摘要：本文從連棟溫室供熱系統(tǒng)的節(jié)能要求出發(fā)，重點(diǎn)研究了常用的熱水供熱系統(tǒng)光管散熱管道的熱工性能在涂輻射涂層前后性能變化，及提高散熱管道輻射換熱特性對(duì)溫室內(nèi)熱環(huán)境的影響，為設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的連棟溫室提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：節(jié)能熱工性能換熱0前言連棟溫室作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的主要組成部分，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。但由于連棟溫室中的供熱系統(tǒng)初投資和運(yùn)行費(fèi)用高，使連棟溫室的發(fā)展受到了影響。如何提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的技術(shù)含量，降低溫室運(yùn)行的成本成為迫在眉睫的問(wèn)題。目前連棟溫室供熱系統(tǒng)的散熱設(shè)備，主要為常規(guī)散熱器、光管散熱管道以及帶肋片的散熱管道，由于光管散熱管道熱器（包括帶具有傳熱系數(shù)大，輻射換熱量比例大，拆卸方便，可作為溫室內(nèi)做業(yè)的導(dǎo)軌，熱管道作為散溫度場(chǎng)均勻，垂直溫差較小等特點(diǎn)。因此成為連棟溫室中最常用的散熱設(shè)備。本文著重研究提高光管散熱管道的熱工性能，并探討降低連棟溫室供熱系統(tǒng)費(fèi)用的可行性。1連棟溫室供熱系統(tǒng)常用光管散熱管道的熱工性能1.1理論分析的原始數(shù)據(jù)冬季室內(nèi)的計(jì)算溫度取花卉區(qū)的設(shè)計(jì)溫度：tn=18℃。室外氣溫，取上海地區(qū)供暖室外計(jì)算溫度tj=-2oC。設(shè)計(jì)供水溫度，考慮到溫度太高會(huì)傷害作物，宜取tg=80oC；設(shè)計(jì)回水溫度，取th=55oC；供、回水平均溫度取供、回水溫度的算術(shù)平均值67.5℃。散熱管道材質(zhì)為鍍鋅鋼管，外徑57mm，壁厚δ=3.5mm，λ=54W/m·K，散熱管道內(nèi)為受迫紊流流動(dòng)換熱1.2理論計(jì)算與分析由于散熱管道管壁很薄，遠(yuǎn)小于鋼管直徑，因此在K值計(jì)算時(shí)，可近似為無(wú)限大平壁。根據(jù)文獻(xiàn)[1],平壁的K值計(jì)算式為：W/m2.℃�。�1）式中：αn--散熱管內(nèi)表面的復(fù)合換熱系數(shù)，W/m2·K；δ--散熱管道壁厚，m；λ--散熱管導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K。αw=αc+αrαc–管外對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2·K；αr–管外輻射換熱系數(shù)，W/m2·K；根據(jù)傳熱學(xué)原理，K值主要取決于αw，可認(rèn)為K≈αw,從文獻(xiàn)[2]得計(jì)算結(jié)果得到：αc=6.91，αc=2.22，K≈αw=9.13輻射因素所占的比例為2涂鍍輻射涂層的光管散熱管道的熱工性能分析在常用光管外壁面發(fā)射率較低的情況下（計(jì)算時(shí)取發(fā)射率=0.28），輻射散熱在總的散熱中仍占較大的比例，為此我們?cè)O(shè)想在光管散熱管道表面涂鍍發(fā)射率較高的紅外輻射涂料來(lái)增強(qiáng)輻射換熱，從而達(dá)到提高光管散熱管道的熱工性能的目的。2.1輻射涂層的特性及其基本要求2.1.1涂料自身的輻射性能：1)材料結(jié)構(gòu)與輻射性能的關(guān)系。不同材料的發(fā)射率不同。一般來(lái)說(shuō)金屬導(dǎo)電體的數(shù)值較�。浑娊赓|(zhì)材料的數(shù)值較高。2)溫度與輻射性能的關(guān)系。金屬材料的發(fā)射率通常隨溫度上升而增加；電解質(zhì)材料的發(fā)射率則與溫度沒(méi)有固定的相互關(guān)系。3)材料表面狀態(tài)與輻射性能的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，材料表面越粗糙，其發(fā)射率值越大，這種情況對(duì)金屬比對(duì)電介質(zhì)材料更為顯著。4)輻射特性隨工作時(shí)間的變化。金屬材料由于氧化作用，其發(fā)射率通常會(huì)隨工作時(shí)間增加而提高；而某些電解質(zhì)材料由于晶體結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變，其發(fā)射率反而將隨工作時(shí)間增加而下降。2.1.2涂層材料用于溫室工程的要求：1)防水防腐要求；2)不影響溫室內(nèi)作物的生長(zhǎng)；3)無(wú)毒無(wú)害；4)價(jià)格適中，施工方便。2.1.3示范材料的選擇：根據(jù)涂料自身的輻射性能和溫室工程的要求，在實(shí)驗(yàn)中采用上海某涂料制造有限公司試制的紅外輻射涂料作為示范涂料。