日光温室冬季加温热负荷的计算和热风炉补温试验验证

肖林刚，宋兵伟，曹新伟，王 瑞，焦锐斌

(新疆农业科学院农业机械化研究所/新疆农业科学院农业工程公司，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】日光温室是把太阳能吸收应用于冬季温室内作物生长所需能量的一种生产设施[1-4]，温室中墙体是主要的蓄热体[5-6]，为夜间温室作物生长提供热量。日光温室的前屋面在白天作为采光面为温室摄入太阳能，是温室获得热能的主要围护面，而在夜间却是围护结构保温的最薄弱部分，温室中 60%～80%的热损失通过前屋面散失[7-10]。目前日光温室都配备了保温被，有的还增加了内保温，但在北方冬季，极端天气下，如果没有加温设备，温室内的作物依然会面临着低温冻害现象。实例计算日光温室加温设备的热负荷，安装热风炉补温，对其理论计算能耗进行验证有重意义。【前人研究进展】Chen Wei etal[11]认为，提高日光温室墙体蓄热和保温性能才是改善室内热环境的主要因素。朱超等[12-13]试制出了日光温室后墙添加固化沙增加蓄热，白天热空气吹入后墙，夜间放热。赵淑梅等[14-16]提出一种新型的空气蓄热墙体，该墙体白天通过热空气，在墙内对流循环储热和夜间的空气对流放热来提高温室内温度。在温室内墙体相变材料运用中，将硬脂酸正丁酯和聚苯乙烯组合，及磷酸氢二钠与墙体的空心砌块和瓶胆式结构搭配砌筑测试，结果显示，能够明显提高墙体的蓄热能力[17-20]，相变材料为温室的蓄热提供了基础，但相变材料因其成本高，安装制作劳动量大，难以大范围推广，相变材料表现为被动蓄放热，阴冷天气表现不佳[21]。赵江龙[22]对日光温室内环境进行了研究和模拟分析，建立一种物理“相变温室”模型，并运用FLUENT分析对温室温度场分布，得到了温度场分布规律。【本研究切入点】刘传宏[23]认为，双膜覆盖是日光温室提高保温性能的有效办法，在夜晚时段双膜温室气温、土温衰减率低于单膜温室。袁余[24]认为，双层膜日光温室气温、土壤温度明显优于单层膜温室，室内温度也较稳定。宋明军[25]认为，双层膜日光温室在使用中会发生遮光、湿度增大和温室通风障碍等问题。在主动加热设备中，运用表冷器主动蓄放热系统给温室加热，晴天表现良好，阴天时表冷器只能收集少量或无法收集到温室内热量，表冷器使用要求温室尽量不开窗或少开窗通风，不利于对作物的通风换气。董蓬[26]采用了太阳能主动集热供暖系统，加热日光温室气温和地温来提高室内温度。以上蓄热和加热设备中都存在阴天表现不佳的问题。寒冷地区冬季生产型日光温室在极端天气下需要临时加温，研究极端天气及温室夜间最冷时段的加温热负荷，匹配出温室的临时加温设备。【拟解决的关键问题】研究各个围护结构的热工性能，取值计算温室总热损失量，依据温室加温设计规范，计算出日光温室在一定极端环境中加温热负荷量，为寒冷地区日光温室选择冬季临时加温设备热负荷提供定量参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 日光温室

测试地点位于乌鲁木齐第12师104团辖区西山烽火台小镇(N43.45°，E87.36°)。全年最冷温度(1月)-28℃，最高温度(7月)40℃，海拔1 645 m，年无霜期为130 d，多风地带平均3级风向东北，年日照时数 2 813.5 h。供试日光温室长80 m，跨度8 m，脊高4.5 m，温室前屋面覆盖PO膜和保温被。保温被结构组成为：针刺毛毡+双防水布，其总厚度约为2.5 cm，墙体高2.2 m结构为：37 cm砖墙+10 cm苯板保温+1 cm砂浆抹面，后屋面为12 cm厚彩钢夹心板宽1.8 m。图1

