分析農(nóng)業(yè)育苗溫室太陽能+水源熱泵供暖系統(tǒng)

武漢慧泰新能源科技有限公司/萬松

　　農(nóng)業(yè)項(xiàng)目冬季供暖目前大多采用傳統(tǒng)方式，燃煤、電加熱、燒柴等占了能源供應(yīng)方式的絕大部分。因得不到有效的處理，不可避免地帶來了嚴(yán)重的污染問題，使得不少地方農(nóng)業(yè)領(lǐng)域污染比工業(yè)還要嚴(yán)重。武漢市東西湖區(qū)現(xiàn)代都市農(nóng)業(yè)示范園項(xiàng)目內(nèi)的東西湖農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所溫室育苗基地，從發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的角度出發(fā)，用清潔能源替代燃煤鍋爐，開拓了一條農(nóng)業(yè)項(xiàng)目中太陽能和水源熱泵互補(bǔ)節(jié)能減排的新道路。

　　1現(xiàn)狀分析

　　1.1項(xiàng)目概況

　　本項(xiàng)目位于湖北省武漢市近郊的東西湖區(qū)，現(xiàn)有農(nóng)業(yè)溫室面積30000m2，冬季主要用來培育農(nóng)業(yè)大棚中的各類農(nóng)作物幼苗，室內(nèi)溫度嚴(yán)格要求在15~20℃。原有的供暖系統(tǒng)采用燃煤鍋爐，通過溫室里的鍍鋅散熱管道供熱。燃煤鍋爐共9t，分別是2臺2t，2臺2.5t。使用時間由11月20 日至第二年的4月10日，在141天里，共需燃煤400t。配備工人4名，勞動強(qiáng)度大。鍋爐的使用情況如圖1所示。

　　1.2氣象資料

　　武漢市位于中緯度地區(qū)（北緯31°22），屬于太陽能資源利用的四類地區(qū)，全年平均日照數(shù)（參照武漢出版社出版2001年版《武漢地理》上標(biāo)明的）1967.0小時。全年相對日照時間45%[太陽輻射總量（418-502）×104kJ/cm2·a，相當(dāng)于140~170kg 標(biāo)準(zhǔn)煤]，太陽輻射強(qiáng)度滿足太陽能光熱利用的要求，屬于較好的太陽能資源的地區(qū)。11月至第二年的4 月之晴天與陰雨天的天數(shù)比例大約為2：1，一月份平均溫度為5.6℃。

　　2設(shè)計原則和熱負(fù)荷計算

　　要把原有燃煤鍋爐替換掉，選擇技術(shù)路線對項(xiàng)目成敗至關(guān)重要?？紤]到園區(qū)所提倡的現(xiàn)代都市農(nóng)業(yè)和觀光農(nóng)業(yè)發(fā)展理念，在分析了現(xiàn)有溫室布局和供暖管道分布情況后，確定建設(shè)方針是環(huán)境友好型，要有很好的示范作用，因此，提出的設(shè)計三原則是：經(jīng)濟(jì)性、可靠性、生態(tài)性，并以此來選擇清潔能源所遵循的技術(shù)路線。

圖1鍋爐使用情況

　　對熱負(fù)荷的確立是技術(shù)路線選擇的前題，根據(jù)《溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范JB/T10297-2001》標(biāo)準(zhǔn)要求和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，計算如下：

　　測量每個溫室的四個立面、頂部PC 板、地面總面積數(shù)值分別為266.22、266.22、110.4、110.4、5206.08 平方米，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失計算公式為：

　　3太陽能熱水及水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1太陽能供暖系統(tǒng)

　　考慮到園區(qū)實(shí)際情況，在綜合分析了各類能源供給的利弊之后，得出可采納的清潔能源供暖方式主要為太陽能供暖和熱泵供暖。在太陽能方面，由于農(nóng)業(yè)溫室育苗區(qū)對采光要求嚴(yán)格，園區(qū)溫室頂部可供安裝的面積共3000m2。因此，在這個條件下，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)和熱負(fù)荷計算出的采暖季集熱器采光面上平均日太陽輻照量JT為：

　　白天采集到的太陽能熱量晚上釋放到溫室大棚里，因此通過增加蓄熱水箱將熱水保存起來，晚上供暖時再將熱水抽出來循環(huán)處用。管道中的水體積為47.1m3，加上水溫升高之后水體積的膨脹，以及余量容量，水的體積至少為130m3。出水口距離水箱底部為0.15m，同時水箱中水面到頂部需要預(yù)留一段距離，綜合考慮，確定太陽能集熱水箱規(guī)格為10000mm（長）×6000mm（寬）×2500mm（高），水箱總體積為150m3。

