温室多层覆盖传热系数与热节省率的工程算法

第 27 卷 第 7 期 农 业 工 程 学 报 Vol.27 No.7 264 2011 年 7月 Transactions of the CSAE Jul. 2011 温室多层覆盖传热系数与热节省率的工程算法赵淑梅，马承伟※，刘晨霞，张 义，张建宇，孙国涛 （中国农业大学农业部设施农业工程重点实验室，北京 100083） 摘 要 针对温室环境工程设计和保温性评价中多层覆盖传热计算问题，研究了根据单层保温幕保温性数据确定多层覆盖传热系数的方法。运用工程传热学理论，推导了由单层保温幕热节省率计算多层保温幕热节省率的公式，进而可计算多层覆盖传热系数。计算式揭示了温室单层保温幕和多层覆盖传热参数间的定量关系，通过引入传热阻比这一新概念，形式更加简明。采用多种数据的综合检验结果表明，所提出计算式准确性较高，同一情况下由单层保温幕热节省率计算得出的 3 层保温幕热节省率，与直接获得的同一热节省率最大相差仅 4.6。论文提出的计算方法，可避免对多种材料组合的各种多层覆盖进行逐一测试，系统地解决了多层覆盖传热计算中热节省率和传热系数确定的问题。 关键词 温室，热传递，计算，传热系数，多层覆盖，热节省率 doi 10.3969/j.issn.1002-6819.2011.07.046 中图分类号 S625， TU111.19 文献标志码 A 文章编号 1002-68192011-07-0264-06 赵淑梅，马承伟，刘晨霞，等. 温室多层覆盖传热系数与热节省率的工程算法[J]. 农业工程学报，2011，277264－269. Zhao Shumei, Ma Chengwei, Liu Chenxia, et al. Computing for thermal transmittance and saving ratio of heat loss in multi-layer covering of greenhouse [J]. Transactions of the CSAE, 2011, 277 264－ 269. in Chinese with English abstract. 0 引 言在冬季，通过温室外围护覆盖的散热是温室热损失的最主要部分，因此减少该部分散热量是温室保温节能关注的重点。采用保温性良好的覆盖材料以及多层保温覆盖是有效的保温节能技术措施，目前温室工程中普遍采用在固定的透明覆盖层（主覆盖层）内增设 1 层或多层保温幕（附加保温覆盖）的做法。 在温室工程建设中，为了准确地计算、设计和配置温室的环境调控装备，以及准确地评价温室能耗和节能性，需要准确定量地确定温室多层覆盖的传热性能和保温效果。采用传热系数（ thermal transmittance）这一参数，可以方便地计算出通过温室覆盖的热量损失，因此通常采用传热系数来计算温室覆盖的传热和评价保温性优劣[1]。 温室单层覆盖的传热系数可从各种文献查得[2-6]，而有关多层覆盖的传热系数资料则较少；一些资料虽给出了部分双层覆盖（主覆盖层 单层附加保温覆盖）的传热系数数据，但是很不全面， 3 层（主覆盖层 双层附加保温覆盖）以上覆盖的传热系数资料尤其缺少。 收稿日期 2010-11- 24 修订日期 2011-05-22 基金项目国家自然科学基金项目温室缀铝幕保温机理与性能的研究（ 50778173） ；现代农业产业技术体系建设专项资金资助（ CARS-25-D-04） ；“十一五” 科技支撑计划资源节约关键技术标准研制课题 （ 2006BAK04A03）资助 作者简介赵淑梅（ 1967－） ，吉林人，博士，副教授，主要从事农业建筑与环境工程研究。北京 中国农业大学农业部设施农业工程重点实验室，100083。 Email ※通信作者马承伟（ 1952－） ，男，重庆人，博士，教授，博士生导师，中国农业工程学会高级会员（ E041100006S） ，主要从事设施园艺环境工程研究。 北京 中国农业大学农业部设施农业工程重点实验室， 100083。 