日光溫室冬季加溫熱負荷的計算和熱風(fēng)爐補溫試驗驗證

肖林剛，宋兵偉，曹新偉，王 瑞，焦銳斌

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械化研究所/新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程公司，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】日光溫室是把太陽能吸收應(yīng)用于冬季溫室內(nèi)作物生長所需能量的一種生產(chǎn)設(shè)施[1-4]，溫室中墻體是主要的蓄熱體[5-6]，為夜間溫室作物生長提供熱量。日光溫室的前屋面在白天作為采光面為溫室攝入太陽能，是溫室獲得熱能的主要圍護面，而在夜間卻是圍護結(jié)構(gòu)保溫的最薄弱部分，溫室中 60%～80%的熱損失通過前屋面散失[7-10]。目前日光溫室都配備了保溫被，有的還增加了內(nèi)保溫，但在北方冬季，極端天氣下，如果沒有加溫設(shè)備，溫室內(nèi)的作物依然會面臨著低溫凍害現(xiàn)象。實例計算日光溫室加溫設(shè)備的熱負荷，安裝熱風(fēng)爐補溫，對其理論計算能耗進行驗證有重意義。【前人研究進展】Chen Wei etal[11]認為，提高日光溫室墻體蓄熱和保溫性能才是改善室內(nèi)熱環(huán)境的主要因素。朱超等[12-13]試制出了日光溫室后墻添加固化沙增加蓄熱，白天熱空氣吹入后墻，夜間放熱。趙淑梅等[14-16]提出一種新型的空氣蓄熱墻體，該墻體白天通過熱空氣，在墻內(nèi)對流循環(huán)儲熱和夜間的空氣對流放熱來提高溫室內(nèi)溫度。在溫室內(nèi)墻體相變材料運用中，將硬脂酸正丁酯和聚苯乙烯組合，及磷酸氫二鈉與墻體的空心砌塊和瓶膽式結(jié)構(gòu)搭配砌筑測試，結(jié)果顯示，能夠明顯提高墻體的蓄熱能力[17-20]，相變材料為溫室的蓄熱提供了基礎(chǔ)，但相變材料因其成本高，安裝制作勞動量大，難以大范圍推廣，相變材料表現(xiàn)為被動蓄放熱，陰冷天氣表現(xiàn)不佳[21]。趙江龍[22]對日光溫室內(nèi)環(huán)境進行了研究和模擬分析，建立一種物理“相變溫室”模型，并運用FLUENT分析對溫室溫度場分布，得到了溫度場分布規(guī)律?！颈狙芯壳腥朦c】劉傳宏[23]認為，雙膜覆蓋是日光溫室提高保溫性能的有效辦法，在夜晚時段雙膜溫室氣溫、土溫衰減率低于單膜溫室。袁余[24]認為，雙層膜日光溫室氣溫、土壤溫度明顯優(yōu)于單層膜溫室，室內(nèi)溫度也較穩(wěn)定。宋明軍[25]認為，雙層膜日光溫室在使用中會發(fā)生遮光、濕度增大和溫室通風(fēng)障礙等問題。在主動加熱設(shè)備中，運用表冷器主動蓄放熱系統(tǒng)給溫室加熱，晴天表現(xiàn)良好，陰天時表冷器只能收集少量或無法收集到溫室內(nèi)熱量，表冷器使用要求溫室盡量不開窗或少開窗通風(fēng)，不利于對作物的通風(fēng)換氣。董蓬[26]采用了太陽能主動集熱供暖系統(tǒng)，加熱日光溫室氣溫和地溫來提高室內(nèi)溫度。以上蓄熱和加熱設(shè)備中都存在陰天表現(xiàn)不佳的問題。寒冷地區(qū)冬季生產(chǎn)型日光溫室在極端天氣下需要臨時加溫，研究極端天氣及溫室夜間最冷時段的加溫熱負荷，匹配出溫室的臨時加溫設(shè)備?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究各個圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能，取值計算溫室總熱損失量，依據(jù)溫室加溫設(shè)計規(guī)范，計算出日光溫室在一定極端環(huán)境中加溫熱負荷量，為寒冷地區(qū)日光溫室選擇冬季臨時加溫設(shè)備熱負荷提供定量參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 日光溫室

測試地點位于烏魯木齊第12師104團轄區(qū)西山烽火臺小鎮(zhèn)(N43.45°，E87.36°)。全年最冷溫度(1月)-28℃，最高溫度(7月)40℃，海拔1 645 m，年無霜期為130 d，多風(fēng)地帶平均3級風(fēng)向東北，年日照時數(shù) 2 813.5 h。供試日光溫室長80 m，跨度8 m，脊高4.5 m，溫室前屋面覆蓋PO膜和保溫被。保溫被結(jié)構(gòu)組成為：針刺毛氈+雙防水布，其總厚度約為2.5 cm，墻體高2.2 m結(jié)構(gòu)為：37 cm磚墻+10 cm苯板保溫+1 cm砂漿抹面，后屋面為12 cm厚彩鋼夾心板寬1.8 m。圖1

