溫室環控總論

國立台灣大學生物產業機電工程學系

方煒

在規劃溫室環控系統之前

本省溫室應具備之要件

溫室內環境因子涉及之反應與感測

溫室環控的基礎數字與通則

一.   基礎數字

二.   通則

溫室環控之錯誤使用例與迷思破解

一、錯誤使用例

二、迷思破解

 

 

 

在規劃溫室環控系統之前

 

在規劃溫室環控系統之前,要先瞭解栽培對象在環控上的需求與外在環境在全年中的變化範圍,表1至表3為文獻中可查到的本省常見栽培作物之適溫與最適光強度。另外,由多處氣象測站14年來的逐時溫、濕度資料與太陽輻射資料可整理得出如表4所列的本省各主要地區的乾濕球溫度分佈機率,表5與表6所列則分別為本省六大地區的日總輻射能與瞬時輻射能強度。

 

進一步分析可知本省平地地區全年的乾球溫度範圍在5至40℃,濕球溫度範圍在5至30℃,相對濕度範圍在50至100%,濕球降則在0至10℃。對於在本省採用蒸發冷卻方式降溫的溫室,25℃幾乎可視為夏季之降溫極限。

 

1a. 涼季葉菜類蔬菜之種子發芽適溫與生長適溫(℃)

種類

種子發芽適溫

生長適溫

菠菜

10-20

15-20

萵苣

15-20

15-20

芹菜

15-20

15-20

芥藍

25

15-22

 

1b.暖季葉菜類蔬菜之種子發芽適溫與生長適溫(℃)

種類

種子發芽適溫

生長適溫

蕹菜

20-30

20以上

結球白菜

15-30

18-25

甘藍

15-30

18-25

不結球白菜

15-20

15-30

莧菜

20-35

25-35

 


2、果菜類蔬菜之生長適溫與限界溫度(℃)

作物名

育苗期

栽植圃

 

日溫

夜溫

日溫

日溫

夜溫

夜溫

 

適溫

適溫

適溫

上限溫

適溫

下限溫

番茄

25∼20

18∼10

25∼20

35

13∼ 8

5

茄子

30∼25

20∼15

28∼23

35

18∼13

10

甜椒

30∼25

20∼15

30∼25

35

20∼15

12

胡瓜

25∼22

17∼12

28∼23

35

15∼10

8

西瓜

30∼25

20∼18

28∼23

35

18∼13

10

網紋香瓜

30∼25

22∼18

30∼25

35

23∼18

15

香瓜

30∼25

20∼17

25∼20

35

15∼10

 8

 

3、作物栽培最適光強度

 

光量

種類

超強光

100 klux 以上

930 W/m2 以上

1.335 ly/min 以上

蔬菜及其它:莧菜、玉米、甘蔗。

花卉:向日葵。

強光

40∼100 klux

372∼930 W/m2

0.534∼1.335 ly/min

蔬菜:洋香瓜、番茄、西瓜、南瓜、胡瓜、甜椒、茄子、芋、豌豆、芹菜。

花卉:玫瑰、康乃馨、菊花。

中光

10∼40 klux

93∼372 W/m2

0.1335∼0.534 ly/min

蔬菜:四季豆、甘藍、結球白菜、蕪菁、甘薯、番椒、大豆、菜豆。

花卉:紫羅蘭、仙克來、小菖蘭。

弱光

10 klux 以下

93.0 W/m2 以下

1335 ly/min 以下

蔬菜:鴨兒芹、薑、紫蘇、西洋萵苣、萵苣、蕗。

花卉:大岩桐、斑葉芋、蓬萊蕉、觀賞鳳梨。

 

4、本省各主要地區乾球溫度(Tdb)與濕球溫度(Twb)分佈機率表

 

Tdb≦10℃

Tdb>25℃

Tdb>27℃

Tdb>30℃

Twb ≧25℃

台北

3.20 %

31.32 %

20.23 %

8.50 %

24.60 %

花蓮

0.27 %

30.74 %

16.95 %

3.70 %

21.05 %

宜蘭

2.14 %

26.77 %

15.83 %

4.85 %

24.45 %

台南

1.72 %

39.63 %

25.18 %

7.97 %

32.10 %

高雄

0.38 %

46.08 %

28.84 %

7.54 %

34.44 %

嘉義

2.67 %

31.49 %

19.15 %

5.78 %

28.48 %

台中

2.72 %

32.81 %

20.55 %

6.99 %

21.63 %

台東

3.96 %

38.25 %

21.84 %

5.94 %

24.00 %

梧棲

3.02 %

31.51 %

19.27 %

5.90 %

25.72 %

 