Email 另外，一些文献也给出了按附加保温覆盖的热节省率这一参数计算覆盖传热的方法[2, 4]，即根据主覆盖层的传热系数及附加保温覆盖（保温幕）的热节省率[1]，计算出多层覆盖的传热系数。 附加保温覆盖（保温幕）的热节省率（ saving ratio of heat loss），也称之为节能率[2, 7-8]，其物理意义为增加附加保温覆盖层后，温室覆盖热量损失降低值与原主覆盖层（无附加保温覆盖层）的热量损失值之比，是附加保温覆盖层保温节能效果的又一个评价指标。 采用热节省率这一参数，可以方便地根据主覆盖层（无附加保温覆盖）的传热系数推算增设附加保温覆盖层后温室覆盖的传热系数。但是，目前从文献资料中可以查到的热节省率数据很不全面，尤其是双层以上保温幕的有关数据非常缺少。 在由中国农业大学农业部设施农业工程重点实验室承担制定的国家标准温室节能技术通则（报批稿）中，已将传热系数和热节省率列为了温室覆盖层保温性能评价的参数。因此如何确定温室多层覆盖的传热系数和热节省率，是需要进一步解决的问题。 温室的各种多层覆盖的传热系数或热节省率的确定，原则上和最基本的方法是在实验室或在使用中的温室现场进行试验直接测定[6-12]。在温室现场进行的直接测定虽然最接近温室的实际工作状况，但测试环境很不稳定，覆盖层工作的条件很难控制一致，测定精度和测定结果的再现性较差。因此，在实验室内采用专用设备[1,11,13]，在测试条件准确控制和稳定的情况下进行传热系数或热节省率的测定，是较为准确可行的方法。该方面工作可参照已经发布实施的农业行业标准 NY/T 1831-2009 温室覆盖材料保温性能测定方法[1]的规定进第 7 期 赵淑梅等温室多层覆盖传热系数与热节省率的工程算法 265 行。传热系数可由测试设备直接测定，而附加保温覆盖层的热节省率则根据有、无附加保温覆盖层的传热系数测定值计算得出。 但是，由于可以用于温室主覆盖层和保温幕的覆盖材料有多种，其构成多层保温覆盖时的组合数量更是非常之大，要对不同保温覆盖材料的全部可能的组合都进行传热和保温性测试，其工作量非常巨大。 通过理论分析计算多层覆盖的传热系数或热节省率，是解决该问题的又一有效途径[8, 14-16]。但是，温室多层覆盖的传热系数不能采用类似建筑墙体按各层材料导热系数与厚度进行累加计算的方法。马承伟、张义等在前人研究的基础上，提出了通过理论模型模拟计算温室覆盖材料传热系数的方法[14-16]。该方法可根据各层覆盖材料的基本热物理特性与温室内外环境条件，定量分析覆盖层的传热，得出传热系数的理论计算值。但是该方法较为复杂，计算时需要编制专门的计算机程序，在工程设计中应用不够简便。 本文研究如何采用保温覆盖材料最基本的保温性能测试数据，根据工程传热的理论，建立一种便于在工程实际中应用的温室多层保温覆盖的热节省率和传热系数的确定方法。 1 单层保温幕的热节省率 采用单层保温幕（加上主覆盖层共为 2 层覆盖）的温室覆盖层的传热系数和保温幕的热节省率一般应采用试验测定的方法确定。 表 1 为作者根据各种有关文献资料[2, 4-5]，并进行补充实测和理论模拟计算[15-16]，系统整理出的各种保温幕材料用作单层保温附加覆盖时的热节省率的取值。 需要指出的是，即使是同一名称材料的保温覆盖，仍可能因其不同的材质成分、添加助剂、生产工艺、厚度、构造形式以及在使用中的工作环境条件等多种情况，其热节省率有较大的变化范围。表 1 所列仅为最多见的产品和在一般常见工作条件下的热节省率概略值，供设计和分析时参考。实际使用的保温幕更准确的热节省率值，应通过试验测试确定。 2 双层保温幕的热节省率 2.1 双层保温幕热节省率理论计算公式的推导 双层保温幕（加上外层的主覆盖层共为 3 层覆盖）不同材料组合数量很多，其热节省率和传热系数完全依靠直接测定是不现实的。但可由其每层单独用作单层保温幕时的热节省率（如表 1 的数据）进行推算。 