溫室多層覆蓋傳熱系數(shù)與熱節(jié)省率的工程算法

第 27 卷 第 7 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 Vol.27 No.7 264 2011 年 7月 Transactions of the CSAE Jul. 2011 溫室多層覆蓋傳熱系數(shù)與熱節(jié)省率的工程算法趙淑梅，馬承偉，劉晨霞，張 義，張建宇，孫國濤 （中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京 100083） 摘 要： 針對溫室環(huán)境工程設(shè)計和保溫性評價中多層覆蓋傳熱計算問題，研究了根據(jù)單層保溫幕保溫性數(shù)據(jù)確定多層覆蓋傳熱系數(shù)的方法。運用工程傳熱學(xué)理論，推導(dǎo)了由單層保溫幕熱節(jié)省率計算多層保溫幕熱節(jié)省率的公式，進而可計算多層覆蓋傳熱系數(shù)。計算式揭示了溫室單層保溫幕和多層覆蓋傳熱參數(shù)間的定量關(guān)系，通過引入傳熱阻比這一新概念，形式更加簡明。采用多種數(shù)據(jù)的綜合檢驗結(jié)果表明，所提出計算式準(zhǔn)確性較高，同一情況下由單層保溫幕熱節(jié)省率計算得出的 3 層保溫幕熱節(jié)省率，與直接獲得的同一熱節(jié)省率最大相差僅 4.6%。論文提出的計算方法，可避免對多種材料組合的各種多層覆蓋進行逐一測試，系統(tǒng)地解決了多層覆蓋傳熱計算中熱節(jié)省率和傳熱系數(shù)確定的問題。 關(guān)鍵詞： 溫室，熱傳遞，計算，傳熱系數(shù)，多層覆蓋，熱節(jié)省率 doi： 10.3969/j.issn.1002-6819.2011.07.046 中圖分類號： S625， TU111.19 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號： 1002-6819(2011)-07-0264-06 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，2011，27(7)：264269. Zhao Shumei, Ma Chengwei, Liu Chenxia, et al. Computing method for thermal transmittance and saving ratio of heat loss in multi-layer covering of greenhouse J. Transactions of the CSAE, 2011, 27(7): 264 269. (in Chinese with English abstract). 0 引 言在冬季，通過溫室外圍護覆蓋的散熱是溫室熱損失的最主要部分，因此減少該部分散熱量是溫室保溫節(jié)能關(guān)注的重點。采用保溫性良好的覆蓋材料以及多層保溫覆蓋是有效的保溫節(jié)能技術(shù)措施，目前溫室工程中普遍采用在固定的透明覆蓋層（主覆蓋層）內(nèi)增設(shè) 1 層或多層保溫幕（附加保溫覆蓋）的做法。 在溫室工程建設(shè)中，為了準(zhǔn)確地計算、設(shè)計和配置溫室的環(huán)境調(diào)控裝備，以及準(zhǔn)確地評價溫室能耗和節(jié)能性，需要準(zhǔn)確定量地確定溫室多層覆蓋的傳熱性能和保溫效果。采用傳熱系數(shù)（ thermal transmittance）這一參數(shù)，可以方便地計算出通過溫室覆蓋的熱量損失，因此通常采用傳熱系數(shù)來計算溫室覆蓋的傳熱和評價保溫性優(yōu)劣1。 溫室單層覆蓋的傳熱系數(shù)可從各種文獻查得2-6，而有關(guān)多層覆蓋的傳熱系數(shù)資料則較少；一些資料雖給出了部分雙層覆蓋（主覆蓋層 +單層附加保溫覆蓋）的傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)，但是很不全面， 3 層（主覆蓋層 +雙層附加保溫覆蓋）以上覆蓋的傳熱系數(shù)資料尤其缺少。 收稿日期： 2010-11- 24 修訂日期： 2011-05-22 基金項目：國家自然科學(xué)基金項目溫室綴鋁幕保溫機理與性能的研究（ 50778173） ；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金資助（ CARS-25-D-04） ；“十一五” 科技支撐計劃資源節(jié)約關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研制課題 （ 2006BAK04A03）資助 作者簡介：趙淑梅（ 1967） ，吉林人，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)建筑與環(huán)境工程研究。