温室由4部分围护部分构成，墙体围护面积为224 m2，棚膜(PO)围护面积为640 m2，棉被围护面积为672 m2，后屋面围护面积为144 m2。在温室供暖期间设计温度室内取ti=12℃，室外取to=-28℃。

温室内布置温度传感器各3支，传感器自动记录温度值，每10 min自动采集1次。在温室南北跨中心线上沿东西方向距离地面1.5 m处平均布置，选择临近的前后2栋温室作为试验对比，在温室外安装温度传感器，全天候记录室外的环境温度。

日光温室由三面墙体和一个采光面组成。冬季，白天，太阳光透过采光面照射到温室内地面和墙体，地面和墙体吸收并存储这些热量；夜晚，地面和墙体将存储的热量辐射到温室内，为作物抵抗严寒和补偿围护结构热损失提供保障。在研究温室热传递时，将温室简化为一个空心的腔体，温室接受太阳光热辐射，温室围护结构即得热量同时又散失热量。图1

图1 日光温室传热过程示意

1.1.2 燃煤热风炉

选用5LMS-50型燃煤热风炉1台，热风炉由炉膛、炉体、自动加煤机、热风管、和风机等构成。2018年1月4日进行日光温室热风炉加热对比试验，当天天气晴朗，微风，风向西北。测试时段凌晨02：00至08：00，每20 min选取一数据绘制温度柱状图。该试验选择在凌晨02：00开始加温(风机启动时间，出风口高于60℃自动启动，低于50℃风机停止工作)。图2，表1

图2 5LMS-50型燃煤热风炉

表1 5LMS-50型燃煤热风炉性能参数

1.2 方 法

1.2.1 温室采暖系统热负荷

运用日光温室热传递理论和温室围护结构热负荷方法，参照中华人民共和国机械行业标准JB/T10297-2014《温室加温系统设计规范》，分析温室的热负荷。

日光温室的热损失主要来自温室的3部分，即围护结构热损失、冷风渗透热损失以及温室地面热损失。温室热能平衡：

Q=Q1+Q2+Q3.

(1)

式中，Q1为温室围护结构(包括墙体、棚膜、棉被、后屋面、门窗等)热损失，W；Q2为温室冷风滲透热损失，W；Q3为温室地面热损失，W。

1.2.2 温室围护结构热损失Q1

(2)

式中：uj为第j种围护结构的传热系数，W/(m2·K)；Aj为第j种围护结构的表面面积，m2；ti为室内设定温度，℃；to为室外设计温度，℃。

多层复合围护结构传热系数u：

(3)

其中，δi为第i层围护材料厚度，m；λi为第i层围护材料导热系数，W/(m·K)。

1.2.3 温室室内外空气交换形成的渗透热损失Q2

Q2=0.5k风速VN(ti-to).

(4)

式中：k风速为风力因子；V为温室空气体积，m3；N为温室内每小时换气次数。

1.2.4 地面热损失Q3

(5)

日光温室地面形成的热损失与计算点和温室四周围护结构的距离相关，温室能耗计算中将地面点与围护结构分成3个区域分别计算。式中:ui为第i区计算点地面传热系数，W/(m2·k)；Ai为第i区计算点面积，m2。表2

表2 地面传热系数

2 结果与分析

2.1 日光温室热负荷

研究表明，温室围护结构热损失为：Q1=44.32 kW。在计算温室的冷风渗透热损失时，换气次数N取1.2，k风速取1.08，渗透热损失为：Q2=55.99 kW，温室跨度为8 m小于地面传热系数第一分区，ui取0.24，地面热损失为：Q3=6.14 kW。

温室总的计算散热量Q1、Q2、Q3之和为106.45 kW，温室单位面积散热量为166 W/m2。日光温室的总热损失中渗透热损失所产生的耗热量最大，占到总负荷的52.6%，而围护结构(包括棚膜、棉被，后屋面苯板和墙体等)的传热损失次之，占总散热量的41.6%,室内地面的热损失最小，占总散热量的5.8%(JB/T 10297-2014温室加热系统设计规范，棉被值为静态热箱法所测值)。图3，表3

