第四章 设施农业浅层地热源节能技术
设施农业作为一项高效农业，近30年来，取得了长足的发展，但其对能源的依赖已经成为制约行业发展的主要瓶颈，以大型连栋温室为例，每公顷年耗煤量在我国华北地区达700 t到1800 t，东北地区甚至高达1800 t到3000 t，能源消耗约占其运行总成本的30％~50％。
国外研究表明，每生产10 kg黄瓜要消耗5 L汽油，比粮食生产消耗能量高50%~60%，且化石燃料（煤、油等）采暖还会产生大量的CO、SO2、CO2、NOx等有害气体，对环境造成污染。
一、普通加温系统组成 1、热源
通常，热源采用燃气热水锅炉或蒸汽热水锅炉。 （1）燃气热水锅炉
如韩国斯达锅炉生产的燃气热水锅炉（型号：CHSO-95/70），水容量750 L，出水温度95℃，回水温度75℃。 优点：
a、性价比高，经济实用；
b、炉体设计优化，受热面积大，热效率高，升温快，供应热水充足，配置优质名牌燃烧器，燃料燃烧充分，污污染，噪音低；
c、选用电脑自控式控制盘，功能完善，安全可靠。设有低水位和过热保护装置，一旦出现异常，自动停止运行；d、外观造型新颖，喷涂色泽明快、幽雅。整体布置紧凑、占地面积少，安装方便。 （2）电热水锅炉
采用韩国斯达锅炉广州分公司生产的电热水锅炉（型号：CWDZO.72-95/70-D）。
特点：a、采用优质电器元件和电热元件，可避免人身触电和设备漏电、过载、短电等危险，确保安全；b、机电一体，便于安装和配线；c、电做为热煤，无污染、无噪音、热效率高达98%；d、采用先进的电脑锅炉控制器，具有可靠性能，自动化程度高，使用方便，操作简
单，功能丰富，控制灵活等优点；e、具有超温、过热、缺水等多重保护。 2、供暖系统形式 设计基本参数设置
温室加热系统采用机械双管循环热水供暖型式，散热器为适合于温室热水加热的光管，热水供暖方式与热风供暖相比，有温度场分布均匀、升温平稳、不易伤害作物等特点。系统有热水锅炉、分水缸、回水缸、混合组、供回水管道、散热管道等组成。 温室加热系统采用机械双管循环热水供暖型式，散热器为适合于温室热水加热的光管，热水供暖方式与热风供暖相比，有温度场分布均匀、升温平稳、不易伤害作物等特点。系统有热水锅炉、分水缸、回水缸、混合组、供回水管道、散热管道等组成。
设计基本参数设置 项 目 冬季室外设计温度 室内设定温度 风速 温室覆盖物传热系数 墙面传热系数 室温空气渗漏系数 主供水管温度 回水温度 最大供回水温差 指 标 -5℃ 20℃ 4 m/s 3.3 W/m2 3.4 W/m2 1.0次/hour 95℃ 70℃ 25℃
系统为单级调温控制，即锅炉供来的热水先由主进水管供给温室区主供水管道。各温室又有混合组进一步控制管道水温，以保证温室维持最佳的温度。 3、输送管网
一级输送管网指从热源首部到温室的供、回水总管及配件、30~50 mm的超细玻璃棉和铝皮隔热保温材料等。
二级输送管网包括温室内每个加热独立控制区内的供回水管道及混合组。混合组由德国进口Honeywell四通混合阀、循环泵、碟阀、温度传感器等组成。必要时可进行隔绝式循环，不受主输送管道的水温变化的影响。 4、散热器
主要散热管道采用50×2.2 mm高频焊接钢管，呈长U形布置，用软管与二级输送管网连接，可移动性强，可根据实际需要进行布置，每跨9.6米布置6根。 5、温室加热混合组
加热混合组在玻璃温室每个小区有一组加热系统，混合组由四通电动混合阀、循环泵、管道水温传感器、管道温度计、压力表组成。也是通过改变热水与回水比例来控制管道水温，最终来调节温度。
加热混合组控制箱的控制方式有手动及自动2种，工作原理同温度控制箱。 二、浅层地能热泵技术 1、地能热泵工作原理
地能热泵是利用水源热泵的一种形式，它是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进
行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。
地热应用分类地源热泵（GSHP）（通常＜32℃）应用中低温热田（＜150℃）直接的工用与民用高温热田（>150 ℃）直接用于热田发电GWHP深井回灌水源热泵GCHP埋管式土壤源热泵SWHP地表水源热泵SCW单井换热换井
2、浅层地能节能效应
浅层地能是一项新型节能技术，与锅炉（电、化石燃料）供热系统相比其制热系数高，比燃料锅炉节省50％以上的能量，节能优势极为明显。
