北 方 園 藝 設施園藝 第一作者簡介 牛曉科 男 碩士 研究方向為新能 源和可再生能源開發(fā)與應用 責任作者 羅景輝 男 碩士 講師 現主要從事新 能源和可再生能源開發(fā)與應用等研究工作 基金項目 河北省暖通空調工程技術研究中心運行績效后 補助經費資助項目 收稿日期 基于溫室供熱設計的溫室熱量得失研究 牛 曉 科 羅 景 輝 劉 歡 趙 政 通 趙 東 雪 高 建 麗 河北工程大學 能源與環(huán)境工程學院 河北 邯鄲 河北省暖通空調工程技術創(chuàng)新中心 河北 邯鄲 摘 要 以拉薩市某溫室為例 提出一種新的熱平衡分析方法 通過建立數學模型計算 溫室熱量得失 對比分析得出溫室供熱期間太陽輻射的熱量是其最小耗熱量的 倍 結合 經濟效益分析 確定了土壤蓄熱與電加熱結合的供熱方式 采用該供熱方式與采用直接電 加熱供熱相比節(jié)能 以上 經濟效益明顯 此溫室內熱平衡分析方法對溫室供熱設計 具有較高價值 關鍵詞 溫室 供熱 熱負荷 太陽能 土壤蓄熱 中圖分類號 文獻標識碼 文章編號 溫室是用來栽培植物的建筑 在其內部溫度 較低時 需要通過供熱提高溫室內空氣 地表土壤 溫度 促進室內植物快速生長 溫室內供熱方法 多種多樣 傳統(tǒng)的供熱方式是使用燃煤鍋爐 近年 來由于國家對節(jié)能環(huán)保的重視 不允許采用燃煤 鍋爐 急需尋找一種清潔熱源 國內對溫室供熱 研究較多 主要采用相變蓄熱供熱 土壤蓄熱 供熱 熱 泵 供 熱 主 動 太 陽 能 供 暖 系 統(tǒng) 供 熱 生物質燃料的氣化加熱 等 溫室作為特殊建筑 具有富集太陽能的功效 在為溫室供熱設計時需要分析其熱量得失情況 溫室得熱量主要來自前屋面薄膜收集到的太陽輻 射能 國內外對其得太陽能分析較少 趙江龍 根據每月平均日得太陽輻射能計算溫室自薄膜吸 收到的太陽輻射量 未詳細分析地面太陽能反射 及同月每日得太陽能的差異性 該研究建立數學 模型分析得太陽輻射能量 設定溫室最小溫度分 析最小耗熱量 分析溫室內熱量得失差異 綜合考 慮其熱負荷 初投資 使用時間 運行費用確定適 合的供熱方式 為溫室供熱設計提供參考 圖 溫室大棚剖面圖 溫室太陽輻射能計算模型建立 溫室大棚物理模型建立 工程地 點 西 藏 拉 薩 市 東 經 北 緯 溫室類型 節(jié)能日光溫室大棚 結構及參 數 溫室大棚東西長 南北寬 后 脊高 東西北面墻采用 雙墻 中 空方式磚混結構 雙墻沒面厚度為 骨架 采用鍍鋅鋼管 保溫膜采用雙層充氣塑料膜 保溫 棉氈使用常用的 厚棉氈 圖 各圍護結構傳熱系數 東西北墻傳熱系數 為 后 坡 傳 熱 系 數 為 薄 膜 傳 熱 系 數 為 保 溫 棉 氈 傳 熱 系 數 為 溫室太陽輻射得熱量 根據文獻 溫室大棚薄膜表面的太陽輻射 總量由直接太陽輻射量 天空散射輻射量和地面 反射輻射量 個部分組成 由于溫室薄膜表面為 曲面 計算太陽總輻射量時 將其曲面近似為一平 斜面 以 年 月至 年 月為例 將溫 室大棚作為一個封閉系統(tǒng) 以外墻 后坡 薄膜外 表面及溫室大棚所占地上表面為邊界 建立數學 模型 計算出溫室大棚每日 每小時太陽輻射得熱 量和太陽輻射總得熱量 溫室薄膜上直射太陽輻射量 式 中 水 平 面 太 陽 直 射 輻 射 量 為大氣透明度的函數 取決于云量 水蒸氣和微粒的濃度 其計算表達式如下 式 中 為斜面傾角 為當地緯度 為太陽赤緯角 為水平面太陽日落 時角 為傾斜面上太陽日落時角 溫室薄膜上散射輻射量 等分別于 年 年提 出天空散射各向異性的模型 認為傾斜面上天空 散射輻射量是由太陽光盤的輻射量和其余天空穹 頂同質分布的散射輻射量 個部分組成 其表達 式如下 式 中 為水平面散射輻射量 