某溫室工程設計冷熱源方案分析
發布時間：2010-01-14 共1頁
摘要：以北京市某具體的溫室工程設計為例，對幾種不同冷熱源組合形式進行了比較。通過技術及經濟性特點分析，最終確定污水水源熱泵系統作為工程中的冷熱源，為實際工程中溫室空調形式的選擇提供了參考。
關鍵詞：溫室；冷熱源；污水水源熱泵
1.工程概況
本工程位于北京市興區，當地年平均氣溫11.0℃，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℃，全年無霜期209天，供暖期長達130天。溫室為北京市興區新鳳河水環境治理工程中的一個子工程，屬亞行貸款項目。新鳳河水環境治理工程是利用黃村污水處理廠的中水作為水源，一部分通過人工濕地凈化系統處理作為新鳳河李營閘以下河段的環境用水，一部分中水直接作為河道生態用水供新鳳河李營閘以上河段使用，為河道提供景觀用水并為下游提供灌溉用水。
2.溫室簡介
溫室是以采光覆蓋材料作為全部或部分圍護結構材料，在冬季或其它不適宜植物露地生長的季節供栽培植物的建筑。生活中我們常見的玻璃育花房和蔬菜棚就是典型的溫室。溫室主要使用原理是讓陽光直接照射進溫室，加熱室內空氣，而同時玻璃或透明塑料薄膜又可以不讓室內的熱空氣向外散發，使室內的溫度保持高于外界的狀態，以提供有利于植物快速生長的條件。這樣溫室形成了兩個特點：溫度較室外高、不散熱。
根據溫室的最終使用功能，可分為生產性溫室、試驗（教育）性溫室和允許公眾進入的商業性溫室。蔬菜栽培溫室、花卉栽培溫室、養殖溫室等均屬于生產性溫室；人工氣候室、溫室實驗室等屬于試驗（教育）性溫室；各種觀賞溫室、零售溫室、商品批發溫室等則屬于商業性溫室。
本文所介紹的溫室坡面和三個側面均為玻璃結構材料，另一側面緊貼水環境治理工程的中心控制室（新鳳河水環境治理工程的一個組成部分），主要為水環境治理過冬綠化提供植物培養種苗。該溫室占地面積1300m2，位于興區郊外新鳳河河畔，是一棟把使用功能和景觀揉為一體的建筑物，但需獨立配置采暖空調設施。
3.冷熱源方案比較
采暖方式和采暖設備選擇是一個涉及溫室投資、 運行成本、生產經濟效益的問題。因此，在設計方案階段，應充分考察工程的特點，對溫室所可能采用的熱源方式進行詳細比較分析。分述如下：因工程所處位置遠離城市供熱管網，溫室的熱源需要自行解決。常用的熱源設備從燃料選用上可分為：燃油式、燃氣式、燃煤式和電熱式等四種。其中燃氣式的設備裝置最簡單，造價最低，但氣源上沒有保證。
燃油式的設備雖然具有設備簡單、操作簡便、自動化控制程度高、造價也比較低、占地面積比較小及土建投資低等，但燃油設備的運行費用相對較高，相同的熱值比燃煤費用高3倍以上。盡管燃煤式的設備最復雜，操作也比較復雜，需要鍋爐工人責任心強，精心操作，并且燃煤式設備費用最高，土建費用比較高，但燃煤設備運行費用是各種熱源設備中最低的。燃煤式設備最重要的缺點是污染空氣和環境，與本工程的環保主題不一致。 電能是最清潔、方便的能源，但電能是二次能源，本身比較貴，且當地電力負荷也較為緊張，為此還需再配套電力增容設施。若能充分考慮電能峰谷價差的優惠，電能也是一個可選項。（設計溫室白天熱負荷較低約為總負荷的1/4，夜間熱負荷最高。剛好符合谷峰電價的使用要求，運行成本將比白天用電低1-2倍。）對南方地區而言，采暖期短熱負荷低，采用燃油式的設備比較好。但對北京而言，冬季加溫時間長（采暖天數130天），采用燃煤熱水鍋爐雖然一次投資比較，但可以節約運行費用，長期計算還是合適的。
溫室供熱系統選擇應結合初投資、運行成本、生產技術水平、操作管理簡單、設備可靠性及環保等諸方面綜合考慮。除上述幾種形式外地熱、水源熱泵也可解決冬季供暖問題。
地熱作為新能源的一種應合理規劃，尤其需重點解決好水資源的合理使用問題。深層水為數萬年前形成的一次性優質水，具有不可再生性。而工程所處位置是否具有該資源，且開發費用都是未知數，且北京水資源嚴重短缺該方案不予考慮。
