《热泵市场》杂志
前言
1、温室大棚冬季采暖需要消耗大量能源。有人指出，温室采暖的燃油消耗量和温室生产的蔬菜干物质之比是5：1或10：1，能量大量消耗，利用率仅为40％一50％。在日本，每生产10kg黄瓜需消耗5L石油，比粮食生产消耗的能量高50～60倍。
2、我国除热带地区的温室冬季生产不需要加温外，大部分地区冬季都比较寒冷，有的地区严寒期甚至长达120～200天，要保证种植作物的正常生长和发育，温室生产，都必须配置加温，人工补充热量。根据所在地区不同，温室加温的时间也长短不一，东北地区加温时间大约需要5～6个月，华北地区需要3～5个月。
3、目前，我国建设的大型温室，北纬35。左右地区，冬季加温耗能费约占总成本的30％一40％，北纬40。左右地区约占40％一50％，北纬43。及以上地区约占60％～70％。为降低温室运行成本，提高产品生产效益，温室规划设计中必须对加温系统的设计给予高度重视。
5、空气源热泵采暖特点节能。
1）空气能热泵的能量利用效率较高，并且能有效地利用冷房中排出的热量和其他多种排热，因此是节能型空调系统。
2）安全性较高。空气能热泵与其他空调系统相比，不需要燃料的燃烧，没有发生火灾和爆炸的危险。
3）洁净。空气能热泵只是用洁净的能源：电，不需要燃烧装置，不会产生大气污染。
4）运行管理，维修方便。由于空气能热泵全部是电气化空调系统，故与具有燃烧装置的系统相比，运行管理、维修方便。
第一节 温室大棚空气能采暖热负荷计算依据及设备选型
一、工程概况
根据客户提供信息：
1、 该温室大棚属于花卉大棚位于河北省衡水市；采用的是玻璃结构温室大棚。
2、 花卉温室大棚的尺寸为：长50m，宽15M，高3M，
3、 现在拟采用超低温空气源热泵来完成花卉大棚冬季采暖工作。
二、花卉温室大棚设计参数依据
1、室外计算温度
表6．2 室外设计温度推荐值／℃
| 城市 | 推荐值 | 城市 | 推荐值 | 城市 | 推荐值 | 城市 | 推荐值 | 城市 | 推荐值 |
| 哈尔滨 | -29 | 吉林 | -29 | 沈阳 | -21 | 锦洲 | -17 | 乌鲁木齐 | -26 |
| 克拉玛依 | -24 | 兰州 | -23 | 银川 | -18 | 西安 | -8 | 北京 | -12 |
| 石家庄 | -12 | 天津 | -11 | 济南 | -10 | 连云港 | -7 | 青岛 | -9 |
| 徐州 | -8 | 郑州 | -7 | 洛阳 | -8 | 太原 | -14 |
2、室内设定温度
温室采暖室内设计温度 温室采暖室内设计温度是温室内应该保证(在采暖设计条件下)达到的最低温度。
表6．1 温室常见果菜的适宜温度范围／℃
摘自：中华人民共和国机械行业标准JB／T 10297--2001《温室加热系统设计规范》。
如果没有特定种植品种的计划，采暖室内设计温度应该以喜温作物为设计对象。同样是喜温作物，蔬菜和花卉所要求的最低温度可能不同。典型的喜温蔬菜，如黄瓜和番茄，其最低生长发育温度在12——16℃，有些品种可能要求18℃，一般可将室内设计温度设定为15℃比较适宜。花卉品种对温度的要求范围较宽，从10～22℃不等，一般考虑应在15～18℃；本方案取16℃.
