热风炉烧煤的好还是用电的好(温室空气源热泵加温系统的应用)

Posted 2023-06-02

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热风炉烧煤的好还是用电的好(温室空气源热泵加温系统的应用)

近几十年来能源危机和地球变暖的全球性问题一直为各国所关注，在此背景下热泵技术成为解决全球环境问题的重要技术手段之一，得到了长足发展和广泛应用。热泵技术于1854年提出，在矿物能源匮乏的欧洲各国和日本，热泵技术的研究和发展一直处于领先地位。由图1可以看出，从20世纪90年代至今，热泵使用量总体处于上升趋势，尤其是在进入21世纪后，更是增速显著，这与热泵技术的发展和各国能源环境的压力是分不开的，同时热泵市场的发展也与各国经济发展水平息息相关。

在温室冬季生产中，加温燃料消耗大，温室气体排放和烟尘污染严重，自2000年以来国内外在温室热泵加温方面进行了广泛尝试，节能率达到了20%~50%。该文在介绍热泵技术基本原理的基础上，阐述热泵省能的原理，结合广东省佛山市三水阳特园艺有限公司使用空气源热泵进行温室加温的实例，总结出利用热泵技术加温温室生产的总体经济效益与社会效益。

热泵加热原理

热泵是消耗机械功，将热量由低温热源传送至高温热源的装置，一般分为水源热泵和空气源热泵，前者由水源吸收热量向高温处传递，后者吸收环境空气热量向高温处传递。水源热泵的水管可以水平布置在地面，还可向地下布置，称为地源热泵。一般地源热泵较地面取热情况要省机械功。因空气热容量较小，地下取热效益不显著，很少有地下空气源热泵情况。热泵依靠外界提供机械功将热量由低温环境送至高温环境，输送相同的热量，温差越大，消耗的机械功就越大，之所以称为泵，是因其将热量由低温处送至高温处，工作原理同水泵消耗机械功将水由低处提至高处类似。冬季采暖加温时，由于地下温度T1要高于地上温度T2（图2），因此从室外地下(T1)将热量向室内(T3)传递消耗的机械功低于由室外地面(T2)向室内(T3)传递相同热量所消耗的机械功，这正是地源热泵节能的原因。

热泵主要构成为压缩机、热能交换器、膨胀阀和空气热交换器（图3），工作时压缩机将气态制冷介质压缩成液态，被压缩的制冷介质温度升高，到达冷凝器（高温热交换器）后向供热端放热，接着制冷介质通过膨胀阀后由液体膨胀变为气体，并迅速进入蒸发器，在此吸收汽化热，热量来自室外空气，吸收低温热源热量的气态制冷介质再进压缩机进行循环压缩。热泵采暖加热性能一般用供热系数COP（CoefficientofPerformance）说明，其计算过程可由图4热力工程学中计算热量的温熵图来近似说明，纵坐标T为温度，横坐标S为熵，面积代表热量，热泵供热的工作过程理想地（忽略各种机械和传热等方面损失）用a-b-c-d4个点的循环过程代表，a-b过程为热泵系统蒸发器由低温吸收热量，b-c过程为压缩机压缩气态介质使其变为液态，c-d过程为冷凝器在高温处放出热量，d-a过程为介质膨胀由液态变为气态。图4中蓝色面积代表由低温环境T2吸收的热量Q1，蓝色面积与红色面积的和为向高温处发出的热量Q2，Q2与Q1的差（红色面积）为所需的机械功W，于是供热系数COP=1+Q1/W，可以看出供热系数COP恒大于1，即能量输出大于能量输入。由于消耗煤、石油、天然气以及直接用电制热时的热效率均小于1，因此热泵系统要比其他制热加温设备的节能效果好。通过热泵的供热系数COP计算时可以看出，提高输出热量的温度将降低热泵的供热系数COP，会消耗更多的机械功；采用地源热或利用工业余热作为低温热源使低温吸热温度增高，可提高供热系数COP。

空气源热泵利用地表环境低温热量，安装方便，运行管理简单，系统初投资较低，应用较广泛，但是冬季运行易结霜导致机组效率降低，因此适合中国长江以南地区使用。地源热泵由地下一定深度的土壤取热，一年四季土壤深处温度相对恒定，受地表季节温度变化影响小，取热效果好，但施工量大，系统初投资高，适合中国北方地区温室冬季采暖加温使用。

温室热泵冬季供热应用实例

该文以广东省佛山市三水阳特园艺有限公司为例介绍热泵实际应用情况。佛山市三水阳特园艺有限公司是一家基于组织培养技术生产花卉种苗的私营企业，拥有设施完善的育苗连栋温室30000多m2以及2000m2的组培生产车间（图5），主要培育品种为白掌、竹芋、蕨、蔓绿绒、观音莲、合果芋、椒草、食虫植物、龙血树、榕树和粗肋草等。该公司地处广东省佛山三水镇，年平均气温为21.9℃，1月最冷达-0.7℃，7月最高为39.1℃。2013年公司引入了空气源热泵模块机组，以5000m2温室为单元，配置空气源热泵系统，每单元配置的热泵模块机组功率为85kW。

