北京市某農(nóng)藝園地?zé)釡厥夜嵯到y(tǒng)節(jié)能改造

武亞麗 狄育慧 姜 輝

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北京市某農(nóng)藝園地?zé)釡厥夜嵯到y(tǒng)節(jié)能改造

武亞麗1狄育慧1姜 輝2

（1.西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 西安 710048；2.北京市地質(zhì)工程勘察院 北京 100048）

以北京市某農(nóng)藝園地?zé)釡厥夜嵯到y(tǒng)為例，分析了目前中低溫地?zé)崮芾闷毡榇嬖诘睦脺夭钚　⑿实偷葐?wèn)題，并針對(duì)系統(tǒng)存在的問(wèn)題提出了相應(yīng)的改造方案以及系統(tǒng)節(jié)能改造后的節(jié)能分析。系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合熱泵機(jī)組梯級(jí)綜合利用地?zé)崮艿母脑旌?，供熱系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，并且降低了尾水溫度，提高地?zé)崴Y源利用率。

溫室栽培；地?zé)峁幔惶菁?jí)利用；節(jié)能

0 引言

我國(guó)是溫室栽培起源最早的國(guó)家，在2000多年前就已能利用保護(hù)設(shè)施（溫室的雛形）栽培多種蔬菜[1]，溫室栽培技術(shù)在近代取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。鑒于我國(guó)是一個(gè)大陸性、季風(fēng)性氣候極強(qiáng)的國(guó)家，冬季嚴(yán)寒，為了避免氣候條件的影響，常要靠消耗礦物燃料以燃煤、燃油、燃?xì)?、電鍋爐等形式來(lái)維持溫室作物生育的適溫，在我國(guó)35°N左右地區(qū)的溫室，冬季加熱耗能約占總生產(chǎn)成本的30%～40%；在40°N左右的地區(qū)，占40%～50%；43°N以上的地區(qū)占60%～70%[2]。為了避免對(duì)環(huán)境污染和礦物燃料的消耗，開(kāi)發(fā)利用地?zé)崮艿惹鍧嵖稍偕茉?，降低能耗費(fèi)用，是今后發(fā)展溫室的一個(gè)重要課題[3]。

本文是基于地?zé)崮軕?yīng)用于溫室供熱的研究，目前地?zé)崴饕獞?yīng)用于住宅供暖、熱水供應(yīng)系統(tǒng)等，用于農(nóng)業(yè)園藝方面較少。我國(guó)對(duì)地?zé)崴睦门c國(guó)外相比，還存在不小的差距，主要表現(xiàn)在熱能利用率低、棄水量大且水溫高、資源浪費(fèi)嚴(yán)重和地?zé)崂迷O(shè)備落后。國(guó)家提倡“品味對(duì)口，梯級(jí)利用”，結(jié)合熱泵技術(shù)梯級(jí)綜合利用地?zé)豳Y源。Toyoki Kozai采用燃油驅(qū)動(dòng)地下水式熱泵系統(tǒng)在日本的一棟溫室中進(jìn)行供暖研究[4]，機(jī)組性能系數(shù)（COP）達(dá)到2.16，比直接采用燃油加熱器節(jié)能50%。Onder Ozgener和Arif Hepbasli采用一套小型太陽(yáng)能輔助-地埋管式熱泵系統(tǒng)給一棟約50 m2溫室進(jìn)行供暖[5]，系統(tǒng)供暖系數(shù)COP約為2.27。方卉，楊其長(zhǎng)等在北京一棟Ven lo型連棟溫室中進(jìn)行了GSHP供暖的研究[6]，上述研究均證實(shí)了熱泵技術(shù)在溫室供暖中具有較高的COP。

如何科學(xué)地設(shè)計(jì)改造地?zé)釡厥夜嵯到y(tǒng)，既能滿足作物的生長(zhǎng)需要，又能合理、科學(xué)、高效地利用地?zé)崴Y源，保護(hù)環(huán)境，是溫室生產(chǎn)中一項(xiàng)亟待解決的問(wèn)題。文章將以北京市某農(nóng)藝園地?zé)釡厥夜嵯到y(tǒng)為例，結(jié)合熱泵、梯級(jí)利用技術(shù)，提出對(duì)現(xiàn)有的地?zé)嵯到y(tǒng)節(jié)能改造。

