某溫室工程設計冷熱源方案分析

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　摘要：以北京市某具體的溫室工程設計為例，對幾種不同冷熱源組合形式進行了比較。通過技術及經(jīng)濟性特點分析，最終確定污水水源熱泵系統(tǒng)作為工程中的冷熱源，為實際工程中溫室空調(diào)形式的選擇提供了參考。

　　關鍵詞：溫室；冷熱源；污水水源熱泵

　　1.工程概況

　　本工程位于北京市大興區(qū)，當?shù)啬昶骄鶜鉁?1.0℃，1月平均最低氣溫-4.8℃，7月平均最高氣溫25.8℃，采暖溫度-9℃，極端最低氣溫-27.4℃，全年無霜期209天，供暖期長達130天。溫室為北京市大興區(qū)新鳳河水環(huán)境治理工程中的一個子工程，屬亞行貸款項目。新鳳河水環(huán)境治理工程是利用黃村污水處理廠的中水作為水源，一部分通過人工濕地凈化系統(tǒng)處理作為新鳳河李營閘以下河段的環(huán)境用水，一部分中水直接作為河道生態(tài)用水供新鳳河李營閘以上河段使用，為河道提供景觀用水并為下游提供灌溉用水。

　　2.溫室簡介

　　溫室是以采光覆蓋材料作為全部或部分圍護結構材料，在冬季或其它不適宜植物露地生長的季節(jié)供栽培植物的建筑。生活中我們常見的玻璃育花房和蔬菜大棚就是典型的溫室。溫室主要使用原理是讓陽光直接照射進溫室，加熱室內(nèi)空氣，而同時玻璃或透明塑料薄膜又可以不讓室內(nèi)的熱空氣向外散發(fā)，使室內(nèi)的溫度保持高于外界的狀態(tài)，以提供有利于植物快速生長的條件。這樣溫室形成了兩個特點：溫度較室外高、不散熱。

　　根據(jù)溫室的最終使用功能，可分為生產(chǎn)性溫室、試驗（教育）性溫室和允許公眾進入的商業(yè)性溫室。蔬菜栽培溫室、花卉栽培溫室、養(yǎng)殖溫室等均屬于生產(chǎn)性溫室；人工氣候室、溫室實驗室等屬于試驗（教育）性溫室；各種觀賞溫室、零售溫室、商品批發(fā)溫室等則屬于商業(yè)性溫室。

　　本文所介紹的溫室坡面和三個側(cè)面均為玻璃結構材料，另一側(cè)面緊貼水環(huán)境治理工程的中心控制室（新鳳河水環(huán)境治理工程的一個組成部分），主要為水環(huán)境治理過冬綠化提供植物培養(yǎng)種苗。該溫室占地面積1300m2，位于大興區(qū)郊外新鳳河河畔，是一棟把使用功能和景觀揉為一體的建筑物，但需獨立配置采暖空調(diào)設施。

　　3.冷熱源方案比較

　　采暖方式和采暖設備選擇是一個涉及溫室投資、 運行成本、生產(chǎn)經(jīng)濟效益的問題。因此，在設計方案階段，應充分考察工程的特點，對溫室所可能采用的熱源方式進行詳細比較分析。分述如下：因工程所處位置遠離城市供熱管網(wǎng)，溫室的熱源需要自行解決。常用的熱源設備從燃料選用上可分為：燃油式、燃氣式、燃煤式和電熱式等四種。其中燃氣式的設備裝置最簡單，造價最低，但氣源上沒有保證。

　　燃油式的設備雖然具有設備簡單、操作簡便、自動化控制程度高、造價也比較低、占地面積比較小及土建投資低等，但燃油設備的運行費用相對較高，相同的熱值比燃煤費用高3倍以上。盡管燃煤式的設備最復雜，操作也比較復雜，需要鍋爐工人責任心強，精心操作，并且燃煤式設備費用最高，土建費用比較高，但燃煤設備運行費用是各種熱源設備中最低的。燃煤式設備最重要的缺點是污染空氣和環(huán)境，與本工程的環(huán)保主題不一致。 電能是最清潔、方便的能源，但電能是二次能源，本身比較貴，且當?shù)仉娏ω摵梢草^為緊張，為此還需再配套電力增容設施。若能充分考慮電能峰谷價差的優(yōu)惠，電能也是一個可選項。（設計溫室白天熱負荷較低約為總負荷的1/4，夜間熱負荷最高。剛好符合谷峰電價的使用要求，運行成本將比白天用電低1-2倍。）對南方地區(qū)而言，采暖期短熱負荷低，采用燃油式的設備比較好。但對北京而言，冬季加溫時間長（采暖天數(shù)130天），采用燃煤熱水鍋爐雖然一次投資比較大，但可以節(jié)約運行費用，長期計算還是合適的。

　　溫室供熱系統(tǒng)選擇應結合初投資、運行成本、生產(chǎn)技術水平、操作管理簡單、設備可靠性及環(huán)保等諸方面綜合考慮。除上述幾種形式外地熱、水源熱泵也可解決冬季供暖問題。

　　地熱作為新能源的一種應合理規(guī)劃，尤其需重點解決好水資源的合理使用問題。深層水為數(shù)萬年前形成的一次性優(yōu)質(zhì)水，具有不可再生性。而工程所處位置是否具有該資源，且開發(fā)費用都是未知數(shù)，且北京水資源嚴重短缺該方案不予考慮。

