连栋温室内保温幕节能效果的研究分析.docx

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连栋温室内保温幕节能效果的研究分析

连栋温室内保温幕节能效果的研究分析

晨怡热管同济大学现代农业科学与工程研究院蔡龙俊扬琳2008-4-2019:

54:

12

摘 要：

内保温幕是温室供热系统运行时的重要节能措施，其中由于铝箔反射型内保温幕使用优点和节能效果而得到了广泛应用。

该文旨在对温室内保温幕的节能串进行理论分桥和计算。

对内保温幕，尤其是反射型内保温幕的节能机理进行了分桥，给出了计算温室供热能耗以及内保温幕节能效果的数学模型，并应用此模型进行了计算。

对计算结果进行分析．得出反射型内保温幕辐射特性对保温节能效果的影响趋势。

同时，还对数学模型进行了实验论证。

关键词：

加热系统；节能；内保温幕；反射；铝

EffectsofInsideThermalScreenofMulti-SpanGreenhouseonEnergyConservation

CaiLongjunFengZhenjun

Abstract:

 Insidethermalscreenisanefficientwaytoconserveenergyinthebeatingsystemsofagriculturalgreenhouses.Reflectivethermalscreenwithaluminumisnowpopolar,becauseofoutstandingeffectivenessinincreasingenergyconservationandtheconveniencewithwhichitcanbeimplemented.Theobjectiveofthispaperheatpreservationmechanismofthermalscreenwasdiscussed,andamathematicalmodeltocalculatetheerergyconservationeffectofemployingthermalscreeninariculturalgreenhousewasbuilt.Theresultsofthecalculationshowedtheinfluenceofradiativequalitiesonenergyconservation.Itaddition,someexperimentswereconductedtovalidatetheresults.

Keywords:

 heatingsystem,energyconservation,insidethermalscreen,reflect,aluminum

中图分类号：

TU261.S625  文献标识码：

A文章编号：

1002—6819（2002）—0098—05

我国长江流域及以北地区、冬季温室内需设供热系统才能保证温室内作物的生产。

对于连栋温室，顶面面积远远大于周围结构的面积，因此，温室供热系统的靛耗主要在围护结构传热耗热量上．其令通过项面的传却耗热量所占份额最大。

减小顶部传热艳热量对温室供钧系统的节能具有重要作用。

晚间，在温室内设置保温幕（门天时卷缩在一起不影响光照，晚间展开）对减少温室的热损失具有较明显的作用，它作为一种简便、有效的：

青能措施巳成为现代温室的重要配套设施之—。

1保温幕的类型与材料特性

1.1保温幕的现状与分类

保温幕的分类有多种方法，按安装位置来分，可分为内保温幕和外保温幕；按照安装形式来分，可分为固定式和活动式；其中内保温幕保温性能较好、启闭操作方便，应用最为广泛。

目前，许多内保温幕做成活动式，其传动机构与动力装置、系统支撑件和其他固定件等可与夏季内遮阳降温系统结合在一起使用，许多保温幕本身就兼具遮阳与保温的双重功能，这样可以减小温室的投资。