空气源热泵冬季温室加温系统（图6）主要由温室外部空气源热泵模块机组和温室内部热量输送管路2部分构成。温室外部空气源热泵模块机组主要为热泵模块机组、补水箱热泵；温室内部热量输送管路又分为热水输送水路和热风疏散风路两部分，水路与风路通过液-气换热器联系在一起。空气源热泵冬季温室加温系统的工作原理是：空气源热泵模块机组由温室外环境吸收热量，通过消耗电力得到的机械功将热量以高温热水形式利用热水管向温室内输送热量，温室内热水管将热量送入每个液-气换热器中，在这里热水将热量交换给温室内部的空气，交换完热量变凉的水通过回水管回流至空气源热泵模块机组，再次循环吸热供热，当水路出现泄漏缺水情况，通过补水箱为热水输送水路补水；对于温室内热风疏散风路，首先通过换热风机驱动空气流经液-气换热器，使热水获取热量后，热风由液-气换热器所处的中部吹入热风送风筒，沿风筒热风被导入温室的两端，接着热风在温室两端布置的循环风机驱动下，被均匀疏散至温室的各个部位，从而实现温室均匀加温目的。

佛山市三水阳特园艺有限公司的温室夏季降温主要可通过内、外遮阳网进行强光遮阳（图7a、b），高温时节再加入湿帘-风机降温系统降温（图7c、d），极端高温天气配以喷雾降温（图7e），在此条件下基本可保证温室内温度不高于30℃（图7f），在近3年的实际生产运行中，均未使用空气源热泵模块机组进行夏季降温作业。

图8为空气源热泵加热系统设备与布置情况，图8a与图8b分别为空气源热泵模块机组和补水箱。如图8c所示，来自空气源热泵模块机组热量的热水输送水路布置在温室内部过道的右侧，热水管再向过道两侧的液-气换热器分别输送热水（图8d）。图8e为布置在温室苗床下部的绿色热风送风筒，材料为塑料薄膜，送风筒一端连接在换热风机上，换热风机固定在液-气换热器上，送风筒另一端开口延伸至温室的边缘处，在换热风机的驱动下温室内空气在液-气换热器内获取热量，再传送至温室的边缘部分，通过循环风机向温室各部位疏散热量，每套液-气换热器、换热风机、热风送风筒及循环风机管控面积为8m×24m的温室区域，另外，也可将热风送风筒一直延伸至温室的边墙，开口端封闭，并按照一定规律沿送风筒长度方向上两侧开出风孔，实现沿路均匀输送热量，这样可以免除使用循环风机。

为减少温室内部的加热负荷，降低热量损失，冬季时在温室内部增设2层塑料薄膜，增加散热热阻，减少加热空间，图8f为在温室立面增设的2层薄膜，冬季会配合苗床长度增加顶层2层保温塑料薄膜，在8m×24m区域内构成较密闭的空间。冬季依靠空气源热泵加热系统对温室进行采暖加温，可使温室内部栽培区域的温度保持在20℃以上，保证了花卉种苗生产对环境温度的需求。

结束语

通过佛山市三水阳特园艺有限公司3年空气源热泵加热系统的冬季采暖加热运行实例证明，无论在经济效益还是在社会效益方面，空气源热泵加热系统都得到了显著回报，具体情况如下：

（1）热泵加温系统节能效果显著。以往采用燃煤对温室采暖加热，普通煤炭价格在1000元/t左右，但排放烟尘较严重，周边住户常投诉，解决的办法是使用1500元/t左右的高级无烟煤，导致冬季温室采暖加温燃料费非常高。采用空气源热泵系统后，一个冬季采暖加温运行费减少至原来的50%。

（2）加热控制精准、操作简单。空气源热泵加热系统加热控制采用微型计算机控制，采暖加热可以根据种植对象的环境要求设定供暖温度，环境温度自动调节，与传统燃煤热风炉采暖加温方式相比，热泵加热系统可自动控制启停，操作过程简单，加热调节迅速，大大提高了温室内部环境温度的控制精度。

（3）空气源热泵加热系统设备紧凑，与传统燃煤加热的锅炉房及煤场相比，占地大大减少，几乎不存在能源物资与人员的管理。

（4）空气源热泵加热系统设备与空调技术相同，技术成熟度高，与传统燃煤加热相比设备故障率大大减少。

（5）由于热泵动力来源于电力，对环境没有废物排放，完全杜绝了烟尘等污染向环境的排放，改善了以往冬季烧煤烟尘排放影响附近居民生活环境的情况，社会效益显著。温室冬季采用空气源热泵加热固然有以上很多优势，但其一次性投资还是相对较大，以本文规模的空气源热泵加热系统来看，一个5000m2单元的总体投资在50万元人民币以上，通过运行的经济收益测算，大概3~4年左右可以回收成本，回收期同地理环境、温室保温情况等因素有直接关系。因此从近几年热泵加热系统在温室的实际应用情况来看，目前热泵加热系统仅在花卉等经济效益较高的行业内应用广泛。

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