連棟溫室高效水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐_羅冬.pdf

引用本文格式 羅冬 左強(qiáng) 連棟溫室高效水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐 J 農(nóng)業(yè)工程 2025 15 8 41 47 DOI 10 19998 ki 2095 1795 202508308 LUO Dong ZUO Qiang Design and practice of efficient water source heat pump system for multi span greenhouses J Agricultural Engineering 2025 15 8 41 47 連棟溫室高效水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐 羅 冬 左 強(qiáng) 北京市農(nóng)林科學(xué)院 北京 100097 摘 要 在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展背景下 連棟溫室高效運(yùn)行對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義 傳統(tǒng)溫室供暖與制冷方式存在能耗 高 效率低等弊端 提高溫室能源利用效率與環(huán)境控制水平 關(guān)鍵在于對水源熱泵系統(tǒng)與新技術(shù)的集成設(shè)計(jì)與應(yīng)用 以 北京市農(nóng)林科學(xué)院連棟溫室為研究對象 深入剖析水源熱泵技術(shù)基本原理 設(shè)計(jì)一套融合新技術(shù)的高效水源熱泵系統(tǒng)方 案 詳細(xì)探討系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵要素 涵蓋系統(tǒng)架構(gòu)搭建 熱泵機(jī)組選型 水源系統(tǒng)設(shè)計(jì)及節(jié)能效益評估等方面 同時(shí)綜合 考慮物聯(lián)網(wǎng) 智能控制等新技術(shù)集成運(yùn)用 研究結(jié)果顯示 該系統(tǒng)不僅能有效滿足連棟溫室溫度調(diào)控需求 實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào) 節(jié)環(huán)境參數(shù) 還能顯著降低能耗 可為連棟溫室水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)有效解決方案 有助于推動現(xiàn)代溫室向節(jié)能 化 智能化方向發(fā)展 對水源熱泵系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有參考價(jià)值 關(guān)鍵詞 連棟溫室 水源熱泵 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 節(jié)能環(huán)保 設(shè)施農(nóng)業(yè) 智能控制 中圖分類號 S625 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095 1795 2025 08 0041 07 DOI 10 19998 ki 2095 1795 202508308 Design and practice of efficient water source heat pump system for multi span greenhouses LUO Dong ZUO Qiang Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences Beijing 100097 China Abstract In context of rapid development in modern agriculture efficient operation of multi span greenhouses holds great significance for agricultural production Traditional greenhouse heating and cooling systems are plagued by high energy consumption and low effi ciency To improve greenhouse energy utilization efficiency and environmental control levels hinges on integrated design and application of new water source heat pump systems with new technologies Multi span greenhouse in Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences was taken as research object Fundamental principles of water source heat pump technology were in depth analyzed and an ef ficient water source heat pump system scheme integrating new technologies has been designed Key elements of system design were thor oughly explored including system architecture construction heat pump units selection water source system design and energy sav ing benefits evaluation At the same time integration application of new technologies such as internet of things and intelligent control was comprehensively considered Research results showed that system not only effectively met temperature control requirements of multi span greenhouses and accurately adjusted environmental parameters in real time but also significantly reduced energy consumption A