溫室大棚空氣能采暖，如何計(jì)算溫室熱負(fù)荷和空氣源熱泵的選型？
在溫室大棚供暖工程設(shè)計(jì)中，首先要確定一些設(shè)計(jì)條件，例如：采暖室外設(shè)計(jì)溫度、室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、室外風(fēng)速等，根據(jù)選定的設(shè)計(jì)條件計(jì)算得出的供熱量，稱為采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷。
實(shí)際工程中，由于室外環(huán)境最低溫度一般出現(xiàn)于后半夜至凌晨，此時(shí)的供熱量要求最大，因此溫室設(shè)計(jì)一般用此刻的供熱量作為采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷。由于是夜間，因此太陽輻射熱量、人體發(fā)熱、照明、設(shè)備運(yùn)行的發(fā)熱量等均忽略不計(jì)。夜間也不需要通風(fēng)，不會(huì)頻繁開門開窗，則通風(fēng)和開門窗的熱損失忽略不計(jì)。
在正常條件下溫室大棚的熱負(fù)荷計(jì)算考慮因素包含：
（1）經(jīng)過屋頂、地面、墻、門窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)和輻射出的熱量，設(shè)為U1；
（2）加熱經(jīng)過門、窗、圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙滲入空氣所需的熱量，設(shè)為U2；
（3）在正常條件下溫室的得熱量為：加溫系統(tǒng)的供熱量，設(shè)為Q。
這樣，溫室采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷便簡(jiǎn)化為：
Q=U1+U2
式中Q——溫室供暖熱負(fù)荷，W；U1——簡(jiǎn)稱圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失，W；U2——簡(jiǎn)稱冷風(fēng)滲透熱損，W；即溫室采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷由經(jīng)過屋頂、地面、墻、門窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)出和輻射出的熱量和室內(nèi)空氣經(jīng)過門、窗、圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙逸出所帶走的熱量?jī)刹糠纸M成。
一、工程概況
以石家莊某玻璃結(jié)構(gòu)溫室大棚為例，尺寸為：長(zhǎng)50m，寬15M，高3M。
二、了解室外、室內(nèi)計(jì)算溫度
溫室與普通民用建筑不同，普通建筑材料(磚、鋼筋混凝土等)的熱惰性比較大，環(huán)境氣溫變化時(shí)，根據(jù)其熱惰性不同，一般需要幾個(gè)小時(shí)，才能波及到室內(nèi)，且波動(dòng)幅度也較小，因此民用建筑采暖設(shè)計(jì)溫度采用日平均溫度作為統(tǒng)計(jì)計(jì)算值。而作為溫室透光覆蓋材料的玻璃、塑料薄膜或PC板等材料的熱惰性都很小，保溫能力較差，當(dāng)室外溫度發(fā)生變化時(shí)，室內(nèi)溫度跟隨其波動(dòng)響應(yīng)時(shí)間很短（如玻璃僅幾分鐘），基本沒有滯后，溫度波動(dòng)幅度與室外溫度變化相當(dāng)。因此不能按普通民用建筑采暖溫度的取值方法確定。
我國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《溫室加溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范JB/T10297--2014》中建議采用近20年最冷日溫度的平均值作為室外設(shè)計(jì)溫度推薦值。
表格1：室外設(shè)計(jì)溫度推薦值/℃
城市 | 推薦值 | 城市 | 推薦值 |
哈爾濱 | -29 | 吉林 | -29 |
克拉瑪依 | -24 | 蘭州 | -23 |
石家莊 | -12 | 天津 | -11 |
徐州 | -8 | 鄭州 | -7 |
錦洲 | -17 | 烏魯木齊 | -26 |
西安 | -8 | 北京 | -12 |
連云港 | -7 | 青島 | -9 |
太原 | -14 | 濟(jì)南 | -10 |
沈陽 | -21 | 洛陽 | -8 |
銀川 | -18 |
表格2：溫室常見果菜的適宜溫度范圍/℃
種類 | 白天氣溫 | 夜間氣溫 | 100mm深土溫 | ||||
最高 | 適宜 | 適宜 | 最低 | 最高 | 適宜 | 最低 | |
西紅柿 | 35 | 20～25 | 8～13 | 5 | 25 | 15～18 | 13 |
茄子 | 35 | 23～28 | 13～18 | 10 | 25 | 18～20 | 13 |
辣椒 | 35 | 25～30 | 15～20 | 12 | 25 | 18～20 | 13 |
黃瓜 | 35 | 23～28 | 10～15 | 8 | 25 | 18～20 | 13 |
西瓜 | 35 | 23～28 | 13～18 | 10 | 25 | 18～20 | 13 |
甜瓜 | 35 | 25～30 | 18～23 | 15 | 25 | 18～20 | 13 |
摘自：中華人民共和國(guó)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》
如果沒有特定種植品種的計(jì)劃，采暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度應(yīng)該以喜溫作物為設(shè)計(jì)對(duì)象。同樣是喜溫作物，蔬菜和花卉所要求的最低溫度可能不同。典型的喜溫蔬菜，如黃瓜和番茄，其最低生長(zhǎng)發(fā)育溫度在12～16℃，有些品種可能要求18℃，一般可將室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度設(shè)定為15℃比較適宜?；ɑ芷贩N對(duì)溫度的要求范圍較寬，從10～22℃不等，一般考慮應(yīng)在15～18℃；本方案取16℃.