涂料主要成分及基本參數(shù)如下：主要成分(按質(zhì)量百分比)：硫化鉛--20%，氧化鋯--20%，稀釋劑—60%；涂層厚度：0.3mm；導(dǎo)熱系數(shù)λ’:約0.5～0.8W/m·K；發(fā)射率：在連棟溫室的溫度工況下，涂料的發(fā)射率=0.91～0.93。計(jì)算時(shí)取=0.922.2有輻射涂層的光熱管道熱工性能分析散熱管道近視為無(wú)限大平壁。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，K值計(jì)算式為：W/m2.℃�。�2）δ'--涂料厚度，m；λ'–涂料導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K。','--有涂料的散熱管內(nèi)，外表面的復(fù)合換熱系數(shù)，W/m2·K；由于涂層很薄，δ'/λ'≈0。外壁涂層對(duì)內(nèi)壁換熱情況的影響很小，因此，外壁涂層對(duì)內(nèi)壁換熱系數(shù)αn’基本無(wú)影響，可認(rèn)為αn’=αn；散熱管外表面的對(duì)流換熱系數(shù)仍為αw’=αc’+αr’由于外壁的對(duì)流換熱形式是自然對(duì)流換熱，因此換熱系數(shù)與表面涂層情況及壁面粗糙度無(wú)關(guān)，僅與壁面溫度和周圍空氣溫度以及定型尺寸有關(guān)。在壁面溫度和周圍空氣溫度及定型尺寸不變的條件下，管外對(duì)流換熱系數(shù)不變。在溫度條件不變的工況下，輻射換熱系數(shù)僅與發(fā)射率有關(guān)，則：所以K'=α’=7.29+6.91=14.20W/m2·K。由上述理論計(jì)算，可知：在管道表面涂鍍高發(fā)射率涂料，能夠顯著提高管道換熱系數(shù)，是提高散熱管熱工性能的有效方法。2.3實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的初步結(jié)果根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）規(guī)定：光管傳熱系數(shù)K值的測(cè)定在符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的封閉小室內(nèi)，保持室溫恒定下進(jìn)行。為此實(shí)際測(cè)量在同濟(jì)大學(xué)暖通空調(diào)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。根據(jù)文獻(xiàn)[2]中的方法指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)的布置經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)并通過(guò)計(jì)算最后可將傳熱系數(shù)K的實(shí)驗(yàn)公式整理為：K=9.81Δt0.088在理論計(jì)算的條件下，將溫室室內(nèi)散熱管道的設(shè)計(jì)參數(shù)tn=18℃，tpj=67.5℃代入實(shí)驗(yàn)室公式得：K=9.81Δt0.088=9.81x(67.5-18)0.088=13.83W/m2.℃與前述理論分析的K值接近。2.4輻射涂層對(duì)植物熱平衡的影響在同樣熱舒適的前提下，低溫輻射供暖房間的設(shè)計(jì)溫度可以比對(duì)流供暖房間降低2～3℃。這一溫度降低量是以人體熱舒適方程為基礎(chǔ)推導(dǎo)出的。植物從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)也是生物，也有對(duì)熱舒適的感受。下面將仿照人體熱舒適方程，寫出植物的熱舒適方程，并嘗試推導(dǎo)出對(duì)象溫室涂鍍輻射涂層后，設(shè)計(jì)溫度的理論降低量。由于植物不向外做機(jī)械功，所以W≡0；模仿人體的熱平衡方程式，植物的熱平衡方程式寫為如下形式：S’=M’-E’-R’-C’=0（3）式中：S’--植物的蓄熱率，W/m2；M’--植物的能量代謝率，W/m2；E’--植物葉片表面水分蒸發(fā)及呼吸作用帶走的熱量，W/m2；R’--植物與周圍環(huán)境的輻射換熱量，W/m2；C’--植物與周圍環(huán)境的對(duì)流換熱量，W/m2。植物在穩(wěn)定環(huán)境下達(dá)到熱舒適，S’應(yīng)為0。在環(huán)境參數(shù)改變時(shí)，須保證S’仍=0，才能保證植物的熱舒適感受不變。根據(jù)文獻(xiàn)4，M’、E’、R’、C’四項(xiàng)中，僅E’和C’兩項(xiàng)與空氣溫度tf2有關(guān)。其中，E’=L+Eres+Ed+Esw式中：L--呼吸時(shí)的顯熱損失，W/m2；Eres--呼吸時(shí)的潛熱損失，W/m2；Ed--植物體液滲透造成的熱損失，W/m2；Esw--植物表面水分蒸發(fā)造成的熱損失，W/m2；這四項(xiàng)中，僅L一項(xiàng)與空氣溫度tf2有關(guān)。由此我們可知當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，要使植物的熱舒適感覺(jué)不變，則必須保證L+R’+C’=常數(shù)。