scientific and effective solution for water source heat pump systems design in multi span greenhouses was provided which would help to promote modern greenhouses development towards energy saving and intelligentce and would offer valuable references for water source heat pump systems innovative design and application Keywords multi span greenhouse water source heat pump system design energy conservation and environmental protection facility agriculture intelligent control 0 引言 物聯(lián)網(wǎng) 智能控制等新技術(shù)的不斷涌現(xiàn) 為連棟 溫室水源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供新思路和 新方法 開展新技術(shù)融合下連棟溫室水源熱泵系統(tǒng)設(shè) 計(jì)實(shí)踐 對提升溫室能源利用效率 降低運(yùn)營成本 收稿日期 2025 02 08 修回日期 2025 04 07 作者簡介 羅冬 工程師 主要從事電力工程及其自動化研究 E mail dongluo1972 左強(qiáng) 通信作者 碩士 副研究員 主要從事農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究 E mail zq18189 第 15 卷 第 8 期農(nóng) 業(yè) 工 程Vol 15 No 8 2025 年 8 月AGRICULTURAL ENGINEERING Aug 2025 推動農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展具有重要意義 國外水源熱泵技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用成果頗豐 取 得良好經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益 國內(nèi)部分科研機(jī)構(gòu)圍繞該技 術(shù)在農(nóng)業(yè)溫室應(yīng)用開展相關(guān)研究 但總體技術(shù)水平不 高 適應(yīng)性差 尤其在物聯(lián)網(wǎng) 智能控制等新技術(shù)融 合方面與國外尚存在差距 本研究以北京市農(nóng)林科學(xué)院連棟溫室為對象 融 合高效水源熱泵機(jī)組 新型風(fēng)機(jī)盤管 物聯(lián)網(wǎng)和智能 控制等新技術(shù) 借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接 數(shù)據(jù) 采集 遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷 運(yùn)用智能控制技術(shù)根據(jù) 溫室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài) 通過精準(zhǔn) 計(jì)算連棟溫室熱負(fù)荷以合理選型水源熱泵機(jī)組 利用 新技術(shù)融合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測與自動控制 提升系統(tǒng)運(yùn)行效率與節(jié)能效果 采取優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)與 組件設(shè)計(jì) 降低投資與運(yùn)行成本 本研究旨在設(shè)計(jì)適 用于連棟溫室的高效 智能 環(huán)保型供熱與制冷系統(tǒng) 為連棟溫室節(jié)能改造和高效運(yùn)行提供技術(shù)支持 1 傳統(tǒng)供熱與制冷系統(tǒng)存在問題 北京市農(nóng)林科學(xué)院連棟溫室面積10 000 m2 用于 蔬菜新品種成果展示 溫室采用鋼骨架和雙層薄膜結(jié) 構(gòu) 具有較好采光性能 溫室配備照明 通風(fēng) 灌溉 和溫控等基本設(shè)施 用電功率300 kW 根據(jù)種植需求 室內(nèi)溫度保持18 28 C 濕度控制40 70 然而 設(shè)備運(yùn)行中控制室內(nèi)環(huán)境溫度 濕度面臨一定挑戰(zhàn) 連棟溫室傳統(tǒng)供熱多采用鍋爐 能源消耗大 并 且產(chǎn)生大量污染物 對環(huán)境造成嚴(yán)重影響 同時(shí) 鍋 爐供熱效率相對較低 難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)溫度控制 導(dǎo)致 室內(nèi)溫度波動大 影響作物生長 1 制冷方面 傳統(tǒng) 暖通空調(diào)能耗高達(dá)65 中央空調(diào)系統(tǒng)能耗占暖通系 統(tǒng)總能耗50 室內(nèi)溫度分布不均勻 無法滿足溫室 制冷需求 2 傳統(tǒng)供熱與制冷系統(tǒng)缺乏智能化管理 需要人工頻繁操作 增加運(yùn)營成本和管理難度 2 水源熱泵系統(tǒng)工況 水源熱泵系統(tǒng)是以水為介質(zhì)提取能量實(shí)現(xiàn)制熱和 制冷的一個(gè)或一組系統(tǒng) 由回灌井 潛水泵在井底 回灌水泵 水源熱泵機(jī)組 蒸發(fā)器 壓縮機(jī) 冷凝器 膨脹閥 換熱器 風(fēng)機(jī)盤管 及連接管路等組成 3 水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源吸收太陽能和 地?zé)崮苄纬傻臀粺崮苜Y源 利用水源熱泵系統(tǒng) 經(jīng)少 量高位電能輸入 實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一 種可再生能源利用技術(shù) 夏季 水源熱泵機(jī)組將建筑 內(nèi)部熱量轉(zhuǎn)移至水源介質(zhì)實(shí)現(xiàn)制冷 冬季 機(jī)組從水 源提取低品位熱能通過熱泵循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱量提升后輸送 至溫室進(jìn)行供熱 2 1 夏季制冷工況 水源熱泵夏季制冷基于逆卡諾循環(huán) 通過制冷劑 的相變循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移 制冷工況如圖1所示 其 工作過程可分為4個(gè)環(huán)節(jié) 圖1 水源熱泵夏季制冷工況 Fig 1 Water source heat pumps cooling operating conditions in summer 2 1 1 蒸發(fā)器吸熱制冷環(huán)節(jié) 來自建筑內(nèi)部的循環(huán)熱水 典型溫度28 C 進(jìn)入 蒸發(fā)器 與低溫低壓的液態(tài)制冷劑進(jìn)行熱交換 制冷 劑因沸點(diǎn)低 吸收熱水熱量后汽化 轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐蛪?