基于温室供热设计的温室热量得失研究.pdf

北 方 园 艺 设施园艺 第一作者简介 牛晓科 男 硕士 研究方向为新能 源和可再生能源开发与应用 责任作者 罗景辉 男 硕士 讲师 现主要从事新 能源和可再生能源开发与应用等研究工作 基金项目 河北省暖通空调工程技术研究中心运行绩效后 补助经费资助项目 收稿日期 基于温室供热设计的温室热量得失研究 牛 晓 科 罗 景 辉 刘 欢 赵 政 通 赵 东 雪 高 建 丽 河北工程大学 能源与环境工程学院 河北 邯郸 河北省暖通空调工程技术创新中心 河北 邯郸 摘 要 以拉萨市某温室为例 提出一种新的热平衡分析方法 通过建立数学模型计算 温室热量得失 对比分析得出温室供热期间太阳辐射的热量是其最小耗热量的 倍 结合 经济效益分析 确定了土壤蓄热与电加热结合的供热方式 采用该供热方式与采用直接电 加热供热相比节能 以上 经济效益明显 此温室内热平衡分析方法对温室供热设计 具有较高价值 关键词 温室 供热 热负荷 太阳能 土壤蓄热 中图分类号 文献标识码 文章编号 温室是用来栽培植物的建筑 在其内部温度 较低时 需要通过供热提高温室内空气 地表土壤 温度 促进室内植物快速生长 温室内供热方法 多种多样 传统的供热方式是使用燃煤锅炉 近年 来由于国家对节能环保的重视 不允许采用燃煤 锅炉 急需寻找一种清洁热源 国内对温室供热 研究较多 主要采用相变蓄热供热 土壤蓄热 供热 热 泵 供 热 主 动 太 阳 能 供 暖 系 统 供 热 生物质燃料的气化加热 等 温室作为特殊建筑 具有富集太阳能的功效 在为温室供热设计时需要分析其热量得失情况 温室得热量主要来自前屋面薄膜收集到的太阳辐 射能 国内外对其得太阳能分析较少 赵江龙 根据每月平均日得太阳辐射能计算温室自薄膜吸 收到的太阳辐射量 未详细分析地面太阳能反射 及同月每日得太阳能的差异性 该研究建立数学 模型分析得太阳辐射能量 设定温室最小温度分 析最小耗热量 分析温室内热量得失差异 综合考 虑其热负荷 初投资 使用时间 运行费用确定适 合的供热方式 为温室供热设计提供参考 图 温室大棚剖面图 温室太阳辐射能计算模型建立 温室大棚物理模型建立 工程地 点 西 藏 拉 萨 市 东 经 北 纬 温室类型 节能日光温室大棚 结构及参 数 温室大棚东西长 南北宽 后 脊高 东西北面墙采用 双墙 中 空方式砖混结构 双墙没面厚度为 骨架 采用镀锌钢管 保温膜采用双层充气塑料膜 保温 棉毡使用常用的 厚棉毡 图 各围护结构传热系数 东西北墙传热系数 为 后 坡 传 热 系 数 为 薄 膜 传 热 系 数 为 保 温 棉 毡 传 热 系 数 为 温室太阳辐射得热量 根据文献 温室大棚薄膜表面的太阳辐射 总量由直接太阳辐射量 天空散射辐射量和地面 反射辐射量 个部分组成 由于温室薄膜表面为 曲面 计算太阳总辐射量时 将其曲面近似为一平 斜面 以 年 月至 年 月为例 将温 室大棚作为一个封闭系统 以外墙 后坡 薄膜外 表面及温室大棚所占地上表面为边界 建立数学 模型 计算出温室大棚每日 每小时太阳辐射得热 量和太阳辐射总得热量 温室薄膜上直射太阳辐射量 式 中 水 平 面 太 阳 直 射 辐 射 量 为大气透明度的函数 取决于云量 水蒸气和微粒的浓度 其计算表达式如下 式 中 为斜面倾角 为当地纬度 为太阳赤纬角 为水平面太阳日落 时角 为倾斜面上太阳日落时角 温室薄膜上散射辐射量 等分别于 年 年提 出天空散射各向异性的模型 认为倾斜面上天空 散射辐射量是由太阳光盘的辐射量和其余天空穹 