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蔬菜大棚恒溫工程解決方案
時間：2016-11-24
空氣能熱泵是一種節能、環保型制冷、采暖空調設備，不僅適用于家庭、醫院、學校、公司等場所，也可以廣泛應用于農作物恒溫種植。空氣能熱泵機組系統內冷媒介質大量吸收空氣中的免費熱能用于制熱，比電鍋爐等傳統制熱方式省電75%；無燃燒，無廢氣、一氧化碳等有害氣體排放，不會像燒煤或秸稈對空氣環境造成污染，也不會對農作物產生污染，更不會出現火災等安全隱患；電腦全自動化控制，有效控制溫室大棚內的溫、濕度，確保作物更好的生長；無需專人維護，減省勞動力。
空氣能熱泵空調機組主要分為普通型和超低溫型，可以滿足我國南方及北方90%以上寒冷地區使用。并采用美國谷輪ZW熱泵熱水專用壓縮機，應用柔性渦旋技術，更能適應在惡劣環境下長時間穩定運行，并設置多重安全保護，有效保障產品使用壽命。同時，采用國際品牌電子膨脹閥、專用高效換熱器、鎂鋁合金風機、親水性波紋翅片蒸發器等頂級零配件，確保產品一流的品質。相比那些采用空調壓縮機等零配件的空氣能熱泵，本公司生產的空氣能熱泵制熱性能更強，制熱量提升30%～100%，運行壽命更長，可以使用10年左右。并且，中標的各大中小型工程案例多，設計經驗豐富，可以為客戶制定最佳的解決方案，節省投資及安裝成本，降低運行費用，實現最好的經濟效益。因此，得到了廣大客戶的認可。
第一節、蔬菜溫室大棚空氣能采暖熱負荷計算依據及設備選型
一、工程概況
1、該蔬菜大棚位于北京市房山區；采用的是玻璃結構溫室大棚。
2、蔬菜溫室大棚的尺寸為：長50米，寬15米，高3米。
3、現在擬采用超低溫空氣能熱泵機組來完成蔬菜大棚冬季采暖工作。
二、蔬菜溫室大棚設計參數依據
1、室外計算溫度
上表為各大城市室外設計溫度推薦值/攝氏度
2、室內設定溫度
溫室采暖室內設計溫度溫室采暖室內設計溫度是溫室內應該保證(在采暖設計條件下)達到的最低溫度。
上表為溫室常見蔬菜的適宜溫度范圍／攝氏度
摘自：中華人民共和國機械行業標準JB／T10297--2001《溫室加熱系統設計規范》。
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，蔬菜和蔬菜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，其最低生長發育溫度在12——16攝氏度，有些品種可能要求18攝氏度，一般可將室內設計溫度設定為15攝氏度比較適宜。蔬菜品種對溫度的要求范圍較寬，從10～22攝氏度不等，一般考慮應在15～18攝氏度；本方案取16攝氏度。
三、蔬菜溫室大棚空氣能熱泵采暖的要求：
1、供暖系統要有足夠的供熱能力，能夠在室外設計溫度下保持室內所需要的溫度，保證溫室內植物的正常生長；
2、是采暖系統的一次性投資和日常運行費用要經濟合理，保證正常生產能夠盈利；
3、是要求溫室內溫度均勻，散熱設備遮陽少，占用空間小，設備運行安全可靠。
四、在正常條件下溫室大棚的熱量計算因素
(1)經過屋頂、地面、墻、門窗等圍護結構傳導和輻射出的熱量
(2)加熱經過門、窗、圍護結構縫隙滲入空氣所需的熱量
(3)加熱進入溫室內冷物料所需要的熱量
(4)由于溫室內水分蒸發所消耗的熱量
(5)通風耗熱量
(6)作物生理生化轉化交換的能量。
五、蔬菜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。基本傳熱量是通過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。
(一)蔬菜溫室大棚的尺寸為：長50米，寬15米，高3米，圍護結構傳熱計算
1．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／(平方米．K)×（50米×15米+50米×3米×2面+15米×3米×2面）×【16攝氏度-（-12攝氏度）】
＝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／(平方米．K)；
Fi——溫室圍護結構(屋面、墻面、門、窗等)的傳熱面積，平方米；
Tn，Tw——分別為溫室室內外采暖設計溫度，攝氏度。
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。
上表為溫室圍護結構常用材料傳熱系數K／[W／(平方米．K)]
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。