氣態(tài)制冷劑 同時(shí) 循環(huán)熱水溫度顯著降低 降至 15 C 隨后返回室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管 為建筑空間提供 冷量 2 1 2 壓縮機(jī)增壓升溫環(huán)節(jié) 蒸發(fā)器輸出的低溫低壓氣態(tài)制冷劑被壓縮機(jī)吸入 通過電能驅(qū)動進(jìn)行絕熱壓縮 此過程使制冷劑壓力 從0 3 MPa升至1 5 MPa 和溫度大幅提升 轉(zhuǎn)變?yōu)?高溫高壓氣態(tài)制冷劑 為后續(xù)冷凝放熱創(chuàng)造條件 2 1 3 冷凝器排熱冷凝環(huán)節(jié) 高溫高壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)入冷凝器 與來自地下水 源的低溫水 15 C 進(jìn)行熱交換 制冷劑向水源水釋 放熱量后逐漸冷凝為高壓液態(tài) 同時(shí) 水源水吸收熱 量后溫度升高 升至25 C 通過回灌泵返回地下 實(shí)現(xiàn)熱量排放 2 1 4 膨脹閥節(jié)流降壓環(huán)節(jié) 高壓液態(tài)制冷劑流經(jīng)膨脹閥時(shí)被節(jié)流降壓 壓力 和溫度急劇下降 降至蒸發(fā)壓力 恢復(fù)為低溫低壓 的液態(tài)制冷劑 完成循環(huán)準(zhǔn)備再次進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱 上述4個(gè)環(huán)節(jié)持續(xù)循環(huán) 實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)部熱量向地 下水源介質(zhì)的高效轉(zhuǎn)移 低溫循環(huán)水通過風(fēng)機(jī)盤管與 室內(nèi)空氣完成換熱 循環(huán)持續(xù)地為建筑內(nèi)部提供冷量 地下水源 實(shí)現(xiàn)室內(nèi)制冷 4 2 2 冬季制熱工況 水源熱泵冬季制熱基于逆卡諾循環(huán) 通過制冷劑 相變實(shí)現(xiàn)熱量從低溫?zé)嵩?地下水 向高溫?zé)嵩?室 42 農(nóng)業(yè)工程設(shè)施農(nóng)業(yè)工程 內(nèi) 轉(zhuǎn)移 制熱工況如圖2所示 其工作過程可分為 4個(gè)環(huán)節(jié) 圖2 水源熱泵冬季制熱工況 Fig 2 Water source heat pumps heating operating conditions in winter 2 2 1 蒸發(fā)器吸熱環(huán)節(jié) 來自地下抽取溫度相對穩(wěn)定的水源水 12 15 C 進(jìn)入蒸發(fā)器 在蒸發(fā)器內(nèi)低溫低壓液態(tài)制冷劑 蒸發(fā) 溫度5 C 吸收水源熱量后汽化 轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐蛪簹?態(tài)制冷劑 完成熱交換的水源水溫度降至7 10 C 并通過回灌水泵到回灌井 實(shí)現(xiàn)從低溫?zé)嵩粗刑崛崃?2 2 2 壓縮機(jī)增壓環(huán)節(jié) 氣態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)后 經(jīng)電能驅(qū)動壓縮 壓 力和溫度急劇升高 壓力可達(dá)1 2 1 5 MPa 溫度升 至60 80 C 為后續(xù)高溫放熱創(chuàng)造必要條件 是系 統(tǒng)能量提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 2 2 3 冷凝器放熱環(huán)節(jié) 高溫高壓制冷劑進(jìn)入冷凝器后 與來自室內(nèi)的低 溫循環(huán)水 35 40 C 進(jìn)行熱交換 制冷劑冷凝放熱 將水溫提升至45 50 C后輸入供暖系統(tǒng) 同時(shí) 制冷 劑轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏阂簯B(tài) 完成熱量向室內(nèi)傳遞 2 2 4 膨脹閥節(jié)流環(huán)節(jié) 高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓后 重新變?yōu)?低溫低壓狀態(tài) 溫度降至5 C 壓力0 3 MPa 為下 一輪吸熱循環(huán)做好準(zhǔn)備 上述4個(gè)環(huán)節(jié)持續(xù)循環(huán) 將地下熱能轉(zhuǎn)移至室內(nèi) 利用風(fēng)機(jī)盤管實(shí)現(xiàn)室內(nèi)制熱 5 3 高效水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)體系 傳統(tǒng)水源熱泵系統(tǒng)在溫室應(yīng)用中仍面臨能效偏低 智能化程度不高等問題 高效水源熱泵技術(shù)是基于傳 統(tǒng)水源熱泵技術(shù)融合多項(xiàng)新技術(shù) 并在效率提升 適 應(yīng)性拓展 環(huán)保等方面具有顯著改進(jìn)效果的新型空調(diào) 系統(tǒng) 3 1 高效水源熱泵技術(shù) 1 新型壓縮機(jī)技術(shù) 根據(jù)收集數(shù)據(jù)和溫室實(shí)際 需求選用新型高效水源熱泵機(jī)組 機(jī)組采用先進(jìn)壓縮 機(jī)技術(shù)和制冷劑 制冷系數(shù) COP 較傳統(tǒng)機(jī)組提高 約15 制熱系數(shù)也得到顯著提升 6 如在相同工況 下 傳統(tǒng)機(jī)組制冷量200 kW時(shí) 消耗功率50 kW COP為4 新型機(jī)組制冷量達(dá)到220 kW時(shí) 消耗功率 50 kW COP為4 23 2 機(jī)組適應(yīng)性優(yōu)化 冬季 機(jī)組采用補(bǔ)氣增焓 技術(shù)有效提高制熱能力 確保室外溫度低至 15 C仍 能穩(wěn)定運(yùn)行 滿足溫室供熱需求 