團體標準T/CAMA 20-2019 太陽能相變蓄熱型日光溫室設計規范

編者按

2019年8月31日，由中國農業機械化協會設施農業分會牽頭申報的4項團體標準正式發布，并于2019年9月16日正式實施。其中T/CAMA 20-2019 《太陽能相變蓄熱型日光溫室設計規范》由新疆農業科學院農業機械化研究所牽頭起草，標準全文如下，以饗讀者。

前言

本標準按照 GB/T 1.1-2009 給出的規則起草。

本標準由中國農業機械化協會設施農業分會提出。

本標準由中國農業機械化協會歸口。

本標準起草單位：新疆農業科學院農業機械化研究所、北京工業大學、西北農林科技大學、中國農業大學、北京市農業技術推廣站。

本標準主要起草人：馬彩雯、陳超、鄒志榮、馬承偉、鄒平、韓楓濤、于楠、雷喜紅、李印、張彩虹、楊楓光、李亞茹、姜魯艷、吳樂天、曹新偉、姜理星、馬艷、于秀針、吐爾遜娜依·熱依木江、張宇。

1 范圍

本標準規定了太陽能相變蓄熱型日光溫室建筑、構造、熱工性能、通風換熱性能的設計方法，包括主要材料選取方法。

本標準適用于新建太陽能相變蓄熱型日光溫室以及既有日光溫室改擴建，為太陽能相變蓄熱型日光溫室的設計、建設提供方法。

2 規范性引用文件

下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的版本，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T 8175 設備及管道絕熱設計導則

GB/T 23393 設施園藝工程術語

GB/T 29148 溫室節能技術通則

GB 50016 建筑設計防火規范

GB 50176 民用建筑熱工設計規范

GB 50243 通風與空調工程施工質量驗收規范

GB 50495 太陽能供熱采暖工程技術規范

GB/T 51183 農業溫室結構荷載規范

JB/T 10286 日光溫室 技術條件

NY/T 3223-2018 日光溫室設計規范

3 術語和符號

下列術語和定義適用于本文件。

3.1 術語

GB/T 23393、GB 50176界定的以及下列術語和定義適用于本文件。

3.1.1 太陽能相變蓄熱型日光溫室 phase-change thermal storage solar greenhouse

由兼具保溫與相變蓄熱功能墻體（后墻應用相變材料、保溫材料、空氣傳熱通道）、保溫后屋面和采光前屋面構成，采光前屋面夜間覆蓋活動保溫被進行保溫，可充分利用相變材料的儲熱功能高效利用太陽能，實現溫室熱環境有效控制的近零能耗或低能耗的單屋面日光溫室。

3.1.2 日照時間 sunlight duration time

日照時間是指可照時數與曙暮光時間的總和，即光照時間=可照時數+曙暮光時間。

注：日出至日沒期間，太陽可能照射的時間長度稱為可照時數，即晝長。日出前及日落后的一段時間內，地面仍能得到高空大氣的散射輻射即為晨光和昏光，習慣上合稱為曙暮光時間。

3.1.3 日照質量 sunlight quality

日照時間與日照面積的綜合影響效果。

3.1.4被動式蓄熱 passive heat storage

日光溫室圍護結構通過自然吸收并儲存直接照射在其表面的太陽輻射，或是通過自然對流換熱方式從周圍環境獲得并進行儲熱的方式。

3.1.5 主動式蓄熱 active heat storage

通過強制通風換熱方式將太陽能集熱器或其他外部設備產生的能源強制導入日光溫室墻體、土壤或其它構件進行儲熱的方式。

3.1.6 太陽能主被動相變蓄熱墻體結構 phase change material wall with vertical air channels integrating solar concentrator

墻體由3層不同建筑材料層構成。墻體內表面層采用相變材料直接接受太陽輻射或通過自然對流換熱方式將從周圍環境獲得的熱能以潛熱方式儲存;中間層采用帶有空氣通道的重質建筑墻體材料，通過強制通風換熱方式將來自太陽能集熱器或其它外部的熱能以顯熱蓄熱方式儲存;外表面層采用輕質保溫材料，減少通過溫室后墻流向外部環境的熱損失。