(1)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，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6.5。
下表為溫室結構形式附加修正系數口：
(2)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，風速越大，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。下表為給出了風力附加修正系數的取值范圍。
(二)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×（50米×15米×3米）×1.365×【16攝氏度-（-12攝氏度）】＝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＝NVγ
N——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，立方米；
γ——空氣的容重，千克/立方米。
上式中N與V的乘積是以立方米/小時為單位的換氣速率。
下表為不同結構溫室設計換氣次數
下表為不同溫度下空氣的容重
（三)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，如圖6.1。
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。
圖6.1地面靠近外墻溫度分布假定傳熱系數的含義是：溫室通過地面傳出的熱量等同于一個假定傳熱系數條件下，室內外空氣溫差通過地面面積傳遞的熱量。依此概念，溫室地面的散熱量就可以采用與溫室圍護結構相同的公式來計算
Q3＝∑KiFi(Tn一Tw)＝0.47×（48m×13m）×【16攝氏度-（-12攝氏度）】＝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／(平方米．K)；
Fi——第i區的地面面積，平方米；
Tn，Tw——分別為溫室室內外采暖設計溫度，攝氏度。
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，其傳熱量與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，如圖6.2。
在地面無保溫層的條件下，各帶的傳熱系數如表6.9。
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(圖中陰影地段)，應加倍計算。
如果溫室采用半地下式，則上述地面的分段安圖6.3執行，即將室外地坪以下的墻體作為地面，順序推進。
下表為地面分段及假定傳熱系數/[W／(平方米．攝氏度)]
(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，按表6.5選取；
α2——風力附加系數，按表6.6選取；
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。
六、超低溫空氣能熱泵機組的選型
超低溫空氣能熱泵機組在環境溫度-7度時制熱量為：58.9kw，輸入功率為17.8KW；現在按照冬天-7攝氏度的時間段來選取空氣能熱泵機組，故選取：181.7KW÷58.9KW=3.08臺。根據以上綜合計算，選取4臺超低溫空氣能熱泵機組能滿足環境溫度-13攝氏度時蔬菜大棚采暖的需求。
第二節溫室大棚采暖系統與供暖方式
溫室采暖就是選擇適當的供熱設備以滿足溫室采暖負荷要求。在計算求得溫室采暖耗熱量后，選擇什么樣的采暖方式是采暖設計中第二個需要解決的問題。采暖系統一般由熱源、室內散熱設備和熱媒輸送系統組成。目前用于溫室的采暖方式主要有熱水采暖、蒸汽采暖、熱風采暖、電熱采暖和輻射采暖等。實際應用中應根據溫室建設當地的氣候特點、溫室的采暖負荷、當地燃料的供應情況和投資與管理水平等因素綜合考慮選定。
目前超低溫空氣能熱泵供暖末端采暖方式也開始多樣化：1、地板輻射供暖，2、風機盤管供暖。
1、地板輻射采暖原理：通過埋設于地板下的加熱管，把地板的表面溫度加熱，通過均勻地向室內輻射熱量達到采暖效果。適用居所：新建住宅小區，不具備集中供熱條件或分散的別墅住宅，精裝修公寓。
2、風機盤管供暖原理：通過出風口提供熱源供暖。適用居所：多聯機系統適用于層高較低，對各個房間要求精確溫控的場合；冷熱水系統適用于建筑層高不太高，對各個房間要求獨立溫控的場合；風管系統適用于各空調區使用時間相對集中、溫度要求差別不大的場合。
