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空气能热水器

恒华空气能热水器

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河南恒华暖通有限公司
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一、工程概况
    根据客户提供信息:
   河南有一花卉温室大棚,长50m,宽15M,高3M,现在拟采用-25℃的低温空气能热泵来完成冬季大棚采暖工作。
二、 设计参数
   河南地区的气候特征属于大陆型中亚热带季风湿润气候,冬季最冷气温可达到-7℃,最冷月出现在1月,平均气温为 -5℃,如此丰富的热量资源,为空气源热泵设备提供了良好的工作条件。
三、系统运行环境:
    本工程的热水供应系统应满足以下几个方面的条件:
    气象条件(河南):
    冬季室外计算相对湿度:55%
    冷水计算温度(当地冬季月平均水温):10℃
    冷水计算温度(当地夏季月平均水温):15℃
    冬季室外干球温度(当地最冷月平均气温):-5℃
    冬季平均风速2.6m/s
四、热负荷计算和设备选择:
   (1)采暖的目的与设计要求
    作物的生长发育要求在一定的温度条件下进行。在我国北方地区,自深秋至春季;为了使园艺设施内的气温、地温保持在作物生长发育的适宜范围内,就必须进行补充加温——采暖。采暖设计应满足以下要求:
    1.采暖设备的容量应保持设施内的设定温度(地温及气温)。
    2.设施内空间温度分布应均匀,时间变化应平稳,因此要求采暖设备配置合理,调节能力高。
    3.遮荫少、占地少,便于栽培作业操作。
    4.设备投资少,加温费用低。
  (2)设计的基本程序
    采暖设计,首先要根据设施的结构、地理位置等因素进行最大采暖负荷的计算;其次,依据设施所在地及用途等具体条件确定采暖所用热媒。最后根据最大采暖负荷及采暖方式进行散热设备、管道及锅炉容量计算等。
  (3)最大采暖负荷的计算:最大采暖负荷是采暖设计的基本数据,其大小直接影响到整个设施经济性。
  (4)能量平衡
    一个完整的能量平衡系统包括太阳能及其通过覆盖材料的透射、通风换热、冷风渗透热损失、与地面的热交换、作物生理生化能量的转换、长波辐射、工作人员和设备产生的热量以及加热系统的供热等。但由于最大采暖负荷的计算是基于冬季凌晨的特定时刻,其中的许多因素都可以不考虑。在此时,没有太阳辐射,通风系统不工作。由于加热期的地面温度稳定接近室内的空气温度,地面热交换很小,作物生理生化能量转换相对而言很微弱;除采暖系统外照明或其它设备也均不运行。这样,最大采暖负荷就可简化为用以平衡设施通过围护结构的传热和冷风渗透两项热损失的能量需求。
  (5)围护结构的传热耗热量
   1、温室或大棚通过其各个暴露的表面的传热耗热量可用下式计算:
   q1=k•F•(tn-tW)(1-fr)(4―1―1)
     =4.8(W/m2•K)×(50m×3m×2+15m×3m×2+50×15)×【24-(-13)】×(1-0.4)
     =121478.4W=121.5KW
    式中q1——围护结构的传热耗热量,W;
         k——围护结构的传热系数,W/m2•℃;
         F——围护结构的面积,m2;
         tn——冬季室内计算温度,℃;
         tw——冬季室外计算温度,℃;
         fr——热节省率。
    2、整个设施的围护结构传热耗热量Q1等于它的围护结构各部分基本传热耗热量q1的总和。
    Q1=∑q1=∑kF(tn-tW)(1-fr)(4-1-2)
    冷风渗透耗热量按下式计算
    Q2=0.00028NV(tn-tW)(4-1-3)
      =0.00028×1.25×(50m×15m×3m) ×【24-(-13)】
      =29.1KW
    式中,N为温室与外界的空气交换率,也称换气次数,以每小时的完全换气次数为单位;V为温室内部体积,m3。(N与V的乘积则是以m3/hr为单位的换气速率)。不同温室结构的换气次数见表4-1-8
    3、总的耗热量为:q1+ Q2=121.5KW+29.1KW=150.6KW
    4、选择西莱克牌超低温型空气源热泵机组,型号为:LSQ25RD,在环境温度-7度时制热量为:49kw,输入功率为23.7KW;现在按照冬天-7℃的时间段来选取空气源热泵机组,故选取:150.6KW÷49KW=3.07台
    根据以上综合计算,选取3台LSQ25RD西莱克超低温空气源热泵机组能满足环境温度-13℃时大棚采暖的需求.
  (6)设计依据说明
    1.冬季室内计算温度tn
    在影响作物生长、发育的环境条件中,温度是一个重要因素。由于作物生长发育本身是一个相当复杂的过程,而且存在许多不可避免的随机因素或未知因子。这些将会导致生理过程发生波动,使作物生长发育的适宜温度具有一定变化范围,即适宜温度范围。作物各自都有最低温度、最适温度和最高温度“三基点温度”(表4-1-1,表4-1-2),在最适温度条件下,当其它环境条件得到满足时,作物干物质积累速度最快,作物生长发育迅速而良好。冬季室内计算温度即由此而定。

