浅层地热源节能技术及其在设施农业中的应用6.23

方慧1，杨其长1※，王柟1，王顺清1，孙骥2

（1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2.恒有源科技发展有限公司，北京 100093） 摘 要：浅层地源热泵是一种利用高位能使浅层地能从低位热源转移到高位热源的机械装置。该文回顾了浅层地源热泵的种类及各自的优缺点，重点介绍了地源热在国内外的发展背景与意义，探讨了浅层地源热泵技术在设施农业中的研究进

展及存在的问题如初期投资高、控制水平低等，并结合存在的问题提出相应的对策和建议。 关键词：地源热泵；设施农业；温度调控 中图分类号：S62 文献标识码：A 文章编号：

方慧、杨其长、王柟、等. 浅层地热源节能技术及其在设施农业中的应用[J].农业工程学报，2008，24(9)：-

Fang Hui，Yang Qichang，Wang Nan , et al. Geothermal technology and its applications on Protected Agriculture d [J]. Transactions of the CSAE, 2008,24(9)：-.(in Chinese with English abstract)

0 引 言

设施农业作为一项高效农业产业，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hm每年耗煤量在我国华北地区达700t到1800t，东北地区甚至高达1800t到3000t，能源消耗约占其运行总成本的30%- 50%。国外的研究表明，每生产10kg黄瓜要消耗5L汽油，比粮食生产耗能量高50～60倍，而且采用化石燃料（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

［3］

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[1]

2

1 浅层地能热泵技术应用现状及主要类型

1.1 浅层地能热泵技术的应用现状

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（COP）高达3.5～4.5，比燃料锅炉节省50%以上的能量，节能优势极为明显。表1为在建筑上用浅层地能供冷（暖）与传统供冷（暖）方式的比较（北京恒有源科技发展有限公司内部汇编资料）。近10多年来，浅层地能利用技术在北美如美国、加拿大以及中、北欧如瑞士、瑞典等国得到了快速发展。据统计，2003～2005年期间美国每年销售约50，000台地源热泵系统，其中84% 为地埋管系统（46%为垂直埋管，38%水平埋管），15%为地下水源热泵，地表水源热泵利用较少。中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要采用地下土壤盘管（埋深<400米）的地源热泵系统，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据2001年统计，地源热泵在欧洲七国的总销售量约为39350台，其中瑞典销售了27000台,奥地利为4800台，德国为3600台，瑞士为2800台，法国为850台，英国和丹麦为150台。 至2005年，全球33个国家已安装了130万台地源热泵装置，总装机15723兆瓦，是2000年的2.98倍。

[8]

[7]

[6]

[5]

。因此，世界各国都在

积极寻求和开发清洁可再生能源，以减少对化石燃料的依赖。浅层地能是太阳能的另一种表现形式，广泛存在于大地表层中。多年来，浅层地能因品位不高（通常温度<25℃），常常被人们所忽视，但随着制冷（热）技术的进步和完善，成熟的热泵技术使浅层地能的采集、提升和利用成为可能。温室作为耗能较高的领域，应用浅层地能实现节能降耗已经成为一些发达国家的重要选择。因此，积极开展该方向的研究具有普遍意义。

[4]

收稿日期：2008-1-06 修改日期：2008-5-16

基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目（2006BAD28B07-2） 作者简介：方慧（1983－），女，工程师，主要从事设施农业环境工程方面的研究。北京 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，100081。Email:fh2002124@163.com

※通讯作者：杨其长(1963－)，男，博士，研究员，博士生导师，主要从事设施园艺环境工程研究。北京中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，100081。Email: yangqc@cjac.org.cn

表1 两种供暖（冷）方式的比较

Table 1 the comparison of two heating (cool) methods

项目 能源 供暖设备 加热过程特点 能源效率 对环境影响 制冷设备 建筑辅助设施

投资 采暖运行费用

30～40元/（m.季），燃煤：20～30元/（m.季）

制冷期间耗水量

冷却塔耗水120t/万m2

没有水消耗

2

2

传统供冷（暖）方式 燃煤或燃油，或燃用天然气 锅炉＋铸铁（钢散热器）

1000℃多燃烧产物加热70～80℃低温水

低（60％～90％）

污染严重（烟尘、CO、SO2、NOX、CO2） 另设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、天然气泄漏防煤

