北京市某農藝園地熱溫室供熱系統節能改造

武亞麗 狄育慧 姜 輝

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北京市某農藝園地熱溫室供熱系統節能改造

武亞麗1狄育慧1姜 輝2

（1.西安工程大學環境與化學工程學院 西安 710048；2.北京市地質工程勘察院 北京 100048）

以北京市某農藝園地熱溫室供熱系統為例，分析了目前中低溫地熱能利用普遍存在的利用溫差小、效率低等問題，并針對系統存在的問題提出了相應的改造方案以及系統節能改造后的節能分析。系統通過結合熱泵機組梯級綜合利用地熱能的改造后，供熱系統不僅可以實現節能運行，并且降低了尾水溫度，提高地熱水資源利用率。

溫室栽培；地熱供熱；梯級利用；節能

0 引言

我國是溫室栽培起源最早的國家，在2000多年前就已能利用保護設施（溫室的雛形）栽培多種蔬菜[1]，溫室栽培技術在近代取得了長足的進步。鑒于我國是一個大陸性、季風性氣候極強的國家，冬季嚴寒，為了避免氣候條件的影響，常要靠消耗礦物燃料以燃煤、燃油、燃氣、電鍋爐等形式來維持溫室作物生育的適溫，在我國35°N左右地區的溫室，冬季加熱耗能約占總生產成本的30%～40%；在40°N左右的地區，占40%～50%；43°N以上的地區占60%～70%[2]。為了避免對環境污染和礦物燃料的消耗，開發利用地熱能等清潔可再生能源，降低能耗費用，是今后發展溫室的一個重要課題[3]。

本文是基于地熱能應用于溫室供熱的研究，目前地熱水主要應用于住宅供暖、熱水供應系統等，用于農業園藝方面較少。我國對地熱水的利用與國外相比，還存在不小的差距，主要表現在熱能利用率低、棄水量大且水溫高、資源浪費嚴重和地熱利用設備落后。國家提倡“品味對口，梯級利用”，結合熱泵技術梯級綜合利用地熱資源。Toyoki Kozai采用燃油驅動地下水式熱泵系統在日本的一棟溫室中進行供暖研究[4]，機組性能系數（COP）達到2.16，比直接采用燃油加熱器節能50%。Onder Ozgener和Arif Hepbasli采用一套小型太陽能輔助-地埋管式熱泵系統給一棟約50 m2溫室進行供暖[5]，系統供暖系數COP約為2.27。方卉，楊其長等在北京一棟Ven lo型連棟溫室中進行了GSHP供暖的研究[6]，上述研究均證實了熱泵技術在溫室供暖中具有較高的COP。

如何科學地設計改造地熱溫室供熱系統，既能滿足作物的生長需要，又能合理、科學、高效地利用地熱水資源，保護環境，是溫室生產中一項亟待解決的問題。文章將以北京市某農藝園地熱溫室供熱系統為例，結合熱泵、梯級利用技術，提出對現有的地熱系統節能改造。

1 項目概況

北京市某農藝園是集高科技生產、凈菜加工、休閑娛樂、科普教育為一體的鄉村田園風光的旅游觀光景區。地熱資源主要用于農藝園內溫室大棚取暖及溫泉療養中心建設。

1.1 地熱井概述

共完成兩眼地熱井施工，一眼開采井、一眼回灌井，均為新建探采結合井。井區處于高麗營斷裂與順義斷裂之間，屬于來廣營凸起。來廣營凸起的北、東、南部都在侏羅系之下找到了良好的地下熱水，附近斷裂構造發育，熱儲層埋藏較深，屬于地熱開發的高溫區，地熱前景較好。該地區主要熱儲層為奧陶系灰巖和薊縣系霧迷山組白云巖，地熱井揭露該兩套地層深度為3528～3951.60m，平均100m地熱增溫率（地溫梯度）為2.12℃，于2005年7月13日鉆進至4051.30m終孔，日出水量1399.313m3，單位出水量0.134L/s·m，出水溫度84℃，降深120.91m，建議的地熱井允許開采量為1000m3/d。。

地熱井地下熱水水化學類型屬于HCO3-?SO42--Na+?Ca2+型，pH值7.43屬于中性偏堿性水，礦化度為549mg/L，屬于非腐蝕、鍋垢很少的淡溫泉水。氟化物、偏硅酸、溫度、礦化度均達到規定的理療礦泉水命名條件，可命名為氟化物、偏硅酸型淡溫泉水，有促進骨骼發育，治療多種皮膚疾病，清潔消炎的功效。

1.2 地熱水用途

本項目地熱井的用途為地熱供暖及溫泉療養。溫室大棚所需供暖面積為24000m2，供暖熱負荷按120W/m2估算，冬季采暖總熱負荷為2880kW，采暖末端采用光管散熱器，供水60℃，回水55℃。此外，采用地熱水作為朝來農藝園內的溫泉洗浴和醫療保?。此熤行模┯盟?，水療中心接待能力不少于600人/d，根據[7]規定，大型公共浴室的熱水用水定額為每人每次500L，水療中心內泡池每天用水按100m3計算。

