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大棚采暖解決方案—空氣源熱泵采暖
發布時間:2015-11-02 16:38:00 點擊:

一、工程概況

    根據客戶提供信息:

    某蔬菜溫室大棚,長50m,寬15M,高3M,現在擬采用超低溫空氣源熱泵來完成冬季大棚采暖工作。

二、 設計參數

    該地區的氣候特征屬于大陸型中亞熱帶季風濕潤氣候,冬季最冷氣溫可達到-15℃,最冷月出現在1月,平均氣溫為 -17℃,如此豐富的熱量資源,為空氣源熱泵設備提供了良好的工作條件。

三、系統運行環境:

    本工程的熱水供應系統應滿足以下幾個方面的條件:

    氣象條件(甘肅):

    冬季室外計算相對濕度:55%

    冷水計算溫度(當地冬季月平均水溫):10℃

    冷水計算溫度(當地夏季月平均水溫):15℃

    冬季室外干球溫度(當地最冷月平均氣溫):-12℃

    冬季平均風速2.6m/s

四、熱負荷計算和設備選擇:

   (1)采暖的目的與設計要求

    作物的生長發育要求在一定的溫度條件下進行。在我國北方地區,自深秋至春季;為了使園藝設施內的氣溫、地溫保持在作物生長發育的適宜范圍內,就必須進行補充加溫——采暖。采暖設計應滿足以下要求:

    1.采暖設備的容量應保持設施內的設定溫度(地溫及氣溫)。

    2.設施內空間溫度分布應均勻,時間變化應平穩,因此要求采暖設備配置合理,調節能力高。

    3.遮蔭少、占地少,便于栽培作業操作。

    4.設備投資少,加溫費用低。

  (2)設計的基本程序

    采暖設計,首先要根據設施的結構、地理位置等因素進行最大采暖負荷的計算;其次,依據設施所在地及用途等具體條件確定采暖所用熱媒。最后根據最大采暖負荷及采暖方式進行散熱設備、管道及鍋爐容量計算等。

  (3)最大采暖負荷的計算:最大采暖負荷是采暖設計的基本數據,其大小直接影響到整個設施經濟性。

  (4)能量平衡

    一個完整的能量平衡系統包括太陽能及其通過覆蓋材料的透射、通風換熱、冷風滲透熱損失、與地面的熱交換、作物生理生化能量的轉換、長波輻射、工作人員和設備產生的熱量以及加熱系統的供熱等。但由于最大采暖負荷的計算是基于冬季凌晨的特定時刻,其中的許多因素都可以不考慮。在此時,沒有太陽輻射,通風系統不工作。由于加熱期的地面溫度穩定接近室內的空氣溫度,地面熱交換很小,作物生理生化能量轉換相對而言很微弱;除采暖系統外照明或其它設備也均不運行。這樣,最大采暖負荷就可簡化為用以平衡設施通過圍護結構的傳熱和冷風滲透兩項熱損失的能量需求。

  (5)圍護結構的傳熱耗熱量

   1、溫室或大棚通過其各個暴露的表面的傳熱耗熱量可用下式計算:

   q1=k?F?(tn-tW)(1-fr)(4―1―1)

     =4.8(W/m2?K)×(50m×3m×2+15m×3m×2+50×15)×【24-(-13)】×(1-0.4)

     =121478.4W=121.5KW

    式中q1——圍護結構的傳熱耗熱量,W;

         k——圍護結構的傳熱系數,W/m2?℃;

         F——圍護結構的面積,m2;

         tn——冬季室內計算溫度,℃;

         tw——冬季室外計算溫度,℃;

         fr——熱節省率。

    2、整個設施的圍護結構傳熱耗熱量Q1等于它的圍護結構各部分基本傳熱耗熱量q1的總和。

    Q1=∑q1=∑kF(tn-tW)(1-fr)(4-1-2)

    冷風滲透耗熱量按下式計算

    Q2=0.00028NV(tn-tW)(4-1-3)

      =0.00028×1.25×(50m×15m×3m) ×【24-(-13)】 =29.1KW

    式中,N為溫室與外界的空氣交換率,也稱換氣次數,以每小時的完全換氣次數為單位;V為溫室內部體積,m3。(N與V的乘積則是以m3/hr為單位的換氣速率)。不同溫室結構的換氣次數見表4-1-8

    3、總的耗熱量為:q1+ Q2=121.5KW+29.1KW=150.6KW

    4、選擇塞上陽光牌超低溫型空氣源熱泵機組,在環境溫度-7度時制熱量為:49kw,輸入功率為23.7KW;現在按照冬天-7℃的時間段來選取空氣源熱泵機組,故選取:150.6KW÷49KW=3.07臺

    根據以上綜合計算,選取3臺塞上陽光超低溫空氣源熱泵機組能滿足環境溫度-13℃時大棚采暖的需求.

