前言
2013年9月18天津市委召开环境综合整治专项行动电视电话会议，将实施"美丽天津一号工程"，其中包括清新大气、清水河道、清洁村庄、清洁社区和绿化美化。通过"四清一化"行动，让市民享受到更多的蓝天碧水。从即日起至第6届东亚运动会召开，天津市将开展针对大气环境污染、河道污染等多项治理，确保国庆节前见到成效。其中，将开展包括控制扬尘污染、削减燃煤总量、控制机动车污染和严把燃煤质量关等方面的行动。
根据天津市“美丽天津一号工程”建设有关精神，结合治霾减排，天津市苗圃基地拟采用最新的太阳能和空气源热泵联合供暖节能环保技术，解决花卉大棚采暖需求。
一、 方案设计
1. 项目简介
天津市园林花卉管理中心是天津市市容园林委所属的花卉主业生产单位，主要服务于美丽天津建设、市内大型公园美化、重点项目花卉景观布置及市民盆花需求。花卉中心下属基层单位天津市园林花圃与天津市园林花卉示范中心均坐落于西青区外环西路杨柳青农场；天津花圃拥有生产、科研、存储等各类型温室25000平米，配置10吨燃煤锅炉一台；示范中心拥有现代化智能温室45000平米，配置10吨燃煤锅炉两台（其中一台为备用）；宜兴埠花圃坐落于北辰区宜兴埠镇，拥有各类温室10000平米，因温室分散多样，配置小型燃煤锅炉多台。花卉温室历年冬季主要依靠燃煤供暖，用于红掌、竹芋、仙客来、多肉植物等盆花生产和大型珍稀植物储存，满足我市城市美化需要；三个单位为花卉中心最重要的主业生产单位，目前在圃花卉植物总价值近1500万元。
天津市园林花卉、园林花卉示范中心和宜兴埠花圃工程范围为46个大棚。
2. 方案要求
项目初期，建设单位和使用方提出了几点要求：
1) 利用太阳能集热器作为初始加温热源，供给空气源热泵。
2) 采用空气源热泵作为制热能源，解决苗圃培养区和植物景观区的冬季采暖问题，保持大棚内的温度符合花卉培养的温度要求。
3) 控制系统实现全自动运行，循环泵等根据温度设定值实现自动开启、关闭，系统实现无人值守、自动运行。
3. 设计方案
根据前期对燃煤锅炉改造新能源形式的考察了解，分别对太阳能、空气源热泵、地源热泵、燃气锅炉、电锅炉等多种供暖形式进行了考察对比分析，结合投入情况、后期运行情况、配套设备要求、电负荷情况、市场实践运行情况、后期维护及坐落位置等多方面的综合考虑，推荐采用太阳能结合空气源热泵的供暖方案，相关设备和技术指标要求也符合环保部新能源政策规定和建设要求。
二、 主要设备参数
1. 平板太阳能集热器
1) 平板太阳能集热器技术参数，如表1所示。
表1 平板太阳能集热器技术参数
2) 平板太阳能集热器性能曲线，如图1所示。
图1 平板太阳能集热器性能曲线
3) 平板太阳能集热器外形图，如图2所示。
图2 平板太阳能集热器外形图
2. 空气源热泵
1) 空气源热泵技术参数，如表2所示。
表2 空气源热泵技术参数
注：①热水模式额定工况：室外环境温度20℃DB/15℃WB，初始水温15℃，终止水温55℃。
②地暖模式额定工况：室外环境温度7℃ DB/6℃WB，进水水温35℃，出水水温40℃。
2) 空气源热泵额定工况下的性能曲线，如图3所示。
图3 空气源热泵额定工况下的性能曲线
3) 空气源热泵外形图，如图4所示。
图4 空气源热泵外形图
三、 方案设计
1. 系统原理
1) 空气源热泵供暖系统原理，如图5所示。
图5 空气源热泵供暖系统图
2) 系统运行原理及说明
温室是生产性建筑，对供暖系统的设计应该满足以下要求：首先供暖系统要有足够的供热能力，能够在室外设计温度下保持室内所需要的温度，保证温室内植物的正常生长；其次是采暖系统的一次性投资和日常运行费用要经济合理；最后是要求温室内温度均匀，散热设备遮阳少，占用空间小，设备运行安全可靠。
根据花圃采暖使用时间主要为夜间的情况，拟采用白天日照充足，采用平板太阳能集热器集热，通过太阳能系统把热量储存于水箱中，根据温室的温度设定，通过散热器和暖风机把温室加热，热量不足部分采用空气源热泵机组进行加温供热，以达到最佳节能效果。
