蓄能型地源热泵式植物工厂供能系统节能运行调控

蓄能型地源热泵式植物工厂供能系统虽然避免了传统化石能源供能所存在的一次能源利用率低且污染严重的问题,但目前缺乏长期运行经验。以上海崇明自然光植物工厂为例,对蓄能型地下水源热泵供能系统进行节能运行优化调控。研究发现该系统存在3种不合理运行情况:A.植物工厂热负荷为负值时热泵仍继续供热、B.热泵向蓄热水箱输出过多热量蓄热、C.热泵在用电高峰时仍运行。经过优化调控后,避免A运行情况,第1季度热泵最终可减少输出能量21.55 GJ,可减少耗电1 012.50 kWh,折合成电价可节约747元;避免B运行情况,设定第1季度热水充满率上限为85%,在保证热泵充分供能植物工厂前提下,可减少输出97.2GJ能量;避免C运行情况,热泵总输出能量不变,将第1季度中热泵140.25 GJ的热量转移到平价阶段输出,可以节约5 530元,此时电量总计8 654.07 kWh。通过优化自然光植物工厂供能系统运行过程,可以节能降耗,经济运行。     

植物工厂地源热泵系统热负荷BP神经网络预测及验证

为提高水蓄能型地下水源热泵自然光植物工厂供热系统节能性,供热系统必须能够很好地预测热负荷变化。针对自然光植物工厂热环境系统非线性特点,利用具有很强非线性映射能力的BP神经网络(back propagation,BP),选取室内外空气干球温度、太阳辐射强度、室内相对湿度和绝对湿度、室内风速等输入参数,确定算法步骤和评价指标,构建神经网络模型预测植物工厂次日负荷。采用Matlab神经网络工具箱对崇明试验基地水蓄能型地源热泵自然光植物工厂的样本集进行训练,训练后误差函数值为0.002 999 94,神经网络收敛。通过对比热负荷预测值与实际值,证明了神经网络预测热负荷值与实际值趋势一致,基本误差在±6%以内,结果表明神经网络法可以用于植物工厂次日热负荷预测。通过热负荷预测能够更加科学地调整供热系统运行模式,更好地匹配植物工厂需求热量与热泵的输出能量,实现运行节能和降低供能成本的目的。     

单井循环地下水源热泵换热特性CFD模拟与验证

针对单井循环地下换热系统CFD模拟研究的不足,建立了该系统多区域耦合的CFD模型用于研究其地下水流动和换热特性。结果表明,循环单井、抽灌同井和填砾抽灌同井CFD模型的抽水温度和含水层特征点温度模拟结果均与试验测试结果吻合较好,3种热源井25 min的累计取热量相对误差分别为12.1%、3.0%和8.2%。所建立的3种热源井CFD模型可以用于分析和预测实际单井循环地下换热系统中热源井特性、含水层流场和温度场的变化情况,并能提供较为准确的模拟数据。     

地源热泵水蓄能型植物工厂降温系统夏季运行特性

针对田间环境复杂、秸秆形态多样、秸秆覆盖率判断主观性影响过大、补贴面积测量耗时耗力等问题,该文开展了秸秆覆盖率率自动识别方法研究和监测设备研制。首先,提出利用时频变换进行秸秆识别,设计高通滤波器提取了图像的频域特征进行自适应分割。基于集成分类器利用已有的秸秆识别数据训练支持向量机分类器,对秸秆图像进行再识别和筛选。最后,设计多尺度占比滤波器,对识别图像中的噪声和空洞进行修补,生成适应多种情况的秸秆覆盖率识别算法。与北斗定位模块、无线通讯模块、摄像头、传感器、服务器等设备共同组成秸秆覆盖率识别系统。试验结果表明,设备的秸秆覆盖率识别误差为4.55%,平均单张图像耗时0.05 s。研究结果满足保护性耕作中的自动化监测要求,可为保护性耕作作业质量评测提供有效的技术支持。     