20世纪70年代初期，研究发现，利用反射材料对长、短波辐射均有较高反射率的辐射性能进行温室的保温节能，可获得显著效果，从而，反射型保温幕在温室中开始被应用。

近十多年来，随着大型温室在我国的迅速发展，铝箔反射型保温幕在我国也得到了广泛的应用。

1.2.铝箔保温慕的材料特性

铝箔材料由于其反射率高，发射率低，是一种良好的反射型绝热材料。

铝箔的热辐射特性受到多种因素的影响。

在工程热工计算时可把铝箔视为灰体，认为其发射率c值与吸收率“相等。

总的来说，在农业工程应用的湿度与波长范围内，铝箔总能保持高反射率、低发射率的热辐射特性。

对于农业：

正程应用中的铝箔（常用温度范围和一般氧化情况）。

其发射率可取ε＝0．09。

铝的纯度、铝箔表面加工情况、蒙尘情况等，都会对铝箔的表面热工特性产生一定的影响。

2内保温幕换热情况的理论分析

2.1理论分析的必要性

内保温幕的节能效果可采用节能率这个参数表示。

它可定义为：

式中η——节能率，％；Q一一额定工况下，无保温幕时，温室内的热量损失，W；Qb——额定工况下，有保温幕时，温室内的热量损失，W。

目前，国内外的厂商在销售的内保温幕产品说明书上，节能率均定得较高，且范围也很大。

因此笔者认为有必要规范其计算方法。

首先，应进行理论研究，提出合理的计算模型，对有、无保温幕的温室进行分析，计算和比较，从而得到理想的节能率值。

然后根据使用情况进行修正。

2.2无保温幕温室换热情况的理论分析   

2.2.1保温幕温室理想模型的建立   

对温室换热情况进行分析，可从理论上得出温室热损失量。

在进行分析之前，对温室热环境进行以下简化，建立理想模型：

1）温室可看作由外围护材料及地面组成的密封空腔；四面侧墙视为一个整体表面，记为表面F1；2）温室屋面视为一个整体表面，记为表面F2；3）温室地面记为表面F3；4）由于温室外表面的换热情况以强制对流换热为主，辐射换热所占比例较小；为了简化，外表面只考虑对流换热；5）温室内的作物不参与温室的换热过程；6）温室内供热散热管与周围环境的换热以对流换热为主；7）每一表面温度分布均视为统一值；8）温室室内空气温度取工作区平均温度作为计算值；9）各围护结构内表面均视为漫灰表面；10）温室外围护结构覆盖材料为塑料薄膜，可忽略薄膜的厚度和导热热阻。

经简化后温室的换热情况模型如图1所示：

其中，G1，G2，G3——外界对表面F1，F2，F3的投射辐射；

J1，J2,J3——表面F1，F2，F3的有效辐射；

Qd1，Qd2，Qd3——表面F1，F2，F3的内表面对流传热换热量；

Qd1’,Qd2’——表面F1，F2的外表面对流传热换热量；

Q2—一通过表面F2的导热换热量；

Qf—一—通过温室窗缝隙的冷风渗透耗热量；

Q——温室供热系统供热量。

对温室每一表面，换热情况如图2所示：

其中 tn——围护结构内表面温度；

tw——围护结构外表面温度；

tf1——温室室内温度；

tf2——温室室外温度；

δ——围护结构厚度；

Q’d——外表面的换热热量；

Qd——温室内表面的换热热量；

Qc——内表面向外表面的导热传热量；

Qf——内表面的辐射换热量。

对于每一围护结构表面，当处于热平衡状态时，应当有以下关系式：

2.2.2无保温幕情况的计算方法

1）表面辐射换热量Qf’（W）

根据热平衡原理，对某一表面，辐射换热热损失量＝周围对内表面的投射辐射-内表面的有效辐射。

根据文献[1]有:

5）有效辐射J

有效辐射指表面的有效辐射与反射辐射之和。

根据文献门3，对于3个表面组成的封闭空腔，可得到3个热辐射方程，即

式中 φi．j—一”表面j对夕的平均角系数；i＝1，2，3， j＝1，2，3；Tni——围护结构内表面温度，K；Tni＝tni十273．1；j＝1，2，3；σb，————黑体辐射常数，σb＝5．67×10—8，W／m2．K。

