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第36卷 第21期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 36 No 21 2020年 11月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov 2020 235 連棟玻璃溫室采暖熱負(fù)荷計(jì)算方法 富建魯 周長(zhǎng)吉 王 柳 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所 北京 100125 摘 要 采暖熱負(fù)荷是溫室采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最基本的參數(shù) 為了研究隨著內(nèi)保溫幕等設(shè)備的普及應(yīng)用和溫室密閉性的改 善 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)體系下計(jì)算出的溫室熱負(fù)荷是否仍舊適用 該研究比較了中國(guó)和美國(guó)的共6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的采暖熱負(fù)荷計(jì)算方 法 并以北京地區(qū)連棟玻璃溫室為例進(jìn)行采暖熱負(fù)荷的定量分析 研究表明 基礎(chǔ)墻傳熱熱損失約占圍護(hù)結(jié)構(gòu)總熱損失 的0 1 地面熱損失占溫室總熱負(fù)荷的1 左右 兩者均不是影響溫室采暖熱負(fù)荷的主要因素 計(jì)算表明 按照6個(gè)標(biāo) 準(zhǔn)分別計(jì)算出的溫室單位面積采暖熱負(fù)荷最小為230 10 W m2 最大為305 24 W m2 相互之間差異較大 而且與溫室實(shí) 際配置散熱器的散熱量139 61 W m2相比整體存在明顯差距 在考慮內(nèi)保溫幕保溫作用后溫室的單位面積采暖熱負(fù)荷最小 為101 56 W m2 最大為176 69 W m2 如剔除中國(guó)民用與工業(yè)建筑中由于沒有考慮玻璃拼縫造成冷風(fēng)滲透熱損失偏低的 最小值 溫室專用標(biāo)準(zhǔn)的熱負(fù)荷計(jì)算方法基本符合實(shí)際情況 為此 研究提出在溫室采暖熱負(fù)荷計(jì)算中應(yīng)充分考慮溫室 保溫幕的作用 冷風(fēng)滲透熱損失應(yīng)按換氣次數(shù)法而非縫隙法計(jì)算 研究結(jié)果可為中國(guó)連棟玻璃溫室采暖熱負(fù)荷計(jì)算科學(xué) 化 精準(zhǔn)化 標(biāo)準(zhǔn)化提供依據(jù) 關(guān)鍵詞 模型 溫室 熱負(fù)荷 采暖 熱量平衡方程 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 21 028 中圖分類號(hào) S626 5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2020 21 0235 08 富建魯 周長(zhǎng)吉 王柳 連棟玻璃溫室采暖熱負(fù)荷計(jì)算方法 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2020 36 21 235 242 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 21 028 http www tcsae org Fu Jianlu Zhou Changji Wang Liu Methods for calculation of heating load in gutter connected glasshouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2020 36 21 235 242 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 21 028 http www tcsae org 0 引 言 溫室采暖熱負(fù)荷是指在某一室外溫度下 為達(dá)到要 求的室內(nèi)溫度 采暖系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)向溫室供給的熱 量 采暖熱負(fù)荷是溫室采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最基本的參數(shù) 直接影響采暖系統(tǒng)方案的選擇 采暖設(shè)備的選型以及供 暖管道管徑的確定 對(duì)溫室的使用效果和經(jīng)濟(jì)性具有至 關(guān)重要的作用 連棟玻璃溫室建筑由于其自身圍護(hù)結(jié)構(gòu) 傳熱系數(shù)大 蓄熱性能差 密封性能相對(duì)薄弱等特點(diǎn) 冬季加溫耗能巨大 1 為降低能源消耗量 20世紀(jì)70 年代西方種植者開始嘗試在溫室內(nèi)設(shè)置保溫幕以減少 室內(nèi)熱量損失 這種系統(tǒng)從20世紀(jì)80年代進(jìn)入國(guó)內(nèi) 現(xiàn)在已大量應(yīng)用于現(xiàn)代化溫室 成為不可或缺的配套設(shè) 備 2 研究表明 內(nèi)保溫幕有很好的節(jié)能效果 3 5 趙 淑梅等 6 整理了各種保溫幕材料用作單層保溫附加覆 蓋時(shí)的熱節(jié)省率在15 70 并推算驗(yàn)證了多層保溫 幕熱節(jié)省率 證實(shí)了保溫幕的節(jié)能效果 保溫條件的改 善必將影響溫室采暖熱負(fù)荷的計(jì)算 如若熱負(fù)荷計(jì)算不 合理 以此結(jié)果配置溫室采暖系統(tǒng) 一是增大了初期投 收稿日期 2020 06 12 修訂日期 2020 09 08 基金項(xiàng)目 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院自主研發(fā)項(xiàng)目 ZZYFXKFZ201902 作者簡(jiǎn)介 富建魯 主要從事農(nóng)業(yè)建筑及設(shè)施環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)與節(jié)能技術(shù)的設(shè) 計(jì)及研究工作 Email fujianlu 通信作者 周長(zhǎng)吉 博士 研究員 主要從事溫室工程技術(shù)的研究 設(shè)計(jì) 和標(biāo)準(zhǔn)化工作 Email zhoucj 資 二是不利于系統(tǒng)的高效運(yùn)行 近年來(lái) 有關(guān)溫室采 暖熱負(fù)荷計(jì)算方法的相關(guān)研究較少 薛東巖等 7 通過計(jì) 算傳熱損失 滲透熱損失以及地面熱損失等計(jì)算了通化 地區(qū)常見溫室大棚采暖熱負(fù)荷 Seeung等 8 通過確定溫 室傳熱系數(shù) 溫室覆蓋傳熱系數(shù) 土壤熱通量和滲透?jìng)?