1 項(xiàng)目概況

北京市某農(nóng)藝園是集高科技生產(chǎn)、凈菜加工、休閑娛樂(lè)、科普教育為一體的鄉(xiāng)村田園風(fēng)光的旅游觀光景區(qū)。地?zé)豳Y源主要用于農(nóng)藝園內(nèi)溫室大棚取暖及溫泉療養(yǎng)中心建設(shè)。

1.1 地?zé)峋攀?/p>

共完成兩眼地?zé)峋┕ぃ谎坶_(kāi)采井、一眼回灌井，均為新建探采結(jié)合井。井區(qū)處于高麗營(yíng)斷裂與順義斷裂之間，屬于來(lái)廣營(yíng)凸起。來(lái)廣營(yíng)凸起的北、東、南部都在侏羅系之下找到了良好的地下熱水，附近斷裂構(gòu)造發(fā)育，熱儲(chǔ)層埋藏較深，屬于地?zé)衢_(kāi)發(fā)的高溫區(qū)，地?zé)崆熬拜^好。該地區(qū)主要熱儲(chǔ)層為奧陶系灰?guī)r和薊縣系霧迷山組白云巖，地?zé)峋衣对搩商椎貙由疃葹?528～3951.60m，平均100m地?zé)嵩鰷芈剩ǖ販靥荻龋?.12℃，于2005年7月13日鉆進(jìn)至4051.30m終孔，日出水量1399.313m3，單位出水量0.134L/s·m，出水溫度84℃，降深120.91m，建議的地?zé)峋试S開(kāi)采量為1000m3/d。。

地?zé)峋叵聼崴瘜W(xué)類(lèi)型屬于HCO3-?SO42--Na+?Ca2+型，pH值7.43屬于中性偏堿性水，礦化度為549mg/L，屬于非腐蝕、鍋垢很少的淡溫泉水。氟化物、偏硅酸、溫度、礦化度均達(dá)到規(guī)定的理療礦泉水命名條件，可命名為氟化物、偏硅酸型淡溫泉水，有促進(jìn)骨骼發(fā)育，治療多種皮膚疾病，清潔消炎的功效。

1.2 地?zé)崴猛?/p>

本項(xiàng)目地?zé)峋挠猛緸榈責(zé)峁┡皽厝燄B(yǎng)。溫室大棚所需供暖面積為24000m2，供暖熱負(fù)荷按120W/m2估算，冬季采暖總熱負(fù)荷為2880kW，采暖末端采用光管散熱器，供水60℃，回水55℃。此外，采用地?zé)崴鳛槌瘉?lái)農(nóng)藝園內(nèi)的溫泉洗浴和醫(yī)療保?。此熤行模┯盟?，水療中心接待能力不少于600人/d，根據(jù)[7]規(guī)定，大型公共浴室的熱水用水定額為每人每次500L，水療中心內(nèi)泡池每天用水按100m3計(jì)算。

1.3 該農(nóng)藝園地?zé)嵯到y(tǒng)簡(jiǎn)介

地?zé)衢_(kāi)采井內(nèi)安裝熱水潛水泵，型號(hào)為250QJR50-210/7型，額定流量50m3/h，額定揚(yáng)程210m。熱水潛水泵采用變頻調(diào)速器控制，根據(jù)地?zé)嵯到y(tǒng)需水量恒壓變量供水。該地區(qū)地?zé)崴蠧l-和SO42-含量較高，對(duì)金屬管道有腐蝕性，該溫室供暖系統(tǒng)并聯(lián)使用3個(gè)防腐蝕型鈦板式換熱器，將地?zé)崴疁貜?4°C降到45°C，地?zé)崴髁繛?000m3/d，可以提供的總熱量為1889.9 kW，其余所需熱負(fù)荷由燃?xì)忮仩t提供。經(jīng)過(guò)換熱的400m3/d（約16.6m3/h）45℃回水經(jīng)過(guò)水處理設(shè)備供水療中心用水，剩余600m3/d（約25m3/h）供暖回水由回灌井回灌至與開(kāi)采井相同的儲(chǔ)層中。

水療中心用水先進(jìn)入水箱曝氣，再流經(jīng)除鐵罐和除硫化氫凈化罐，除去水中過(guò)量的鐵、錳和硫化氫及其他雜質(zhì)異色后，供給用戶溫泉療養(yǎng)用水。主要設(shè)備有：加壓泵、變頻調(diào)速器、曝氣裝置、調(diào)節(jié)水箱、除鐵罐、除硫化氫凈化罐、內(nèi)外熱鍍鋅鋼管、水溫和壓力傳感器、閥門(mén)和管件等。

