地源热泵温室降温系统的试验研究与性能分析

为探索地源热泵降温技术在设施农业领域中的应用途径和发展潜力,以及寻求传统蒸发式降温系统存在设施内湿度较高等问题的解决方法,该文作者在北京地区日光温室中进行了地源热泵温室夏季降温试验研究。该研究以COP即性能系数为评价指标对系统降温性能进行分析,并提出适用于该研究的能量传递和系统性能分析模型。2007年8月17～19日连续观测数据和分析结果显示,地源热泵温室降温系统制冷性能系数(COPsyscg)平均值达到3.01。2007年8月17日为连续观测的3天之中室外日均气温最高的一天,监测数据表明:上午10︰00至下午14︰00室内、外平均气温分别为31.3℃和34.1℃,平均温差2.8℃,同期室内平均相对湿度仅为60.7%,地源热泵系统具有明显的降温和除湿效果。测试期间温室外张挂遮阳幕,遮阳率为70%。     

日光温室地源热泵供暖碳足迹的生命周期分析

为分析日光温室地源热泵供暖的碳足迹,该文以日光温室地源热泵供暖系统中浅层地热能的存储、提取、制冷压缩提升和温室末端供暖整个过程为研究对象,对系统的温室气体排放和单位温室供暖面积的排放水平进行分析,构建基于生命周期分析LCA(life cycle assessment)的日光温室地源热泵供暖碳足迹分析方法。同时以北京地区日光温室地源热泵系统冬季供暖采集的试验数据为依据,分析和计算出北京地区日光温室在采用燃煤和燃气2种不同发电方式下地源热泵系统的供暖碳足迹和基于20 a和100 a温室地源热泵供暖碳足迹的全球变化潜能(global warming potential,GWP,单位为二氧化碳当量排放-CO2-eq.)的变化。研究表明,在北京地区采用燃煤和燃气驱动地源热泵系统的碳足迹GWP分别为257和72 g/(m2·d)。基于100 a的GWP总量比20 a的计算值分别减少了1.6%和5.4%。对比荷兰Venlo型温室天然气供暖,该研究中采用燃煤发电驱动日光温室地源热泵供暖的碳足迹是其1.39倍,而燃气发电驱动日光温室地源热泵供暖的碳足迹仅为Venlo型温室供暖的41%。采用燃气发电驱动的地源热泵供暖系统具有更低的碳足迹。     

太阳能蓄热联合空气源热泵的温室加热试验

针对日光温室被动采光蓄热的特点,该文在2014年1-2月期间,针对西安地区-6~10℃冬季气温条件下,开展了太阳能蓄热联合空气源热泵温室加热试验研究,通过对比太阳能蓄热联合空气源热泵系统改善温室内的空气温度、湿度及土壤温度等环境因素,分析评价太阳能联合空气源热泵系统在日光温室冬季应用的性能,结果表明:太阳能蓄热联合空气源热泵加热系统不仅明显提高了温室内的空气温度和土壤温度,也有效降低了温室内的湿度;在试验天气条件下,热泵单独供热时,系统的性能系数COP(coefficient of performance)在2.09~2.45之间;太阳能联合空气源热泵供热时,系统的COP在3.45~5.56之间;相比于其他天气工况,晴天条件下,太阳能蓄热供热时间较长,热泵补充供热时间缩短,系统的COP较高;采用地暖联合风机盘管作为末端供热方式,能够维持较高的室内气温和土壤温度,降低室内相对湿度。该文为今后进一步简化温室结构和降低建设成本,实现日光温室主动采光蓄热,奠定前期研究基础。     

基于灰色预测的温室地源热泵系统温度变频调控及验证

地源热泵空调系统已是一种成熟的温室温度节能控制设备,但尚有通过改变运行方式节约能源的空间。为此,针对温室温度纯滞后、非线性、强耦合难以精确建模的特点,引入灰色预测的方法对温室温度进行建模,并设计控制器对地源热泵循环泵进行变频调控。其系统是：设计引入温室温度灰色预测的控制器,根据温度预测值和设定值之差决定地源热泵循环泵的工作频率,以确保系统合理运行,降低运行能耗。由2015年1月15日和2015年1月16日的试验表明,引入灰色预测对地源热泵循环泵进行变频调控比改造前节约了24%的能源。该方法提高了循环泵的控制品质,而且在温室温度适应范围的前提下,较好地达到了节约能源的目的。     

