第 1 章 绪论
1.1 选题背景
在我国，常见的温室设施主要包含塑料大棚、日光温室以及玻璃温室，主要应用在农作物种植、园艺培养、动物养殖等方面。自 2010 年后，我国温室设施的建设规模逐年增大，现已居世界首位[1]。据统计，截止到 2015 年，设施园艺的总面积约为 410.90 万 hm2，其中温室作为主要的园艺设施，其建设总面积为 207.97 万hm2，占比高达 50.60%[2]。随着温室建设规模增长，温室的能源消耗量备受关注。在我国北方地区，每 hm2 温室冬季采暖耗煤约为 1800t~2500t，东北地区甚至高达3000t[3] ，现代化温室生产的能源消耗量快速增加。温室生产过程中的大幅度能源消耗，提高了生产成本，阻碍设施农业发展，也不符合我国当前的节能减排政策。如何降低温室能源消耗量，减少生产成本，落实节能减排政策，成为制约温室生产持续性发展的重要问题。
发展现代农业，应建立在节能减排的基础之上。现代设施农业的热量来源主要依靠消耗石油、煤炭等化石能源，对自然光热资源的利用率相对较低[4,5]。温室作为一种常见的农业设施，其采光部分（如塑料薄膜、采光玻璃等）能够收集太阳辐射并转化为温室热量，提高设施内部温度。由此说明，温室本身具有集热保温的特性，可看作一个很好的太阳能集热装置。众所周知，在我国北方地区太阳能辐射量呈现夏高冬低趋势。据相关资料显示，温室吸收太阳辐射后，夏季内部温度最高达60℃，冬季最低低于 0℃，并不利于植物安全生长[4,6]。若要实现温室自然光热资源的合理利用，需增加设施内的蓄热设备，将夏季收集热量蓄存并转移至冬季采暖使用，提高太阳光热的利用率，可以大幅减少温室能源输入量，有助于节能环保[3,6]。
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1.2 研究现状
1.2.1 温室用地源热泵系统的研究现状
地源热泵系统依赖一定深度上地球温度的恒定性，可将地球热量转化为可应用能量为建筑物供能。地源热泵技术在温室应用中主要通过是借助土壤的蓄热性，利用浅层地热能资源，共同调控温室内部环境[8,9]。目前，国内对温室用地源热泵系统的研究起步相对较晚，但在一些发达国家，如美国、斯堪的纳维亚、土耳其等，地源热泵技术在温室中的应用已经很成熟，该技术已经成为一项减少温室夏季降温、冬季供暖能量耗损的最方便、最经济的有效措施[5]。
Bargach 等[10]利用太阳能平板收集器加热温室内温度，经研究表明，加热效率取决于外界环境温度和集热器收集太阳辐射的能力，温室加热能促进温室蔬果早熟。
马最良、余延顺等[12]人提出了一种土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统，并建立相应的蓄冷、释冷数学模型进行数值模拟，该系统能够实现对室温的合理控制，有利于实时调节温度变化。
王永维等[8]经过研究后改进了当前使用的温室地下埋管式换热系统，使其达到了更好的应用效果。
邹志荣、刘德志等[24]针对苏南、苏北及西北地区夏季高温引起的温室种植不力问题进行研究，利用建立的地下土壤热交换系统进行夏季温室降温，通过对土壤温度的监测发现不同地区的土壤温度变化效果不同，土壤最高升温 6.40℃。
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第 2 章 工程介绍
2.1 工程背景
温室作为一种常见的农业建筑设施，在对自然光热资源的利用方面具有得天独厚的优势。受温室效应影响，温室的采光部分（如塑料薄膜、采光玻璃等）具有集热保温的特性，能够收集太阳辐射并转化为温室热量，提高设施内部环境温度[4]，
因此，温室可看作是一个很好的太阳能集热装置。
考虑到北京属于夏热冬冷地区，太阳能资源较为丰富，土壤热容系数较高，蓄热条件良好等客观环境优势 [39]。为合理利用温室的环境调控特点，选择在北京市郊某日光温室内进行地源热泵系统的建设。其系统建设示意图如图 2-1 所示。
图 2-1 为温室用地源热泵系统示意图。由图可看出，该系统的工作原理：夏季时，利用室内空气换热器吸收温室收集的太阳辐射热量，通过热泵机组，将热量存储于井群周围的土壤中；冬季时，提取井群周围土壤中的热量，通过热泵机组再次加温后，为温室提供热量。该系统的建立既可以实现夏季的温室降温，又可以实现冬季的温室采暖，巧妙的解决了温室中能源的供给利用问题。
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2.2 工程概况
2.2.1 温室简介
该项目所用温室为北京市某园区内日光温室，温室长为 42m，宽为 12m，高为5.5m，方位角为 8°，该温室北侧围护后墙为 600mm 厚带有保温结构的砖墙，东西侧山墙均为 280mm 厚带有保温结构的混凝土实墙，覆盖材料为双层聚乙烯塑料薄膜。温室结构图纸与项目建成温室图片分别见图 2-2、图 2-3。温室为新建温室，聚乙烯塑料薄膜表面灰尘、破损等较少，薄膜的透光性较好，透光系数为 0.85。温室建造严格按照《北京市日光温室建造规范》
