地热水温室供热系统的优化设计
2011-2-22张伟 张杰
摘要:将地热水作为农业温室的热源,温室内采用地面辐射供暖技术,充分利用地热资源,降低地热尾水温度。介绍了地热水温室供热系统的流程,计算了温室供热系统的热负荷。结合工程实例,以费用年值为经济指标,对供热系统的设计参数进行了优化设计。
关键词:地热水;温室;地面辐射供暖;费用年值;优化设计
Optimized Design of Geothermal Water Heating System in Greenhouse
ZHANG Wei,ZHANG Jie
AbstractGeothermal water is used as the heat source for agricultural greenhouse where the floor radiant heating technology is applied,which can make full use of geothermal resource and decrease the temperature of geothermal tail water.The flow process of geothermal water heating system in greenhouse is introduced,and the heat load of the greenhouse heating system is calculated.Using annual cost as economic indicator,the design parameters of the heating system is optimally designed based on an engineering example.
Key wordsgeothermal water;greenhouse;floor radiant heating;annual cost;optimized design
1 概述
    地热能作为一种新型能源,目前已被广泛应用于农业温室供热。2005年,我国地热温室供热负荷已达103MW,居世界第5位[1]。在地热温室供热工程中,应考虑地热资源的特点,如地热水温度和负荷能力相对固定,应采用适合的供热系统;地热水腐蚀、结垢问题,需要在供热系统中采取防腐蚀、防结垢的措施;特别需要采用适合的散热设备,降低地热尾水排放温度,提高地热利用率。地面辐射供暖系统供水温度较低,而且可使地热尾水排放温度达到40℃以下,从而充分利用地热能。本文对采用地面辐射供暖系统的地热水温室供热系统进行优化设计。
    地热负荷比例为地热承担的热负荷与温室所需最大热负荷之比。对于天津地区,虽然室外温度较低,但温室所需较大供热负荷的累计时间并不很长。若设计采用地热负荷比例为100%,会造成大多数时间系统处于非满负荷运行,地热尾水排放温度较高,地热能得不到充分利用,并造成供热系统设计容量偏大,造价过高。因此,在设计地热水温室供热系统时,需要对地热负荷比例进行优化选择,利用地热能满足基础负荷,利用峰荷热源满足尖峰负荷。
2 系统流程
    地热水温室供热系统流程(见图1)由换热器、地埋管、峰荷热源、循环泵、温度传感器、控制器、三通阀等组成。换热器将地热水与供热介质隔开,防止地热水对供热管道的腐蚀及结垢。地埋管安装在温室内地面下,向温室散热。控制器在采集室内温度、供热介质供回水温度和地热水温度数据的基础上,进行分析计算,控制三通阀的启闭和峰荷热源工作状态,调节补充热量,满足供热要求。在设计地热水温室供热系统时,需要掌握的地热井参数为:地热水温度、水量、水位、水质状况。地热水温度、水量可以确定地热水的最大供热负荷,地热水位用于潜水泵的选型,水质状况用来判断地热水的腐蚀结垢趋势。
  

3 相关参数的计算
    ① 耗热量
温室耗热量由3部分组成:温室围护结构的传热损失、冷风渗透热损失、地面热损失[2]。围护结构的传热损失Ф1的计算式为:
 
式中Ф1——温室围护结构的传热损失,W
    n——围护结构数量
    Kj——第,种围护结构的传热系数,W/(m2·K)
    Aj——第j种围护结构的表面积,m2
    ti——供暖室内计算温度,℃
    t0——供暖室外计算温度,℃
    冷风渗透热损失Ф2的计算式为:
    Ф2=0.5kVN(ti-t0)    (2)
式中Ф2——冷风渗透热损失,W
    k——风力因子
    V——温室内空气体积,m3
    N——换气次数,h-1
工程上可将温室的地面按与外围护结构的距离分成三个区域,不同区域按各自的传热系数和面积计算地面热损失Ф3
 
式中Ф3——地面热损失,W
   Kj,grd——第i区地面传热系数,W/(m2·K)
   Aj,grd——第i区地面面积,m2
② 地埋管管长
地埋管管长L的计算式为:
 
式中L——地埋管管长,m
    ФP——地埋管的供热负荷,W
    h——地埋管中心埋深,m
    d——地埋管外径,m
    λ——土壤热导率,为1.0~2.4W/(m·K)
    △tm——地埋管的对数平均温差,℃
   ③ 经济性指标
将费用年值作为地热水温室供热系统的经济性指标,费用年值F的计算式为[3]
 