 

5、本省七個地區及大氣層外圍之平均日總輻射能資料,MJ/㎡日

 

 一月  二月  三月  四月  五月  六月  七月  八月  九月  十月 十一月 十二月

台北

 6.67  6.76  8.31 10.39 12.08 13.54 16.23 16.08 13.18  10.91   8.33   7.01

桃園

 6.47  7.99  7.88  8.65 13.10 15.09 18.79 17.74 14.65  12.49   9.95   8.00

宜蘭

 7.13  6.82  8.86 11.35 13.51 15.21 19.78 18.20 13.47   9.66   7.30   6.41

花蓮

 7.47  7.26  8.98 10.40 12.89 14.78 19.67 18.60 14.41  11.39   8.93   7.04

台南

10.75 12.58 13.28 14.63 16.68 16.77 18.03 15.79 14.55  13.28  11.36  10.14

台東

10.54 11.05 13.12 14.94 17.32 19.60 22.84 20.72 17.37  15.42  12.65  10.79

梧棲

 9.41  9.04 10.25 12.49 14.30 15.85 17.20 16.15 14.98  13.45  10.69   9.59

大氣層外圍

25.06 29.11 33.34 36.85 38.63 38.99 38.72 37.47 34.69  30.43  26.03  23.87

 

6、本省各地正午(太陽時)最高瞬時輻射能與平均瞬時輻射能分佈

 

一月

二月

三月

四月

五月

六月

七月

八月

九月

十月

十一月

十二月

正午(太陽時 11:30∼12:30)大氣層外逐時總輻射能, MJ/m2小時

 

4.054

4.462

4.772

5.000

4.960

4.883

4.897

4.953

4.840

4.564

4.147

3.921

正午時分本省各地最大瞬時輻射能, W/m2(大氣透過率以 0.75 估計)

 

844

930

993

1041

1033

1017

1020

1031

1008

950

863

816

正午時分本省各地平均瞬時輻射能, W/m2(大氣透過率以月平均值估計)

台北

300

287

330

391

431

471

570

590

511

453

368

320

桃園

288

340

310

322

461

517

651

645

566

522

440

362

宜蘭

32

290

352

428

482

529

695

668

521

402

323

292

花蓮

335

308

356

391

460

514

691

682

558

474

395

321

台南

483

535

527

551

595

583

634

579

563

552

502

462

台東

474

471

522

562

617

682

802

760

673

642

559

492

梧棲

422

384

406

471

510

551

604

592

581

560

473

437

 

本省溫室應具備之要件

 

適用於本省的溫室應具備之要件簡列如表1,此些要件均是以單方面做考量,實際的溫室不見得能面面俱到。

 

1. 本省溫室應具備之要件

通風良好

高濕、滯留性空氣使得產量降低和病蟲害難以控制,故必須利用較大的風量進行空氣交換。

開天窗

結構低、連棟或兩者兼具的溫室,要開天窗以利自然通風。

結構要高

尤其是沒有天窗的溫室,自然通風不良的溫室,高的建築可使熱氣遠離作物。

需能防風

台灣地區多颱風,因此在溫室結構設計上也必須加強,或使用較為抗風的結構或配合捲揚式防風布幕,方能配合實際之需要。

降溫與遮陰之能力

由於室溫經常很高,故必須能在高溫時利用種種低成本方式進行冷卻作業,以減少溫室內之熱累積。以外遮陰方式減少日射量進入為最有效,其次應考慮蒸發冷卻方式。

適度的加溫能力

必須具有適量加溫的能力,以便在冬天尤其是夜間提供作物所需之溫度。另外,種苗在發芽階段的適溫也較高,且在濕冷的冬季,加溫可以降低濕度,兼具有效防止病蟲害之功能。

防蟲及防菌的能力

亞熱帶地區之氣溫高、空氣潮濕,容易成為昆蟲及病菌的溫床。故溫室本身必須要有較為有效的防蟲及防病設施。一般以細孔目網幕來防止蟲類入侵溫室。

 

1中所列諸項為理想中的情況,但大多是頗難兩全的,諸如:

 

*   結構要高與抗風:結構愈高者其抗風性愈差,要兩者兼具則使用的結構材料將所費不眥。

 