北京 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，100083。 Email: zhaoshumcau.edu.cn 通信作者：馬承偉（ 1952） ，男，重慶人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會高級會員（ E041100006S） ，主要從事設(shè)施園藝環(huán)境工程研究。 北京 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室， 100083。 Email: macwbscau.edu.cn 另外，一些文獻也給出了按附加保溫覆蓋的熱節(jié)省率這一參數(shù)計算覆蓋傳熱的方法2, 4，即根據(jù)主覆蓋層的傳熱系數(shù)及附加保溫覆蓋（保溫幕）的熱節(jié)省率1，計算出多層覆蓋的傳熱系數(shù)。 附加保溫覆蓋（保溫幕）的熱節(jié)省率（ saving ratio of heat loss），也稱之為節(jié)能率2, 7-8，其物理意義為增加附加保溫覆蓋層后，溫室覆蓋熱量損失降低值與原主覆蓋層（無附加保溫覆蓋層）的熱量損失值之比，是附加保溫覆蓋層保溫節(jié)能效果的又一個評價指標(biāo)。 采用熱節(jié)省率這一參數(shù)，可以方便地根據(jù)主覆蓋層（無附加保溫覆蓋）的傳熱系數(shù)推算增設(shè)附加保溫覆蓋層后溫室覆蓋的傳熱系數(shù)。但是，目前從文獻資料中可以查到的熱節(jié)省率數(shù)據(jù)很不全面，尤其是雙層以上保溫幕的有關(guān)數(shù)據(jù)非常缺少。 在由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室承擔(dān)制定的國家標(biāo)準(zhǔn)溫室節(jié)能技術(shù)通則（報批稿）中，已將傳熱系數(shù)和熱節(jié)省率列為了溫室覆蓋層保溫性能評價的參數(shù)。因此如何確定溫室多層覆蓋的傳熱系數(shù)和熱節(jié)省率，是需要進一步解決的問題。 溫室的各種多層覆蓋的傳熱系數(shù)或熱節(jié)省率的確定，原則上和最基本的方法是在實驗室或在使用中的溫室現(xiàn)場進行試驗直接測定6-12。在溫室現(xiàn)場進行的直接測定雖然最接近溫室的實際工作狀況，但測試環(huán)境很不穩(wěn)定，覆蓋層工作的條件很難控制一致，測定精度和測定結(jié)果的再現(xiàn)性較差。因此，在實驗室內(nèi)采用專用設(shè)備1,11,13，在測試條件準(zhǔn)確控制和穩(wěn)定的情況下進行傳熱系數(shù)或熱節(jié)省率的測定，是較為準(zhǔn)確可行的方法。該方面工作可參照已經(jīng)發(fā)布實施的農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) NY/T 1831-2009 溫室覆蓋材料保溫性能測定方法1的規(guī)定進第 7 期 趙淑梅等：溫室多層覆蓋傳熱系數(shù)與熱節(jié)省率的工程算法 265 行。傳熱系數(shù)可由測試設(shè)備直接測定，而附加保溫覆蓋層的熱節(jié)省率則根據(jù)有、無附加保溫覆蓋層的傳熱系數(shù)測定值計算得出。 但是，由于可以用于溫室主覆蓋層和保溫幕的覆蓋材料有多種，其構(gòu)成多層保溫覆蓋時的組合數(shù)量更是非常之大，要對不同保溫覆蓋材料的全部可能的組合都進行傳熱和保溫性測試，其工作量非常巨大。 通過理論分析計算多層覆蓋的傳熱系數(shù)或熱節(jié)省率，是解決該問題的又一有效途徑8, 14-16。但是，溫室多層覆蓋的傳熱系數(shù)不能采用類似建筑墻體按各層材料導(dǎo)熱系數(shù)與厚度進行累加計算的方法。馬承偉、張義等在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了通過理論模型模擬計算溫室覆蓋材料傳熱系數(shù)的方法14-16。該方法可根據(jù)各層覆蓋材料的基本熱物理特性與溫室內(nèi)外環(huán)境條件，定量分析覆蓋層的傳熱，得出傳熱系數(shù)的理論計算值。但是該方法較為復(fù)雜，計算時需要編制專門的計算機程序，在工程設(shè)計中應(yīng)用不夠簡便。 本文研究如何采用保溫覆蓋材料最基本的保溫性能測試數(shù)據(jù)，根據(jù)工程傳熱的理論，建立一種便于在工程實際中應(yīng)用的溫室多層保溫覆蓋的熱節(jié)省率和傳熱系數(shù)的確定方法。 1 單層保溫幕的熱節(jié)省率 采用單層保溫幕（加上主覆蓋層共為 2 層覆蓋）的溫室覆蓋層的傳熱系數(shù)和保溫幕的熱節(jié)省率一般應(yīng)采用試驗測定的方法確定。 