如图 1，设主覆盖层单独使用（无附加覆盖）时的传热系数为 K′，传热阻为 R′1/K′，附加保温覆盖 1 与 2 各自的传热阻分别为 Rc1与 Rc2，附加保温覆盖 1 与主覆盖层共同工作时 （图 1a）的传热系数为 K1， 热节省率为 αc1，附加保温覆盖 2 与主覆盖层共同工作时（图 1b）的传热系数为 K2，热节省率为 αc2。 表 1 单层保温幕的热节省率 Table 1 Saving ratio of heat loss for single thermal screen 保温覆盖材料 热节省率 / 保温覆盖材料 热节省率 / 聚乙烯 PE薄膜 32 缀铝膜 25铝膜 ,75透明膜 34 聚氯乙烯 PVC薄膜 36 缀铝膜 33铝膜 ,67透明膜 36 PO 或乙烯 -醋酸乙烯EVA薄膜 35 缀铝膜 50铝膜 ,50透明膜 39 聚酯 PET膜 36 缀铝膜 67铝膜 ,33透明膜 42 无纺布 28 缀铝膜 75铝膜 ,25透明膜 44 混铝薄膜 40 缀铝膜 100铝膜 47 镀铝薄膜 50 缀铝膜 50铝膜 ,50无膜 15 草帘 5 kgm-2 70 缀铝膜 67铝膜 ,33无膜 20 复合材料保温被 68 缀铝膜 75铝膜 ,25无膜 22 注热节省率有小数与百分数 2 种表示形式，在本文的计算式中，一律按小数值进行计算；保温覆盖材料中 是指缀铝膜中铝膜、透明膜或无膜部分所占的面积百分比；为简洁起见，下文中缀铝膜仅标注铝膜的比例，其余部分为透明膜。 注 K 为多层覆盖的传热系数； K1和 K2为附加保温覆盖 1 和 2 分别与主覆盖层共同工作时的传热系数； R′为主覆盖层的传热阻； Rc1和 Rc2分别为附加保温覆盖 1 和 2 的传热阻。 图 1 各覆盖层以及不同组合时的传热系数及传热阻 Fig.1 Thermal transmittance and thermal resistance of different screen and their combination 农业工程学报 2011年 266 要计算求得附加保温覆盖 1、 2 同时使用（图 1c）的传热系数 K 或热节省率 αc，分析如下。 根据传热学原理，近似地有 2c1c1RRRK′ （ 1） 式中， K 为多层覆盖的传热系数， W/m2K或 W/m2℃ ；R′为单独使用主覆盖层时的传热阻， m2K/W 或 m2℃ /W；Rc1、 Rc2分别为附加保温覆盖 1 与附加保温覆盖 2 的传热阻， m2K/W 或 m2℃ /W。 根据热节省率的定义 KKK′−′cα （ 2） 式中， αc为附加保温覆盖 1、 2 同时使用的节省率；K′为主覆盖层传热系数， m2K/W 或 m2℃ /W。 一般资料中，可以查到主覆盖层的传热系数 K′，并推知其传热阻 R′，以及附加保温覆盖 1、附加保温覆盖 2分别与主覆盖层共同工作时的热节省率 αc1与 αc2（从而推算 K1与 K2），以下推导 Rc1与 Rc2。 由图 1a 所示情况，有 1c11RRK′ RRRRRRRRKKK′′′′−′′−′/1//1/1/11c1c1c1c1α得到 RRR ′′−1c1c11c1βαα（ 3） 式中， β1为附加保温覆盖 1 的传热阻比。可由下式计算 c1c111 ααβ−（ 4） 同理由图 1b 所示情况，可得到 RR ′22cβ（ 5） 式中， β2为附加保温覆盖 2 的传热阻比。可由下式计算 c2c221 ααβ−（ 6） 则根据传热学的理论， 2 层附加覆盖（加上外层的主覆盖层共 3 层覆盖，图 1c）时的传热系数与热节省率为 RRRRRRK′′′′212c1c11ββ（ 7） 212121c1/111ββββββα′′′′−′′−′RRRRRKKK（ 8） 以上计算方法中引入了传热阻比这一新概念的参数，其物理意义为某层附加保温覆盖的传热阻与主覆盖层传热阻之比。该参数的引入使计算公式具有了简明的形式。 2.2 双层保温幕热节省率计算值的验证 以上由每层覆盖层单独用作单层保温幕时的热节省率推算双层保温幕热节省率的方法（计算式（ 8）），采用相关资料[4-5]的数据验证如表 2。 