*   要通風良好與加裝防蟲網:要通風良好,所以將採開放式建築或四側有兩邊開放或以側窗方式可開放一半的面積。四周圍上防蟲往後不僅空氣入口面機大幅減少,由於壓差(風阻)的關係,進入溫室的風量將大幅減少。

 

*   要通風良好又要防風:真正通風良好的開放式溫室在颱風來臨時,便將面臨貫入溫室內與風力施壓造成雙重上拔的破壞力,在此時如何做好防風是很重要的。將捲揚式側遮陰與防風兩用布幕捲下可有防風的效果,但不見得能確保氣密性,採用如一般家用鋁門窗似的滑動式側窗設計為較佳,但此者除成本較高外,亦需特殊設計才能一次開啟或關閉全部側窗。

 

*   要通風良好、要降溫、又有時需加溫:換言之,所需者為一高度彈性的設施,可維持經常性通風良好,但在需保溫或加溫時可有良好的氣密性。此者可透過四邊的捲揚式布幕或滑動式側窗來達成。

 

*   要開天窗或側窗同時要抗風:天窗與側窗的設計主要在加強自然通風的效果,採控制通風方式可減輕對此二者的需求,另外天窗不開在屋頂而改在屋簷處應為較佳的設計。上方的熱氣仍然有出處,整體結構在施工與強度上也比開天窗開在屋頂上者強多。

 

*   遮陰可減少日射量發揮降溫功能,但亦會減少光合作用所需的光照。在二者間取得均衡需要遮陰網的動作作彈性的管理。

 

整體言之,本省需要具彈性的溫室結構與相關配合設備,此彈性需要透過良好規劃的監控系統方有可能達成,也唯有如此才能提供作物一結構強固、防風、遮雨的最適的生長環境,並確保業者能永續經營。有關溫室結構與環控上的一般性建議簡介如下:

*   善用自然風,尤其是夏季的風;風的活用為設計之重要考量。

*   屋頂無開口的溫室屋簷高度宜維持在4米以上,最好是在屋脊或屋簷處有通風口(俗稱天窗與側窗),應儘量保持連續的開口。

*   側窗外採用可捲揚式塑膠布使側窗可完全或部份開啟以利通風,或完全遮閉以維持氣密。

*   建議使用不含紅外線阻隔添加劑但有抗紫外線添加劑的PE布為屋頂被覆材料。

*   使用風扇來加強通風效果,選擇在0-25Pa靜壓範圍內風量變化不大者。

*   非開放型溫室使用噴水夾板牆或水牆並配合風扇抽風來降溫,氣密性的良好決定系統的使用效率,務必使所有進入溫室的空氣都通過加濕側。

* 開放或半開放型溫室可透過旋轉離心造霧或高壓管路噴霧方式來降溫,前者適用於200坪以內的溫室,較大溫室仍以使用高壓管路噴霧為較經濟。

* 在植床上採用冷熱水根溫調節系統可增加環控的彈性。

* 若必需使用加熱系統,以橫截面上4點及8點鐘方向開孔的塑膠軟管置於植床下方來傳播熱風為較佳的設計。

* 內或外遮陰系統為必須之設施,以外遮陰之降溫效果較佳,使用之材質以反射率高者為宜。

* 強風區應特別留意外遮陰結構的強固。

* 外遮陰網與屋頂應有至少10-20cm的距離。

*   外遮陰之遮陰網的鉛垂應防止被強風吹翻捲至遮陰網上。

*   遮陰網的安裝應儘量為南北走向,朝東西方向張開與收回。如此的設計可避免遮陰網收起來時在地面造成固定的陰影。

*   建議的遮陰策略如下表所示:


1. 對各作物種類的遮陰策略

作物種類

作物之最適光量

大晴天

800 W/m2估計

晴時多雲

400 W/m2估計

陰天

200 W/m2估計

超強光型

930 W/m2以上

不遮陰

不遮陰

不遮陰

強光型

372 ∼ 930 W/m2

遮陰0-53%

不遮陰

不遮陰

中光型

93 ∼ 372 W/m2

遮陰53-88%

遮陰7-76%

遮陰0-54%

弱光型

93 W/m2以下

遮陰88%以上

遮陰76%以上

遮陰54%以上

 