当花圃室内环境温度低于花卉需要的设定温度5℃时，空气源热泵机组启动进行加热，通过加热原有散热器和散热风机盘管将室内温度提升，当室内环境温度达到设定温度，空气源热泵停止加热。
天津市园林花卉、园林花卉示范中心和宜兴埠花圃系统划分及设备配置，见表3所示。
表3 天津市园林花卉、园林花卉示范中心和宜兴埠花圃系统划分
2.设备布置
空气源热泵安装时要求机组相邻安装时，两台机组间的距离保持1.0～1.2m，机组安装基础高度不少于150mm，且应大于当地积雪厚度。此外，空气源热泵设备的布置应力求做到流程合理美观，热水机组安装时排列成行，每行机组的操作面保持在同一方向，排列整齐及操作和维修方便，同时尽量缩短各种管道长度，并注意节约占地面积。
天津市园林花卉、园林花卉示范中心供暖面积大，系统所需机组分别为55台和126台，占地面积很大，考虑到机组之间所需的间距，所以，根据需求方所提供的图纸及要求，经分析，本报告对天津市园林花卉机组安装区域与园林花卉示范中心机组安装区域分别作气流组织分析，如图6所示。
1）分析条件：
（1）外部大气环境温度在机组运行制热模式时为20℃，大气压力为101.325Kpa，空气密度符合Boussinesq假设[1]，同时考虑空气重力及由于温差产生的浮升力；
（2）所有机组均处于制热模式并且全负荷运行；
（3）建筑附近无其他热源或者障碍物、且仅考虑制热模式蒸发器、机组壳体与排风管道传热，不考虑压缩机、电机、管路件等的发热；
（4）假设建筑周围环境无风，忽略太阳辐射、地面辐射传热的影响；
（5）机组出风温度12℃。
2）分析结果
机组回风面温度分布云图，如图4所示。
(a) 天津市园林花卉初始方案
(b)园林花卉示范中心初始方案
图4 机组回风面温度分布云图
3）分析结论
对于室外机机组的气流分析可以得到以下结论：
初始方案中天津市园林花卉与园林花卉示范中心，在各区域的中间位置的机组，由于机组摆放密度过大，冷气流无法顺利排出，部分冷气流被回吸，导致此处的室外机回风温度过低，特别是天津市园林花卉的机组，有较大部分机组的回风温度甚至接近出风温度，机组运行状态差，无法满足制热要求。
4）优化方案
优化方案通过将加大机组间距、改变机组摆放方式，减小了机组密度。处于中间位置的室外机组的出风气流回吸现象虽然没有完全消除，但换热器表面回风温度较初始方案已有大幅度升高，园林花卉示范中心回风温度最低的机组，其回风温度低于环境温度2.5℃以内，南侧回风温度最低的机组，其回风温度低于环境温度4℃左右。
5）重新布置
考虑到天津市园林花卉与园林花卉示范中心的机组安装密度过大，现分别给出优化方案如下。
天津市园林花卉：方案中，55台室外机组呈5行×11列排布，行距与列距均为800mm。
优化方案中，55台室外机分为4个相对独立的组块，从西向东排列。前3个组块中，每个组块包含有4行×4列16台机组，行距为1200mm，列距为1000mm，每个组块的间距为3000mm。第4个组块的安装方式与上述3个组块类似，包含7台机组。机组距锅炉房北侧墙面2000mm。模拟分析，天津市园林花卉与园林花卉示范中心的机组优化布置，如图5所示。
(a)园林花卉示范中心
(b)园林花卉示范中心
图5 天津市园林花卉与园林花卉示范中心的机组优化布置图
四、技术优势
1.太阳能采用国内外普遍使用的新型高效平板集热器，运行稳定、使用寿命长（使用寿命可达20年以上）的特点。
2.空气源热泵机组采用目前国内知名品牌，具有运行温度范围广（从-26℃至46℃均能正常运行）。COP值（能效比）最高能达到1：4，综合节电达70%以上。
3.采用集中分布式机组布置，根据现场情况，利用原有管道系统布置，分片区集中管控，具有运行可靠性高，维护方便，减少管路热损失，提高热效率，调控方便等特点。
4.智能化控制系统，每个温室均设有目前国内先进的自动温控系统，根据使用温度单独控制，可靠性高，克服了人工调节温度不准、热量损失大，成本高等弊端。
