劉 荔( 上海海事大學(xué)，上海 201306 )

溫室建筑空調(diào)負(fù)荷研究

劉 荔
( 上海海事大學(xué)，上海 201306 )

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個(gè)重要標(biāo)志?，F(xiàn)代溫室是設(shè)施農(nóng)業(yè)最基本的技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式之一。本文以上海某溫室為研究對(duì)象，建立溫室的物理和數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)該模型熱傳遞過程的分析，以熱平衡方程為基礎(chǔ)，列出空調(diào)負(fù)荷計(jì)算的所有相關(guān)公式，并且以其中一個(gè)算例進(jìn)行說明，對(duì)溫室的空調(diào)負(fù)荷計(jì)算提供了一定的數(shù)值參考,對(duì)于工程實(shí)際有一定的指導(dǎo)意義。

溫室；空調(diào)負(fù)荷；溫度；太陽輻射

1 前言

溫室，又稱暖房。能透光、保溫(或加溫)，用來栽培植物的設(shè)施[1]。在不適宜植物生長的季節(jié)，能提供溫室生育期和增加產(chǎn)量，多用于低溫季節(jié)喜溫蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。溫室結(jié)構(gòu)應(yīng)密封保溫，但又應(yīng)便于通風(fēng)降溫[2]?，F(xiàn)代化溫室中具有控制溫濕度、光照等條件的設(shè)備，用電腦自動(dòng)控制創(chuàng)造植物所需的最佳環(huán)境條件[3]。溫度條件是作物生命活動(dòng)最基本的環(huán)境條件，作物的光合作用、呼吸作用、水分和養(yǎng)分的吸收以及各種代謝活動(dòng)都與溫度條件密切相關(guān)。如果對(duì)溫室內(nèi)的溫度環(huán)境能夠方便、靈活地加以控制，并滿足一定經(jīng)濟(jì)性的要求，溫室將不再嚴(yán)重依賴于氣候的變化，經(jīng)濟(jì)效益將更為可觀[4]。

為了能夠更好地控制溫室內(nèi)的溫度環(huán)境，我們就需要對(duì)溫室的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)[5]。在進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),首先需要計(jì)算冷熱負(fù)荷,然后才能確定空調(diào)設(shè)備的數(shù)量和大小,考慮系統(tǒng)的劃分,進(jìn)行管道計(jì)算及確定自動(dòng)控制方案等[6]?？照{(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷計(jì)算有兩種情況,一種是計(jì)算長期(最冷季、最熱季、全年或全壽命周期)負(fù)荷特性,另一種則是計(jì)算瞬態(tài)最大負(fù)荷或設(shè)計(jì)負(fù)荷[7]。設(shè)計(jì)負(fù)荷是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),其準(zhǔn)確性對(duì)整個(gè)

建筑的節(jié)能情況、運(yùn)行效果都影響很大。長期負(fù)荷計(jì)算,又稱建筑熱性能模擬,是分析建筑物能耗以及研究建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最佳熱工特性、對(duì)比分析空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、評(píng)估建筑節(jié)能措施等所必須進(jìn)行的計(jì)算[8]。本文主要是研究第一種情況計(jì)算長期負(fù)荷特性。

2 物理模型

表1 溫室結(jié)構(gòu)尺寸符號(hào)說明

脊高(z向)檐高(z向)寬度(y向)屋頂坡度長度(x向)HH1Bζ=(H-H1):B/2L

圖1 溫室單元結(jié)構(gòu)

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 溫室熱平衡方程

(1)

(2)

穩(wěn)態(tài)時(shí)：

(3)

空調(diào)負(fù)荷熱濕比熱濕比：

(4)

式中：Cp為室內(nèi)空氣比熱,kJ/(kg℃);V為室內(nèi)空氣體積,m3;t為室內(nèi)空氣溫度,℃;n為溫室單元數(shù);Fi為溫室第i玻璃墻面面積,m2;Uin為溫室內(nèi)表面換熱系數(shù),kW/(m2℃);ti為溫室第i玻璃墻面內(nèi)表面溫度,℃;Qr為溫室太陽輻射得熱量,kW;Qe為溫室中植物蒸騰所產(chǎn)生的濕負(fù)荷,kW;Qhvac為溫室空調(diào)負(fù)荷,kW;σ為空調(diào)熱濕比;E為植物蒸騰速率,kg/s。