2．2．3 无内保温幕的温室换热方程组   

从（6）式和（7）中消去入，并利用（3）式化简得

改写（5a）为：

根据传热学知识，有Eb＝σbT4，将（4）、（56）、（8）和（9）带入

（2）并整理得：

将（10）式分别应用于3个表面得到3个方程，并与8）式联立，得到一个由6个方程组成的数学模型。

2．3 有保温幕温室换热情况的理论分析

2．3．1 有保温幕的温室的理想模型的建立

增加内保温幕后，在无保温幕条件下的简化基础上再增加如下假设：

1）保温幕表面为漫灰表面，下表面称为F”上表面称为表面瓦； 

2）保温幕上下空气互相隔绝；

此时温室换热情况如图3所示：

图3中各项字母名称所代表的意义与图l相同。

2．3．2 有保温幕情况的计算方法

1）对流换热Qd

Qd的计算公式与无幕情况相同。

但需注意，由于内保温幕把温室内空气分成了上下2部分，这两部分空气的平均温度是不相同的。

2）内保温幕下、上表面温度tn4、tn5

对于内保温幕，由于厚度较薄，且铝的导热系数较大，可近似认为内保温幕下、上表面温度蜘、小相同。

因此，内保温幕的能量平衡关系式为：

下表面对流得热十下表面辐射换热量＝上表面对流换热失热十上表面辐射换热量。

即：

3）有效辐射J

增加内保温幕后，温室可看成两个相连的封闭空腔，下部空腔1由表面Fl、F3和F4组成；上部空腔2由表面F5和F2组成。

对于空腔l，有以下3个方程

4）上部空腔2的能量平衡关系式  

对于上部空腔2，稳态情况下通过内保温幕传人空腔的热量应当等于通过屋面传到外界的热量，即：

2．3．3 有内保温幕的温室换热方程组

对于上部空腔2由于有Qf5＝Qf2＝Qf2.5。

将公式（8），（14）和（16）分别带入公式（15），并利用tn4＝tn5，得：

由表面F1,F3,F4可列出6个方程，再加上方程（18），可以得到一个由7个方程组成的数学模型：

2．4 方程组的求解   

由于有温度的4次幂存在，方程组（12）和方程组（19）是非线性方程组，须采用迭代法对其进行计算，先假设备围护结构内表面温度的初值t’ni，代人封闭空腔有效辐射方程组（8）或（14），解出有效辐射Ji的值，再代人各壁面能量平衡关系式中求出tni。

反复迭代，直到tni与t’ni的差值小于某一指定的极小量为止。

2．5 计算例题及计算结果

2．5．1 示范温室基本参数

本文是以同济大学与上海孙桥现代农业开发区共同研制的中档连栋薄膜温室为例，进行温室冬季供热系统计算的。

其基本参数如下：

温室占地面积3276．8m2；南北方向共10跨，每跨6．4m；东西方向长51．2m；温室肩高2．70m，脊高5．30m；屋面形状为非对称锯齿形；外围护结构：

双层塑料薄膜空气间层，δ＝100mm，以金属框架支撑；天窗；每跨屋面有64扇天窗，每扇高度0．8m，长度1．5m侧窗：

温室南、西、北3个方向的外墙开有侧宙，每扇侧宙长度0．8m，高度1．5m；

外大门一扇，高2．0m，宽1．8m，朝向正东。

2．5．2 参数取值及计算结果   

以下对两个方程组中的参数取值进行讨论或说明：

1）表面发射率ε

各表面的ε值可根据资料或现场实测确定。

在本温室中，侧墙与屋面采用双层PE塑料薄膜，表面发射率为ε1＝ε2＝0．4；土壤表面发射率为ε3＝0．96。

内保温幕的表面发射率应根据实测值或生产厂家提供的数据确定。

根据厂商推荐的数据，取ε4＝ε5＝0．09。

2）对流换热系数α  

参照文献[2]，根据温室的特点，无保温幕时，取αn1＝α2＝α3＝9．0W／（m2．K）； αw1＝αW2＝24.5w/m2k。

增加内保温幕后，可取αni=8.7W／（m2．K）；外表面对流换热系数仍取αw1=αw2=24．5（W／m2．K）。

3）土壤传热耗热量Q6、3

Qc3的理论计算较为复杂，可采用划分地带分别计算的方法。

具体计算方法可参阅文献[2]。

4）温室冷风渗透耗热量Ql

冷风渗透耗热量可采用缝隙法计算。

具体计算方法可参阅文献[3]。

5）导热热阻R

温室围护结构为双层塑料充气薄膜δ＝100mm，以金属框架支撑；计算得侧墙的导热热阻R1＝0．1539m2．K／W；屋面的导热热阻R2＝0．1462m2．K／W；具体计算方法可参阅文献[2]。