蔬菜种类 生长时期 对温度的要求(℃)
适宜温度 最高温度 最低温度
白天 夜间
黄  瓜 苗期 22±3 28 22 15
苗期到开始结瓜 24±4 33 22 15
结瓜期 26±4 38 24 15
茄  子 苗期 20±4 28 20 15
苗期到开始结果 22±4 30 20 15
结果期 26±4 34 24 12
番茄、辣椒 苗期 18±3 26 18 10
苗期到开始结果 22±3 28 20 10
结果期 22±4 30 22 6
南  瓜 苗期 20±3 26 22 12
苗期到开始结瓜 22±4 30 22 12
结瓜期 24±4 34 22 10
菜  豆 结荚前 20±3 25 20 15
结荚期 22±4 30 22 12
菠  菜   16±4 25 14 2
白菜、芹菜、莴苣、茴香、蒿子杆   18±6 30 15 2
 
 
种类 繁殖适温 生育适温 成花适温 备      注
种子发芽(℃) 插木发根(℃) 日气温
(℃)
夜气温
(℃)
日气温
(℃)
夜气温
(℃)
蕙兰     18-26 20-25   15-18 花芽形成需15℃左右,6-8周花蕾在25℃-30℃可消蕾
仙客来 18-20   20-25 10-15
13-15
  16-17 花蕾在25℃以上即产生高温障碍。
  18 18
17-18
18-21
16
17

 
17-20 16-20  
郁金香   20-25 16-18 9-13  
香石竹   16-18 18-25 9-14     夜温超过15℃,则切花品质下降。
蔷薇   13-20 21-26 12-18      
玫瑰 20-22 20-22 20-25 18-20 13-15  
铁炮百合     20-24 13-18 18-23 13-16  
 
 
    2.冬季室外计算温度tW
    冬季室外计算温度tw如何确定,对采暖系统设计有很关键性的影响。如采用过低的tw值,使采暖系统造价增加;如采用值过高,则不能保证采暖效果。由于温室、大棚结构的特殊性,tw值亦不能简单地套用工业与民用建筑中供暖室外计算温度。
美国温室制造业协会(NGMA)的《温室设计标准》中建议采用美国加热、制冷、空调工程师学会(ASHRAE)手册或其它气候资料中的推荐数据。使用ASHRAE的手册时,一般取出现概率为97.5%的冬季干球温度。
    国内目前对冬季室外计算温度的选取没有统一标准,可按冬季空调室外计算温度选定tw值,进行设施的围护结构耗热量计算。冬季空调室外计算温度可在暖通设计手册中查出,但对于一些局域性气候带应根据实际情况确定气象参数。表4-1-3给出了我国北方地区主要城市的一些统计数据。   

地  名 温度(℃) 地  名 温度(℃)
哈尔滨 -29 北  京 -12
吉  林 -29 石家庄 -12
沈  阳 -21 天  津 -11
锦  州 -17 济  南 -10
乌鲁木齐 -26 连云港 -7
克拉玛依 -24 青  岛 -9
银  川 -18 徐  州 -8
兰  州 -13 郑  州 -7
西  安 -8 洛  阳 -8
呼和浩特 -21 太  原 -14
3.围护结构的传热系数k
    由于设施结构中有非透光材料,计算时应分别进行计算。表4-1-4列出了一些常见材料的传热系数k。对于一些新兴的特殊材料,计算时应咨询生产厂家。
    鉴于温室支撑结构的材料多为金属,在使用k值计算透光覆盖材料的热损失时乘以一个结构系数,以考虑包括屋脊、窗框、屋檐、天沟和骨架等结构的影响。见表4-1-5。