三、花卉温室大棚空气源热泵采暖的要求
1、供暖系统要有足够的供热能力，能够在室外设计温度下保持室内所需要的温度，保证温室内植物的正常生长；
2、是采暖系统的一次性投资和日常运行费用要经济合理，保证正常生产能够盈利；
3、是要求温室内温度均匀，散热设备遮阳少，占用空间小，设备运行安全可靠。
四、在正常条件下温室大棚的热量计算因素
(1)经过屋顶、地面、墙、门窗等围护结构传导和辐射出的热量
(2)加热经过门、窗、围护结构缝隙渗入空气所需的热量
(3)加热进入温室内冷物料所需要的热量
(4)由于温室内水分蒸发所消耗的热量
(5)通风耗热量
(6)作物生理生化转化交换的能量。
在正常条件下温室的得热量为：
(1)太阳辐射热量，设为Q1；
(2)人体、照明、设备运行的发热量，设为Q2；
(3)进入温室内热物体的散热量，设为Q3；
(4)加温系统的供热量，设为Q4。
五、花卉温室大棚围护结构传热计算
通过温室围护结构的传热量包括基本传热量和附加传热量两部分。基本传热量是通过温室各部分围护结构(屋面、墙体等)由于室内外空气的温度差从室内传向室外的热量。附加传热量是由于温室结构材料、风力、气象条件等的不同，对基本传热量的修正。
(一)花卉温室大棚的尺寸为：长50m，宽15M，高3M，围护结构传热计算
1．基本传热量
围护结构的基本传热量是根据稳定传热理论进行计算，即整个温室的基本传热量等于它的各个围护结构基本传热量的总和，即
Q1＝∑qi＝∑KiFi(Tn-Tw)
＝4.0 W／(m2．K)×（50m ×15m 50m ×3m×2面 15m×3m×2面）×【16℃-（-12℃）】
＝127680W =127.7KW
式中：Q1——通过温室所有围护结构的总传热量，包括屋面、墙面、门、窗等外围护结构的传热量，W；Ki——温室围护结构(屋面、墙面、门、窗等)的传热系数，W／(m2．K)；Fi——温室围护结构(屋面、墙面、门、窗等)的传热面积，m2；Tn，Tw——分别为温室室内外采暖设计温度，℃。
对于单一材料的围护结构，材料的传热系数K可直接从有关手册查取。表6．3列出了温室围护常用透光覆盖材料传热系数。对特殊温室透光覆盖材料，应咨询生产厂家。
表6．3 温室围护结构常用材料传热系数K／[W／(m2．K)]
| 材料名称 | 传热系数 | 材料名称 | 传热系数 |
| 单层玻璃 | 6.4 | FRP瓦楞板 | 6.8 |
| 双层玻璃 | 4.0 | 聚碳酸酯双层中空（PC）板，16mm厚 | 3.3 |
| 单层塑料膜 | 6.8 | 聚碳酸酯三层中空（PC）板，16mm厚 | 3.1 |
| 双层充气塑料膜 | 4.0 | 聚碳酸酯双层中空（PC）板，10mm厚 | 3.7 |
| 单层玻璃上覆盖单层塑料膜 | 4.8 | 聚碳酸酯三层中空（PC）板，8mm厚 | 4.1 |
| 单层玻璃上覆盖双层塑料膜 | 3.4 |
2．附加传热量
按照稳定传热计算出的温室围护结构的基本传热量，并不是温室的全部耗热量，因为温室的耗热量还与它所处的地理位置和它的现状等因素(如高度、朝向、风速等)有关。这些因素是很复杂的，不可能进行非常细致的计算。工程计算中，是根据多年累积的经验按基本传热量的百分率进行附加予以修正。对温室工程，这些附加修正主要包括结构形式修正和风力修正。
(1)结构形式修正（α1）
温室透光覆盖材料必须有相应的结构支撑。目前支撑结构的材料多为金属，主要为铝合金。相比透光覆盖材料，镶嵌这些覆盖材料的金属材料其传热速度和传热量都高，而且镶嵌覆盖材料所用的铝合金条越多，附加传热量就越大。此外，温室的天沟、屋脊、窗框和骨架等都是增大传热量的因素。工程计算中，统一考虑上述因素，采用结构形式附加传热量进行修正，不同温室结构形式的附加修正系数见表6．5。
表6．5 温室结构形式附加修正系数口：
| 结构形式 | 修正系数 | 结构形式 | 修正系数 |
| 金属结构玻璃温室，骨架间距0.4~0.6m | 1.08 | 金属结构塑料薄膜温室 | 1.02 |