熱系數(shù) 計(jì)算了一種半地下的單棟溫室的采暖熱負(fù)荷 Vadiee等 9 則利用計(jì)算機(jī)建模進(jìn)行了能量分析 從經(jīng)濟(jì) 可行性角度研究了密閉溫室的儲(chǔ)熱狀況 那威等 10 通 過對(duì)溫室建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的分析 提出寒冷地區(qū) 溫室建筑采暖熱負(fù)荷 熱需求參數(shù)建議 中國(guó)根據(jù)不同 用途的建筑分別制定了 GB50736 2012 11 GB50019 2015 12 JB T10297 2014 13 國(guó)外也根據(jù)各 國(guó)的條件制定了不同的溫室采暖熱負(fù)荷計(jì)算標(biāo)準(zhǔn) 如美 國(guó)農(nóng)業(yè)與生物工程師學(xué)會(huì)制定了 ANSI ASAE EP406 4 14 美國(guó)溫室制造業(yè)協(xié)會(huì)制定了 Greenhouse Heating Load 15 但上述研究成果和標(biāo)準(zhǔn)都未引入保 溫幕的作用 在計(jì)算參數(shù)的選擇上也有較大差異 使采 暖熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果與實(shí)際供熱量之間存在明顯的偏差 給溫室采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)困難 本文對(duì)比不同國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的熱負(fù)荷計(jì)算方法 分析 實(shí)際工況中散熱器散熱量 將二者進(jìn)行比較 并通過對(duì) 溫室實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 擬找出適用于現(xiàn)代連棟玻璃溫 室的采暖熱負(fù)荷計(jì)算方法 為中國(guó)連棟玻璃溫室采暖熱 負(fù)荷計(jì)算科學(xué)化 精準(zhǔn)化提供依據(jù) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020年 236 1 溫室采暖熱負(fù)荷計(jì)算模型 1 1 模型簡(jiǎn)化 目前 采暖熱負(fù)荷計(jì)算模型大多是基于熱力學(xué)和傳 熱學(xué)的基本原理 建立溫室內(nèi)部與外部環(huán)境之間的換熱 平衡方程式 16 18 溫室得熱的途徑主要有加熱系統(tǒng)供熱 量Q 設(shè)備電機(jī)及補(bǔ)光燈發(fā)熱量Qs 作物及土壤等呼吸 放熱量Qh以及太陽(yáng)輻射熱Qf等 失熱的途徑主要有經(jīng)屋 面 地面 外墻 門窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱熱損失Q1 溫室 室內(nèi)外空氣交換熱損失Q2 水分蒸發(fā)熱損失Q3及作物生 理生化轉(zhuǎn)化交換的耗熱量Q4等 19 由此 總結(jié)溫室建筑 采暖期間的熱量平衡方程式為 Q Qs Qh Qf Q1 Q2 Q3 Q4 1 在進(jìn)行采暖設(shè)計(jì)時(shí) 采暖熱負(fù)荷計(jì)算的時(shí)刻為室外 環(huán)境溫度最低的時(shí)候 一般出現(xiàn)在冬季后半夜至凌晨 2 此時(shí)的太陽(yáng)輻射微乎其微 因此太陽(yáng)輻射熱忽略不計(jì) 此外 在式 1 的得失熱量中 作物 土壤等的呼吸放 熱量 作物生理生化轉(zhuǎn)化交換的耗熱量等在夜間也都很 小 溫室內(nèi)由于相對(duì)濕度較高 因此水分蒸發(fā)熱損失也 很小 一般忽略不計(jì) 設(shè)備電機(jī)及照明的發(fā)熱量一般也 不大 且不穩(wěn)定 設(shè)計(jì)中通常也不考慮 20 為使工程設(shè) 計(jì)應(yīng)用簡(jiǎn)便 溫室采暖熱負(fù)荷計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為 Q Q1 Q2 2 1 2 計(jì)算參數(shù) 雖然各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中溫室采暖熱負(fù)荷計(jì)算模型類似 但 在模型參數(shù)取值上存在部分差異 本文收集整理了中國(guó) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50736 2012 11 GB50019 2015 12 中國(guó)機(jī) 械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB T10297 2014 13 和美國(guó)農(nóng)業(yè)與生物工程師 學(xué)會(huì) American Society of Agricultural and Biological Engineers 標(biāo)準(zhǔn)ANSI ASAE EP460 4 14 美國(guó)溫室制造 業(yè)協(xié)會(huì) National Greenhouse Manufacturers Association 溫室設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) Greenhouse Heating Load 15 及美國(guó)東北 