表 1 為作者根據(jù)各種有關(guān)文獻資料2, 4-5，并進行補充實測和理論模擬計算15-16，系統(tǒng)整理出的各種保溫幕材料用作單層保溫附加覆蓋時的熱節(jié)省率的取值。 需要指出的是，即使是同一名稱材料的保溫覆蓋，仍可能因其不同的材質(zhì)成分、添加助劑、生產(chǎn)工藝、厚度、構(gòu)造形式以及在使用中的工作環(huán)境條件等多種情況，其熱節(jié)省率有較大的變化范圍。表 1 所列僅為最多見的產(chǎn)品和在一般常見工作條件下的熱節(jié)省率概略值，供設(shè)計和分析時參考。實際使用的保溫幕更準(zhǔn)確的熱節(jié)省率值，應(yīng)通過試驗測試確定。 2 雙層保溫幕的熱節(jié)省率 2.1 雙層保溫幕熱節(jié)省率理論計算公式的推導(dǎo) 雙層保溫幕（加上外層的主覆蓋層共為 3 層覆蓋）不同材料組合數(shù)量很多，其熱節(jié)省率和傳熱系數(shù)完全依靠直接測定是不現(xiàn)實的。但可由其每層單獨用作單層保溫幕時的熱節(jié)省率（如表 1 的數(shù)據(jù)）進行推算。 如圖 1，設(shè)主覆蓋層單獨使用（無附加覆蓋）時的傳熱系數(shù)為 K，傳熱阻為 R=1/K，附加保溫覆蓋 1 與 2 各自的傳熱阻分別為 Rc1與 Rc2，附加保溫覆蓋 1 與主覆蓋層共同工作時 （圖 1a）的傳熱系數(shù)為 K1， 熱節(jié)省率為 c1，附加保溫覆蓋 2 與主覆蓋層共同工作時（圖 1b）的傳熱系數(shù)為 K2，熱節(jié)省率為 c2。 表 1 單層保溫幕的熱節(jié)省率 Table 1 Saving ratio of heat loss for single thermal screen 保溫覆蓋材料 熱節(jié)省率 / % 保溫覆蓋材料 熱節(jié)省率 /% 聚乙烯 (PE)薄膜 32 綴鋁膜 (25%鋁膜 ,75%透明膜 ) 34 聚氯乙烯 (PVC)薄膜 36 綴鋁膜 (33%鋁膜 ,67%透明膜 ) 36 PO 或乙烯 -醋酸乙烯(EVA)薄膜 35 綴鋁膜 (50%鋁膜 ,50%透明膜 ) 39 聚酯 (PET)膜 36 綴鋁膜 (67%鋁膜 ,33%透明膜 ) 42 無紡布 28 綴鋁膜 (75%鋁膜 ,25%透明膜 ) 44 混鋁薄膜 40 綴鋁膜 (100%鋁膜 ) 47 鍍鋁薄膜 50 綴鋁膜 (50%鋁膜 ,50%無膜 ) 15 草簾 (5 kg·m-2) 70 綴鋁膜 (67%鋁膜 ,33%無膜 ) 20 復(fù)合材料保溫被 68 綴鋁膜 (75%鋁膜 ,25%無膜 ) 22 注：熱節(jié)省率有小數(shù)與百分?jǐn)?shù) 2 種表示形式，在本文的計算式中，一律按小數(shù)值進行計算；保溫覆蓋材料中 %是指綴鋁膜中鋁膜、透明膜或無膜部分所占的面積百分比；為簡潔起見，下文中綴鋁膜僅標(biāo)注鋁膜的比例，其余部分為透明膜。 注： K 為多層覆蓋的傳熱系數(shù)； K1和 K2為附加保溫覆蓋 1 和 2 分別與主覆蓋層共同工作時的傳熱系數(shù)； R為主覆蓋層的傳熱阻； Rc1和 Rc2分別為附加保溫覆蓋 1 和 2 的傳熱阻。 圖 1 各覆蓋層以及不同組合時的傳熱系數(shù)及傳熱阻 Fig.1 Thermal transmittance and thermal resistance of different screen and their combination 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2011年 266 要計算求得附加保溫覆蓋 1、 2 同時使用（圖 1c）的傳熱系數(shù) K 或熱節(jié)省率 c，分析如下。 根據(jù)傳熱學(xué)原理，近似地有 2c1c1RRRK+= （ 1） 式中， K 為多層覆蓋的傳熱系數(shù)， W/(m2·K)或 W/(m2· )；R為單獨使用主覆蓋層時的傳熱阻， m2·K/W 或 m2· /W；Rc1、 Rc2分別為附加保溫覆蓋 1 與附加保溫覆蓋 2 的傳熱阻， m2·K/W 或 m2· /W。 根據(jù)熱節(jié)省率的定義 KKK=c （ 2） 式中， c為附加保溫覆蓋 1、 2 同時使用的節(jié)省率；K為主覆蓋層傳熱系數(shù)， m2·K/W 或 m2· /W。 一般資料中，可以查到主覆蓋層的傳熱系數(shù) K，并推知其傳熱阻 R，以及附加保溫覆蓋 1、附加保溫覆蓋 2分別與主覆蓋層共同工作時的熱節(jié)省率 c1與 c2（從而推算 K1與 K2），以下推導(dǎo) Rc1與 Rc2。 由圖 1a 所示情況，有 1c11RRK+= RRRRRRRRKKK+=+=/1/1)/(1/11c1c1c1c1得到 RRR =1c1c11c1（ 3） 式中， 1為附加保溫覆蓋 1 的傳熱阻比?？