夏季 通過優(yōu)化冷 凝器和蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 提高機(jī)組散熱和吸熱效率 降低能耗 3 2 新型風(fēng)機(jī)盤管技術(shù) 新型風(fēng)機(jī)盤管技術(shù)基于傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管技術(shù)演進(jìn)發(fā) 展 可為溫室溫度和濕度調(diào)節(jié)提供更高效 更精準(zhǔn) 更節(jié)能方案 該技術(shù)利用風(fēng)機(jī)將室內(nèi)空氣吸入機(jī)組 經(jīng)過風(fēng)機(jī)盤管熱交換 通過控制進(jìn)入風(fēng)機(jī)盤管熱水或 冷水流量和溫度 使空氣被冷卻或加熱后送回室內(nèi) 實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境的精確調(diào)控 7 1 高效節(jié)能 采用高效熱交換器材料和設(shè)計(jì) 其傳熱系數(shù)高于傳統(tǒng)銅管鋁翅片換熱器 有效提高熱 交換效率 減少能耗 8 配備智能控制系統(tǒng)可根據(jù)溫 室溫度 濕度 光照等環(huán)境參數(shù)自動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和 水流量 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫 避免能源浪費(fèi) 2 精準(zhǔn)控溫 可將溫度波動控制在較小范圍 滿足不同作物不同生長階段對溫度要求 實(shí)現(xiàn)精確溫 度控制 部分產(chǎn)品具備分區(qū)控溫功能 將溫室劃分為 多個(gè)區(qū)域 對每個(gè)區(qū)域溫度進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié) 提高溫度 控制靈活性和精準(zhǔn)度 9 3 3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 1 設(shè)備連接與數(shù)據(jù)采集 在水熱泵機(jī)組 水泵 及閥門等安裝溫度 濕度 壓力 流量等傳感器 實(shí) 時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行時(shí)進(jìn)出口水溫 壓力 流量和能耗等 參數(shù) 并將采集數(shù)據(jù)通過有線或無線通信傳輸?shù)轿锫?lián) 網(wǎng)平臺 實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)字化連接和數(shù)據(jù)集中管理 10 2 遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷 借助物聯(lián)網(wǎng)平臺 可 通過手機(jī) 電腦等遠(yuǎn)程監(jiān)控水源熱泵運(yùn)行狀態(tài) 隨時(shí) 查看設(shè)備運(yùn)行參數(shù) 歷史數(shù)據(jù)等 11 通過對采集數(shù)據(jù) 實(shí)時(shí)分析 可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行異常 并自動進(jìn)行故 障診斷提出解決方案 若檢測到系統(tǒng)故障則立即報(bào)警 以便及時(shí)維修 3 4 智能控制技術(shù) 智能控制技術(shù)可以根據(jù)溫室實(shí)際需求和環(huán)境條件 自動調(diào)節(jié)水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù) 提高系統(tǒng)運(yùn)行效率 和節(jié)能效果 進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測 數(shù)據(jù)管理 智能控制 1 環(huán)境監(jiān)測 在溫室安裝大量傳感器 實(shí)時(shí)監(jiān) 測溫度 濕度 光照強(qiáng)度和CO2濃度等環(huán)境參數(shù) 同 時(shí) 傳感器將數(shù)據(jù)傳輸至中央控制系統(tǒng) 系統(tǒng)可根據(jù) 預(yù)設(shè)農(nóng)作物生長最佳環(huán)境參數(shù)分析判斷 自動調(diào)節(jié)水 羅冬 等 連棟溫室高效水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐 43 源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài) 12 2 數(shù)據(jù)管理 分析歷史能源消耗數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)運(yùn) 行數(shù)據(jù) 可預(yù)測不同時(shí)段能源需求 并優(yōu)化水源熱泵 系統(tǒng)運(yùn)行策略 13 3 智能控制 基于數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的智能 控制 通過自動控制裝置遠(yuǎn)程操作斷路器 隔離開關(guān) 等 實(shí)現(xiàn)故障快速隔離和恢復(fù)供電 14 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有 利于水源熱泵系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)和用戶需 求 自動調(diào)整設(shè)備運(yùn)行模式和參數(shù) 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能控制 4 高效水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐 結(jié)合北京市農(nóng)林科學(xué)院連棟溫室實(shí)際需求 水源 條件及熱負(fù)荷情況 設(shè)計(jì)一套高效 智能 環(huán)保型供 熱與制冷系統(tǒng) 4 1 設(shè)計(jì)思路 采用高效水源熱泵機(jī)組提升機(jī)組性能 降低能耗 選用新型風(fēng)機(jī)盤管優(yōu)化系統(tǒng)管路 減少能量損失 通 過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)和水源熱泵系統(tǒng)運(yùn) 行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測 