區(qū)域農(nóng)業(yè)工程服務(wù)機(jī)構(gòu) Northeast Regional Agricultural Engineering Service Cooperative Extension Greenhouse Engineering 21 6個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于計(jì)算模型參數(shù)的取值 進(jìn)行分析研究 1 2 1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱熱損失Q1 在圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱熱損失計(jì)算方面 各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)總體差 別不大 都是依據(jù)公式 3 進(jìn)行計(jì)算 Q1 K F Ti To 3 式中K為地面或地面以上不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù) W m2 F為地面或圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積 m2 Ti為采暖室 內(nèi)設(shè)計(jì)溫度 To為采暖室外計(jì)算溫度 但不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)有不同取舍 例如文獻(xiàn) 13 保留了玻璃 基礎(chǔ)墻和地面全部的圍護(hù)結(jié)構(gòu) 而文獻(xiàn) 14 則只考慮了玻璃等主要覆蓋材料 將圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱熱損 失Q1分為地面以上圍護(hù)結(jié)構(gòu) 玻璃 基礎(chǔ)墻 傳熱熱損 失Qen和地面?zhèn)鳠釤釗p失Qg 2部分 1 地面以上溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱熱損失Qen 在溫室專用的 13 15 21 4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中 文獻(xiàn) 14 和 15 都只保留了玻璃覆蓋部分作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算對(duì)象 但文 獻(xiàn) 15 認(rèn)為骨架形式對(duì)傳熱的影響不可忽略 因而提出了 使用結(jié)構(gòu)因子用于調(diào)整由于結(jié)構(gòu)形式不同引起的圍護(hù)結(jié) 構(gòu)總傳熱系數(shù)的差異 文獻(xiàn) 13 和文獻(xiàn) 21 將不同傳熱系 數(shù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)分開計(jì)算 即對(duì)于地面以上圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱 熱損失的計(jì)算均保留了玻璃和基礎(chǔ)墻2部分 不同標(biāo)準(zhǔn) 中玻璃溫室主要覆蓋材料的近似綜合傳熱系數(shù)K取值對(duì) 比見表1 從表中可以看出 幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)給出的綜合傳熱系 數(shù)對(duì)于材料本身的描述都比較模糊 比如單層玻璃 文 獻(xiàn) 14 和文獻(xiàn) 21 給出的單層玻璃傳熱系數(shù)為 6 2 W m2 文獻(xiàn) 13 和文獻(xiàn) 15 給出的單層玻璃傳熱 系數(shù)為6 4 W m2 分析單層玻璃傳熱系數(shù)存在差異 的原因 是由于不同標(biāo)準(zhǔn)的傳熱系數(shù)取自于不同厚度的 單層玻璃 經(jīng)計(jì)算 文獻(xiàn) 14 和 21 的取值接近于5 mm 厚單層玻璃的傳熱系數(shù) 文獻(xiàn) 13 和 15 的取值則更接近 于4 mm厚單層玻璃的傳熱系數(shù) 而這2種厚度的玻璃都 在實(shí)際工程大量應(yīng)用 因此傳熱系數(shù)對(duì)于供熱設(shè)備選型 會(huì)產(chǎn)生一定的影響 實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)按玻璃厚度選取 表1 不同標(biāo)準(zhǔn)中玻璃溫室主要覆蓋材料近似綜合傳熱系數(shù) Table 1 Approximate overall heat transfer coefficients of covering materials of greenhouse defined in different standards W m 2 1 數(shù)據(jù)來(lái)源Data sources 溫室覆蓋材料 Greenhouse covering materials 文獻(xiàn) 13 Reference 13 文獻(xiàn) 14 Reference 14 文獻(xiàn) 15 Reference 15 文獻(xiàn) 21 Reference 21 單層玻璃 Single glass 6 4 6 2 6 4 6 2 單層玻璃覆蓋單層塑料膜 Single plastic film over single glass 4 8 單層玻璃覆蓋雙層塑料膜 Double plastic film over single glass 2 8 3 4 單層玻璃加保溫幕 Single glass and thermal blanket 4 0 2 8 雙層玻璃 Double glass 4 0 3 7 4 0 2 溫室地面?zhèn)鳠釤釗p失Qg 關(guān)于溫室地面?zhèn)鳠嵊?jì)算方法 文獻(xiàn) 11 12 及 13 均采用地帶法計(jì)算地面整體散熱量 文獻(xiàn) 14 和 15 均認(rèn) 為地面?zhèn)鳠釗p失很小 可以忽略不計(jì) 文獻(xiàn) 21 采用周長(zhǎng) 法計(jì)算溫室周邊地面耗熱量 文獻(xiàn) 21 對(duì)地面?zhèn)鳠釤釗p失的計(jì)算公式為 