| 金属结构玻璃温室，骨架间距0.4~0.6m | 1.05 | 木结构塑料膜或PC浪板温室 | 1.00 |
| 金属结构PC浪板温室 | 1.03 |
(2)风力修正(α2)
风对温室的传热量影响较大，这是因为温室围护结构与外界的温热主要由围护结构的外表面与环境空气的对流换热和辐射两部分组成，其中对流换热与室夕风速有关。室外风速直接影响围护结构外表面换热系数，风速越大，表面换热系数越大，才应传热越快。
在计算围护结构基本传热量时，所选用的外表面换热系数是对应于某个固定自室外风速值得来的。工业与民用建筑由于围护结构传热热阻远高于温室，风速对外表面放热系数的影响在整个围护结构散热量中所占比例很小，一般不予考虑，但温室由于透光覆盖材料的热阻一般都较小，表面放热系数的变化对整个散热量影响较大，在冬季加温期间风力指续较大的地区，必须在供热计算中考虑风力影响因素。
一般随风速变化采用风力附加修正系数来考虑风速对温室基本传热量的增量。表6．6给出了风力附加修正系数的取值范围。
表6．6 风力附加修正系数口：
| 风速(m/s) | 6.71 | 8.94 | 11.18 | 13.41 | 15.65 |
| 修正系数 | 1.00 | 1.04 | 1.08 | 1.12 | 1.16 |
(二)冷风渗透热损失
冬季，室外冷空气经常会通过镶嵌透光覆盖材料的缝隙、门窗缝隙，或由于开门、开窗而进入室内。这部分冷空气从室外温度加热到室内温度所需的热量称为冷风渗透热损失。
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——温室冷风渗透热损失，W；Cp——空气的定压比热，Cp＝0.00028kW．h／(kg·℃)；m——冷风渗透进入温室的空气质量，kg；m＝NVγN——温室与外界的空气交换率，亦称换气次数，以每小时的完全换气次数为单位；V——温室内部体积，m3；γ——空气的容重，kg／m3。
上式中N与V的乘积是以m3／h为单位的换气速率。不同结构温室的换气次数见表6．7。同温度下空气的容重如表6．8。
表6．7 不同结构温室设计换气次数
| 温室形式 | 换气次数/N | 温室形式 | 换气次数/N |
| 新温室 | 单层玻璃上覆盖塑料薄膜 | 0.90 | |
| 单层玻璃，玻璃搭接缝隙不密封 | 1.25 | 旧温室 | |
| 单层玻璃，玻璃搭接缝隙密封 | 1.00 | 维护保养好 | 1.50 |
| 塑料薄膜温室 | 0.60~1.00 | 维护保养差 | 2.00~4.00 |
| PC中空板温室 | 1.00 |
表6．8 不同温度下空气的容重
| 温度/℃ | -20 | 0 | 10 | 20 |
| 容量（kg/m3） | 1.365 | 1.252 | 1.206 | 1.164 |
(三)地面传热热损失
温室地面的传热情况与墙、屋面有很大区别。室内空气直接传给地面的热量不能用Q＝KAΔt来计算，因为土壤的厚度无法计算，向土壤深处传热位置的温度也是一个未知数，土壤各层的传热系数K就更难确定。
分析温室空气向土壤的传热温度场发现，加温期间温室地面温度稳定接近室内空气温度，温室中部向土壤深层的传热量很小，只有在靠近温室外墙地面的局部传热较大，而且越靠近外墙，温度场变化越大，传热量也越多，这部分热量主要是通过温室外墙传向室外，如图6．1。
由于上述温度场的变化比较复杂，要准确计算传热量是很困难的。为此，在工程上采用了简化计算方法，即假定传热系数法。
图6.1 地面靠近外墙温度分布假定传热系数的含义是：温室通过地面传出的热量等同于一个假定传热系数条件下，室内外空气温差通过地面面积传递的热量。依此概念，温室地面的散热量就可以采用与温室围护结构相同的公式来计算
Q3＝∑KiFi(Tn一Tw)
＝0.47×（48m×13m）×【16℃-（-12℃）】
＝8211.8W=8.2KW
式中：Q3——通过温室地面的总传热量，W；Ki——第i区的地面传热系数，W／(m2．K)；Fi——第i区的地面面积，m2；Tn,Tw——分别为温室室内外采暖设计温度，℃。
