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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(jié)能、環(huán)保型制冷、采暖空調(diào)設(shè)備，不僅適用于家庭、醫(yī)院、學校、公司等場所，也可以廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物恒溫種植?？諝饽軣岜脵C組系統(tǒng)內(nèi)冷媒介質(zhì)大量吸收空氣中的免費熱能用于制熱，比電鍋爐等傳統(tǒng)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(huán)境造成污染，也不會對農(nóng)作物產(chǎn)生污染，更不會出現(xiàn)火災等安全隱患；電腦全自動化控制，有效控制溫室大棚內(nèi)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(diào)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(qū)使用。并采用美國谷輪ZW熱泵熱水專用壓縮機，應(yīng)用柔性渦旋技術(shù)，更能適應(yīng)在惡劣環(huán)境下長時間穩(wěn)定運行，并設(shè)置多重安全保護，有效保障產(chǎn)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(fā)器等頂級零配件，確保產(chǎn)品一流的品質(zhì)。相比那些采用空調(diào)壓縮機等零配件的空氣能熱泵，本公司生產(chǎn)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(shè)計經(jīng)驗豐富，可以為客戶制定最佳的解決方案，節(jié)省投資及安裝成本，降低運行費用，實現(xiàn)最好的經(jīng)濟效益。因此，得到了廣大客戶的認可。
第一節(jié)、蔬菜溫室大棚空氣能采暖熱負荷計算依據(jù)及設(shè)備選型
一、工程概況
1、該蔬菜大棚位于北京市房山區(qū)；采用的是玻璃結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(shè)計參數(shù)依據(jù)
1、室外計算溫度
上表為各大城市室外設(shè)計溫度推薦值/攝氏度
2、室內(nèi)設(shè)定溫度
溫室采暖室內(nèi)設(shè)計溫度溫室采暖室內(nèi)設(shè)計溫度是溫室內(nèi)應(yīng)該保證(在采暖設(shè)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(yè)標準JB／T10297--2001《溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》。
如果沒有特定種植品種的計劃，采暖室內(nèi)設(shè)計溫度應(yīng)該以喜溫作物為設(shè)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(fā)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(nèi)設(shè)計溫度設(shè)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(yīng)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(tǒng)要有足夠的供熱能力，能夠在室外設(shè)計溫度下保持室內(nèi)所需要的溫度，保證溫室內(nèi)植物的正常生長；
2、是采暖系統(tǒng)的一次性投資和日常運行費用要經(jīng)濟合理，保證正常生產(chǎn)能夠盈利；
3、是要求溫室內(nèi)溫度均勻，散熱設(shè)備遮陽少，占用空間小，設(shè)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(jīng)過屋頂、地面、墻、門窗等圍護結(jié)構(gòu)傳導和輻射出的熱量
(2)加熱經(jīng)過門、窗、圍護結(jié)構(gòu)縫隙滲入空氣所需的熱量
(3)加熱進入溫室內(nèi)冷物料所需要的熱量
(4)由于溫室內(nèi)水分蒸發(fā)所消耗的熱量
(5)通風耗熱量
(6)作物生理生化轉(zhuǎn)化交換的能量。
五、蔬菜溫室大棚圍護結(jié)構(gòu)傳熱計算
通過溫室圍護結(jié)構(gòu)的傳熱量包括基本傳熱量和附加傳熱量兩部分?；緜鳠崃渴峭ㄟ^溫室各部分圍護結(jié)構(gòu)(屋面、墻體等)由于室內(nèi)外空氣的溫度差從室內(nèi)傳向室外的熱量。附加傳熱量是由于溫室結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)傳熱計算
1．基本傳熱量圍護結(jié)構(gòu)的基本傳熱量是根據(jù)穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的總傳熱量，包括屋面、墻面、門、窗等外圍護結(jié)構(gòu)的傳熱量，W；
Ki——溫室圍護結(jié)構(gòu)(屋面、墻面、門、窗等)的傳熱系數(shù)，W／(平方米．K)；
Fi——溫室圍護結(jié)構(gòu)(屋面、墻面、門、窗等)的傳熱面積，平方米；
Tn，Tw——分別為溫室室內(nèi)外采暖設(shè)計溫度，攝氏度。
對于單一材料的圍護結(jié)構(gòu)，材料的傳熱系數(shù)K可直接從有關(guān)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(shù)。對特殊溫室透光覆蓋材料，應(yīng)咨詢生產(chǎn)廠家。
上表為溫室圍護結(jié)構(gòu)常用材料傳熱系數(shù)K／[W／(平方米．K)]
2．附加傳熱量按照穩(wěn)定傳熱計算出的溫室圍護結(jié)構(gòu)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(xiàn)狀等因素(如高度、朝向、風速等)有關(guān)。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(jù)多年累積的經(jīng)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(jié)構(gòu)形式修正和風力修正。
(1)結(jié)構(gòu)形式修正(α1)
溫室透光覆蓋材料必須有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)支撐。目前支撐結(jié)構(gòu)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(tǒng)一考慮上述因素，采用結(jié)構(gòu)形式附加傳熱量進行修正，不同溫室結(jié)構(gòu)形式的附加修正系數(shù)見表6.5。