浅层地能供冷（暖）与传统供冷（暖）方式的比较项 目 能源 供暖设备 加热过程特点 传统供冷（暖）方式 煤油或燃油、天然气 锅炉+铸铁（钢散热器） 1000℃燃烧产物加热70~80℃低温水 浅层低能供冷（暖）方式 浅层低温地热源+少量电 热泵+风机盘管 地下10℃多低温水用热泵提升至50~60℃ 能源效率 对环境影响 60%~90% 污染严重（烟尘、CO、SO2、CO2、NOx） 制冷设备 建筑辅助设施 分体空调或制冷机组+冷却塔 大锅炉房、烟囱、煤场、灰场或地下油库、防天然气泄漏设施 投资 采暖运行成本 （供暖+供热）总投资100% 电采暖40~50元/（m2季）；燃油或天然气40~50元（/m季）；煤油20~30元（/m季） 制冷期间耗水量 冷却塔耗水120吨/万m2 没有水消耗 22节能50%~75% 使用区域零污染 供暖制冷一体化设备 小机房（供暖面积的0.5%~1%），打浅水井（一般＜100 m） 供暖（冷）总投资为传统方式80% 供暖运行费20~30元/（m2季） 三、浅层地能热泵系统的主要类型
浅层地能利用技术是20世纪伴随热泵技术的发展而产生的。以大地浅层地表储存的能
量作为热泵系统的冷热源，按照介质相对于土壤是否封闭进行划分，其能量采集方式有如下主要形式。
1、闭式循环的浅层地能采集系统
闭式循环的浅层地能采集系统是指介质在封闭式土壤换热装置中循环流动，介质通过换热装置与浅层土壤发生热交换与传递，将浅层地能连续地输送到热泵系统，为热泵系统提供冷热源。换热装置主要有水平埋管、螺旋地埋管和垂直埋管三种形式。
（1）水平埋管浅层地能热泵系统（Horizontal ground-coupled heat pump system）
水平埋管浅层地能热泵系统优点是安装费用比垂直式埋管系统低，应用广泛，使用者易于掌握；其缺点是占地面积大，受地面温度影响大，水泵耗电量大。
（2）螺旋形埋管浅层地能热泵系统（spiral ground-coil heat pump system）
螺旋形埋管浅层地能热泵系统是水平环路的一个变种。其优点是比其他形式的水平环路占地少，安装费用相对较低。但缺点是所需管子较长，泵的功率要求较大，管路系统容易在填埋时损害。
（3）垂直埋管浅层地能热泵系统（Vertical borehole ground-coupled heat pump system）
垂直埋管浅层地能热泵系统是较小的土地占用，管路及水泵用电少，其缺点是钻井费用较高。水平埋管与垂直埋管两种方式都归属于地下耦合热泵系统，也称埋管式土壤源热泵系统，还有另外一个术语称地下热交换器地源热泵系统（Ground heat exchanger）。这一系统主要通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。
2、提取转移地下水的浅层地能采集系统
主要有双井抽灌和一井抽多井回灌两种形式。在富含地下水地区的地质条件下，采用打井技术，从一口取水井中以抽取地下水的方式获取地下水中的低位能量，并将释放能量以后的地下水回灌到另外一口或多口井的采集方式。
优点是非常经济，占地面积小；其缺点是长期运行时，抽水井携带泥沙并排向回灌井，当移出的泥沙达到一定积累时，造成抽水井内局部疏松和塌陷，引起地面沉降，抽水井与回水井布置在不同的水质、水系时，出现在新旧水源地之间、工业和农用水之间时，两井水混
合，造成地下水交叉污染，并破坏地下水的平衡。 3、半封闭循环浅层地能采集及单井抽灌热泵
利用潜水泵将地下水抽取上来，通过井口间壁式换热的方式，将介质水中的低位能量交换给热泵系统，释放能量后的水又回到同一口井内。其主要特点是解决了双井抽灌中泥沙和水系交叉污染的问题。
五、我国浅层地能热泵技术在设施农业上的应用研究
2006年，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，对浅层地能在温室中的利用方式进行了深入研究，构建了600 m2的浅层地能环境调控试验温室，同时，针对浅层地能这种低品味能源，提出了“地面一冠层”散热方式，降低了温室的能耗。
中国农业大学把浅层地能与日光温室相结合，采用双井抽灌技术对日光温室进行冬季加温，取得了良好的效果。
北京农业机械研究所研究了在生态餐厅（9504 m2）中使用地源热泵系统进行冬夏季环境调节的经济可行性，结果表明，使用地源热泵每年的运行费用比使用普通空调可节省费用29.04万元，节省30.35％。
河南农业大学的王吉庆博士用水源热泵对温室进行加温，试验结果表明，试验用水源热泵的实际制热系数为3.31，与燃煤锅炉加温的荷兰玻璃温室相比，试验温室采用水源热泵加温可节能46.5％。
从我国国情出发，一段时间内，化石燃料仍将是我国温室供暖的主要热量来源，大部分地区还将采用燃煤锅炉作为温室热源设备。从环境保护的角度出发，可提高锅炉技术，减少环境污染。利用地热资源、工业余热可以有效降低温室成本，但是受条件限制。
蓄电锅炉、太阳能和地源热泵技术适用范围广，极具发展前景。从热媒来看，热水、水蒸气、热风作为温室供暖热媒，各有其特点。采用热水作为热媒，温室内温度较为稳定、空间分布均匀，采用水蒸汽、热风作为热媒，则温室内空气升温快，节省能量。根据热媒性质，选择合适的散热器，进行合理的布置，有利于为植物提供一个良好的生长环境，提高生产效益。
第五章．设施农业与沼气利用结合技术