　　水源熱泵系統(tǒng)，夏季供冷冬季可供熱。該種供熱方式效率能效比可高達4.1，供冷效率能效比可達4.2-5.1，較單純電熱采暖效率高的多，但需要有連續(xù)穩(wěn)定的水源作保證。水源熱泵與鍋爐（電、燃料）的供熱系統(tǒng)相比，水源熱泵具有明顯的優(yōu)勢。鍋爐供熱只能將90%～98%的電能或70%～85%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶使用，因此水源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量。由于水源熱泵的水源溫度（12～28℃）全年較為穩(wěn)定，其制冷、制熱系數(shù)可達3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調(diào)的50～60%.從工程現(xiàn)有條件來看：連續(xù)穩(wěn)定的水源只有來自污水處理廠的中水可以滿足，能否采用中水作為該工程的水源呢？若采用中水水源熱泵該工程還會成為此項目的一個設計亮點。

　　經(jīng)考察研究，只要采用適于污水運行的換熱器，利用城市污水的水量大、水溫適宜的特點，就可形成一套特殊的水源熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)可充分利用城市污水處理廠二級出水（水溫12～28℃）作為水源，合理利用出水的流量和溫差進行制冷和供熱，而不影響二次出水的后續(xù)回用。對城市污水水源熱泵系統(tǒng)而言，由于水源穩(wěn)定，設備的制冷、供熱效果將會有可靠的保證。經(jīng)與設備生產(chǎn)商和業(yè)主的多次溝通，最終確定采用污水水源熱泵機組作為本工程的冷熱源。

　　隨著可持續(xù)發(fā)展和公眾環(huán)保意識的提高，世界利用能源的結構都正在轉(zhuǎn)變，從原有的煤、石油取暖過渡到以天然氣及電等清潔能源。北京作為大氣污染最為嚴重的城市之一，其治理大氣污染的政策中就包括能源結構的調(diào)整，從以煤為主改為天然氣和電力替代能源。但是，替代能源雖然可以部分解決大氣污染的問題，而天然氣和石油等都屬于不可再生的能源，從可持續(xù)發(fā)展的角度看，必須提高能源利用效率或者尋找可以再生的能源。本工程中提出的利用集中城市生活污水作為水源的污水水源熱泵，提取低位能源進行制冷、供暖，既節(jié)能又環(huán)保，具有一定的現(xiàn)實意義。

　　4.溫室設計

　　基于上述分析比較，考慮節(jié)能環(huán)保的要求，通過論證考察，確定對現(xiàn)有的污水進行重新利用，即采用污水水源熱泵作為溫室的供熱方案。本工程的水源中央空調(diào)系統(tǒng)是由末端系統(tǒng)（室內(nèi)空氣處理末端等）、水源中央空調(diào)主機系統(tǒng)（又稱為污水水源熱泵）和水源水系統(tǒng)三部分組成。

　　4.1 污水水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)該水源中央空調(diào)系統(tǒng)主要為中控室及辦公區(qū)（468m²）提供冷暖負荷及溫室（1300 m2 ）提供采暖負荷。中控室及辦公區(qū)采用風機盤管和新風換氣機系統(tǒng)，溫室采用散熱器和暖風機系統(tǒng)。由于該溫室為生長型溫室，因此要求設計溫度在16℃-35℃之間，以滿足溫室植物生長需求。

　　夏季溫室采用濕簾機械通風降溫和自然通風降溫兩種通風方式，以滿足不同室外氣候條件下的需求。溫室在縱向兩側(cè)相對墻上布置有17個電控百葉風閥分成上下兩組，滿足自然通風需求；同時還設置了9臺通風量為31500 m3/h的軸流風機，在自然通風不能滿足時使用。

　　同時還設置的6臺通風量為3240m³/h暖風機以彌補冬季散熱器采暖的不利影響，將聚集在高處的熱空氣，利用射流卷吸的方式帶到溫室下部，降低室內(nèi)溫度梯度并具有經(jīng)濟節(jié)能的效果。水源水系統(tǒng)采用濕地景觀水池和污水廠來水兩路，當景觀水池水量有保證時優(yōu)先采用（此水質(zhì)較污水廠來水好）。

　　水源熱泵選用一臺高溫型水源熱泵機組，制冷量為270KW ，制熱量為327KW；系統(tǒng)采用大小不同的兩組循環(huán)泵，供冬季和夏季工況使用。詳見附圖。

　　4.2 系統(tǒng)特點該方案屬經(jīng)濟有效的高效節(jié)能技術，城市污水的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源。

　　環(huán)境效益顯著，該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。

　　運行穩(wěn)定可靠，水源的溫度（常年溫度在12-28℃）一年四季相對穩(wěn)定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動。是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。

　　5.現(xiàn)實意義

　　城市污水水源熱泵系統(tǒng)，水源穩(wěn)定可靠，設備的制冷、供熱效率高。該系統(tǒng)運行能量利用率夏季的效能系數(shù)可達4.2-5.1，冬季制熱系數(shù)可達4.1以上，是一種經(jīng)濟、高效、節(jié)能的熱泵系統(tǒng)。系統(tǒng)能有效地利用污水低位熱能，替代傳統(tǒng)的供暖、制冷系統(tǒng)，具有明顯的環(huán)保效益、社會效益和經(jīng)濟效益，是一種可以在污水處理行業(yè)推廣的新技術，有廣泛的發(fā)展前景和推廣意義。