為水平面總輻射量 為大氣層外水平面輻射量 通常 可 在氣象資料查得該區(qū)域水平面上的總輻射和散射 輻射量 是求薄膜表面散射輻射的重點 其計 算表達式如下 式 中 為太陽常數 溫室薄膜上反射輻射量 傾斜面上的總輻射還包含由地面的反射輻 射 運用 定律 將地面的反射輻射看成 是各向同性的 得到表達式如下所示 式 中 為地面反射率 該研究中 取其 平均值 溫室得到的太陽能輻射總量 溫室大棚薄膜上的太陽輻射總量由直接太陽 輻射量 天空散射輻射量和地面反射輻射量 個 部分之和組成 溫室大棚吸收太陽能總的得熱量 式 中 為溫室大棚吸收太陽能總量 為塑料薄膜采光面積 為透光率 因為溫室大棚采用的雙層充氣塑料膜透光率是 考慮環(huán)境等其它因素影響 透光率取 塑料薄膜采光面積為 根據以上分析 查 出每小時平面總輻射量 散射輻射量和直射輻射 量代入模型 即可模擬確定大棚每時 每日 每月 溫室太陽輻射得熱量 溫室大棚熱負荷分析 植物生長適宜的環(huán)境溫度 溫室大棚的室內設計溫度應根據植物生長 所需溫度來確定 文獻 中給出了多種蔬菜 適宜生長溫度 一般的蔬菜作物在 的情 況下 緩慢生長 在 的情況下 正常生 長 在 的情況下 快速生長 在溫度超過 時 農作物的生長速度下降 同時植物的生 長對土壤溫度也有具體要求 在不同的土壤溫度 北 方 園 藝 月 上 下 植物生長情況有所不同 一些常見蔬菜作物 的主要根群深度及溫度要求見表 大多數蔬菜 的土壤溫度上限為 由此分析將溫室大棚 內空氣溫度上限設為 溫度下限設為 根系土壤溫度上限設為 表 蔬菜瓜果類植物的適宜溫度 種類 白天溫度 夜間溫度 深土溫度 最高 適宜 適宜 最低 最高 適宜 最低 主要跟群深度 西紅柿 茄子 辣椒 黃瓜 西瓜 甜瓜 傳熱損失 式 中 為溫室維護結構的傳熱損失 為 第 種 圍 護 結 構 的 傳 熱 系 數 為第 種圍護結構的表面積 為 室 內 設 計 溫 度 為 室 外 設 計 溫 度 溫室設計溫度 取 室外設計溫度 取 將溫室大棚各個系數帶入 得出 滲透熱損失 風速 式 中 為滲透熱損失 風速 為風力 因子 為溫室空氣體積 為每小時換氣次 數 根據圍護結構密封性 分析得知 算得 地面熱損失 式 中 為地面熱損失 為第 區(qū) 地面?zhèn)鳠嵯禂?為第 區(qū)面 積 溫室大棚內地面計算點距外護結構距離小 于 可作為同一區(qū)計算 為 算得 溫室熱負荷 式 中 溫室熱負荷 為傳熱損失 滲 透熱損失 與地面熱損失 之和 熱平衡分析及供熱方案的制訂 溫室熱平衡分析 溫室熱平衡分析從溫室大棚太陽輻射得熱量 和熱損失 個方面進行分析 通過 對拉薩 市 年 月至 年 月的 日溫室大 棚覆蓋時間優(yōu)化分析 使溫室打開棉氈后得太陽 能量大于其因此造成的熱損失 確定每日 為打開棉氈吸收太陽輻射能時間 將溫室 大棚所在地每小時平面總輻射量 散射輻射量和 直射輻射量代入 中計算公式 得到溫室大棚 每時 每日太陽能吸收量 通過對拉薩地區(qū) 年 月至 年 月 室外溫度與溫室每小時能耗分析 可知室內外溫 差的平均值遠大于室內外溫差的波動值 將溫室 作為一個系統(tǒng)來研究其最小熱能損耗 當溫室達 到其所在時間內能達到的溫度最低值時 其熱能 損耗最小 在打開溫室大棚棉氈后溫室大棚內空 氣溫度會迅速上升 因此設溫室溫度每日 為 其余時間為 得出溫室每小 時 每日最小耗熱量 由圖 可知 通過能耗分析 每日 得到的太陽能輻射量遠大于其在該時間段 內設定溫度下通過圍護結構的散熱量 一般每日 至次日 得到太陽能輻射總量是在設 定溫度下通過圍護結構最小能耗的 倍 由 圖 可知 個月內溫室得到太陽輻射總量為 在設定溫度下通過圍護結構最 第 