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園區概貌

農業項目冬季供暖目前大多采用傳統方式，燃煤、電加熱、燒柴等占了能源供應方式的絕大部分。因得不到有效的處理，不可避免地帶來了嚴重的污染問題，使得不少地方農業領域污染比工業還要嚴重。武漢市東西湖區現代都市農業示范園項目內的東西湖農業科學研究所溫室育苗基地，從發展生態農業的角度出發，用清潔能源替代燃煤鍋爐，開拓了一條農業項目中太陽能和水源熱泵互補節能減排的新道路。

1現狀分析

1.1項目概況

本項目位于湖北省武漢市近郊的東西湖區，現有農業溫室面積30000m²，冬季主要用來培育農業大棚中的各類農作物幼苗，室內溫度嚴格要求在15~20℃。原有的供暖系統采用燃煤鍋爐，通過溫室里的鍍鋅散熱管道供熱。燃煤鍋爐共9t，分別是2臺2t，2臺2.5t。使用時間由11月20日至第二年的4月10日，在141天里，共需燃煤400t。配備工人4名，勞動強度大。鍋爐的使用情況如圖1所示。

1.2氣象資料

武漢市位于中緯度地區（北緯31°22'），屬于太陽能資源利用的四類地區，全年平均日照數（參照武漢出版社出版2001年版《武漢地理》上標明的）1967.0小時。全年相對日照時間45%[太陽輻射總量（418-502）×104kJ/cm2·a，相當于140~170kg 標準煤]，太陽輻射強度滿足太陽能光熱利用的要求，屬于較好的太陽能資源的地區。11月至第二年的4月之晴天與陰雨天的天數比例大約為2：1，一月份平均溫度為5.6℃。

2設計原則和熱負荷計算

要把原有燃煤鍋爐替換掉，選擇技術路線對項目成敗至關重要?？紤]到園區所提倡的現代都市農業和觀光農業發展理念，在分析了現有溫室布局和供暖管道分布情況后，確定建設方針是環境友好型，要有很好的示范作用，因此，提出的設計三原則是：經濟性、可靠性、生態性，并以此來選擇清潔能源所遵循的技術路線。

 

圖1鍋爐使用情況

對熱負荷的確立是技術路線選擇的前題，根據《溫室加熱系統設計規范JB/T10297-2001》標準要求和現場數據，計算如下：

測量每個溫室的四個立面、頂部PC 板、地面總面積數值分別為266.22、266.22、110.4、110.4、5206.08 平方米，圍護結構的傳熱損失計算公式為：

3太陽能熱水及水源熱泵系統設計

3.1太陽能供暖系統

考慮到園區實際情況，在綜合分析了各類能源供給的利弊之后，得出可采納的清潔能源供暖方式主要為太陽能供暖和熱泵供暖。在太陽能方面，由于農業溫室育苗區對采光要求嚴格，園區溫室頂部可供安裝的面積共3000m²。因此，在這個條件下，結合氣象數據和熱負荷計算出的采暖季集熱器采光面上平均日太陽輻照量J_T為：

白天采集到的太陽能熱量晚上釋放到溫室大棚里，因此通過增加蓄熱水箱將熱水保存起來，晚上供暖時再將熱水抽出來循環處用。管道中的水體積為47.1m³，加上水溫升高之后水體積的膨脹，以及余量容量，水的體積至少為130m³。出水口距離水箱底部為0.15m，同時水箱中水面到頂部需要預留一段距離，綜合考慮，確定太陽能集熱水箱規格為10000mm（長）×6000mm（寬）×2500mm（高），水箱總體積為150m³。

3.2水源熱泵

通過綜合對比各類熱泵的技術可行性、運行經濟性、維護保養等條件后，加上查詢當地的水文、地質資料，得知此地屬于長江沖積二級階梯地區，局部地區相對低洼，地下水十分豐富，類別屬于全新統孔隙承壓水，水資源量為3998×104m3/a，地下水的滲透系數為10.10~32.48m/d，地下水水量豐富，且緊鄰一條河流，周圍3公里無居民區，屬于《武漢市水源熱泵設計規范》中水源熱泵使用的推薦地區。結合實地打井勘探，得出大量數據，武漢勘測設計院報告結論“園區處于武漢市郊區水源熱泵系統應用適宜區域”，因此選擇水源熱泵進行供暖。太陽能和水源熱泵互補應用原理如圖2所示。

熱泵功率大小的確定，是結合太陽能供暖系統和氣象數據得出的。綜合前面計算所得到的結果，供暖季里晴天供暖所需熱量為：

 

4控制系統

控制系統采用基于PLC的全智能控制方式，并通過計算機、傳感器和現代通信技術綜合控制，可對太陽能集熱循環控制、熱泵加熱系統控制、儲水箱狀態監控以及溫室內溫度適時監控。具體功能有：

1. 太陽能集熱系統的溫差循環功能。當集熱器溫度與水箱中水溫溫差≥10℃時，自動啟動開始溫差循環，當兩者溫差≤2℃時，循環泵自動停止。

2. 當太陽能集熱系統管路中溫度低于0℃時，開啟排空電磁閥，將集熱系統中的水排至水箱中，以防止循環管路凍堵。

3. 在分水器的各個管道接口處增加電磁閥，當某個區域不需要進行供暖時，通過傳感器及軟件控制，使電磁閥關閉達到節能。

4. 在溫室內安裝若干管道溫度傳感器并實時顯示在監控室屏幕上。當溫度低于設定值時熱泵開啟，當溫度高于某一設定值時，通過控制變頻循環水泵的轉速進而達到調節流量目的。

5. 檢測熱泵機組的回灌水溫度，根據回灌水溫度變化控制變頻深井泵的轉速，從而滿足熱泵機組水的流量需求。

6. 水箱的合適位置安裝溫度傳感器以及水位傳感器，實時監控并顯示水箱內部工況。

5經濟和環境效益

由于太陽能是可再生能源，使用成本低。而水源熱泵系統COP值達4~5之間，也具有良好的經濟效益，因此，該系統運行成本十分經濟。

除此之外，環境效益也是很可觀的，根據本文數據，結合計算公式：

 

 

6結語

通過對農業育苗溫室項目中太陽能+ 水源熱泵供熱系統的應用分析，充分證明了在農業中規?；每稍偕茉醇夹g，可實現能源供應的清潔化，且運行成本與現有燃煤成本相當，達到節能、環保、綠色、生態建設目的。在系統的控制技術方面，綜合運用計算機、物聯網+、傳感器、自動控制技術、移動終端等對整個系統進行監測、控制，使供暖系統具有良好的操作便利性、界面可視性、監測智能性、數據可靠性和結果準確性。

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