北京地区温室地源热泵供暖能耗及经济性分析

为研究地热在温室中应用的可行性,该文在北京地区一栋日光温室中采用地下水式地源热泵系统进行了供暖试验研究。试验结果表明,整个供暖期（2007年10月15日－2008年3月10日）地源热泵系统的供暖性能系数约为3.83,与燃煤热水采暖系统相比,地源热泵系统供暖可节约42%的能源消耗量,具有显著的节能减排效果。温室内单位面积的每日供暖耗电量约为0.15 kW·h/(m2·d),供暖费用约为0.12元/(m2·d)。地源热泵供暖、天然气供暖、燃煤热水供暖以及燃油热风供暖几种温室采暖方式的相对运行费用分别约为1.20、1.31、1.00与3.36,地源热泵供暖的运行费用略高于燃煤热水供暖,但低于天然气供暖和燃油热风供暖。     

太阳能-地源热泵联合供能系统研究现状

近年来,作为可再生能源领域中一种新型的热泵组合形式,太阳能-地源热泵系统得到了广泛应用。通过总结归纳出国内外太阳能-地源热泵式供能系统在建筑、温室及沼气工程等领域的研究现状;特别对该系统应用于大中型沼气工程,在微生物适应性、热负荷及经济环保方面进行了比较分析和阐述,并指出其应用前景。     

地源热泵—地板散热系统在温室冬季供暖中的应用

针对浅层地能低品位的特点,在中国农业科学院Venlo型试验温室内设计建造了一套地源热泵与地板散热方式相结合的供暖系统,并对加热效果进行了试验,结果表明:温室内垂直方向的气温随着高度的增加而下降,水平方向气温分布均匀,温度分布有利于植物的生长。整套地源热泵系统的实际制热系数COP值达到3.14,与燃煤锅炉相比节能36.3%,节能效果明显。     

沙漠区岩土热响应测试分析及沙漠源热泵系统运行策略

采用地源热泵技术可充分开发浅层地热能资源以减少因昼夜温差大而对农作物造成的影响,因此,为探索地源热泵在沙漠地区发展的可行性,该文追踪宁夏沙漠地区某沙漠源热泵项目的施工与测试流程,为沙漠地区热泵工程的推广积累经验。同时,对当地的岩土热物性进行热响应测试,最终测得该地沙漠初始地温为16.52℃。根据线热源理论求得其平均导热系数为1.12 W/(m·℃),制冷模式地埋管换热量为40.94 W/m,供热模式地埋管换热量为25.28 W/m。结合沙漠地区的气候条件,通过与中国东部地区3个项目的工程数据进行对比分析,认为沙漠源热泵系统运行策略需因地制宜,提出一种适合在沙漠地区合理运行的复合储能式沙漠源热泵系统,为沙漠地区浅层地热能的有效利用提供借鉴。     

地源热泵技术对规模化猪场节能减排的影响

为寻求规模化猪场环境控制中的节能减排措施,根据地源热泵技术在规模化猪场应用的实例,计算分析其投资的经济可行性和节能减排效果。结果表明,地源热泵系统较燃煤锅炉系统增加了环境控制设备投资,在现行煤电价格体制下,额外静态投资回收期6.4 a。地源热泵系统比传统的燃煤锅炉节能,热泵机组的理论COP大于4.0,一次能源利用效率大于1.28。地源热泵系统的CO2减排量为燃煤锅炉供暖方式排放量的60%。另外,在猪舍夏季降温方面,地源热泵系统较传统的蒸发降温方式节水。地源热泵系统是一种节能减排的规模化猪场环境控制方式。     

