地源热泵在育种／育苗温室中的应用实验研究

王建辉，刘自强，刘 伟，周 泉，彭国辉

（河北省科学院能源研究所，河北 石家庄 050081）

0 引言

调整农业产业结构，增加农民收入，是目前我国的基本国策之一，作为其中的设施农业的一部分，日光温室目前已经得到了广泛的应用，并且深受广大农民的喜爱。近年来，日光温室发展迅速，已成为广大农民脱贫致富的重要支柱产业。据统计，目前河北省内温室大棚种植面积已达450多万亩，且呈逐年增长的趋势。

日光温室不仅可以实现跨季节蔬菜种植，还可进行花卉种植、组织培养以及一些动物的特种养殖。对提高农民收入，丰富市民的菜篮子，起着十分重要的作用［1－2］。在我国北方地区、冬春季为了维持温室内一定温度，保证喜温蔬菜正常生长发育，必要时就需要加温。尤其是在温室育苗育种的过程中，冬季在晚上或者阴雪天气下，温室内的温度显著降低，达不到蔬菜育苗所需要的温度要求，蔬菜就会停止生长发育，甚至会冻死，这时就需要为温室加温。加温的方法很多，如火道加温、水暖锅炉加温、酿热加温、电热线加温、暖风加温等［3－5］。各有优缺点，效果也不同，但如何达到较理想的加温效果，采用最好的最经济、最有效的加温方法是每个生产者必须考虑的重要因素。

地源热泵（ground source heat pump，GSHP）技术属可再生能源利用技术，其原理是一种以浅层土壤或地下水（200m以内）作为空调热源或冷源，兼具加温和制冷双重功能的热泵技术，也是近年来世界范围内发展迅速和研究较为广泛的一项可再生能源空调工艺之一［6－7］。

把地源热泵系统应用到温室温度调节中，可以极大的节约能源和资源，并且易于根据蔬菜育苗育种生长的最佳温度对温室中的温度进行调节。

1 实验系统

1.1 工程概况

河北省石家庄市某农业高科技园区蔬菜基地2号温室大棚位于农业高科技园区院内，东西长40m，南北宽7m，坡高3.2m，面积280m2，棚顶为塑料薄膜。采用水源热泵系统作为该温室大棚的空调冷热源。当地属温带大陆性季风性气候，太阳辐射及气候状况如表1所示，冬季各月采暖天数如表2所示。

表1 太阳辐射及室外平均温度

表2 冬季各月采暖天数

1.2 地源热泵实验系统设计

（1）室内外温湿度设计参数：见图3，图4。

表3 室外温湿度

表4室内温湿度

（2）空调冷热负荷：

根据蔬菜育苗、育种分别在冬季、夏季所需的温湿度数据和现场2号温室大棚实际的维护结构以及棚顶薄膜的冷、热损失，按照冬季最高热损、冷风渗透耗热量损耗，项目热负荷按照170W设计，

夏季室内温度保持在28℃－32℃左右，由于该温室设有遮阳设施及通风换气口，对室内温度要求不高，而冬季主要靠地源热泵系统加温，没有其他辅助设施，而且室内温度需严格保持在15℃－22℃，因此本设计以冬季负荷为设计依据；

空调热负荷：280＊170＝47.6kW

（3）系统设计方案：

a、系统及主机选型设计方案。本工程拟采用水源热泵系统为冬季采暖热源，兼顾夏季室内降温空调，热泵机组安装在大棚门口小房内，采暖及空调形式为冬季地下辐射采暖，夏季风机盘管空调降温；地下辐射采暖供热均匀，温度可控，温度由地下向上辐射，大棚顶部热损损耗最低。