3.1.7 相變材料 phase change material（PCM）

相變材料是指在溫度不變或變化較少的情況下，通過相態的改變，吸收或釋放大量的潛熱的材料。

3.1.8 相變溫度 phase change temperature

物質發生相態轉變的溫度，即物質在不同相之間轉變時的臨界溫度。

3.1.9 相變潛熱 phase change latent heat

單位質量物質在一定溫度條件下，從一種物相完全轉變為另一種物相時吸收或放出的熱量。

3.1.10光斑 light spot

太陽光透過溫室前屋面，直接投射到墻體與地面且未被建筑構件、設備、植物以及其它物體遮擋的光照部分稱為光斑。

注：光斑的反義詞為日影 （shadows cast）。即，太陽光透過溫室前屋面，進入溫室內被建筑構件、設備、植物以及其它他物體遮擋的陰影部分稱之為日影。

3.1.11墻體蓄熱系數 heat accumulation coefficient of wall

墻體層一側受到諧波作用時，墻體表面熱流及溫度將按照同一周期波動，通過墻體表面的熱流波幅與表面的溫度波幅的比值。

3.1.12墻體材料比熱容 specific heat of wall materials

單位質量的材料，在溫度升高或降低 1℃時所需吸收或放出的熱量，表征了墻體材料容納或釋放熱量能力的物理量。

3.1.13墻體材料熱導率 specific heat of wall materials

在墻體內材料溫度梯度為 1℃/m 時，單位時間內通過墻體單位面積所傳遞的熱量。

3.1.14熱負荷 thermal load

為維持日光溫室內一定的環境溫度，補償溫室內熱損失，在單位時間內需向溫室供應的熱量。

3.1.15太陽能通風換熱系統 Ventilation and heat collecting system integrating solar concentrator

系統由太陽能空氣集熱器、送風管道、調節風閥、墻體空氣通道、通風機、回風閥及回風管道構成，分別通過蓄熱模式、取熱模式、直送模式及送風模式等模式，實現冬季利用太陽能加熱空氣向墻體蓄熱并為溫室供暖、過渡季節利用太陽能加熱空氣提前為墻體蓄熱、夏季利用室外較低溫度空氣為溫室通風降溫，實現日光溫室熱濕環境全年控制運行。

3.2 符號

在本標準中出現的計算量的符號、意義和單位見表 1。

4 設計

4.1 一般規定

4.1.1 結構設計應符合 GB/T 51183、GB/T 29148、NY/T 3223-2018 的要求。

4.1.2 后屋面設計應符合 NY/T 3223-2018 的要求，保溫設計熱阻值應符合 GB 50176 的要求。

4.1.3 前屋面設計應符合 NY/T 3223-2018、JB/T 10286 的要求。

4.1.4 本規范未列出的其他空間形態參數設計應符合 NY/T 3223-2018 的要求。

4.1.5 太陽能相變蓄熱型日光溫室后墻應具有保溫、潛熱蓄熱能力。后墻的外表面層采用輕質保溫材料，內表面層采用相變材料，中間層宜采用具有承重能力且顯熱蓄熱性能好的重質材料。

4.1.6 太陽能相變蓄熱型溫室宜在靠近后墻區域的東西山墻相對位置開設通道門，便于夏季“穿堂風式”自然通風;有門斗的情況，在門斗外墻相對位置開設通道門，確保夏季自然通風換氣效果。冬季應做好外墻通道門的密封和保溫，減少冷風滲透與熱損失。示意見圖 1。

4.1.7 太陽能相變蓄熱型日光溫室前底腳應設置防寒溝、排水溝。示意見圖 2。

4.1.8 太陽能相變蓄熱型日光溫室后墻應保證充足的日照質量。建筑朝向以滿足日光溫室相變蓄熱墻體和太陽能集熱裝置最大程度接受太陽光輻射為原則。部分地區太陽能相變蓄熱型日光溫室最佳建筑朝向推薦值參見表 2。

太陽能相變蓄熱型日光溫室的最佳朝向可按式（1）計算。

γmax=0.01801?3-2.127?2+84.16?-1109.5………（1）

式中：

?——當地的地理緯度，°N（按附錄 A 取值）。

4.1.9 太陽能相變蓄熱型日光溫室高跨比η可按式（2）計算。部分地區 8～10 m 跨度太陽能相變蓄熱型日光溫室建筑空間形態特征參數推薦值參見表 3。

……………（2）

式中：

——當地越冬生長期室外日平均溫度（℃）（按附錄 A 取值）;

