北京市某农艺园地热温室供热系统节能改造

武亚丽 狄育慧 姜 辉



北京市某农艺园地热温室供热系统节能改造

武亚丽1狄育慧1姜 辉2

（1.西安工程大学环境与化学工程学院 西安 710048；2.北京市地质工程勘察院 北京 100048）

以北京市某农艺园地热温室供热系统为例，分析了目前中低温地热能利用普遍存在的利用温差小、效率低等问题，并针对系统存在的问题提出了相应的改造方案以及系统节能改造后的节能分析。系统通过结合热泵机组梯级综合利用地热能的改造后，供热系统不仅可以实现节能运行，并且降低了尾水温度，提高地热水资源利用率。

温室栽培；地热供热；梯级利用；节能

0 引言

我国是温室栽培起源最早的国家，在2000多年前就已能利用保护设施（温室的雏形）栽培多种蔬菜[1]，温室栽培技术在近代取得了长足的进步。鉴于我国是一个大陆性、季风性气候极强的国家，冬季严寒，为了避免气候条件的影响，常要靠消耗矿物燃料以燃煤、燃油、燃气、电锅炉等形式来维持温室作物生育的适温，在我国35°N左右地区的温室，冬季加热耗能约占总生产成本的30%～40%；在40°N左右的地区，占40%～50%；43°N以上的地区占60%～70%[2]。为了避免对环境污染和矿物燃料的消耗，开发利用地热能等清洁可再生能源，降低能耗费用，是今后发展温室的一个重要课题[3]。

本文是基于地热能应用于温室供热的研究，目前地热水主要应用于住宅供暖、热水供应系统等，用于农业园艺方面较少。我国对地热水的利用与国外相比，还存在不小的差距，主要表现在热能利用率低、弃水量大且水温高、资源浪费严重和地热利用设备落后。国家提倡“品味对口，梯级利用”，结合热泵技术梯级综合利用地热资源。Toyoki Kozai采用燃油驱动地下水式热泵系统在日本的一栋温室中进行供暖研究[4]，机组性能系数（COP）达到2.16，比直接采用燃油加热器节能50%。Onder Ozgener和Arif Hepbasli采用一套小型太阳能辅助-地埋管式热泵系统给一栋约50 m2温室进行供暖[5]，系统供暖系数COP约为2.27。方卉，杨其长等在北京一栋Ven lo型连栋温室中进行了GSHP供暖的研究[6]，上述研究均证实了热泵技术在温室供暖中具有较高的COP。

如何科学地设计改造地热温室供热系统，既能满足作物的生长需要，又能合理、科学、高效地利用地热水资源，保护环境，是温室生产中一项亟待解决的问题。文章将以北京市某农艺园地热温室供热系统为例，结合热泵、梯级利用技术，提出对现有的地热系统节能改造。

1 项目概况

北京市某农艺园是集高科技生产、净菜加工、休闲娱乐、科普教育为一体的乡村田园风光的旅游观光景区。地热资源主要用于农艺园内温室大棚取暖及温泉疗养中心建设。

1.1 地热井概述

共完成两眼地热井施工，一眼开采井、一眼回灌井，均为新建探采结合井。井区处于高丽营断裂与顺义断裂之间，属于来广营凸起。来广营凸起的北、东、南部都在侏罗系之下找到了良好的地下热水，附近断裂构造发育，热储层埋藏较深，属于地热开发的高温区，地热前景较好。该地区主要热储层为奥陶系灰岩和蓟县系雾迷山组白云岩，地热井揭露该两套地层深度为3528～3951.60m，平均100m地热增温率（地温梯度）为2.12℃，于2005年7月13日钻进至4051.30m终孔，日出水量1399.313m³，单位出水量0.134L/s·m，出水温度84℃，降深120.91m，建议的地热井允许开采量为1000m3/d。。

地热井地下热水水化学类型属于HCO3-•SO42--Na+•Ca2+型，pH值7.43属于中性偏碱性水，矿化度为549mg/L，属于非腐蚀、锅垢很少的淡温泉水。氟化物、偏硅酸、温度、矿化度均达到规定的理疗矿泉水命名条件，可命名为氟化物、偏硅酸型淡温泉水，有促进骨骼发育，治疗多种皮肤疾病，清洁消炎的功效。