式中F——费用年值,元/a
    Fr——年运行费用,元/a
    Fc——系统造价,元
    p——年利率
    m——使用年限,a
4 优化设计实例
    以天津地区某温室为例,温室围护结构为单层玻璃,温室长×宽×高=45.0m×12.0m×3.2m,立面面积为303.6m2,屋顶面积为408.6m2,温室空气体积为1566m3
    温室内种植喜温的瓜果蔬菜,室内设计温度为12℃,天津地区采用的温室室外设计温度为-11℃。单层玻璃传热系数为6.4W/(m2·K),换气次数取1.1h-1,风力因子为1.0。JB/T 10297—2001《温室加热系统设计规范》规定:计算点距外围护结构距离≤10m时,地面传热系数取0.24W/(m2·K)。经计算可得,供热系统设计热负荷为127.6kW。地热井井口温度为65℃,水量为80m3/h,为腐蚀型地热水质。采用水源热泵作为峰荷热源。
    地热负荷比例、地埋管供回水温差、外径影响系统造价和年运行费用,因此在优化设计过程中需要综合考虑以上3个设计参数,计算不同设计参数下的费用年值,将费用年值最小作为系统优化设计的目标,对设计参数进行优化设计。系统造价包括换热器、地埋管、峰荷热源的造价,年运行费用包括供热系统循环泵的电费、热泵机组的电费。
    已知参数:钛板换热器单位换热面积的造价为7000元/m2,外径分别为20、25、32mm的地埋管单位长度造价为3.3、4.8、8.2元/m,热泵机组单位制热量的造价为0.5元/W,电价为0.7元(kW·h),同时使用系数为0.6,年利率为10%,使用年限为20年,循环泵效率为0.77,供热系统年运行时间为4481h/a。地埋管的中心埋深设定为15cm,地埋管供水温度设定为45℃。
    优化方法为:根据设计参数特点进行试算,首先在3个设计参数中确定地热负荷比例,然后利用供回水温差的试算值,求得在该条件下外径的优化值,最后以确定的地热负荷比例、外径为条件,对供回水温差进行优化,对最初的试算值进行验证。
    选取适中的地埋管回水温度(30℃)、地埋管外径(25mm),不同地热负荷比例下的费用年值见图2。由图2可知,采用适中的地热负荷比例,可获得较低的费用年值。通过分析计算,不同供回水温差、地埋管外径下均存在类似的规律,因此可以确定地热负荷比例为80%时,系统的经济性最好。

    当地热负荷比例为80%时,以地埋管供、回水温度为45、30℃为试算值,计算不同外径下的系统造价、年运行费用、费用年值(见表1)。由表1可知,外径较大时,由于阻力变小,年运行费用将随之变小,地埋管长度也会缩短,但大管径的管材价格较高,导致系统造价提高。因此,外径选用25mm较为适宜。
    当地热负荷比例为80%、地埋管外径为25mm时,对地埋管供回水温差进行优化。不同地埋管供回水温差下的费用年值见图3。由图3可知,费用年值在地埋管供回水温差为15℃时最小。通过设计参数优化设计可知,当地热负荷比例为80%、地埋管供回水温差为15℃、地埋管外径为25mm时,地热水温室供热系统的经济性最好。
表1 不同外径下的系统造价、年运行费用、费用年值
外径/mm
系统造价/元
运行费用/(元·a-1)
费用年值/(元·a-1)
20
40901
36302
41106
25
48548
13433
19136
32
76577
11036
20251
 

5 结论
    ① 地热水温室供热系统的优化设计应考虑地热能利用的特点,提高地热利用率,使地热承担基础负荷,峰荷热源承担尖峰负荷。
    ② 地热水温室供热系统的优化设计应综合考虑地热负荷比例、地埋管供回水温差、外径对费用年值的影响,得到经济性最好的设计参数。
参考文献:
[1] LUND T W.Direct application of geothermal energy:2005 worldwide review [J].Geothermics,2005(34):710-711.
[2] 中国家业机械化学研究院环境工程设备研究开发中心.JB/T 10297—2001温室加热系统设计规范[S].北京:机械科学研究院,2001.
[3] 王建强.太阳能-地下水源热泵系统研究(硕士学位论文)[D].天津:天津大学,2004:16-20.
 
(本文作者:张伟1 张杰2 1.天津大学 机械工程学院 天津 300072;2.天津市管道工程集团有限公司 天津 300091)
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