某溫室工程設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)為例，對(duì)幾種不同冷熱源組合形式進(jìn)行了比較。通過(guò)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)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(shí)際工程中溫室空調(diào)形式的選擇提供了參考。

　　關(guān)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(dāng)?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(wú)霜期209天，供暖期長(zhǎng)達(dá)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(gè)子工程，屬亞行貸款項(xiàng)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(guò)人工濕地凈化系統(tǒng)處理作為新鳳河李營(yíng)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(yíng)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(jiǎn)介

　　溫室是以采光覆蓋材料作為全部或部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料，在冬季或其它不適宜植物露地生長(zhǎng)的季節(jié)供栽培植物的建筑。生活中我們常見(jiàn)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(yáng)光直接照射進(jìn)溫室，加熱室內(nèi)空氣，而同時(shí)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(zhǎng)的條件。這樣溫室形成了兩個(gè)特點(diǎn)：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(yàn)（教育）性溫室和允許公眾進(jìn)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(shí)驗(yàn)室等屬于試驗(yàn)（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(gè)側(cè)面均為玻璃結(jié)構(gòu)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(gè)組成部分），主要為水環(huán)境治理過(guò)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(dú)立配置采暖空調(diào)設(shè)施。

　　3.冷熱源方案比較

　　采暖方式和采暖設(shè)備選擇是一個(gè)涉及溫室投資、 運(yùn)行成本、生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的問(wèn)題。因此，在設(shè)計(jì)方案階段，應(yīng)充分考察工程的特點(diǎn)，對(duì)溫室所可能采用的熱源方式進(jìn)行詳細(xì)比較分析。分述如下：因工程所處位置遠(yuǎn)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(shè)備從燃料選用上可分為：燃油式、燃?xì)馐?、燃煤式和電熱式等四種。其中燃?xì)馐降脑O(shè)備裝置最簡(jiǎn)單，造價(jià)最低，但氣源上沒(méi)有保證。

　　燃油式的設(shè)備雖然具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化控制程度高、造價(jià)也比較低、占地面積比較小及土建投資低等，但燃油設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較高，相同的熱值比燃煤費(fèi)用高3倍以上。盡管燃煤式的設(shè)備最復(fù)雜，操作也比較復(fù)雜，需要鍋爐工人責(zé)任心強(qiáng)，精心操作，并且燃煤式設(shè)備費(fèi)用最高，土建費(fèi)用比較高，但燃煤設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用是各種熱源設(shè)備中最低的。燃煤式設(shè)備最重要的缺點(diǎn)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(dāng)?shù)仉娏ω?fù)荷也較為緊張，為此還需再配套電力增容設(shè)施。若能充分考慮電能峰谷價(jià)差的優(yōu)惠，電能也是一個(gè)可選項(xiàng)。（設(shè)計(jì)溫室白天熱負(fù)荷較低約為總負(fù)荷的1/4，夜間熱負(fù)荷最高。剛好符合谷峰電價(jià)的使用要求，運(yùn)行成本將比白天用電低1-2倍。）對(duì)南方地區(qū)而言，采暖期短熱負(fù)荷低，采用燃油式的設(shè)備比較好。但對(duì)北京而言，冬季加溫時(shí)間長(zhǎng)（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(yùn)行費(fèi)用，長(zhǎng)期計(jì)算還是合適的。

　　溫室供熱系統(tǒng)選擇應(yīng)結(jié)合初投資、運(yùn)行成本、生產(chǎn)技術(shù)水平、操作管理簡(jiǎn)單、設(shè)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?zé)?、水源熱泵也可解決冬季供暖問(wèn)題。

