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摘 要 为探索地源热泵系统在西南地区温室的应用效果和发展潜力，于2016年开展了重庆地区玻璃温室地源热泵系统设计、工程施工和夏季降温试验研究。结果表明，在重庆气温最高的8月，采用地源热泵系统可在室外平均气温36.2 ℃的情况下，将温室内温度降低至26.5 ℃，相比常规冷源空调，地源热泵系统节能率23.5%。
关键词 地源热泵系统;温室;降温;西南地区
中图分类号：S625 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.10.023
地源热泵系统（Ground source heat pump）是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统等组成的供热空调系统，统称为地源热泵（GSHP）系统[1]。地热能作为一种可再生能源，具有低碳、节能、环保等优点，有一定的应用研究价值。根据地热能交换系统形式的不同，可将地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统[2]。西南地区多为喀斯特地貌，在没有江河水源的地区宜采用地埋管地源热泵系统[3]。温室作为耗能较高的设施农业载体，应用地热能实现节能降耗已经成为一些发达国家的重要选择[4]，但目前地热能用于温室环境调节的工程实例和相关研究较少，我国地源热泵系统在温室中的研究及应用主要集中在北方地区，如中国农业科学院[5]、北京市农林科学院、中国农业大学[6]等单位的实验温室均采用地源热泵系统控制环境温度，而采用地源热泵系统进行温室环境控制在南方地区较为少见。我们以重庆市农业科学院农业生物高科技中试基地的地源热泵系统为研究对象，于2016年开展了地源热泵系统在西南地区温室的应用研究，为今后相关研究及工程实施提供参考。
1 工程设计
1.1 工程概况
农业生物高科技中试基地主要开展蔬菜、果树的组培脱毒快繁技术中试，其温室和组培工厂主要采用地源热泵系统进行温度控制，总空调面积2 407 m2，其中Venlo玻璃温室面积1 344 m2、砖混结构管理房
1 063 m2。根据组培快繁环境条件要求，夏季降温设计温度25 ℃，冬季升温设计温度30 ℃。
1.2 系统设计
地源热泵系统主要由主机泵房、地下埋管系统、空调末端三部分构成[7]。
1.2.1 负荷计算
项目建设地点位于重庆市九龙坡区，参考当地气象参数，夏季通风室外计算温度33 ℃、大气压力97.31 kPa，冬季通风室外计算温度7 ℃、大气压力99.12 kPa。经计算，空调系统的总冷负荷为456.518 kW，总热负荷为233.509 kW。
1.2.2 空调末端
采用地源热泵空调系统，组培工厂室内机采用卧式风机盘管（吊顶安装），温室室内机采用立式风机盘管（落地安装），送、回风口设在吊顶上并通过送、回风管进行室内空气循环。冷冻水供回水温度为7～12 ℃，冷却水供回水温度为32～37 ℃，热水供回水温度为50～60 ℃。
1.2.3 地源热泵主机
系统采用土壤源热泵作为该空调系统的冷热源。采用一台MWH130CEG-C型地源热泵机组，提供空调系统的冷热源，制冷量为516 kW，制热量为538 kW。
1.2.4 地下埋管系统
系统采用土壤作为冷热源系统的热源、热汇。埋管根据建筑周边的空地，布置了3个长方形回路，共计70孔双“U”型埋管。可以根据建筑冷热负荷的变化来调整开启回路的个数，有利于空调系统节能。埋管间距为5 m，埋管采用高密度聚乙烯材料，管径为DN32，埋管的有效埋深为100 m。供水环路的集管与回水环路的集管埋深不小于1.5 m，两者间距为0.6 m。井外换热后，给机组的供水管采用30 mm的橡塑材料保温。水平集管保持2‰以上的坡度。
2 系统节能量计算
2016年8月，对此地源热泵系统夏季降温节能性进行了检测。检测依据及方法、仪器、结果分析如下。
2.1 检测依据及方法
1）《公共建筑节能检测标准》（JGJ/T 177-2009）;
2）《公共场所卫生检验方法第一部分：物理因素》（GB/T 18204.1-2013）;
3）《重庆市公共建筑节能改造节能量核定办法》;
4）农业生物高科技中试基地项目空调用地源热泵系统资料。
2.2 检测仪器
温湿度传感器（hobo u-23），测定室内、外温湿度;超声波流量计，测定主管道水流量;三项钳型功率表，测定机组功率、用户侧水泵功率、地源侧水泵功率;铂电阻传感器，测定进水口温度、出水口温度。
2.3 检测结果
2.3.1 组培工厂和温室的空气湿度、温度采集
对组培工厂和温室内部、外部的空气湿度、温度进行采集、记录，平均每栋建筑布置5个传感器，采集间隔10 min/次，检测结果见表1。
2.3.2 地源热泵系统性能
