温室建筑空调负荷研究

刘 荔( 上海海事大学，上海 201306 )

温室建筑空调负荷研究

刘 荔
( 上海海事大学，上海 201306 )

随着科学技术的不断发展，设施农业已经成为农业现代化的一个重要标志。现代温室是设施农业最基本的技术实现形式之一。本文以上海某温室为研究对象，建立温室的物理和数学模型，通过对该模型热传递过程的分析，以热平衡方程为基础，列出空调负荷计算的所有相关公式，并且以其中一个算例进行说明，对温室的空调负荷计算提供了一定的数值参考,对于工程实际有一定的指导意义。

温室；空调负荷；温度；太阳辐射

1 前言

温室，又称暖房。能透光、保温(或加温)，用来栽培植物的设施[1]。在不适宜植物生长的季节，能提供温室生育期和增加产量，多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。温室结构应密封保温，但又应便于通风降温[2]。现代化温室中具有控制温湿度、光照等条件的设备，用电脑自动控制创造植物所需的最佳环境条件[3]。温度条件是作物生命活动最基本的环境条件，作物的光合作用、呼吸作用、水分和养分的吸收以及各种代谢活动都与温度条件密切相关。如果对温室内的温度环境能够方便、灵活地加以控制，并满足一定经济性的要求，温室将不再严重依赖于气候的变化，经济效益将更为可观[4]。

为了能够更好地控制温室内的温度环境，我们就需要对温室的空调系统进行合理地设计[5]。在进行空调系统设计时,首先需要计算冷热负荷,然后才能确定空调设备的数量和大小,考虑系统的划分,进行管道计算及确定自动控制方案等[6]。空调系统的负荷计算有两种情况,一种是计算长期(最冷季、最热季、全年或全寿命周期)负荷特性,另一种则是计算瞬态最大负荷或设计负荷[7]。设计负荷是空调系统设计的基础,其准确性对整个

建筑的节能情况、运行效果都影响很大。长期负荷计算,又称建筑热性能模拟,是分析建筑物能耗以及研究建筑围护结构最佳热工特性、对比分析空调系统设计方案、评估建筑节能措施等所必须进行的计算[8]。本文主要是研究第一种情况计算长期负荷特性。

2 物理模型

表1 温室结构尺寸符号说明

脊高(z向)檐高(z向)宽度(y向)屋顶坡度长度(x向)HH1Bζ=(H-H1):B/2L

图1 温室单元结构

3 数学模型

3.1 温室热平衡方程

(1)

(2)

稳态时：

(3)

空调负荷热湿比热湿比：

(4)

式中：Cp为室内空气比热,kJ/(kg℃);V为室内空气体积,m3;t为室内空气温度,℃;n为温室单元数;Fi为温室第i玻璃墙面面积,m2;Uin为温室内表面换热系数,kW/(m2℃);ti为温室第i玻璃墙面内表面温度,℃;Qr为温室太阳辐射得热量,kW;Qe为温室中植物蒸腾所产生的湿负荷,kW;Qhvac为温室空调负荷,kW;σ为空调热湿比;E为植物蒸腾速率,kg/s。

3.2 温室中空气体积

V=n·H1·B·L

(5)

式中：B、L为温室结构尺寸(见表1)；H1—特征长度，立面取高度，水平面取周长的1/4，m。

3.3 温室内、外壁换热系数

(6)

式中：Γ、λ、ν—分别为湿空气扩散系数、导热系数和运动粘度，单位分别是m2/s、kW/(m℃)和m2/s;t0—室外环境温度，℃。下标：in—室内,out—室外,f—立面,t—屋顶。

最后，南宁的旅游资源丰富度欠缺。在自然旅游资源上南宁特色不明显，文化旅游资源方面开发力度不足。作为广西壮族自治区的首府城市，南宁壮族人口较多，民俗风情特色明显，壮族民族民俗风情是众多旅游者向往的乐园。但南宁市内民俗风情的体验项目较少，除较知名的景点有民族博物馆等一些展馆展厅外，很少有值得游客一游的民族民俗项目。较多外来旅游者没能在市区感受到浓浓的壮乡风情。