（供暖＋供冷）总投资为100％ 电采暖40～50元/（m2.季），燃油或燃气

浅层地能供冷（暖）方式 浅层低温地热能＋少量电

热泵＋风机盘管

地下10℃多低温水用热泵提升至50～60℃

高（COP=2~4）,节能50％～75％

使用区域零污染 供暖制冷热泵一体化设备

小机房（供暖面积的0.5％～1％），打浅水井（一般<100m）

供暖（冷）总投资为传统方式的80％ 供暖运行费20～30元/（m2.季）

10000西方国家2004年地源热泵使用情况9200总功率8000年供能量63006300年供能量/GWh/yr总功率/MWt60004000230020002753700435600640930525780澳大利亚加拿大德国瑞典瑞士美国（数据来源2004，9月世界地热中心通报）图1 西方国家地源热泵使用情况

Fig. 1 The use situation of ground source heat pump in Western countries

中国从1995年开始学习和引进欧洲的热泵产品，直到1997年才出现有规模的地源热泵采暖工程项目，1999年底我国约有100套地源热泵供暖/制冷系统，而且全部为开式循环系统。2000年北京恒有源科技发展有限公司推出了“中央液态冷热源环境系统”，利用浅层地能采集技术，实现建筑物冬季供暖、夏季制冷、日常提供热水的“三联供”，并在国家大剧院、海淀展览馆等建筑上使用。近年来，天津大学、清华大学分别与有关企业结成产学研联合体开发出中国品牌的地源热泵系统，已建成数个示范

[9]

工程

[10]

，越来越多的中国用户开始熟悉浅层地能利用技

术。在具体政策上，国家和地方政策都在积极鼓励浅层地能技术的应用，2005年在国家《节能中长期专项规划》中明确指出，要加快地热等可再生能源在建筑物的利用。2006年1月1日起国家颁布施行的《可再生能源法》明确表示，国家鼓励各种所有制经济主体参与可再生能源的开发利用。目前国内多座城市已经推广使用地源热泵技术产品，北京市于2006年6月5日印发了《关于发展热泵系统的指导意见》的通知，鼓励发展地源热泵等可再生能

源系统，政府每年给予35～50元/m2不等的投资支持和补助。

1.2 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

[11]

：

1.2.1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、垂直埋管和螺旋地埋管三种形式。

1）水平埋管浅层地能热泵系统（Horizontal ground-coupled heat pump system）其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。

图2 水平埋管 Fig.2 Horizontal ground-coil

2）垂直埋管浅层地能热泵系统（Vertical borehole ground-coupled heat pump system）其优点是较小的土地占用，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（Ground-couple heat pump system，GCHPS），也称埋管式土壤源热泵系统，还有另外一个术语叫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。

图3 垂直埋管 Fig.3 vertical ground-coil

2）螺旋形埋管浅层地能热泵系统（spiral ground-coil heat pump system）它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。

图4 螺旋地埋管

Fig.4 spiral ground-coil 1.2.2 提取转移地下水的浅层地能采集系统

如图5所示，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

图5 双井抽灌热泵系统

Fig.5 pumping and irrigating with double-well

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。其最大优点是非常经济，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。 1.2.3半封闭循环浅层地能采集及单井抽灌热泵

如图6所示，是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。

图6 单井抽灌热泵系统

Fig.6 pumping and irrigating with single-well

2 浅层地能热泵技术在设施农业上的应用进展

近年来，在能源危机、气候变化日益加剧及控制污染气体排放的背景下，世界各国都在寻求发展新能源和可再生能源技术，设施农业作为耗能较高的产业也在积极探讨浅层地能热泵技术应用的可行性。吴静怡，金鼎对近几年玻璃温室冬季加温实际消耗的用煤量进行了统计，温室实际采用的各种加温系统中，燃煤锅炉是最经济的一种供热方式，其初投资小，且运行费用低，初投资回收期短，但由于环境污染的因素，它将被各种更清洁的加温方式所代替