夏季的太陽輻射能為造成溫室內高溫的主因,本省大氣層外圍水平面上全年中所接受到的日總太陽輻射能為23~39 MJ/m2日,正午時分一小時內的太陽輻射能為4~5 MJ/m2小時。若大氣透過率以0.75計算 (大晴天),則本省各地的最大瞬時輻射能約在816~1041 W/m2。月平均的大氣透過率以0.5計算,瞬時輻射能約在544~694 W/m2。表1 所示為對各種需光程度不同的作物的遮陰策略。

 

超強光型作物包括莧菜、玉米、甘蔗與向日葵等;強光型作物包括洋香瓜、番茄、西瓜、南瓜、胡瓜、甜椒、茄子、芋、豌豆、芹菜、玫瑰、康乃馨與菊花等;中光型作物包括四季豆、甘藍、結球白菜、蕪菁、甘薯、番椒、大豆、菜豆、紫羅蘭、仙克來與小菖蘭等;而弱光型作物包括鴨兒芹、薑、紫蘇、西洋萵苣、萵苣、蕗、大岩桐、斑葉芋、蓬萊蕉與觀賞鳳梨等。

 

溫室內環境因子涉及之反應與感測

 

    當環境因子改變時,植物會隨之變化並適時的表現出不同的反應,所謂適時則視植物種類或同種但不同的生態型之間、改變的環境因子種類、改變的強弱程度與持續時間等不同而有著不同的反應,但一些較廣泛的普遍性原則,經由對模式植物的研究,仍是有脈絡可尋的。唯應注意對某一特定的植物而言,正確的瞭解要經深入的研究始可得知。影響植物反應的環境因子有:光、溫度、濕度、空氣成份、風速、水、土壤等。以下簡介其影響所及的反應及感測方式。

 

一、

有三類的變化:

光強度

光質

光照時間

    對植物影響所及的反應包括:

光合作用

葉綠素的合成

趨光性

光敏素參予的反應

光週性

 

    感測:

光量的表示有三種單位:照度 (lux)、光量子數 (mmol/m2/s)與光能 (W/m2)

光強度:直射、反射、散射、全輻射、淨輻射

感測方式:照度 (lux)、光量子數 (mmol/m2/s)與光能 (W/m2)感測器

光質:光譜中各波段,R, B, FR, PAR

 

二、溫度

有三種溫度:

乾球溫度

濕球溫度

露點溫度

乾球溫度感測方式

熱電偶 (Thermocouple)

熱電效應,熱電偶種類和特性,量測方法,性能和應用

熱阻體  RTD

材質和電阻特性,量測方法,性能和應用

熱敏電阻  Thermistor(半導體材質)

電阻特性,量測方法,性能和應用

積體電路

特性,量測方法,性能和應用

輻射非接觸感測

原理和特性,量測方法,性能和應用

一般所稱之溫度多半只指乾球溫度,量測對象包括空氣與植物體及介質或土壤或水等,其對植物之影響包括:

水分潛勢

蒸散作用

經過膜的運送

光合產物的運移

新陳代謝

所有的酵素參予的系統

生長與發育

休眠

生物時鐘

光週性

光型態發生 (Photomorphogenesis)

 

三、濕度

有兩種濕度:

相對濕度,%

絕對濕度,kg 水汽/kg 乾空氣

相對濕度感測方式

乾濕球式儀器:構造和特性,量測方法,性能和應用

電阻式感測器:構造和特性,量測方法,性能和應用

電容式感測器:構造和特性,量測方法,性能和應用

一般以百分比表示的濕度係指相對濕度,其對植物之影響包括:

蒸發與蒸散

氣孔開閉

二氧化碳吸收

光合作用

根系體積

成長速率 (細胞至整株)

 

四、空氣成份

以涉及光合作用所需的二氧化碳含量為影響最大。另外乙烯的含量只要有些微變化,其對植物體也有頗為明顯的影響。

 

五、風及其他的機械性刺激

熱交換

CO2

O2

水蒸氣及其他氣體

接觸的影響 (Thigmomorphogenetic effect)

 

六、

水溫

水中電導度

水中溶氧

水之酸鹼度

水中電導度可代表水中各類可溶性鹽類的濃度,濃度愈大,滲透壓愈高,水份及溶於水中的營養鹽愈難被根系吸收。水之酸鹼度則影響介質中營養元素的有效性,水中溶氧的多寡則影響根系的呼吸作用,水溫愈高則水中所能溶入的氧氣則愈少。

 