材料名称 k值(W/m2·K) 材料名称 k值(W/m2·K)
单层玻璃 6.4 墙体材料  
双层玻璃 4.0 瓦楞水泥石棉板 6.5
保温玻璃 厂商提供 混凝土,100mm厚 4.4
单层塑料膜* 6.8 混凝土,200mm厚 3.3
双层充气塑料膜 4.0 混凝土块,100mm厚 3.6
单层玻璃上覆盖单层塑料膜 4.8 混凝土块,200mm厚 2.9
单层玻璃上覆盖双层塑料膜 3.4 保温板 厂商提供
FRP瓦楞板 6.8 内表面抹灰砖墙24砖墙 2.08
结构塑料板(冬季)**   内表面抹灰砖墙37砖墙 1.57
16mm厚 3.3 内表面抹灰砖墙49砖墙 1.27
8mm厚 3.7    
6mm厚 4.1    
    4.围护结构的面积F
    由于围护结构的传热耗热量是按不同材料分别计算的,对每部分围护结构的传热面积也应该分别计算。
耗热量计算中面积可按各部分围护结构的几何尺寸进行计算。
    5.热节省率fr
    对温室、大棚等设施,由于有透光的要求,其覆盖材料的传热系数一般都很大,若不采取一定的措施,单凭一层薄膜在大多数情况下是不能够在设施内造成适宜作物生长的温度。对加温温室采用多层覆盖后,可有效地减少热量通过透明覆盖材料的散失,使采暖负荷减小,其减小的比例称为保温覆盖的“热节省率”fr。保温覆盖的方式和材料不同,热节省率fr也不同,一般约为25~60%,见表4-1-6。
表4-1-6  保温覆盖的热节省率(fr)     (三原义秋,1980)

保温方法 保温覆盖材料 热节省率
玻璃温室 塑料大棚
双层固定覆盖 玻璃、聚氯乙烯薄膜
聚乙烯薄膜
0.40
0.35
0.45
0.40
一层保温幕 聚乙烯薄膜
聚氯丙烯薄膜
不织布
混铝薄膜
镀铝薄膜、铝箔聚乙烯层膜
0.30
0.35
0.25
0.40
0.50
0.35
0.40
0.30
0.45
0.55
两层保温幕 两层聚乙烯薄膜
聚乙烯薄膜+镀铝薄膜或铝箔聚乙烯夹层
0.45
0.65
0.45
0.65
外面覆盖 温室用草苫 0.60 0.65
层覆盖能有效地抑制热量的散失,如不加温的大棚,当外界气温为-3℃时,外面加盖草帘比单层聚乙烯薄膜的棚内温度提高5~7℃;双层薄膜比单层薄膜的棚内温度提高3~5℃,三层薄膜的棚内温度提高5~6℃。
对新型外覆盖材料热节省率,可向生产厂家咨询。
   (三)冷风渗透耗热量
    在风压和热压造成的室内外压差作用下,室外的冷空气通过温室的缝隙渗入室内,被加热后逸出。把这部分冷空气从室外温度加热到室内温度所消耗的热量,称为冷风渗透耗热量Q2。
    影响冷风渗透耗热量的因素很多,如门窗的构造、朝向、室外风向和风速、室内外空气温度差等。对于温室等园艺设施,在工程设计中,冷风渗透耗热量主要考虑风压的作用,可忽略热压的影响。
    根据美国温室制造业协会的《温室设计标准》规定:冷风渗透耗热量的计算通常是基于风速小于6.7m/s。由于风速增大、围护结构的传热耗热量也将增大,所以对于风速持续超过上述基准的地区,温室的围护结构传热耗热量应乘以一个风速系数。表4-1-7给出了推荐值。
表4-1-7  风速因子(W)