地?zé)崴疁厥夜嵯到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要

摘要：將地?zé)崴鳛檗r(nóng)業(yè)溫室的熱源，溫室內(nèi)采用地面輻射供暖技術(shù)，充分利用地?zé)豳Y源，降低地?zé)嵛菜疁囟?。介紹了地?zé)崴疁厥夜嵯到y(tǒng)的流程，計(jì)算了溫室供熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷。結(jié)合工程實(shí)例
摘要：將地?zé)崴鳛檗r(nóng)業(yè)溫室的熱源，溫室內(nèi)采用地面輻射供暖技術(shù)，充分利用地?zé)豳Y源，降低地?zé)嵛菜疁囟?。介紹了地?zé)崴疁厥夜嵯到y(tǒng)的流程，計(jì)算了溫室供熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷。結(jié)合工程實(shí)例，以費(fèi)用年值為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對(duì)供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：地?zé)崴?；溫室；地面輻射供暖；費(fèi)用年值；優(yōu)化設(shè)計(jì)
Optimized Design of Geothermal Water Heating System in Greenhouse
ZHANG Wei，ZHANG Jie
Abstract：Geothermal water is used as the heat source for agricultural greenhouse where the floor radiant heating technology is applied，which can make full use of geothermal resource and decrease the temperature of geothermal tail water.The flow process of geothermal water heating system in greenhouse is introduced，and the heat load of the greenhouse heating system is calculated.Using annual cost as economic indicator，the design parameters of the heating system is optimally designed based on an engineering example.
Key words：geothermal water；greenhouse；floor radiant heating；annual cost；optimized design
1 概述
    地?zé)崮茏鳛橐环N新型能源，目前已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)溫室供熱。2005年，我國(guó)地?zé)釡厥夜嶝?fù)荷已達(dá)103MW，居世界第5位[1]。在地?zé)釡厥夜峁こ讨?，?yīng)考慮地?zé)豳Y源的特點(diǎn)，如地?zé)崴疁囟群拓?fù)荷能力相對(duì)固定，應(yīng)采用適合的供熱系統(tǒng)；地?zé)崴g、結(jié)垢問(wèn)題，需要在供熱系統(tǒng)中采取防腐蝕、防結(jié)垢的措施；特別需要采用適合的散熱設(shè)備，降低地?zé)嵛菜欧艤囟?，提高地?zé)崂寐?。地面輻射供暖系統(tǒng)供水溫度較低，而且可使地?zé)嵛菜欧艤囟冗_(dá)到40℃以下，從而充分利用地?zé)崮?。本文?duì)采用地面輻射供暖系統(tǒng)的地?zé)崴疁厥夜嵯到y(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
    地?zé)嶝?fù)荷比例為地?zé)岢袚?dān)的熱負(fù)荷與溫室所需最大熱負(fù)荷之比。對(duì)于天津地區(qū)，雖然室外溫度較低，但溫室所需較大供熱負(fù)荷的累計(jì)時(shí)間并不很長(zhǎng)。若設(shè)計(jì)采用地?zé)嶝?fù)荷比例為100%，會(huì)造成大多數(shù)時(shí)間系統(tǒng)處于非滿負(fù)荷運(yùn)行，地?zé)嵛菜欧艤囟容^高，地?zé)崮艿貌坏匠浞掷?，并造成供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量偏大，造價(jià)過(guò)高。因此，在設(shè)計(jì)地?zé)崴疁厥夜嵯到y(tǒng)時(shí)，需要對(duì)地?zé)嶝?fù)荷比例進(jìn)行優(yōu)化選擇，利用地?zé)崮軡M足基礎(chǔ)負(fù)荷，利用峰荷熱源滿足尖峰負(fù)荷。
2 系統(tǒng)流程
    地?zé)崴疁厥夜嵯到y(tǒng)流程(見圖1)由換熱器、地埋管、峰荷熱源、循環(huán)泵、溫度傳感器、控制器、三通閥等組成。換熱器將地?zé)崴c供熱介質(zhì)隔開，防止地?zé)崴畬?duì)供熱管道的腐蝕及結(jié)垢。地埋管安裝在溫室內(nèi)地面下，向溫室散熱。控制器在采集室內(nèi)溫度、供熱介質(zhì)供回水溫度和地?zé)崴疁囟葦?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行分析計(jì)算，控制三通閥的啟閉和峰荷熱源工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)補(bǔ)充熱量，滿足供熱要求。在設(shè)計(jì)地?zé)崴疁厥夜嵯到y(tǒng)時(shí)，需要掌握的地?zé)峋畢?shù)為：地?zé)崴疁囟?、水量、水位、水質(zhì)狀況。地?zé)崴疁囟取⑺靠梢源_定地?zé)崴淖畲蠊嶝?fù)荷，地?zé)崴挥糜跐撍玫倪x型，水質(zhì)狀況用來(lái)判斷地?zé)崴母g結(jié)垢趨勢(shì)。
  