水源熱泵系統，夏季供冷冬季可供熱。該種供熱方式效率能效比可高達4.1，供冷效率能效比可達4.2-5.1，較單純電熱采暖效率高的多，但需要有連續穩定的水源作保證。水源熱泵與鍋爐（電、燃料）的供熱系統相比，水源熱泵具有明顯的優勢。鍋爐供熱只能將90%～98%的電能或70%～85%的燃料內能轉化為熱量，供用戶使用，因此水源熱泵要比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節省二分之一以上的能量。由于水源熱泵的水源溫度（12～28℃）全年較為穩定，其制冷、制熱系數可達3.5～4.4，與傳統的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調的50～60%.從工程現有條件來看：連續穩定的水源只有來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成為此項目的一個設計亮點。
經考察研究，只要采用適于污水運行的換熱器，利用城市污水的水量、水溫適宜的特點，就可形成一套特殊的水源熱泵系統。該系統可充分利用城市污水處理廠二級出水（水溫12～28℃）作為水源，合理利用出水的流量和溫差進行制冷和供熱，而不影響二次出水的后續回用。對城市污水水源熱泵系統而言，由于水源穩定，設備的制冷、供熱效果將會有可靠的保證。經與設備生產商和業主的多次溝通，最終確定采用污水水源熱泵機組作為本工程的冷熱源。
隨著可持續發展和公眾環保意識的提高，世界利用能源的結構都正在轉變，從原有的煤、石油取暖過渡到以天然氣及電等清潔能源。北京作為氣污染最為嚴重的城市之一，其治理氣污染的政策中就包括能源結構的調整，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氣污染的問題，而天然氣和石油等都屬于不可再生的能源，從可持續發展的角度看，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，提取低位能源進行制冷、供暖，既節能又環保，具有一定的現實意義。
4.溫室設計
基于上述分析比較，考慮節能環保的要求，通過論證考察，確定對現有的污水進行重新利用，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系統是由末端系統（室內空氣處理末端等）、水源中央空調主機系統（又稱為污水水源熱泵）和水源水系統三部分組成。
4.1 污水水源熱泵空調系統該水源中央空調系統主要為中控室及辦公區（468m2）提供冷暖負荷及溫室（1300 m2 ）提供采暖負荷。中控室及辦公區采用風機盤管和新風換氣機系統，溫室采用散熱器和暖風機系統。由于該溫室為生長型溫室，因此要求設計溫度在16℃-35℃之間，以滿足溫室植物生長需求。
夏季溫室采用濕簾機械通風降溫和自然通風降溫兩種通風方式，以滿足不同室外氣候條件下的需求。溫室在縱向兩側相對墻上布置有17個電控百葉風閥分成上下兩組，滿足自然通風需求；同時還設置了9臺通風量為31500 m3/h的軸流風機，在自然通風不能滿足時使用。
同時還設置的6臺通風量為3240m3/h暖風機以彌補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，降低室內溫度梯度并具有經濟節能的效果。水源水系統采用濕地景觀水池和污水廠來水兩路，當景觀水池水量有保證時優先采用（此水質較污水廠來水好）。
水源熱泵選用一臺高溫型水源熱泵機組，制冷量為270KW ，制熱量為327KW；系統采用小不同的兩組循環泵，供冬季和夏季工況使用。詳見附圖。
4.2 系統特點該方案屬經濟有效的高效節能技術，城市污水的溫度一年四季相對穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調冷源。
環境效益顯著，該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區內，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。
運行穩定可靠，水源的溫度（常年溫度在12-28℃）一年四季相對穩定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動。是很好的熱泵熱源和空調冷源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。
5.現實意義
城市污水水源熱泵系統，水源穩定可靠，設備的制冷、供熱效率高。該系統運行能量利用率夏季的效能系數可達4.2-5.1，冬季制熱系數可達4.1以上，是一種經濟、高效、節能的熱泵系統。系統能有效地利用污水低位熱能，替代傳統的供暖、制冷系統，具有明顯的環保效益、社會效益和經濟效益，是一種可以在污水處理行業推廣的新技術，有廣泛的發展前景和推廣意義。