下面，來(lái)逐一分析L、R’和C’三項(xiàng)的理論計(jì)算方法。植物與周圍環(huán)境的輻射換熱量R’應(yīng)等于圍護(hù)結(jié)構(gòu)各表面與植物間的輻射換熱量R1加散熱管道與植物之間的輻射換熱量R2。圍護(hù)結(jié)構(gòu)各表面與植物間的輻射換熱情況是大空腔與內(nèi)包壁之間的輻射換熱，根據(jù)文獻(xiàn)1，其單位面積的換熱量可寫成以下形式：（4）式中：ε3--植物表面的發(fā)射率，無(wú)因次；σb--黑體輻射常數(shù)，5.67x10-8W/m2·K4；T3--葉片表面絕對(duì)溫度，K；Tr--圍護(hù)結(jié)構(gòu)各表面的平均輻射溫度，K；散熱管道與植物之間的輻射換熱情況是大空腔內(nèi)兩灰表面之間的輻射換熱，只計(jì)一次輻射時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)1，其單位面積的換熱量可寫成以下形式：（5）式中：ε4--散熱管表面的發(fā)射率，無(wú)因次；Tn4--散熱管道表面絕對(duì)溫度，K；Φ3,4--植物對(duì)散熱管道的輻射角系數(shù)，無(wú)因次；表示植物表面向空間輔射的總能量中投落到散熱管道表面的百分比。散熱管道表面溫度高于植物葉片表面溫度，所以此項(xiàng)為負(fù)值，即植物從散熱管道得熱。所以，6單位表面積植物與周圍環(huán)境的對(duì)流換熱量C’=α3(t3-tf2)式中：α3--葉片的對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2·K；t3--葉片表面溫度，℃；tf2--植物周圍空氣溫度，℃；根據(jù)文獻(xiàn)5，根據(jù)實(shí)驗(yàn)公式：α3=5.7+3.8v式中v--周圍空氣的流速。所以，（7）植物呼吸時(shí)的顯熱損失通過(guò)下式計(jì)算：L=0.278qCp(t3-tf2)�。�8）式中：q--單位表面積葉片單位時(shí)間內(nèi)的呼吸換氣量，kg/m2·h；Cp--空氣的定壓比熱，1.01kJ/kg·K；0.278--單位換算系數(shù)，1kJ/h=0.287W；散熱管道涂鍍輻射涂層后，ε4上升。為保證L+R’+C’=常數(shù)，tf2必須下降，且必須有：△L+△R’+△C’=0；將式3、6、7、8代入△L+△R’+△C’=0，并整理得：將上式變形得：（9）式〈9〉便是對(duì)象溫室涂鍍輻射涂層后，設(shè)計(jì)溫度的理論降低值計(jì)算公式。3輻射涂層的節(jié)能節(jié)材效果及初步結(jié)論3.1節(jié)能效果分析及初步結(jié)論涂鍍輻射涂層后，在滿足溫室內(nèi)植物的生長(zhǎng)要求和相同的熱舒適條件下，溫室內(nèi)的空氣設(shè)計(jì)溫度可以比常用散熱管的熱水供熱系統(tǒng)降低約2℃左右，以上海地區(qū)為例，溫室的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷可減少10%。3.2節(jié)約管材的分析及初步結(jié)論涂鍍輻射涂層后，理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)分析均表明：散熱管道的傳熱系數(shù)有了較明顯的增大，其增加幅度理論上可達(dá)30%—40%，這說(shuō)明在供熱量相同的條件下，散熱管道的管材理論可以減少約30%，散熱管道的初投資可以明顯下降。當(dāng)然，涂鍍輻射涂層將增加初投資，經(jīng)濟(jì)上是否合算，這取決于涂料的價(jià)格及其在溫室中的使用壽命，同時(shí)由于光管散熱管道的傳熱系數(shù)的測(cè)量在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，其實(shí)際效果還需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大量實(shí)測(cè)來(lái)檢驗(yàn)。參考文獻(xiàn)1章熙民、任澤霈、梅飛鳴.傳熱學(xué)(第三版).中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993.62蔡龍俊、馮哲雋.棟溫室熱水供熱系統(tǒng)散熱管道傳熱系數(shù)的計(jì)算與測(cè)試北京.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003.33采用密閉小室測(cè)試采暖散熱器的熱工性能[S].北京.中國(guó)建筑工業(yè)出版社19784趙榮義、范存養(yǎng)、薛殿華.空氣調(diào)節(jié)(第三版).中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1994.115馮雅、陳啟高.種植屋面熱過(guò)程研究.中國(guó)新能源網(wǎng)（www.newenergy.org.cn）6賀平、孫剛.供熱工程(第三版).中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993.11