Qg KpP Ti To 4 式中KP為溫室周邊地面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 周邊基礎(chǔ)不保溫時(shí)取 0 96 W m 保溫時(shí)取0 48 W m 相當(dāng)于厚度為50 mm的 泡沫聚苯乙烯 向地下延伸610 mm P為溫室外圍護(hù) 墻周長(zhǎng) m 文獻(xiàn) 11 和文獻(xiàn) 12 規(guī)定在計(jì)算地面?zhèn)鳠釤釗p失時(shí) 靠近外墻地面?zhèn)鳠崧烦梯^短 熱阻較小 遠(yuǎn)離外墻地面 傳熱路程較長(zhǎng) 熱阻增大 因此室內(nèi)地面的傳熱系數(shù)隨 離外墻的距離而變化 地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的工程取值方法是 把地面沿外墻平行方向分成4個(gè)計(jì)算地帶 22 靠近外墻 6 m范圍內(nèi)每2 m為一個(gè)地帶 中部為一個(gè)獨(dú)立地帶 從 外向內(nèi) 每個(gè)地帶的傳熱系數(shù)分別為0 47 0 23 0 12 第21期 富建魯?shù)?連棟玻璃溫室采暖熱負(fù)荷計(jì)算方法 237 0 07 W m2 文獻(xiàn) 13 中溫室地面?zhèn)鳠釤釗p失也采用與文獻(xiàn) 11 12 中類似的地帶劃分法 但地帶劃分為3個(gè)地帶 從外墻 開始的20 m范圍內(nèi) 每10 m為一個(gè)地帶 中部為獨(dú)立 地帶 從外向內(nèi) 每個(gè)地帶的傳熱系數(shù)分別為0 24 0 12 0 06 W m2 1 2 2 溫室室內(nèi)外空氣交換熱損失Q2 溫室室內(nèi)外空氣交換熱損失通常稱為冷風(fēng)滲透熱損 失 文獻(xiàn) 13 15 21 對(duì)于冷風(fēng)滲透量的計(jì)算均一致采用換 氣次數(shù)法 文獻(xiàn) 11 和 12 這2個(gè)民用和工業(yè)建筑設(shè)計(jì)規(guī) 范采用縫隙法 各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于算式中系數(shù)的取值也各有不 同 此外 除文獻(xiàn) 14 考慮了冷風(fēng)潛熱損失外 其他標(biāo)準(zhǔn) 均只考慮了冷風(fēng)顯熱損失 對(duì)于冷風(fēng)滲透熱損失 即空氣交換熱損失Q2采用文 獻(xiàn) 14 中的計(jì)算方法 Q2 i N V cpi Ti To hfg Wi Wo 5 式中 i為溫室室內(nèi)空氣密度 kg m3 N為每秒換氣次數(shù) V為溫室容積 m3 cpi 為溫室室內(nèi)空氣定壓比熱容 J kg hfg為Ti溫度下水的汽化潛熱 J kg Wi為室內(nèi) 空氣含濕量 kg kg Wo為室外空氣含濕量 kg kg 空氣 含濕量均以每kg干空氣計(jì) 當(dāng)室外空氣溫度低于 20 且室內(nèi)空氣相對(duì)濕度低 于40 時(shí) 可簡(jiǎn)化為 14 Q2 1 800V N Ti To 6 文獻(xiàn) 13 15 21 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算公式類似 本文總結(jié)為 Q2 X M Ti To 的形式 式中X為系數(shù) M為單位時(shí)間冷 風(fēng)滲透量 m3 h 當(dāng)M一定時(shí) 它們的差異僅在于系數(shù) X的不同 文獻(xiàn) 13 15 21 對(duì)于系數(shù)X的取值分別是0 5 0 28和0 35 按照傳熱傳質(zhì)理論 23 24 本文計(jì)算得0 36 與0 35更為接近 文獻(xiàn) 11 12 均考慮了空氣密度 比熱容的影響 公 式為 Q2 0 28cp wn M Ti To 7 式中cp為空氣的定壓比熱容 cp 1 01 kJ kg K 11 wn為 采暖室外計(jì)算溫度下的空氣密度 kg m3 在標(biāo)準(zhǔn)中 推 薦使用縫隙法進(jìn)行滲透空氣量的確定 11 2 實(shí)例熱負(fù)荷分析 為對(duì)比不同標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果 按北京某實(shí)際溫室?guī)缀?尺寸構(gòu)建溫室模型進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析 2 1 溫室物理模型 溫室跨度9 6 m 共25跨 開間5 m 共41個(gè)開間 溫室檐高6 3 m 屋面采用連續(xù)開窗 溫室四周基礎(chǔ)墻為 高0 3 m 厚0 37 m的磚墻 基礎(chǔ)無(wú)保溫層 溫室覆蓋材 料為4 mm厚單層玻璃 圖1 2 2 計(jì)算參數(shù) 以北京為例 表2為計(jì)算中公用的參數(shù)值 表中參 數(shù)主要來(lái)源于文獻(xiàn) 11 12 其中溫室冬季采暖室外計(jì)算 溫度因溫室本身熱惰性低不能按民用建筑和工業(yè)建筑的 方法取值 學(xué)者認(rèn)為應(yīng)按年平均最低溫度和極端最低溫 度加權(quán)求得 25 26 但如何確定權(quán)重多年來(lái)尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)給出 本文按中國(guó)現(xiàn)行機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB T10297 2014 溫室加 熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范 13 中的取值方法 即20 a最冷日溫度 的平均值 12 進(jìn)行計(jì)算 a 立面圖 a Elevation b 平面圖 b Layout 圖1 溫室物理模型 Fig 1 Physical model of greenhouse 表2 模型溫室熱負(fù)荷計(jì)算參數(shù) Table 2 Calculation parameters of heat load of model greenhouse 項(xiàng)目Item 數(shù)值Value 