引入智能控制系統(tǒng)根據(jù)溫室內(nèi)外環(huán) 境參數(shù)變化實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài) 完成對熱泵機(jī)組 水泵 閥門自動控制 提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和節(jié)能效果 并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行 滿足作物生長對 環(huán)境需求 實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排 降低運(yùn)營成本 4 2 熱負(fù)荷計(jì)算 4 2 1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量計(jì)算 1 溫室屋面?zhèn)鳠岷臒崃縌R與側(cè)墻傳熱耗熱量 QS計(jì)算公式為 15 QR S KR SFR S tn tw R S 1 式中 QR S 屋面 側(cè)墻傳熱耗熱量 W KR S 屋面 側(cè)墻傳熱系數(shù) W m2 K FR S 屋面 側(cè)墻面積 m2 tn 室內(nèi)計(jì)算溫度 C 取tn 20 C tw 冬季室外計(jì)算溫度 C 取tw 12 C R S 屋面 側(cè)墻溫差修正系數(shù) 屋面采用雙層塑料薄膜 KR 6 0 W m2 K FR 10 000 m2 R 1 0 計(jì)算得屋面?zhèn)鳠岷臒崃縌R 1 920 000 W 側(cè)墻采用阻燃聚苯板保溫 KS 0 5 W m2 K FS 2 000 m2 S 0 8 計(jì)算得側(cè)墻傳熱耗 熱量QS 25 600 W 2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱總耗熱量QT計(jì)算公式為 QT QR QS 2 經(jīng)計(jì)算 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱總耗熱量QT 1 945 600 W 4 2 2 冷風(fēng)滲透耗熱量計(jì)算 冷風(fēng)滲透耗熱量Qw計(jì)算公式為 Qw 0 28Cp V t 3 式中 QW 冷風(fēng)滲透耗熱量 W Cp 空氣定壓比熱 kJ kg K 取Cp 1 01 kJ kg K 空氣密度 kg m3 取 1 2 kg m3 V 滲透冷空氣量 m3 h t 室內(nèi)外溫差 C 根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知 該溫室滲透冷空氣量V 10 000 m3 h 室內(nèi)外溫差 t 32 C 則QW 108 595 2 W 4 2 3 總熱負(fù)荷計(jì)算 連棟溫室總熱負(fù)荷Q QT QW 2054 2 kW 4 3 系統(tǒng)架構(gòu) 連棟溫室高效水源熱泵系統(tǒng)由高效水源熱泵機(jī)組 水源側(cè)循環(huán)水泵 用戶側(cè)循環(huán)水泵 新型風(fēng)機(jī)盤管 蓄熱水箱 智能控制系統(tǒng)及連接管路等組成 系統(tǒng)架 構(gòu)如圖3所示 圖3 連棟溫室高效水源熱泵系統(tǒng)架構(gòu) Fig 3 Efficient water source heat pump system architecture for multi span greenhouses 4 4 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 4 1 水源系統(tǒng)設(shè)計(jì) 通過水文地質(zhì)勘察 明確地下水位較淺 水量豐 富 水溫常年穩(wěn)定在14 16 C 水質(zhì)符合水源熱泵系 統(tǒng)使用要求 鉆探兩口抽水井和兩口回灌井 井深 90 m 抽水井采用潛水泵抽水 單井出水量50 m3 h 回灌井采用同井回灌方式確保地下水持續(xù)利用 在回 灌管道設(shè)置過濾器和反沖洗裝置防止回灌堵塞 4 4 2 高效水源熱泵機(jī)組選型 根據(jù)連棟溫室熱負(fù)荷計(jì)算 考慮系統(tǒng)冗余和實(shí)際 運(yùn)行效率 選擇機(jī)組制冷量2 000 kW 制熱量2 200 kW 制冷工況下COP為5 0 制熱工況下COP為4 5 機(jī)組 采用先進(jìn)壓縮機(jī)技術(shù)和高效換熱器 具有良好性能穩(wěn) 定性和節(jié)能效果 4 4 3 新型風(fēng)機(jī)盤管設(shè)計(jì) 根據(jù)連棟溫室種植區(qū)域設(shè)置200臺風(fēng)機(jī)盤管 均 勻布置 每臺風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)量2000 m3 h 制冷量10 kW 制熱量12 kW 44 農(nóng)業(yè)工程設(shè)施農(nóng)業(yè)工程 4 4 4 管道設(shè)計(jì) 冷凍水 低溫冷凍水及熱水管道采用無縫鋼管 保溫采用厚度30 mm的橡塑保溫材料 可減少管道熱 損失 采用同程式布置 確保風(fēng)機(jī)盤管水力平衡 管 道最高點(diǎn)設(shè)置排氣閥 最低點(diǎn)設(shè)置排水閥 便于系統(tǒng) 運(yùn)行和維護(hù) 4 4 5 蓄熱水箱設(shè)計(jì) 采用不銹鋼水箱 用于儲存熱泵機(jī)組夜間或低負(fù) 荷產(chǎn)生的多余熱量 白天或高負(fù)荷時(shí)段為溫室供熱 采用削峰填谷方法 提高系統(tǒng)能源利用效率 16 4 4 6 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器 數(shù)據(jù)采集器和傳 輸網(wǎng)絡(luò)組成 在連棟溫室布置多個(gè)傳感器 實(shí)時(shí)監(jiān)測 溫度 濕度 光照強(qiáng)度和CO2濃度等環(huán)境參數(shù) 以及 水源熱泵系統(tǒng)水溫 水壓 流量等運(yùn)行參數(shù) 數(shù)據(jù)采 集器將傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳 云平臺 管理人員可通過手機(jī) 電腦隨時(shí)隨地查看溫 室環(huán)境參數(shù)和水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài) 4 4 7 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 智能控制系統(tǒng)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心 