3.4 室外环境温度和温室内、外壁温度

(7)

式中：ω为太阳时角，deg;Δ为温室玻璃墙(屋顶)厚度，m;λg为玻璃的导热系数，kW/(m℃)。

3.5 温室中植物蒸腾所产生的湿负荷及空调负荷热湿比

植物蒸腾速率，在恒温恒湿的空调环境里仅和光照有关。故设：

(8)

式中：h为太阳高度角，deg;E为植物蒸腾速率，Emax为其最大值，kg/s;η为温室面积使用率。

3.6 温室的太阳辐射得热量

Qγ=βκnBLI

(9)

式中：β、κ分别为温室的幕布遮光率和透射率;I为太阳法向总辐射强度，kW/m2;n为温室单元数。

(10)

式中：I0为太阳常数,即I0=1.353kW/m2;p为大气透明率，其中数据为pm，m为大气质量数;i为太阳入射角,deg;h为太阳高度角,deg。

3.7 太阳相关角度计算

cosi=cosθsinh+sinθcoshcosω

(11)

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(12)

(13)

式中：θ为壁面倾角，即壁面与水平面的夹角,deg;ε为壁面太阳方位角，即壁面某一点至太阳的连线在水平面上的投影与壁面法线在在水平面上的投影之间的夹角,deg;φ为当地纬度,deg;δ为赤纬角,deg;ω为太阳时角,deg。

N为计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为该地区标准时间(上海)，h;L、Ls分别为当地的经度和地区标准时间位置(上海)的经度;对于东半球，式中“±”号取正号，对于西半球则取负号;e为时差，min。

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

(14a)

(14b)

ε=α-γ

(15)

(16)

式中：α为太阳方位角，即地面上某给定点至太阳的连线在水平面上的投影与南向(当地子午线)的夹角,deg;γ为壁面方位角，即壁面法线在水平面上的投影与南向(当地子午线)的夹角,deg。

3.8 湿空气热物性计算

(17)

式中：Ya和Ys分别为干空气和水蒸汽的热物性;p为室内空气压力,Pa;φ为室内空气相对湿度;pb为室内空气温度下水蒸汽的饱和蒸汽压,Pa。

4 算例

按照上述的计算公式，地点取上海，时间取2012年1月1日9∶00，以此为例进行计算如下：

时间序列N=1；标准时间Hs=9；上海纬度φ=31.17(弧度为0.54)；上海经度L=121.43；北京经度Ls=116.47；赤纬角δ=-23.01(弧度为-0.4)；时差e=-3.55；太阳时角ω=-40.92(弧度为-0.71)；太阳高度角h=23.13(弧度为0.4)，sinh=0.39；大气透明度p=0.85，m=2.55，pm=0.66；太阳辐射强度I0=1.35，I=0.42；

温室单元数n=1；单元温室结构尺寸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；室内体积V=2073.6；太阳辐射热量Qr=146.71；

植物蒸腾水量sinhmax=0.58，Emax=1，η=0.8，E=0.0024；蒸腾吸热量Qe=-5.99；

室内参数th=10，t1=4，t0=9.27，φ=0.8，p=101325，pb=1170.71，Γ=0.01，λ=0，v=0；室内设计参数t=25，φ=0.6，pb=3166.83，cp=1.0052，ρ=1.1827，Γ=0.0113，λ=0，v=0；

空气与壁面的换热系数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温室2012年1月1日全天24小时的逐时空调负荷值(单位为kW)如表2。

由图2可知，对于上海市某温室2012年1月1日全天24小时的逐时负荷计算规律：从1∶00到7∶00负荷值接近于零，从8∶00到16∶00负荷值先增后减，在12∶00达到最大值。

