某温室工程设计冷热源方案分析
[摘要] 以北京市某具体的温室工程设计为例，对几种不同冷热源组合形式进行了比较。通过技术及经济性特点分析，最终确定污水水源热泵系统作为工程中的冷热源，为实际工程中温室空调形式的选择提供了参考。
[关键词] 温室 冷热源 污水水源热泵
1.工程概况
本工程位于北京市大兴区，当地年平均气温11.0℃，1月平均最低气温-4.8℃，7月平均最高气温25.8℃，采暖温度-9℃，极端最低气温 -27.4℃，全年无霜期209天，供暖期长达130天。温室为北京市大兴区新凤河水环境治理工程中的一个子工程，属亚行贷款项目。新凤河水环境治理工程是利用黄村污水处理厂的中水作为水源，一部分通过人工湿地净化系统处理作为新凤河李营闸以下河段的环境用水，一部分中水直接作为河道生态用水供新凤河李营闸以上河段使用，为河道提供景观用水并为下游提供灌溉用水。
2.温室简介
温室是以采光覆盖材料作为全部或部分围护结构材料，在冬季或其它不适宜植物露地生长的季节供栽培植物的建筑。生活中我们常见的玻璃育花房和蔬菜大棚就是典型的温室。温室主要使用原理是让阳光直接照射进温室，加热室内空气，而同时玻璃或透明塑料薄膜又可以不让室内的热空气向外散发，使室内的温度保持高于外界的状态，以提供有利于植物快速生长的条件。这样温室形成了两个特点：温度较室外高、不散热。
根据温室的最终使用功能，可分为生产性温室、试验（教育）性温室和允许公众进入的商业性温室。蔬菜栽培温室、花卉栽培温室、养殖温室等均属于生产性温室；人工气候室、温室实验室等属于试验（教育）性温室；各种观赏温室、零售温室、商品批发温室等则属于商业性温室。
本文所介绍的温室坡面和三个侧面均为玻璃结构材料，另一侧面紧贴水环境治理工程的中心控制室（新凤河水环境治理工程的一个组成部分），主要为水环境治理过冬绿化提供植物培养种苗。该温室占地面积1300m2，位于大兴区郊外新凤河河畔，是一栋把使用功能和景观揉为一体的建筑物，但需独立配置采暖空调设施。
3.冷热源方案比较
采暖方式和采暖设备选择是一个涉及温室投资、 运行成本、生产经济效益的问题。因此，在设计方案阶段，应充分考察工程的特点，对温室所可能采用的热源方式进行详细比较分析。分述如下：
因工程所处位置远离城市供热管网，温室的热源需要自行解决。常用的热源设备从燃料选用上可分为：燃油式、燃气式、燃煤式和电热式等四种。其中燃气式的设备装置最简单，造价最低，但气源上没有保证。
燃油式的设备虽然具有设备简单、操作简便、自动化控制程度高、造价也比较低、占地面积比较小及土建投资低等，但燃油设备的运行费用相对较高，相同的热值比燃煤费用高3倍以上。尽管燃煤式的设备最复杂，操作也比较复杂，需要锅炉工人责任心强，精心操作，并且燃煤式设备费用最高，土建费用比较高，但燃煤设备运行费用是各种热源设备中最低的。燃煤式设备最重要的缺点是污染空气和环境，与本工程的环保主题不一致。电能是最清洁、方便的能源，但电能是二次能源，本身比较贵，且当地电力负荷也较为紧张，为此还需再配套电力增容设施。若能充分考虑电能峰谷价差的优惠，电能也是一个可选项。（设计温室白天热负荷较低约为总负荷的1/4，夜间热负荷最高。刚好符合谷峰电价的使用要求，运行成本将比白天用电低1-2倍。）对南方地区而言，采暖期短热负荷低，采用燃油式的设备比较好。但对北京而言，冬季加温时间长（采暖天数130天），采用燃煤热水锅炉虽然一次投资比较大，但可以节约运行费用，长期计算还是合适的。
温室供热系统选择应结合初投资、运行成本、生产技术水平、操作管理简单、设备可靠性及环保等诸方面综合考虑。除上述几种形式外地热、水源热泵也可解决冬季供暖问题。
地热作为新能源的一种应合理规划， 尤其需重点解决好水资源的合理使用问题。深层水为数万年前形成的一次性优质水，具有不可再生性。而工程所处位置是否具有该资源，且开发费用都是未知数，且北京水资源严重短缺该方案不予考虑。