鉴于外界气温对地面各段传热影响不同，地面传热系数也随之各异，靠近外墙的地面，由于热流经过的路程较短，热阻小，传热系数就大，而距外墙较远的地方传热系数就小。根据实验知道，在距外墙6m以内的地面，其传热量与距外墙的距离有较显著的关系，6m以外则几乎与距离无关。因此，在工程中一般采用近似计算，将距外墙8m以内的地段分为每2m宽为一地带，如图6.2。在地面无保温层的条件下，各带的传热系数如表6.9。
需要说明的是位于墙角第一个2m内的2m×2m面积的热流量是较强的(图中阴影地段)， 应加倍计算。
如果温室采用半地下式，则上述地面的分段安图6.3执行，即将室外地坪以下的墙体作为地面，顺序推进。
表6.9 地面分段及假定传热系数/[W／(m2．℃)]
| 地面分段 | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ |
| 距外墙内便面距离 | 0~2m区域 | 2~4m区域 | 4~6m区域 | ›6m区域 |
| 假定传热系数 | 0.47 | 0.23 | 0.12 | 0.07 |
(四)温室采暖热负荷
温室的采暖热负荷按下式计算：
Q＝α1α2Ql Q2 Q3
＝1.04×1.08×127.7KW 30.1kw 8.2KW
＝181.7kw
式中：Q——温室采暖热负荷，W；α1——结构附加系数，按表6．5选取；α2——风力附加系数，按表6．6选取；Q1——温室的基本传热量，W；Q2——温室的冷风渗透热负荷，W；Q3——温室的地面传热量，W。
六、超低温空气源热泵的选型
结合空气源热泵机组参数,在环境温度-7度时制热量为：43.8kw,输入功率为18.6KW；现在按照冬天-7℃的时间段来选取空气源热泵机组，故选取：181.7KW÷43.8KW=4.15台。
根据以上综合计算，当地冬季最冷气温可达-13℃左右，故选取5台超低温空气源热泵机组，用以满足环境温度-13℃时花卉大棚采暖的需求。
第二节 温室大棚采暖系统与供暖方式
温室采暖就是选择适当的供热设备以满足温室采暖负荷要求。在计算求得温室采暖耗热量后，选择什么样的采暖方式是采暖设计中第二个需要解决的问题。末端采暖系统一般由热源、室内散热设备和热媒输送系统组成。
目前用于温室的采暖方式主要有热水采暖、蒸汽采暖、热风采暖、电热采暖和辐射采暖等。实际应用中应根据温室建设当地的气候特点、栽植类型、温室的采暖负荷、当地燃料的供应情况和投资与管理水平等因素综合考虑选定。
目前超低温空气源热泵供暖末端采暖方式也开始多样化：
| 类别 | 原理 |
| 地暖 | 通过埋设于地板下的加热管，把地板的表面温度加热，通过均匀地向室内辐射热量达到采暖效果。适用居所：新建住宅小区，不具备集中供热条件或分散的别墅住宅，精装修公寓。 |
| 风机盘管 | 通过出风口提供热源供暖。适用居所：多联机系统适用于层高较低，对各个房间要求精确温控的场合；冷热水系统适用于建筑层高不太高，对各个房间要求独立温控的场合；风管系统适用于各空调区使用时间相对集中、温度要求差别不大的场合。 |
| 散热片 | 以集中供暖为热源的方式。适用居所：普通住宅小区，有集中供暖条件的住宅。 |
根据上述三种方式供暖末端采暖并结合客户实际情况，考虑种植品种不适宜于过高的风速环境中生长，所以供暖末端不宜采用风机盘管。地板辐射供暖虽效果较为理想，但地埋管严禁重压和在地面上钉尖锐的东西且花卉大棚结构安装限制故不采用地板辐射。散热片供暖的散热属于缓慢的自然循环，适合于该大棚种植品种生成和大棚结构的安装，我公司建议该花卉大棚供暖末端使用散热片供暖方式解决。
版权：以上案例和技术由佛山西莱克供稿。本微获授权微信端独家发布。有对花卉大棚系统需求者，可联系本微工作人员李平云18344292955，也可以在评论和直接私信。
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