工厂化养殖稚幼中华鳖的环保型温室构建与性能试验

为了满足稚幼中华鳖工厂化养殖的需求,响应减少CO2排放的政策,设计建造了符合其生活习性的环保型温室.该温室使用地源热泵空调系统控温,底部排污系统排出残饵和排泄物,养殖池内配置网片隐蔽巢供稚幼鳖栖息,采用微孔增氧装置和微生物制剂调控水体中溶解氧、氨氮和亚硝态氮含量.结果表明通过使用地源热泵空调,1栋占地780m2的温室在10个月的生产期内减少使用燃煤约35t,减少CO2排放约84.01t.养殖水体中溶解氧质量浓度5.83~7.68mg/L,氨氮和亚硝态氮质量浓度分别在0.39~0.83mg/L和0.14~0.16mg/L范围内.经过约10个月的养殖(放养质量约为3.5g,密度为50只/m2),平均质量为581g,存活率86.2%,饲料转化率1.18,特定生长率1.77,1栋温室年利润为157870元.综上,该工厂化养殖稚幼鳖的环保型温室能为其提供舒适的生活环境,表现出良好的经济效益和社会效益,有很大的推广价值和实际意义.     

地源热泵式沼气池加温系统

沼气是适合在中国农村推广利用的可再生能源。为解决冬季沼气池产气量受低温影响的问题,该文分析了现有的几种沼气池加温保温方式,提出了一种地源热泵式的新型加温保温方法,并在实际工程上进行了运行试验。结果表明：地源热泵式加温保温方法能够使沼气池的发酵温度保持在(32±2)℃范围内,池容产气率保持在0.6 m3/(m3·d)左右,有时候可以达到1.1 m3/(m3·d)。系统运行期间,地源热泵机组制热效率保持在3.6左右,系统COP为2.7左右,一次能源利用系数可达到0.84;相对于电热膜加温系统,采用地源热泵式加温系统节能率达到63%,增加投资效益净现值为40 188.5元。与化石能源热水锅炉加温方式相比无污染,具体良好的环境效益。因此,地源热泵式沼气池加温是一种经济合理、环保节能的加温方式,具有开发应用潜力。     

空气源热泵用作北京保育猪舍地暖的供暖效果研究

中国"2+26"城市禁煤供暖,猪场迫切需要找到可以替代燃煤、满足供暖需求的供暖方式。为了解空气源热泵在猪舍地暖的供暖效果,选择北京猪舍,配置空气源热泵设备,进行供暖期间保育猪舍热环境效果试验。结果表明:试验期间,室外最低和最高温度分别为-11.0和12.1℃;在地暖供暖猪舍中,地面温度与供水温度、室外温度都呈正比例相关关系,与供暖距离呈反比例线性关系;在系统供水温度范围为30.0～41.0℃时,猪舍无猪单元距离分水器最近(24 m)测点和最远(60 m)测点地面温度为19.1～28.6℃;实际供水温度平均值较设定温度降低1.8～4.0℃;距离分水器最近(24 m)测点地面温度较实际系统供水温度下降8.3～13.1℃;距离分水器最远(60 m)测点较最近测点(24 m)地面温度下降0.5～1.8℃。无猪时,0.3 m高温度较地面温度降低5.0℃;距离地面0.3 m以上不同高度温度变化不明显。对于北京保育猪舍适宜采用空气源热泵地暖供暖,推荐蓄水罐设定温度宜为43～32℃,实际供水温度宜为40.6～29.9℃。     

基于热量平衡方程的温室冬季温度控制策略

为解决配备空气源热泵的温室在冬季加热时温度调控不稳定等问题，该研究在对温室热传递原理进行分析的基础上，通过实测数据分别计算了温室卷被闭合与揭开两种状态下的综合传热系数、空气源热泵系统工作性能参数和雾化喷淋工作性能参数。根据温室热量平衡方程，建立了调控设备控制时间与温室环境参数间的数学关系，并以此提出了温度控制策略，系统运行时利用传感器实时采集环境数据作为输入，输出设备所需工作时间，并据此控制设备启停。经试验验证，基于热量平衡方程的控制方法能有效控制温度在目标值附近，且温度变化稳定、波动幅度小。在外部天气状况相近条件下，该控制方法的单日耗电量比基于上下限阈值控制的方法节约9.06 kW·h，占其当日耗电量的10.95%。在控制策略研究的基础上，利用典型物联网结构设计并实现远程自动控制，研究结果可直接应用于实践。     