水源热泵系统，夏季供冷冬季可供热。该种供热方式效率能效比可高达4.1，供冷效率能效比可达4.2-5.1，较单纯电热采暖效率高的多，但需要有连续稳定的水源作保证。水源热泵与锅炉（电、燃料）的供热系统相比，水源热泵具有明显的优势。锅炉供热只能将90%～98%的电能或70%～85%的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此水源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量。由于水源热泵的水源温度（12～28℃）全年较为稳定，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50～60%。从工程现有条件来看：连续稳定的水源只有来自污水处理厂的中水可以满足，能否采用中水作为该工程的水源呢？若采用中水水源热泵该工程还会成为此项目的一个设计亮点。
经考察研究，只要采用适于污水运行的换热器，利用城市污水的水量大、水温适宜的特点，就可形成一套特殊的水源热泵系统。该系统可充分利用城市污水处理厂二级出水（水温12～28℃）作为水源，合理利用出水的流量和温差进行制冷和供热，而不影响二次出水的后续回用。对城市污水水源热泵系统而言，由于水源稳定，设备的制冷、供热效果将会有可靠的保证。经与设备生产商和业主的多次沟通，最终确定采用污水水源热泵机组作为本工程的冷热源。
随着可持续发展和公众环保意识的提高，世界利用能源的结构都正在转变，从原有的煤、石油取暖过渡到以天然气及电等清洁能源。北京作为大气污染最为严重的城市之一，其治理大气污染的政策中就包括能源结构的调整，从以煤为主改为天然气和电力替代能源。但是，替代能源虽然可以部分解决大气污染的问题，而天然气和石油等都属于不可再生的能源，从可持续发展的角度看，必须提高能源利用效率或者寻找可以再生的能源。本工程中提出的利用集中城市生活污水作为水源的污水水源热泵，提取低位能源进行制冷、供暖，既节能又环保，具有一定的现实意义。
4.温室设计
基于上述分析比较，考虑节能环保的要求，通过论证考察，确定对现有的污水进行重新利用，即采用污水水源热泵作为温室的供热方案。本工程的水源中央空调系统是由末端系统(室内空气处理末端等)、水源中央空调主机系统(又称为污水水源热泵)和水源水系统三部分组成。
4.1 污水水源热泵空调系统
该水源中央空调系统主要为中控室及办公区（468 m2）提供冷暖负荷及温室（1300 m2 ）提供采暖负荷。中控室及办公区采用风机盘管和新风换气机系统，温室采用散热器和暖风机系统。由于该温室为生长型温室，因此要求设计温度在16℃-35℃ 之间，以满足温室植物生长需求。
夏季温室采用湿帘机械通风降温和自然通风降温两种通风方式，以满足不同室外气候条件下的需求。温室在纵向两侧相对墙上布置有17个电控百叶风阀分成上下两组，满足自然通风需求；同时还设置了9台通风量为31500 m3/h的轴流风机，在自然通风不能满足时使用。
同时还设置的6台通风量为3240 m3/h暖风机以弥补冬季散热器采暖的不利影响，将聚集在高处的热空气，利用射流卷吸的方式带到温室下部，降低室内温度梯度并具有经济节能的效果。水源水系统采用湿地景观水池和污水厂来水两路，当景观水池水量有保证时优先采用（此水质较污水厂来水好）。
水源热泵选用一台高温型水源热泵机组，制冷量为270KW ，制热量为327KW；系统采用大小不同的两组循环泵，供冬季和夏季工况使用。详见附图。
4.2 系统特点
该方案属经济有效的高效节能技术，城市污水的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源。
; 环境效益显著，该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。
运行稳定可靠，水源的温度（常年温度在12-28℃）一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。是很好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。
5.现实意义
城市污水水源热泵系统，水源稳定可靠，设备的制冷、供热效率高。该系统运行能量利用率夏季的效能系数可达4.2-5.1，冬季制热系数可达4.1以上，是一种经济、高效、节能的热泵系统。系统能有效地利用污水低位热能，替代传统的供暖、制冷系统，具有明显的环保效益、社会效益和经济效益，是一种可以在污水处理行业推广的新技术，有广泛的发展前景和推广意义。