3 相關(guān)參數(shù)的計(jì)算
    ① 耗熱量
溫室耗熱量由3部分組成：溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失、冷風(fēng)滲透熱損失、地面熱損失[2]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失Ф1的計(jì)算式為：
 
式中Ф1——溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失，W
    n——圍護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)量
    Kj——第，種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)
    Aj——第j種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面積，m2
    ti——供暖室內(nèi)計(jì)算溫度，℃
    t0——供暖室外計(jì)算溫度，℃
    冷風(fēng)滲透熱損失Ф2的計(jì)算式為：
    Ф2=0.5kVN(ti-t0)    (2)
式中Ф2——冷風(fēng)滲透熱損失，W
    k——風(fēng)力因子
    V——溫室內(nèi)空氣體積，m3
    N——換氣次數(shù)，h-1
工程上可將溫室的地面按與外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的距離分成三個(gè)區(qū)域，不同區(qū)域按各自的傳熱系數(shù)和面積計(jì)算地面熱損失Ф3：
 
式中Ф3——地面熱損失，W
   Kj,grd——第i區(qū)地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)
   Aj,grd——第i區(qū)地面面積，m2
② 地埋管管長(zhǎng)
地埋管管長(zhǎng)L的計(jì)算式為：
 
式中L——地埋管管長(zhǎng)，m
    ФP——地埋管的供熱負(fù)荷，W
    h——地埋管中心埋深，m
    d——地埋管外徑，m
    λ——土壤熱導(dǎo)率，為1.0～2.4W/(m·K)
    △tm——地埋管的對(duì)數(shù)平均溫差，℃
   ③ 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)
將費(fèi)用年值作為地?zé)崴疁厥夜嵯到y(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，費(fèi)用年值F的計(jì)算式為[3]：
 
式中F——費(fèi)用年值，元/a
    Fr——年運(yùn)行費(fèi)用，元/a
    Fc——系統(tǒng)造價(jià)，元
    p——年利率
    m——使用年限，a
4 優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例
    以天津地區(qū)某溫室為例，溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)為單層玻璃，溫室長(zhǎng)×寬×高=45.0m×12.0m×3.2m，立面面積為303.6m2，屋頂面積為408.6m2，溫室空氣體積為1566m3。
    溫室內(nèi)種植喜溫的瓜果蔬菜，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為12℃，天津地區(qū)采用的溫室室外設(shè)計(jì)溫度為-11℃。單層玻璃傳熱系數(shù)為6.4W/(m2·K)，換氣次數(shù)取1.1h-1，風(fēng)力因子為1.0。JB/T 10297—2001《溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：計(jì)算點(diǎn)距外圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離≤10m時(shí)，地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取0.24W/(m2·K)。經(jīng)計(jì)算可得，供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為127.6kW。地?zé)峋跍囟葹?5℃，水量為80m3/h，為腐蝕型地?zé)崴|(zhì)。采用水源熱泵作為峰荷熱源。
    地?zé)嶝?fù)荷比例、地埋管供回水溫差、外徑影響系統(tǒng)造價(jià)和年運(yùn)行費(fèi)用，因此在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中需要綜合考慮以上3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的費(fèi)用年值，將費(fèi)用年值最小作為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)造價(jià)包括換熱器、地埋管、峰荷熱源的造價(jià)，年運(yùn)行費(fèi)用包括供熱系統(tǒng)循環(huán)泵的電費(fèi)、熱泵機(jī)組的電費(fèi)。
    已知參數(shù)：鈦板換熱器單位換熱面積的造價(jià)為7000元/m2，外徑分別為20、25、32mm的地埋管單位長(zhǎng)度造價(jià)為3.3、4.8、8.2元/m，熱泵機(jī)組單位制熱量的造價(jià)為0.5元/W，電價(jià)為0.7元(kW·h)，同時(shí)使用系數(shù)為0.6，年利率為10%，使用年限為20年，循環(huán)泵效率為0.77，供熱系統(tǒng)年運(yùn)行時(shí)間為4481h/a。地埋管的中心埋深設(shè)定為15cm，地埋管供水溫度設(shè)定為45℃。
    優(yōu)化方法為：根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)特點(diǎn)進(jìn)行試算，首先在3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)中確定地?zé)嶝?fù)荷比例，然后利用供回水溫差的試算值，求得在該條件下外徑的優(yōu)化值，最后以確定的地?zé)嶝?fù)荷比例、外徑為條件，對(duì)供回水溫差進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)最初的試算值進(jìn)行驗(yàn)證。
    選取適中的地埋管回水溫度(30℃)、地埋管外徑(25mm)，不同地?zé)嶝?fù)荷比例下的費(fèi)用年值見圖2。由圖2可知，采用適中的地?zé)嶝?fù)荷比例，可獲得較低的費(fèi)用年值。通過(guò)分析計(jì)算，不同供回水溫差、地埋管外徑下均存在類似的規(guī)律，因此可以確定地?zé)嶝?fù)荷比例為80%時(shí)，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最好。

