提高溫室地熱利用率的關鍵技術

鄭曉菲

（天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津 300250）

提高溫室地熱利用率的關鍵技術

鄭曉菲

（天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津 300250）

本文分析了地熱溫室的溫室特性和地熱特性，研究了提高溫室地熱利用率的關鍵技術，構建了地熱溫室復合供熱系統(tǒng)模型。

溫室特性；地熱特性；地熱利用率；地熱溫室復合供熱系統(tǒng)

建立高地熱利用率溫室供熱系統(tǒng)，是地熱溫室獲得最佳的栽培效果和提高經(jīng)濟效益的重要保障。在提高溫室地熱利用率的研究中，首先應當了解溫室的結構特性和溫室生產的特點與規(guī)律；其次應當掌握地熱資源本身的供熱特點，存在的問題與解決辦法。只有將溫室特性和地熱特性結合起來，以此為基礎，研究地熱資源高效利用的有效途徑，才能真正促進地熱溫室供熱的可持續(xù)發(fā)展。

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1 溫室特性

氣溫是作物的重要生活因子之一，作物的光合、呼吸、蒸騰、從土壤中吸收養(yǎng)分及其它一些生理過程,只能在一定的溫度范圍內進行。在溫室種植開始，應首先了解作物生長的溫度范圍，生長、發(fā)育和產量形成的適宜溫度，在適宜溫度范圍內，溫度與作物的生長是成正相關的；在適宜溫度的范圍之外，最高溫度和最低溫度的限度以內，作物尚能生存，但不能正常生長和發(fā)育，這一限度之內稱為適應溫度（即生存溫度）,適應溫度的范圍較寬。

不同作物或同一作物不同發(fā)育時期,適宜溫度和適應溫度是不同的,表1介紹了幾種果菜營養(yǎng)生長的適宜溫度與適應溫度。

加大晝夜溫差,大膽降低夜溫，減少養(yǎng)分消耗，增加物質積累是增產的有效措施[1]。作物正常生長需要有晝夜溫差，白天溫度在適溫范圍內稍高一些，有利于營養(yǎng)物質的積累,夜間溫度低一些，可以減弱呼吸作用的消耗。如果晝夜恒溫，甚至形成倒溫差，對作物生育極為不利。

地溫直接影響植物根系的生長和養(yǎng)分水分的吸收,只有根系發(fā)達，地上部才能正常生長發(fā)育。在寒冷季節(jié)或陰雪天氣，溫室內的地溫稍高而氣溫稍低，對植物生長發(fā)育有利。栽培時應注意與氣溫的配合，二者可以互補。

2 地熱特性

受地質條件的限制，不同地熱井的出水溫度、出水量和開采投資差異較大。就一眼地熱成井而言，其出水溫度比較固定。與常規(guī)鍋爐供熱系統(tǒng)不同，地熱供熱系統(tǒng)可以看成是有恒定熱源溫度的開口熱力系統(tǒng)，而常規(guī)鍋爐供熱可以看成是有恒定熱流密度的閉口熱力循環(huán)系統(tǒng)。因此，在地熱利用過程中，在獲取地熱水熱量，進行熱能利用的同時，伴隨著地熱水的排放或回灌。一眼地熱井的供熱負荷與地熱井出水量和地熱利用溫降有關。

3 溫室高地熱利用率的實現(xiàn)途徑

3.1 保持地熱井滿負荷運行的方法

1.地熱蓄水儲能

地熱蓄水儲能可以實現(xiàn)地熱井全天滿負荷運行。圖2表明由于太陽輻射的存在，地熱負荷大幅降低，當太陽輻射提供的熱量可以滿足溫室的負荷需求時，地熱供熱負荷降為零。地熱停供時段的長度與室外溫度和天氣情況有關，由于不論晴天或陰天，溫室內的氣溫變化趨勢會滯后于太陽輻射強度的變化約1～2小時[8]，因此一般晴天地熱停供時段可取9：00～16：00，約7個小時。結合溫室特性和地熱特性，將這一時段內的地熱水從井中泵出，儲存起來，可用于其它時段溫室供熱，宏觀上擴大了溫室供熱面積。通過采用地熱蓄水儲能技術，地熱井基本實現(xiàn)全天滿負荷運行，地熱井日取水量增加41%。

2.配置調峰熱源

配置調峰熱源可以提高整個采暖季地熱井利用率.由供熱負荷延時圖（圖2）可以看出，在室外溫度很低時，采暖累積時數(shù)很少，而供熱負荷很大，絕大部分時間供熱系統(tǒng)在低于設計熱負荷狀態(tài)下運行。如果整個采暖期的供熱負荷均由地熱負擔，那么只有在短暫的高峰期地熱井才會滿負荷運行，而在采暖期絕大部分時間里，地熱井未得到充分利用。

為了增加采暖期地熱井取水量，使地熱井接近滿負荷運行，應該配置調峰熱源（鍋爐或熱泵），組成地熱、調峰熱源聯(lián)合供熱系統(tǒng)，即將溫室供熱負荷分為基本負荷和尖峰負荷，基本負荷運行時間長，由地熱承擔；尖峰負荷運行時間短，由調峰熱源承擔，如圖3。

3.2 降低地熱排水溫度的方法

降低地熱排水溫度意味著增大地熱水利用溫差，這往往受到供熱系統(tǒng)采暖方式的限制。結合溫室生產需求，利用多種采暖方式串聯(lián)技術、地熱尾水余熱利用技術和低溫熱泵技術,是實現(xiàn)地熱梯級的有效方式。其中，利用熱泵可以在不改變采暖方式的條件下，達到進一步降低地熱排水溫度的目的，如果熱泵系統(tǒng)配置得當，可以降到理論排水溫度以下，而經(jīng)濟上可以承受。

廣義上講，提高地熱利用率，不僅要提高地熱利用的溫差，還要提高地熱利用的流量，它綜合表現(xiàn)在提高采暖期地熱累積供熱量上。綜前所述，結合溫室特性和地熱特性，提高溫室地熱利用率的主要途徑包括：地熱蓄水儲能、配置調峰熱源和地熱梯級利用，這三種途徑是實現(xiàn)溫室高地熱利用率的技術核心。

4 地熱溫室復合供熱系統(tǒng)模型

根據(jù)實現(xiàn)溫室高地熱高利用率的三種途徑，綜合地熱蓄水儲能技術、地熱調峰技術和地熱梯級利用技術，設計構造的地熱溫室復合供熱系統(tǒng)模型，如圖4。

復合供熱系統(tǒng)模型是在單純地熱間接供熱系統(tǒng)的基礎上增加了地熱蓄熱水池、調峰鍋爐和水源熱泵。蓄熱水池用于調節(jié)地熱井供熱負荷的日不均勻性，與地熱井聯(lián)合供熱；調峰鍋爐用于保障整個采暖期地熱井大流量運行，也用作地熱井泵維修時的安全備用熱源；水源熱泵用于提取采暖回水中的余熱，降低地熱排水溫度。

該系統(tǒng)針對溫室特性和地熱特性，綜合了提高溫室高地熱高利用率的三種途徑，實現(xiàn)了采暖季地熱井滿負荷運行。與單純地熱供熱系統(tǒng)相比，溫室采暖期地熱利用率顯著提高，單井供熱規(guī)模顯著增加，是實現(xiàn)地熱溫室可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

S215文獻識別碼B

1673-2251（2010）01-0070-02

10.3969/j.i ssn.1673-2251.2010.03.016