溫室由4部分圍護部分構(gòu)成，墻體圍護面積為224 m2，棚膜(PO)圍護面積為640 m2，棉被圍護面積為672 m2，后屋面圍護面積為144 m2。在溫室供暖期間設(shè)計溫度室內(nèi)取ti=12℃，室外取to=-28℃。

溫室內(nèi)布置溫度傳感器各3支，傳感器自動記錄溫度值，每10 min自動采集1次。在溫室南北跨中心線上沿東西方向距離地面1.5 m處平均布置，選擇臨近的前后2棟溫室作為試驗對比，在溫室外安裝溫度傳感器，全天候記錄室外的環(huán)境溫度。

日光溫室由三面墻體和一個采光面組成。冬季，白天，太陽光透過采光面照射到溫室內(nèi)地面和墻體，地面和墻體吸收并存儲這些熱量；夜晚，地面和墻體將存儲的熱量輻射到溫室內(nèi)，為作物抵抗嚴寒和補償圍護結(jié)構(gòu)熱損失提供保障。在研究溫室熱傳遞時，將溫室簡化為一個空心的腔體，溫室接受太陽光熱輻射，溫室圍護結(jié)構(gòu)即得熱量同時又散失熱量。圖1

圖1 日光溫室傳熱過程示意

1.1.2 燃煤熱風(fēng)爐

選用5LMS-50型燃煤熱風(fēng)爐1臺，熱風(fēng)爐由爐膛、爐體、自動加煤機、熱風(fēng)管、和風(fēng)機等構(gòu)成。2018年1月4日進行日光溫室熱風(fēng)爐加熱對比試驗，當天天氣晴朗，微風(fēng)，風(fēng)向西北。測試時段凌晨02：00至08：00，每20 min選取一數(shù)據(jù)繪制溫度柱狀圖。該試驗選擇在凌晨02：00開始加溫(風(fēng)機啟動時間，出風(fēng)口高于60℃自動啟動，低于50℃風(fēng)機停止工作)。圖2，表1

圖2 5LMS-50型燃煤熱風(fēng)爐

表1 5LMS-50型燃煤熱風(fēng)爐性能參數(shù)

1.2 方 法

1.2.1 溫室采暖系統(tǒng)熱負荷

運用日光溫室熱傳遞理論和溫室圍護結(jié)構(gòu)熱負荷方法，參照中華人民共和國機械行業(yè)標準JB/T10297-2014《溫室加溫系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》，分析溫室的熱負荷。

日光溫室的熱損失主要來自溫室的3部分，即圍護結(jié)構(gòu)熱損失、冷風(fēng)滲透熱損失以及溫室地面熱損失。溫室熱能平衡：

Q=Q1+Q2+Q3.

(1)

式中，Q1為溫室圍護結(jié)構(gòu)(包括墻體、棚膜、棉被、后屋面、門窗等)熱損失，W；Q2為溫室冷風(fēng)滲透熱損失，W；Q3為溫室地面熱損失，W。

1.2.2 溫室圍護結(jié)構(gòu)熱損失Q1

(2)

式中：uj為第j種圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Aj為第j種圍護結(jié)構(gòu)的表面面積，m2；ti為室內(nèi)設(shè)定溫度，℃；to為室外設(shè)計溫度，℃。

多層復(fù)合圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)u：

(3)

其中，δi為第i層圍護材料厚度，m；λi為第i層圍護材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

1.2.3 溫室室內(nèi)外空氣交換形成的滲透熱損失Q2

Q2=0.5k風(fēng)速VN(ti-to).

(4)

式中：k風(fēng)速為風(fēng)力因子；V為溫室空氣體積，m3；N為溫室內(nèi)每小時換氣次數(shù)。

1.2.4 地面熱損失Q3

(5)

日光溫室地面形成的熱損失與計算點和溫室四周圍護結(jié)構(gòu)的距離相關(guān)，溫室能耗計算中將地面點與圍護結(jié)構(gòu)分成3個區(qū)域分別計算。式中:ui為第i區(qū)計算點地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·k)；Ai為第i區(qū)計算點面積，m2。表2

表2 地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 日光溫室熱負荷

研究表明，溫室圍護結(jié)構(gòu)熱損失為：Q1=44.32 kW。在計算溫室的冷風(fēng)滲透熱損失時，換氣次數(shù)N取1.2，k風(fēng)速取1.08，滲透熱損失為：Q2=55.99 kW，溫室跨度為8 m小于地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)第一分區(qū)，ui取0.24，地面熱損失為：Q3=6.14 kW。

溫室總的計算散熱量Q1、Q2、Q3之和為106.45 kW，溫室單位面積散熱量為166 W/m2。日光溫室的總熱損失中滲透熱損失所產(chǎn)生的耗熱量最大，占到總負荷的52.6%，而圍護結(jié)構(gòu)(包括棚膜、棉被，后屋面苯板和墻體等)的傳熱損失次之，占總散熱量的41.6%,室內(nèi)地面的熱損失最小，占總散熱量的5.8%(JB/T 10297-2014溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，棉被值為靜態(tài)熱箱法所測值)。圖3，表3