对地源热泵机组的进水口温度（℃）、出水口温度（℃）、水流量（m3·h-1）、机组功率（kW）、用户侧水泵功率（kW）、地源侧水泵功率（kW）进行采集、记录，采集间隔10 min/次，检测结果见表2。
2.3.3 系统节能量计算
对常规冷源系统与该地源热泵系统的能耗进行比较，根据该建筑的计算冷负荷及其他参数，冷水机组选用螺杆冷水机组WHS 145.2，制冷量为506.8 kW，额定制冷功率114.9 kW;用户侧与地源侧水泵各两台（一用一备），型号为KQL 100/170-15/2，流量为104 m3·h-1，扬程为32 m，额定功率15 kW。根据《重庆市公共建筑节能改造能量核定办法》计算系统节能率。
空调系统季节节能率（%）=空调季节节能量/改造前空调系统季节能耗量×100
计算结果表明，相比常规冷源空调，地源热泵系统夏季降温节能量34.76 kW，系统节能率为23.5%。
3 结论与展望
地源热泵系统具有显著的降温效果和一定的节能性，通过检测分析，在西南地区夏季高温高湿气候条件下，采用地源热泵系统可以在室外平均气温为36.2 ℃的情况下，将温室内温度降低至26.5 ℃。相比常规冷源空调，地源热泵系统夏季降温节能23.5%。
由于采用地埋管換热的形式，西南地区在地源热泵系统工程造价上要远高于北方地区，主要是钻井工程量的增加。目前地源热泵系统在设施农业生产中的应用所需要解决的主要问题是能耗过高，其运行能耗是现有温室传统降温设备的5～6倍，故并不能完全替代现有的降温设备。地源热泵空调更适宜于大规模的集约化、工厂化的生产模式，如生态餐厅、花卉温室、水产养殖育苗等。未来将进一步研究传统降温设备与新能源设备相结合，通过设施改造、控制策略优化，达到最佳的经济性。
参考文献：
[1] 徐伟，刘志坚.中国地源热泵技术发展与展望[J].建筑科学，2013（10）：26-33.
[2] 任子君，贾延宇，赵阳，等.水·地源热泵在我国温室生产上的应用[J].安徽农业科学，2011（7）：4405-4408.
[3] 钟云翔.重庆地区地源热泵系统实测分析及监测策略[D].重庆：重庆大学，2014.
[4] 方慧，杨其长，王柟，等.浅层地热源节能技术及其在设施农业中的应用[J].农业工程学报，2008（10）：286-290.
[5] 方慧，杨其长，孙骥.地源热泵—地板散热系统在温室冬季供暖中的应用[J].农业工程学报，2008（12）：145-149.
[6] 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（3）：249-254.
[7] 赵根，吴伟丽，陈丽萍，等.地源热泵在设施农业中的应用[J].现代化农业，2016（11）：61-63.
关键词 地源热泵系统;温室;降温;西南地区
中图分类号：S625 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.10.023
地源热泵系统（Ground source heat pump）是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统等组成的供热空调系统，统称为地源热泵（GSHP）系统[1]。地热能作为一种可再生能源，具有低碳、节能、环保等优点，有一定的应用研究价值。根据地热能交换系统形式的不同，可将地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统[2]。西南地区多为喀斯特地貌，在没有江河水源的地区宜采用地埋管地源热泵系统[3]。温室作为耗能较高的设施农业载体，应用地热能实现节能降耗已经成为一些发达国家的重要选择[4]，但目前地热能用于温室环境调节的工程实例和相关研究较少，我国地源热泵系统在温室中的研究及应用主要集中在北方地区，如中国农业科学院[5]、北京市农林科学院、中国农业大学[6]等单位的实验温室均采用地源热泵系统控制环境温度，而采用地源热泵系统进行温室环境控制在南方地区较为少见。我们以重庆市农业科学院农业生物高科技中试基地的地源热泵系统为研究对象，于2016年开展了地源热泵系统在西南地区温室的应用研究，为今后相关研究及工程实施提供参考。
1 工程设计
1.1 工程概况
农业生物高科技中试基地主要开展蔬菜、果树的组培脱毒快繁技术中试，其温室和组培工厂主要采用地源热泵系统进行温度控制，总空调面积2 407 m2，其中Venlo玻璃温室面积1 344 m2、砖混结构管理房
1 063 m2。根据组培快繁环境条件要求，夏季降温设计温度25 ℃，冬季升温设计温度30 ℃。
1.2 系统设计
地源热泵系统主要由主机泵房、地下埋管系统、空调末端三部分构成[7]。
1.2.1 负荷计算
项目建设地点位于重庆市九龙坡区，参考当地气象参数，夏季通风室外计算温度33 ℃、大气压力97.31 kPa，冬季通风室外计算温度7 ℃、大气压力99.12 kPa。经计算，空调系统的总冷负荷为456.518 kW，总热负荷为233.509 kW。