1.3 該農藝園地熱系統簡介

地熱開采井內安裝熱水潛水泵，型號為250QJR50-210/7型，額定流量50m3/h，額定揚程210m。熱水潛水泵采用變頻調速器控制，根據地熱系統需水量恒壓變量供水。該地區地熱水中Cl-和SO42-含量較高，對金屬管道有腐蝕性，該溫室供暖系統并聯使用3個防腐蝕型鈦板式換熱器，將地熱水水溫從84°C降到45°C，地熱水流量為1000m3/d，可以提供的總熱量為1889.9 kW，其余所需熱負荷由燃氣鍋爐提供。經過換熱的400m3/d（約16.6m3/h）45℃回水經過水處理設備供水療中心用水，剩余600m3/d（約25m3/h）供暖回水由回灌井回灌至與開采井相同的儲層中。

水療中心用水先進入水箱曝氣，再流經除鐵罐和除硫化氫凈化罐，除去水中過量的鐵、錳和硫化氫及其他雜質異色后，供給用戶溫泉療養用水。主要設備有：加壓泵、變頻調速器、曝氣裝置、調節水箱、除鐵罐、除硫化氫凈化罐、內外熱鍍鋅鋼管、水溫和壓力傳感器、閥門和管件等。

1.4 該農藝園供熱系統存在的問題

該項目供熱系統屬于直接利用地熱水，僅僅通過板式換熱器換熱為溫室提供熱量。雖然較大的溫降可以減少地熱水利用級數，系統相對簡單，便于控制。但是，由于地熱尾水排放溫度較高（40℃左右），不僅造成了資源的浪費，地熱利用效率只有40%左右[8]，而且造成了對環境的熱污染[9]。

地熱資源是集熱、礦、水的特質為一體的寶貴的綠色資源，在開發利用地熱水資源時，應該充分考慮其多種用途，堅持從高溫到低溫的梯級利用，最大程度地利用各個溫度級別的地熱水。

2 該農藝園地熱系統改造方案

2.1 改造方案

為了降低地熱尾水溫度，實現地熱尾水熱回收，節約能源，保護環境，改造方案將換熱后的低溫地熱水通過熱泵技術進行加熱處理，達到梯級利用的目的，提高地熱利用率，擴大采暖規模[10]。

根據項目地熱供暖所需總負荷、供暖方式、末端形式等綜合核算，設計地熱井開采量1000m3/d（約41.6m3/h）即可滿足朝來農藝園項目要求。改造為1級直接利用地熱水和2級間接利用地熱水。工藝流程見圖1。

（1）一級換熱系統（地熱水直接換熱供暖）

地熱井出水溫度為84℃的地熱水可以直接作為溫室供暖的熱源，地熱水通過板式換熱器進行第一級的熱量交換，利用此熱量對溫室進行供暖。地熱水在此階段中通過板式換熱器進行熱交換后的回水溫度為60℃，地熱水流量為1000m3/d，可以提供的總熱量為1163kW，可供暖面積將達到9692m2。換熱后的地熱水進入二級換熱系統。

（2）二級換熱系統（地熱水結合水源熱泵）

第一級熱量交換后60℃的地熱水再進行第二級的熱量交換，并結合高溫水源熱泵系統對溫室大棚進行供暖。在此階段中，地熱水的溫度可以從60℃降低至45℃，地熱水流量為1000m3/d，結合高溫水源熱泵機組PSRHH2502C-Y，可以提供的總熱量為969.2kW，可供暖面積將達到8076m2。換熱后的地熱水進入三級換熱系統。

（3）三級換熱系統（地熱水結合水源熱泵）

第二級熱量交換后45℃的400m3/d地熱回水用于朝來農藝園內的溫泉洗浴和醫療保?。此熤行模┯盟?。剩余600m3/d的45℃的二級換熱地熱回水，結合高溫水源熱泵機組PSRHH2202C-Y進行第三級的熱量交換，對溫室大棚繼續進行供暖。在此階段中，地熱水的溫度可以從45℃降低至25℃，結合高溫水源熱泵系統可以提供的總熱量為775.3kW，可供暖面積將達到6461m2。此部分供暖后的回水回灌。

通過第一級、第二級和第三級的熱量交換后，地熱水的溫度已經從84℃降低至了25℃，地熱水利用溫差由39℃擴大到59℃，由整個供暖系統共計可提供約24229m2的溫室大棚的冬季供暖，完全能夠滿足該農藝園冬季24000m2的供暖要求。

圖1 地熱資源梯級綜合利用流程圖

2.2 節能節水措施

（1）溫室大棚可在陽光充足時打開保溫被，接受太陽能直射，達到溫室內部升溫效果，減少地熱水開采量。

（2）該系統水療中心的地熱污水經中水處理后可用于開發區內綠地灌溉、景觀用水、衛生潔廁、洗車等，實現地熱水資源的充分循環利用，末端廢水最終匯入市政污水管網。

（3）在每年冬季的初寒和末寒階段，溫室大棚供暖所需的熱量較少，所以只需要開啟系統中的一級換熱（即地熱水直接換熱供暖），即可滿足供暖要求，待天氣逐漸變冷后再逐步開啟二級和三級換熱（水源熱泵系統），逐步使用水源熱泵系統進行供暖，從而極大了降低了運行成本，也避免了地熱資源的浪費。

