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      超低溫空氣能

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      關于蔬菜大棚:計算熱負荷和熱泵主機的選型方法

      2021-01-07

      在溫室大棚供暖工程設計中,首先要確定一些設計條件,例如:采暖室外設計溫度、室內設計溫度、室外風速等,根據選定的設計條件計算得出的供熱量,稱為采暖設計熱負荷。

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              實際工程中,由于室外環境Z低溫度一般出現于后半夜至凌晨,此時的供熱量要求Z大,因此溫室設計一般用此刻的供熱量作為采暖設計熱負荷。由于是夜間,因此太陽輻射熱量、人體發熱、照明、設備運行的發熱量等均忽略不計。夜間也不需要通風,不會頻繁開門開窗,則通風和開門窗的熱損失忽略不計。


              在正常條件下溫室大棚的熱負荷計算考慮因素包含:

      (1)經過屋頂、地面、墻、門窗等圍護結構傳導和輻射出的熱量,設為U1;

      (2)加熱經過門、窗、圍護結構縫隙滲入空氣所需的熱量,設為U2;

      (3)在正常條件下溫室的得熱量為:加溫系統的供熱量,設為Q。


      這樣,溫室采暖設計熱負荷便簡化為:

      Q=U1+U2

              式中Q——溫室供暖熱負荷,W;U1——簡稱圍護結構熱損失,W;U2——簡稱冷風滲透熱損,W;即溫室采暖設計熱負荷由經過屋頂、地面、墻、門窗等圍護結構傳導出和輻射出的熱量和室內空氣經過門、窗、圍護結構縫隙逸出所帶走的熱量兩部分組成。


      一、工程概況

              以河北省石家莊某玻璃結構溫室大棚為例,尺寸為:長50m,寬15m,高3m。其他結構等詳見下文。


      二、了解室外、室內計算溫度

              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,環境氣溫變化時,根據其熱惰性不同,一般需要幾個小時,才能波及到室內,且波動幅度也較小,因此民用建筑采暖設計溫度采用日平均溫度作為統計計算值。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,當室外溫度發生變化時,室內溫度跟隨其波動響應時間很短(如玻璃僅幾分鐘),基本沒有滯后,溫度波動幅度與室外溫度變化相當。因此不能按普通民用建筑采暖溫度的取值方法確定。

              我國機械行業標準《溫室加溫系統設計規范JB/T10297--2014》中建議采用近20年Z冷日溫度的平均值作為室外設計溫度推薦值。


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              如果沒有特定種植品種的計劃,采暖室內設計溫度應該以喜溫作物為設計對象。同樣是喜溫作物,蔬菜和花卉所要求的Z低溫度可能不同。典型的喜溫蔬菜,如黃瓜和番茄,其Z低生長發育溫度在12~16℃,有些品種可能要求18℃,一般可將室內設計溫度設定為15℃比較適宜?;ɑ芷贩N對溫度的要求范圍較寬,從10~22℃不等,一般考慮應在15~18℃;本方案取16℃.


      三、花卉溫室大棚圍護結構傳熱計算

              通過溫室圍護結構的傳熱量包括基本傳熱量和附加傳熱量兩部分?;緜鳠崃渴峭ㄟ^溫室各部分圍護結構(屋面、墻體等)由于室內外空氣的溫度差從室內傳向室外的熱量。附加傳熱量是由于溫室結構材料、風力、氣象條件等的不同,對基本傳熱量的修正。


      (1)基本傳熱量

              花卉溫室大棚的尺寸為:長50m,寬15m,高3m,圍護結構傳熱計算

              基本傳熱量圍護結構的基本傳熱量是根據穩定傳熱理論進行計算,即整個溫室的基本傳熱量等于它的各個圍護結構基本傳熱量的總和。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——通過溫室所有圍護結構的總傳熱量,包括屋面、墻面、門、窗等外圍護結構的傳熱量,W;Ki——溫室圍護結構(屋面、墻面、門、窗等)的傳熱系數,W/(㎡.K);Fi——溫室圍護結構(屋面、墻面、門、窗等)的傳熱面積,㎡;Tn,Tw——分別為溫室室內外采暖設計溫度,℃。


