地熱水溫室供熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

摘 要

摘要：將地熱水作為農(nóng)業(yè)溫室的熱源，溫室內(nèi)采用地面輻射供暖技術(shù)，充分利用地熱資源，降低地熱尾水溫度。介紹了地熱水溫室供熱系統(tǒng)的流程，計算了溫室供熱系統(tǒng)的熱負荷。結(jié)合工程實例
摘要：將地熱水作為農(nóng)業(yè)溫室的熱源，溫室內(nèi)采用地面輻射供暖技術(shù)，充分利用地熱資源，降低地熱尾水溫度。介紹了地熱水溫室供熱系統(tǒng)的流程，計算了溫室供熱系統(tǒng)的熱負荷。結(jié)合工程實例，以費用年值為經(jīng)濟指標，對供熱系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。
關(guān)鍵詞：地熱水；溫室；地面輻射供暖；費用年值；優(yōu)化設(shè)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(yīng)用于農(nóng)業(yè)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(yīng)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(yīng)采用適合的供熱系統(tǒng)；地熱水腐蝕、結(jié)垢問題，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，降低地熱尾水排放溫度，提高地熱利用率。地面輻射供暖系統(tǒng)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(tǒng)的地熱水溫室供熱系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)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(qū)，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(shè)計采用地熱負荷比例為100%，會造成大多數(shù)時間系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計容量偏大，造價過高。因此，在設(shè)計地熱水溫室供熱系統(tǒng)時，需要對地熱負荷比例進行優(yōu)化選擇，利用地熱能滿足基礎(chǔ)負荷，利用峰荷熱源滿足尖峰負荷。
2 系統(tǒng)流程
    地熱水溫室供熱系統(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。換熱器將地熱水與供熱介質(zhì)隔開，防止地熱水對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?？刂破髟诓杉覂?nèi)溫度、供熱介質(zhì)供回水溫度和地熱水溫度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進行分析計算，控制三通閥的啟閉和峰荷熱源工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)補充熱量，滿足供熱要求。在設(shè)計地熱水溫室供熱系統(tǒng)時，需要掌握的地熱井參數(shù)為：地熱水溫度、水量、水位、水質(zhì)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(zhì)狀況用來判斷地熱水的腐蝕結(jié)垢趨勢。
  

3 相關(guān)參數(shù)的計算
    ① 耗熱量
溫室耗熱量由3部分組成：溫室圍護結(jié)構(gòu)的傳熱損失、冷風滲透熱損失、地面熱損失[2]。圍護結(jié)構(gòu)的傳熱損失Ф1的計算式為：
 
式中Ф1——溫室圍護結(jié)構(gòu)的傳熱損失，W
    n——圍護結(jié)構(gòu)數(shù)量
    Kj——第，種圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)
    Aj——第j種圍護結(jié)構(gòu)的表面積，m2
    ti——供暖室內(nèi)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(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結(jié)構(gòu)的距離分成三個區(qū)域，不同區(qū)域按各自的傳熱系數(shù)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(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
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(dǎo)率，為1.0～2.4W/(m·K)
    △tm——地埋管的對數(shù)平均溫差，℃
   ③ 經(jīng)濟性指標
將費用年值作為地熱水溫室供熱系統(tǒng)的經(jīng)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(tǒng)造價，元
    p——年利率
    m——使用年限，a
4 優(yōu)化設(shè)計實例
    以天津地區(qū)某溫室為例，溫室圍護結(jié)構(gòu)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(nèi)種植喜溫的瓜果蔬菜，室內(nèi)設(shè)計溫度為12℃，天津地區(qū)采用的溫室室外設(shè)計溫度為-11℃。單層玻璃傳熱系數(shù)為6.4W/(m2·K)，換氣次數(shù)取1.1h-1，風力因子為1.0。JB/T 10297—2001《溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：計算點距外圍護結(jié)構(gòu)距離≤10m時，地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取0.24W/(m2·K)。經(jīng)計算可得，供熱系統(tǒng)設(shè)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(zhì)。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(tǒng)造價和年運行費用，因此在優(yōu)化設(shè)計過程中需要綜合考慮以上3個設(shè)計參數(shù)，計算不同設(shè)計參數(shù)下的費用年值，將費用年值最小作為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的目標，對設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。系統(tǒng)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(tǒng)循環(huán)泵的電費、熱泵機組的電費。
    已知參數(shù)：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(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)年運行時間為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)計參數(shù)特點進行試算，首先在3個設(shè)計參數(shù)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(yōu)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(yōu)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(guī)律，因此可以確定地熱負荷比例為80%時，系統(tǒng)的經(jīng)濟性最好。

    當?shù)責嶝摵杀壤秊?0%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(tǒng)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(dǎo)致系統(tǒng)造價提高。因此，外徑選用25mm較為適宜。
    當?shù)責嶝摵杀壤秊?0%、地埋管外徑為25mm時，對地埋管供回水溫差進行優(yōu)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(shè)計參數(shù)優(yōu)化設(shè)計可知，當?shù)責嶝摵杀壤秊?0%、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(tǒng)的經(jīng)濟性最好。
表1 不同外徑下的系統(tǒng)造價、年運行費用、費用年值
外徑/mm
系統(tǒng)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(jié)論
    ① 地熱水溫室供熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)考慮地熱能利用的特點，提高地熱利用率，使地熱承擔基礎(chǔ)負荷，峰荷熱源承擔尖峰負荷。
    ② 地熱水溫室供熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)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(jīng)濟性最好的設(shè)計參數(shù)。
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(yè)機械化學(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)計規(guī)范[S].北京：機械科學(xué)研究院，2001.
[3] 王建強.太陽能-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) 機械工程學(xué)院 天津 300072；2.天津市管道工程集團有限公司 天津 300091)