3.2 溫室中空氣體積

V=n·H1·B·L

(5)

式中：B、L為溫室結(jié)構(gòu)尺寸(見表1)；H1—特征長度，立面取高度，水平面取周長的1/4，m。

3.3 溫室內(nèi)、外壁換熱系數(shù)

(6)

式中：Γ、λ、ν—分別為濕空氣擴(kuò)散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和運(yùn)動(dòng)粘度，單位分別是m2/s、kW/(m℃)和m2/s;t0—室外環(huán)境溫度，℃。下標(biāo)：in—室內(nèi),out—室外,f—立面,t—屋頂。

最后，南寧的旅游資源豐富度欠缺。在自然旅游資源上南寧特色不明顯，文化旅游資源方面開發(fā)力度不足。作為廣西壯族自治區(qū)的首府城市，南寧壯族人口較多，民俗風(fēng)情特色明顯，壯族民族民俗風(fēng)情是眾多旅游者向往的樂園。但南寧市內(nèi)民俗風(fēng)情的體驗(yàn)項(xiàng)目較少，除較知名的景點(diǎn)有民族博物館等一些展館展廳外，很少有值得游客一游的民族民俗項(xiàng)目。較多外來旅游者沒能在市區(qū)感受到濃濃的壯鄉(xiāng)風(fēng)情。

3.4 室外環(huán)境溫度和溫室內(nèi)、外壁溫度

(7)

式中：ω為太陽時(shí)角，deg;Δ為溫室玻璃墻(屋頂)厚度，m;λg為玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，kW/(m℃)。

3.5 溫室中植物蒸騰所產(chǎn)生的濕負(fù)荷及空調(diào)負(fù)荷熱濕比

植物蒸騰速率，在恒溫恒濕的空調(diào)環(huán)境里僅和光照有關(guān)。故設(shè)：

(8)

式中：h為太陽高度角，deg;E為植物蒸騰速率，Emax為其最大值，kg/s;η為溫室面積使用率。

3.6 溫室的太陽輻射得熱量

Qγ=βκnBLI

(9)

式中：β、κ分別為溫室的幕布遮光率和透射率;I為太陽法向總輻射強(qiáng)度，kW/m2;n為溫室單元數(shù)。

(10)

式中：I0為太陽常數(shù),即I0=1.353kW/m2;p為大氣透明率，其中數(shù)據(jù)為pm，m為大氣質(zhì)量數(shù);i為太陽入射角,deg;h為太陽高度角,deg。

3.7 太陽相關(guān)角度計(jì)算

cosi=cosθsinh+sinθcoshcosω

(11)

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(12)

(13)

式中：θ為壁面傾角，即壁面與水平面的夾角,deg;ε為壁面太陽方位角，即壁面某一點(diǎn)至太陽的連線在水平面上的投影與壁面法線在在水平面上的投影之間的夾角,deg;φ為當(dāng)?shù)鼐暥?deg;δ為赤緯角,deg;ω為太陽時(shí)角,deg。

N為計(jì)算日在一年中的日期序列。例如：7月21日，N=31+28+31+30+31+30+21=202。

(14)

式中：HS為該地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(上海)，h;L、Ls分別為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間位置(上海)的經(jīng)度;對(duì)于東半球，式中“±”號(hào)取正號(hào)，對(duì)于西半球則取負(fù)號(hào);e為時(shí)差，min。

e=9.87 sin 2B-7.35 cosB-1.5 sinB

(14a)

(14b)

ε=α-γ

(15)

(16)

式中：α為太陽方位角，即地面上某給定點(diǎn)至太陽的連線在水平面上的投影與南向(當(dāng)?shù)刈游缇€)的夾角,deg;γ為壁面方位角，即壁面法線在水平面上的投影與南向(當(dāng)?shù)刈游缇€)的夾角,deg。

3.8 濕空氣熱物性計(jì)算

(17)

式中：Ya和Ys分別為干空氣和水蒸汽的熱物性;p為室內(nèi)空氣壓力,Pa;φ為室內(nèi)空氣相對(duì)濕度;pb為室內(nèi)空氣溫度下水蒸汽的飽和蒸汽壓,Pa。