日光温室燃池-地中热交换系统加热效果的初步研究

为保证日光温室作物在寒冷季节正常生长，在日光温室中设置了燃池-地中热交换系统，该系统将燃池和地中热交换系统结合起来，以达到提高温室内土壤温度和气温的目的。初步研究表明，在地面以下0.35 m沿温室长度方向3个测点土壤平均温度分别为15.5℃、15.6℃、15.5℃，土壤温度分布均匀，较参考点平均温度分别提高1.9℃、2.0℃、1.9℃；沿温室跨度方向3个测点土壤平均温度分别为15.2℃、15.6℃、14.7℃，分别较对应参考点平均温度提高2.7℃、2.0℃、3.7℃；温室内平均气温为21.4℃，较参考点平均气温提高2.6℃，室内外温差达到34.0℃。使用燃池-地中热交换加热系统，对提高温室内土壤温度、气温均具有较好的效果。     

日光温室后墙蓄放热帘增温效果的性能测试

为了增加日光温室有效蓄热量,改善日光温室夜间温度环境,保障作物安全越冬,该文设计了一种以日光温室后墙为结构支撑的温室蓄放热帘增温系统,白天利用该系统的集放热板吸收太阳辐射热,并通过水介质将热量储存于蓄热水池中;夜晚通过水介质的循环将蓄积的热量释放到温室中,以提高夜晚温室内空气温度。试验结果表明：晴天时应用温室蓄放热帘增温系统能将温室夜间平均气温提高4.6℃,阴天时能提高温室夜间平均气温4.5℃;试验期间当室外最低气温为-12.5℃时,对照温室最低气温仅为5.4℃,而试验温室最低气温为10.1℃;该系统在阴天平均集热效率为42.3%,在晴天时平均集热效率为57.7%;与电加热方式相比该系统的节能率达到51.1%以上。     

地面加热系统温室热环境测定与经济分析

温室加热系统对温室冬季耗能有一定的影响。地面加热系统能够合理地利用加热系统的供暖热能，使之充分有效地供给座落在地面上的植物，并降低植物冠层上部温室空间的气温，减少了温室的能耗，这也是温室冬季节能的一种非常有效的方法。该文研究了应用地面加热系统的温室热环境，测试结果表明，温室有较好的空气温度分布。温度水平分布均匀，南北方向上温度差异在1℃左右；温度垂直梯度分布为从地面附近到保温幕下气温逐渐降低，但温度降低幅度比较小，在1℃以内，与传统加热方式的保温幕下高地面附近低的温度垂直梯度分布有明显不同。温室夜间植物根部温度在19～25℃。与传统加热方式相比，采用地面加热的温室热环境比较有利于植物生长。该文还以传统加热系统为比较对象，简单分析了地面加热系统的节能效果、散热器投资和运行效益，结果表明地面加热系统比传统加热系统节约能源28%，散热器投资费用可以节省34.1%，每年降低运行费用3万多元。     

基于模型的温室加温控制目标优化系统研究

温室加温控制目标的设定合理与否，直接影响温室作物生长及温室环境调控的能耗。本研究以温室作物生长模拟模型和温室加温能耗预测模型为基础，建立了基于模型的温室加温控制目标计算机优化系统。系统包括一个数据库(温室、作物以及气象资料)和三个模型(作物生长模拟模型、温室加温能耗预测模型以及加温控制目标优化模型)。系统的输入主要为温室类型、温室结构、覆盖材料、作物信息以及室外气象资料，系统输出主要为作物干物质生产量、温室加温能耗量以及干物质生产能耗量利用效率最高和生物量最高的温室白天和夜间的加温控制目标(温度设置点)。以2003年1月20日～2月20日上海孙桥现代农业开发区Venlo型自控玻璃温室水果型黄瓜生产为实例进行分析，结果表明，在上海地区冬季进行温室水果型黄瓜生产时，在开花至果实采收初期将白天和夜间加温控制目标分别设为23℃和17℃时可以获得最高的干物质生产量；将白天和夜间的温室加温的温度分别设为20℃和15℃能够使黄瓜干物质生产的能耗量利用效率达最大，并能够使黄瓜干物质产量也处于较高的水平。本研究建立的基于模型的温室加温控制目标优化系统为中国温室气候控制中温度的优化调控提供了理论依据和决策支持。     

