地熱水溫室供熱系統的優化設計

摘 要

摘要：將地熱水作為農業溫室的熱源，溫室內采用地面輻射供暖技術，充分利用地熱資源，降低地熱尾水溫度。介紹了地熱水溫室供熱系統的流程，計算了溫室供熱系統的熱負荷。結合工程實例
摘要：將地熱水作為農業溫室的熱源，溫室內采用地面輻射供暖技術，充分利用地熱資源，降低地熱尾水溫度。介紹了地熱水溫室供熱系統的流程，計算了溫室供熱系統的熱負荷。結合工程實例，以費用年值為經濟指標，對供熱系統的設計參數進行了優化設計。
關鍵詞：地熱水；溫室；地面輻射供暖；費用年值；優化設計
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
    地熱能作為一種新型能源，目前已被廣泛應用于農業溫室供熱。2005年，我國地熱溫室供熱負荷已達103MW，居世界第5位[1]。在地熱溫室供熱工程中，應考慮地熱資源的特點，如地熱水溫度和負荷能力相對固定，應采用適合的供熱系統；地熱水腐蝕、結垢問題，需要在供熱系統中采取防腐蝕、防結垢的措施；特別需要采用適合的散熱設備，降低地熱尾水排放溫度，提高地熱利用率。地面輻射供暖系統供水溫度較低，而且可使地熱尾水排放溫度達到40℃以下，從而充分利用地熱能。本文對采用地面輻射供暖系統的地熱水溫室供熱系統進行優化設計。
    地熱負荷比例為地熱承擔的熱負荷與溫室所需最大熱負荷之比。對于天津地區，雖然室外溫度較低，但溫室所需較大供熱負荷的累計時間并不很長。若設計采用地熱負荷比例為100%，會造成大多數時間系統處于非滿負荷運行，地熱尾水排放溫度較高，地熱能得不到充分利用，并造成供熱系統設計容量偏大，造價過高。因此，在設計地熱水溫室供熱系統時，需要對地熱負荷比例進行優化選擇，利用地熱能滿足基礎負荷，利用峰荷熱源滿足尖峰負荷。
2 系統流程
    地熱水溫室供熱系統流程(見圖1)由換熱器、地埋管、峰荷熱源、循環泵、溫度傳感器、控制器、三通閥等組成。換熱器將地熱水與供熱介質隔開，防止地熱水對供熱管道的腐蝕及結垢。地埋管安裝在溫室內地面下，向溫室散熱。控制器在采集室內溫度、供熱介質供回水溫度和地熱水溫度數據的基礎上，進行分析計算，控制三通閥的啟閉和峰荷熱源工作狀態，調節補充熱量，滿足供熱要求。在設計地熱水溫室供熱系統時，需要掌握的地熱井參數為：地熱水溫度、水量、水位、水質狀況。地熱水溫度、水量可以確定地熱水的最大供熱負荷，地熱水位用于潛水泵的選型，水質狀況用來判斷地熱水的腐蝕結垢趨勢。
  

3 相關參數的計算
    ① 耗熱量
溫室耗熱量由3部分組成：溫室圍護結構的傳熱損失、冷風滲透熱損失、地面熱損失[2]。圍護結構的傳熱損失Ф1的計算式為：
 
式中Ф1——溫室圍護結構的傳熱損失，W
    n——圍護結構數量
    Kj——第，種圍護結構的傳熱系數，W/(m2·K)
    Aj——第j種圍護結構的表面積，m2
    ti——供暖室內計算溫度，℃
    t0——供暖室外計算溫度，℃
    冷風滲透熱損失Ф2的計算式為：
    Ф2=0.5kVN(ti-t0)    (2)
式中Ф2——冷風滲透熱損失，W
    k——風力因子
    V——溫室內空氣體積，m3
    N——換氣次數，h-1
工程上可將溫室的地面按與外圍護結構的距離分成三個區域，不同區域按各自的傳熱系數和面積計算地面熱損失Ф3：
 
式中Ф3——地面熱損失，W
   Kj,grd——第i區地面傳熱系數，W/(m2·K)
   Aj,grd——第i區地面面積，m2
② 地埋管管長
地埋管管長L的計算式為：
 
式中L——地埋管管長，m
    ФP——地埋管的供熱負荷，W
    h——地埋管中心埋深，m
    d——地埋管外徑，m
    λ——土壤熱導率，為1.0～2.4W/(m·K)
    △tm——地埋管的對數平均溫差，℃
   ③ 經濟性指標
將費用年值作為地熱水溫室供熱系統的經濟性指標，費用年值F的計算式為[3]：
 
