热泵温室大棚采暖时,如何计算大棚热负荷和主机的选型?

2019-04-01 22:04:28

在温室大棚供暖工程设计中,首先要确定一些设计条件,例如:采暖室外设计温度、室内设计温度、室外风速等,根据选定的设计条件计算得出的供热量,称为采暖设计热负荷。


实际工程中,由于室外环境最低温度一般出现于后半夜至凌晨,此时的供热量要求最大,因此温室设计一般用此刻的供热量作为采暖设计热负荷。由于是夜间,因此太阳辐射热量、人体发热、照明、设备运行的发热量等均忽略不计。夜间也不需要通风,不会频繁开门开窗,则通风和开门窗的热损失忽略不计。


在正常条件下温室大棚的热负荷计算考虑因素包含:

(1)经过屋顶、地面、墙、门窗等围护结构传导和辐射出的热量,设为U1;

(2)加热经过门、窗、围护结构缝隙渗入空气所需的热量,设为U2;

(3)在正常条件下温室的得热量为:加温系统的供热量,设为Q。


这样,温室采暖设计热负荷便简化为:

Q=U1+U2

式中Q——温室供暖热负荷,W;U1——简称围护结构热损失,W;U2——简称冷风渗透热损,W;即温室采暖设计热负荷由经过屋顶、地面、墙、门窗等围护结构传导出和辐射出的热量和室内空气经过门、窗、围护结构缝隙逸出所带走的热量两部分组成。


一、工程概况


以河北省石家庄某玻璃结构温室大棚为例,尺寸为:长50m,宽15M,高3M。其他结构等详见下文。



二、了解室外、室内计算温度


温室与普通民用建筑不同,普通建筑材料(砖、钢筋混凝土等)的热惰性比较大,环境气温变化时,根据其热惰性不同,一般需要几个小时,才能波及到室内,且波动幅度也较小,因此民用建筑采暖设计温度采用日平均温度作为统计计算值。而作为温室透光覆盖材料的玻璃、塑料薄膜或PC板等材料的热惰性都很小,保温能力较差,当室外温度发生变化时,室内温度跟随其波动响应时间很短(如玻璃仅几分钟),基本没有滞后,温度波动幅度与室外温度变化相当。因此不能按普通民用建筑采暖温度的取值方法确定。


我国机械行业标准《温室加温系统设计规范JB/T10297--2014》中建议采用近20年最冷日温度的平均值作为室外设计温度推荐值


表格1:室外设计温度推荐值/℃

城市

推荐值

城市

推荐值

哈尔滨

-29

吉林

-29

克拉玛依

-24

兰州

-23

石家庄

-12

天津

-11

徐州

-8

郑州

-7

锦洲

-17

乌鲁木齐

-26

西安

-8

北京

-12

连云港

-7

青岛

-9

太原

-14

济南

-10

沈阳

-21

洛阳

-8

银川

-18




表格2:温室常见果菜的适宜温度范围/℃

种类

白天气温

夜间气温

100mm深土温

最高

适宜

适宜

最低

最高

适宜

最低

西红柿

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

黄瓜

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:中华人民共和国机械行业标准JB/T10297--2014《温室加热系统设计规范》。


如果没有特定种植品种的计划,采暖室内设计温度应该以喜温作物为设计对象。同样是喜温作物,蔬菜和花卉所要求的最低温度可能不同。典型的喜温蔬菜,如黄瓜和番茄,其最低生长发育温度在12~16℃,有些品种可能要求18℃,一般可将室内设计温度设定为15℃比较适宜。花卉品种对温度的要求范围较宽,从10~22℃不等,一般考虑应在15~18℃;本方案取16℃.


