設施農業是一種高效的農業產業,近幾十年來,我國的設施農業取得了巨大的進展。不過,由于設施農業生產對能源的依賴很大,因此能源成為了制約其發展的最大瓶頸。不但如此,若采用煤、石油等化石燃料作為設施農業生產的主要能源,還會產生大量的一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫以及碳氧化物等有害氣體,從而危害到自然環境。為此,人們一直在努力開發和尋找更加節能的能源以代替化石能源,地熱能就是其中一種。

淺層地熱源節能技術是一種新型節能技術,其供熱系統COP高達3.5一4.5,遠超采用電、化石燃料的鍋爐供熱系統;同時,淺層地熱源節能技術的燃料也比鍋爐供熱系統節省50%以上。近十年左右,美國、加拿大、瑞士、瑞典等國家的淺層地熱源節能技術取得了快速發展。截止到20偽年,全球約有3個國家安裝了地源熱泵裝置,總臺數高達130萬臺。而我國對于淺層地熱源節能技術的學習和研究始于1995年,直至1997年正式對該技術進行了應用。200年,北京恒有源科技公司利用淺層地熱源節能技術開發了中央液態冷熱源環境系統,實現了建筑物的日常供熱水、冬季供暖及夏季制冷。其后,清華大學、天津大學等學校通過與相關企業合作,聯合研發出了中國自己品牌的地源熱泵系統。20偽年,國家頒布的《節能中長期專項規劃》中明確指出要積極發展地熱能。2006年1月,國家頒布的《可再生能源法》中明確表示要鼓勵對地熱能的開發利用。在得到了國家的大力扶植之后,我國的淺層地熱源節能技術進人了一個全新發展階段,雖然由于起步較晚,目前與發達國家相比尚比較落后,但已經取得了一系列的經驗與成就。

淺層地熱源節能技術的主要類型

(l)閉式循環式淺層地熱源采集系統

閉式循環式淺層地熱源采集系統是一種通過介質在封閉式的土壤換熱裝置中循環流動來達到采集地熱源目的的系統。介質可以通過換熱裝置實現與淺層土壤之間的熱交換和傳遞,從而將淺層地熱源連續輸送至熱泵系統,以提供給熱泵系統需要的冷熱源。目前常使用的土壤換熱裝置主要有三種形式,分別是:水平埋管、垂直埋管及螺旋地埋管。

(2)半封閉循環式淺層地熱源采集系統

半封閉循環式淺層地熱源采集系統是指通過潛水泵抽取地下水,再將介質水中的低位熱源以井口間壁式換熱方式交換給熱泵系統,待水釋放出能量后再回到同一口井內。通過該系統可以有效解決在雙井抽灌過程中泥沙與水系之間的交又污染問題。

(3)提取轉移地下水式淺層地熱源采集系統

提取轉移地下水式淺層地熱源采集系統主要分為雙井抽灌形式和一井抽多井回灌形式兩種。通常情況下,若是在地下水含量豐富的地區的地質條件下,可以先通過相應的打井技術從一口井中抽取地下水,以獲取地下水中的低位熱源,然后再將能量釋放完畢后的地下水回灌至其他井中。這種淺層地熱源采集方式具有經濟、方便、占地面積小的優點,而缺點則是運行時間較長,并且在長時間的運行下當排向回灌井的抽水井攜帶泥沙達到一定積累時,容易造成抽水井疏松及塌陷,以及當抽水井與回水井處于不同水質條件下時容易因兩井水混合而造成地下水交又污染。

淺層地熱源節能技術及其在設施農業中的應用進展

近年來由于能源危機的到來及大氣污染的日益嚴重,世界各國都在積極尋找和發展新能源技術。設施農業是一種高效的農業產業,但由于其對能源的依賴很大,所以人們不斷研究在設施農業中應用新能源技術。研究發現,在設施農業中應用淺層地熱源節能技術可以實現良好的溫室調溫,缺點是初期投資較大、運行成本較高,但后來峰谷電價收費模式的出現很好地解決了這一問題。土耳其愛琴海大學的兩位教授通過研究溫室地源熱泵系統發現熱泵的COP約為2.0一3.13,整個系統的COP約為1.7一2.6。美國安得烈查森教授在淺層地熱源在溫室中利用的可行性研究中發現,當井下安裝費用較低及天然氣價格較高時利用淺層地熱源節能技術來調控溫室溫度具有良好的經濟性。而我國對于淺層地熱源節能技術及其在設施農業中的應用的研究尚處于起步階段。2006年中國農業科學院構建了600平方米的淺層地熱源環境調控試驗溫室,并提出了“地面一冠層”的散熱方式,有效實現了降低溫室能耗。其后,河南農業大學的研究者又通過試驗發現了水源熱泵的COP約為3.31,比荷蘭玻璃溫室的節能效果高出約46.5%。

綜上所述,隨著淺層地熱源節能技術的逐漸進步和完善,在一些發達國家使用淺層地熱能來節能降耗越來越普遍,但我國目前在這方面尚比較落后,仍需進一步對淺層地熱源節能技術及其在設施農業中的應用進行研究。