冬季室外計(jì)算溫度 Outdoor calculation temperature in winter 13 12 室外計(jì)算相對(duì)濕度 Outdoor calculated relative humidity 11 12 44 室外空氣含濕量 Humidity ratios of outdoor air g kg 1 11 12 0 66 室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度 Design temperature of indoor heating 16 室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度 Design relative humidity of indoor 75 室內(nèi)空氣含濕量 Humidity ratios of indoor air g kg 1 8 485 冬季室外平均風(fēng)速 Average outdoor wind speed in winter 11 12 2 6 風(fēng)速因子 Wind speed impact factor 15 1 結(jié)構(gòu)因子 Structural impact factor 15 1 05 溫室面積 Greenhouse area m2 49 200 溫室體積 Greenhouse volume m3 319 800 溫室玻璃覆蓋面積 Greenhouse glass coverage area m2 57 984 基礎(chǔ)墻面積 Sill wall area m2 267 換氣次數(shù) Ventilation rate h 1 1 空氣定壓比熱容 Constant pressure specific heat of air kJ kg 1 K 1 11 1 01 室內(nèi)空氣密度 Indoor air density kg m 3 1 22 室外空氣密度 Outdoor air density kg m 3 24 1 35 4 mm玻璃傳熱系數(shù) Heat transfer coefficient of 4 mm glass 2 6 4 370 mm厚磚墻傳熱系數(shù) Heat transfer coefficient of 370 mm brick wall 2 1 52 16 時(shí)水的汽化潛熱 Latent heat of vaporization of water at 16 kJ kg 1 24 67 22 注 空氣含濕量均以與每千克干空氣同時(shí)并存的水蒸氣量計(jì) Note Humidity ratios of air is measured by the amount of water vapor coexisting with each kilogram of dry air 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020年 238 2 3 計(jì)算熱負(fù)荷 溫室模型按不同標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果見表3 結(jié)果 表明文獻(xiàn) 13 15 和 21 這4個(gè)溫室專用標(biāo)準(zhǔn)中采暖總熱負(fù)荷 中圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失占比為70 2 81 38 冷風(fēng)滲透熱損失 占比為18 62 29 8 在民用建筑和工業(yè)建筑標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn) 11 12 中 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失占總負(fù)荷的93 冷風(fēng)滲透熱 損失明顯比其它溫室專用標(biāo)準(zhǔn)小 僅占總熱負(fù)荷的7 出 現(xiàn)這種結(jié)果的主要原因在于冷風(fēng)滲透量的計(jì)算方法不同 見本文1 2 2 民用建筑和工業(yè)建筑標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn) 11 12 中冷 風(fēng)滲漏量的計(jì)算方法采用縫隙法 僅計(jì)算外門 窗縫隙滲 入室內(nèi)的冷空氣 溫室專用標(biāo)準(zhǔn)均采用換氣次數(shù)法 考慮 了玻璃拼裝縫隙的冷風(fēng)滲透 更符合溫室實(shí)際條件 由此 推斷 縫隙法對(duì)溫室熱負(fù)荷設(shè)計(jì)偏于不安全 在圍護(hù)結(jié)構(gòu) 熱損失中 基礎(chǔ)墻傳熱損失約占圍護(hù)結(jié)構(gòu)總熱損失的0 1 比例非常低 可以忽略 地帶法地面?zhèn)鳠釗p失占圍護(hù)結(jié)構(gòu) 熱損失的1 2 和1 3 占溫室總熱負(fù)荷的1 左右 文獻(xiàn) 21 周長(zhǎng)法計(jì)算出的結(jié)果占溫室總熱負(fù)荷的0 33 總體看 地面?zhèn)鳠釗p失占溫室總熱負(fù)荷比重不大 不是影響溫室熱 負(fù)荷的主要因素 比較地帶法和周長(zhǎng)法 從設(shè)計(jì)安全的角 度考慮 應(yīng)按地帶法計(jì)算地面熱損失 表3 不同標(biāo)準(zhǔn)體系模型溫室計(jì)算熱負(fù)荷 Table 3 Heating load calculated by different standards 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷 Heating load of enclosure kW 標(biāo)準(zhǔn)名稱 Standards name 玻璃 Glass 基礎(chǔ)墻 Sill wall 地面 Ground 小計(jì) Subtotaol 冷風(fēng)滲透熱負(fù)荷 Heating load of cooling air infiltration kW 總熱負(fù)荷 Total heating load kW 單位面積熱負(fù)荷 Heating load per unit area W m 2 GB50736 2012 11 GB50019 2015 12 10 