表3 溫室圍護材料的熱工性能參數(shù)

圖3 日光溫室熱損失分布

2.2 日光溫室熱風(fēng)爐加溫與不加溫氣溫對比

研究表明，該熱風(fēng)爐對日光溫室進行補充加溫，溫室內(nèi)溫度升溫較為顯著。開始加溫試驗20 min時溫度變化不明顯，在04：20后達到14.8℃，此后升溫趨于穩(wěn)定。最高溫度在06：00達到15.5℃，在07：00溫度達到14.1℃時停止加溫(燃煤接近耗盡)，08：00燃煤耗盡，風(fēng)機停機。沒有熱風(fēng)爐加溫的溫室從02：00時室內(nèi)溫度為8.5℃開始到07：00時6.5℃一直呈下降趨勢，08：00時降到6.1℃。溫室不加溫室內(nèi)溫度較低，遇到寒冷天氣(該試驗最低溫度為-23.1℃)作物凍害風(fēng)險增大，特別是極端天氣情況下(風(fēng)雪天或連陰天氣等)，作物受到不可逆的低溫凍害。圖4

圖4 日光溫室熱風(fēng)爐加溫與不加溫平均室內(nèi)氣溫比較

加熱期間溫室的單位面積能耗為142 W/(m2·h)，單位面積能耗為166 W/(m2·h)，差值為24 W/(m2·h)。理論計算時，室外溫度取極端最冷溫度為-28℃，室內(nèi)要求設(shè)計溫度為12℃，室內(nèi)外溫差為40℃；溫室補溫試驗期間室外溫度為實際測試溫度-23.1℃，加溫溫室室內(nèi)平均溫度為13.8℃，室內(nèi)外溫差36.9℃。因理論計算和實際測試溫差不同，單位面積能耗有所差異(煤的發(fā)熱量按5 000 kcal/h計算，熱風(fēng)爐熱效率按70%計算)。表4

表4 日光溫室加溫耗能

3 討 論

趙江龍[22]在計算日光溫室能耗時，將試驗溫室總熱損失(98.964 kW)減去溫室白天獲得太陽輻射熱量(33.016 kW)得出溫室的設(shè)計能耗(65.948 kW)值作為溫室加熱能耗，此算法將溫室的總熱損失能耗減小了33%；董蓬[26]在計算日光溫室加熱負荷時，將試驗溫室的總體耗熱量(116 347.27 W)減去了溫室白天獲得太陽輻射能量(102 848.4 W )，將其差值(13 498.87 W)作為日光溫室加熱負荷，也是將溫室的總耗熱量減小了88%。這2種算法都與試驗結(jié)論(直接將溫室總體耗熱量作為加熱負荷)差異顯著。日光溫室加熱負荷為單位時間內(nèi)發(fā)熱設(shè)備所能提供的能量，溫室的最低溫度發(fā)生在黎明時分，此時溫室已沒有日光來補充溫室能耗，白天溫室吸收的能耗在日落后一直處于散失狀態(tài)，而黎明時分(最低溫度)需要補充的能耗就是溫室的加熱負荷量，在此階段計算溫室加溫負荷時不因?qū)滋鞙厥椅盏奶柲芎挠嬎阍趦?nèi)。此外，溫室供熱計算不同于民用建筑，作物沒有抵抗災(zāi)害氣候的能力，在冬季極端天氣如陰天、霧天、大風(fēng)和大雪天，白天光照不足，無法獲得太陽輻射能量，此時溫室的供熱能耗也不應(yīng)當考慮太陽輻射能量，考慮到作物的特殊性，溫室加溫能耗計算時，取極端狀況的最低值。

4 結(jié) 論

4.1 在日光溫室的保溫節(jié)能措施中，溫室覆蓋材料和圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)當保證其完整性和密封性，減少其縫隙和滲透傳熱；覆蓋材料和圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)先選擇導(dǎo)熱系數(shù)小的材料，在確保不影響溫室采光的情況下，可適當延長后屋面長度和提高溫室南面基礎(chǔ)高度；可在溫室采光面上增加第2層保溫被，減少溫室圍護結(jié)構(gòu)熱損失，以提高日光溫室冬生產(chǎn)的經(jīng)濟性，減小溫室單位產(chǎn)出能耗。

4.2 理論計算在極限溫度-28℃，室溫維持12℃時單位面積能耗為166 W/(m2·h)；試驗測試時最低溫度-23.1℃時，室內(nèi)溫度能維持13.8℃，溫室單位面積能耗為142 W/(m2·h)，基本達到設(shè)計要求，在溫室能耗計算時，各個圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能參數(shù)及計算符合熱工學(xué)要求。

4.3 選取熱風(fēng)爐補充加溫時，溫室熱負荷與熱風(fēng)爐的選型及燃煤量都有關(guān)系，選擇電加溫設(shè)備替代熱風(fēng)爐時，溫室的理論計算熱負荷為106.45 kW，在選擇電加熱設(shè)備的功率也應(yīng)以此值為選型依據(jù)。