下表為溫室結(jié)構(gòu)形式附加修正系數(shù)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(jié)構(gòu)與外界的溫熱主要由圍護結(jié)構(gòu)的外表面與環(huán)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(guān)。室外風速直接影響圍護結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)，風速越大，表面換熱系數(shù)越大，才應(yīng)傳熱越快。在計算圍護結(jié)構(gòu)基本傳熱量時，所選用的外表面換熱系數(shù)是對應(yīng)于某個固定自室外風速值得來的。工業(yè)與民用建筑由于圍護結(jié)構(gòu)傳熱熱阻遠高于溫室，風速對外表面放熱系數(shù)的影響在整個圍護結(jié)構(gòu)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(shù)的變化對整個散熱量影響較大，在冬季加溫期間風力指續(xù)較大的地區(qū)，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(shù)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(shù)的取值范圍。
(二)冷風滲透熱損失
冬季，室外冷空氣經(jīng)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(nèi)。這部分冷空氣從室外溫度加熱到室內(nèi)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(zhì)量，kg；m＝NVγ
N——溫室與外界的空氣交換率，亦稱換氣次數(shù)，以每小時的完全換氣次數(shù)為單位；
V——溫室內(nèi)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(jié)構(gòu)溫室設(shè)計換氣次數(shù)
下表為不同溫度下空氣的容重
（三)地面?zhèn)鳠釤釗p失
溫室地面的傳熱情況與墻、屋面有很大區(qū)別。室內(nèi)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(shù)，土壤各層的傳熱系數(shù)K就更難確定。
分析溫室空氣向土壤的傳熱溫度場發(fā)現(xiàn)，加溫期間溫室地面溫度穩(wěn)定接近室內(nèi)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(shù)法。
圖6.1地面靠近外墻溫度分布假定傳熱系數(shù)的含義是：溫室通過地面?zhèn)鞒龅臒崃康韧谝粋€假定傳熱系數(shù)條件下，室內(nèi)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(jié)構(gòu)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(qū)的地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W／(平方米．K)；
Fi——第i區(qū)的地面面積，平方米；
Tn，Tw——分別為溫室室內(nèi)外采暖設(shè)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?zhèn)鳠嵯禂?shù)也隨之各異，靠近外墻的地面，由于熱流經(jīng)過的路程較短，熱阻小，傳熱系數(shù)就大，而距外墻較遠的地方傳熱系數(shù)就小。根據(jù)實驗知道，在距外墻6m以內(nèi)的地面，其傳熱量與距外墻的距離有較顯著的關(guān)系，6m以外則幾乎與距離無關(guān)。因此，在工程中一般采用近似計算，將距外墻8m以內(nèi)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(shù)如表6.9。
需要說明的是位于墻角第一個2m內(nèi)的2m×2m面積的熱流量是較強的(圖中陰影地段)，應(yīng)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(zhí)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(shù)/[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(jié)構(gòu)附加系數(shù)，按表6.5選?。?br/>α2——風力附加系數(shù)，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?zhèn)鳠崃?，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(huán)境溫度-7度時制熱量為：58.9kw，輸入功率為17.8KW；現(xiàn)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?。?81.7KW÷58.9KW=3.08臺。根據(jù)以上綜合計算，選取4臺超低溫空氣能熱泵機組能滿足環(huán)境溫度-13攝氏度時蔬菜大棚采暖的需求。
第二節(jié)溫室大棚采暖系統(tǒng)與供暖方式
溫室采暖就是選擇適當?shù)墓嵩O(shè)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(shè)計中第二個需要解決的問題。采暖系統(tǒng)一般由熱源、室內(nèi)散熱設(shè)備和熱媒輸送系統(tǒng)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(yīng)用中應(yīng)根據(jù)溫室建設(shè)當?shù)氐臍夂蛱攸c、溫室的采暖負荷、當?shù)厝剂系墓?yīng)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(shè)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(nèi)輻射熱量達到采暖效果。適用居所：新建住宅小區(qū)，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(lián)機系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)適用于各空調(diào)區(qū)使用時間相對集中、溫度要求差別不大的場合。