捎上率接嬎?c1c111 =（ 4） 同理由圖 1b 所示情況，可得到 RR =22c（ 5） 式中， 2為附加保溫覆蓋 2 的傳熱阻比?？捎上率接嬎?c2c221 =（ 6） 則根據(jù)傳熱學(xué)的理論， 2 層附加覆蓋（加上外層的主覆蓋層共 3 層覆蓋，圖 1c）時的傳熱系數(shù)與熱節(jié)省率為 RRRRRRK+=+=212c1c11（ 7） 212121c1/111+=+=RRRRRKKK（ 8） 以上計算方法中引入了傳熱阻比這一新概念的參數(shù)，其物理意義為某層附加保溫覆蓋的傳熱阻與主覆蓋層傳熱阻之比。該參數(shù)的引入使計算公式具有了簡明的形式。 2.2 雙層保溫幕熱節(jié)省率計算值的驗證 以上由每層覆蓋層單獨用作單層保溫幕時的熱節(jié)省率推算雙層保溫幕熱節(jié)省率的方法（計算式（ 8），采用相關(guān)資料4-5的數(shù)據(jù)驗證如表 2。 表 2 雙層保溫幕熱節(jié)省率計算值的驗證 Table 2 Validation of calculated value of saving ratio of heat loss for double screen with reference data 單層附加覆蓋 熱節(jié)省率 /% 熱節(jié)省率 c/%主覆蓋層附加保溫覆蓋c1c2資料 計算誤差 /% 玻璃 PE 膜 + PE 膜 30 30 45 46.2 1.2 PVC 膜 PE 膜 + PE 膜 35 35 45 51.9 6.9 任意*PE 膜 + PE 膜 35.5 35.5 54.8 52.4 -2.4 玻璃 PE 膜 +不織布 30 25 45 43.2 -1.8 PVC 膜 PE 膜 +不織布 35 30 45 49.2 4.2 玻璃 PVC 膜 + PE 膜 35 30 50 49.2 -0.8 PVC 膜 PVC 膜 + PE 膜 40 35 50 54.7 4.7 玻璃 PVC 膜 +不織布 35 25 50 46.6 -3.4 PVC 膜 PVC 膜 +不織布 40 30 50 52.3 2.3 玻璃 PVC 膜 + PVC 膜 35 35 55 51.9 -3.1 PVC 膜 PVC 膜 + PVC 膜 40 40 55 57.2 2.2 玻璃PVC 膜 +綴鋁膜67% 35 35 55 51.9 -3.1 PVC 膜PVC 膜 +綴鋁膜67% 40 40 55 57.2 2.2 玻璃 PE 膜 +鍍鋁膜 35 50 65 60.6 -4.4 PVC 膜 PE 膜 +鍍鋁膜 35 55 65 63.8 -1.2 平均 0.233注：表中資料數(shù)據(jù)“ *”號者來自： ANSI/ASAE EP406.4 JAN03 Heating，Ventilating and Cooling Greenhouses， ASAE Engineering Practice， 2003。其余數(shù)據(jù)來自：日本施設(shè)園蕓協(xié)會 . 施設(shè)園蕓（五訂） . 東京：園蕓情報， 2003。 由表 2 可知，式（ 8）計算的雙層附加覆蓋熱節(jié)省率，與文獻 4中所給數(shù)值較為一致，最大誤差為 6.9%。但對于該最大誤差對應(yīng)的覆蓋情況（主覆蓋層為 PVC 薄膜，附加保溫覆蓋為 PE 薄膜 +PE 薄膜），文獻 5給出了不同的結(jié)果，式（ 8）計算得出的數(shù)值與之較為接近，誤差僅為- 2.4%，且偏差方向與文獻 4相反。即式（ 8）計算得出的數(shù)值介于文獻 4與文獻 5之間。兩方面相參照，可認(rèn)為式（ 8）計算得出的數(shù)值是較為可靠的。 其余情況，式（ 8）計算得出的數(shù)值與文獻的數(shù)據(jù)最大相差 4.7%，全部情況平均相差 0.233%。 此外，筆者采用模擬覆蓋層傳熱的方法15-16，直接求得了多種覆蓋材料的單層保溫幕和雙層保溫幕的熱節(jié)省率，而按式（ 8）采用單層保溫幕熱節(jié)省率模擬值計算得出的雙層保溫幕的熱節(jié)省率數(shù)值與之相比也非常接近，限于本文的篇幅，不一一贅述。 驗證結(jié)果表明，采用式（ 8）計算的雙層保溫幕熱節(jié)省率是較為準(zhǔn)確的。 3 多層保溫幕的熱節(jié)省率 以上根據(jù)每層附加保溫覆蓋單獨用作單層保溫幕時的熱節(jié)省率確定雙層保溫幕熱節(jié)省率的方法，可以類似地推廣用于 n 層保溫幕（加上外層的主覆蓋層一共 n+1第 7 期 趙淑梅等：溫室多層覆蓋傳熱系數(shù)與熱節(jié)省率的工程算法 267 層覆蓋）的情況。 3.1 n 層保溫幕熱節(jié)省率的理論計算公式 采用與以上推導(dǎo)類似的方法，可以得到 n 層保溫幕熱節(jié)省率的理論計算公式如下。 =+=niinii11c1 （ 9） 式中， c為 n 層保溫幕的熱節(jié)省率； i為第 i 層保溫幕的傳熱阻比。 