    當(dāng)?shù)責(zé)嶝?fù)荷比例為80%時(shí)，以地埋管供、回水溫度為45、30℃為試算值，計(jì)算不同外徑下的系統(tǒng)造價(jià)、年運(yùn)行費(fèi)用、費(fèi)用年值(見表1)。由表1可知，外徑較大時(shí)，由于阻力變小，年運(yùn)行費(fèi)用將隨之變小，地埋管長(zhǎng)度也會(huì)縮短，但大管徑的管材價(jià)格較高，導(dǎo)致系統(tǒng)造價(jià)提高。因此，外徑選用25mm較為適宜。
    當(dāng)?shù)責(zé)嶝?fù)荷比例為80%、地埋管外徑為25mm時(shí)，對(duì)地埋管供回水溫差進(jìn)行優(yōu)化。不同地埋管供回水溫差下的費(fèi)用年值見圖3。由圖3可知，費(fèi)用年值在地埋管供回水溫差為15℃時(shí)最小。通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)可知，當(dāng)?shù)責(zé)嶝?fù)荷比例為80%、地埋管供回水溫差為15℃、地埋管外徑為25mm時(shí)，地?zé)崴疁厥夜嵯到y(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最好。
表1 不同外徑下的系統(tǒng)造價(jià)、年運(yùn)行費(fèi)用、費(fèi)用年值
外徑/mm
系統(tǒng)造價(jià)/元
運(yùn)行費(fèi)用/(元·a-1)
費(fèi)用年值/(元·a-1)
20
40901
36302
41106
25
48548
13433
19136
32
76577
11036
20251
 

5 結(jié)論
    ① 地?zé)崴疁厥夜嵯到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)考慮地?zé)崮芾玫奶攸c(diǎn)，提高地?zé)崂寐?，使地?zé)岢袚?dān)基礎(chǔ)負(fù)荷，峰荷熱源承擔(dān)尖峰負(fù)荷。
    ② 地?zé)崴疁厥夜嵯到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮地?zé)嶝?fù)荷比例、地埋管供回水溫差、外徑對(duì)費(fèi)用年值的影響，得到經(jīng)濟(jì)性最好的設(shè)計(jì)參數(shù)。
參考文獻(xiàn)：
[1] LUND T W.Direct application of geothermal energy：2005 worldwide review [J].Geothermics，2005(34)：710-711.
[2] 中國(guó)家業(yè)機(jī)械化學(xué)研究院環(huán)境工程設(shè)備研究開發(fā)中心.JB/T 10297—2001溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：機(jī)械科學(xué)研究院，2001.
[3] 王建強(qiáng).太陽(yáng)能-地下水源熱泵系統(tǒng)研究(碩士學(xué)位論文)[D].天津：天津大學(xué)，2004：16-20.
 
(本文作者：張偉1 張杰2 1.天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 天津 300072；2.天津市管道工程集團(tuán)有限公司 天津 300091)