溫室大棚空氣能采暖，如何計(jì)算(suàn)溫室熱負荷和(hé)空氣源熱泵的(de)選型？

在溫室大棚供暖工(gōng)程設計(jì)中，首先要确定一些設計(jì)條件(jiàn)，例如：采暖室外(wài)設計(jì)溫度、室內(nèi)設計(jì)溫度、室外(wài)風(fēng)速等，根據選定的(de)設計(jì)條件(jiàn)計(jì)算(suàn)得出的(de)供熱量，稱為(wèi)采暖設計(jì)熱負荷。

實際工(gōng)程中，由于室外(wài)環境最低(dī)溫度一般出現(xiàn)于後半夜至淩晨，此時(shí)的(de)供熱量要求最大，因此溫室設計(jì)一般用此刻的(de)供熱量作(zuò)為(wèi)采暖設計(jì)熱負荷。由于是夜間(jiān)，因此太陽輻射熱量、人(rén)體(tǐ)發熱、照(zhào)明(míng)、設備運行的(de)發熱量等均忽略不計(jì)。夜間(jiān)也不需要通(tōng)風(fēng)，不會頻(pín)繁開(kāi)門開(kāi)窗，則通(tōng)風(fēng)和(hé)開(kāi)門窗的(de)熱損失忽略不計(jì)。

在正常條件(jiàn)下(xià)溫室大棚的(de)熱負荷計(jì)算(suàn)考慮因素包含：

（1）經過屋頂、地(dì)面、牆、門窗等圍護結構傳導和(hé)輻射出的(de)熱量，設為(wèi)U1；

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

（3）在正常條件(jiàn)下(xià)溫室的(de)得熱量為(wèi)：加溫系統的(de)供熱量，設為(wèi)Q。

這(zhè)樣，溫室采暖設計(jì)熱負荷便簡化(huà)為(wèi)：

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(lěng)風(fēng)滲透熱損，W；即溫室采暖設計(jì)熱負荷由經過屋頂、地(dì)面、牆、門窗等圍護結構傳導出和(hé)輻射出的(de)熱量和(hé)室內(nèi)空氣經過門、窗、圍護結構縫隙逸出所帶走的(de)熱量兩部分組成。

一、工(gōng)程概況

以石家(jiā)莊某玻璃結構溫室大棚為(wèi)例，尺寸為(wèi)：長(cháng)50m，寬15M，高(gāo)3M。

二、了解室外(wài)、室內(nèi)計(jì)算(suàn)溫度

溫室與普通(tōng)民(mín)用建築不同，普通(tōng)建築材料(磚、鋼筋混凝土(tǔ)等)的(de)熱惰性比較大，環境氣溫變化(huà)時(shí)，根據其熱惰性不同，一般需要幾個(gè)小(xiǎo)時(shí)，才能波及到室內(nèi)，且波動幅度也較小(xiǎo)，因此民(mín)用建築采暖設計(jì)溫度采用日(rì)平均溫度作(zuò)為(wèi)統計(jì)計(jì)算(suàn)值。而作(zuò)為(wèi)溫室透光(guāng)覆蓋材料的(de)玻璃、塑料薄膜或PC闆等材料的(de)熱惰性都(dōu)很(hěn)小(xiǎo)，保溫能力較差，當室外(wài)溫度發生(shēng)變化(huà)時(shí)，室內(nèi)溫度跟随其波動響應時(shí)間(jiān)很(hěn)短（如玻璃僅幾分鐘(zhōng)），基本沒有(yǒu)滞後，溫度波動幅度與室外(wài)溫度變化(huà)相(xiàng)當。因此不能按普通(tōng)民(mín)用建築采暖溫度的(de)取值方法确定。

我國(guó)機(jī)械行業(yè)标準《溫室加溫系統設計(jì)規範JB/T10297--2014》中建議(yì)采用近(jìn)20年(nián)最冷(lěng)日(rì)溫度的(de)平均值作(zuò)為(wèi)室外(wài)設計(jì)溫度推薦值。