iiicc1 = (i=1,2, ,n) （ 10） 式中， ci為第 i 層保溫幕在用作單層保溫幕時的熱節(jié)省率。 式（ 9）與式（ 10）為計算 2 層以上多層保溫幕熱節(jié)省率通用的計算式。利用這些計算式，可以容易地由各層保溫幕在用作單層保溫幕時的熱節(jié)省率，計算出其多層覆蓋時的熱節(jié)省率，再由下式即可計算出多層覆蓋的傳熱系數(shù)。 )1(c= KK （ 11） 3.2 3 層保溫幕熱節(jié)省率計算值的驗證 目前 3 層以上保溫幕的傳熱系數(shù)或熱節(jié)省率的數(shù)據(jù)資料很少。因此，作者采用試驗測試與理論分析相結(jié)合的方法，對本文提出的多層保溫幕熱節(jié)省率計算方法，以及 3 層保溫幕的情況進行了檢驗。驗證結(jié)果如表 3 所示，說明與分析如下。 1）單層與多層保溫幕熱節(jié)省率的試驗測定 測試根據(jù) NY/T 1831-2009 溫室覆蓋材料保溫性能測定方法1的規(guī)定進行。采用溫室覆蓋材料保溫性能測試臺1,13，測定單層與多層保溫幕使用時的傳熱系數(shù)，按式（ 2）計算其熱節(jié)省率（測定值）。測定結(jié)果如表 3 所示。需要指出的是，試驗測定的單層保溫幕熱節(jié)省率比表 1 給出的數(shù)值高得多，相差最多的約高出 20%。其原因主要是試驗測定中試件周邊卡固嚴(yán)密，無接縫透氣。而保溫幕實際使用中，周邊和分塊間不可避免地存在一定大小的接縫，保溫幕兩側(cè)空氣的流動和交換顯著地降低了其保溫性能，因此實際工程中計算分析時采用比測試數(shù)據(jù)低的數(shù)值。 2）單層與多層保溫幕熱節(jié)省率的模擬分析 理論分析按文獻 15-16的方法進行，通過對多層覆蓋傳熱過程模擬的方法，得出單層與多層保溫幕使用時的傳熱系數(shù)，同樣可按式（ 2）計算其熱節(jié)省率（理論模擬值）。單層保溫幕時的采用不同方法得出的熱節(jié)省率如表 3 所示。 從表 3 可以看出，對于保溫幕近似無透氣的模擬結(jié)果與試驗測定值非常接近，最大相差僅 4.5%，說明模擬結(jié)果是較為準(zhǔn)確的。保溫幕有透氣的模擬結(jié)果顯示，模擬中保溫幕單位面積的透氣率，對于 PE 薄膜取為 0.003 m3/(m2·s)，對于綴鋁膜取為 0.0045 m3/(m2·s)4-5，所獲得的單層保溫覆蓋的熱節(jié)省率模擬結(jié)果與文獻 4提供的數(shù)值較為接近。 表 3 單層保溫幕熱節(jié)省率計算值的驗證 Table 3 Validation of calculated value of saving ratio of heat loss for single screen with experiment data 熱節(jié)省率 /% 覆蓋材料 (從外至內(nèi)， 第一覆蓋材料為主覆蓋層 ) 試驗測定值 理論模擬值 (無透氣 ) 理論模擬值 (有透氣 ) 玻璃 +PE 50.4 46.3 36.7 PE+PE 38.4 42.0 31.8 玻璃 +綴鋁膜 67% 58.8 57.6 44.7 PE+綴鋁膜 67% 61.5 58.2 45.7 玻璃 +綴鋁膜 67% 62.9 59.1 46.2 PE+綴鋁膜 67% 64.9 60.4 47.8 3） 3 層保溫幕熱節(jié)省率計算值的驗證 采用以上 3 種方法獲得的單層保溫幕熱節(jié)省率的數(shù)據(jù)， 對 A（玻璃 +PE+綴鋁膜 75%+綴鋁膜 67%） 與 B（ PE+PE +綴鋁膜 75%+綴鋁膜 67%） 2 種 3 層保溫幕情況下的熱節(jié)省率，按式（ 9）與式（ 10）分別進行計算，結(jié)果如表4 所示。 表 4 3 層保溫幕熱節(jié)省率計算值的驗證 Table 3 Validation of calculated value of saving ratio of heat loss for three-layer screen with experiment data 熱節(jié)省率 /% 試驗測定值 理論值 (無透氣 ) 理論值 (有透氣 )覆蓋材料 (從外至內(nèi)，第一覆蓋材料為主覆蓋層 ) 測定值按單層測定值計算 模擬值 按單層模擬值計算 模擬值按單層模擬值計算A：玻璃 +PE+綴鋁膜75%+綴鋁膜 67% 75.9 80.5 78.9 78.6 68.6 69.2 B： PE+PE +綴鋁膜75%+綴鋁膜 67%77.0 80.3 78.2 78.5 67.6 69.0 如表 4 所示，幾種情況下，根據(jù)單層覆蓋熱節(jié)省率的直接測定值或理論模擬值，采用式（ 9）與式（ 10）計算獲得的 3 層保溫幕覆蓋熱節(jié)省率的計算值，分別與 3層保溫幕覆蓋熱節(jié)省率的直接測定值或理論模擬值較為接近，最大相差僅 4.6%。 