图2 上海市某温室2012年1月1日全天24小时的逐时空调负荷图

表2 上海市某温室2012年1月1日全天24小时的逐时空调负荷表

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 总结

本文以上海某温室为研究对象，建立温室的物理和数学模型，通过对该模型热传递过程的分析，以热平衡方程为基础，列出温室空调负荷计算的所有相关公式，并且以其中一个算例进行说明，为温室负荷计算软件的编程提供相关依据。

通过本文的研究,对温室这种特殊建筑，我们可以直接利用上面的公式或者由该公式编程得到的软件直接得出空调的负荷，这对工程实际中空调系统的设计有一定的指导意义。

[1] 曹娓,王渊,姜卫兵,等.农业观光温室项目发展现状与开发对策[J].江苏农业科学,2010,(3):235-237

[2] 王世明,王冰.现代农业温室系统[J].山西农业科学,2008,(9):69-73

[3] 张丽,刘娜,王国强，等.温室农业雨水集蓄利用工程规模优化[J].北京农业,2013,(15):227-227

[4] 刘安钦,王艳,许彬,等.中国不同气候区温室农业生态系统服务价值比较——以华北区和长江中下游区为例[J].生态学报,2010,(20):5677-5686

[5] 王振辉,崔海亭,张兰苏.生态温室空调系统节能设计[J].农机化研究,2007,(7):101-103

[6] 肖林刚,王彦,邹平,等.温室资源高效利用技术研究[J].中国农机化学报,2013,(4):162-164

[7] 孙德宇,空调负荷计算方法及软件比对分析研究[D].中国建筑科学研究院,2011

[8] 王朋.建筑空调动态负荷计算分析[D].上海交通大学,2007

[9] 李长海.普通住宅建筑负荷计算研究[J].电气应用,2013,(2):77-85

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第20届全国暖通空调制冷学术年会在海口隆重召开

2016年11月9日，由中国建筑学会暖通空调分会、中国制冷学会空调热泵专业委员会主办、海南省土木建筑学会暖通空调专业委员会协办的第20届全国暖通空调制冷学术年会在海口隆重开幕。

河北建筑设计研究院有限责任公司顾问总工方国昌和东华大学环境科学与工程学院沈恒根教授荣获第四届《吴元炜暖通空调奖》。《全国学会活动特别贡献奖》获奖单位包括：广东美的暖通设备有限公司、开利空调销售(上海)服务有限公司、昆山台佳机电有限公司、江森自控建筑设施效益集团、青岛海尔空调电子有限公司、青岛海信日立空调系统有限公司、恒有源科技集团有限公司、安徽安泽电工有限公司、曼瑞德集团有限公司、南京天加空调设备有限公司、广东芬尼克兹节能设备有限公司、康斐尔过滤设备(上海)有限公司、北京绿建软件有限公司、上海翱途流体有限公司、上海安易买科技有限公司。

本届大会的主题是“协调创新 互联共享”。主题论坛全天共设19个主题报告，涉及知识产权、绿色建筑、零能耗建筑、通风、电采暖等方面。报告内容有：中国专利协会秘书长/国家知识产权局专利管理司原司长马维野《技术创新与知识产权保护》、联合技术环境、控制与安防中国区副总裁李军《持续创新推动绿色建筑发展》、中国建筑学会理事长修龙《关于对新的建筑设计方针的理解》、中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院院长徐伟《迈向零能耗建筑的思考与实践》、清华大学建筑节能研究中心主任/中国工程院院士江亿《室内通风，靠窗户还是机械？》等精彩内容。

本届年会为期3天，主题论坛结束后，还进行了两天的专题交流会。

——(本刊报道)

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

刘荔(1991-)，女，硕士研究生。研究方向：制冷与低温工程。Email：15921642343@163.com

ISSN1005-9180(2016)04-065-05

TU831文献标示码：B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.04.012