大棚温室采暖热负荷计算.doc
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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2300t／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。
第一节温室加温采暖热负荷
温室是生产性建筑，对供暖系统的设计应该满足以下要求：
首先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；其次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；最后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。
一、温室采暖热负荷的概念
（一）温室加温原理
自然界中温度分布是随着时间和空间的变化而变化的，在时间上温度随着四季和昼夜交替而周期性的变化，在空间上温度随着纬度和海拔的升高而降低。
温度的这些变化，对植物的生长和发育的各个方面都有不同的影响。
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。
采暖热负荷是温室采暖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。
（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：
ΔE＝Q—U
当Q大于U时，则ΔE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。
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。
（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。
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两部分组成。
二、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。
表6．1温室常见果菜的适宜温度范围／℃
种类
白天气温
夜间气温
100mm深土温
最高
适宜
适宜
最低
最高
适宜
最低
番茄
35
20~25
8~13
5
25
15~18
13
茄子
35
23~28
13~18
10
25
18~20
13
辣椒
35
25~30
15~20
12
25
18~20
13
黄瓜
35
23~28
10~15
8
25
18~20
13
西瓜
35
23~28
13~18
10
25
18~20
13
甜瓜
35
25~30
18~23
15
25
18~20
13
摘自：
中华人民共和国机械行业标准JB／T10297--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℃。
2．温室采暖室外设计温度任何地区的气象环境都是时刻变化的，如果取最不利的条件去计算采暖负荷，就会使供暖设备容量在多数时间内有富余，造成初投资的浪费；而如果按经常发生的条件设计，又可能会使供暖设备满足不了恶劣条件下的使用要求。
温室与普通民用建筑不同，普通建筑材料（砖、钢筋混凝土等）的热惰性比较大，环境气温变化时，根据其热惰性不同，一般需要几个小时，才能波及到室内，且波动幅度也较小，因此民用建筑采暖设计温度采用日平均温度作为统计计算值。
而作为温室透光覆盖材料的玻璃、塑料薄膜或PC板等材料的热惰性都很小，保温能力较差，当室外温度发生变化时，室内温度跟随其波动响应时间很短（如玻璃仅几分钟），基本没有滞后，温度波动幅度与室外温度变化相当。
因此不能按普通民用建筑采暖温度的取值方法确定。
民用建筑热工设计规程系按多年最低温度的平均值和极端最低温度的加权平均，根据建筑的热惰性指标确定采暖室外设计温度。
一般计算按近30年气象资料统计确定，如果气象资料不足，至少也应有近10年的气象数据。
这种计算方法排除了极端最低温度，可以减小温室的采暖设计负荷。
由于在确定室内采暖设计温度时已考虑到一定的安全度，所以即使外界气温下降到极端最低温度时，室内温度也不致下降太大，况且极端最低温度的持续时间不会太长，因此不至于严重影响室内温度。
我国机械行业标准《温室加温系统设计规范》中建议采用近20年最冷日温度的平均值作为室外设计温度推荐值（见表6．2）。
这种方法完全没有考虑极端最低温度，似乎有点欠缺。
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
摘自：
中华人民共和国机械行业标准《温室加热系统设计规范》JB／T10297—2001
美国供热、制冷、与空气调节工程师学会（ASHEAE）发表的“新建筑物设计节能”中规定，如果房屋是轻型围护结构，同时有大面积的玻璃，而且室温控制要求比较高时，应取最低温度平均值或满足99％气温需要的温度为供暖室外设计温度。
这种取值方法比较科学，我国温室也应该效仿这种方法取值。
（二）通过围护结构传热计算
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。
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
q＝KF（Tn-Tw）
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）
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K
材料名称
传热系数K
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
如果围护结构的材料非单一均质材料，而是由多种材料复合而成，作为一个整体，复合结构材料的传热系数按下式计算
式中
αn——外围护结构内表面的对流换热系数，一般αnon＝8．72W／（m’．K）；
αw——外围护结构外表面的对流换热系数，一般αw＝23．26W／（m2·K）；
δi——外围护结构各层材料的厚度，m；
λi——外围护结构各层材料的导热系数，W／（m·K）。
温室常用建筑保温材料的导热系数如表6．4。
标6．4温室常用建筑材料导热系数／λ
材料名称
干容量/（kg/m3）
导热系数/[W/（m·K）
钢筋混凝土
2500
1.74
加气混凝土
700
0.22
加气混凝土
500
0.19
水泥砂浆
1800
0.93
重砂浆砌筑黏土砖砌体
1800
0.81
轻砂浆砌筑黏土砖砌体
1700
0.76
重砂浆砌筑黏土空心砖砌体
1400
0.58
聚苯板
100
0.047
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
（三）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）
式中
Q2——温室冷风渗透热损失，W；
Cp——空气的定压比热，Cp＝0.279kW．h／（kg·℃）；
m——冷风渗透进入温室的空气质量，kg；m＝NVγ
N——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
（四）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）
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。
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