390 7 11 4 126 5 10 528 6 792 50 11 321 10 230 10 JB T10297 2014 13 10 390 7 11 4 138 4 10 540 5 4 477 20 15 017 70 305 24 ANSI ASAE EP406 4 14 10 438 6 0 0 10 438 6 3 121 13 13 559 73 275 60 Greenhouse Heating Load 15 10 960 5 0 0 10 960 5 2 507 23 13 467 73 273 73 Greenhouse Engineering 21 10 390 7 11 4 34 5 10 436 6 3 336 32 13 772 92 279 94 2 4 溫室散熱器布置及散熱量分析 在溫室采暖中 熱負(fù)荷的計(jì)算與室外溫度有關(guān) 散 熱器散熱量與室外溫度沒有直接關(guān)系 只與供回水溫度 與室內(nèi)溫度有關(guān)系 當(dāng)散熱量與熱負(fù)荷相等時(shí) 室內(nèi)溫 度保持恒定 下面以溫室中常見散熱器布置的最大散熱 量 設(shè)計(jì)工況散熱量 來(lái)對(duì)比表3中的計(jì)算熱負(fù)荷值 2 4 1 溫室散熱器布置 近些年 以荷蘭溫室為代表的大型連棟溫室在國(guó)內(nèi) 迅速發(fā)展 主要的散熱器布局均為栽培架之間地面敷設(shè) 51 mm 3 mm的無(wú)縫鋼管作為采收車軌道兼做散熱器 植株間布置 38 mm 2 mm的無(wú)縫鋼管 溫室四周布置6 排 51 mm 3 mm的無(wú)縫鋼管 空中吊掛 51 mm 3 mm 散熱管 以3 1節(jié)提出的長(zhǎng)240 m 寬205 m 檐高6 3 m 的溫室模型布置散熱器 每跨布置6 列栽培架 間距 1 6 m 如圖2所示 2 4 2 溫室散熱器散熱量計(jì)算與分析 溫室采暖系統(tǒng)各組成部分計(jì)算參數(shù)及在設(shè)計(jì)工況下 的計(jì)算結(jié)果如表4 從計(jì)算結(jié)果可知 溫室中散熱器的散 熱量遠(yuǎn)小于溫室計(jì)算熱負(fù)荷 表3 僅為現(xiàn)行各標(biāo)準(zhǔn)推 薦公式計(jì)算設(shè)計(jì)單位面積熱負(fù)荷的50 6 56 5 現(xiàn)行 標(biāo)準(zhǔn)體系下的溫室熱負(fù)荷計(jì)算值比實(shí)際情況偏大 應(yīng)考 慮保溫幕的作用予以修訂 圖2 溫室剖面散熱器布置示意圖 Fig 2 Layout profile of radiator in greenhouse 表4 設(shè)計(jì)工況下采暖系統(tǒng)各組成部分計(jì)算參數(shù)及散熱量 Table 4 Calculation parameters and heating capacity of each components of heating system 散熱系統(tǒng) Heating system 散熱器規(guī)格 Radiator specification mm mm 供 回水溫度 Supply and returen water temperature 傳熱系數(shù) 2 Heat transfer coefficient 2 W m 2 1 單位長(zhǎng)度 散熱器表面積 2 Surface area of radiator per unit length 2 m2 m 1 單位長(zhǎng)度 散熱量 Heating capacity per unit length W m 1 散熱管 總長(zhǎng)度 Total length of radiator tube m 散熱管 總散熱量 Total heating capacity of radiator tube kW 單位面積 散熱量指標(biāo) Heating capacity per unit area W m 2 采收車軌道加溫 Tube rail heating 51 3 75 50 9 5 0 16 70 59 400 4 158 0 84 5 株間加溫Grow tube heating 38 2 50 45 9 0 0 12 34 29 700 1 009 8 20 5 上部加溫 Upper heating 51 3 75 50 9 5 0 16 70 29 700 2 079 0 42 3 邊墻加溫Side wall heating 51 3 75 50 9 5 0 16 70 5 160 361 2 7 30 合計(jì) 7 608 0 154 6 第21期 富建魯?shù)?連棟玻璃溫室采暖熱負(fù)荷計(jì)算方法 239 2 5 考慮保溫幕后計(jì)算結(jié)果與溫室實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比 2 5 1 考慮保溫幕后計(jì)算結(jié)果 溫室中設(shè)置了2層保溫幕布 由保溫幕參數(shù)可知 上層幕布節(jié)能率47 下層幕布節(jié)能率50 冬季夜間2 層幕布同時(shí)使用 則考慮配置保溫幕布后溫室屋面的綜 合傳熱系數(shù)為 27 K K 1 c 13 1 2 1 2 1 2 2 1c c c cc c c 14 式中K為屋面使用保溫幕后的綜合傳熱系數(shù) W m2 K 為屋面主要材料傳熱系數(shù) 本模型溫室為6 4 W m2 c為保溫幕關(guān)閉時(shí)的節(jié)能率 c1為上層幕布節(jié)能率 取值 為0 47 c2為下層幕布節(jié)能率 取值為0 50 根據(jù)公式 13 和 14 計(jì)算結(jié)果為2 24 W m2 考慮保溫幕后溫室熱負(fù) 荷計(jì)算采用的參數(shù) 除屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)由增加保溫幕 后的綜合傳熱系數(shù)替代單層玻璃傳熱系數(shù)外 其它參數(shù)均與 表2一致 計(jì)算結(jié)果見表5 比較表4散熱器散熱量和表5 計(jì)算熱負(fù)荷 可以看出 在考慮保溫幕的保溫作用后兩者結(jié) 果基本接近 尤其與文獻(xiàn) 14 和 21 之間的誤差都在5 以內(nèi) 由此 在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮保溫幕的保溫作用 