              對于單一材料的圍護結構,材料的傳熱系數K可直接從有關手冊查取。下表列出了溫室圍護常用透光覆蓋材料傳熱系數。對特殊溫室透光覆蓋材料,應咨詢生產廠家。


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      (2)附加傳熱量

              按照穩定傳熱計算出的溫室圍護結構的基本傳熱量,并不是溫室的全部耗熱量,因為溫室的耗熱量還與它所處的地理位置和它的現狀等因素(如高度、朝向、風速等)有關。這些因素是很復雜的,不可能進行非常細致的計算。工程計算中,是根據多年累積的經驗按基本傳熱量的百分率進行附加予以修正。對溫室工程,這些附加修正主要包括結構形式修正和風力修正。

              a.結構形式修正(α1) 溫室透光覆蓋材料必須有相應的結構支撐。目前支撐結構的材料多為金屬,主要為鋁合金。相比透光覆蓋材料,(熱泵市場 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。工程計算中,統一考慮上述因素,采用結構形式附加傳熱量進行修正,不同溫室結構形式的附加修正系數見表4。


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              b.風力修正(α2) 風對溫室的傳熱量影響較大,這是因為溫室圍護結構與外界的溫熱主要由圍護結構的外表面與環境空氣的對流換熱和輻射兩部分組成,其中對流換熱與室夕風速有關。室外風速直接影響圍護結構外表面換熱系數,(熱泵市場水?。╋L速越大,表面換熱系數越大,才應傳熱越快。

              在計算圍護結構基本傳熱量時,所選用的外表面換熱系數是對應于某個固定自室外風速值得來的。工業與民用建筑由于圍護結構傳熱熱阻遠高于溫室,風速對外表面放熱系數的影響在整個圍護結構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,表面放熱系數的變化對整個散熱量影響較大,在冬季加溫期間風力指續較大的地區,必須在供熱計算中考慮風力影響因素。

              一般隨風速變化采用風力附加修正系數來考慮風速對溫室基本傳熱量的增量。下表給出了風力附加修正系數的取值范圍。

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      (3)冷風滲透熱損失

              冬季,室外冷空氣經常會通過鑲嵌透光覆蓋材料的縫隙、門窗縫隙,或由于開門、開窗而進入室內。這部分冷空氣從室外溫度加熱到室內溫度所需的熱量稱為冷風滲透熱損失。


      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——溫室冷風滲透熱損失,W;Cp——空氣的定壓比熱,Cp=0.00028kW.h/(kg·℃);m——冷風滲透進入溫室的空氣質量,kg;m=NVγN——溫室與外界的空氣交換率,亦稱換氣次數,以每小時的完全換氣次數為單位;V——溫室內部體積,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。不同結構溫室的換氣次數見表6,同溫度下空氣的容重如表7。


      (4)地面傳熱熱損失

              溫室地面的傳熱情況與墻、屋面有很大區別。室內空氣直接傳給地面的熱量不能用Q=KAΔt來計算,因為土壤的厚度無法計算,向土壤深處傳熱位置的溫度也是一個未知數,土壤各層的傳熱系數K就更難確定。

              分析溫室空氣向土壤的傳熱溫度場發現,加溫期間溫室地面溫度穩定接近室內空氣溫度,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。

              由于上述溫度場的變化比較復雜,要準確計算傳熱量是很困難的。為此,在工程上采用了簡化計算方法,即假定傳熱系數法。


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      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區的地面傳熱系數,W/(㎡.K);Fi——第i區的地面面積,㎡;Tn,Tw——分別為溫室室內外采暖設計溫度,℃。


              鑒于外界氣溫對地面各段傳熱影響不同,地面傳熱系數也隨之各異,靠近外墻的地面,由于熱流經過的路程較短,熱阻小,傳熱系數就大,而距外墻較遠的地方傳熱系數就小。根據實驗知道,在距外墻6m以內的地面,(熱泵市場 水?。┢鋫鳠崃颗c距外墻的距離有較顯著的關系,6m以外則幾乎與距離無關。因此,在工程中一般采用近似計算,將距外墻8m以內的地段分為每2m寬為一地帶。在地面無保溫層的條件下,各帶的傳熱系數如表8。

              需要說明的是位于墻角第一個2m內的2m×2m面積的熱流量是較強的應加倍計算。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。


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      四、溫室采暖熱負荷


      溫室的采暖熱負荷按下式計算:

      Q=α1α2Ql+Q2+Q3

      =1.04×1.08×127.7KW+30.1kw+8.2KW

      =181.7kw


      式中:Q——溫室采暖熱負荷,W;α1——結構附加系數;α2——風力附加系數;Q1——溫室的基本傳熱量,W;Q2——溫室的冷風滲透熱負荷,W;Q3——溫室的地面傳熱量,W。


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      五、熱泵選型


              有了熱負荷指標之后,就可以依據低溫空氣源熱泵的制熱性能曲線來選取。需要指出的是,本案例應該按照表09所示,中華人民共和國機械行業標準《溫室加熱系統設計規范》JB/T10297—2001所推薦的-12℃(石家莊)來進行選型。實際操作中也可以考慮適當增加電輔助來減少熱泵主機的初投資費用。



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