1.4 該農(nóng)藝園供熱系統(tǒng)存在的問(wèn)題

該項(xiàng)目供熱系統(tǒng)屬于直接利用地?zé)崴瑑H僅通過(guò)板式換熱器換熱為溫室提供熱量。雖然較大的溫降可以減少地?zé)崴眉?jí)數(shù)，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，便于控制。但是，由于地?zé)嵛菜欧艤囟容^高（40℃左右），不僅造成了資源的浪費(fèi)，地?zé)崂眯手挥?0%左右[8]，而且造成了對(duì)環(huán)境的熱污染[9]。

地?zé)豳Y源是集熱、礦、水的特質(zhì)為一體的寶貴的綠色資源，在開(kāi)發(fā)利用地?zé)崴Y源時(shí)，應(yīng)該充分考慮其多種用途，堅(jiān)持從高溫到低溫的梯級(jí)利用，最大程度地利用各個(gè)溫度級(jí)別的地?zé)崴?/p>

2 該農(nóng)藝園地?zé)嵯到y(tǒng)改造方案

2.1 改造方案

為了降低地?zé)嵛菜疁囟?，?shí)現(xiàn)地?zé)嵛菜疅峄厥眨?jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，改造方案將換熱后的低溫地?zé)崴ㄟ^(guò)熱泵技術(shù)進(jìn)行加熱處理，達(dá)到梯級(jí)利用的目的，提高地?zé)崂寐?，擴(kuò)大采暖規(guī)模[10]。

根據(jù)項(xiàng)目地?zé)峁┡杩傌?fù)荷、供暖方式、末端形式等綜合核算，設(shè)計(jì)地?zé)峋_(kāi)采量1000m3/d（約41.6m3/h）即可滿足朝來(lái)農(nóng)藝園項(xiàng)目要求。改造為1級(jí)直接利用地?zé)崴?級(jí)間接利用地?zé)崴９に嚵鞒桃?jiàn)圖1。

（1）一級(jí)換熱系統(tǒng)（地?zé)崴苯訐Q熱供暖）

地?zé)峋鏊疁囟葹?4℃的地?zé)崴梢灾苯幼鳛闇厥夜┡臒嵩?，地?zé)崴ㄟ^(guò)板式換熱器進(jìn)行第一級(jí)的熱量交換，利用此熱量對(duì)溫室進(jìn)行供暖。地?zé)崴诖穗A段中通過(guò)板式換熱器進(jìn)行熱交換后的回水溫度為60℃，地?zé)崴髁繛?000m3/d，可以提供的總熱量為1163kW，可供暖面積將達(dá)到9692m2。換熱后的地?zé)崴M(jìn)入二級(jí)換熱系統(tǒng)。

（2）二級(jí)換熱系統(tǒng)（地?zé)崴Y(jié)合水源熱泵）

第一級(jí)熱量交換后60℃的地?zé)崴龠M(jìn)行第二級(jí)的熱量交換，并結(jié)合高溫水源熱泵系統(tǒng)對(duì)溫室大棚進(jìn)行供暖。在此階段中，地?zé)崴臏囟瓤梢詮?0℃降低至45℃，地?zé)崴髁繛?000m3/d，結(jié)合高溫水源熱泵機(jī)組PSRHH2502C-Y，可以提供的總熱量為969.2kW，可供暖面積將達(dá)到8076m2。換熱后的地?zé)崴M(jìn)入三級(jí)換熱系統(tǒng)。

（3）三級(jí)換熱系統(tǒng)（地?zé)崴Y(jié)合水源熱泵）

第二級(jí)熱量交換后45℃的400m3/d地?zé)峄厮糜诔瘉?lái)農(nóng)藝園內(nèi)的溫泉洗浴和醫(yī)療保?。此熤行模┯盟ＪＳ?00m3/d的45℃的二級(jí)換熱地?zé)峄厮?，結(jié)合高溫水源熱泵機(jī)組PSRHH2202C-Y進(jìn)行第三級(jí)的熱量交換，對(duì)溫室大棚繼續(xù)進(jìn)行供暖。在此階段中，地?zé)崴臏囟瓤梢詮?5℃降低至25℃，結(jié)合高溫水源熱泵系統(tǒng)可以提供的總熱量為775.3kW，可供暖面積將達(dá)到6461m2。此部分供暖后的回水回灌。

