连栋玻璃温室采暖热负荷计算方法

富建鲁，周长吉，王 柳

连栋玻璃温室采暖热负荷计算方法

富建鲁，周长吉※，王 柳

（农业农村部规划设计研究院设施农业研究所，北京 100125）

采暖热负荷是温室采暖系统设计中最基本的参数，为了研究随着内保温幕等设备的普及应用和温室密闭性的改善，现行标准体系下计算出的温室热负荷是否仍旧适用，该研究比较了中国和美国的共6个标准中的采暖热负荷计算方法，并以北京地区连栋玻璃温室为例进行采暖热负荷的定量分析。研究表明，基础墙传热热损失约占围护结构总热损失的0.1%，地面热损失占温室总热负荷的1%左右，两者均不是影响温室采暖热负荷的主要因素。计算表明，按照6个标准分别计算出的温室单位面积采暖热负荷最小为230.10 W/m2，最大为305.24 W/m2，相互之间差异较大，而且与温室实际配置散热器的散热量139.61 W/m2相比整体存在明显差距。在考虑内保温幕保温作用后温室的单位面积采暖热负荷最小为101.56 W/m2，最大为176.69 W/m2，如剔除中国民用与工业建筑中由于没有考虑玻璃拼缝造成冷风渗透热损失偏低的最小值，温室专用标准的热负荷计算方法基本符合实际情况。为此，研究提出在温室采暖热负荷计算中应充分考虑温室保温幕的作用，冷风渗透热损失应按换气次数法而非缝隙法计算。研究结果可为中国连栋玻璃温室采暖热负荷计算科学化、精准化、标准化提供依据。

模型；温室；热负荷；采暖；热量平衡方程

0 引 言

温室采暖热负荷是指在某一室外温度下，为达到要求的室内温度，采暖系统在单位时间内向温室供给的热量。采暖热负荷是温室采暖系统设计中最基本的参数，直接影响采暖系统方案的选择、采暖设备的选型以及供暖管道管径的确定，对温室的使用效果和经济性具有至关重要的作用。连栋玻璃温室建筑由于其自身围护结构传热系数大、蓄热性能差、密封性能相对薄弱等特点，冬季加温耗能巨大[1]。为降低能源消耗量，20世纪70年代西方种植者开始尝试在温室内设置保温幕以减少室内热量损失。这种系统从20世纪80年代进入国内，现在已大量应用于现代化温室，成为不可或缺的配套设备[2]。研究表明，内保温幕有很好的节能效果[3-5]，赵淑梅等[6]整理了各种保温幕材料用作单层保温附加覆盖时的热节省率在15%～70%，并推算验证了多层保温幕热节省率，证实了保温幕的节能效果。保温条件的改善必将影响温室采暖热负荷的计算。如若热负荷计算不合理，以此结果配置温室采暖系统，一是增大了初期投资，二是不利于系统的高效运行。近年来，有关温室采暖热负荷计算方法的相关研究较少，薛东岩等[7]通过计算传热损失、渗透热损失以及地面热损失等计算了通化地区常见温室大棚采暖热负荷；Seeung等[8]通过确定温室传热系数、温室覆盖传热系数、土壤热通量和渗透传热系数，计算了一种半地下的单栋温室的采暖热负荷；Vadiee等[9]则利用计算机建模进行了能量分析，从经济可行性角度研究了密闭温室的储热状况；那威等[10]通过对温室建筑围护结构热工性能的分析，提出寒冷地区温室建筑采暖热负荷、热需求参数建议。中国根据不同用途的建筑分别制定了GB50736-2012[11]、GB50019-2015[12]、JB/T10297-2014[13]，国外也根据各国的条件制定了不同的温室采暖热负荷计算标准，如美国农业与生物工程师学会制定了ANSI/ASAE EP406.4[14]，美国温室制造业协会制定了《Greenhouse Heating Load》[15]。但上述研究成果和标准都未引入保温幕的作用，在计算参数的选择上也有较大差异，使采暖热负荷计算结果与实际供热量之间存在明显的偏差，给温室采暖系统设计带来困难。

本文对比不同国家标准中的热负荷计算方法，分析实际工况中散热器散热量，将二者进行比较，并通过对温室实测数据进行分析，拟找出适用于现代连栋玻璃温室的采暖热负荷计算方法，为中国连栋玻璃温室采暖热负荷计算科学化、精准化提供依据。

