清洁能源在温室采暖中的应用

京津冀地区禁止燃煤以后，工业、农业和企事业单位采暖和热水成本显著提高，其中农业中的温室采暖成本问题也相当突出。目前主流的解决方案分为以下几种，包括水源热泵、地源热泵、空气源热泵、太阳能等。下面就几种新能源的优缺点进行分析。

温室采暖

1、 水源热泵

工作原理：从井水中取热，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术，节能效果明显， COP值为4，1度电可产生4度电的热能，是理想的采暖设备。

水源热泵工作原理

水源热泵的应用，受当地水源限制，目前京津冀地区严重缺水，对地下水管理趋于严格。各个城市也制定了《城市用水管理条例》，明确了用水审批、用水收费等相关政策，所以水源热泵的推广还需要考虑综合能源环保和资源各个方面，以及政府部门的支持。

水源热泵的应用，必须了解当地的水源的情况，对水源的状况进行充分的调查，确定用水方案。若利用地下水，必须考虑水源的回灌问题，且应结合当地的地质情况来考虑回灌方式。

小型水源热泵

大型水源热泵

2、地源热泵

地源热泵技术属可再生能源利用技术。地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行的供暖空调系统。地缘热泵的COP值也可以达到4左右跟水源热泵相当。地源热泵空调系统主要分为三个部分：室外地能换热系统、水源热泵机组系统和室内风机盘管末端系统。

地源热泵运行原理

地源热泵的应用也存在以下缺点：

1） 造价高，相对于水源热泵地源热泵的造价偏高。

2） 地源热泵系统安装限制明显，必须要有场地能够钻井。

3） 地源热泵系统地下温度失衡，如果只是用来冬季取热，夏季不进行热量回补，造成温度失衡，系统能耗

3、空气源热泵

经过多年的发展，空气源热泵技术已经成熟，大量应用于冬季采暖，空气源热泵是一种利用高位能使热量从低位流向高位热源的节能装置。空气作为热泵的低位热源，取之不尽，用之不竭，处处都有，可以无偿地获取，而且空气源热泵的安装和使用都比较方便，受环境约束较小，造价较水源热泵地50%左右。空气源热泵冬季白天采暖COP值可以达到2.7左右，1度电可以产生2.7度电的热量

空气源热泵运行原理

空气能的缺点是受环境温度影响较大，低于零下10C°以后节能效果明显降低，COP值低于2，节能效果没有水源或地源热泵稳定。系统长时间运行压缩机易烧坏，冬季低温运行容易结霜。这些问题通过目前已经有效解决，节能效果明显。

空气源热泵机组

4、太阳能采暖

目前北方应用最广泛的太阳能集热器为真空管，该技术由清华阳光发明，经过多年的技术改进，太阳能利用率已经高达97.5%。主要分类有全玻璃真空管、U型真空管、热管真空管集热器等，春夏秋每平米产热到达3.6度电的热能，冬季达到2.5度电的热能。是理想的清洁能源，使用寿命20年左右，具有投资低，产热高的特点。

1）普通真空管主要用于产生热水，应用于太阳能热水系统和家用太阳能。普通的太阳能热水器已经走进千家万户，得到普遍认可。国家已经强制新建筑安装太阳能热水系统。普通真空管用于采暖系统成本低、产热量高等优点，缺点管内储水较多，夜间散热量大，采暖效率低。通过我公司的新型自动控制技术可有效提高产热效率。

真空管太阳能集热器

2）U型真空管，主要用于高层太阳能热水系统，系统承压运行，造价较高，换热效率和普通真空管相当。

U型管集热器

3）热管真空管，该技术主要应用于太阳能采暖领域，特点是升温快、热损失小、效率高。价格高于普通真空管低于U型真空管。可以快速将水箱温度快速提高至地板采暖所需的40C°左右。

热管真空管主要由吸热体、热管工质（导热体）等组成。吸热体吸收太阳辐射能并将其转换为热能，加热热管内的工质，使其汽化并将热量传送到热管的顶端，加热传热工质(通常是水)，同时工质凝结，在重力作用下流回热管的下部的蒸发端，通过热管内不断重复的汽—液相变循环过程，快速高效的将水箱内的水加热。

全玻璃热管真空管型太阳能集热器及系统特点：热容量小，启动快 冬季“防冻”，高温“防炸”， 安全“防漏”，轻松“防垢”。为典型系统为强制循环直接系统，也可采用定温直流、自然循环等系统形式。系统利用水泵使水在太阳能集热器中直接循环加热供给使用端。适用于系统可靠性要求高，规模较大，投资较低的公共建筑与民用建筑。

热管集热器

真空管集热器在实际应用中存在一些问题，受太阳辐射量的影响较大，阴雨天气集热效率低，晴天集热效率高。需要足够量的安装面积和储热水箱。

5、案例分析

案例：5000㎡温室采暖面积，各系统费用计算和比较

以下算法以温室每平米制热能耗150w/㎡，5000㎡能耗为750kw/小时，每天耗750WHm×12（小时）=9000kwh为标准计算。

1) 采用电锅炉、电暖器或空调效率为95%，每日能耗为9000kwh/95%=9473KWh，采暖季耗能为9473KW×120（天）=1136760KWh,总费用为1136760KWh×0.5（元）=56.9万元.