驗證結(jié)果表明，無論何種情況，總是可以采用式（ 9）與式（ 10），由某一情況下的單層保溫幕熱節(jié)省率，計算同一情況下的 3 層保溫幕熱節(jié)省率， 其結(jié)果與直接 （測定或模擬）獲得的 3 層保溫幕熱節(jié)省率數(shù)值均較為一致，表明本文提供的計算方法是準(zhǔn)確的。 對于 3 層以上保溫幕的熱節(jié)省率，作者也采用模擬分析的方法對本文的計算方法進行了驗證，證明也是可行的。但 3 層以上保溫幕的情況實際工程中尚未見到，故此處從略。 3.3 多層保溫幕熱節(jié)省率與傳熱系數(shù)計算方法歸納 本文提供的多層保溫覆蓋的熱節(jié)省率和傳熱系數(shù)計算方法步驟可以歸納為： 1）確定各層保溫幕在用作單層保溫幕時的熱節(jié)省率（可參考表 1 或文獻 4），對于不能從現(xiàn)有資料查得的情農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2011年 268 況，應(yīng)通過試驗測定。 2）按（ 10）式計算各層保溫幕的傳熱阻比。 3）按（ 9）式計算多層保溫覆蓋的熱節(jié)省率。 4）按（ 11）式計算多層保溫覆蓋的傳熱系數(shù)。 例如，主覆蓋層為單層塑料薄膜，下設(shè) PE 膜 +綴鋁膜（ 75%鋁膜）的雙層保溫幕。 由有關(guān)資料查得在無保溫幕的情況下，單層塑料薄膜覆蓋時傳熱系數(shù)為 K=6.8 W/(m2·K)，由表 1 查得 PE膜與綴鋁膜（ 75%鋁膜）分別用作單層保溫幕時的熱節(jié)省率 c1與 c2為 32%與 44%，則其傳熱阻比分別為 471.032.0132.01c1c11=786.044.0144.01c2c22= 則該雙層保溫幕的熱節(jié)省率為 %7.55557.0786.0471.01786.0471.012121c=+=+=傳熱系數(shù)為 K=K(1-c)=6.8×(1-0.557)=3.0 W/(m2·K) 又如，主覆蓋層為單層玻璃，下設(shè) PE+綴鋁膜（ 75%鋁膜） +綴鋁膜（ 67%鋁膜）的 3 層保溫幕。 由有關(guān)資料查得無保溫幕情況下單層玻璃覆蓋的傳熱系數(shù)為 K=6.4 W/(m2·K)，由 表 1 查得 PE 薄膜、綴鋁膜（ 75%鋁膜）與綴鋁膜（ 67%鋁膜）分別用作單層保溫幕時的熱節(jié)省率 c1、 c2與 c3為 32%、 44%與 42%，則其傳熱阻比按式 （ 10） 計算為 1=0.471、 1=0.786 與 3=0.724，則該 3 層保溫幕的熱節(jié)省率為 %5.66665.0724.0786.0471.01724.0786.0471.0111c=+=+=niinii傳熱系數(shù)為 K=K(1-c)=6.4×(1-0.665)=2.14 W/(m2·K) 4 討 論 采用本文提供的計算公式與方法，可以避免對不同材料組成的、組合數(shù)量巨大的多層保溫覆蓋進行逐一全面的測定，系統(tǒng)地解決了在溫室環(huán)境工程計算與覆蓋層的保溫節(jié)能性評價中，確定多層保溫覆蓋的熱節(jié)省率和傳熱系數(shù)的問題。 但應(yīng)該說明的是，在溫室中，屋面以及側(cè)墻各部分覆蓋材料有可能是不相同的，覆蓋保溫幕的情況也有可能不相同。例如，較多的溫室僅在屋面之下設(shè)置保溫幕，四周側(cè)墻部分未設(shè)置。則熱節(jié)省率、傳熱系數(shù)以及傳熱損失應(yīng)各部分分別計算。 此外，對于保溫幕設(shè)置的方式（垂直或水平方向、以及各覆蓋材料間的距離等）對其熱節(jié)省率的影響，目前還未有充分的研究。有資料表明，覆蓋材料間的距離在 2 cm 以上時，其保溫的效果沒有明顯的變化4。但各種情況下保溫幕的保溫效果，還有待于更準(zhǔn)確和全面的研究。 5 結(jié) 論 本文運用工程傳熱學(xué)的理論，研究了根據(jù)溫室單層附加保溫覆蓋（保溫幕）的熱節(jié)省率計算多層保溫覆蓋的熱節(jié)省率和傳熱系數(shù)的方法，推導(dǎo)得出了相關(guān)的計算公式。 計算式揭示了溫室單層覆蓋和多層覆蓋傳熱參數(shù)間的定量關(guān)系，其中引入了傳熱阻比這一新概念參數(shù)，使計算式具有簡明的形式。 依據(jù)文獻資料、試驗測試和理論模擬等多方面數(shù)據(jù)綜合分析和驗證的結(jié)果表明，本論文提出的多層保溫覆蓋熱節(jié)省率計算公式具有較高的準(zhǔn)確性，由某一情況下單層保溫幕熱節(jié)省率計算得出的同一情況下的 3 層保溫幕熱節(jié)省率，與直接獲得的 3 層保溫幕熱節(jié)省率最大相差僅為 4.6%，可以滿足溫室工程實際工作的需求。 參 考 文 獻 1 NY/T 1831-2009 溫室覆蓋材料保溫性能測定方法 S. 2 馬承偉 . 農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程 M. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2005. 3 周長吉 . 溫室工程設(shè)計手冊 M. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2007. 4 日本施設(shè)園蕓協(xié)會 . 施設(shè)園蕓 （第五版） M. 東京：園蕓情報 -， 2003. 5 ANSI/ASAE EP406.4 JAN03 Heating, Ventilating and Cooling GreenhousesM. ASAE Engineering Practice, 2003. 6 Papadakis G, Briassoulis D, Scarascia Mugnozza G, et al. Radiometric and thermal properties of, and testing methods for, greenhouse covering materialsJ. J Agric Engng Res., 2000, 77(1): 7 38. 7 王吉慶，趙月平，張百良 . 溫室采用多層內(nèi)覆蓋保溫節(jié)能效果研究 J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2005， 21(8)： 118 121. Wang Jiqing, Zhao Yueping, Zhang Bailiang. Effect of heat preservation and energy-saving by applying multi-layer thermal screen in greenhouse J. Transactions of the CSAE, 2005, 21(8): 118 121. (in Chinese with English abstract) 8 蔡龍俊， 黃俊鵬 . 溫室的能耗分析與保溫幕的節(jié)能效果 J.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)， 2003， (1)： 34 37. Cai Longjun, Huang Junpeng. Analysis of heat consumption for greenhouse and energy saving for inside thermal screen J. Building Energy and Environment, 2003, (1): 34 37. (in Chinese with English abstract) 9 Ozturk H Huseyin. Experimental determination of the overall heat loss coefficient for energy requirement of greenhouse heatingJ. International Journal of Energy Research, 2005, 29(10): 937 944. 10 Ahmed M, Abdel-Ghany, Toyoki Kozai. On the determination of the overall heat transmission coefficient and soil heat flux for a fog cooled, naturally ventilated greenhouse: Analysis of radiation and convection heat transferJ. Energy Conversion and Management, 2006, 47: 2612 2628. 第 7 期 趙淑梅等：溫室多層覆蓋傳熱系數(shù)與熱節(jié)省率的工程算法 269 11 Geoola F, Kashti Y, Levi A, et al. A study of the overall heat transfer coefficient of greenhouse cladding materials with thermal screens using the hot box methodJ. Polymer Testing, 2009, 28(5): 470 474. 12 Teitel M, Barak M, Antler A. Effect of cyclic heating and a thermal screen on the nocturnal heat loss and microclimate of a greenhouseJ. Biosystems Engineering, 2009, 102(2): 162 170. 13 張俊芳，馬承偉，覃密道，等 . 