1 温室采暖热负荷计算模型

1.1 模型简化

目前，采暖热负荷计算模型大多是基于热力学和传热学的基本原理，建立温室内部与外部环境之间的换热平衡方程式[16-18]。温室得热的途径主要有加热系统供热量、设备电机及补光灯发热量s、作物及土壤等呼吸放热量h以及太阳辐射热f等，失热的途径主要有经屋面、地面、外墙、门窗等围护结构传热热损失1、温室室内外空气交换热损失2、水分蒸发热损失3及作物生理生化转化交换的耗热量4等[19]。由此，总结温室建筑采暖期间的热量平衡方程式为

shf1234（1）

在进行采暖设计时，采暖热负荷计算的时刻为室外环境温度最低的时候，一般出现在冬季后半夜至凌晨[2]，此时的太阳辐射微乎其微，因此太阳辐射热忽略不计。此外，在式（1）的得失热量中，作物、土壤等的呼吸放热量、作物生理生化转化交换的耗热量等在夜间也都很小；温室内由于相对湿度较高，因此水分蒸发热损失也很小，一般忽略不计，设备电机及照明的发热量一般也不大，且不稳定，设计中通常也不考虑[20]。为使工程设计应用简便，温室采暖热负荷计算模型可简化为

12（2）

1.2 计算参数

虽然各国标准中温室采暖热负荷计算模型类似，但在模型参数取值上存在部分差异。本文收集整理了中国国家标准GB50736-2012[11]、GB50019-2015[12]、中国机械行业标准JB/T10297-2014[13]和美国农业与生物工程师学会（American Society of Agricultural and Biological Engineers）标准ANSI/ASAE EP460.4[14]、美国温室制造业协会（National Greenhouse Manufacturers Association）温室设计标准《Greenhouse Heating Load》[15]及美国东北区域农业工程服务机构（Northeast Regional Agricultural Engineering Service Cooperative Extension）《Greenhouse Engineering》[21]6个设计标准中对于计算模型参数的取值进行分析研究。

1.2.1 围护结构传热热损失1

在围护结构传热热损失计算方面，各国标准总体差别不大，都是依据公式（3）进行计算：

1=∑·(i−o) （3）

式中为地面或地面以上不同围护结构传热系数，W/(m2·℃)；为地面或围护结构面积，m2；i为采暖室内设计温度，℃；o为采暖室外计算温度，℃。

但不同标准对围护结构有不同取舍，例如文献[13]保留了玻璃、基础墙和地面全部的围护结构，而文献[14]则只考虑了玻璃等主要覆盖材料。将围护结构传热热损失1分为地面以上围护结构（玻璃、基础墙）传热热损失en和地面传热热损失g2部分。

1）地面以上温室围护结构传热热损失en

在温室专用的[13-15,21]4个标准中，文献[14]和[15]都只保留了玻璃覆盖部分作为围护结构计算对象，但文献[15]认为骨架形式对传热的影响不可忽略，因而提出了使用结构因子用于调整由于结构形式不同引起的围护结构总传热系数的差异。文献[13]和文献[21]将不同传热系数的围护结构分开计算，即对于地面以上围护结构传热热损失的计算均保留了玻璃和基础墙2部分。不同标准中玻璃温室主要覆盖材料的近似综合传热系数取值对比见表1。从表中可以看出，几个标准给出的综合传热系数对于材料本身的描述都比较模糊，比如单层玻璃，文献[14]和文献[21]给出的单层玻璃传热系数为6.2 W/(m2·℃)，文献[13]和文献[15]给出的单层玻璃传热系数为6.4 W/(m2·℃)。分析单层玻璃传热系数存在差异的原因，是由于不同标准的传热系数取自于不同厚度的单层玻璃，经计算，文献[14]和[21]的取值接近于5 mm厚单层玻璃的传热系数，文献[13]和[15]的取值则更接近于4 mm厚单层玻璃的传热系数，而这2种厚度的玻璃都在实际工程大量应用，因此传热系数对于供热设备选型会产生一定的影响，实际设计中应按玻璃厚度选取。

表1 不同标准中玻璃温室主要覆盖材料近似综合传热系数

2）温室地面传热热损失g

关于温室地面传热计算方法，文献[11]、[12]及[13]均采用地带法计算地面整体散热量；文献[14]和[15]均认为地面传热损失很小，可以忽略不计；文献[21]采用周长法计算温室周边地面耗热量。

文献[21]对地面传热热损失的计算公式为

g=p(i−o)（4）

式中P为温室周边地面传热系数，周边基础不保温时取0.96 W/m，保温时取0.48 W/m（相当于厚度为50 mm的泡沫聚苯乙烯，向地下延伸610 mm）；为温室外围护墙周长，m。