七、土壤

    提供

水與空氣

礦物元素

固持作用

    土壤系統含

無機礦物

有機物

土壤生物

土壤空氣

土壤水分

土壤含水率的表示方式有兩種基準:

乾基,水重/乾土塊重

濕基,水重/(水+乾土塊重)

土壤含水率量測方式

張力計

電阻塊

電容片

時域反射分析

重量變化


溫室環控的基礎數字與通則

 

真正的專家在面對問題時通常略加思索,答案就算出來了,他們多半不會說『等我回去用電腦算一算再回答你』,也很少看他們真正拿出計算機來按。問他們如何得出結論的數字,發覺他們的腦袋婺豸F許多數字與通則,而且加減乘除的計算已足夠求出答案,似乎微積分或其他高等的數學或方程式根本不需要。是的,溫室環控的專家們也可以如此。然而,看似簡單的數字卻是透過較複雜的數學或模式所推導出來的結果,再以簡單的方式表現出來,通則則是經驗濃縮後的精華。本文僅就筆者在近幾年來從事溫室環控方面的教學、研究與推廣工作的一些心得做些整理,期能提供參考。專家們就是比別人多記了一些關鍵的數字與通則,你也可以成為溫室環控的專家。

 

一.         基礎數字

 

1.    空氣、陽光與水

*   常溫範圍下空氣的密度為1.13-1.25kg/m3,比容為0.8 0.88 m3/kg。

*   常溫範圍,每㎏乾空氣中有5∼20g的水蒸汽,溫度越高,越能吸水。

*   常溫範圍下空氣的比熱為1006 J/kg·K。

*   太陽常數為1353W/m2,地平面上大晴天時一般多只有700W/m2,月平均大約是500w/㎡,陰天時大約為100∼200 W/㎡的熱量。

*   水的蒸發潛熱 (= 2502-2.38 * T)隨水溫昇高而降低,5-30℃水溫範圍下的蒸發潛熱為 2490 - 2430.6 kJ/kg。

*   水的比熱為4.2 J/g·K,每公斤的水增減1 ℃的溫度需加減4.2 kJ的熱量。

*   一個冷凍噸代表除熱效率為3.517 kW (12000 BTU/h),等於3.517 kJ/s x 3600 s/hr = 12661.2 kJ/hr x 1 cal/4.2 J= 3014.57 kcal/hr。

2.    溫度

*   海拔上升100公尺,平均溫度下降0.6度。

*   台灣平地的乾球溫度範圍在5∼40℃,相對濕度範圍在50∼100%,濕球降(乾球溫度與濕球溫度的差)在0∼10度C但85%以上的時間,濕球降在5度C以內。

*   25度C可看成台灣夏季溫室降溫的極限。

*   進入溫室的熱量至少有1/3∼1/2用在使空氣溫度上升。500 W/㎡的熱量可使一米高的溫室空間增加24度C,高度加倍,溫度增加幅度減半, 4米高溫室,500W/㎡的熱量會使溫度增加6度C。

 

3.    風扇與水牆

*   選購風扇除了考慮尺寸(D)、馬力 (HP)、風量率(CMM)之外,尚需注意靜壓降 (SP)與風扇的轉速 (N)及效率(VER)。

*   廠商型錄上所提風扇所能提供的風量率多指的是無壓降情況下的風量。選擇在0-25Pa靜壓範圍內風量變化不大者。

*   一般溫室的靜壓降可用0.07~0.1吋水柱壓力(17~25 Pa)估算,有水牆或防蟲網時的靜壓降則視開口面積可高至0.16吋水柱壓力(40Pa)或更高,此時同一風扇多半只能提供0壓降時的七成至八成的風量。

*   當兩個風扇的尺寸比(D2/D1)、轉速比(N2/N1)或二者之乘積均不超過3時,風機定律可做為選擇的參考。以單價低、風量率大且馬力數小者優先選擇。風扇定律:

CMM2   =   CMM1 * (N2/N1) * (D2/D1)3

SP2     =   SP1   * (N2/N1)2 * (D2/D1)2

HP2     =   HP1   * (N2/N1)3 * (D2/D1)5

*   風扇的效率(VER)

 

英制

公制

計算單位

CFM/W

m3/s-kW

一般範圍

10 ~ 20

4.7 ~ 9.5

常用風扇之範圍

12 ~ 13

5.6 ~ 6.2

*   通過水牆的風速不可過高,10cm厚者以1.25m/s,15cm厚者1.8m/s為宜。

 

