蔬菜大棚解決方案

 對于空氣源熱泵應(yīng)用于種植溫室是否可行，下面以種植溫室大棚低溫采暖耗熱負荷為例，擬采用普瑞思頓空氣源熱泵來完成種植溫室大棚冬季采暖工作。

簡 述

1、溫室大棚冬季采暖需要消耗大量能源。有人指出，溫室采暖的燃油消耗量和溫室生產(chǎn)的蔬菜干物質(zhì)之比是5；1或10：1，能量大量消耗，利用率僅為40％一50％。在日本，每生產(chǎn)lOkg黃瓜需消耗5L石油，比糧食生產(chǎn)消耗的能量高50～60倍。
2、我國除熱帶地區(qū)的溫室冬季生產(chǎn)不需要加溫外，大部分地區(qū)冬季都比較寒冷，有的地區(qū)嚴寒期甚至長達120～200天，要保證種植作物的正常生長和發(fā)育，溫室生產(chǎn)，都必須配置加溫，人工補充熱量。根據(jù)所在地區(qū)不同，溫室加溫的時間也長短不一，東北地區(qū)加溫時間大約需要5～6個月，華北地區(qū)需要3—5個月。
3、目前，我國建設(shè)的大型溫室，北緯35。左右地區(qū)，冬季加溫耗能費約占總成本的30％一40％，北緯40。左右地區(qū)約占40％一50％，北緯43。及以上地區(qū)約占60％～70％。為降低溫室運行成本，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效益，溫室規(guī)劃設(shè)計中必須對加溫系統(tǒng)的設(shè)計給予高度重視。
4、一般的連棟溫室采暖年耗煤量約為90～150kg／m2，燃煤成本占整個生產(chǎn)成本的30％～50％。設(shè)計不合理的溫室或地處嚴寒地區(qū)的溫室，加溫耗煤可能會遠遠超出上述指標，如沈陽市1996年引進的荷蘭大型連棟溫室，冬季種植花卉耗煤達2300 t／hm2，相當于耗煤230kg／m2之多。因此，能量消耗大是影響大型溫室經(jīng)濟效益的重要因素之一。
普瑞思頓熱泵種植大棚低溫采暖

5、空氣源熱泵采暖特點節(jié)能。
空氣源熱泵的能量利用效率較高，并且能有效地利用冷房中排出的熱量和其他多種排熱，因此是節(jié)能型空調(diào)系統(tǒng)。
安全性較高?？諝庠礋岜门c其他空調(diào)系統(tǒng)相比，不需要燃料的燃燒，沒有發(fā)生火災(zāi)和爆炸的危險。
潔凈?？諝庠礋岜弥皇怯脻崈舻哪茉矗弘?，不需要燃燒裝置，不會產(chǎn)生大氣污染。
運行管理，維修方便。由于空氣源熱泵全部是電氣化空調(diào)系統(tǒng)，故與具有燃燒裝置的系統(tǒng)相比，運行管理、維修方便。

第一節(jié)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
根據(jù)客戶提供信息：
1、該溫室大棚采用的是玻璃結(jié)構(gòu)溫室大棚。
2、種植溫室大棚大棚的尺寸為：長50m，寬15M，高3M，
3、現(xiàn)在擬采用普瑞思頓空氣源熱泵來完成花卉大棚冬季采暖工作。

二、種植溫室大棚大棚設(shè)計參數(shù)依據(jù)
1、室外計算溫度
 

表6．2  室外設(shè)計溫度推薦值／℃

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。

表6．1  溫室常見果菜的適宜溫度范圍／℃
 

表6．1  溫室常見果菜的適宜溫度范圍／℃

摘自：中華人民共和國機械行業(yè)標準JB／T 10297--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，蔬菜和花卉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℃，有些品種可能要求18℃，一般可將室內(nèi)設(shè)計溫度設(shè)定為15℃比較適宜。花卉品種對溫度的要求范圍較寬，從10～22℃不等，一般考慮應(yīng)在15～18℃；本方案取16℃.

三、種植溫室大棚大棚空氣源熱泵采暖的要求：
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(dǎo)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。

在正常條件下溫室的得熱量為：
(1)太陽輻射熱量，設(shè)為Q1；
(2)人體、照明、設(shè)備運行的發(fā)熱量，設(shè)為Q2；
(3)進入溫室內(nèi)熱物體的散熱量，設(shè)為Q3；
(4)加溫系統(tǒng)的供熱量，設(shè)為Q4。

五、種植溫室大棚大棚圍護結(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)種植溫室大棚大棚的尺寸為：長50m，寬15M，高3M，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)
      ＝4.0 W／(m2．K)×（50m ×15m+50m ×3m×2面+15m×3m×2面）×【16℃-（-12℃）】
      ＝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／(m2．K)；
 Fi——溫室圍護結(jié)構(gòu)(屋面、墻面、門、窗等)的傳熱面積，m2；
Tn，Tw——分別為溫室室內(nèi)外采暖設(shè)計溫度，℃。
    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。表6．3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。

表6．3  溫室圍護結(jié)構(gòu)常用材料傳熱系數(shù)K／[W／(m²．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(fù)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。

表6．5  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。表6．6給出了風力附加修正系數(shù)的取值范圍。

表6．6  風力附加修正系數(shù)口：

 (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×（50m×15m×3m）×1.365×【16℃-（-12℃）】

＝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，m3；

γ——空氣的容重，kg／m3。

上式中N與V的乘積是以m3／h為單位的換氣速率。不同結(jié)構(gòu)溫室的換氣次數(shù)見表6．7。同溫度下空氣的容重如表6．8。

表6．7  不同結(jié)構(gòu)溫室設(shè)計換氣次數(shù)

表6．8  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(fù)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℃-（-12℃）】
  ＝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／(m2．K)；
    Fi——第i區(qū)的地面面積，m2；
Tn,Tw——分別為溫室室內(nèi)外采暖設(shè)計溫度，℃。
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。

表6.9 地面分段及假定傳熱系數(shù)/[W／(m²．℃)]

(五)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選取；

α2——風力附加系數(shù)，按表6．6選??；

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、超低溫空氣源熱泵的選型
    結(jié)合普瑞思頓超低溫型機組,在環(huán)境溫度-7度時制熱量為：43.8kw,輸入功率為18.6KW；現(xiàn)在按照冬天-7℃的時間段來選取空氣源熱泵機組，故選?。?81.7KW÷43.8KW=4.15臺

    根據(jù)以上綜合計算，當?shù)囟咀罾錃鉁乜蛇_-13℃左右，故選取5臺西萊克LSQ20R超低溫空氣源熱泵機組能以滿足環(huán)境溫度-13℃時花卉大棚采暖的需求.

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。末端采暖系統(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、栽植類型、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。
   
目前超低溫空氣源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，3、散熱片供暖。

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。
3、散熱片供暖原理：以集中供暖為熱源的方式。適用居所：普通住宅小區(qū)，有集中供暖條件的住宅。

    根據(jù)上述三種方式供暖末端采暖并結(jié)合客戶實際情況，考慮種植品種不適宜于過高的風速環(huán)境中生長，所以供暖末端不宜采用風機盤管。地板輻射供暖雖效果較為理想，但地埋管嚴禁重壓和在地面上釘尖銳的東西且花卉大棚結(jié)構(gòu)安裝限制故不采用地板輻射。散熱片供暖的散熱屬于緩慢的自然循環(huán)，適合于該大棚種植品種生成和大棚結(jié)構(gòu)的安裝，建議該花卉大棚供暖末端使用散熱片供暖方式解決。