表3 温室围护材料的热工性能参数

图3 日光温室热损失分布

2.2 日光温室热风炉加温与不加温气温对比

研究表明，该热风炉对日光温室进行补充加温，温室内温度升温较为显著。开始加温试验20 min时温度变化不明显，在04：20后达到14.8℃，此后升温趋于稳定。最高温度在06：00达到15.5℃，在07：00温度达到14.1℃时停止加温(燃煤接近耗尽)，08：00燃煤耗尽，风机停机。没有热风炉加温的温室从02：00时室内温度为8.5℃开始到07：00时6.5℃一直呈下降趋势，08：00时降到6.1℃。温室不加温室内温度较低，遇到寒冷天气(该试验最低温度为-23.1℃)作物冻害风险增大，特别是极端天气情况下(风雪天或连阴天气等)，作物受到不可逆的低温冻害。图4

图4 日光温室热风炉加温与不加温平均室内气温比较

加热期间温室的单位面积能耗为142 W/(m2·h)，单位面积能耗为166 W/(m2·h)，差值为24 W/(m2·h)。理论计算时，室外温度取极端最冷温度为-28℃，室内要求设计温度为12℃，室内外温差为40℃；温室补温试验期间室外温度为实际测试温度-23.1℃，加温温室室内平均温度为13.8℃，室内外温差36.9℃。因理论计算和实际测试温差不同，单位面积能耗有所差异(煤的发热量按5 000 kcal/h计算，热风炉热效率按70%计算)。表4

表4 日光温室加温耗能

3 讨 论

赵江龙[22]在计算日光温室能耗时，将试验温室总热损失(98.964 kW)减去温室白天获得太阳辐射热量(33.016 kW)得出温室的设计能耗(65.948 kW)值作为温室加热能耗，此算法将温室的总热损失能耗减小了33%；董蓬[26]在计算日光温室加热负荷时，将试验温室的总体耗热量(116 347.27 W)减去了温室白天获得太阳辐射能量(102 848.4 W )，将其差值(13 498.87 W)作为日光温室加热负荷，也是将温室的总耗热量减小了88%。这2种算法都与试验结论(直接将温室总体耗热量作为加热负荷)差异显著。日光温室加热负荷为单位时间内发热设备所能提供的能量，温室的最低温度发生在黎明时分，此时温室已没有日光来补充温室能耗，白天温室吸收的能耗在日落后一直处于散失状态，而黎明时分(最低温度)需要补充的能耗就是温室的加热负荷量，在此阶段计算温室加温负荷时不因将白天温室吸收的太阳能耗计算在内。此外，温室供热计算不同于民用建筑，作物没有抵抗灾害气候的能力，在冬季极端天气如阴天、雾天、大风和大雪天，白天光照不足，无法获得太阳辐射能量，此时温室的供热能耗也不应当考虑太阳辐射能量，考虑到作物的特殊性，温室加温能耗计算时，取极端状况的最低值。

4 结 论

4.1 在日光温室的保温节能措施中，温室覆盖材料和围护结构应当保证其完整性和密封性，减少其缝隙和渗透传热；覆盖材料和围护结构应优先选择导热系数小的材料，在确保不影响温室采光的情况下，可适当延长后屋面长度和提高温室南面基础高度；可在温室采光面上增加第2层保温被，减少温室围护结构热损失，以提高日光温室冬生产的经济性，减小温室单位产出能耗。

4.2 理论计算在极限温度-28℃，室温维持12℃时单位面积能耗为166 W/(m2·h)；试验测试时最低温度-23.1℃时，室内温度能维持13.8℃，温室单位面积能耗为142 W/(m2·h)，基本达到设计要求，在温室能耗计算时，各个围护结构的热工性能参数及计算符合热工学要求。

4.3 选取热风炉补充加温时，温室热负荷与热风炉的选型及燃煤量都有关系，选择电加温设备替代热风炉时，温室的理论计算热负荷为106.45 kW，在选择电加热设备的功率也应以此值为选型依据。