三、花卉温室大棚围护结构传热计算


通过温室围护结构的传热量包括基本传热量和附加传热量两部分。基本传热量是通过温室各部分围护结构(屋面、墙体等)由于室内外空气的温度差从室内传向室外的热量。附加传热量是由于温室结构材料、风力、气象条件等的不同,对基本传热量的修正。


(1)基本传热量

花卉温室大棚的尺寸为:长50m,宽15M,高3M,围护结构传热计算

基本传热量围护结构的基本传热量是根据稳定传热理论进行计算,即整个温室的基本传热量等于它的各个围护结构基本传热量的总和。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——通过温室所有围护结构的总传热量,包括屋面、墙面、门、窗等外围护结构的传热量,W;Ki——温室围护结构(屋面、墙面、门、窗等)的传热系数,W/(㎡.K);Fi——温室围护结构(屋面、墙面、门、窗等)的传热面积,㎡;Tn,Tw——分别为温室室内外采暖设计温度,℃。


对于单一材料的围护结构,材料的传热系数K可直接从有关手册查取。下表列出了温室围护常用透光覆盖材料传热系数。对特殊温室透光覆盖材料,应咨询生产厂家。


表格3:温室围护结构常用材料传热系数K/[W/(㎡.K)]

材料名称

传热系数K

材料名称

传热系数K

单层玻璃

6.4

FRP瓦楞板

6.8

双层玻璃

4.0

聚碳酸酯双层中空(PC)板,16mm厚

3.3

单层塑料膜

6.8

聚碳酸酯三层中空(PC)板,16mm厚

3.1

双层充气塑料膜

4.0

聚碳酸酯双层中空(PC)板,10mm厚

3.7

单层玻璃上覆盖单层塑料膜

4.8

聚碳酸酯三层中空(PC)板,8mm厚

4.1

单层玻璃上覆盖双层塑料膜

3.4




(2)附加传热量

按照稳定传热计算出的温室围护结构的基本传热量,并不是温室的全部耗热量,因为温室的耗热量还与它所处的地理位置和它的现状等因素(如高度、朝向、风速等)有关。这些因素是很复杂的,不可能进行非常细致的计算。工程计算中,是根据多年累积的经验按基本传热量的百分率进行附加予以修正。对温室工程,这些附加修正主要包括结构形式修正和风力修正。


a.结构形式修正(α1) 温室透光覆盖材料必须有相应的结构支撑。目前支撑结构的材料多为金属,主要为铝合金。相比透光覆盖材料,(热泵市场 水印)镶嵌这些覆盖材料的金属材料其传热速度和传热量都高,而且镶嵌覆盖材料所用的铝合金条越多,附加传热量就越大。此外,温室的天沟、屋脊、窗框和骨架等都是增大传热量的因素。工程计算中,统一考虑上述因素,采用结构形式附加传热量进行修正,不同温室结构形式的附加修正系数见表4。


表格4:温室结构形式附加修正系数

结构形式

修正系数

结构形式

修正系数

金属结构玻璃温室,骨架间距0.4~0.6m

1.08

金属结构塑料薄膜温室

1.02

金属结构玻璃温室,骨架间距0.4~0.6m

1.05

木结构塑料膜或PC浪板温室

1.00

金属结构PC浪板温室

1.03




b.风力修正(α2) 风对温室的传热量影响较大,这是因为温室围护结构与外界的温热主要由围护结构的外表面与环境空气的对流换热和辐射两部分组成,其中对流换热与室夕风速有关。室外风速直接影响围护结构外表面换热系数,(热泵市场水印)风速越大,表面换热系数越大,才应传热越快。


在计算围护结构基本传热量时,所选用的外表面换热系数是对应于某个固定自室外风速值得来的。工业与民用建筑由于围护结构传热热阻远高于温室,风速对外表面放热系数的影响在整个围护结构散热量中所占比例很小,一般不予考虑,但温室由于透光覆盖材料的热阻一般都较小,表面放热系数的变化对整个散热量影响较大,在冬季加温期间风力指续较大的地区,必须在供热计算中考虑风力影响因素。


一般随风速变化采用风力附加修正系数来考虑风速对温室基本传热量的增量。下表给出了风力附加修正系数的取值范围。


表格5:风力附加修正系数

风速(m/s)

