温室采暖热负荷计算

二、温室采暖热负荷的概念 (一)温室加温原理 温室加温原理 根据植物学原理，植物在整个生命周期中所发生的一切生物化学作用，都必须在一定 的环境温度条件下进行。当植物生命所需要的其他因子都得到基本满足时，在一定的温度 范围内，环境温度与植物生长发育成正相关，一般每种植物都对应有一个最低生长温度、 最高生长温度和最适宜生长温度。环境温度低于最低生长温度或高于最高生长温度时，植 物将停止生长，而环境温度在最适宜时，植物生长发育最快，植物的这个特性简称为生长 生长 三基点温度。当环境温度稍微低于最低生长温度或稍微高于最高生长温度时，植物虽然停 三基点温度 止生长，但仍然能够存活，只要温度恢复到三基点温度内，植物仍继续生长。从植物生命 的角度讲，每种植物还有一个生命极限温度指标，当植物生存环境温度超过这个温度范围 时，植物的生命系统遭受到破坏，植物死亡。即使环境温度再恢复到到三基点温度内，植 物也不能继续生长。不同种类的植物的生命极限和三基点温度不同，在我国北方大部分地 区冬天室外温度较低，不能始终保持在作物生命极限的最低温度之上，因此露地作物不能 进行生产。 根据热力学定律，只要存在温度差，热量就会自发的从高温物体传向低温物体，即从 温度高的地方流向温度低的地方。温室生产一般室内温度都要高于室外温度，因此温室每 时每刻都在向室外散发着热量，损失着能量。白天由于太阳辐射和室外较高温度的共同作 用，温室内温度基本可以维持在植物生长的最低温度以上，但到了夜晚，由于没有了太阳 辐射，室外温度又偏低，大量热量通过温室围护结构传向室外，如果没有额外热量补充， 室内温度往往会低于植物生长的最低温度，甚至低于植物的生命极限最低温度。这种情况 下，温室必须配置采暖系统，以补充室内热量的不足。在一定的室外温度条件下，维持温 室温度保持在某一值时所需要向温室补充的热量称为采暖热负荷 采暖热负荷。采暖热负荷是温室采暖 采暖热负荷 设计中最基本的参数，其值计算的正确与否，将直接影响到供暖设备的大小，供暖方案的 选择和制定以及供暖系统的使用效果。
温室加温采暖热负荷 一、采暖的目的和设计的基本程序 二、温室采暖热负荷的概念 (一)温室加温原理 一 温室加温原理 (二)温室的热量平衡 二 温室的热量平衡 (三)温室设计采暖热负荷 三 温室设计采暖热负荷 三、温室采暖热负荷计算 (一)温室采暖室内外设计温度 一 温室采暖室内外设计温度 (二)通过围护结构传热计算 二 通过围护结构传热计算 (三)冷风渗透热损失 三 冷风渗透热损失 (四)温室采暖热负荷 四 温室采暖热负荷
(二)温室的热量平衡 二 温室的热量平衡 温室是利用覆盖材料和围护结构将某一空间与露地隔离开的一种设施。我们把覆盖 温室 材料以内包含的一切物质(包括空气、作物、设备、土壤等)作为一个系统，这个系统同 任何一个物体或系统一样，与其周围环境时刻都在以辐射、对流和传导等方式进行着 热量交换(在这里不考虑物质交换)。设进入温室的热量为Q，传出温室的热量为U，由 此引起温室内能的变化量为AE，根据能量平衡原理，可得到温室的能量变化方程为： ∆E＝Q—U 当Q大于U时，则∆E大于0，多余的热量蓄积于温室系统内，提高了系统的内能，因 而温室系统的温度就有了相应的提高。由传热学得知，在其他条件相同的情况下，物 体的失热量，随着物体自身温度的提高而增大；物体的得热量，随着物体自身温度的 提高而减少。所以当Q大于U时，通过提高自身的温度水平，增大了向外传出的热量， 减少了本身的得热能力，促使Q和U向着反方向变化，直至传人的热量Q与传出的热量U 相等为止，反之亦然。温室系统以上述方式通过调节自身的温度水平，维持着系统与 外界环境间的能量平衡，因为环境条件与系统状况是在不断变化的，这个平衡也只能 是一个动态的平衡。 根据温室的热平衡原理，在一定的环境条件下，只要增大传人温室的热量或者减 小温室传出的热量，就能使温室的温度维持在一个较高的水平，反之只要减小温室传 人的热量或者增大温室传出的热量，就能使温室的温度维持在一个较低的水平。因此 ，对不同的地区，不同的季节，不同用途的温室可以在某些特定的保温、加温或降温 的工程条件下，通过控制与外界产生的物质与能量的交换数量，从而维持不同需要的 温度和湿度环境。
(三)温室设计采暖热负荷 在实际工程中，由于室外的温度、风速、风向、光照等都是在不断地变化， 所以热量的损失也是随时间变化的。对于供暖工程设计来讲，不能计算温室每 一刻时间内需要补充的热量，而是选择一个非常不利的条件，计算其需要补充 的热量，即温室在保持所要求的温度条件下，在某一段时间内，温室内得到的 热量与损失的热量应取得收支平衡。如果温室满足了在这个条件下需要补充的 热量，即可满足实际生产中其他绝大部分条件下温室的加温需要。因此在供暖 工程设计中，首先要确定一些设计条件(例如：采暖室外设计温度、室内设计温 度、室外风速等)，根据选定的设计条件计算得出的供热量，称为采暖设计热负 荷。采暖设计热负荷是温室加温的主要参数，是温室采暖设计的基础。此值也 是设计时选择散热设备和供热设备的主要依据。显然这个数值如果过大，会使 初始投资增加，造成浪费；如果过小，则不能满足使用要求，使生产有可能遭 受严重损失。 实际工程中，由于室外环境最低温度一般出现于后半夜至凌晨，此时的供热 量要求最大，因此温室设计一般用此刻的供热量作为采暖设计热负荷。以下将 以室外最低温度出现时段为基础，进行温室热平衡的分析。