二.         通則

 

1.    通風

*   要減少室內與室外空氣的溫差要靠通風,決定通風風量率的大小為溫室環控的第一步。

*   使用通風的降溫極限是室內、外溫度相同。

*   溫室通常只作溫度的控制,在冬季的溫室都是儘量維持氣密,但在冷天的午後可作短時間的通風以降低濕度、提高二氧化碳濃度。適時的換氣不僅可做到濕度控制並避免二氧化碳濃度太低。

*   在夏季時,溫室的通風風量率需足夠以維持使室內溫度不致高出室外太多。4米高的溫室,維持1分鐘1個溫室體積的交換速率,可維持溫度只增加4.5∼6度C。交換的風量加倍,溫度增加幅度減半,只增加2.2∼3度C,但通風的成本也加倍。

*   屋簷高度為G,通風系統至少應提供1.0G∼1.5G CMM/㎡ 地板面積的空氣交換率(此為1.0∼1.5倍的屋簷下溫室體積,CMM為每分鐘立方米=m3/min)

*   使用防蟲網是必要的,但要注意其孔隙大小所增加的風阻對可通過風量的影響。

*   防蟲網的基本資料包括開口寬度、線徑、網目數與空間率,通常前三者中只要知道任兩者即可計算第三者。網目數以整數計算。

網目數 = int(25400 /(開口寬度+線徑))

空間率 = (開口寬度/(開口寬度+線徑))2

舉例計算如下:開口長度=190 micron (10-6 m)、線徑=125 micron、網目數 (mesh count per inch)= int(25400/(190+125)) = 80

空間率= (190/(190+125))2 = 0.3638 = 36%。

*   溫室內的通風與溫室內外的空氣交換一樣重要,但常被忽略;溫室內的通風只要在植物表面有0.2m/s的風速便可確保室內溫度、濕度與二氧化碳濃度的均勻,因高濕或不良氣體所造成的疾病問題通常可大幅減少。

*   風扇若疏於維護造成葉片積塵或皮帶過鬆,可能降低風量達40%或更多。

*   小風扇的效率多半比大風扇低。

*   安裝一個風扇的工資成本不分大小均差不多,總風量相同下使用少量個大風扇比使用多數個小風扇為佳。

 

2.    蒸發冷卻方法

*   一天中的溫度變化呈上凸曲線,濕度變化呈下凹曲線;最高溫的時候,相對濕度是最低的,此時配合蒸發冷卻方法的使用可有良好的降溫效果。

 

 

 

 

 

*   夏季時氣密性良好的溫室可採用蒸發冷卻方法中的水牆與風扇,在空氣入口至出口的溫差低於若干度(一般為4℃)的限制條件下提供足量的風量與降溫。

*   設計良好,施工正常的水牆,其降溫效率多半可維持在75 80%。

*   風扇配合水牆的降溫極限是室外空氣的乾球溫度減去濕球降乘上水牆的效率。

*   夏季時氣密性不好的溫室可採用蒸發冷卻方法中的高壓管路噴霧法配合均風風扇,可提供良好的降溫效果。

*   高壓管路噴霧法的降溫極限是室內空氣的濕球溫度,儘早開始噴霧為重點。

*   空氣通過溫室一側的水牆後的溫度可用下式計算:

通過水牆後的溫度= 室外空氣的乾球溫度-濕球降×水牆效率

*   空氣通過溫室一側的水牆後再由另一側的風扇抽出,在兩端會有溫度差,稱為溫度梯度。

*   空氣之乾球溫度與濕球溫度的差值稱為濕球降 (前者減後者)。

*   使用水牆的溫室內平均溫度應是通過水牆後的溫度再加上一半的溫度梯度值。此溫度值可視為水牆的降溫極限。

*   室內使用噴霧的降溫極限為室內空氣的濕球溫度。

*   把水牆安裝在夏季常吹風的那一面(迎風向),風機則安裝在對側。萬一距離水牆7.5公尺(25英呎)內尚有其他建物,則風向的影響將大幅的減少,甚至可忽略不計。

*   如果需要將風機面對迎面風,則設計的風量率(CFM)需要增加10到15%,且需同時增加所需的馬達馬力並且加上百葉窗或止回流氣匣。

*   排氣風機不可和另一棟溫室的水牆相對,除非兩棟溫室之間的距離至少有15公尺(50英呎)或以上時才可。

*   如果風機在氣流的流出開口和和最接近的阻礙物之間沒有至少1.5倍風機直徑的間隙,則應將風機架設於屋頂上,朝空中排氣。

*   風機和水牆之間的最大實際距離不應該超過60公尺(200英呎),以45公尺(150英呎)或者更短的距離為較有效。就北美地區之溫室而言,纖維質紙板水牆至風機間的距離與所需之水牆高之比約為28比1。