——當地越冬生長期日平均太陽輻射量（MJ/（m2·day））（按附錄 A 取值）。

4.2 太陽能相變蓄熱墻體構造設計

4.2.1 被動式相變蓄熱墻體設計

4.2.1.1 被動式相變蓄熱墻體應符合下列要求（結構示意見圖 3）：

a） 墻體外表面層宜采用熱導率不小于 0.25m2·Κ/W 的保溫材料，保溫材料厚度宜為 100～200 mm。日光溫室建筑材料的熱阻、傳熱系數、蓄熱系數、熱惰性指標計算參照附錄 B。

b） 墻體中間層宜采用具有承重能力、顯熱蓄熱性能好的重質材料。重質材料的種類及其熱工性能參數參見附錄 C。

c） 墻體內表面層宜采用相變潛熱不小于 120 kJ/kg

的相變材料， 并按 100 m2日光溫室地面面積300～500 kg或更高的用量進行配置。

d） 相變材料宜設置在光斑區域或者太陽直射時間較多之處。

4.2.1.2 按照相變材料的封裝方法、砌筑形式、集熱方式等的不同可采取多種形式，以滿足蓄熱要求為原則。

4.2.1.3 相變材料封裝形式包括：相變材料與水泥砂漿按照一定比例直接混合配制加工成塊狀建筑材料的摻混型;以槽狀物體或砌塊磚孔為載體密封砌筑墻體的裝填型;將相變材料密封在管道、密封袋內，懸掛在溫室墻體內表面的外掛型。

4.2.2 主-被動式相變蓄熱墻體設計

4.2.2.1 主-被動式相變蓄熱墻體應符合下列要求：

a） 墻體外表面層宜采用熱導率不小于 0.25 m2·Κ/W 的保溫材料，保溫材料厚度宜為 100～200 mm。

b） 墻體內表面層宜采用相變潛熱不小于 120 kJ/kg 相變材料，相變材料厚度宜采用 40～50 mm。

c） 墻體中間層帶有空氣通道接受外部送入的熱空氣并進行強制通風換熱，提高墻體顯熱蓄熱能力。

d） 中間層空氣的供熱可采用安裝在溫室外部的太陽能空氣集熱器、安裝在溫室北墻的風機、其他將熱空氣引入墻體內部空氣通道的設備與裝置等。

4.2.2.2 中間層采用豎向空氣管道時，空氣流動方向宜采用上進下出，豎向管道間距不宜大于 0.4 m。空氣管道截面長度宜為 0.15～0.2 m、寬度宜為 0.15～0.2 m、

豎向空氣管道高度宜為3～4 m，空氣流動速度宜按 0.5 m/s選取，熱空氣進風溫度不宜低于30℃。結構示意見圖4。

4.2.2.3 中間層采用橫向空氣管道時，管道間距宜為 0.6～0.8 m，空氣流動速度宜按 0.5 m/s 選取，進風溫度不宜低于30℃。結構示意見圖 5。

4.2.3 相變材料宜設置在光斑區域或太陽直射時間較多之處。相變材料層底距地宜為 0.5 m，頂部距地宜以冬至日被太陽照到為設計原則。

4.2.4 主-被動式太陽能相變蓄熱型日光溫室東西山墻宜采用保溫墻體，墻體熱阻值不宜小于3.0 m2·Κ/W。

4.3 熱負荷計算

4.3.1 主-被動式太陽能相變蓄熱型日光溫室的供熱負荷可按式（3）計算。

Qh=U1+Qf+U2-QPCM? …………………………（3）

式中：

Qh——日光溫室供暖熱負荷，kW;

U1——通過墻體、后屋面和前屋面等圍護結構的耗熱量，W;應按 NY/T 3223-2018 式（13）和式（14）計算;

Qf ——地中傳熱量，kW;應按 NY/T 3223-2018 式（15）計算;

U2——冷風滲透耗熱量，kW;應按 NY/T 3223 -2018 式（16）和式（17）計算;