關鍵詞：溫室；冷熱源；污水水源熱泵
1.工程概況
本工程位于北京市興區，當地年平均氣溫11.0℃，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℃，全年無霜期209天，供暖期長達130天。溫室為北京市興區新鳳河水環境治理工程中的一個子工程，屬亞行貸款項目。新鳳河水環境治理工程是利用黃村污水處理廠的中水作為水源，一部分通過人工濕地凈化系統處理作為新鳳河李營閘以下河段的環境用水，一部分中水直接作為河道生態用水供新鳳河李營閘以上河段使用，為河道提供景觀用水并為下游提供灌溉用水。
2.溫室簡介
溫室是以采光覆蓋材料作為全部或部分圍護結構材料，在冬季或其它不適宜植物露地生長的季節供栽培植物的建筑。生活中我們常見的玻璃育花房和蔬菜棚就是典型的溫室。溫室主要使用原理是讓陽光直接照射進溫室，加熱室內空氣，而同時玻璃或透明塑料薄膜又可以不讓室內的熱空氣向外散發，使室內的溫度保持高于外界的狀態，以提供有利于植物快速生長的條件。這樣溫室形成了兩個特點：溫度較室外高、不散熱。
根據溫室的最終使用功能，可分為生產性溫室、試驗（教育）性溫室和允許公眾進入的商業性溫室。蔬菜栽培溫室、花卉栽培溫室、養殖溫室等均屬于生產性溫室；人工氣候室、溫室實驗室等屬于試驗（教育）性溫室；各種觀賞溫室、零售溫室、商品批發溫室等則屬于商業性溫室。
本文所介紹的溫室坡面和三個側面均為玻璃結構材料，另一側面緊貼水環境治理工程的中心控制室（新鳳河水環境治理工程的一個組成部分），主要為水環境治理過冬綠化提供植物培養種苗。該溫室占地面積1300m2，位于興區郊外新鳳河河畔，是一棟把使用功能和景觀揉為一體的建筑物，但需獨立配置采暖空調設施。
3.冷熱源方案比較
采暖方式和采暖設備選擇是一個涉及溫室投資、 運行成本、生產經濟效益的問題。因此，在設計方案階段，應充分考察工程的特點，對溫室所可能采用的熱源方式進行詳細比較分析。分述如下：因工程所處位置遠離城市供熱管網，溫室的熱源需要自行解決。常用的熱源設備從燃料選用上可分為：燃油式、燃氣式、燃煤式和電熱式等四種。其中燃氣式的設備裝置最簡單，造價最低，但氣源上沒有保證。
燃油式的設備雖然具有設備簡單、操作簡便、自動化控制程度高、造價也比較低、占地面積比較小及土建投資低等，但燃油設備的運行費用相對較高，相同的熱值比燃煤費用高3倍以上。盡管燃煤式的設備最復雜，操作也比較復雜，需要鍋爐工人責任心強，精心操作，并且燃煤式設備費用最高，土建費用比較高，但燃煤設備運行費用是各種熱源設備中最低的。燃煤式設備最重要的缺點是污染空氣和環境，與本工程的環保主題不一致。 電能是最清潔、方便的能源，但電能是二次能源，本身比較貴，且當地電力負荷也較為緊張，為此還需再配套電力增容設施。若能充分考慮電能峰谷價差的優惠，電能也是一個可選項。（設計溫室白天熱負荷較低約為總負荷的1/4，夜間熱負荷最高。剛好符合谷峰電價的使用要求，運行成本將比白天用電低1-2倍。）對南方地區而言，采暖期短熱負荷低，采用燃油式的設備比較好。但對北京而言，冬季加溫時間長（采暖天數130天），采用燃煤熱水鍋爐雖然一次投資比較，但可以節約運行費用，長期計算還是合適的。
溫室供熱系統選擇應結合初投資、運行成本、生產技術水平、操作管理簡單、設備可靠性及環保等諸方面綜合考慮。除上述幾種形式外地熱、水源熱泵也可解決冬季供暖問題。
地熱作為新能源的一種應合理規劃，尤其需重點解決好水資源的合理使用問題。深層水為數萬年前形成的一次性優質水，具有不可再生性。而工程所處位置是否具有該資源，且開發費用都是未知數，且北京水資源嚴重短缺該方案不予考慮。
水源熱泵系統，夏季供冷冬季可供熱。該種供熱方式效率能效比可高達4.1，供冷效率能效比可達4.2-5.1，較單純電熱采暖效率高的多，但需要有連續穩定的水源作保證。水源熱泵與鍋爐（電、燃料）的供熱系統相比，水源熱泵具有明顯的優勢。鍋爐供熱只能將90%～98%的電能或70%～85%的燃料內能轉化為熱量，供用戶使用，因此水源熱泵要比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節省二分之一以上的能量。由于水源熱泵的水源溫度（12～28℃）全年較為穩定，其制冷、制熱系數可達3.5～4.4，與傳統的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調的50～60%.從工程現有條件來看：連續穩定的水源只有來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成為此項目的一個設計亮點。