它根據(jù)物聯(lián)網(wǎng) 監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù) 利用先進(jìn)控制算法自動調(diào)節(jié)水源 熱泵系統(tǒng)運(yùn)行 主要設(shè)計(jì)溫度控制 壓力控制 系統(tǒng) 運(yùn)行模式切換3大功能 1 溫度控制 在溫室和各風(fēng)機(jī)盤管進(jìn) 出口處 設(shè)置溫度傳感器 實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)溫度和風(fēng)機(jī)盤管進(jìn) 出水溫度 控制器根據(jù)設(shè)定的室內(nèi)溫度值和實(shí)際監(jiān)測 溫度值偏差 自動調(diào)節(jié)水源熱泵機(jī)組運(yùn)行頻率和風(fēng)機(jī) 盤管風(fēng)速 以保持室內(nèi)溫度穩(wěn)定 同時(shí) 智能控制系 統(tǒng)可根據(jù)不同作物生長階段的環(huán)境參數(shù)需求 自動調(diào) 整溫濕度等參數(shù)設(shè)定值 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)環(huán)境控制 如當(dāng)溫 室溫度高于或低于設(shè)定值時(shí) 智能控制系統(tǒng)自動開啟 水源熱泵機(jī)組進(jìn)行制冷或供熱 2 壓力控制 在冷凍水和熱水管道系統(tǒng)設(shè)置壓 力傳感器 監(jiān)測管道壓力變化 當(dāng)管道壓力過高或過 低時(shí) 控制器自動調(diào)節(jié)循環(huán)水泵運(yùn)行頻率 確保管道 系統(tǒng)壓力穩(wěn)定 3 系統(tǒng)運(yùn)行模式切換 根據(jù)季節(jié)和室內(nèi)溫度 濕度需求 自動切換系統(tǒng)運(yùn)行模式 實(shí)現(xiàn)制冷 制熱 和除濕等不同功能 同時(shí) 系統(tǒng)兼具故障報(bào)警和自動 保護(hù)功能 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)報(bào)警 并采取相應(yīng) 保護(hù)措施 確保系統(tǒng)安全運(yùn)行 4 5 節(jié)能效益分析 4 5 1 投資成本分析 1 傳統(tǒng)供熱與制冷系統(tǒng)投資成本 連棟溫室傳 統(tǒng)供暖與制冷系統(tǒng)通常采用燃油鍋爐 電加熱設(shè)備或 空調(diào)等 以燃油鍋爐為例 滿足連棟溫室10 000 m2供 暖需求的設(shè)備 購置費(fèi)用約80萬元 添加管道鋪設(shè) 安裝調(diào)試等費(fèi)用 總投資約100萬元 2 高效水源熱泵系統(tǒng)投資成本 高效水源熱泵 系統(tǒng)投資成本含高效水源熱泵機(jī)組 水井系統(tǒng) 新型 風(fēng)機(jī)盤管及智能控制系統(tǒng)等構(gòu)件及安裝調(diào)試費(fèi)用 根 據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算 水源熱泵機(jī)組設(shè)備費(fèi)用約120萬元 水井系統(tǒng)包括抽水井 回灌井建設(shè)及水泵等新建費(fèi)用 約30萬元 風(fēng)機(jī)盤管費(fèi)用約40萬元 智能控制系統(tǒng) 費(fèi)用約10萬元 安裝調(diào)試費(fèi)用約20萬元 則高效水 源熱泵系統(tǒng)投資總成本約220萬元 4 5 2 運(yùn)行成本分析 1 傳統(tǒng)供熱與制冷系統(tǒng)運(yùn)行成本 冬季制熱 以燃油鍋爐供暖為例 北京地區(qū)供暖 期120 d 每天運(yùn)行10 h 燃油鍋爐熱效率約80 燃 油價(jià)格7元 L 燃油發(fā)熱量約38 MJ L 根據(jù)熱負(fù)荷計(jì) 算 連棟溫室冬季熱負(fù)荷約1 500 kW 經(jīng)計(jì)算每天消 耗燃油約1 765 L 冬季供暖期燃油費(fèi)用約148 26萬元 夏季制冷 采用空調(diào)制冷 假設(shè)空調(diào)COP為3 0 制冷期90 d 每天運(yùn)行10 h 制冷功率約1 200 kW 則每天耗電量約4 000 kW h 夏季制冷期電費(fèi)約21 6 萬元 按0 6元 kW h 計(jì)算 全年運(yùn)行成本共計(jì)約169 86萬元 2 高效水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行成本 冬季制熱 高效水源熱泵機(jī)組制熱工況下COP約 為4 5 冬季熱負(fù)荷1 500 kW 冬季供暖期120 d 每 天運(yùn)行10 h 則每天耗電量約3 333 kW h 冬季供暖 期電費(fèi)約23 99萬元 按0 6元 kW h 計(jì)算 此外 系統(tǒng)運(yùn)行還涉及少量水費(fèi) 假設(shè)水費(fèi)5元 m3 每天用 水量約50 m3 冬季供暖期水費(fèi)約3萬元 冬季運(yùn)行成 本總計(jì)約26 99萬元 夏季制冷 夏季制冷工況下COP約為5 0 制冷功 率約1 200 kW 夏季制冷期90 d 每天運(yùn)行10 h 則 每天耗電量約2 400 kW h 夏季制冷期電費(fèi)約12 96 萬元 同時(shí) 夏季制冷期水費(fèi)約2 25萬元 夏季運(yùn)行 成本總計(jì)約15 21萬元 全年運(yùn)行成本總計(jì)約42 20萬元 與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比 高效系統(tǒng)每年可節(jié)約運(yùn)行成本約127 66萬元 4 5 3 投資回收期分析 投資回收期指通過節(jié)約運(yùn)行成本收回高效水源熱 泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)多投資成本所需時(shí)間 高效水源熱 泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)多投資成本120萬元 每年節(jié)約運(yùn) 行成本127 66萬元 投資回收期 多投資成本 每年節(jié) 約的運(yùn)行成本 0 94年 通過計(jì)算分析 高效水源熱泵系統(tǒng)具有顯著節(jié)能 效果和良好經(jīng)濟(jì)效益 雖初始投資高 但運(yùn)行成本大 幅降低 投資回收期較短 長期運(yùn)行 節(jié)能和經(jīng)濟(jì)優(yōu) 羅冬 等 連棟溫室高效水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐 45 勢明顯 符合可持續(xù)發(fā)展要求 5 高效水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢 5 1 高效節(jié)能 傳統(tǒng)供熱與制冷系統(tǒng)通過燃?xì)忮仩t供暖或分體空 調(diào)制冷 能源利用效率較低 燃?xì)忮仩t燃燒過程伴隨 熱量散失 熱效率80 90 分體空調(diào)制冷和制熱時(shí) 壓縮機(jī)頻繁啟停消耗較多電能 COP為2 5 3 5 高效 水源熱泵系統(tǒng)利用淺層地?zé)崮芸稍偕茉?