3 與原方案對比的節能分析

該項目采用地熱資源梯級開發循環利用集約化工藝后，地熱能利用率由52.7%擴大到78.7%，由下式計算[11]：

改造后的方案采用三級換熱的地熱直供與熱泵機組相結合的復合供暖方式，開采量不變的情況下，即可滿足全部溫室大棚冬季供暖的總熱負荷需求。實現了地熱資源的優化配置，具有較好的經濟效益和環境效益，響應了北京市政府提倡的利用清潔能源、保護首都環境的號召，社會效益更是不可估量。

（1）經濟效益分析

改造后增加的運行費用主要是2臺熱泵機組的耗電費用。二級換熱系統中的PSRHH2502C-Y型熱泵機組在制熱工況下，單臺機組制熱量980kW，輸入功率201.8kW，按設計熱泵機組制熱量達到969.2kW即可滿足負荷要求，因此，熱泵機組的實際能耗按比例調整為199.58kW。三級換熱系統中的PSRHH2202C-Y型熱泵機組在制熱工況下，單臺機組制熱量829.5kW，輸入功率173.6kW，按設計熱泵機組制熱量達到775.3kW即可滿足負荷要求，因此，熱泵機組的實際能耗按比例調整為162.26kW。能耗合計增加了361.84kW。

通過對熱泵機組運行時間的調研和統計，可得北京地區冬季供暖天數為120天，平均每天工作10小時。全年30%的時間下是全負荷運行，40%的時間下是66.6%負荷下運行的，30%的時間下是33.3%負荷下運行的。電價按0.6元/kWh計算。估算本項目地熱供暖一個供暖季運行費用的增加值見表1。

表1 地熱供暖系統運行費用增加值統計表

項目原采用燃氣鍋爐供暖補充地熱系統供暖不足的熱負荷，按北京市非居民用戶運行費用一個供暖季每平米按38元計算，一個采暖季的燃氣鍋爐運行費用為313538元。而一個采暖季地熱供暖系統的運行費用僅為173587.6元，相當于燃氣鍋爐供暖費用的55.36%，每年可節約14萬元，經濟效益極為顯著。

（2）環境效益分析

系統改造前地熱系統的一個供暖季提供供熱熱能為19594.48GJ，改造后系統的供熱熱能用量為29859.84GJ，節能10265.36GJ。

改造后的方案完全使用清潔能源地熱能供暖，減少了廢氣廢物的排放，節約了城市環境污染治理費用，保護了生態環境，其一個供暖季的環境效益見表2。

表2 環境效益數據

4 結論

（1）該農藝園的節能改造有很好的效果，回收廢水中的低位熱能，變廢為利。溫室供熱面積為24000m2在一個供暖期內系統節約熱能10265.36GJ，創造間接利益15.8萬元。

（2）改造方案增加中水系統，改變了原來的高耗型、粗放型水資源利用方式，實現低質低用，高質高用，提升了地熱水資源的附加值，促進地熱水資源的保育，形成良性綠色循環。

（3）由于每個地熱系統都有各自不同的地熱水資源特點、不同的使用對象和不同的使用時間，存在不同的問題。因此，在進行技術改造和結構調整時，應該因地制宜進行布局優化，以很小的改造費用，創造最大的效益，堅持開發與改造并舉，使地熱資源造福人類。

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Study of Energy-saving on a Greenhouse Heating System in a Beijing's Agricultural Sightseeing Garden

Wu Yali1Di Yuhui1Jiang Hui2

( 1.School of Environmental and Chemical Engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi'an,710048;2.The geological engineering investigation institute of Beijing, Beijing, 100048 )

Base on a greenhouse heating system in a Beijing's agricultural sightseeing garden, this paper analyzes the problems of small temperature difference and low efficiency in low temperature geothermal energy utilization, then presents some measures to saving those problems. In the end of this paper, the author analysis the energy savings. By taking the measures of combined with the heat pump units cascade and comprehensive utilization of geothermal energy, this heating system not only achieves the energy-saving operation, but also reduces the tail water‘s temperature and raises the utilization ratio of geothermal water resources.

greenhouse culture; geothermal heating system; cascade utilization; energy saving

1671-6612（2016）06-696-04

TU832

A

陜西省科技廳產業化項目：供熱換熱站熱能控制系統的開發研究（項目編號：15JF017）

武亞麗（1991-），女，在讀碩士研究生，研究方向為建筑熱環境與節能，E-mail：314998476@qq.com

狄育慧（1964-），女，博士，教授，研究方向為建筑熱環境與節能，E-mail：314998476@qq.com

2015-12-04