优点：效率高，设备安装简单

缺点：耗能最高，采暖费费用为113元/平米，不建议使用

设备费用：20万左右，寿命10年左右。

2) 采用燃气锅炉效率为85%，每日能耗为9000kwh×3600=32400000kJ。天然气热值为33484KJ/m3,每日耗能为32400000KJ/33484KJ=967.6m3，967.6/85%=1103m3,采暖季耗能为1103m3×120=132360m3，总费用为132360m3×2.75元=36.4万

优点：效率较高，属于国家提倡的清洁能源；

缺点：使用地点受限，使用量受限，能耗较高，采暖费偏高72元/平米；

设备费用：10万左右，寿命10年左右

3) 空气源热泵（采用清华同方70型热泵）能效比为2.5，每日耗能9000KWh/2=3600KWh，采暖季耗能为4500KWh×120（天）=432000KWh,总费用为432000KWh×0.5（元）=21.6万元（由于低于-10℃天气并不多，实际运行费用要低于此数值）。

优点：安装简单、节能量突出，属清洁能源，采暖费用43元/平米。

缺点：受环境温度限制，低于-10度能效比值下降较快，由3.62下降至2 。

设备费用：30万左右，寿命10年左右。

4) 水源或地源热泵能效比为4左右，每日耗能为9000KWh/4=2250KWh，采暖季耗能为2250KWh×120（天）=270000KWh,总费用为270000KWh×0.5（元）=13.5万元。

优点：热源温度，能效比较高，采暖费用较低27元/平米。

缺点：初期投资较高，受地域限制，设备噪音较大，需单独设备间。

设备费用：水源热泵45万左右 ，地源热泵60万以上，寿命10年左右。

5) 太阳能，北京地区属于太阳能三类地区，日辐射量3.8-4.5KWh/㎡，太阳能效率为75%，冬季每平米太阳能真空管产生的热量为2.5KWh/m2，单组集热器产生热量为17.5KWh/块，需要集热器数量为=9000kwh÷17.5KWh/块=514块。每日耗能80KW左右，采暖季耗能80KW×120=9600KW，总费用为9600KWh×0.5（元）=0.5万元

优点：安装，维护简单，采暖费用为1元/平米，非采暖季节每日可提供50度热水257吨，按照15元一吨出售，日收入为4000元左右，总收入80万左右。

缺点：设备一次性投资较高，占地面积3855平米，对天气情况依赖较高，不建议单独使用。

设备造价：集热器61.7万，水箱15.4万元，总费用77万元，寿命20年以上。

6) “太阳能+空气源热泵”，太阳能的安装比例以代替采暖面积50%为宜。这个黄金比例即可兼顾投资又可兼顾效益。太阳能设备费38万，冬季运行费用0.5万，空气源热泵15万，冬季运行费用为10.8万，总采暖费用为11.3万。

优点：设备投资适中，安装维护简单， 采暖费用为22.6元/平米

缺点：太阳能安装比例受建筑物屋顶面积限制

设备投资：53万，冬季采暖费为11.3万。

综上所述，“太阳能+空气源热泵”是比较理想的解决方案，设备投资适中，节能水平达到水源热泵的效果，使用寿命达到20年左右。非采暖季节太阳能每日可产生60度以上热水128吨，年产热水25600吨以上。目前企事业单位热水成本普遍在30元/吨，如果以每吨热水15元/吨出售，年收益为38.4万元。既解决了农业企业太阳能采暖多余热能，又为社会节约大量天然气和电能的消耗，减少PM2.5排放。

7) “太阳能+水源热泵” 太阳能的安装比例以代替采暖面积50%为宜。这个比例即可兼顾投资又可兼顾经济效益。太阳能设备费38万，冬季运行费用0.5万，水源热泵设备费23万，冬季运行费用为6.8万，总采暖费用为7.3万。太阳能产生高温热水，直接通过水源热泵风机散热，温度降低以后，水源热泵压缩机工作，从低温水池取热，为温室供暖。

优点：设备投资适中，安装维护简单， 采暖费用为14.6元/平米

缺点：太阳能安装比例受建筑物屋顶面积限制，需建设比较大的蓄水池。

设备投资：61万，冬季采暖费为7.3万。

综上所述，“太阳能+水源热泵”是比较理想的解决方案，设备投资适中，节能水平达到水源热泵的效果，使用寿命达到20年左右。非采暖季节太阳能每日可产生60度以上热水128吨，年产热水25600吨以上。目前企事业单位热水成本普遍在30元/吨，如果以每吨热水15元/吨出售，年收益为38.4万元。既解决了农业企业太阳能采暖多余热能，又为社会节约大量天然气和电能的消耗，减少PM2.5排放。

8） 温室采暖面积为5000平米，各能源消耗15年对比