顶同质分布的散射辐射量 个部分组成 其表达 式如下 式 中 为水平面散射辐射量 为水平面总辐射量 为大气层外水平面辐射量 通常 可 在气象资料查得该区域水平面上的总辐射和散射 辐射量 是求薄膜表面散射辐射的重点 其计 算表达式如下 式 中 为太阳常数 温室薄膜上反射辐射量 倾斜面上的总辐射还包含由地面的反射辐 射 运用 定律 将地面的反射辐射看成 是各向同性的 得到表达式如下所示 式 中 为地面反射率 该研究中 取其 平均值 温室得到的太阳能辐射总量 温室大棚薄膜上的太阳辐射总量由直接太阳 辐射量 天空散射辐射量和地面反射辐射量 个 部分之和组成 温室大棚吸收太阳能总的得热量 式 中 为温室大棚吸收太阳能总量 为塑料薄膜采光面积 为透光率 因为温室大棚采用的双层充气塑料膜透光率是 考虑环境等其它因素影响 透光率取 塑料薄膜采光面积为 根据以上分析 查 出每小时平面总辐射量 散射辐射量和直射辐射 量代入模型 即可模拟确定大棚每时 每日 每月 温室太阳辐射得热量 温室大棚热负荷分析 植物生长适宜的环境温度 温室大棚的室内设计温度应根据植物生长 所需温度来确定 文献 中给出了多种蔬菜 适宜生长温度 一般的蔬菜作物在 的情 况下 缓慢生长 在 的情况下 正常生 长 在 的情况下 快速生长 在温度超过 时 农作物的生长速度下降 同时植物的生 长对土壤温度也有具体要求 在不同的土壤温度 北 方 园 艺 月 上 下 植物生长情况有所不同 一些常见蔬菜作物 的主要根群深度及温度要求见表 大多数蔬菜 的土壤温度上限为 由此分析将温室大棚 内空气温度上限设为 温度下限设为 根系土壤温度上限设为 表 蔬菜瓜果类植物的适宜温度 种类 白天温度 夜间温度 深土温度 最高 适宜 适宜 最低 最高 适宜 最低 主要跟群深度 西红柿 茄子 辣椒 黄瓜 西瓜 甜瓜 传热损失 式 中 为温室维护结构的传热损失 为 第 种 围 护 结 构 的 传 热 系 数 为第 种围护结构的表面积 为 室 内 设 计 温 度 为 室 外 设 计 温 度 温室设计温度 取 室外设计温度 取 将温室大棚各个系数带入 得出 渗透热损失 风速 式 中 为渗透热损失 风速 为风力 因子 为温室空气体积 为每小时换气次 数 根据围护结构密封性 分析得知 算得 地面热损失 式 中 为地面热损失 为第 区 地面传热系数 为第 区面 积 温室大棚内地面计算点距外护结构距离小 于 可作为同一区计算 为 算得 温室热负荷 式 中 温室热负荷 为传热损失 渗 透热损失 与地面热损失 之和 热平衡分析及供热方案的制订 温室热平衡分析 温室热平衡分析从温室大棚太阳辐射得热量 和热损失 个方面进行分析 通过 对拉萨 市 年 月至 年 月的 日温室大 棚覆盖时间优化分析 使温室打开棉毡后得太阳 能量大于其因此造成的热损失 确定每日 为打开棉毡吸收太阳辐射能时间 将温室 大棚所在地每小时平面总辐射量 散射辐射量和 直射辐射量代入 中计算公式 得到温室大棚 每时 每日太阳能吸收量 通过对拉萨地区 年 月至 年 月 室外温度与温室每小时能耗分析 可知室内外温 差的平均值远大于室内外温差的波动值 将温室 作为一个系统来研究其最小热能损耗 当温室达 到其所在时间内能达到的温度最低值时 其热能 损耗最小 在打开温室大棚棉毡后温室大棚内空 气温度会迅速上升 因此设温室温度每日 为 其余时间为 得出温室每小 时 每日最小耗热量 由图 可知 通过能耗分析 每日 得到的太阳能辐射量远大于其在该时间段 内设定温度下通过围护结构的散热量 一般每日 至次日 得到太阳能辐射总量是在设 