［12］

。地源热泵是一种新型高效节能设备，具有加温制

冷的双重功能，应用于大型温室替代燃煤锅炉进行冬季加温，夏季又可以利用其制冷功能对温室进行降温，温度可控性强，是一种值得研究的温室调温技术，但地源热泵在

应用中也存在一些问题，如初期投资较大，由于温室的热负荷较大，其运行成本比燃煤锅炉高。Huys和Mnlder指出，由于温室在一年中需要最大热负荷的时间短，建议按50%的最大热负荷安装燃气热泵，即可满足每年80%的需热量

［13］

。在实际应用中若考虑峰谷电价收费后，地源热

泵的运行费用优于其他清洁加温系统，如果峰谷电价比继续扩大，地源热泵加温费用甚至会和燃煤方式持平。因此在温室设施中应用新型高效节能地源热泵，对解决我国大型温室发展中面临的问题，是一种有益的尝试和探索。

图7 土耳其试验温室浅层地能热泵系统 Fig.7 The greenhouse heat pump system in Turkey

图8 荷兰试验温室浅层地能热泵系统

Fig.8 The greenhouse heat pump system in

Netherlands

土耳其伊兹密尔市的爱琴海大学Onder Ozgener和Arif Hepbasli教授试验研究了温室地源热泵系统和太阳能热泵系统联合供暖装置，结果表明，热泵的制热系数（COPHP:heating coefficient of performance of heat pump）为2.0～3.13，整个系统的制热系数(COPSYS: heating coefficient of performance of the overall system)为1.7～2.6[14]

。美国俄勒冈技术学院Andrew Chiasson, P.E.教授在波士顿、德克萨斯州和西雅图三个地方进行了浅层地能在温室中利用的可行性研究，提出了

应用的最佳条件。当浅层地能井下安装费用较低（﹩18 /m以下）或是天然气价格较高（﹩0.21～﹩0.35 /m3）时，浅层地能对温室进行加温或降温具有经济可行性

[15]

。荷兰

瓦赫宁根大学Gerard Bot教授根据当地的地质特点在温室中使用双井抽灌技术，对大型温室进行冬季加温、夏季降温的试验研究，结果表明，系统的COP为4～6

[16]

。

中国设施农业领域中浅层地能的应用还刚刚起步。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600m2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－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

[17]

。北京农业机械研究所研究了在生态餐厅

（9504m2）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，节约率达30.35％

[18]

。

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%

[19]

。

3 结论与建议

随着煤炭、石油、天然气等资源的日益减少，地源热泵技术将成为利用可再生能源的一个重要方向，它已经在全国城市级区域的建筑上推广应用，必将成为我国城市经济发展中一个新的节能模式。在设施农业中应用地源热泵的初期投资较大，但运行费用相对燃油锅炉和普通空调要低的多

[14]

，故在面积比较大、档次比较高的设施项目上可

以采用地源热泵作为供暖和降温手段。建议今后在设施农业上充分考虑利用浅层地能资源，并根据我国五个不同气候区研究在温室中的应用模式以及控制参数，有效地降低初期投资和运行成本，同时又能满足植物的生长环境需求，最大限度地发挥浅层地能的作用。

[参 考 文 献]

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Geothermal technology and its applications on Protected Agriculture

Fang Hui1，Yang Qichang1*，Wang Nan1，Wang Shunqing1，Sunji2

(1．Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，

China；2．Ever Source Science & Technology Development Co., Limited，Beijing 100093，China)

Abstract: Ground soure heat pump is a mechanical equipment which can transform low-temperature heat source into high-temperature heat source. In this paper we summarized the kinds of heat pump and their respective advantages and disadvantages，maining introduced the prensent situation of ground soure heat pump in overseas & china，discussed the research progess and the existing problems of heat pump in protected cultivation emerged, such as higher investment and Low levels of control. Analyzed the present research characteristics and come up with some countermeasures. Key words:ground source heat pump; protected cultivation; temperature control