4 算例

按照上述的計(jì)算公式，地點(diǎn)取上海，時(shí)間取2012年1月1日9∶00，以此為例進(jìn)行計(jì)算如下：

時(shí)間序列N=1；標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間Hs=9；上海緯度φ=31.17(弧度為0.54)；上海經(jīng)度L=121.43；北京經(jīng)度Ls=116.47；赤緯角δ=-23.01(弧度為-0.4)；時(shí)差e=-3.55；太陽時(shí)角ω=-40.92(弧度為-0.71)；太陽高度角h=23.13(弧度為0.4)，sinh=0.39；大氣透明度p=0.85，m=2.55，pm=0.66；太陽輻射強(qiáng)度I0=1.35，I=0.42；

溫室單元數(shù)n=1；單元溫室結(jié)構(gòu)尺寸H=7，H1=5.4，B=8，L=48，ζ=0.4；幕布β=1；玻璃κ=0.9，λg=0.0011，Δ=0.005；室內(nèi)體積V=2073.6；太陽輻射熱量Qr=146.71；

植物蒸騰水量sinhmax=0.58，Emax=1，η=0.8，E=0.0024；蒸騰吸熱量Qe=-5.99；

室內(nèi)參數(shù)th=10，t1=4，t0=9.27，φ=0.8，p=101325，pb=1170.71，Γ=0.01，λ=0，v=0；室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)t=25，φ=0.6，pb=3166.83，cp=1.0052，ρ=1.1827，Γ=0.0113，λ=0，v=0；

空氣與壁面的換熱系數(shù)Uf,in=0.0004，Uf,out=0.0004，Ut,in=0.0003，Ut,out=0.0005；壁面tf,in=17.07，tf,out=17.06，tt,in=14.43，tt,out=14.42；

=-2.85；

Qhvac=-137.88；

σ=-57583.45。

同理可得出上海市某溫室2012年1月1日全天24小時(shí)的逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷值(單位為kW)如表2。

由圖2可知，對(duì)于上海市某溫室2012年1月1日全天24小時(shí)的逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算規(guī)律：從1∶00到7∶00負(fù)荷值接近于零，從8∶00到16∶00負(fù)荷值先增后減，在12∶00達(dá)到最大值。

圖2 上海市某溫室2012年1月1日全天24小時(shí)的逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷圖

表2 上海市某溫室2012年1月1日全天24小時(shí)的逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷表

Hs123456789101112Qhvac5.154.053.923.753.553.35-7.29-72.38-137.88-187.56-216.33-221.78Hs131415161718192021222324Qhvac-203.48-162.90-103.71-34.283.263.463.663.844.004.114.184.19

5 總結(jié)

本文以上海某溫室為研究對(duì)象，建立溫室的物理和數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)該模型熱傳遞過程的分析，以熱平衡方程為基礎(chǔ)，列出溫室空調(diào)負(fù)荷計(jì)算的所有相關(guān)公式，并且以其中一個(gè)算例進(jìn)行說明，為溫室負(fù)荷計(jì)算軟件的編程提供相關(guān)依據(jù)。

通過本文的研究,對(duì)溫室這種特殊建筑，我們可以直接利用上面的公式或者由該公式編程得到的軟件直接得出空調(diào)的負(fù)荷，這對(duì)工程實(shí)際中空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 曹娓,王淵,姜衛(wèi)兵,等.農(nóng)業(yè)觀光溫室項(xiàng)目發(fā)展現(xiàn)狀與開發(fā)對(duì)策[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,(3):235-237

[2] 王世明,王冰.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,(9):69-73

[3] 張麗,劉娜,王國強(qiáng)，等.溫室農(nóng)業(yè)雨水集蓄利用工程規(guī)模優(yōu)化[J].北京農(nóng)業(yè),2013,(15):227-227

[4] 劉安欽,王艷,許彬,等.中國不同氣候區(qū)溫室農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值比較——以華北區(qū)和長江中下游區(qū)為例[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2010,(20):5677-5686

[5] 王振輝,崔海亭,張?zhí)m蘇.生態(tài)溫室空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2007,(7):101-103