表5 保溫幕關(guān)閉時(shí)計(jì)算熱負(fù)荷值 Table 5 Heating load values calculated when climate screens closed 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷Heating load of enclosure kW 標(biāo)準(zhǔn)名稱 Standards name 帶保溫幕屋頂 玻璃側(cè)墻 Roof with climate screens glass side wall 基礎(chǔ)墻 Sill wall 地面 Ground 小計(jì) Subtotal 冷風(fēng)滲透 熱負(fù)荷 Heating load of cooling air infiltration kW 總熱負(fù)荷 Total heating load kW 單位面積 熱負(fù)荷 Heating load per unit area W m 2 GB50736 2012 11 GB50019 2015 12 4 059 95 17 7 126 5 4 204 15 792 50 4 996 65 101 56 JB T10297 2014 13 4 059 95 17 7 138 4 4 216 05 4 477 20 8 693 25 176 69 ANSI ASAE EP406 4 14 4 107 80 0 0 4 107 80 3 121 13 7 228 93 146 93 Greenhouse Heating Load 15 4 313 19 0 0 4 313 19 2 507 23 6 820 42 138 63 Greenhouse Engineering 21 4 059 95 17 7 34 5 4 112 15 3 336 32 7 448 47 151 39 2 5 2 溫室實(shí)測(cè)結(jié)果及分析 溫室采暖系統(tǒng)在供回水出入口處安裝溫度傳感器 三通調(diào)節(jié)閥 圖3 系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)外溫度由計(jì)算機(jī)自動(dòng) 控制閥門開啟度調(diào)節(jié)水溫 并采集數(shù)據(jù) 圖3 采暖系統(tǒng)水溫傳感器及調(diào)節(jié)閥 Fig 3 Water temperature sensor and regulating valve of heating system 溫室采暖系統(tǒng)運(yùn)行情況如圖4實(shí)測(cè)溫度曲線所示 2020年1月14日早7時(shí)50分左右 在溫室保溫幕關(guān)閉 的情況下 室外溫度 12 時(shí) 散熱器內(nèi)平均水溫57 室內(nèi)溫度16 基本接近設(shè)計(jì)工況 此時(shí)溫室內(nèi)散熱器 的實(shí)際散熱量見表6 由表可見 考慮保溫幕設(shè)計(jì)工況下 的計(jì)算采暖熱負(fù)荷與實(shí)際運(yùn)行工況的散熱量相比 偏差 在4 5 以內(nèi) 并偏于安全 設(shè)計(jì)滿足實(shí)際要求 從圖4還可以看出 從上午08 00至10 00左右 室 內(nèi)溫度和室外溫度同步上升 室內(nèi)外溫差基本保持在 25 左右不變但散熱器內(nèi)水溫卻出現(xiàn)了明顯的上升和波 動(dòng) 水溫在設(shè)計(jì)供 回水溫度75 50 的平均溫度 62 5 左右波動(dòng) 最高水溫達(dá)到71 水溫上升是因?yàn)?室內(nèi)外溫差不變的條件下溫室散熱量保持不變 而室內(nèi) 溫度升高后要保持散熱器相同的散熱量就必須提高管道 內(nèi)水溫 散熱器內(nèi)水溫出現(xiàn)波動(dòng)是因?yàn)檫@一階段太陽(yáng)升 起 溫室保溫幕打開后溫室的保溫能力下降與室外太陽(yáng) 輻射補(bǔ)充熱量二者的動(dòng)態(tài)平衡變化的緣故 溫室供暖系 統(tǒng)的實(shí)況運(yùn)行也表明 采暖系統(tǒng)的水溫也達(dá)到了設(shè)計(jì)工 況 而且在這種工況下也保證了溫室室內(nèi)外設(shè)計(jì)溫差 說明工程設(shè)計(jì)是符合實(shí)際運(yùn)行要求的 實(shí)測(cè)結(jié)果的分析表明 溫室最大熱負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)刻 并不是室外溫度最低的凌晨 而是保溫幕開啟后1 2 h 此時(shí)室外溫度已開始升高 在實(shí)際工程運(yùn)行中 保溫幕 的開啟時(shí)刻會(huì)視天氣情況開啟時(shí)刻不定 此時(shí)的室外溫 度數(shù)據(jù)在工程設(shè)計(jì)中難以取值應(yīng)用 且這一時(shí)刻比較短 暫 溫室負(fù)荷會(huì)很快隨太陽(yáng)輻射熱的進(jìn)入而降低 不會(huì) 對(duì)溫室內(nèi)作物造成影響 因此 在溫室采暖熱負(fù)荷計(jì)算 時(shí)仍推薦按考慮保溫幕的工況進(jìn)行計(jì)算 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020年 240 圖4 溫室實(shí)測(cè)溫度曲線圖 2019 01 14 2019 01 15 Fig 4 Measured temperature curve in greenhouse 表6 溫室實(shí)測(cè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)溫度下散熱器的散熱量 Table 6 Heating capacity of radiator at corresponding temperature at measured time in greenhouse 散熱系統(tǒng) Heating system 散熱器規(guī)格 Radiator Specification mm mm 供回水平均溫度 Average temperature of supply and return water 傳熱系數(shù) 2 Heat transfer coefficient 