溫室覆蓋材料傳熱系數(shù)測試臺的研究開發(fā) J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2005， 21(11)： 141 145. Zhang Junfang, Ma Chengwei, Qin Midao, et al. Research and development of the test apparatus for measuring the overall heat transfer coefficient of greenhouse covering materialsJ. Transactions of the CSAE, 2005, 21(11): 141145. (in Chinese with English abstract) 14 馬承偉，張俊芳，覃密道，等 . 基于覆蓋層能量平衡法的園藝設(shè)施覆蓋材料傳熱系數(shù)理論解析與驗證 J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2006， 22(4)： 1 5. Ma Chengwei, Zhang Junfang, Qin Midao, et al. Theoretical analysis using the method of energy equilibrium in covering layer and validation of the overall heat transfer coefficient of greenhouse covering materialsJ. Transactions of the CSAE, 2006, 22(4): 1 5. (in Chinese with English abstract) 15 張義，馬承偉，劉藝偉，等 . 溫室多層覆蓋傳熱的數(shù)值模擬與驗證 J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2010， 26(4)： 237 242. Zhang Yi, Ma Chengwei, Liu Yiwei, et al. Numerical simulation and experimental verification of heat transfer through multi-layer covering of greenhouseJ. Transactions of the CSAE, 2010, 26(4): 237 242. (in Chinese with English abstract) 16 張義 . 溫室多層覆蓋傳熱及綴鋁膜保溫性能研究 D. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2010. Zhang Yi. Study on Heat Transfer through Greenhouse Multi-layer Covering and the Heat Preservation Capability of Aluminized ScreenD. Beijing: China Agricultural University, 2010. (in Chinese with English abstract) Computing method for thermal transmittance and saving ratio of heat loss in multi-layer covering of greenhouse Zhao Shumei, Ma Chengwei, Liu Chenxia, Zhang Yi, Zhang Jianyu, Sun Guotao (Key Laboratory of Agricultural Engineering in Structure and Environment, Ministry of Agriculture, China Agricultural University, Beijing 100083, China) Abstract: Aiming at computing the heat transfer through multi-layer covering in environmental control design and insulation performance evaluation of a greenhouse, a computing method for thermal transmittance of multi-layer covering was developed based on the data of a single screen. According to heat transfer theory, the formula for saving ratio of heat loss of multi-layer sc