通過(guò)第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)的熱量交換后，地?zé)崴臏囟纫呀?jīng)從84℃降低至了25℃，地?zé)崴脺夭钣?9℃擴(kuò)大到59℃，由整個(gè)供暖系統(tǒng)共計(jì)可提供約24229m2的溫室大棚的冬季供暖，完全能夠滿足該農(nóng)藝園冬季24000m2的供暖要求。

圖1 地?zé)豳Y源梯級(jí)綜合利用流程圖

2.2 節(jié)能節(jié)水措施

（1）溫室大棚可在陽(yáng)光充足時(shí)打開(kāi)保溫被，接受太陽(yáng)能直射，達(dá)到溫室內(nèi)部升溫效果，減少地?zé)崴_(kāi)采量。

（2）該系統(tǒng)水療中心的地?zé)嵛鬯?jīng)中水處理后可用于開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)綠地灌溉、景觀用水、衛(wèi)生潔廁、洗車(chē)等，實(shí)現(xiàn)地?zé)崴Y源的充分循環(huán)利用，末端廢水最終匯入市政污水管網(wǎng)。

（3）在每年冬季的初寒和末寒階段，溫室大棚供暖所需的熱量較少，所以只需要開(kāi)啟系統(tǒng)中的一級(jí)換熱（即地?zé)崴苯訐Q熱供暖），即可滿足供暖要求，待天氣逐漸變冷后再逐步開(kāi)啟二級(jí)和三級(jí)換熱（水源熱泵系統(tǒng)），逐步使用水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供暖，從而極大了降低了運(yùn)行成本，也避免了地?zé)豳Y源的浪費(fèi)。

3 與原方案對(duì)比的節(jié)能分析

該項(xiàng)目采用地?zé)豳Y源梯級(jí)開(kāi)發(fā)循環(huán)利用集約化工藝后，地?zé)崮芾寐视?2.7%擴(kuò)大到78.7%，由下式計(jì)算[11]：

改造后的方案采用三級(jí)換熱的地?zé)嶂惫┡c熱泵機(jī)組相結(jié)合的復(fù)合供暖方式，開(kāi)采量不變的情況下，即可滿足全部溫室大棚冬季供暖的總熱負(fù)荷需求。實(shí)現(xiàn)了地?zé)豳Y源的優(yōu)化配置，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，響應(yīng)了北京市政府提倡的利用清潔能源、保護(hù)首都環(huán)境的號(hào)召，社會(huì)效益更是不可估量。

（1）經(jīng)濟(jì)效益分析

改造后增加的運(yùn)行費(fèi)用主要是2臺(tái)熱泵機(jī)組的耗電費(fèi)用。二級(jí)換熱系統(tǒng)中的PSRHH2502C-Y型熱泵機(jī)組在制熱工況下，單臺(tái)機(jī)組制熱量980kW，輸入功率201.8kW，按設(shè)計(jì)熱泵機(jī)組制熱量達(dá)到969.2kW即可滿足負(fù)荷要求，因此，熱泵機(jī)組的實(shí)際能耗按比例調(diào)整為199.58kW。三級(jí)換熱系統(tǒng)中的PSRHH2202C-Y型熱泵機(jī)組在制熱工況下，單臺(tái)機(jī)組制熱量829.5kW，輸入功率173.6kW，按設(shè)計(jì)熱泵機(jī)組制熱量達(dá)到775.3kW即可滿足負(fù)荷要求，因此，熱泵機(jī)組的實(shí)際能耗按比例調(diào)整為162.26kW。能耗合計(jì)增加了361.84kW。

通過(guò)對(duì)熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的調(diào)研和統(tǒng)計(jì)，可得北京地區(qū)冬季供暖天數(shù)為120天，平均每天工作10小時(shí)。全年30%的時(shí)間下是全負(fù)荷運(yùn)行，40%的時(shí)間下是66.6%負(fù)荷下運(yùn)行的，30%的時(shí)間下是33.3%負(fù)荷下運(yùn)行的。電價(jià)按0.6元/kWh計(jì)算。估算本項(xiàng)目地?zé)峁┡粋€(gè)供暖季運(yùn)行費(fèi)用的增加值見(jiàn)表1。