2 W m 2 1 單位長(zhǎng)度散熱器 表面積 2 Surface area of radiator per unit length 2 m2 m 1 單位長(zhǎng)度 散熱量 Heating capacity per unit length W m 1 散熱管 總長(zhǎng)度 Total length of radiator tube m 散熱管 總散熱量 Total heating capacity of radiator tube kW 單位面積 散熱量指標(biāo) Heating capacity per unit area W m 2 采收車軌道加溫 Tube rail heating 51 3 57 9 5 0 16 62 59 400 3 701 81 75 24 株間加溫 Grow tube heating 38 2 47 9 0 0 12 33 29 700 994 36 20 21 上部加溫 Upper heating 51 3 57 9 5 0 16 62 29 700 1 850 90 37 62 邊墻加溫 Side wall heating 51 3 57 9 5 0 16 62 5 160 321 57 6 54 合計(jì)Total 7 262 46 139 61 3 結(jié) 論 1 以縫隙法進(jìn)行冷風(fēng)滲透熱負(fù)荷計(jì)算由于僅考慮門 窗縫隙 會(huì)因溫室本身的不嚴(yán)密性而造成計(jì)算值偏小 因此 仍推薦使用換氣次數(shù)法進(jìn)行冷風(fēng)滲透熱負(fù)荷計(jì)算 2 根據(jù)計(jì)算分析與實(shí)測(cè)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn) 溫室保溫幕的使 用極大地減小了溫室實(shí)際需熱量 測(cè)試溫室中考慮保溫 幕的熱負(fù)荷比按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的設(shè)計(jì)負(fù)荷減小了約 42 1 55 9 以考慮保溫幕的綜合傳熱系數(shù)法計(jì)算出 熱負(fù)荷與溫室實(shí)際運(yùn)行情況相符 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)體系下的溫 室采暖熱負(fù)荷計(jì)算值比實(shí)際情況偏大 應(yīng)予以修訂 在 計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量時(shí)應(yīng)按保溫幕設(shè)置情況計(jì)算出綜合 傳熱系數(shù)后用于溫室熱負(fù)荷計(jì)算 參 考 文 獻(xiàn) 1 宋兵偉 曹新偉 馬皓誠(chéng) 等 不同覆蓋材料對(duì)Venlo型 連棟溫室熱負(fù)荷的影響 J 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2016 37 11 53 57 80 Song Bingwei Cao Xinwei Ma Haocheng et al Effects of different covering materials on venlo type multi span greenhouse heat load J Journal of Chinese Agricultural Mechanization 2016 37 11 53 57 80 in Chinese with English abstract 2 周長(zhǎng)吉 溫室工程設(shè)計(jì)手冊(cè) M 北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社 2007 147 3 蔡龍俊 楊琳 連棟溫室內(nèi)保溫幕節(jié)能效果的研究分析 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2002 18 6 98 102 Cai Longjun Yang Lin Effects of inside thermal screen of multi span greenhouse on energy conservation J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2002 18 6 98 102 第21期 富建魯?shù)?連棟玻璃溫室采暖熱負(fù)荷計(jì)算方法 241 in Chinese with English abstract 4 崔慶法 王靜 連棟溫室可移動(dòng)式雙層內(nèi)保溫幕保溫節(jié)能 效果初探 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2002 18 6 111 114 Cui Qingfa Wang Jing Temperature and energy saving effects of applying the mobile double layers thermal screen in a greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2002 18 6 111 114 in Chinese with English abstract 5 王紀(jì)章 趙青松 李萍萍 溫室多層覆蓋的冬季保溫效果 研究 J 中國(guó)蔬菜 2012 18 106 110 Wang Jizhang Zhao Qingsong Li Pingping Effect of heat preservation by applying multi layer covers in greenhouse J China Vegetables 2012 18 106 110 in Chinese with English abstract 6 趙淑梅 馬承偉 劉晨霞 等 溫室多層覆蓋傳熱系數(shù)與 熱節(jié)省率的工程算法 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2011 27 7 264 269 Zhao Shumei Ma Chengwei Liu Chenxia et al Computing method for therma