1.2 地热水用途

本项目地热井的用途为地热供暖及温泉疗养。温室大棚所需供暖面积为24000m2，供暖热负荷按120W/m2估算，冬季采暖总热负荷为2880kW，采暖末端采用光管散热器，供水60℃，回水55℃。此外，采用地热水作为朝来农艺园内的温泉洗浴和医疗保健（即水疗中心）用水，水疗中心接待能力不少于600人/d，根据[7]规定，大型公共浴室的热水用水定额为每人每次500L，水疗中心内泡池每天用水按100m3计算。

1.3 该农艺园地热系统简介

地热开采井内安装热水潜水泵，型号为250QJR50-210/7型，额定流量50m3/h，额定扬程210m。热水潜水泵采用变频调速器控制，根据地热系统需水量恒压变量供水。该地区地热水中Cl-和SO42-含量较高，对金属管道有腐蚀性，该温室供暖系统并联使用3个防腐蚀型钛板式换热器，将地热水水温从84°C降到45°C，地热水流量为1000m3/d，可以提供的总热量为1889.9 kW，其余所需热负荷由燃气锅炉提供。经过换热的400m3/d（约16.6m3/h）45℃回水经过水处理设备供水疗中心用水，剩余600m3/d（约25m3/h）供暖回水由回灌井回灌至与开采井相同的储层中。

水疗中心用水先进入水箱曝气，再流经除铁罐和除硫化氢净化罐，除去水中过量的铁、锰和硫化氢及其他杂质异色后，供给用户温泉疗养用水。主要设备有：加压泵、变频调速器、曝气装置、调节水箱、除铁罐、除硫化氢净化罐、内外热镀锌钢管、水温和压力传感器、阀门和管件等。

1.4 该农艺园供热系统存在的问题

该项目供热系统属于直接利用地热水，仅仅通过板式换热器换热为温室提供热量。虽然较大的温降可以减少地热水利用级数，系统相对简单，便于控制。但是，由于地热尾水排放温度较高（40℃左右），不仅造成了资源的浪费，地热利用效率只有40%左右[8]，而且造成了对环境的热污染[9]。

地热资源是集热、矿、水的特质为一体的宝贵的绿色资源，在开发利用地热水资源时，应该充分考虑其多种用途，坚持从高温到低温的梯级利用，最大程度地利用各个温度级别的地热水。

2 该农艺园地热系统改造方案

2.1 改造方案

为了降低地热尾水温度，实现地热尾水热回收，节约能源，保护环境，改造方案将换热后的低温地热水通过热泵技术进行加热处理，达到梯级利用的目的，提高地热利用率，扩大采暖规模[10]。

根据项目地热供暖所需总负荷、供暖方式、末端形式等综合核算，设计地热井开采量1000m3/d（约41.6m3/h）即可满足朝来农艺园项目要求。改造为1级直接利用地热水和2级间接利用地热水。工艺流程见图1。

（1）一级换热系统（地热水直接换热供暖）

地热井出水温度为84℃的地热水可以直接作为温室供暖的热源，地热水通过板式换热器进行第一级的热量交换，利用此热量对温室进行供暖。地热水在此阶段中通过板式换热器进行热交换后的回水温度为60℃，地热水流量为1000m3/d，可以提供的总热量为1163kW，可供暖面积将达到9692m2。换热后的地热水进入二级换热系统。

（2）二级换热系统（地热水结合水源热泵）

第一级热量交换后60℃的地热水再进行第二级的热量交换，并结合高温水源热泵系统对温室大棚进行供暖。在此阶段中，地热水的温度可以从60℃降低至45℃，地热水流量为1000m3/d，结合高温水源热泵机组PSRHH2502C-Y，可以提供的总热量为969.2kW，可供暖面积将达到8076m2。换热后的地热水进入三级换热系统。

（3）三级换热系统（地热水结合水源热泵）

第二级热量交换后45℃的400m3/d地热回水用于朝来农艺园内的温泉洗浴和医疗保健（即水疗中心）用水。剩余600m3/d的45℃的二级换热地热回水，结合高温水源热泵机组PSRHH2202C-Y进行第三级的热量交换，对温室大棚继续进行供暖。在此阶段中，地热水的温度可以从45℃降低至25℃，结合高温水源热泵系统可以提供的总热量为775.3kW，可供暖面积将达到6461m2。此部分供暖后的回水回灌。

通过第一级、第二级和第三级的热量交换后，地热水的温度已经从84℃降低至了25℃，地热水利用温差由39℃扩大到59℃，由整个供暖系统共计可提供约24229m2的温室大棚的冬季供暖，完全能够满足该农艺园冬季24000m2的供暖要求。