  (6)設計依據說明

    1.冬季室內計算溫度tn

    在影響作物生長、發育的環境條件中,溫度是一個重要因素。由于作物生長發育本身是一個相當復雜的過程,而且存在許多不可避免的隨機因素或未知因子。這些將會導致生理過程發生波動,使作物生長發育的適宜溫度具有一定變化范圍,即適宜溫度范圍。作物各自都有最低溫度、最適溫度和最高溫度“三基點溫度”(表4-1-1,表4-1-2),在最適溫度條件下,當其它環境條件得到滿足時,作物干物質積累速度最快,作物生長發育迅速而良好。冬季室內計算溫度即由此而定。

蔬菜種類

生長時期

對溫度的要求(℃)

適宜溫度

最高溫度

最低溫度

白天

夜間

黃  瓜

苗期

22±3

28

22

15

苗期到開始結瓜

24±4

33

22

15

結瓜期

26±4

38

24

15

茄  子

苗期

20±4

28

20

15

苗期到開始結果

22±4

30

20

15

結果期

26±4

34

24

12

番茄、辣椒

苗期

18±3

26

18

10

苗期到開始結果

22±3

28

20

10

結果期

22±4

30

22

6

南  瓜

苗期

20±3

26

22

12

苗期到開始結瓜

22±4

30

22

12

結瓜期

24±4

34

22

10

菜  豆

結莢前

20±3

25

20

15

結莢期

22±4

30

22

12

菠  菜

 

16±4

25

14

2

白菜、芹菜、萵苣、茴香、蒿子桿

 

18±6

30

15

2


種類

繁殖適溫

生育適溫

成花適溫

備      注

種子發芽(℃)

插木發根(℃)

日氣溫
(℃)

夜氣溫
(℃)

日氣溫
(℃)

夜氣溫
(℃)

蕙蘭

 

 

18-26

20-25

 

15-18

花芽形成需15℃左右,6-8周花蕾在25℃-30℃可消蕾

仙客來

18-20

 

20-25

10-15
13-15

 

16-17

花蕾在25℃以上即產生高溫障礙。

 

18

18
17-18
18-21

16
17
 

17-20

16-20

 

郁金香

 

20-25

16-18

9-13

 

香石竹

 

16-18

18-25

9-14

 

 

夜溫超過15℃,則切花品質下降。

薔薇

 

13-20

21-26

12-18

 

 

 

玫瑰

20-22

20-22

20-25

18-20

13-15

 

鐵炮百合

 

 

20-24

13-18

18-23

13-16

 

 

    2.冬季室外計算溫度tW

    冬季室外計算溫度tw如何確定,對采暖系統設計有很關鍵性的影響。如采用過低的tw值,使采暖系統造價增加;如采用值過高,則不能保證采暖效果。由于溫室、大棚結構的特殊性,tw值亦不能簡單地套用工業與民用建筑中供暖室外計算溫度。

美國溫室制造業協會(NGMA)的《溫室設計標準》中建議采用美國加熱、制冷、空調工程師學會(ASHRAE)手冊或其它氣候資料中的推薦數據。使用ASHRAE的手冊時,一般取出現概率為97.5%的冬季干球溫度。

國內目前對冬季室外計算溫度的選取沒有統一標準,可按冬季空調室外計算溫度選定tw值,進行設施的圍護結構耗熱量計算。冬季空調室外計算溫度可在暖通設計手冊中查出,但對于一些局域性氣候帶應根據實際情況確定氣象參數。表4-1-3給出了我國北方地區主要城市的一些統計數據。 

  

地  名

溫度(℃)

地  名

溫度(℃)