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。     

寒区沼气工程地下水源热泵加热系统能效分析

在北方寒冷地区,沼气工程加热系统如何能有效、合理地利用能源,提高能源利用率,是沼气工程实现低能耗,高产能必须解决的现实问题。该文依据地下水源热泵加热系统在沼气工程中应用的实例,建立了以?效率、热效率以及能级系数为评价准则的沼气工程加热系统能效分析模型,并通过对加热系统实际运行参数的测试,得到了沼气工程用户系统?效率为97.8%,地下水源热泵机组系统?效率为13.4%,沼气工程加热系统总的?效率为13.1%;加热系统总的热效率为85.3%;沼气工程用户耗热量的能级系数为0.161,用户供给热量的能级系数为0.164,地下水源热泵机组的能级系数为0.567。结果表明,对于沼气工程低品位热能用户,采用低温水供热科学合理;热泵机组系统回收了地下水中低品位热能,节约了高品位电能,加热系统能的数量有效利用程度较高;但热源与用户之间供需能质存在差异,在能质利用方面还需进一步完善。该结论可为今后沼气工程选择合理的加热模式提供参考依据。     

基于地下水源热泵的寒区沼气工程加热模式的探讨

合理选择节能环保型沼气发酵料液加热增温的模式和设备,是北方高寒地区发展大中型沼气工程必须解决的问题。该文提出了利用地下水源热泵对沼气发酵系统进行加热的模式,通过沼气工程应用实例与现场测试,验证了地下水源热泵加热系统对保持沼气中温发酵系统稳定运行的作用;获得了热泵机组的平均能效比为4.39,加热系统平均能效比为2.71;热泵机组一次能源利用系数为1.27,高于燃煤锅炉直接供热方式近1倍。同时通过对加热系统在2010-09-29—2011-02-25供热期内的实时跟踪监测,获得系统的实际能耗为4.79×108kJ,与燃煤锅炉直接供热方式相比,可节约标准煤10.8t,节约标准煤44%,减少二氧化碳排放量25.9t。结果证明地下水源热泵加热系统应用于沼气工程中是可行的,具有高效节能,运行稳定可靠,环境效益显著等优点,可为热泵技术在寒区沼气工程中的应用提供参考。     

北京猪舍空气源热泵供暖的可行性

随着各界对环境保护的重视,猪场迫切需要找到低成本的节能减排供暖方式。该研究把空气源热泵（Air Source Heat Pump, ASHP）供暖系统安装在猪舍里,通过测量供回水温度和能效比（Coefficient of Performance, COP）,分别比较了ASHP供暖系统与直接电加热系统的节能率,以及ASHP供暖系统与直接电加热的电锅炉、管道天然气和液化天然气（Liquefied Natural Gas, LNG）的供暖运行费用。结果表明：试验期间,在北京供暖期室外平均温度为0.1 ℃时,ASHP系统的COP为2.86。与直接电供暖相比,ASHP供暖系统节能率为66%。ASHP、电锅炉、管道天然气和LNG供暖运行费用单位能源价格分别为0.22、0.62、0.34和0.37元/kW·h。在猪舍供暖中,ASHP系统具有降低能耗与减少CO2排放的潜力,是一种经济、清洁的可替代燃煤的供暖方式。     