表格1：室外(wài)設計(jì)溫度推薦值/℃

表格2：溫室常見果菜的(de)适宜溫度範圍/℃

摘自(zì)：中華人(rén)民(mín)共和(hé)國(guó)機(jī)械行業(yè)标準JB/T10297--2014《溫室加熱系統設計(jì)規範》

如果沒有(yǒu)特定種植品種的(de)計(jì)劃，采暖室內(nèi)設計(jì)溫度應該以喜溫作(zuò)物(wù)為(wèi)設計(jì)對(duì)象。同樣是喜溫作(zuò)物(wù)，蔬菜和(hé)花(huā)卉所要求的(de)最低(dī)溫度可能不同。典型的(de)喜溫蔬菜，如黃(huáng)瓜和(hé)番茄，其最低(dī)生(shēng)長(cháng)發育溫度在12～16℃，有(yǒu)些品種可能要求18℃，一般可将室內(nèi)設計(jì)溫度設定為(wèi)15℃比較适宜。花(huā)卉品種對(duì)溫度的(de)要求範圍較寬，從(cóng)10～22℃不等，一般考慮應在15～18℃；本方案取16℃.

三、溫室大棚圍護結構傳熱計(jì)算(suàn)

通(tōng)過溫室圍護結構的(de)傳熱量包括基本傳熱量和(hé)附加傳熱量兩部分。基本傳熱量是通(tōng)過溫室各部分圍護結構(屋面、牆體(tǐ)等)由于室內(nèi)外(wài)空氣的(de)溫度差從(cóng)室內(nèi)傳向室外(wài)的(de)熱量。附加傳熱量是由于溫室結構材料、風(fēng)力、氣象條件(jiàn)等的(de)不同，對(duì)基本傳熱量的(de)修正。

（1）基本傳熱量

花(huā)卉溫室大棚的(de)尺寸為(wèi)：長(cháng)50m，寬15M，高(gāo)3M，圍護結構傳熱計(jì)算(suàn)

基本傳熱量圍護結構的(de)基本傳熱量是根據穩定傳熱理(lǐ)論進行計(jì)算(suàn)，即整個(gè)溫室的(de)基本傳熱量等于它的(de)各個(gè)圍護結構基本傳熱量的(de)總和(hé)。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(tōng)過溫室所有(yǒu)圍護結構的(de)總傳熱量，包括屋面、牆面、門、窗等外(wài)圍護結構的(de)傳熱量，W；
Ki——溫室圍護結構(屋面、牆面、門、窗等)的(de)傳熱系數，W/(㎡．K)；
Fi——溫室圍護結構(屋面、牆面、門、窗等)的(de)傳熱面積，㎡；
Tn，Tw——分别為(wèi)溫室室內(nèi)外(wài)采暖設計(jì)溫度，℃。

對(duì)于單一材料的(de)圍護結構，材料的(de)傳熱系數K可直接從(cóng)有(yǒu)關手冊查取。下(xià)表列出了溫室圍護常用透光(guāng)覆蓋材料傳熱系數。對(duì)特殊溫室透光(guāng)覆蓋材料，應咨詢生(shēng)産廠(chǎng)家(jiā)。

表格3：溫室圍護結構常用材料傳熱系數K/[W/(㎡．K)]

（2）附加傳熱量

按照(zhào)穩定傳熱計(jì)算(suàn)出的(de)溫室圍護結構的(de)基本傳熱量，并不是溫室的(de)全部耗熱量，因為(wèi)溫室的(de)耗熱量還(hái)與它所處的(de)地(dì)理(lǐ)位置和(hé)它的(de)現(xiàn)狀等因素(如高(gāo)度、朝向、風(fēng)速等)有(yǒu)關。這(zhè)些因素是很(hěn)複雜(zá)的(de)，不可能進行非常細緻的(de)計(jì)算(suàn)。工(gōng)程計(jì)算(suàn)中，是根據多年(nián)累積的(de)經驗按基本傳熱量的(de)百分率進行附加予以修正。對(duì)溫室工(gōng)程，這(zhè)些附加修正主要包括結構形式修正和(hé)風(fēng)力修正。

a.結構形式修正(α１) 溫室透光(guāng)覆蓋材料必須有(yǒu)相(xiàng)應的(de)結構支撐。目前支撐結構的(de)材料多為(wèi)金(jīn)屬，主要為(wèi)鋁合金(jīn)。相(xiàng)比透光(guāng)覆蓋材料，（熱泵市(shì)場(chǎng) 水(shuǐ)印）鑲嵌這(zhè)些覆蓋材料的(de)金(jīn)屬材料其傳熱速度和(hé)傳熱量都(dōu)高(gāo)，而且鑲嵌覆蓋材料所用的(de)鋁合金(jīn)條越多，附加傳熱量就越大。此外(wài)，溫室的(de)天溝、屋脊、窗框和(hé)骨架等都(dōu)是增大傳熱量的(de)因素。工(gōng)程計(jì)算(suàn)中，統一考慮上(shàng)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(de)附加修正系數見表4。