通過熱泵 機(jī)組實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移 COP為4 6 消耗1單位電能可 從地下水中提取3 5單位熱能供暖或向地下水釋放 3 5單位冷量制冷 5 2 綠色環(huán)保 傳統(tǒng)供熱與制冷系統(tǒng)使用燃?xì)忮仩t燃燒排放大氣 污染物如SO2等 加重霧霾等環(huán)境問題 對環(huán)境污染 嚴(yán)重 高效水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程無污染物排放 高 效節(jié)能 間接減少因發(fā)電產(chǎn)生污染物排放 高效水源 熱泵系統(tǒng)符合綠色環(huán)保發(fā)展理念 有助于減少溫室氣 體排放 減少對環(huán)境不良影響 17 5 3 精準(zhǔn)控溫 傳統(tǒng)供熱與制冷系統(tǒng)暖風(fēng)機(jī) 空調(diào)等溫度控制精 度相對較差 暖風(fēng)機(jī)熱風(fēng)分布不均勻易造成溫室局部 溫度過高或過低 分體空調(diào)控溫維持在 2 C 難以滿 足溫度要求苛刻的農(nóng)作物生長需求 高效水源熱泵系 統(tǒng)通過在溫室布置多個(gè)溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度變化 將信號反饋給熱泵機(jī)組和控制系統(tǒng) 可將溫度控制在 設(shè)定值 0 5 C范圍內(nèi) 為農(nóng)作物提供更加穩(wěn)定 適宜 的生長環(huán)境 提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì) 5 4 智能運(yùn)維 傳統(tǒng)供熱與制冷系統(tǒng)包括分體空調(diào) 小型鍋爐等 部件相對獨(dú)立 集成度較低 運(yùn)行過程某個(gè)部件故障 會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法正常工作 維修復(fù)雜 維修時(shí)間 較長 影響溫室正常使用 高效水源熱泵系統(tǒng)采用模 塊化設(shè)計(jì)和智能控制 各部件協(xié)同工作 系統(tǒng)穩(wěn)定性 高 即使某個(gè)部件出現(xiàn)故障 其他部件仍能維持系統(tǒng) 運(yùn)行 保障溫室基本溫度需求 6 結(jié)束語 本研究圍繞新技術(shù)融合的連棟溫室水源熱泵系統(tǒng) 開展設(shè)計(jì)實(shí)踐 成果顯著 融合高效水源熱泵機(jī)組 新型風(fēng)機(jī)盤管 物聯(lián)網(wǎng)和智能控制等技術(shù) 成功構(gòu)建 高效 智能 環(huán)保的供熱與制冷系統(tǒng) 通過精準(zhǔn)計(jì)算 熱負(fù)荷 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測與自動控制功能 在有效 減少能量損失 提升運(yùn)行效率與節(jié)能效果的同時(shí) 滿 足作物生長環(huán)境需求 實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排 降低運(yùn)營成本 為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供支撐 本研究也存在一定局限性 主要體現(xiàn)在高效水源 熱泵系統(tǒng)測試環(huán)境單一 在不同氣候 規(guī)模溫室環(huán)境 的普適性和優(yōu)化效果有待驗(yàn)證 并且對系統(tǒng)長期穩(wěn)定 性和維護(hù)成本的研究也需持續(xù)深入 未來 可深挖新 技術(shù)融合潛力 開展多氣候區(qū)域?qū)嵉販y試 建立氣候 模型分析 通過不同規(guī)模溫室試驗(yàn)積累多場景測試數(shù) 據(jù) 結(jié)合模擬與理論分析 優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)以增強(qiáng)適應(yīng) 性和穩(wěn)定性 建立長期監(jiān)測機(jī)制 探索降低維護(hù)成本 的有效途徑 填補(bǔ)研究空白 推動連棟溫室水源熱泵 系統(tǒng)廣泛應(yīng)用與持續(xù)發(fā)展 參考文獻(xiàn) 李明 供熱系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)淺析 J 能源與節(jié)能 2022 9 59 61 LI Ming Energy saving technology of heating system J Energy and Energy Conservation 2022 9 59 61 1 王曉忠 建筑工程暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)要點(diǎn)及應(yīng)用研究 J 機(jī)械管理開發(fā) 2022 37 6 320 321 324 WANG Xiaozhong Key points of energy saving technology and applic ation of HVAC system in building engineering J Mechanical Manage ment and Development 2022 37 6 320 321 324 2 曾才茂 高運(yùn)法 地表水水源熱泵系統(tǒng)取用水量計(jì)算及產(chǎn)業(yè)政策 符合性分析 J 陜西水利 2021 9 32 34 ZENG Caimao GAO Yunfa Calculation of water withdrawal for sur face water source heat pump system and analysis of industrial policy com pliance J Shaanxi Water Resources 2021 9 32 34 3 單卓 水源熱泵技術(shù)在暖通工程中的應(yīng)用 J 中阿科技論壇 中 英文 2022 4 89 92 SHAN Zhuo Study on the application of water source heat