　　地?zé)嶙鳛樾履茉吹囊环N應(yīng)合理規(guī)劃，尤其需重點(diǎn)解決好水資源的合理使用問(wèn)題。深層水為數(shù)萬(wàn)年前形成的一次性?xún)?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(kāi)發(fā)費(fèi)用都是未知數(shù)，且北京水資源嚴(yán)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(dá)4.1，供冷效率能效比可達(dá)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(shì)。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(hù)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(dá)3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運(yùn)行費(fèi)用為普通中央空調(diào)的50～60%.從工程現(xiàn)有條件來(lái)看：連續(xù)穩(wěn)定的水源只有來(lái)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(huì)成為此項(xiàng)目的一個(gè)設(shè)計(jì)亮點(diǎn)。

　　經(jīng)考察研究，只要采用適于污水運(yùn)行的換熱器，利用城市污水的水量大、水溫適宜的特點(diǎn)，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(jí)出水（水溫12～28℃）作為水源，合理利用出水的流量和溫差進(jìn)行制冷和供熱，而不影響二次出水的后續(xù)回用。對(duì)城市污水水源熱泵系統(tǒng)而言，由于水源穩(wěn)定，設(shè)備的制冷、供熱效果將會(huì)有可靠的保證。經(jīng)與設(shè)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(jī)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(shí)的提高，世界利用能源的結(jié)構(gòu)都正在轉(zhuǎn)變，從原有的煤、石油取暖過(guò)渡到以天然氣及電等清潔能源。北京作為大氣污染最為嚴(yán)重的城市之一，其治理大氣污染的政策中就包括能源結(jié)構(gòu)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(wèn)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(jìn)行制冷、供暖，既節(jié)能又環(huán)保，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

　　4.溫室設(shè)計(jì)

　　基于上述分析比較，考慮節(jié)能環(huán)保的要求，通過(guò)論證考察，確定對(duì)現(xiàn)有的污水進(jìn)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(jī)系統(tǒng)（又稱(chēng)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(fù)荷及溫室（1300 m2 ）提供采暖負(fù)荷。中控室及辦公區(qū)采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管和新風(fēng)換氣機(jī)系統(tǒng)，溫室采用散熱器和暖風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。由于該溫室為生長(zhǎng)型溫室，因此要求設(shè)計(jì)溫度在16℃-35℃之間，以滿足溫室植物生長(zhǎng)需求。

　　夏季溫室采用濕簾機(jī)械通風(fēng)降溫和自然通風(fēng)降溫兩種通風(fēng)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(duì)墻上布置有17個(gè)電控百葉風(fēng)閥分成上下兩組，滿足自然通風(fēng)需求；同時(shí)還設(shè)置了9臺(tái)通風(fēng)量為31500 m3/h的軸流風(fēng)機(jī)，在自然通風(fēng)不能滿足時(shí)使用。

　　同時(shí)還設(shè)置的6臺(tái)通風(fēng)量為3240m³/h暖風(fēng)機(jī)以彌補(bǔ)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(jì)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(lái)水兩路，當(dāng)景觀水池水量有保證時(shí)優(yōu)先采用（此水質(zhì)較污水廠來(lái)水好）。

　　水源熱泵選用一臺(tái)高溫型水源熱泵機(jī)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(jiàn)附圖。

　　4.2 系統(tǒng)特點(diǎn)該方案屬經(jīng)濟(jì)有效的高效節(jié)能技術(shù)，城市污水的溫度一年四季相對(duì)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(yùn)行沒(méi)有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒(méi)有燃燒，沒(méi)有排煙，也沒(méi)有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場(chǎng)地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。

　　運(yùn)行穩(wěn)定可靠，水源的溫度（常年溫度在12-28℃）一年四季相對(duì)穩(wěn)定，其波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動(dòng)。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(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

　　5.現(xiàn)實(shí)意義

　　城市污水水源熱泵系統(tǒng)，水源穩(wěn)定可靠，設(shè)備的制冷、供熱效率高。該系統(tǒng)運(yùn)行能量利用率夏季的效能系數(shù)可達(dá)4.2-5.1，冬季制熱系數(shù)可達(dá)4.1以上，是一種經(jīng)濟(jì)、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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，是一種可以在污水處理行業(yè)推廣的新技術(shù)，有廣泛的發(fā)展前景和推廣意義。