图1 地热资源梯级综合利用流程图

2.2 节能节水措施

（1）温室大棚可在阳光充足时打开保温被，接受太阳能直射，达到温室内部升温效果，减少地热水开采量。

（2）该系统水疗中心的地热污水经中水处理后可用于开发区内绿地灌溉、景观用水、卫生洁厕、洗车等，实现地热水资源的充分循环利用，末端废水最终汇入市政污水管网。

（3）在每年冬季的初寒和末寒阶段，温室大棚供暖所需的热量较少，所以只需要开启系统中的一级换热（即地热水直接换热供暖），即可满足供暖要求，待天气逐渐变冷后再逐步开启二级和三级换热（水源热泵系统），逐步使用水源热泵系统进行供暖，从而极大了降低了运行成本，也避免了地热资源的浪费。

3 与原方案对比的节能分析

该项目采用地热资源梯级开发循环利用集约化工艺后，地热能利用率由52.7%扩大到78.7%，由下式计算[11]：

改造后的方案采用三级换热的地热直供与热泵机组相结合的复合供暖方式，开采量不变的情况下，即可满足全部温室大棚冬季供暖的总热负荷需求。实现了地热资源的优化配置，具有较好的经济效益和环境效益，响应了北京市政府提倡的利用清洁能源、保护首都环境的号召，社会效益更是不可估量。

（1）经济效益分析

改造后增加的运行费用主要是2台热泵机组的耗电费用。二级换热系统中的PSRHH2502C-Y型热泵机组在制热工况下，单台机组制热量980kW，输入功率201.8kW，按设计热泵机组制热量达到969.2kW即可满足负荷要求，因此，热泵机组的实际能耗按比例调整为199.58kW。三级换热系统中的PSRHH2202C-Y型热泵机组在制热工况下，单台机组制热量829.5kW，输入功率173.6kW，按设计热泵机组制热量达到775.3kW即可满足负荷要求，因此，热泵机组的实际能耗按比例调整为162.26kW。能耗合计增加了361.84kW。

通过对热泵机组运行时间的调研和统计，可得北京地区冬季供暖天数为120天，平均每天工作10小时。全年30%的时间下是全负荷运行，40%的时间下是66.6%负荷下运行的，30%的时间下是33.3%负荷下运行的。电价按0.6元/kWh计算。估算本项目地热供暖一个供暖季运行费用的增加值见表1。

表1 地热供暖系统运行费用增加值统计表

项目原采用燃气锅炉供暖补充地热系统供暖不足的热负荷，按北京市非居民用户运行费用一个供暖季每平米按38元计算，一个采暖季的燃气锅炉运行费用为313538元。而一个采暖季地热供暖系统的运行费用仅为173587.6元，相当于燃气锅炉供暖费用的55.36%，每年可节约14万元，经济效益极为显著。

（2）环境效益分析

系统改造前地热系统的一个供暖季提供供热热能为19594.48GJ，改造后系统的供热热能用量为29859.84GJ，节能10265.36GJ。

改造后的方案完全使用清洁能源地热能供暖，减少了废气废物的排放，节约了城市环境污染治理费用，保护了生态环境，其一个供暖季的环境效益见表2。

表2 环境效益数据

4 结论

（1）该农艺园的节能改造有很好的效果，回收废水中的低位热能，变废为利。温室供热面积为24000m2在一个供暖期内系统节约热能10265.36GJ，创造间接利益15.8万元。

（2）改造方案增加中水系统，改变了原来的高耗型、粗放型水资源利用方式，实现低质低用，高质高用，提升了地热水资源的附加值，促进地热水资源的保育，形成良性绿色循环。

（3）由于每个地热系统都有各自不同的地热水资源特点、不同的使用对象和不同的使用时间，存在不同的问题。因此，在进行技术改造和结构调整时，应该因地制宜进行布局优化，以很小的改造费用，创造最大的效益，坚持开发与改造并举，使地热资源造福人类。

[1] 陈国辉,郭艳玲,宋文龙.温室发展现状及我国温室需解决的主要问题[J].林业机械与木工设备,2004, 32(2):11-12.

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[11] 蔡义汉.地热直接利用[M].天津:天津大学出版社,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

陕西省科技厅产业化项目：供热换热站热能控制系统的开发研究（项目编号：15JF017）

武亚丽（1991-），女，在读硕士研究生，研究方向为建筑热环境与节能，E-mail：314998476@qq.com

狄育慧（1964-），女，博士，教授，研究方向为建筑热环境与节能，E-mail：314998476@qq.com

2015-12-04