文献[11]和文献[12]规定在计算地面传热热损失时，靠近外墙地面传热路程较短，热阻较小；远离外墙地面传热路程较长，热阻增大，因此室内地面的传热系数随离外墙的距离而变化。地面传热系数的工程取值方法是把地面沿外墙平行方向分成4个计算地带[22]，靠近外墙6 m范围内每2 m为一个地带，中部为一个独立地带。从外向内，每个地带的传热系数分别为0.47、0.23、0.12、0.07 W/(m2·℃)。

文献[13]中温室地面传热热损失也采用与文献[11-12]中类似的地带划分法，但地带划分为3个地带，从外墙开始的20 m范围内，每10 m为一个地带，中部为独立地带。从外向内，每个地带的传热系数分别为0.24、0.12、0.06 W/(m2·℃)。

1.2.2 温室室内外空气交换热损失2

温室室内外空气交换热损失通常称为冷风渗透热损失。文献[13-15,21]对于冷风渗透量的计算均一致采用换气次数法；文献[11]和[12]这2个民用和工业建筑设计规范采用缝隙法。各标准对于算式中系数的取值也各有不同。此外，除文献[14]考虑了冷风潜热损失外，其他标准均只考虑了冷风显热损失。

对于冷风渗透热损失，即空气交换热损失2采用文献[14]中的计算方法，

2=ρ··[c(T−T)+h(W−W)] （5）

式中ρ为温室室内空气密度，kg/m3；为每秒换气次数；为温室容积，m3；c为温室室内空气定压比热容，J/(kg·℃)；h为T温度下水的汽化潜热，J/kg；W为室内空气含湿量，kg/kg；W为室外空气含湿量，kg/kg（空气含湿量均以每kg干空气计）。

当室外空气温度低于−20 ℃且室内空气相对湿度低于40%时，可简化为[14]

21 800·(T−T) （6）

文献[13,15,21]3个标准中计算公式类似，本文总结为2=·(T−T)的形式。式中为系数，为单位时间冷风渗透量，m3/h。当一定时，它们的差异仅在于系数的不同。文献[13,15,21]对于系数的取值分别是0.5、0.28和0.35。按照传热传质理论[23-24]，本文计算得0.36，与0.35更为接近。

文献[11-12]均考虑了空气密度、比热容的影响，公式为

20.28c·ρ·(T−T) （7）

式中c为空气的定压比热容，c=1.01 kJ/kg·K[11]；ρ为采暖室外计算温度下的空气密度，kg/m3。在标准中，推荐使用缝隙法进行渗透空气量的确定[11]。

2 实例热负荷分析

为对比不同标准计算结果，按北京某实际温室几何尺寸构建温室模型进行详细计算分析。

2.1 温室物理模型

温室跨度9.6 m，共25跨，开间5 m，共41个开间，温室檐高6.3 m，屋面采用连续开窗，温室四周基础墙为高0.3 m、厚0.37 m的砖墙，基础无保温层，温室覆盖材料为4 mm厚单层玻璃（图1）。

2.2 计算参数

以北京为例，表2为计算中公用的参数值。表中参数主要来源于文献[11-12]，其中温室冬季采暖室外计算温度因温室本身热惰性低不能按民用建筑和工业建筑的方法取值，学者认为应按年平均最低温度和极端最低温度加权求得[25-26]，但如何确定权重多年来尚无标准给出，本文按中国现行机械行业标准JB/T10297-2014《温室加热系统设计规范》[13]中的取值方法，即20 a最冷日温度的平均值−12 ℃进行计算。

图1 温室物理模型

表2 模型温室热负荷计算参数

注：空气含湿量均以与每千克干空气同时并存的水蒸气量计。

Note: Humidity ratios of air is measured by the amount of water vapor coexisting with each kilogram of dry air.

2.3 计算热负荷

温室模型按不同标准计算方法的计算结果见表3。结果表明文献[13-15]和[21]这4个温室专用标准中采暖总热负荷中围护结构热损失占比为70.2%～81.38%，冷风渗透热损失占比为18.62%～29.8%。在民用建筑和工业建筑标准文献[11-12]中，围护结构热损失占总负荷的93%，冷风渗透热损失明显比其它温室专用标准小，仅占总热负荷的7%。出现这种结果的主要原因在于冷风渗透量的计算方法不同（见本文1.2.2）：民用建筑和工业建筑标准文献[11-12]中冷风渗漏量的计算方法采用缝隙法，仅计算外门、窗缝隙渗入室内的冷空气，温室专用标准均采用换气次数法，考虑了玻璃拼装缝隙的冷风渗透，更符合温室实际条件。由此推断，缝隙法对温室热负荷设计偏于不安全。在围护结构热损失中，基础墙传热损失约占围护结构总热损失的0.1%，比例非常低，可以忽略。地带法地面传热损失占围护结构热损失的1.2%和1.3%，占温室总热负荷的1%左右。文献[21]周长法计算出的结果占温室总热负荷的0.33%。总体看，地面传热损失占温室总热负荷比重不大，不是影响温室热负荷的主要因素。比较地带法和周长法，从设计安全的角度考虑，应按地带法计算地面热损失。