表格4：溫室結構形式附加修正系數

b.風(fēng)力修正(α２) 風(fēng)對(duì)溫室的(de)傳熱量影響較大，這(zhè)是因為(wèi)溫室圍護結構與外(wài)界的(de)溫熱主要由圍護結構的(de)外(wài)表面與環境空氣的(de)對(duì)流換熱和(hé)輻射兩部分組成，其中對(duì)流換熱與室夕風(fēng)速有(yǒu)關。室外(wài)風(fēng)速直接影響圍護結構外(wài)表面換熱系數，風(fēng)速越大，表面換熱系數越大，才應傳熱越快。

在計(jì)算(suàn)圍護結構基本傳熱量時(shí)，所選用的(de)外(wài)表面換熱系數是對(duì)應于某個(gè)固定自(zì)室外(wài)風(fēng)速值得來(lái)的(de)。工(gōng)業(yè)與民(mín)用建築由于圍護結構傳熱熱阻遠(yuǎn)高(gāo)于溫室，風(fēng)速對(duì)外(wài)表面放(fàng)熱系數的(de)影響在整個(gè)圍護結構散熱量中所占比例很(hěn)小(xiǎo)，一般不予考慮，但(dàn)溫室由于透光(guāng)覆蓋材料的(de)熱阻一般都(dōu)較小(xiǎo)，表面放(fàng)熱系數的(de)變化(huà)對(duì)整個(gè)散熱量影響較大，在冬季加溫期間(jiān)風(fēng)力指續較大的(de)地(dì)區(qū)，必須在供熱計(jì)算(suàn)中考慮風(fēng)力影響因素。

一般随風(fēng)速變化(huà)采用風(fēng)力附加修正系數來(lái)考慮風(fēng)速對(duì)溫室基本傳熱量的(de)增量。下(xià)表給出了風(fēng)力附加修正系數的(de)取值範圍。

表格5：風(fēng)力附加修正系數

（3）冷(lěng)風(fēng)滲透熱損失

冬季，室外(wài)冷(lěng)空氣經常會通(tōng)過鑲嵌透光(guāng)覆蓋材料的(de)縫隙、門窗縫隙，或由于開(kāi)門、開(kāi)窗而進入室內(nèi)。這(zhè)部分冷(lěng)空氣從(cóng)室外(wài)溫度加熱到室內(nèi)溫度所需的(de)熱量稱為(wèi)冷(lěng)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(lěng)風(fēng)滲透熱損失，

W；Cp——空氣的(de)定壓比熱，

Cp＝0.00028kW．h/(kg·℃)；

m——冷(lěng)風(fēng)滲透進入溫室的(de)空氣質量，kg；

m＝NVγN——溫室與外(wài)界的(de)空氣交換率，亦稱換氣次數，以每小(xiǎo)時(shí)的(de)完全換氣次數為(wèi)單位；

V——溫室內(nèi)部體(tǐ)積，m3；

γ——空氣的(de)容重，kg/m3

上(shàng)式中N與V的(de)乘積是以m3/h為(wèi)單位的(de)換氣速率。不同結構溫室的(de)換氣次數見表6，同溫度下(xià)空氣的(de)容重如表7。

表格6：不同結構溫室設計(jì)換氣次數

表格7：不同溫度下(xià)空氣的(de)容重

（4）地(dì)面傳熱熱損失

溫室地(dì)面的(de)傳熱情況與牆、屋面有(yǒu)很(hěn)大區(qū)别。室內(nèi)空氣直接傳給地(dì)面的(de)熱量不能用Q＝KAΔt來(lái)計(jì)算(suàn)，因為(wèi)土(tǔ)壤的(de)厚度無法計(jì)算(suàn)，向土(tǔ)壤深處傳熱位置的(de)溫度也是一個(gè)未知數，土(tǔ)壤各層的(de)傳熱系數K就更難确定。