项目选用特灵水源热泵机组 WPWE1605SH3A型1台（制冷量41.7kW，耗电量9.66kW；制热量47.8kW，耗电量13.6kW）；

b、循环水泵选型方案。循环水量8.2t／h，选2台水泵1用1备，功率2.2kW／台，扬程30m，流量10t／h；水源测选2台水泵1用1备，功率2.2kW／台，扬程30m，流量10t／h。

c、水源井设计方案。根据当地地质水文资料及同地区地源热泵项目水源侧实际换热量计算，打水源井1眼，井深60m，出水温度15.5℃，水流量10t／h。回水井1眼，井深60米。

d、系统末端设计。水源热泵系统的末端采用地板辐射式采暖和风机盘管空调制冷。在地下50cm深度铺置苯板隔热层，苯板间间隔30～40cm，方便渗水。在苯板上铺置蛇形盘管，然后用土壤回填，用于冬季地下辐射采暖。在温室北侧墙壁上安装6台风机盘管用于夏季空调降温。

e、机房控制系统设计方案。机房设备采用安能科技最新研制的能源管理系统（i－EMS V2.0），可以实现大棚内土壤温度、室内温度、土壤湿度、室内湿度的控制；根据不同的作物不同生长时期对温度、湿度的要求实时调整系统运行参数，根据上述作物的生长要求系统自动运行，保证设备按需运行，经济节能，利于操控与维修。

1.3 数据采集系统

在整个系统循环管路中安装了温度传感器、流量传感器、电功率测量表等测量仪表，利用计算机板卡和计算机系统连接起来。制作了污水源热泵测试软件，建立了系统数据采集系统。基于FIX数据采集软件进行了二次开发。可以实时显示各点的温度，同时可以就不同运行情况下的系统运行效率（COP）进行显示。

1.4 实验系统原理图。

实验系统图如图1所示。

图1 温室大棚地源热泵空调采暖系统图

2 运行实验内容

2012／2013年冬季是近30年最冷的一年，并且1月出现了多日雾霾天气，棚室内温度持续偏低，不能满足正常蔬菜生长。实验系统安装调试完毕后，从1月9日下午开始，石家庄市某农业高科技园区蔬菜基地2号温室大棚开始采用水源热泵机组对温室大棚进行加温处理，每日16时至次日9时进行加温，加温管理到2月底停止。

温室冬季育苗最低温度保持在12℃左右（育苗一次），温室冬季种植最低温度保持在10℃左右。因此热泵机组冷凝器出水端温度设定在25℃，通过地埋盘管蓄热加温，保证温室冬季育苗所需的温度。

在运行过程中详细记录了系统运行工作时热泵机组冷凝器进出水温度、机组和系统COP数据、温室加热前后温度情况等实验数据，并绘出曲线图。结果表明，该系统具有较高的COP和良好的使用性能，节能效果十分显著。

2.1 热泵机组水源侧进出口温度

由图2可以看出，在蔬菜基地2号温室大棚采用水源热泵机组进行加温处理工况下，水源热泵机组井水侧的供水温度始终保持在15.5℃左右，经机组吸热后，回水温度降低到到12.0℃左右，供回水温差保持在3.5℃左右。

图2 热泵机组水源侧进出口温度

2.2 热泵机组用户侧进出口温度

图3 热泵机组用户侧进出口温度

由图3可以看出，在蔬菜基地2号温室大棚采用水源热泵机组进行加温处理工况下，水源热泵机组用户侧的出水温度平均保持在25.0℃左右，经温室地埋盘管循环向土壤放热后，回水温度平均降低到23.5℃左右，供回水温差平均保持在1.5℃左右。

2.3 热泵机组电功率、制热量

图4 热泵机组电功率、制热量

根据热泵机组电功率、制热量曲线图可以看出，该水源热泵机组的制热量在42.4～63.5kW之间，平均制热量为48.4kW。机组运行平均功率为8.3kW。

2.4 热泵机组COP

图5 热泵机组COP

根据水源热泵机组的制冷量和电功率测试数据，可以计算出该水源热泵机组的能效比（COP），实际测得该水源热泵机组的的能效比（COP）曲线如上图所示，可以看出COP最低为3.36，最高为7.52，平均为5.83，具有很高的能效比（COP）。