期 北 方 園 藝 圖 溫室每日最小能耗與得太陽能量 圖 溫室每月最小能耗與得太陽能量 小能耗為 溫室太陽能輻射得熱量可 以滿足溫室供熱能耗需求 供熱方案及其適用性分析 溫室的太陽輻射得熱量大于其熱損失量 多 余的熱量可以儲存在土壤中 待夜晚太陽能不足 時重新利用 為了保證極端天氣和太陽能不足天 氣的供熱需求 綜合考慮初投資 使用時間 運行 費用選用電能作為輔助熱源 土壤蓄熱供暖系統(tǒng)圖見圖 土壤蓄熱方法 在溫室頂端設置高效空氣 水換熱器 在溫室內土 壤下 深平鋪換熱盤管 并在土壤深度 處和溫室圍護結構邊界處設置隔熱層 以 水作為介質將溫室內富余能量儲存到土壤或將土 壤內蓄積能量釋放到溫室內 該系統(tǒng)主要依靠溫 度檢測設備采集土壤不同深度溫度及空氣溫度 圖 土壤蓄熱供暖系統(tǒng) 通過調節(jié)換熱器開關 水泵 閥門來達到控制室內 溫度環(huán)境的目的 該溫室供熱還需備用不少于 的電 加熱設備 當在土壤蓄熱系統(tǒng)調控室內溫度仍突 破其溫度下限時 通過人工調控電加熱設備 使溫 室內達到預設溫度要求 供熱方案適用性驗證 分析拉薩地區(qū)近十年供暖期間 溫室大棚得 到太陽能總量是其在設定溫度下通過圍護結構最 小能耗的 倍 每日得到太陽能總量大于其 在設定溫度下通過圍護結構最小能耗的概率大于 通過土壤蓄熱供熱可充分利用這部分太陽 能資源 該項目蓄熱土壤為 該土壤蓄熱 能力是土壤溫度高于 所具有的蓄熱量 蓄熱 能力大于 按熱負荷計算溫室日耗熱 量為 因太陽能資源充足 可保證土 壤充分蓄熱 考慮溫差和邊界熱傳遞散熱 蓄熱 量仍可保證不少于 的溫室耗熱量 可保證供 暖溫室內 以上的時間段內溫度高于 該項目供熱方案耗能設備主要為高效空氣 水換 熱器 水 泵 電加熱設備等平均每日耗能低于 直接電加熱供熱平均每日耗能高于 經計算在該項目土壤蓄熱與電加熱 輔助相結合的供熱方式比直接電加熱供熱節(jié)能 以上 具有較高經濟 生態(tài)價值 總結 通過建立的數學模型 分析出供熱期間該溫 北 方 園 藝 月 上 室一般每日太陽輻射得熱量是在設定溫度下通過 圍護結構最小能耗的 倍 該溫室在供熱期 間得太陽能量可以滿足室內植物正常生長熱能需 求 該溫室使用土壤蓄熱與電加熱輔助相結合的 方式供熱可行且節(jié)能 該供暖方式耗能較少 在 該溫室應用與直接電加熱供熱對比節(jié)能 以上 具有較高經濟價值 此研究的計算 分析方 法可為其它溫室供熱設計提供參考 對溫室供熱 設計具有較高價值 參考文獻 郝慶英 賈兵 高林朝 等 有機相變蓄熱材料對蔬菜大棚冬 季溫度的影響 河南科學 果海鳳 相變蓄熱技術應用于溫室大棚中的傳熱和節(jié)能特 性研究 北京 北京工業(yè)大學 彭月明 權志鵬 地面輻射采暖應用于溫室大棚的策略研究 吉林農業(yè) 蔣綠林 蔡佳霖 呂長寧 等 溫室大棚多熱源熱泵供暖系統(tǒng) 的研究 太陽能學報 余學江 嚴寒地區(qū)日光溫室主動太陽能供暖系統(tǒng)研究 大慶 東北石油大學 趙全云 利用生物質燃料的氣化加熱設備設計與分析研究 太原 太原理工大學 趙江龍 嚴寒地區(qū)日光溫室室內熱環(huán)境的研究 哈爾 濱 哈爾濱工業(yè)大學 李芬 趙晉斌 段善旭 等 種斜面月平均總輻射模型評估 及光伏陣列最佳傾角研究 太 陽 能 學 報 溫室加熱系統(tǒng)設計規(guī)范 中華人民共和國機械行業(yè)標準 農村實用工程技術 溫室園藝 中國農業(yè)百科全書總編輯委員會 中國農業(yè)百科全書 蔬菜 卷 北京 中國農業(yè)出版社 陳艷 張科智 魯長琴 固定式光伏方陣最佳傾角的計算與 分析 太陽能學報 第 期 北 方 園 藝