海水源热泵在养殖水体升温与废水余热回收中的应用效果

该文开展了利用鲆鲽鱼类养殖废水作热源、为养殖用水升温的海水源热泵设备试验研究。探讨了养殖废水温度和流量对热泵的制热性能、养殖用水升温和废水余热的回收效果的影响。结果表明,养殖废水温度和流量愈高,热泵的制热性能改善愈明显,当废水温度为8.0~9.0℃、流量为200~700 L/h时,热泵的制热性能系数(coefficient of performance,COP)为2.61~3.85,废水温度升至10.5~14.6℃时,在上述流量范围内,热泵的COP值达到3.19~5.12;另外,养殖废水温度愈高或流量愈低,海水源热泵对养殖用水的升温效果愈好。当养殖废水温度低于10℃时,将流量控制在400 L/h以下,海水源热泵可将7℃的养殖用水的温度提升至10.0~12.8℃,如果利用10.5~14.6℃的养殖废水作热源,流量达到700 L/h时,海水源热泵能将养殖用水的温度由7℃升至10.4~13.4℃,利用10℃以上的养殖废水作热源时,废水的最大降温幅度达9.2℃;此外,对比分析发现,利用10.5~14.6℃的养殖废水作热源时,海水源热泵对养殖用水的升温费用比燃煤(油、气)锅炉和电加热分别降低0.36、2.91、5.86和5.68元/t,每年比燃煤锅炉减排二氧化碳2.7~7.3 t。     

热泵与家用太阳热水器联合供热性能试验

为解决家用太阳能热水器供热的间歇性和不稳定性,应用热泵辅助可达到全天候供热,该文通过对这种联合供热系统的供热性能和运行性能进行了测试,并对热水器的升温、保温和热泵的加热进行了试验和分析,结果表明：空气源热泵辅助型真空管家用太阳热水系统仅在累积太阳辐照量小于14 MJ/m2时,需要空气源热泵辅助加热,总制热性能系数可达6.18。     

太阳能辅助闭式热源塔热泵系统冬季制热性能

热源塔热泵系统以空气为冷热源,在冬季制热时其性能会随环境温度的降低而降低。为此研发了可应用陕南地区农村建筑的太阳能辅助闭式热源塔热泵系统,试验研究了冬季工况下系统的制热性能,初步分析了太阳热能与空气热能的互补机理。研究结果表明：系统制热量范围为12.1～15.2 kW,热泵机组性能系数范围为2.3～3.5,系统能效比范围为1.5～2.4,供热温度高于41 ℃;冷却水温度对压缩机耗电量的影响程度大于防冻溶液温度,冷却水平均温度每升高1 ℃,压缩要耗电量增加98.1 W,而防冻溶液平均温度每升高1 ℃,压缩机耗电量减小9.5 W;太阳能辅助热源塔热泵制热模式下,热泵机组通过改变防冻溶液与空气和集热工质换热温差的方法来改变防冻溶液从空气和集热水箱中的吸热量,以实现空气热能与太阳热能的互补。建议在实际应用中应避免供热温度过高以减小压缩机耗电;在集热水箱温度较高时通过降低风机频率减小风机耗电以提高系统综合能效,但应避免风机低频率工作可能给机组安全运行带来的隐患。     

温室主动蓄放热-热泵联合加温系统热力学分析

主动蓄放热-热泵联合加温系统加温和节能效果显著,在温室加温领域应用前景广阔,但系统技术参数及工艺仍有待优化。该文通过对系统进行能量平衡和可用能(Exergy)分析,得出系统及各组件的性能系数、可用能损失、损失比和可用能效率,以此为依据对系统进行性能评价和优化。试验结果表明:系统平均1 d中集热和保温阶段可用能损失总量为9.77×104 kJ,可用能效率为48.7%;可用能损失最大、可用能效率最低的组件是主动蓄放热装置,其次是热泵装置、循环水泵和蓄热水箱,其可用能损失比分别为78.7%、8.3%、7.7%、5.3%,可用能效率分别为25.6%、38.3%、75.0%、88.2%。就整个系统而言,最需要进行技术优化的是主动蓄放热装置与热泵装置,可用能损失主要由有限温差传热引起,降低传热温差、减少有限温差传热过程以及改进生产工艺是优化的重点。试验期间系统的集热效率为89.0%~100.5%,热泵装置制热性能系数(coefficient of performance,COPHp)达5.48~6.08,性能远远高于传统太阳能热水系统以及水、地源热泵。该研究为温室加温系统性能评价和优化设计提供思路。