6.71

8.94

11.18

13.41

15.65

修正系数

1.00

1.04

1.08

1.12

1.16


(3)冷风渗透热损失

冬季,室外冷空气经常会通过镶嵌透光覆盖材料的缝隙、门窗缝隙,或由于开门、开窗而进入室内。这部分冷空气从室外温度加热到室内温度所需的热量称为冷风渗透热损失。


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——温室冷风渗透热损失,W;Cp——空气的定压比热,Cp=0.00028kW.h/(kg·℃);m——冷风渗透进入温室的空气质量,kg;m=NVγN——温室与外界的空气交换率,亦称换气次数,以每小时的完全换气次数为单位;V——温室内部体积,m3;γ——空气的容重,kg/m3。


上式中N与V的乘积是以m3/h为单位的换气速率。不同结构温室的换气次数见表6,同温度下空气的容重如表7。


表格6:不同结构温室设计换气次数

温室形式

换气次数/N

温室形式

换气次数/N

新温室


单层玻璃上覆盖塑料薄膜

0.90

单层玻璃,玻璃搭接缝隙不密封

1.25

旧温室


单层玻璃,玻璃搭接缝隙密封

1.00

维护保养好

1.50

塑料薄膜温室

0.60~1.00

维护保养差

2.00~4.00

PC中空板温室

1.00




表格7:不同温度下空气的容重

温度/℃

-20

0

10

20

容量(kg/m3)

1.365

1.252

1.206

1.164


(4)地面传热热损失

温室地面的传热情况与墙、屋面有很大区别。室内空气直接传给地面的热量不能用Q=KAΔt来计算,因为土壤的厚度无法计算,向土壤深处传热位置的温度也是一个未知数,土壤各层的传热系数K就更难确定。


分析温室空气向土壤的传热温度场发现,加温期间温室地面温度稳定接近室内空气温度,温室中部向土壤深层的传热量很小,只有在靠近温室外墙地面的局部传热较大,而且越靠近外墙,温度场变化越大,传热量也越多,这部分热量主要是通过温室外墙传向室外。


由于上述温度场的变化比较复杂,要准确计算传热量是很困难的。为此,在工程上采用了简化计算方法,即假定传热系数法。


Q3=∑KiFi(Tn一Tw)

=0.47×(48m×13m)×【16℃—(—12℃)】

=8211.8W=8.2KW


式中:Q3——通过温室地面的总传热量,W;Ki——第i区的地面传热系数,W/(㎡.K);Fi——第i区的地面面积,㎡;Tn,Tw——分别为温室室内外采暖设计温度,℃。


鉴于外界气温对地面各段传热影响不同,地面传热系数也随之各异,靠近外墙的地面,由于热流经过的路程较短,热阻小,传热系数就大,而距外墙较远的地方传热系数就小。根据实验知道,在距外墙6m以内的地面,(热泵市场 水印)其传热量与距外墙的距离有较显著的关系,6m以外则几乎与距离无关。因此,在工程中一般采用近似计算,将距外墙8m以内的地段分为每2m宽为一地带。在地面无保温层的条件下,各带的传热系数如表8。


需要说明的是位于墙角第一个2m内的2m×2m面积的热流量是较强的应加倍计算。如果温室采用半地下式,即将室外地坪以下的墙体作为地面,顺序推进。


表格8:地面分段及假定传热系数/[W/(㎡.℃)]

地面分段

距外墙内便面距离

0~2m区域

2~4m区域

4~6m区域

>6m区域

假定传热系数

0.47

0.23

0.12

0.07


四、温室采暖热负荷


温室的采暖热负荷按下式计算:

Q=α1α2Ql+Q2+Q3

=1.04×1.08×127.7KW+30.1kw+8.2KW

=181.7kw


式中:Q——温室采暖热负荷,W;α1——结构附加系数;α2——风力附加系数;Q1——温室的基本传热量,W;Q2——温室的冷风渗透热负荷,W;Q3——温室的地面传热量,W。



五、热泵选型


有了热负荷指标之后,就可以依据低温空气源热泵的制热性能曲线来选取。需要指出的是,本案例应该按照表09所示,中华人民共和国机械行业标准《温室加热系统设计规范》JB/T10297—2001所推荐的-12℃(石家庄)来进行选型。实际操作中也可以考虑适当增加电辅助来减少热泵主机的初投资费用。


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