式中F——費用年值，元/a
    Fr——年運行費用，元/a
    Fc——系統造價，元
    p——年利率
    m——使用年限，a
4 優化設計實例
    以天津地區某溫室為例，溫室圍護結構為單層玻璃，溫室長×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。
    溫室內種植喜溫的瓜果蔬菜，室內設計溫度為12℃，天津地區采用的溫室室外設計溫度為-11℃。單層玻璃傳熱系數為6.4W/(m2·K)，換氣次數取1.1h-1，風力因子為1.0。JB/T 10297—2001《溫室加熱系統設計規范》規定：計算點距外圍護結構距離≤10m時，地面傳熱系數取0.24W/(m2·K)。經計算可得，供熱系統設計熱負荷為127.6kW。地熱井井口溫度為65℃，水量為80m3/h，為腐蝕型地熱水質。采用水源熱泵作為峰荷熱源。
    地熱負荷比例、地埋管供回水溫差、外徑影響系統造價和年運行費用，因此在優化設計過程中需要綜合考慮以上3個設計參數，計算不同設計參數下的費用年值，將費用年值最小作為系統優化設計的目標，對設計參數進行優化設計。系統造價包括換熱器、地埋管、峰荷熱源的造價，年運行費用包括供熱系統循環泵的電費、熱泵機組的電費。
    已知參數：鈦板換熱器單位換熱面積的造價為7000元/m2，外徑分別為20、25、32mm的地埋管單位長度造價為3.3、4.8、8.2元/m，熱泵機組單位制熱量的造價為0.5元/W，電價為0.7元(kW·h)，同時使用系數為0.6，年利率為10%，使用年限為20年，循環泵效率為0.77，供熱系統年運行時間為4481h/a。地埋管的中心埋深設定為15cm，地埋管供水溫度設定為45℃。
    優化方法為：根據設計參數特點進行試算，首先在3個設計參數中確定地熱負荷比例，然后利用供回水溫差的試算值，求得在該條件下外徑的優化值，最后以確定的地熱負荷比例、外徑為條件，對供回水溫差進行優化，對最初的試算值進行驗證。
    選取適中的地埋管回水溫度(30℃)、地埋管外徑(25mm)，不同地熱負荷比例下的費用年值見圖2。由圖2可知，采用適中的地熱負荷比例，可獲得較低的費用年值。通過分析計算，不同供回水溫差、地埋管外徑下均存在類似的規律，因此可以確定地熱負荷比例為80%時，系統的經濟性最好。

    當地熱負荷比例為80%時，以地埋管供、回水溫度為45、30℃為試算值，計算不同外徑下的系統造價、年運行費用、費用年值(見表1)。由表1可知，外徑較大時，由于阻力變小，年運行費用將隨之變小，地埋管長度也會縮短，但大管徑的管材價格較高，導致系統造價提高。因此，外徑選用25mm較為適宜。
    當地熱負荷比例為80%、地埋管外徑為25mm時，對地埋管供回水溫差進行優化。不同地埋管供回水溫差下的費用年值見圖3。由圖3可知，費用年值在地埋管供回水溫差為15℃時最小。通過設計參數優化設計可知，當地熱負荷比例為80%、地埋管供回水溫差為15℃、地埋管外徑為25mm時，地熱水溫室供熱系統的經濟性最好。
表1 不同外徑下的系統造價、年運行費用、費用年值
外徑/mm
系統造價/元
運行費用/(元·a-1)
費用年值/(元·a-1)
20
40901
36302
41106
25
48548
13433
19136
32
76577
11036
20251
 

5 結論
    ① 地熱水溫室供熱系統的優化設計應考慮地熱能利用的特點，提高地熱利用率，使地熱承擔基礎負荷，峰荷熱源承擔尖峰負荷。
    ② 地熱水溫室供熱系統的優化設計應綜合考慮地熱負荷比例、地埋管供回水溫差、外徑對費用年值的影響，得到經濟性最好的設計參數。
參考文獻：
[1] LUND T W.Direct application of geothermal energy：2005 worldwide review [J].Geothermics，2005(34)：710-711.
[2] 中國家業機械化學研究院環境工程設備研究開發中心.JB/T 10297—2001溫室加熱系統設計規范[S].北京：機械科學研究院，2001.
[3] 王建強.太陽能-地下水源熱泵系統研究(碩士學位論文)[D].天津：天津大學，2004：16-20.
 
(本文作者：張偉1 張杰2 1.天津大學 機械工程學院 天津 300072；2.天津市管道工程集團有限公司 天津 300091)