2.5 温室加温前后气温、低温数据

图6 2013年1月2号温室大棚加热前（后）16时至次日9时1.5m逐时气温变化曲线

由图6和表5数据可以看出，加热前（1－8日）16时至次日9时1.5m逐时气温基本维持在5～10℃，该段时间日平均气温值在6.8～9.5℃，加热前平均值为7.9℃；加热后（9日后）16时至次日9时1.5m整点气温基本维持在9～15℃，该段时间日平均气温值在11.4～14.9℃，加热后平均值为12.6℃，加热后较加热前1.5m平均气温提高了4.7℃。加热前5cm地温日平均值在7.5～10.3℃，平均值为8.7℃，加热后日平均值在11.9～15.7℃，平均值为13.2℃，加热后5cm地温平均提高了4.5℃（表5）。可见，经过热泵加温处理，无论是棚内气温还是浅层地温均有明显提高，加温后，夜间气温和地温稳定在10℃以上，温度条件能够满足严寒冬季蔬菜生产。

表5 2013年1月科技园16时至次日9时小气候资料分析

2.6 实验结果分析

（1）由热泵机组水源侧进出口温度记录可以看出，在河北省石家庄市某农业高科技园区蔬菜基地2号温室大棚采用水源热泵机组进行加温处理工况下，水源热泵机组井水侧的供水温度始终保持在15.5℃左右，经机组吸热后，回水温度降低到到12.0℃左右，供回水温差保持在3.5℃左右。地下水温度相对环境温度变化很小，常年保持恒定，地下水温度常年保持在14～16℃之间，是一种很好的空调低温冷热源。

（2）由实验数据可以看出，地源热泵加温系统具有较高的COP和良好的使用性能，节能效果十分显著。地源热泵加温系统的COP最低为3.36，最高为7.52，平均为5.83，具有很高的能效比（COP）。

（3）在热泵加温运行期间，温室内1.5m气温平均值为12.6℃，加热后较加热前1.5m平均气温提高了4.7℃。5cm地温平均值为13.2℃，加热后5cm地温平均提高了4.5℃。经过热泵加温后，无论是棚内气温还是浅层地温均有明显提高，加温后，夜间气温和地温稳定在10℃以上，温度条件能够满足严寒冬季蔬菜生产。

3 结论

近年来的能源危机促使人们重视寻找和发展新能源。温室作为耗能较高的领域，积极采用地源热泵技术是十分必要的。与传统燃煤供热相比，使用地源热泵可减少燃煤过程中废气和二氧化硫的排放。地源热泵的能量来源于地下浅层地能，它不向外界排放任何废气、废水和废渣，而且还具有加温制冷的双重功能，应用于大型温室替代燃煤锅炉进行冬季加温，夏季又可以利用其制冷功能对温室进行降温，温度可控性强，是一种值得研究的温室调温技术，也符合国家产业政策和发展方向。其较低的运行费用和显著的节能减排效果以及不会对温室建设地区造成污染的优点具有较好的社会意义。目前温室地源热泵系统供暖还只是在刚刚起步的阶段。相信经过优化热泵系统设计，合理配置和利用温室热泵系统。完善相关技术，针对不同温室结构特征、不同温室内环境，减少初投资费用，地源热泵技术在温室生产中的应用前景将更广阔［8］。

［1］ 方慧，杨其长，孙骥.地源热泵在日光温室中的应用［J］.西北农业学报，2010，19（4）：196－200.

［2］ 李天来.我国日光温室产业发展现状与前景［J］.沈阳农业大学学报，2005，36（2）：131－138.

［3］ 吴静怡，金鼎，王如竹.电热泵用于蔬菜温室供热的经济性分析［J］.工热物理学报，2002，23（1）：17－19.

［4］ 盛国成.日光温室增温方式与供热设备［J］.农业工程技术，2007，2：21－21.

［5］ 王顺生.日光温室内置式太阳能集热调温装置的研究［D］.北京：中国农业大学，2006：2－4.

［6］ 吕世华.地源热泵技术与建筑节能［Z］.高科技与产业化，2007（4）：84－86.

［7］ 柴立龙，马承伟，张义，等.北京地区温室地源热泵供暖能耗及经济性分析［J］.农业工程学报，2010，26（3）：249－254.

［8］ 任子君，贾延宇，赵阳，孙治强.水·地源热泵在我国温室生产上的应用［J］.安徽农业科学，2011，39（7）：4405—4408.