表 2 双层保温幕热节省率计算值的验证 Table 2 Validation of calculated value of saving ratio of heat loss for double screen with reference data 单层附加覆盖 热节省率 / 热节省率 αc/主覆盖层附加保温覆盖αc1αc2资料 计算误差 / 玻璃 PE 膜 PE 膜 30 30 45 46.2 1.2 PVC 膜 PE 膜 PE 膜 35 35 45 51.9 6.9 任意*PE 膜 PE 膜 35.5 35.5 54.8 52.4 -2.4 玻璃 PE 膜 不织布 30 25 45 43.2 -1.8 PVC 膜 PE 膜 不织布 35 30 45 49.2 4.2 玻璃 PVC 膜 PE 膜 35 30 50 49.2 -0.8 PVC 膜 PVC 膜 PE 膜 40 35 50 54.7 4.7 玻璃 PVC 膜 不织布 35 25 50 46.6 -3.4 PVC 膜 PVC 膜 不织布 40 30 50 52.3 2.3 玻璃 PVC 膜 PVC 膜 35 35 55 51.9 -3.1 PVC 膜 PVC 膜 PVC 膜 40 40 55 57.2 2.2 玻璃PVC 膜 缀铝膜67 35 35 55 51.9 -3.1 PVC 膜PVC 膜 缀铝膜67 40 40 55 57.2 2.2 玻璃 PE 膜 镀铝膜 35 50 65 60.6 -4.4 PVC 膜 PE 膜 镀铝膜 35 55 65 63.8 -1.2 平均 0.233注表中资料数据“ *”号者来自 ANSI/ASAE EP406.4 JAN03 Heating，Ventilating and Cooling Greenhouses， ASAE Engineering Practice， 2003。其余数据来自日本施設園芸協会 . 施設園芸ハンドブック（五訂） . 东京園芸情報センター， 2003。 由表 2 可知，式（ 8）计算的双层附加覆盖热节省率，与文献 [4]中所给数值较为一致，最大误差为 6.9。但对于该最大误差对应的覆盖情况（主覆盖层为 PVC 薄膜，附加保温覆盖为 PE 薄膜 PE 薄膜），文献 [5]给出了不同的结果，式（ 8）计算得出的数值与之较为接近，误差仅为- 2.4，且偏差方向与文献 [4]相反。即式（ 8）计算得出的数值介于文献 [4]与文献 [5]之间。两方面相参照，可认为式（ 8）计算得出的数值是较为可靠的。 其余情况，式（ 8）计算得出的数值与文献的数据最大相差 4.7，全部情况平均相差 0.233。 此外，笔者采用模拟覆盖层传热的方法[15-16]，直接求得了多种覆盖材料的单层保温幕和双层保温幕的热节省率，而按式（ 8）采用单层保温幕热节省率模拟值计算得出的双层保温幕的热节省率数值与之相比也非常接近，限于本文的篇幅，不一一赘述。 验证结果表明，采用式（ 8）计算的双层保温幕热节省率是较为准确的。 3 多层保温幕的热节省率 以上根据每层附加保温覆盖单独用作单层保温幕时的热节省率确定双层保温幕热节省率的方法，可以类似地推广用于 n 层保温幕（加上外层的主覆盖层一共 n1第 7 期 赵淑梅等温室多层覆盖传热系数与热节省率的工程算法 267 层覆盖）的情况。 3.1 n 层保温幕热节省率的理论计算公式 采用与以上推导类似的方法，可以得到 n 层保温幕热节省率的理论计算公式如下。 ∑∑niinii11c1 ββα （ 9） 式中， αc为 n 层保温幕的热节省率； βi为第 i 层保温幕的传热阻比。 iiicc1 ααβ− i1,2, ,n （ 10） 式中， αci为第 i 层保温幕在用作单层保温幕时的热节省率。 式（ 9）与式（ 10）为计算 2 层以上多层保温幕热节省率通用的计算式。利用这些计算式，可以容易地由各层保温幕在用作单层保温幕时的热节省率，计算出其多层覆盖时的热节省率，再由下式即可计算出多层覆盖的传热系数。 1cα−′ KK （ 11） 3.2 3 层保温幕热节省率计算值的验证 目前 3 层以上保温幕的传热系数或热节省率的数据资料很少。