經考察研究，只要采用適于污水運行的換熱器，利用城市污水的水量、水溫適宜的特點，就可形成一套特殊的水源熱泵系統。該系統可充分利用城市污水處理廠二級出水（水溫12～28℃）作為水源，合理利用出水的流量和溫差進行制冷和供熱，而不影響二次出水的后續回用。對城市污水水源熱泵系統而言，由于水源穩定，設備的制冷、供熱效果將會有可靠的保證。經與設備生產商和業主的多次溝通，最終確定采用污水水源熱泵機組作為本工程的冷熱源。
隨著可持續發展和公眾環保意識的提高，世界利用能源的結構都正在轉變，從原有的煤、石油取暖過渡到以天然氣及電等清潔能源。北京作為氣污染最為嚴重的城市之一，其治理氣污染的政策中就包括能源結構的調整，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氣污染的問題，而天然氣和石油等都屬于不可再生的能源，從可持續發展的角度看，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，提取低位能源進行制冷、供暖，既節能又環保，具有一定的現實意義。
4.溫室設計
基于上述分析比較，考慮節能環保的要求，通過論證考察，確定對現有的污水進行重新利用，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系統是由末端系統（室內空氣處理末端等）、水源中央空調主機系統（又稱為污水水源熱泵）和水源水系統三部分組成。
4.1 污水水源熱泵空調系統該水源中央空調系統主要為中控室及辦公區（468m2）提供冷暖負荷及溫室（1300 m2 ）提供采暖負荷。中控室及辦公區采用風機盤管和新風換氣機系統，溫室采用散熱器和暖風機系統。由于該溫室為生長型溫室，因此要求設計溫度在16℃-35℃之間，以滿足溫室植物生長需求。
夏季溫室采用濕簾機械通風降溫和自然通風降溫兩種通風方式，以滿足不同室外氣候條件下的需求。溫室在縱向兩側相對墻上布置有17個電控百葉風閥分成上下兩組，滿足自然通風需求；同時還設置了9臺通風量為31500 m3/h的軸流風機，在自然通風不能滿足時使用。
同時還設置的6臺通風量為3240m3/h暖風機以彌補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，降低室內溫度梯度并具有經濟節能的效果。水源水系統采用濕地景觀水池和污水廠來水兩路，當景觀水池水量有保證時優先采用（此水質較污水廠來水好）。
水源熱泵選用一臺高溫型水源熱泵機組，制冷量為270KW ，制熱量為327KW；系統采用小不同的兩組循環泵，供冬季和夏季工況使用。詳見附圖。
4.2 系統特點該方案屬經濟有效的高效節能技術，城市污水的溫度一年四季相對穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調冷源。
環境效益顯著，該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區內，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。
運行穩定可靠，水源的溫度（常年溫度在12-28℃）一年四季相對穩定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動。是很好的熱泵熱源和空調冷源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。
5.現實意義
城市污水水源熱泵系統，水源穩定可靠，設備的制冷、供熱效率高。該系統運行能量利用率夏季的效能系數可達4.2-5.1，冬季制熱系數可達4.1以上，是一種經濟、高效、節能的熱泵系統。系統能有效地利用污水低位熱能，替代傳統的供暖、制冷系統，具有明顯的環保效益、社會效益和經濟效益，是一種可以在污水處理行業推廣的新技術，有廣泛的發展前景和推廣意義。
