排效益。