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熱泵溫室大棚采暖時,如何計算大棚熱負(fù)荷和主機的選型?

2019-04-01 1296

在溫室大棚供暖工程設(shè)計中,首先要確定一些設(shè)計條件,例如:采暖室外設(shè)計溫度、室內(nèi)設(shè)計溫度、室外風(fēng)速等,根據(jù)選定的設(shè)計條件計算得出的供熱量,稱為采暖設(shè)計熱負(fù)荷。


實際工程中,由于室外環(huán)境最低溫度一般出現(xiàn)于后半夜至凌晨,此時的供熱量要求最大,因此溫室設(shè)計一般用此刻的供熱量作為采暖設(shè)計熱負(fù)荷。由于是夜間,因此太陽輻射熱量、人體發(fā)熱、照明、設(shè)備運行的發(fā)熱量等均忽略不計。夜間也不需要通風(fēng),不會頻繁開門開窗,則通風(fēng)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(fù)荷計算考慮因素包含:

(1)經(jīng)過屋頂、地面、墻、門窗等圍護結(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)計熱負(fù)荷便簡化為:

Q=U1+U2

式中Q——溫室供暖熱負(fù)荷,W;U1——簡稱圍護結(jié)構(gòu)熱損失,W;U2——簡稱冷風(fēng)滲透熱損,W;即溫室采暖設(shè)計熱負(fù)荷由經(jīng)過屋頂、地面、墻、門窗等圍護結(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、圍護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)溫室大棚為例,尺寸為:長50m,寬15M,高3M。其他結(jié)構(gòu)等詳見下文。



二、了解室外、室內(nèi)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(huán)境氣溫變化時,根據(jù)其熱惰性不同,一般需要幾個小時,才能波及到室內(nèi),且波動幅度也較小,因此民用建筑采暖設(shè)計溫度采用日平均溫度作為統(tǒng)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(dāng)室外溫度發(fā)生變化時,室內(nèi)溫度跟隨其波動響應(yīng)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(dāng)。因此不能按普通民用建筑采暖溫度的取值方法確定。


我國機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《溫室加溫系統(tǒng)設(shè)計規(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)計溫度推薦值。


表格1:室外設(shè)計溫度推薦值/℃

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:中華人民共和國機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10297--2014《溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》。


如果沒有特定種植品種的計劃,采暖室內(nèi)設(shè)計溫度應(yīng)該以喜溫作物為設(shè)計對象。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)計溫度設(shè)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(yīng)在15~18℃;本方案取16℃.


三、花卉溫室大棚圍護結(jié)構(gòu)傳熱計算


通過溫室圍護結(jié)構(gòu)的傳熱量包括基本傳熱量和附加傳熱量兩部分。基本傳熱量是通過溫室各部分圍護結(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(jié)構(gòu)傳熱計算

基本傳熱量圍護結(jié)構(gòu)的基本傳熱量是根據(jù)穩(wěn)定傳熱理論進(jìn)行計算,即整個溫室的基本傳熱量等于它的各個圍護結(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——通過溫室所有圍護結(jié)構(gòu)的總傳熱量,包括屋面、墻面、門、窗等外圍護結(jié)構(gòu)的傳熱量,W;Ki——溫室圍護結(jié)構(gòu)(屋面、墻面、門、窗等)的傳熱系數(shù),W/(㎡.K);Fi——溫室圍護結(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)計溫度,℃。


對于單一材料的圍護結(jié)構(gòu),材料的傳熱系數(shù)K可直接從有關(guān)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(shù)。對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)定傳熱計算出的溫室圍護結(jié)構(gòu)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(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)致的計算。工程計算中,是根據(jù)多年累積的經(jīng)驗按基本傳熱量的百分率進(jìn)行附加予以修正。對溫室工程,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 水印)鑲嵌這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(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)對溫室的傳熱量影響較大,這是因為溫室圍護結(jié)構(gòu)與外界的溫?zé)嶂饕蓢o結(jié)構(gòu)的外表面與環(huán)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(fēng)速有關(guān)。室外風(fēng)速直接影響圍護結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù),(熱泵市場水?。╋L(fēng)速越大,表面換熱系數(shù)越大,才應(yīng)傳熱越快。


在計算圍護結(jié)構(gòu)基本傳熱量時,所選用的外表面換熱系數(shù)是對應(yīng)于某個固定自室外風(fēng)速值得來的。工業(yè)與民用建筑由于圍護結(jié)構(gòu)傳熱熱阻遠(yuǎn)高于溫室,風(fēng)速對外表面放熱系數(shù)的影響在整個圍護結(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)的變化對整個散熱量影響較大,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

維護保養(yǎng)好

1.50

塑料薄膜溫室

0.60~1.00

維護保養(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(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(fù)雜,要準(zhǔn)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(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)計溫度,℃。


鑒于外界氣溫對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)實驗知道,在距外墻6m以內(nèi)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(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2m內(nèi)的2m×2m面積的熱流量是較強的應(yīng)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(jìn)。


表格8:地面分段及假定傳熱系數(shù)/[W/(㎡.℃)]

地面分段

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、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。需要指出的是,本案例應(yīng)該按照表09所示,中華人民共和國機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》JB/T10297—2001所推薦的-12℃(石家莊)來進(jìn)行選型。實際操作中也可以考慮適當(dāng)增加電輔助來減少熱泵主機的初投資費用。


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