三、温室采暖热负荷计算 (一)温室采暖室内外设计温度 根据传热学原理，温室散热量的大小与室内外温差成正比，温差越大，散热量越 多，因此，合理选择温室的采暖室内、外设计温度，对于正确确定温室的供热负荷有 至关重要的作用，是进行供热计算中首先要确定的参数。 1．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。 温室采暖系统不同于民用建筑的舒适性采暖系统，温室采暖是为了保证作物正常 生产而配备的，属于生产工艺配置，必须满足生产工艺的要求。不同种作物或同种作 物的不同品种或相同品种作物的不同生长阶段，对环境温度都有不同的要求。一般来 讲，温室最大加热负荷出现在冬季最寒冷的夜间，因此温室采暖室内设计温度一般应 根据栽培作物正常生长发育所需要的夜间适宜温度来确定。如果温室设计已经特定了 某一品种，则应按照这种品种正常生长发育所要求的温度确定。各种种植品种采暖要 求的适宜温度范围，可参照表6．1选取，也可咨询种植栽培专家或有关咨询服务机构 。采暖设计的室内温度具体数值应根据当地燃料价格、加热成本和植物产品市场情况 和销售价格，经过经济效益核算确定。另外温室的使用目的不同，室内设计温度选取 也不同。如：科研温室，由于试验要求可能需要模拟夏季的环境，因此要求温度可高 一些。
1．温室传人的热量 夜间没有太阳辐射，现场一般不会有工作人员，即使有 且发热量也非常有限；温室的照明或其他用电设备(如开窗、拉幕电机、循 环风扇等)一般都很小，工作时间也很短，因此可不计其发热量，夜间一般 没有物料进出温室，因此 Q1＝Q2＝Q3＝0 但假如温室内有补光照明设备，尤其是植物光合作用补光设备时，其设备 发热量对温室供热量有一定影响，此时可根据其工作周期考虑是否计算其设 备发热量。 2．温室传出的热量 一般情况下，夜间不进行通风换气，通风系统不工作； 夜间植物的蒸腾作用很微弱，作物生理生化能量转换相对而言微不足道；夜 间由于温室内温度是由高逐渐降低，温室内水分的冷凝量一般大于蒸发量， 理论上应该是温室得热；夜间一般没有物料进出温室，因此 U3＝U4＝U5＝U6=0 这样，温室采暖设计热负荷便简化为 Q＝U1+U2 式中Q——温室供暖热负荷，W； U1——由经过屋顶、地面、墙、门窗等围护结构传导出和辐射出的热量， 简称围护结构热损失，W； U2——加热经过门、窗及围护结构缝隙等渗入的冷空气所需的热量，简 称冷风渗透热损，W； 即温室采暖设计热负荷由经过屋顶、地面、墙、门窗等围护结构传导出和 围护结构传导出和 辐射出的热量和室内空气经过门、窗、围护结构缝隙逸出所带走的热量 逸出所带走的热量两部 辐射出的热量 逸出所带走的热量 分组成。
温室加温
温室冬季生产需要消耗大量能源。有人指出，温室生产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lOkg黄瓜需消耗5L石油，比粮食生产消耗的能量高50～60倍。全世界农业 生产中一年的耗能量有35％用于温室加温，温室能源消耗的费用占温室生产总费用 的15％～40％。20世纪70年代以前，国外的温室生产所用的燃料价格低，并且充 足；1973年“石油危机”以来，受燃料供应与价格的影响，全世界设施园艺的发 展受到很大的冲击。 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。我国南方 地区的连栋温室，尤其是花卉生产温室和育苗温室，冬季生产也需要进行加温或临 时加温。 一般，连栋温室加温年耗煤量约为90～150kg／m2，燃煤成本占整个生产成本的 30％～50％。设计不合理的温室或地处严寒地区的温室，加温耗煤可能会远远超 出上述指标，如沈阳市1996年引进的荷兰大型连栋温室，冬季种植花卉耗煤达 2300 t／hm2，相当于耗煤230kg／m2之多。因此，能量消耗大是影响大型温室经 济效益的重要因素之一。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。
在正常条件下温室的热量损失为： (1)经过屋顶、地面、墙、门窗等围护结构传导和辐射出的热量，设 为Ul； (2)加热经过门、窗、围护结构缝隙渗入空气所需的热量，设为U2； (3)加热进入温室内冷物料所需要的热量，设为U3； (4)由于温室内水分蒸发所消耗的热量，设为U4； (5)通风耗热量，设为U5； (6)作物生理生化转化交换的能量，设为U6。 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。 根据温室能量变化方程可得到 ΔE =Q1+Q2+Q3+Q4-U1-U2-U2-U3-U4-U5-U6 如果维持温室温度不变，则要求ΔE＝0 Ql+Q2+Q3+Q4-U1-U2-U2-U3-U4-U5-U6=0 温室的加温系统供热量为 Q＝Ul+U2+U3+U4+U5+U6-Q1-Q2-Q3 由上分析，我们得到了温室加热量的动态计算公式，它与温室内外的 温差、温室的外表面积、温室围护结构的传热系数、温室的密闭性能、 温室的冬季通风换气量等有关，还与温室覆盖材料的透光性能、太阳辐 射强度等有关，可以根据环境条件计算出温室每时每刻的供热量。