1.2.2 空调末端
采用地源热泵空调系统，组培工厂室内机采用卧式风机盘管（吊顶安装），温室室内机采用立式风机盘管（落地安装），送、回风口设在吊顶上并通过送、回风管进行室内空气循环。冷冻水供回水温度为7～12 ℃，冷却水供回水温度为32～37 ℃，热水供回水温度为50～60 ℃。
1.2.3 地源热泵主机
系统采用土壤源热泵作为该空调系统的冷热源。采用一台MWH130CEG-C型地源热泵机组，提供空调系统的冷热源，制冷量为516 kW，制热量为538 kW。
1.2.4 地下埋管系统
系统采用土壤作为冷热源系统的热源、热汇。埋管根据建筑周边的空地，布置了3个长方形回路，共计70孔双“U”型埋管。可以根据建筑冷热负荷的变化来调整开启回路的个数，有利于空调系统节能。埋管间距为5 m，埋管采用高密度聚乙烯材料，管径为DN32，埋管的有效埋深为100 m。供水环路的集管与回水环路的集管埋深不小于1.5 m，两者间距为0.6 m。井外换热后，给机组的供水管采用30 mm的橡塑材料保温。水平集管保持2‰以上的坡度。
2 系统节能量计算
2016年8月，对此地源热泵系统夏季降温节能性进行了检测。检测依据及方法、仪器、结果分析如下。
2.1 检测依据及方法
1）《公共建筑节能检测标准》（JGJ/T 177-2009）;
2）《公共场所卫生检验方法第一部分：物理因素》（GB/T 18204.1-2013）;
3）《重庆市公共建筑节能改造节能量核定办法》;
4）农业生物高科技中试基地项目空调用地源热泵系统资料。
2.2 检测仪器
温湿度传感器（hobo u-23），测定室内、外温湿度;超声波流量计，测定主管道水流量;三项钳型功率表，测定机组功率、用户侧水泵功率、地源侧水泵功率;铂电阻传感器，测定进水口温度、出水口温度。
2.3 检测结果
2.3.1 组培工厂和温室的空气湿度、温度采集
对组培工厂和温室内部、外部的空气湿度、温度进行采集、记录，平均每栋建筑布置5个传感器，采集间隔10 min/次，检测结果见表1。
2.3.2 地源热泵系统性能
对地源热泵机组的进水口温度（℃）、出水口温度（℃）、水流量（m3·h-1）、机组功率（kW）、用户侧水泵功率（kW）、地源侧水泵功率（kW）进行采集、记录，采集间隔10 min/次，检测结果见表2。
2.3.3 系统节能量计算
对常规冷源系统与该地源热泵系统的能耗进行比较，根据该建筑的计算冷负荷及其他参数，冷水机组选用螺杆冷水机组WHS 145.2，制冷量为506.8 kW，额定制冷功率114.9 kW;用户侧与地源侧水泵各两台（一用一备），型号为KQL 100/170-15/2，流量为104 m3·h-1，扬程为32 m，额定功率15 kW。根据《重庆市公共建筑节能改造能量核定办法》计算系统节能率。
空调系统季节节能率（%）=空调季节节能量/改造前空调系统季节能耗量×100
计算结果表明，相比常规冷源空调，地源热泵系统夏季降温节能量34.76 kW，系统节能率为23.5%。
3 结论与展望
地源热泵系统具有显著的降温效果和一定的节能性，通过检测分析，在西南地区夏季高温高湿气候条件下，采用地源热泵系统可以在室外平均气温为36.2 ℃的情况下，将温室内温度降低至26.5 ℃。相比常规冷源空调，地源热泵系统夏季降温节能23.5%。
由于采用地埋管換热的形式，西南地区在地源热泵系统工程造价上要远高于北方地区，主要是钻井工程量的增加。目前地源热泵系统在设施农业生产中的应用所需要解决的主要问题是能耗过高，其运行能耗是现有温室传统降温设备的5～6倍，故并不能完全替代现有的降温设备。地源热泵空调更适宜于大规模的集约化、工厂化的生产模式，如生态餐厅、花卉温室、水产养殖育苗等。未来将进一步研究传统降温设备与新能源设备相结合，通过设施改造、控制策略优化，达到最佳的经济性。
参考文献：
[1] 徐伟，刘志坚.中国地源热泵技术发展与展望[J].建筑科学，2013（10）：26-33.
[2] 任子君，贾延宇，赵阳，等.水·地源热泵在我国温室生产上的应用[J].安徽农业科学，2011（7）：4405-4408.
[3] 钟云翔.重庆地区地源热泵系统实测分析及监测策略[D].重庆：重庆大学，2014.
[4] 方慧，杨其长，王柟，等.浅层地热源节能技术及其在设施农业中的应用[J].农业工程学报，2008（10）：286-290.
[5] 方慧，杨其长，孙骥.地源热泵—地板散热系统在温室冬季供暖中的应用[J].农业工程学报，2008（12）：145-149.
[6] 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（3）：249-254.
[7] 赵根，吴伟丽，陈丽萍，等.地源热泵在设施农业中的应用[J].现代化农业，2016（11）：61-63.