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[7] 孫德宇,空調(diào)負(fù)荷計(jì)算方法及軟件比對(duì)分析研究[D].中國建筑科學(xué)研究院,2011

[8] 王朋.建筑空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算分析[D].上海交通大學(xué),2007

[9] 李長海.普通住宅建筑負(fù)荷計(jì)算研究[J].電氣應(yīng)用,2013,(2):77-85

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第20屆全國暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)在海口隆重召開

2016年11月9日，由中國建筑學(xué)會(huì)暖通空調(diào)分會(huì)、中國制冷學(xué)會(huì)空調(diào)熱泵專業(yè)委員會(huì)主辦、海南省土木建筑學(xué)會(huì)暖通空調(diào)專業(yè)委員會(huì)協(xié)辦的第20屆全國暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)在海口隆重開幕。

河北建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司顧問總工方國昌和東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院沈恒根教授榮獲第四屆《吳元煒暖通空調(diào)獎(jiǎng)》?！度珖鴮W(xué)會(huì)活動(dòng)特別貢獻(xiàn)獎(jiǎng)》獲獎(jiǎng)單位包括：廣東美的暖通設(shè)備有限公司、開利空調(diào)銷售(上海)服務(wù)有限公司、昆山臺(tái)佳機(jī)電有限公司、江森自控建筑設(shè)施效益集團(tuán)、青島海爾空調(diào)電子有限公司、青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司、恒有源科技集團(tuán)有限公司、安徽安澤電工有限公司、曼瑞德集團(tuán)有限公司、南京天加空調(diào)設(shè)備有限公司、廣東芬尼克茲節(jié)能設(shè)備有限公司、康斐爾過濾設(shè)備(上海)有限公司、北京綠建軟件有限公司、上海翱途流體有限公司、上海安易買科技有限公司。

本屆大會(huì)的主題是“協(xié)調(diào)創(chuàng)新 互聯(lián)共享”。主題論壇全天共設(shè)19個(gè)主題報(bào)告，涉及知識(shí)產(chǎn)權(quán)、綠色建筑、零能耗建筑、通風(fēng)、電采暖等方面。報(bào)告內(nèi)容有：中國專利協(xié)會(huì)秘書長/國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利管理司原司長馬維野《技術(shù)創(chuàng)新與知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)》、聯(lián)合技術(shù)環(huán)境、控制與安防中國區(qū)副總裁李軍《持續(xù)創(chuàng)新推動(dòng)綠色建筑發(fā)展》、中國建筑學(xué)會(huì)理事長修龍《關(guān)于對(duì)新的建筑設(shè)計(jì)方針的理解》、中國建筑科學(xué)研究院建筑環(huán)境與節(jié)能研究院院長徐偉《邁向零能耗建筑的思考與實(shí)踐》、清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心主任/中國工程院院士江億《室內(nèi)通風(fēng)，靠窗戶還是機(jī)械？》等精彩內(nèi)容。

本屆年會(huì)為期3天，主題論壇結(jié)束后，還進(jìn)行了兩天的專題交流會(huì)。

——(本刊報(bào)道)

An Study on Air Conditioning Load of Greenhouse

LIU Li

( Shanghai maritime university,Shanghai 201306 )

With the development of society,the traditional agricultural production mode has been unable to meet the needs of the development of modern civilization.New facilities and agriculture are being sought after by more and more people.Agricultural equipment denotes the main facility in greenhouse,which is not limited by space and time and can carry out agricultural production in the plateau,mountains,desert and other special circumstances.In this paper,select a greenhouse in Shanghai as the research object,then build the physical and mathematical model of the greenhouse.Based on the heat balance equation and the analysis of model heat transfer process,obtain all the relevant formula of the load calculation of the greenhouse air conditioning.Besides,a numerical example is given to illustrate the theory.This paper can provide a reference value to the air conditioning load computation of the greenhouse.

Greenhouse;Air conditioning load;Temperature;Solar radiation

2016-2-18

劉荔(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：制冷與低溫工程。Email：15921642343@163.com

ISSN1005-9180(2016)04-065-05

TU831文獻(xiàn)標(biāo)示碼：B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.04.012