QPCM ——相變材料放熱量，kW

4.3.2 相變材料放熱量QPCM應按式（4）計算。

QPCM=ΔHMΨ/（3600 Δt）………………（4）

式中：

ΔH——相變材料的相變潛熱，應根據相變材料的 DSC 特定曲線確定，kJ/kg;

M——相變材料質量，kg;

Ψ——相變材料的相變率，可取40%～60%;

Δt——放熱時間，可按 8～10 h 選取。

4.3.3 計算主-被動式太陽能相變蓄熱型日光溫室的供熱負荷時，溫室內計算溫度宜按不小于8℃取值。

4.4 太陽能通風換熱系統

4.4.1 太陽能通風換熱系統應符合下列要求：

a） 溫室內環境溫度宜小于 32℃;

b） 溫室內環境相對濕度白天不宜超過 80%、夜間不宜超過 95%;

c） 溫室內通風量可按式（5）計算。

G=nV…………………………………………（5）

式中：

G——溫室內通風量，m3

N——換氣次數，宜取 0.4～2 次/h;

V——日光溫室體積，m3。

4.4.2 太陽能相變蓄熱型日光溫室通風換熱系統可實現墻體蓄熱、墻體通風放熱、太陽能集熱器直接供熱、頂風余熱利用模式與夏季通風降溫4種功能。系統原理示意見圖 6 和圖 7。

4.4.3 通風換熱系統中室內送、回風管道的風速宜為1～3 m/s，送、回風口風速不宜大于2 m/s。

4.4.4 通風換熱系統中風管應采用圓形或長、短邊之比不宜大于 4 的矩形截面。風管截面尺寸應按GB50243 有關規定執行。

4.4.5 通風換熱系統中的風管材料、配件及柔性接頭等應符合 GB50016 的有關規定。

4.4.6 通風換熱系統中送風管道應進行保溫，保溫材料主要性能應符合 GB/T 8175 的有關規定。

4.4.7 通風換熱系統的壓力損失相對差額不大于 15%。

4.4.8 通風機選擇應符合下列規定：

a） 通風機風量應附加風管和設備的漏風量，風機風量宜附加 5%～10%;

b） 通風機采用定速時，通風機壓力在計算系統壓力損失上宜附加 10%～15%;

c） 通風機采用變速時，通風機壓力應以計算系統總壓力損失作為額定壓力;

d） 設計工況下，通風機效率不應低于其最高效率的 90%。

4.4.9 通風換熱系統管道安裝應按 GB50243 的有關規定執行。

4.4.10 太陽能集熱系統設計應適應主-被動式太陽能相變蓄熱型日光溫室設計，符合 GB/T 50495 的有關規定。安裝在日光溫室屋面、墻面、地面和其他部位的太陽能集熱器、支架及連接管線應與日光溫室一并設計，并應符合下列要求：

a） 集熱系統應安裝在日光溫室承重結構上，符合日光溫室圍護結構設計要求;

b） 安裝太陽能集熱系統應設置檢修通道。

c） 太陽能集熱系統內置加熱系統應設有安全裝置，并根據不同地區應采取防凍、防結露、防過熱、防雷、抗雹、抗風、抗震等技術措施。

4.4.11 以空氣為工質時，集熱器的設計及安裝應符合下列要求：

a） 集熱系統安裝傾角和定位應符合設計要求。集熱系統應與溫室主體結構或支架牢靠固定，防止滑脫。

b） 在寒冷及嚴寒地區空氣集熱系統應對集熱器外部采取規定的保溫措施。

c） 太陽能集熱空氣通道集熱方式應增加時控開關和溫控器，溫控器應與時控開關結合使用，防止將較低溫度的空氣傳導至北墻內。

5 材料

5.1 一般要求

5.1.1 太陽能相變蓄熱型日光溫室中所用材料，應根據工作溫度、工作壓力、荷載、設計壽命、現場防水、防火等工程環境的要求，并綜合考慮施工性能及經濟性后確定。

5.1.2 所有材料均應按照國家現行有關標準檢驗合格，有關強制性性能要求應國家認可的檢驗機構進行檢測，并出具有效證明文件或檢驗報告。

5.2 相變材料

5.2.1 應用于主-被動式太陽能相變蓄熱型日光溫室墻體中的相變材料應滿足設計使用壽命、施工和環保性能要求，并應符合下列要求：

——材料的相變溫度應與溫室環境相適應，相變溫度宜為 20～28℃;