该温室主要用于种植常见蔬果及花卉等植物，温室的温度一般维持在 5℃~35℃之间[41]，不会对植物造成损伤。由于各种蔬果的生长温度要求不尽相同，为使植物较好生长，温度设置尽可能的贴近于植物最佳生长温度，因此该温室设置室内温度为 10℃~30℃[42]。
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第 3 章 温室负荷计算 .......................................... 13
3.1 温室负荷理论计算 ............................................ 13
3.2 温室模型搭建 ....................................... 15
第 4 章 地源热泵系统建模 ........................................ 25
4.1 TRNSYS 软件简介 ...................................... 25
4.2 建立地源热泵系统模型 ....................................... 25
第 5 章 运行策略研究 ...................................... 41
5.1 热失衡问题的解决措施 ........................................ 41
5.2 运行策略影响因素分析 ............................................... 41
第 5 章 运行策略研究
5.1 热失衡问题的解决措施
一般在热泵系统中常用调节负荷失衡问题的解决措施主要从增设辅助冷热源设备、合理运行管控两方面着手[50,59~61]。增设冷热源设备的常用措施包含增设冷却塔、安装太阳能集热器、接入市政管网等。运行管控方式主要包含间歇控制、系统调峰以及分区恢复土壤特性三种方法[62]。一般来说，对于冷热负荷差异较大的情况适用于增设辅助热源设备，对于冷热负荷失衡较小的情况，适用于加强运行管控。
该温室年累计冷热负荷差异相对较小，且考虑到增设辅助冷热源设备，需要进行二次建设，容易造成项目的整体投资成本增加。因此，本章主要从加强运行管控方式着手研究，寻求合理的解决措施。在热泵热失衡调节方式中，系统调峰方法一般适用于复合式系统，分区恢复土壤特性方法适用于安装有较多管井排数的地埋管换热器群的系统，所以该系统运行策略研究主要采用间歇运行调节。
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结论与展望
本文以北京市某园区内的温室及其所用地源热泵系统为研究对象，分别就实际工程状况、温室负荷特点、热泵系统的最佳冷热负荷比进行分析，并提出了两种系统运行方案。具体的分析结果汇总如下：
（1）温室年累计冷、热负荷比为 1.56，全年可产出冷负荷总量大于热负荷总量，将夏季多余热量移至冬季采暖使用，理论上能够满足冬季供暖的能量需求。
（2）温室年运行规律：第 0h~第 1500h 与第 7300h~第 8760h 为采暖期；第1500h~第 2300h 与第 6500h~第 7300h 为过渡期；第 2300h~第 6500h 为蓄热期。
（3）温室日运行规律：蓄热季系统集中在 8 时~24 时运行，采暖季系统集中在 16 时~次日 10 时运行。
（4）当年累计冷热负荷比处于 0.9~1.1 之间时，土壤温度的稳定性越强，系统可在寿命期内高效保质运行。
（5）根据单日逐时平均负荷及地温恢复特性，提出 2 种改善土壤热失衡的系统运行方案，方案一：设置系统在 11:00~19:00 间运行；方案二：设置系统在8:00~12:00 与 15:00~24:00 间运行。结果表明：方案一与方案二均能有效改善蓄热季系统的热堆积问题，减小土壤热失衡幅度，维持寿命期内土壤温度的相对稳定。相较于方案二，方案一改善效果更好。
本文除上述得出主要结论外，还存在许多不足之处，后续应主要从下面几个方面进行改善和研究。
（1）利用 TRNSYS 软件模拟，建模过程中循环泵选用的是定流量泵，末端设备采用的 equation 编辑输入，与实际的工程存在差异，虽然验证结果是准确的，但当出现特殊情况时，该系统的模拟结果有可能出现偏差，地源热泵系统的建模过程还需要完善。
（2）地源热泵系统由于运行时间较短，监测数据较少，系统的大多寿命期内土壤温度、热泵进出水温度都不能通过实验进行验证，还需要通过实验验证系统的模拟效果。
参考文献（略）