　　3.2水源熱泵

　　通過綜合對比各類熱泵的技術(shù)可行性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)保養(yǎng)等條件后，加上查詢當(dāng)?shù)氐乃?、地質(zhì)資料，得知此地屬于長江沖積二級階梯地區(qū)，局部地區(qū)相對低洼，地下水十分豐富，類別屬于全新統(tǒng)孔隙承壓水，水資源量為3998×104m3/a，地下水的滲透系數(shù)為10.10~32.48m/d，地下水水量豐富，且緊鄰一條河流，周圍3 公里無居民區(qū)，屬于《武漢市水源熱泵設(shè)計規(guī)范》中水源熱泵使用的推薦地區(qū)。結(jié)合實(shí)地打井勘探，得出大量數(shù)據(jù)，武漢勘測設(shè)計院報告結(jié)論“園區(qū)處于武漢市郊區(qū)水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜區(qū)域”，因此選擇水源熱泵進(jìn)行供暖。太陽能和水源熱泵互補(bǔ)應(yīng)用原理如圖2所示。

　　熱泵功率大小的確定，是結(jié)合太陽能供暖系統(tǒng)和氣象數(shù)據(jù)得出的。綜合前面計算所得到的結(jié)果，供暖季里晴天供暖所需熱量為：

　　4控制系統(tǒng)

　　控制系統(tǒng)采用基于PLC的全智能控制方式，并通過計算機(jī)、傳感器和現(xiàn)代通信技術(shù)綜合控制，可對太陽能集熱循環(huán)控制、熱泵加熱系統(tǒng)控制、儲水箱狀態(tài)監(jiān)控以及溫室內(nèi)溫度適時監(jiān)控。具體功能有：

　　1. 太陽能集熱系統(tǒng)的溫差循環(huán)功能。當(dāng)集熱器溫度與水箱中水溫溫差≥10℃時，自動啟動開始溫差循環(huán)，當(dāng)兩者溫差≤2℃時，循環(huán)泵自動停止。

　　2. 當(dāng)太陽能集熱系統(tǒng)管路中溫度低于0℃時，開啟排空電磁閥，將集熱系統(tǒng)中的水排至水箱中，以防止循環(huán)管路凍堵。

　　3. 在分水器的各個管道接口處增加電磁閥，當(dāng)某個區(qū)域不需要進(jìn)行供暖時，通過傳感器及軟件控制，使電磁閥關(guān)閉達(dá)到節(jié)能。

　　4. 在溫室內(nèi)安裝若干管道溫度傳感器并實(shí)時顯示在監(jiān)控室屏幕上。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時熱泵開啟，當(dāng)溫度高于某一設(shè)定值時，通過控制變頻循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)流量目的。

　　5. 檢測熱泵機(jī)組的回灌水溫度，根據(jù)回灌水溫度變化控制變頻深井泵的轉(zhuǎn)速，從而滿足熱泵機(jī)組水的流量需求。

　　6. 水箱的合適位置安裝溫度傳感器以及水位傳感器，實(shí)時監(jiān)控并顯示水箱內(nèi)部工況。

　　5經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益

　　由于太陽能是可再生能源，使用成本低。而水源熱泵系統(tǒng)COP值達(dá)4~5之間，也具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，因此，該系統(tǒng)運(yùn)行成本十分經(jīng)濟(jì)。

　　除此之外，環(huán)境效益也是很可觀的，根據(jù)本文數(shù)據(jù)，結(jié)合計算公式：

　　6結(jié)語

　　通過對農(nóng)業(yè)育苗溫室項(xiàng)目中太陽能+ 水源熱泵供熱系統(tǒng)的應(yīng)用分析，充分證明了在農(nóng)業(yè)中規(guī)模化利用可再生能源技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的清潔化，且運(yùn)行成本與現(xiàn)有燃煤成本相當(dāng)，達(dá)到節(jié)能、環(huán)保、綠色、生態(tài)建設(shè)目的。在系統(tǒng)的控制技術(shù)方面，綜合運(yùn)用計算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)+、傳感器、自動控制技術(shù)、移動終端等對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測、控制，使供暖系統(tǒng)具有良好的操作便利性、界面可視性、監(jiān)測智能性、數(shù)據(jù)可靠性和結(jié)果準(zhǔn)確性。