因此，作者采用试验测试与理论分析相结合的方法，对本文提出的多层保温幕热节省率计算方法，以及 3 层保温幕的情况进行了检验。验证结果如表 3 所示，说明与分析如下。 1）单层与多层保温幕热节省率的试验测定 测试根据 NY/T 1831-2009 温室覆盖材料保温性能测定方法[1]的规定进行。采用温室覆盖材料保温性能测试台[1,13]，测定单层与多层保温幕使用时的传热系数，按式（ 2）计算其热节省率（测定值）。测定结果如表 3 所示。需要指出的是，试验测定的单层保温幕热节省率比表 1 给出的数值高得多，相差最多的约高出 20。其原因主要是试验测定中试件周边卡固严密，无接缝透气。而保温幕实际使用中，周边和分块间不可避免地存在一定大小的接缝，保温幕两侧空气的流动和交换显著地降低了其保温性能，因此实际工程中计算分析时采用比测试数据低的数值。 2）单层与多层保温幕热节省率的模拟分析 理论分析按文献 [15-16]的方法进行，通过对多层覆盖传热过程模拟的方法，得出单层与多层保温幕使用时的传热系数，同样可按式（ 2）计算其热节省率（理论模拟值）。单层保温幕时的采用不同方法得出的热节省率如表 3 所示。 从表 3 可以看出，对于保温幕近似无透气的模拟结果与试验测定值非常接近，最大相差仅 4.5，说明模拟结果是较为准确的。保温幕有透气的模拟结果显示，模拟中保温幕单位面积的透气率，对于 PE 薄膜取为 0.003 m3/m2s，对于缀铝膜取为 0.0045 m3/m2s[4-5]，所获得的单层保温覆盖的热节省率模拟结果与文献 [4]提供的数值较为接近。 表 3 单层保温幕热节省率计算值的验证 Table 3 Validation of calculated value of saving ratio of heat loss for single screen with experiment data 热节省率 / 覆盖材料 从外至内， 第一覆盖材料为主覆盖层 试验测定值 理论模拟值 无透气 理论模拟值 有透气 玻璃 PE 50.4 46.3 36.7 PEPE 38.4 42.0 31.8 玻璃 缀铝膜 67 58.8 57.6 44.7 PE缀铝膜 67 61.5 58.2 45.7 玻璃 缀铝膜 67 62.9 59.1 46.2 PE缀铝膜 67 64.9 60.4 47.8 3） 3 层保温幕热节省率计算值的验证 采用以上 3 种方法获得的单层保温幕热节省率的数据， 对 A（玻璃 PE缀铝膜 75缀铝膜 67） 与 B（ PEPE 缀铝膜 75缀铝膜 67） 2 种 3 层保温幕情况下的热节省率，按式（ 9）与式（ 10）分别进行计算，结果如表4 所示。 表 4 3 层保温幕热节省率计算值的验证 Table 3 Validation of calculated value of saving ratio of heat loss for three-layer screen with experiment data 热节省率 / 试验测定值 理论值 无透气 理论值 有透气 覆盖材料 从外至内，第一覆盖材料为主覆盖层 测定值按单层测定值计算 模拟值 按单层模拟值计算 模拟值按单层模拟值计算A玻璃 PE缀铝膜75缀铝膜 67 75.9 80.5 78.9 78.6 68.6 69.2 B PEPE 缀铝膜75缀铝膜 6777.0 80.3 78.2 78.5 67.6 69.0 如表 4 所示，几种情况下，根据单层覆盖热节省率的直接测定值或理论模拟值，采用式（ 9）与式（ 10）计算获得的 3 层保温幕覆盖热节省率的计算值，分别与 3层保温幕覆盖热节省率的直接测定值或理论模拟值较为接近，最大相差仅 4.6。 验证结果表明，无论何种情况，总是可以采用式（ 9）与式（ 10），由某一情况下的单层保温幕热节省率，计算同一情况下的 3 层保温幕热节省率， 其结果与直接 （测定或模拟）获得的 3 层保温幕热节省率数值均较为一致，表明本文提供的计算方法是准确的。 