5.机组还采用自动远传方式，自动报警运行情况，按权限多方共同监管系统，可以做到提前预知，减少设备非正常损坏。
五、实施照片
历经三个月的艰苦努力，项目终于在供暖季完成设备安装及调试，正式投入2017年的冬季供暖。
六、自动控制系统说明
1.自动控制功能
能源项目的成功与否,控制系统是关键。针对天津市园林花卉与园林花卉示范中心的使用要求，控制中心需满足以下功能：
1）触摸屏显示：便于使用者更直观操作和故障查询；
2）储热水箱温度、水位故障处理、自动上水功能；低水位保护功能、故障报警功能：
3）太阳能温差循环、太阳能排空、防冻电热带；
4）热泵机组采暖功能：热泵组分组加热、变频调节水泵运行频率。
5）热泵、水泵紧急停止功能：水泵、变频器故障报警，并显示故障。
6）GPRS远程监控模块实现远程监控、修改参数、记录数据；通讯故障报警。
7）宽电压工作：可以承受较宽的电压波动，耐高压、耐低压幅度较大。
8）安全防护：设有短路、过流、漏电、过温断电四种安全防护功能。
2.自动控制系统的改进
针对花卉大棚的特点，中央控制系统还需要解决以下几个问题：
2）空气源热泵供暖通常都是设置供暖温度的运转模式，对于花卉大鹏则需要重新设置供、回水温度的反馈信号来建立控制循环水泵启停、频率的逻辑关系；
3）通常空气源热泵控制循环水泵的启停，由于增加了变频控制，所以修改空气源热泵的控制权；
4）空气源热泵机组可以通过线控器实现最多16台/组的控制关系，但是多组之间的控制则很难实现，中央控制器控制功能实现了编组群的协调启动；
5）GPRS远程监控系统增设了时间继电器实现系统的定时自动启动；
6）编译APP程序实现多点手机实时查询系统状态；
7）建立系统运行状态检查反馈程序修正热泵故障。
3.中央控制器说明
中央控制器显示界面：
图7 开机界面和功能选择界面
图8 系统状态实时显示图
七、运行效果
天津市园林花卉管理中心项目于2017年9月正式启动，11月完成系统调试，11月4日正式通电运行，建设单位和参建单位实时监测运行状态，日夜值守，确保系统运行状态保持在最佳状态。
2018年3月15日，采暖季结束，工程人员拿到了第一手的数据，经过与设计之初方案论证的数据对比，基本达到了设计预期。
天津市园林花卉2017年11月采暖季电费与室外最低温趋势统计，见表4。
表4 天津市园林花卉2017年11月采暖季电费与室外最低温趋势统计
天津市园林花卉2017年12月采暖季电费与室外最低温趋势统计，见表5。
表5 天津市园林花卉2017年12月采暖季电费与室外最低温趋势统计
天津市园林花卉2018年1月采暖季电费与室外最低温趋势统计，见表6。
表6 天津市园林花卉2018年1月采暖季电费与室外最低温趋势统计
天津市园林花卉2018年2月采暖季电费与室外最低温趋势统计，见表7。
表7 天津市园林花卉2018年2月采暖季电费与室外最低温趋势统计
天津市园林花卉2018年3月采暖季电费与室外最低温趋势统计，见表8。
表8 天津市园林花卉2018年3月采暖季电费与室外最低温趋势统计
从统计数据可以看出，天津市园林花卉大棚2017年采暖季总耗电750383Kwh，供热量2608928Kw，19274平米花卉大棚单位耗电量38.9Kwh，据使用者反应，原来采用燃煤锅炉，每个采暖季需要采购大约700吨标准煤，每吨785/元，花费大约55万，现在一个采暖季缴纳电费34万元，农业用电0.45元/Kwh，节省了约20万，可见经济效益显著。
【1】Boussinesq假设是指在低速流动中，虽然流体的密度跟压强和温度有关，但流体压强变化不大，实验时只考虑温度变化引起的密度变化，而忽略压强变化引起的密度变化。（作者：天津市金润天太阳能科技有限公司刘华民、颜凯、刘东红）
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