三、溫室大棚圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱計(jì)算
通過溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量包括基本傳熱量和附加傳熱量?jī)刹糠?/strong>?；緜鳠崃渴峭ㄟ^溫室各部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)(屋面、墻體等)由于室內(nèi)外空氣的溫度差從室內(nèi)傳向室外的熱量。附加傳熱量是由于溫室結(jié)構(gòu)材料、風(fēng)力、氣象條件等的不同，對(duì)基本傳熱量的修正。
（1）基本傳熱量
花卉溫室大棚的尺寸為：長(zhǎng)50m，寬15M，高3M，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱計(jì)算
基本傳熱量圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本傳熱量是根據(jù)穩(wěn)定傳熱理論進(jìn)行計(jì)算，即整個(gè)溫室的基本傳熱量等于它的各個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本傳熱量的總和。即
Q1＝∑qi＝∑KiFi(Tn-Tw)
＝4.0W/(㎡．K)×（50m×15m+50m×3m×2面+15m×3m×2面）×【16℃-（-12℃）】
＝127680W=127.7KW
式中：
Q1——通過溫室所有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總傳熱量，包括屋面、墻面、門、窗等外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量，W；
Ki——溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)(屋面、墻面、門、窗等)的傳熱系數(shù)，W/(㎡．K)；
Fi——溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)(屋面、墻面、門、窗等)的傳熱面積，㎡；
Tn，Tw——分別為溫室室內(nèi)外采暖設(shè)計(jì)溫度，℃。
對(duì)于單一材料的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，材料的傳熱系數(shù)K可直接從有關(guān)手冊(cè)查取。下表列出了溫室圍護(hù)常用透光覆蓋材料傳熱系數(shù)。對(duì)特殊溫室透光覆蓋材料，應(yīng)咨詢生產(chǎn)廠家。
表格3：溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)常用材料傳熱系數(shù)K/[W/(㎡．K)]
材料名稱 | 傳熱系數(shù)K | 材料名稱 | 傳熱系數(shù)K |
單層玻璃 | 6.4 | FRP瓦楞板 | 6.8 |
雙層玻璃 | 4.0 | 聚碳酸酯雙層中空（PC）板，16mm厚 | 3.3 |
單層塑料膜 | 6.8 | 聚碳酸酯三層中空（PC）板，16mm厚 | 3.1 |
雙層充氣塑料膜 | 4.0 | 聚碳酸酯雙層中空（PC）板，10mm厚 | 3.7 |
單層玻璃上覆蓋單層塑料膜 | 4.8 | 聚碳酸酯三層中空（PC）板，8mm厚 | 4.1 |
單層玻璃上覆蓋雙層塑料膜 | 3.4 |
（2）附加傳熱量
按照穩(wěn)定傳熱計(jì)算出的溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本傳熱量，并不是溫室的全部耗熱量，因?yàn)闇厥业暮臒崃窟€與它所處的地理位置和它的現(xiàn)狀等因素(如高度、朝向、風(fēng)速等)有關(guān)。這些因素是很復(fù)雜的，不可能進(jìn)行非常細(xì)致的計(jì)算。工程計(jì)算中，是根據(jù)多年累積的經(jīng)驗(yàn)按基本傳熱量的百分率進(jìn)行附加予以修正。對(duì)溫室工程，這些附加修正主要包括結(jié)構(gòu)形式修正和風(fēng)力修正。