哈爾濱

-29

北  京

-12

吉  林

-29

石家莊

-12

沈  陽

-21

天  津

-11

錦  州

-17

濟  南

-10

烏魯木齊

-26

連云港

-7

克拉瑪依

-24

青  島

-9

銀  川

-18

徐  州

-8

蘭  州

-13

鄭  州

-7

西  安

-8

洛  陽

-8

呼和浩特

-21

太  原

-14

3.圍護結構的傳熱系數k

    由于設施結構中有非透光材料,計算時應分別進行計算。表4-1-4列出了一些常見材料的傳熱系數k。對于一些新興的特殊材料,計算時應咨詢生產廠家。

    鑒于溫室支撐結構的材料多為金屬,在使用k值計算透光覆蓋材料的熱損失時乘以一個結構系數,以考慮包括屋脊、窗框、屋檐、天溝和骨架等結構的影響。見表4-1-5。

材料名稱

k值(W/m2·K)

材料名稱

k值(W/m2·K)

單層玻璃

6.4

墻體材料

 

雙層玻璃

4.0

瓦楞水泥石棉板

6.5

保溫玻璃

廠商提供

混凝土,100mm厚

4.4

單層塑料膜*

6.8

混凝土,200mm厚

3.3

雙層充氣塑料膜

4.0

混凝土塊,100mm厚

3.6

單層玻璃上覆蓋單層塑料膜

4.8

混凝土塊,200mm厚

2.9

單層玻璃上覆蓋雙層塑料膜

3.4

保溫板

廠商提供

FRP瓦楞板

6.8

內表面抹灰磚墻24磚墻

2.08

結構塑料板(冬季)**

 

內表面抹灰磚墻37磚墻

1.57

16mm厚

3.3

內表面抹灰磚墻49磚墻

1.27

8mm厚

3.7

 

 

6mm厚

4.1

 

 

    4.圍護結構的面積F

    由于圍護結構的傳熱耗熱量是按不同材料分別計算的,對每部分圍護結構的傳熱面積也應該分別計算。

耗熱量計算中面積可按各部分圍護結構的幾何尺寸進行計算。

    5.熱節省率fr

    對溫室、大棚等設施,由于有透光的要求,其覆蓋材料的傳熱系數一般都很大,若不采取一定的措施,單憑一層薄膜在大多數情況下是不能夠在設施內造成適宜作物生長的溫度。對加溫溫室采用多層覆蓋后,可有效地減少熱量通過透明覆蓋材料的散失,使采暖負荷減小,其減小的比例稱為保溫覆蓋的“熱節省率”fr。保溫覆蓋的方式和材料不同,熱節省率fr也不同,一般約為25~60%,見表4-1-6。

表4-1-6  保溫覆蓋的熱節省率(fr)

保溫方法

保溫覆蓋材料

熱節省率

玻璃溫室

塑料大棚

雙層固定覆蓋

玻璃、聚氯乙烯薄膜
聚乙烯薄膜

0.40
0.35

0.45
0.40

一層保溫幕

聚乙烯薄膜
聚氯丙烯薄膜
不織布
混鋁薄膜
鍍鋁薄膜、鋁箔聚乙烯層膜

0.30
0.35
0.25
0.40
0.50

0.35
0.40
0.30
0.45
0.55

兩層保溫幕

兩層聚乙烯薄膜
聚乙烯薄膜+鍍鋁薄膜或鋁箔聚乙烯夾層

0.45
0.65

0.45
0.65

外面覆蓋

溫室用草苫

0.60

0.65

層覆蓋能有效地抑制熱量的散失,如不加溫的大棚,當外界氣溫為-3℃時,外面加蓋草簾比單層聚乙烯薄膜的棚內溫度提高5~7℃;雙層薄膜比單層薄膜的棚內溫度提高3~5℃,三層薄膜的棚內溫度提高5~6℃。

對新型外覆蓋材料熱節省率,可向生產廠家咨詢。

   (三)冷風滲透耗熱量

    在風壓和熱壓造成的室內外壓差作用下,室外的冷空氣通過溫室的縫隙滲入室內,被加熱后逸出。把這部分冷空氣從室外溫度加熱到室內溫度所消耗的熱量,稱為冷風滲透耗熱量Q2。

    影響冷風滲透耗熱量的因素很多,如門窗的構造、朝向、室外風向和風速、室內外空氣溫度差等。對于溫室等園藝設施,在工程設計中,冷風滲透耗熱量主要考慮風壓的作用,可忽略熱壓的影響。

    根據美國溫室制造業協會的《溫室設計標準》規定:冷風滲透耗熱量的計算通常是基于風速小于6.7m/s。由于風速增大、圍護結構的傳熱耗熱量也將增大,所以對于風速持續超過上述基準的地區,溫室的圍護結構傳熱耗熱量應乘以一個風速系數。

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