——相變潛熱宜大于 120 kJ/kg;

——體積膨脹率小、循環使用壽命高、應與建筑或封裝材料相容;

——能在大致確定的溫度下融化及固化，相變過程可逆，不發生過冷現象;

——具有較高化學穩定性和低降解性質;

——無腐蝕、無毒、不易燃燒和爆炸。

5.2.2 應用于主-被動式太陽能相變蓄熱型日光溫室墻體內表面層的相變材料可采用物理吸附法、熔融共混法、微膠囊化、壓制燒結法等制備方法。

5.2.3 相變材料的封裝應符合下列要求：

a） 封裝相變材料的容器應具備相容性和穩定性。應具有耐受相變材料膨脹和高溫的能力。

b） 封裝材料在與相變材料接觸條件下，不產生溶蝕、腐蝕以及其他引起自身強度降低、耐用性降低等現象。部分容器材料的耐溫極限參見附錄 D。

c） 當溫度過高條件下封裝可以采取塑鋼作為主體框架，靠室內側用鋁合金，靠后墻側是鋁塑板，中間填充相變材料的形式制作相變墻板。

5.3 保溫材料

5.3.1 保溫材料應采用導熱系數小、燃燒性能不應低于 A 或 B1 級的輕質材料，且不得發霉、變質或釋放污染物質。

5.3.2 溫室圍護結構的保溫材料主要有聚苯板、聚乙烯泡沫塑料、切碎稻草填充物等，其主要熱工性能參數見表 4。

5.3.3 不同地區日光溫室后屋面熱阻推薦值見表 5。

5.3.4 前屋面的保溫覆蓋材料主要有瀝青油氈、油氈紙被、草苫和棉化纖保溫覆蓋物等。常見前屋面保溫覆蓋材料的熱工性能參數見表 6。

5.3.5 不同地區日光溫室前屋面保溫覆蓋物熱阻推薦值見表 7。

附錄B（資料性附錄）

熱阻、傳熱系數、蓄熱系數、熱惰性指標計算方法

B.1 單一勻質材料層的熱阻按式（1）計算。

……………………………………………（1）

式中：

R——材料層的熱阻，m2·K/W;

δ——材料層的厚度，m;

λ——材料的導熱系數，W/（m·K）。

B.2 多層勻質材料層組成的圍護結構平壁的熱阻可按式（2）計算：

R=R1+R2+……+Rn? ……………………………（2）

式中：

R1，R2……Rn ——各層材料的熱阻，m2·K/W;

B.3 圍護結構平壁的傳熱阻可按式（3）計算。

R0=Ri+R+Re……………………………………（3）

式中：

R0——圍護結構的傳熱阻，m2·K/W;

Ri——內表面換熱阻（可參照表 B.1 取值），m2·K/W;

Re——外表面換熱阻（可參照表 B.2 取值），m2·K/W;

R——圍護結構平壁的熱阻，m2·K/W。

B.4 圍護結構平壁的傳熱系數可按式（4）計算。

………………（4）

式中：

K——圍護結構平壁的傳熱系數，W/（m2·K）;

R0——圍護結構的傳熱阻，m2·K/W。

B.5 材料的蓄熱系數可按式（5）計算。

………………（5）

S——材料的蓄熱系數，W/（m2·K）;

λ——材料的導熱系數，W/（m·K）;

c——材料的比熱容，kJ/（kg·K）;

ρ——材料的密度，kg/m3;

T——溫度波動周期（一般取T=24 h），h;

π——圓周率，取π=3.14。

B.6 單一勻質材料層的熱惰性指標可按式（6）計算：

D=R·S………………（6）

式中：

D——材料層的熱惰性指標;

R——材料層的熱阻，m2·K/W;

S——材料層的蓄熱系數，W/（m2·K）。

B.7 多層勻質材料層組成的圍護結構平壁的熱惰性指標可按式（7）計算：

D=D1+D2+……Dn ………………（7）

式中：

D1，D2……Dn——各層材料的熱惰性指標，封閉空氣層的熱惰性指標可取為零。