表1 地?zé)峁┡到y(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用增加值統(tǒng)計(jì)表

項(xiàng)目原采用燃?xì)忮仩t供暖補(bǔ)充地?zé)嵯到y(tǒng)供暖不足的熱負(fù)荷，按北京市非居民用戶運(yùn)行費(fèi)用一個(gè)供暖季每平米按38元計(jì)算，一個(gè)采暖季的燃?xì)忮仩t運(yùn)行費(fèi)用為313538元。而一個(gè)采暖季地?zé)峁┡到y(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用僅為173587.6元，相當(dāng)于燃?xì)忮仩t供暖費(fèi)用的55.36%，每年可節(jié)約14萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益極為顯著。

（2）環(huán)境效益分析

系統(tǒng)改造前地?zé)嵯到y(tǒng)的一個(gè)供暖季提供供熱熱能為19594.48GJ，改造后系統(tǒng)的供熱熱能用量為29859.84GJ，節(jié)能10265.36GJ。

改造后的方案完全使用清潔能源地?zé)崮芄┡?，減少了廢氣廢物的排放，節(jié)約了城市環(huán)境污染治理費(fèi)用，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，其一個(gè)供暖季的環(huán)境效益見(jiàn)表2。

表2 環(huán)境效益數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

（1）該農(nóng)藝園的節(jié)能改造有很好的效果，回收廢水中的低位熱能，變廢為利。溫室供熱面積為24000m2在一個(gè)供暖期內(nèi)系統(tǒng)節(jié)約熱能10265.36GJ，創(chuàng)造間接利益15.8萬(wàn)元。

（2）改造方案增加中水系統(tǒng)，改變了原來(lái)的高耗型、粗放型水資源利用方式，實(shí)現(xiàn)低質(zhì)低用，高質(zhì)高用，提升了地?zé)崴Y源的附加值，促進(jìn)地?zé)崴Y源的保育，形成良性綠色循環(huán)。

（3）由于每個(gè)地?zé)嵯到y(tǒng)都有各自不同的地?zé)崴Y源特點(diǎn)、不同的使用對(duì)象和不同的使用時(shí)間，存在不同的問(wèn)題。因此，在進(jìn)行技術(shù)改造和結(jié)構(gòu)調(diào)整時(shí)，應(yīng)該因地制宜進(jìn)行布局優(yōu)化，以很小的改造費(fèi)用，創(chuàng)造最大的效益，堅(jiān)持開(kāi)發(fā)與改造并舉，使地?zé)豳Y源造福人類(lèi)。

[1] 陳國(guó)輝,郭艷玲,宋文龍.溫室發(fā)展現(xiàn)狀及我國(guó)溫室需解決的主要問(wèn)題[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2004, 32(2):11-12.

[2] 方慧,楊其長(zhǎng),孫驥.地源熱泵在日光溫室中的應(yīng)用[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2010,19(4):196-200.

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[11] 蔡義漢.地?zé)嶂苯永肹M].天津:天津大學(xué)出版社,2004.

Study of Energy-saving on a Greenhouse Heating System in a Beijing's Agricultural Sightseeing Garden

Wu Yali1Di Yuhui1Jiang Hui2

( 1.School of Environmental and Chemical Engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi'an,710048;2.The geological engineering investigation institute of Beijing, Beijing, 100048 )

Base on a greenhouse heating system in a Beijing's agricultural sightseeing garden, this paper analyzes the problems of small temperature difference and low efficiency in low temperature geothermal energy utilization, then presents some measures to saving those problems. In the end of this paper, the author analysis the energy savings. By taking the measures of combined with the heat pump units cascade and comprehensive utilization of geothermal energy, this heating system not only achieves the energy-saving operation, but also reduces the tail water‘s temperature and raises the utilization ratio of geothermal water resources.

greenhouse culture; geothermal heating system; cascade utilization; energy saving

1671-6612（2016）06-696-04

TU832

A

陜西省科技廳產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目：供熱換熱站熱能控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究（項(xiàng)目編號(hào)：15JF017）

武亞麗（1991-），女，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榻ㄖ岘h(huán)境與節(jié)能，E-mail：314998476@qq.com

狄育慧（1964-），女，博士，教授，研究方向?yàn)榻ㄖ岘h(huán)境與節(jié)能，E-mail：314998476@qq.com

2015-12-04