a.結(jié)構(gòu)形式修正(α１) 溫室透光覆蓋材料必須有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)支撐。目前支撐結(jié)構(gòu)的材料多為金屬，主要為鋁合金。相比透光覆蓋材料，（熱泵市場(chǎng) 水?。╄偳哆@些覆蓋材料的金屬材料其傳熱速度和傳熱量都高，而且鑲嵌覆蓋材料所用的鋁合金條越多，附加傳熱量就越大。此外，溫室的天溝、屋脊、窗框和骨架等都是增大傳熱量的因素。工程計(jì)算中，統(tǒng)一考慮上述因素，采用結(jié)構(gòu)形式附加傳熱量進(jìn)行修正，不同溫室結(jié)構(gòu)形式的附加修正系數(shù)見表4。
表格4：溫室結(jié)構(gòu)形式附加修正系數(shù)
結(jié)構(gòu)形式 | 修正系數(shù) | 結(jié)構(gòu)形式 | 修正系數(shù) |
金屬結(jié)構(gòu)玻璃溫室，骨架間距0.4～0.6m | 1.08 | 金屬結(jié)構(gòu)塑料薄膜溫室 | 1.02 |
金屬結(jié)構(gòu)玻璃溫室，骨架間距0.4～0.6m | 1.05 | 木結(jié)構(gòu)塑料膜或PC浪板溫室 | 1.00 |
金屬結(jié)構(gòu)PC浪板溫室 | 1.03 |
b.風(fēng)力修正(α２) 風(fēng)對(duì)溫室的傳熱量影響較大，這是因?yàn)闇厥覈o(hù)結(jié)構(gòu)與外界的溫?zé)嶂饕蓢o(hù)結(jié)構(gòu)的外表面與環(huán)境空氣的對(duì)流換熱和輻射兩部分組成，其中對(duì)流換熱與室夕風(fēng)速有關(guān)。室外風(fēng)速直接影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)，風(fēng)速越大，表面換熱系數(shù)越大，才應(yīng)傳熱越快。
在計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本傳熱量時(shí)，所選用的外表面換熱系數(shù)是對(duì)應(yīng)于某個(gè)固定自室外風(fēng)速值得來的。工業(yè)與民用建筑由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱熱阻遠(yuǎn)高于溫室，風(fēng)速對(duì)外表面放熱系數(shù)的影響在整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量中所占比例很小，一般不予考慮，但溫室由于透光覆蓋材料的熱阻一般都較小，表面放熱系數(shù)的變化對(duì)整個(gè)散熱量影響較大，在冬季加溫期間風(fēng)力指續(xù)較大的地區(qū)，必須在供熱計(jì)算中考慮風(fēng)力影響因素。
一般隨風(fēng)速變化采用風(fēng)力附加修正系數(shù)來考慮風(fēng)速對(duì)溫室基本傳熱量的增量。下表給出了風(fēng)力附加修正系數(shù)的取值范圍。
表格5：風(fēng)力附加修正系數(shù)
風(fēng)速(m/s) | 6.71 | 8.94 | 11.18 | 13.41 | 15.65 |
修正系數(shù) | 1.00 | 1.04 | 1.08 | 1.12 | 1.16 |
（3）冷風(fēng)滲透熱損失
冬季，室外冷空氣經(jīng)常會(huì)通過鑲嵌透光覆蓋材料的縫隙、門窗縫隙，或由于開門、開窗而進(jìn)入室內(nèi)。這部分冷空氣從室外溫度加熱到室內(nèi)溫度所需的熱量稱為冷風(fēng)滲透熱損失。
Q2＝Cpm(Tn-Tw)＝CpNVγ/(Tn一Tw)
＝0.00028kw．h/(kg·℃)×1.25×（50m×15m×3m）×1.365×【16℃-（-12℃）】
＝30.1kw
式中：
Q2——溫室冷風(fēng)滲透熱損失，
W；Cp——空氣的定壓比熱，
Cp＝0.00028kW．h/(kg·℃)；
m——冷風(fēng)滲透進(jìn)入溫室的空氣質(zhì)量，kg；
m＝NVγN——溫室與外界的空氣交換率，亦稱換氣次數(shù)，以每小時(shí)的完全換氣次數(shù)為單位；
V——溫室內(nèi)部體積，m3；
γ——空氣的容重，kg/m3
上式中N與V的乘積是以m3/h為單位的換氣速率。不同結(jié)構(gòu)溫室的換氣次數(shù)見表6，同溫度下空氣的容重如表7。
表格6：不同結(jié)構(gòu)溫室設(shè)計(jì)換氣次數(shù)
溫室形式 | 換氣次數(shù)/N | 溫室形式 | 換氣次數(shù)/N |
新溫室 | 單層玻璃上覆蓋塑料薄膜 | 0.90 | |
單層玻璃，玻璃搭接縫隙不密封 | 1.25 | 舊溫室 | |