pump tech nology in HVAC engineering J China Arab States Science and Tech nology Forum 2022 4 89 92 4 王亞斌 水源熱泵技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用 J 能源與節(jié)能 2020 8 60 61 WANG Yabin Application of water source heat pump technology in coal mines J Energy and Energy Conservation 2020 8 60 61 5 褚賽 劉啟明 許抗吾 等 基于高效目標(biāo)的多能互補(bǔ)能源站運(yùn) 行策略研究 J 暖通空調(diào) 2025 55 1 29 36 CHU Sai LIU Qiming XU Kangwu et al Research on operation strategy of multi energy complementary energy stations based on effi cient target J Heating Ventilating Air Conditioning 2025 55 1 29 36 6 劉乃玲 井博凱 范明昭 用于高大空間的新型風(fēng)機(jī)盤管性能研 究 J 山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào) 2023 38 5 40 47 LIU Nailing JING Bokai FAN Mingzhao Study on the performance of a new fan coil used in large space J Journal of Shandong Jianzhu University 2023 38 5 40 47 7 丁國良 制冷空調(diào)用換熱器的高效傳熱技術(shù) J 制冷與空調(diào) 2023 23 4 57 66 DING Guoliang High efficient heat transfer technologies for heat ex changer of refrigeration and air conditioning J Refrigeration and Air conditioning 2023 23 4 57 66 8 曾江華 風(fēng)機(jī)盤管溫度控制節(jié)能策略研究 J 暖通空調(diào) 2024 9 46 農(nóng)業(yè)工程設(shè)施農(nóng)業(yè)工程 54 S1 91 93 楊群 李程 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)智能溫室環(huán)境監(jiān)控中的應(yīng)用研究 J 河北農(nóng)機(jī) 2024 19 31 33 10 張會波 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用與前景展望 J 現(xiàn)代 化農(nóng)業(yè) 2024 11 88 90 11 徐淑彥 吳剛 李世雄 蔬菜大棚溫室微氣候智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 中國農(nóng)機(jī)裝備 2024 12 27 29 XU Shuyan WU Gang LI Shixiong Design of intelligent control system for microclimate in vegetable greenhouses J China Agricultur al Machinery Equipment 2024 12 27 29 12 范志華 楊光 馬巍 等 智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 農(nóng)業(yè)工 程 2024 14 10 41 46 FAN Zhihua YANG Guang MA Wei et al Design on intelligent greenhouse control system J Agricultural Engineering 2024 14 10 41 46 13 羅冬 劉繼凱 左強(qiáng) 等 基于多技術(shù)融合的智能蔬菜溫室新型 電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐 J OL 蔬菜 1 7 2025 01 25 https LUO Dong LIU Jikai ZUO Qiang et al Design and implementa 14 tion of a novel power system for intelligent vegetable greenhouses based on multi technology integration J OL Vegetables 1 7 2025 01 25 富建魯 周長吉 王柳 連棟玻璃溫室采暖熱負(fù)荷計(jì)算方法 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2020 36 21 235 242 FU Jianlu ZHOU Changji WANG Liu Methods for calculation of heating load in gutter connected glasshouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2020 36 21 235 242 15 黃春建 鄧乾星 龔道永 等 空氣源 水蓄熱 水源組合式熱泵 系統(tǒng)在西北沙漠地區(qū)供暖運(yùn)行分析 J 石油石化節(jié)能與計(jì)量 2024 14 12 1 6 HUANG Chunjian DENG Qianxing GONG Daoyong et al Ana lysis of air source water storage water source combined heat pump sys tem in the heating operation of northwest desert region J Energy Con servation and Measurement in Petroleum Petrochemical Industry 2024 14 12 1 6 16 魯雪利 地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用分析 J 冶金管理 2020 19 47 48 17 羅冬 等 連棟溫室高效水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐 47