对于 3 层以上保温幕的热节省率，作者也采用模拟分析的方法对本文的计算方法进行了验证，证明也是可行的。但 3 层以上保温幕的情况实际工程中尚未见到，故此处从略。 3.3 多层保温幕热节省率与传热系数计算方法归纳 本文提供的多层保温覆盖的热节省率和传热系数计算方法步骤可以归纳为 1）确定各层保温幕在用作单层保温幕时的热节省率（可参考表 1 或文献 [4]），对于不能从现有资料查得的情农业工程学报 2011年 268 况，应通过试验测定。 2）按（ 10）式计算各层保温幕的传热阻比。 3）按（ 9）式计算多层保温覆盖的热节省率。 4）按（ 11）式计算多层保温覆盖的传热系数。 例如，主覆盖层为单层塑料薄膜，下设 PE 膜 缀铝膜（ 75铝膜）的双层保温幕。 由有关资料查得在无保温幕的情况下，单层塑料薄膜覆盖时传热系数为 K′6.8 W/m2K，由表 1 查得 PE膜与缀铝膜（ 75铝膜）分别用作单层保温幕时的热节省率 αc1与 αc2为 32与 44，则其传热阻比分别为 471.032.0132.01c1c11−−ααβ786.044.0144.01c2c22−−ααβ 则该双层保温幕的热节省率为 7.55557.0786.0471.01786.0471.012121cββββα传热系数为 KK′1-αc6.81-0.5573.0 W/m2K 又如，主覆盖层为单层玻璃，下设 PE缀铝膜（ 75铝膜） 缀铝膜（ 67铝膜）的 3 层保温幕。 由有关资料查得无保温幕情况下单层玻璃覆盖的传热系数为 K′6.4 W/m2K，由 表 1 查得 PE 薄膜、缀铝膜（ 75铝膜）与缀铝膜（ 67铝膜）分别用作单层保温幕时的热节省率 αc1、 αc2与 αc3为 32、 44与 42，则其传热阻比按式 （ 10） 计算为 β10.471、 β10.786 与 β30.724，则该 3 层保温幕的热节省率为 5.66665.0724.0786.0471.01724.0786.0471.0111c∑∑niiniiββα传热系数为 KK′1-αc6.41-0.6652.14 W/m2K 4 讨 论 采用本文提供的计算公式与方法，可以避免对不同材料组成的、组合数量巨大的多层保温覆盖进行逐一全面的测定，系统地解决了在温室环境工程计算与覆盖层的保温节能性评价中，确定多层保温覆盖的热节省率和传热系数的问题。 但应该说明的是，在温室中，屋面以及侧墙各部分覆盖材料有可能是不相同的，覆盖保温幕的情况也有可能不相同。例如，较多的温室仅在屋面之下设置保温幕，四周侧墙部分未设置。则热节省率、传热系数以及传热损失应各部分分别计算。 此外，对于保温幕设置的方式（垂直或水平方向、以及各覆盖材料间的距离等）对其热节省率的影响，目前还未有充分的研究。有资料表明，覆盖材料间的距离在 2 cm 以上时，其保温的效果没有明显的变化[4]。但各种情况下保温幕的保温效果，还有待于更准确和全面的研究。 5 结 论 本文运用工程传热学的理论，研究了根据温室单层附加保温覆盖（保温幕）的热节省率计算多层保温覆盖的热节省率和传热系数的方法，推导得出了相关的计算公式。 计算式揭示了温室单层覆盖和多层覆盖传热参数间的定量关系，其中引入了传热阻比这一新概念参数，使计算式具有简明的形式。 依据文献资料、试验测试和理论模拟等多方面数据综合分析和验证的结果表明，本论文提出的多层保温覆盖热节省率计算公式具有较高的准确性，由某一情况下单层保温幕热节省率计算得出的同一情况下的 3 层保温幕热节省率，与直接获得的 3 层保温幕热节省率最大相差仅为 4.6，可以满足温室工程实际工作的需求。 [参 考 文 献] [1] NY/T 1831-2009 温室覆盖材料保温性能测定方法 [S]. 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According to heat transfer theory, the ula for saving ratio of heat loss of multi-layer sc