6）室内、外空气平均温度tf1，tf2,tf1取温室设计温度l8℃；tf2取上海地区供暖室外计算温度－2℃。

7）角系数φ

φij采用积分法与几何法相结合的方式。

根据文献L1]，将屋顶平面看作一个整体表面时，其角系数的计算方法与计算结果与屋顶为平顶时相同。

具体计算过程和方法参阅文献[1]。

现取esp＝0．001C，利用计算机对增加内保温幕前后温室耗热量进行计算。

计算结果见表1。

从表中可以看出：

1）增加内保温幕后，温室的理论节能率为44．3％，说明内保温幕的节能效果显著；

2）导致供热负荷下降的主要影响因素在于通过屋顶的耗热量（Qd2十Qf2）和冷风渗透耗热量Qf都大幅度下降（分别下降了50．6％和39．6％）；

对于其它表面（围护结构和土壤），增加内保温幕之后表面的辐射换热量有所下降，但同时表面的对流换热量却有所上升。

3）各内表面温度在增加内保温幕后均有所下降。

3 保温幕节能效果的现场实测及结果

3．1 温室冬季运行现场实测

3．1．1 有保温幕和无保温幕的温室供热能耗对比

1）试验选择的时间在冬至后连续的6d，6d内室外气象条件基本相同，室外气温（最高、最低温度）相差也不大，这样对比实验的基础条件基本相同；

2）温室内的温度通过供热系统自动控制的运行调节方法得以实现；

3）温室内用于控制的温度传感器布置在平面的几何中心位置，距离温室地面1．2－1．5m之间（这个高度是植物生长的主要感温区）；

4）供热系统采用散热管为散热设备的热水供热系统，管路系统布置方式采用同样方式；  

5）晚间，温室供热系统运行的时间约为（17：

00至次日5：

00）

3．1．2 实验结果

实验结果见表2。

在实验期间，不使用内保温幕的3个晚上温室运行的平均耗油量为L1＝（596十571十582）／3＝583kg；而使用内保温幕的3个晚上平均耗油量为L2＝（442十412十438）／3＝430．67kg。

节能率为（583－430．67）／583＝26．13％。

由于没有条件完全相同的对比实验温室同时进行实验，上述比较结果严格说来不能作为内保温幕的节能数据。

但进行实验的条件基本相同，这个比较还是基本可以反映内保温幕的节能效果的。

4 初步结论与建议

1）反射型内保温幕是一种良好的保温节能形式．在上海地区，连栋双层薄膜的理论节能率约40％一45％；2）现场实验得到的内保温幕的节能率（26．13％）要低于理论计算得到的节能率（44．3％）。

经分析，造成这一现象的主要原因是：

（1）保温幕拉幕不严，幕上、下空气仍存在流通，幕上下空气温差缩小，造成保温效果下降，因此，提高保温幕在使用中的密闭性，改进拉幕系统的性能可以提高保温幕的节能效果；

（2）由于理论计算的数学模型对温室进行了一些简化，与现场实际情况可能有所不同；

（3）理论计算所使用的保温幕表面发射率与保温幕材料的实际发射率有所不同。

3）进行理论分析所用的温室换热情况理想模型是基本合理的，可以用来对各种温室和各类内保温幕材料进行换热计算。

参 考 文 献

1．章熙民．传热学（第3版）LM3．北京：

中国建筑工业出版社，1993

2．贺 平．供热工程（新1版）LM3．北京：

中国建筑工业出版社，1993

3．GBl9—87，采暖通风与空气调节设计规范

4.周新群，董仁杰，张淑敏等．新型温室保温帘的研究LJ工农业工程学报，1998，14（4）：

159—163

5．潘 强，黄之栋，马承伟等．华北型连栋温室节能对策与实践LJ3．农业工程学报，1999，15

（2）：

155—159

6．罗顺兰．双层塑料大棚夜间散热的研究口工农业机械研究，1987，

（2）

7．邢伟，董仁杰．日光温室的热环境理论模型LJ工农业工程学报，1997，13

（2）：

160—163．

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