定温度下通过围护结构最小能耗的 倍 由 图 可知 个月内温室得到太阳辐射总量为 在设定温度下通过围护结构最 第 期 北 方 园 艺 图 温室每日最小能耗与得太阳能量 图 温室每月最小能耗与得太阳能量 小能耗为 温室太阳能辐射得热量可 以满足温室供热能耗需求 供热方案及其适用性分析 温室的太阳辐射得热量大于其热损失量 多 余的热量可以储存在土壤中 待夜晚太阳能不足 时重新利用 为了保证极端天气和太阳能不足天 气的供热需求 综合考虑初投资 使用时间 运行 费用选用电能作为辅助热源 土壤蓄热供暖系统图见图 土壤蓄热方法 在温室顶端设置高效空气 水换热器 在温室内土 壤下 深平铺换热盘管 并在土壤深度 处和温室围护结构边界处设置隔热层 以 水作为介质将温室内富余能量储存到土壤或将土 壤内蓄积能量释放到温室内 该系统主要依靠温 度检测设备采集土壤不同深度温度及空气温度 图 土壤蓄热供暖系统 通过调节换热器开关 水泵 阀门来达到控制室内 温度环境的目的 该温室供热还需备用不少于 的电 加热设备 当在土壤蓄热系统调控室内温度仍突 破其温度下限时 通过人工调控电加热设备 使温 室内达到预设温度要求 供热方案适用性验证 分析拉萨地区近十年供暖期间 温室大棚得 到太阳能总量是其在设定温度下通过围护结构最 小能耗的 倍 每日得到太阳能总量大于其 在设定温度下通过围护结构最小能耗的概率大于 通过土壤蓄热供热可充分利用这部分太阳 能资源 该项目蓄热土壤为 该土壤蓄热 能力是土壤温度高于 所具有的蓄热量 蓄热 能力大于 按热负荷计算温室日耗热 量为 因太阳能资源充足 可保证土 壤充分蓄热 考虑温差和边界热传递散热 蓄热 量仍可保证不少于 的温室耗热量 可保证供 暖温室内 以上的时间段内温度高于 该项目供热方案耗能设备主要为高效空气 水换 热器 水 泵 电加热设备等平均每日耗能低于 直接电加热供热平均每日耗能高于 经计算在该项目土壤蓄热与电加热 辅助相结合的供热方式比直接电加热供热节能 以上 具有较高经济 生态价值 总结 通过建立的数学模型 分析出供热期间该温 北 方 园 艺 月 上 室一般每日太阳辐射得热量是在设定温度下通过 围护结构最小能耗的 倍 该温室在供热期 间得太阳能量可以满足室内植物正常生长热能需 求 该温室使用土壤蓄热与电加热辅助相结合的 方式供热可行且节能 该供暖方式耗能较少 在 该温室应用与直接电加热供热对比节能 以上 具有较高经济价值 此研究的计算 分析方 法可为其它温室供热设计提供参考 对温室供热 设计具有较高价值 参考文献 郝庆英 贾兵 高林朝 等 有机相变蓄热材料对蔬菜大棚冬 季温度的影响 河南科学 果海凤 相变蓄热技术应用于温室大棚中的传热和节能特 性研究 北京 北京工业大学 彭月明 权志鹏 地面辐射采暖应用于温室大棚的策略研究 吉林农业 蒋绿林 蔡佳霖 吕长宁 等 温室大棚多热源热泵供暖系统 的研究 太阳能学报 余学江 严寒地区日光温室主动太阳能供暖系统研究 大庆 东北石油大学 赵全云 利用生物质燃料的气化加热设备设计与分析研究 太原 太原理工大学 赵江龙 严寒地区日光温室室内热环境的研究 哈尔 滨 哈尔滨工业大学 李芬 赵晋斌 段善旭 等 种斜面月平均总辐射模型评估 及光伏阵列最佳倾角研究 太 阳 能 学 报 温室加热系统设计规范 中华人民共和国机械行业标准 农村实用工程技术 温室园艺 中国农业百科全书总编辑委员会 中国农业百科全书 蔬菜 卷 北京 中国农业出版社 陈艳 张科智 鲁长琴 固定式光伏方阵最佳倾角的计算与 分析 太阳能学报 第 期 北 方 园 艺