單層玻璃，玻璃搭接縫隙密封 | 1.00 | 維護(hù)保養(yǎng)好 | 1.50 |
塑料薄膜溫室 | 0.60～1.00 | 維護(hù)保養(yǎng)差 | 2.00～4.00 |
PC中空板溫室 | 1.00 |
表格7：不同溫度下空氣的容重
溫度/℃ | -20 | 0 | 10 | 20 |
容量（kg/m3） | 1.365 | 1.252 | 1.206 | 1.164 |
（4）地面?zhèn)鳠釤釗p失
溫室地面的傳熱情況與墻、屋面有很大區(qū)別。室內(nèi)空氣直接傳給地面的熱量不能用Q＝KAΔt來計(jì)算，因?yàn)橥寥赖暮穸葻o法計(jì)算，向土壤深處傳熱位置的溫度也是一個(gè)未知數(shù)，土壤各層的傳熱系數(shù)K就更難確定。
分析溫室空氣向土壤的傳熱溫度場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，加溫期間溫室地面溫度穩(wěn)定接近室內(nèi)空氣溫度，溫室中部向土壤深層的傳熱量很小，只有在靠近溫室外墻地面的局部傳熱較大，而且越靠近外墻，溫度場(chǎng)變化越大，傳熱量也越多，這部分熱量主要是通過溫室外墻傳向室外。
由于上述溫度場(chǎng)的變化比較復(fù)雜，要準(zhǔn)確計(jì)算傳熱量是很困難的。為此，在工程上采用了簡(jiǎn)化計(jì)算方法，即假定傳熱系數(shù)法。
Q3＝∑KiFi(Tn一Tw)
＝0.47×（48m×13m）×【16℃—（—12℃）】
＝8211.8W=8.2KW
式中：
Q3——通過溫室地面的總傳熱量，W；
Ki——第i區(qū)的地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(㎡．K)；
Fi——第i區(qū)的地面面積，㎡；
Tn,Tw——分別為溫室室內(nèi)外采暖設(shè)計(jì)溫度，℃。
鑒于外界氣溫對(duì)地面各段傳熱影響不同，地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也隨之各異，靠近外墻的地面，由于熱流經(jīng)過的路程較短，熱阻小，傳熱系數(shù)就大，而距外墻較遠(yuǎn)的地方傳熱系數(shù)就小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)知道，在距外墻6m以內(nèi)的地面，其傳熱量與距外墻的距離有較顯著的關(guān)系，6m以外則幾乎與距離無關(guān)。因此，在工程中一般采用近似計(jì)算，將距外墻8m以內(nèi)的地段分為每2m寬為一地帶。在地面無保溫層的條件下，各帶的傳熱系數(shù)如表8。
需要說明的是位于墻角第一個(gè)2m內(nèi)的2m×2m面積的熱流量是較強(qiáng)的應(yīng)加倍計(jì)算。如果溫室采用半地下式，即將室外地坪以下的墻體作為地面，順序推進(jìn)。
表格8：地面分段及假定傳熱系數(shù)/[W/(㎡．℃)]
地面分段 | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ |
距外墻內(nèi)便面距離 | 0～2m區(qū)域 | 2～4m區(qū)域 | 4～6m區(qū)域 | ＞6m區(qū)域 |
假定傳熱系數(shù) | 0.47 | 0.23 | 0.12 | 0.07 |
四、溫室采暖熱負(fù)荷
溫室的采暖熱負(fù)荷按下式計(jì)算：
Q＝α1α2Ql+Q2+Q3
＝1.04×1.08×127.7KW+30.1kw+8.2KW
＝181.7kw
式中：
Q——溫室采暖熱負(fù)荷，W；
α1——結(jié)構(gòu)附加系數(shù)；
α2——風(fēng)力附加系數(shù)；
Q1——溫室的基本傳熱量，W；
Q2——溫室的冷風(fēng)滲透熱負(fù)荷，W；
Q3——溫室的地面?zhèn)鳠崃?，W。
五、空氣源熱泵選型
有了熱負(fù)荷指標(biāo)之后，就可以依據(jù)低溫空氣源熱泵的制熱性能曲線來選取溫室大棚空氣能供暖機(jī)組型號(hào)了。需要指出的是，本案例應(yīng)該按照表09所示，中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》JB/T10297—2001所推薦的-12℃（石家莊）來進(jìn)行選型。實(shí)際操作中也可以考慮適當(dāng)增加電輔助來減少熱泵主機(jī)的初投資費(fèi)用。
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