基于热平衡分析的地埋管地源热泵换热方案模拟优化

为了确保丹阳中心城区浅层地热能可持续开发利用,避免丹阳中心城区地埋管地源热泵运行期间出现热堆积问题,基于地下水渗流和热量运移原理,建立了丹阳中心城区地下水非稳定渗流与热量运移三维耦合数值模型,结合未来地埋管地源热泵系统的运行工况,预测丹阳中心城区地下温度场的热平衡发展趋势。在此基础上,规划设计了3种优化方案:(1)按行政区划Ⅰ~Ⅴ个开发利用分区,调整地埋管间距分别为18,23,17,20,20 m;(2)地埋管间距5 m,加热秋季生活用水Ⅰ区157 798 m~3/d、Ⅱ区413 235 m~3/d、Ⅲ区339 322 m~3/d、Ⅳ区261 266 m~3/d、Ⅴ区27 6205 m~3/d,加热春季生活用水Ⅰ区473 394 m~3/d、Ⅱ区123 9705 m~3/d、Ⅲ区1 017 966 m~3/d、Ⅳ区783 798 m~3/d、Ⅴ区828 615 m~3/d;(3)地埋管间距5 m,增设冷却塔辅助地埋管换热孔进行夏季排热,冷却塔夏季冷却温度Ⅰ区为4.35℃、Ⅱ区为6.12℃、Ⅲ区为4.87℃、Ⅳ区为5.29℃、Ⅴ区为4.80℃。3种方案均可以有效减缓和避免丹阳中心城区地埋管地源热泵运行期内的热堆积问题。地下水非稳定渗流与热量运移三维耦合数值模型是优化确定浅层地热能地埋管地源热泵可持续开发利用方案的有效方法。     

南方温室内空气循环式蓄热除湿系统的保温效果

为探索南方温室内空气循环式蓄热除湿系统的保温效果,设置了空气循环式冷凝除湿（冷凝处理）、土壤地面地膜覆盖降湿（覆盖处理）和普通换气除湿（对照）三种处理,观测了不同条件下温室内的气温和地温变化数据。结果表明：在晴天除湿系统运行期间,冷凝处理温室内下层气温明显比对照和覆盖处理的高,分别高0．9—2．7℃和0．2～1．7℃;在阴雨天（不启动除湿系统）,冷凝处理温室内各层的气温均高于或等于对照和覆盖。典型晴天,冷凝处理的5cm、10cm、15cm、20cm地温比对照分别高1．0～2．1℃、1．0～1．5℃、1．2～1．5℃、1．4～1．6℃。全年气温最低的1月份,冷凝处理温室下层的日平均气温均高于对照和覆盖,分别高0．1～2．3℃和0．1～1．5℃,其中高于0．5℃以上的天数分别为17d和18d。说明在南方地区冬季,空气循环式冷凝除湿系统具有明显的保温效果。     

组装式太阳能双效温室应用效果试验

为解决目前日光温室普遍存在的设备简陋、环境调控与抗寒防病能力差、土地利用率与劳动生产效率低的问题,建造了组装式太阳能双效温室并进行试验。该文分别选择内保温和外保温太阳能双效温室(温室内配置太阳能集热器、蓄热水池和热泵机组在内的太阳能热泵系统)测试其保温降湿性能和增产效果,主要测试指标为空气最低温度、日平均温度、光照度、空气相对湿度,种植作物的单株产量、单位面积产量。测试结果表明:内保温组装式太阳能双效温室室内最低气温都在9℃以上,与对照温室相比,1月份试验温室室内平均气温提高3.4℃,1月份室内平均最低气温提高4.0℃;外保温太阳能双效温室1月份室内平均最低气温为12.5℃,空气相对湿度控制在80%以下,比对照温室室内温度提高3.8℃,蔬菜增产19%~55%。组装式太阳能双效温室改善了温室的环境条件,提升了日光温室抗寒防病和增产增收的能力,该温室的研究与应用为中国北方同类地区提供借鉴与参考。