表3 不同标准体系模型温室计算热负荷

2.4 温室散热器布置及散热量分析

在温室采暖中，热负荷的计算与室外温度有关，散热器散热量与室外温度没有直接关系，只与供回水温度与室内温度有关系。当散热量与热负荷相等时，室内温度保持恒定。下面以温室中常见散热器布置的最大散热量（设计工况散热量）来对比表3中的计算热负荷值。

2.4.1 温室散热器布置

近些年，以荷兰温室为代表的大型连栋温室在国内迅速发展，主要的散热器布局均为栽培架之间地面敷设51 mm×3 mm的无缝钢管作为采收车轨道兼做散热器；植株间布置38 mm×2 mm的无缝钢管；温室四周布置6排51 mm×3 mm的无缝钢管；空中吊挂51 mm×3 mm散热管。以3.1节提出的长240 m，宽205 m，檐高6.3 m的温室模型布置散热器，每跨布置6列栽培架，间距1.6 m，如图2所示。

2.4.2 温室散热器散热量计算与分析

温室采暖系统各组成部分计算参数及在设计工况下的计算结果如表4。从计算结果可知，温室中散热器的散热量远小于温室计算热负荷（表3），仅为现行各标准推荐公式计算设计单位面积热负荷的50.6%～56.5%。现行标准体系下的温室热负荷计算值比实际情况偏大，应考虑保温幕的作用予以修订。

图2 温室剖面散热器布置示意图

表4 设计工况下采暖系统各组成部分计算参数及散热量

2.5 考虑保温幕后计算结果与温室实测结果对比

2.5.1 考虑保温幕后计算结果

温室中设置了2层保温幕布，由保温幕参数可知，上层幕布节能率47%，下层幕布节能率50%，冬季夜间2层幕布同时使用。则考虑配置保温幕布后温室屋面的综合传热系数为[27]：

=(1−c) （13）

式中为屋面使用保温幕后的综合传热系数，W/(m2·℃)；为屋面主要材料传热系数，本模型温室为6.4 W/(m2·℃)；α为保温幕关闭时的节能率；α1为上层幕布节能率，取值为0.47；α2为下层幕布节能率，取值为0.50。根据公式（13）和（14）计算结果为2.24 W/(m2·℃)。考虑保温幕后温室热负荷计算采用的参数，除屋面围护结构传热系数由增加保温幕后的综合传热系数替代单层玻璃传热系数外，其它参数均与表2一致，计算结果见表5。比较表4散热器散热量和表5计算热负荷，可以看出，在考虑保温幕的保温作用后两者结果基本接近，尤其与文献[14]和[21]之间的误差都在5%以内。由此，在实际设计中应充分考虑保温幕的保温作用。

表5 保温幕关闭时计算热负荷值

2.5.2 温室实测结果及分析

温室采暖系统在供回水出入口处安装温度传感器、三通调节阀（图3），系统根据室内外温度由计算机自动控制阀门开启度调节水温，并采集数据。

图3 采暖系统水温传感器及调节阀

温室采暖系统运行情况如图4实测温度曲线所示。2020年1月14日早7时50分左右，在温室保温幕关闭的情况下，室外温度−12 ℃时，散热器内平均水温57 ℃，室内温度16 ℃，基本接近设计工况，此时温室内散热器的实际散热量见表6。由表可见，考虑保温幕设计工况下的计算采暖热负荷与实际运行工况的散热量相比，偏差在4.5%以内，并偏于安全，设计满足实际要求。

从图4还可以看出，从上午08:00至10:00左右，室内温度和室外温度同步上升，室内外温差基本保持在25 ℃左右不变但散热器内水温却出现了明显的上升和波动，水温在设计供/回水温度75 ℃/50 ℃的平均温度62.5 ℃左右波动，最高水温达到71 ℃。水温上升是因为室内外温差不变的条件下温室散热量保持不变，而室内温度升高后要保持散热器相同的散热量就必须提高管道内水温。散热器内水温出现波动是因为这一阶段太阳升起，温室保温幕打开后温室的保温能力下降与室外太阳辐射补充热量二者的动态平衡变化的缘故。温室供暖系统的实况运行也表明，采暖系统的水温也达到了设计工况，而且在这种工况下也保证了温室室内外设计温差，说明工程设计是符合实际运行要求的。