分析溫室空氣向土(tǔ)壤的(de)傳熱溫度場(chǎng)發現(xiàn)，加溫期間(jiān)溫室地(dì)面溫度穩定接近(jìn)室內(nèi)空氣溫度，溫室中部向土(tǔ)壤深層的(de)傳熱量很(hěn)小(xiǎo)，隻有(yǒu)在靠近(jìn)溫室外(wài)牆地(dì)面的(de)局部傳熱較大，而且越靠近(jìn)外(wài)牆，溫度場(chǎng)變化(huà)越大，傳熱量也越多，這(zhè)部分熱量主要是通(tōng)過溫室外(wài)牆傳向室外(wài)。

由于上(shàng)述溫度場(chǎng)的(de)變化(huà)比較複雜(zá)，要準确計(jì)算(suàn)傳熱量是很(hěn)困難的(de)。為(wèi)此，在工(gōng)程上(shàng)采用了簡化(huà)計(jì)算(suàn)方法，即假定傳熱系數法。

Q3＝∑KiFi(Tn一Tw)

＝0.47×（48m×13m）×【16℃—（—12℃）】

＝8211.8W=8.2KW

式中：

Q3——通(tōng)過溫室地(dì)面的(de)總傳熱量，W；

Ki——第i區(qū)的(de)地(dì)面傳熱系數，W/(㎡．K)；

Fi——第i區(qū)的(de)地(dì)面面積，㎡；

Tn,Tw——分别為(wèi)溫室室內(nèi)外(wài)采暖設計(jì)溫度，℃。

鑒于外(wài)界氣溫對(duì)地(dì)面各段傳熱影響不同，地(dì)面傳熱系數也随之各異，靠近(jìn)外(wài)牆的(de)地(dì)面，由于熱流經過的(de)路(lù)程較短，熱阻小(xiǎo)，傳熱系數就大，而距外(wài)牆較遠(yuǎn)的(de)地(dì)方傳熱系數就小(xiǎo)。根據實驗知道(dào)，在距外(wài)牆6m以內(nèi)的(de)地(dì)面，其傳熱量與距外(wài)牆的(de)距離有(yǒu)較顯著的(de)關系，6m以外(wài)則幾乎與距離無關。因此，在工(gōng)程中一般采用近(jìn)似計(jì)算(suàn)，将距外(wài)牆8m以內(nèi)的(de)地(dì)段分為(wèi)每2m寬為(wèi)一地(dì)帶。在地(dì)面無保溫層的(de)條件(jiàn)下(xià)，各帶的(de)傳熱系數如表8。

需要說(shuō)明(míng)的(de)是位于牆角第一個(gè)2m內(nèi)的(de)2m×2m面積的(de)熱流量是較強的(de)應加倍計(jì)算(suàn)。如果溫室采用半地(dì)下(xià)式，即将室外(wài)地(dì)坪以下(xià)的(de)牆體(tǐ)作(zuò)為(wèi)地(dì)面，順序推進。

表格8：地(dì)面分段及假定傳熱系數/[W/(㎡．℃)]

四、溫室采暖熱負荷

溫室的(de)采暖熱負荷按下(xià)式計(jì)算(suàn)：

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(fēng)力附加系數；

Q1——溫室的(de)基本傳熱量，W；

Q2——溫室的(de)冷(lěng)風(fēng)滲透熱負荷，W；

Q3——溫室的(de)地(dì)面傳熱量，W。

五、空氣源熱泵選型

有(yǒu)了熱負荷指标之後，就可以依據低(dī)溫空氣源熱泵的(de)制熱性能曲線來(lái)選取溫室大棚空氣能供暖機(jī)組型号了。需要指出的(de)是，本案例應該按照(zhào)表09所示，中華人(rén)民(mín)共和(hé)國(guó)機(jī)械行業(yè)标準《溫室加熱系統設計(jì)規範》JB/T10297—2001所推薦的(de)-12℃（石家(jiā)莊）來(lái)進行選型。實際操作(zuò)中也可以考慮适當增加電(diàn)輔助來(lái)減少熱泵主機(jī)的(de)初投資費(fèi)用。