分析农业育苗温室太阳能+水源热泵供暖系统

武汉慧泰新能源科技有限公司/万松

　　农业项目冬季供暖目前大多采用传统方式，燃煤、电加热、烧柴等占了能源供应方式的绝大部分。因得不到有效的处理，不可避免地带来了严重的污染问题，使得不少地方农业领域污染比工业还要严重。武汉市东西湖区现代都市农业示范园项目内的东西湖农业科学研究所温室育苗基地，从发展生态农业的角度出发，用清洁能源替代燃煤锅炉，开拓了一条农业项目中太阳能和水源热泵互补节能减排的新道路。

　　1现状分析

　　1.1项目概况

　　本项目位于湖北省武汉市近郊的东西湖区，现有农业温室面积30000m2，冬季主要用来培育农业大棚中的各类农作物幼苗，室内温度严格要求在15~20℃。原有的供暖系统采用燃煤锅炉，通过温室里的镀锌散热管道供热。燃煤锅炉共9t，分别是2台2t，2台2.5t。使用时间由11月20 日至第二年的4月10日，在141天里，共需燃煤400t。配备工人4名，劳动强度大。锅炉的使用情况如图1所示。

　　1.2气象资料

　　武汉市位于中纬度地区（北纬31°22），属于太阳能资源利用的四类地区，全年平均日照数（参照武汉出版社出版2001年版《武汉地理》上标明的）1967.0小时。全年相对日照时间45%[太阳辐射总量（418-502）×104kJ/cm2·a，相当于140~170kg 标准煤]，太阳辐射强度满足太阳能光热利用的要求，属于较好的太阳能资源的地区。11月至第二年的4 月之晴天与阴雨天的天数比例大约为2：1，一月份平均温度为5.6℃。

　　2设计原则和热负荷计算

　　要把原有燃煤锅炉替换掉，选择技术路线对项目成败至关重要。考虑到园区所提倡的现代都市农业和观光农业发展理念，在分析了现有温室布局和供暖管道分布情况后，确定建设方针是环境友好型，要有很好的示范作用，因此，提出的设计三原则是：经济性、可靠性、生态性，并以此来选择清洁能源所遵循的技术路线。

图1锅炉使用情况

　　对热负荷的确立是技术路线选择的前题，根据《温室加热系统设计规范JB/T10297-2001》标准要求和现场数据，计算如下：

　　测量每个温室的四个立面、顶部PC 板、地面总面积数值分别为266.22、266.22、110.4、110.4、5206.08 平方米，围护结构的传热损失计算公式为：

　　3太阳能热水及水源热泵系统设计

　　3.1太阳能供暖系统

　　考虑到园区实际情况，在综合分析了各类能源供给的利弊之后，得出可采纳的清洁能源供暖方式主要为太阳能供暖和热泵供暖。在太阳能方面，由于农业温室育苗区对采光要求严格，园区温室顶部可供安装的面积共3000m2。因此，在这个条件下，结合气象数据和热负荷计算出的采暖季集热器采光面上平均日太阳辐照量JT为：

　　白天采集到的太阳能热量晚上释放到温室大棚里，因此通过增加蓄热水箱将热水保存起来，晚上供暖时再将热水抽出来循环处用。管道中的水体积为47.1m3，加上水温升高之后水体积的膨胀，以及余量容量，水的体积至少为130m3。出水口距离水箱底部为0.15m，同时水箱中水面到顶部需要预留一段距离，综合考虑，确定太阳能集热水箱规格为10000mm（长）×6000mm（宽）×2500mm（高），水箱总体积为150m3。

　　3.2水源热泵

　　通过综合对比各类热泵的技术可行性、运行经济性、维护保养等条件后，加上查询当地的水文、地质资料，得知此地属于长江冲积二级阶梯地区，局部地区相对低洼，地下水十分丰富，类别属于全新统孔隙承压水，水资源量为3998×104m3/a，地下水的渗透系数为10.10~32.48m/d，地下水水量丰富，且紧邻一条河流，周围3 公里无居民区，属于《武汉市水源热泵设计规范》中水源热泵使用的推荐地区。结合实地打井勘探，得出大量数据，武汉勘测设计院报告结论“园区处于武汉市郊区水源热泵系统应用适宜区域”，因此选择水源热泵进行供暖。太阳能和水源热泵互补应用原理如图2所示。

　　热泵功率大小的确定，是结合太阳能供暖系统和气象数据得出的。综合前面计算所得到的结果，供暖季里晴天供暖所需热量为：

　　4控制系统

　　控制系统采用基于PLC的全智能控制方式，并通过计算机、传感器和现代通信技术综合控制，可对太阳能集热循环控制、热泵加热系统控制、储水箱状态监控以及温室内温度适时监控。具体功能有：

　　1. 太阳能集热系统的温差循环功能。当集热器温度与水箱中水温温差≥10℃时，自动启动开始温差循环，当两者温差≤2℃时，循环泵自动停止。

　　2. 当太阳能集热系统管路中温度低于0℃时，开启排空电磁阀，将集热系统中的水排至水箱中，以防止循环管路冻堵。

　　3. 在分水器的各个管道接口处增加电磁阀，当某个区域不需要进行供暖时，通过传感器及软件控制，使电磁阀关闭达到节能。

　　4. 在温室内安装若干管道温度传感器并实时显示在监控室屏幕上。当温度低于设定值时热泵开启，当温度高于某一设定值时，通过控制变频循环水泵的转速进而达到调节流量目的。

　　5. 检测热泵机组的回灌水温度，根据回灌水温度变化控制变频深井泵的转速，从而满足热泵机组水的流量需求。

　　6. 水箱的合适位置安装温度传感器以及水位传感器，实时监控并显示水箱内部工况。

　　5经济和环境效益

　　由于太阳能是可再生能源，使用成本低。而水源热泵系统COP值达4~5之间，也具有良好的经济效益，因此，该系统运行成本十分经济。

　　除此之外，环境效益也是很可观的，根据本文数据，结合计算公式：

　　6结语

　　通过对农业育苗温室项目中太阳能+ 水源热泵供热系统的应用分析，充分证明了在农业中规模化利用可再生能源技术，可实现能源供应的清洁化，且运行成本与现有燃煤成本相当，达到节能、环保、绿色、生态建设目的。在系统的控制技术方面，综合运用计算机、物联网+、传感器、自动控制技术、移动终端等对整个系统进行监测、控制，使供暖系统具有良好的操作便利性、界面可视性、监测智能性、数据可靠性和结果准确性。