实测结果的分析表明，温室最大热负荷出现的时刻并不是室外温度最低的凌晨，而是保温幕开启后1～2 h。此时室外温度已开始升高。在实际工程运行中，保温幕的开启时刻会视天气情况开启时刻不定，此时的室外温度数据在工程设计中难以取值应用，且这一时刻比较短暂，温室负荷会很快随太阳辐射热的进入而降低，不会对温室内作物造成影响。因此，在温室采暖热负荷计算时仍推荐按考虑保温幕的工况进行计算。

图4 温室实测温度曲线图（2019-01-14～2019-01-15）

表6 温室实测时刻对应温度下散热器的散热量

3 结 论

1）以缝隙法进行冷风渗透热负荷计算由于仅考虑门窗缝隙，会因温室本身的不严密性而造成计算值偏小。因此，仍推荐使用换气次数法进行冷风渗透热负荷计算。

2）根据计算分析与实测验证发现，温室保温幕的使用极大地减小了温室实际需热量。测试温室中考虑保温幕的热负荷比按现行标准进行的设计负荷减小了约42.1%～55.9%，以考虑保温幕的综合传热系数法计算出热负荷与温室实际运行情况相符。现行标准体系下的温室采暖热负荷计算值比实际情况偏大，应予以修订。在计算围护结构传热量时应按保温幕设置情况计算出综合传热系数后用于温室热负荷计算。

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Methods for calculation of heating load in gutter-connected glasshouse

Fu Jianlu, Zhou Changji※, Wang Liu

(,,100125,)

Heating load is the most basic parameter in the design of greenhouse heating system. The calculated heating load directly affects the equipment configuration of the heating system. If it is too small, it can not meet the design requirements. If it is too large, it will increase the initial investment and is not conducive to the efficient operation of the system. Climate screens have been widely used in China since the 20th century, and have become the standard configuration of greenhouse. In order to study whether the greenhouse heating load calculated under the current standard system is still applicable with the popularization and application of equipment such as internal climate screens and the improvement of greenhouse air tightness, this study compares the calculation methods of heating heat load in six standards of China and the United States, and takes a multi span glass greenhouse in Beijing as an example quantitative analysis of heating load. It is found that the heat loss of the sill wall accounts for 0.1% of the total heat loss of the enclosure structure, and the ground heat loss accounts for about 1% of the total heat load of the greenhouse, neither of them is the main factor affecting heating load. The results show that the minimum heating load per unit area of greenhouse is 230.10 W/m2and the maximum is 305.24 W/m2, which is quite different from each other. Moreover, compared with the actual heat capacity of radiator 139.61 W/m2, there is a significant difference between them. Analyze the reasons, the former is due to the fact that the heat loss of cold air infiltration calculated by gap method in civil and industrial buildings in China does not consider the glass splicing gap, which makes the calculation value of heating heat load of greenhouse obviously low; the latter is due to the fact that all the calculation standards of heat load do not consider the influence of climate screens on greenhouse insulation. The minimum heating load per unit area of the greenhouse is 101.56 W/m2and the maximum is 176.69 W/m2after considering the effect of internal climate screens. If we get rid of the minimum value of low heat loss of cold air infiltration caused by glass joint in Chinese civil and industrial buildings, the calculation method of heating load in greenhouse special standards basically conform to the actual situation. Therefore, it is suggested that the effect of internal climate screens should be fully considered in the calculation of heating load of greenhouse, and the heat loss of cold air infiltration should be calculated according to the method of ventilation rate rather than the gap method. The results provide a scientific, accurate and standardized basis for heating load calculation of multi span glass greenhouse in China.

models; greenhouse; heating load; heating; heat balance equation

富建鲁，周长吉，王柳. 连栋玻璃温室采暖热负荷计算方法[J]. 农业工程学报，2020，36(21)：235-242.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.028 http://www.tcsae.org

Fu Jianlu, Zhou Changji, Wang Liu. Methods for calculation of heating load in gutter-connected glasshouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 235-242. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.028 http://www.tcsae.org

2020-06-12

2020-09-08

农业农村部规划设计研究院自主研发项目（ZZYFXKFZ201902）

富建鲁，主要从事农业建筑及设施环境调节系统与节能技术的设计及研究工作。Email：fujianlu@aape.org.cn

周长吉，博士，研究员，主要从事温室工程技术的研究、设计和标准化工作。Email：zhoucj@facaae.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.028

S626.5

A

1002-6819(2020)-21-0235-08