*   在很長的溫室內,可將水牆裝置在溫室的兩末端,風機則裝在溫室的另兩邊強的中央,或架設於溫室中央部份的屋頂,於是冷空氣由兩末端流入而從溫室的中央(兩邊牆或屋頂)排出;亦可能反過來將風機智於溫室的兩末端,水牆裝於兩邊牆中央。所有的風機都應裝有自動百葉窗可自動開啟,且在風機不用時可自動關閉以防止逆流。

*   排氣風扇應等間隔安置,間距以不超過6至9公尺(20∼30英呎)為宜。

*   水牆的安裝必須是一個連續區域,且必須有正確的大小和厚度。水牆若被門、窗給間隔,變成不連續,則將在溫室內造成一寬度為該不連續面寬度6至8倍的狹長熱帶。

*   水牆在不用時應由溫室外部加以覆蓋,盡量避免太陽的直射。

*   水牆可建築在溫室內部、邊牆上或溫室外。不論安裝於何處均需確保所有進入溫室之空氣皆經過水牆。

*   在停止水牆系統之操作時應注意先關磊,等數分鐘之後,水牆表面全乾時再關風機。

*   水牆較厚的效率較佳,但其會增加壓降使得相同風扇所能提供的風量變小。

*   風速加大會增加溫室內外的壓差,風速加大也會降低水牆的效率。

 

3.    風量率計算

*   以每分鐘3/4 - 1個同溫室體積的通風風量率 (air change, AC) 為最大風量率,可使溫室內維持比室外最多高5℃,以每分鐘1.5 - 2個AC可使溫室內維持比室外最多高2.5℃,在海拔高於600m或高太陽能的地區,此AC值應再提高。

*   溫室所需通風風量率可透過下式計算:

.......................... 1

*   一般在設計上基於成本的考量,允許在最熱時讓室內、外溫差(ti-to)維持於1.5 - 2℃,以不超過4℃為原則。

*   遮陰是最有效且便宜的降溫方法,遮陰50%可使所需的風量減半。

*   採用透氣性高,傳熱效果好的材質有助於提高U值,增加散熱效果。

*   室內溫度(ti)的選擇與栽培作物種類與階段直接相關,室外溫度(to)可透過氣象資料提供參考。

*   使用蒸發冷卻方法時,公式 1可改寫為公式2,toe為通過水牆後的空氣溫度。

.......................... 2

*   風量加倍則室內外溫差減半可視為一通則,風量加倍的代價是初始採購成本與耗電的操作成本亦加倍。

 

4.    控制

*   適當設計的通風系統應在夏季要能提供足量的最大通風率且在冬季要能提供適量的最小通風率。

*   在最大及最小風量率之間應採分多階段控制,只有最小與最大的兩段將造成氣流的不穩定且對植物體而言亦可能產生突來的風冷效應(sudden chilling)反而不好,原則是希望在各階段的逐段切換時將不致造成室內環境的太太變化。

*   各階段溫度設定點(setpoints)的選擇應基於植物體的生理需要,不同植物各有其最適的溫度適中區 (thermoneutral zone),各溫度值與範圍亦均不同。

*   分階段風量控制可依依最大及最小風量率之差做等間隔的分段,或依室外溫度做等間隔劃分,各有利弊,應適情況而定。

文字方塊: 通風風量率
 


 

*   提供安全警報系統在系統不正常運轉或失去功能時要能發出警報以避免在溫室內發生長時間過冷或過熱現象。

*   使用水牆且風扇做多段控制時,水牆的開口面積亦應配合風量做控制以維持通過水牆的風有一個最佳的風速。

*   使用水牆時,務必使所有進入溫室的空氣由水牆面進來,其它的開口譬如天窗或側窗等應能自動的關閉。


水牆降溫系統補遺

 

1.風扇至水牆之距離應至少30m,45∼60m為適當。風扇至水牆之距離若低於30m,風量應加大。使用距離因子調整風量的設計。

1. 距離因子

ft

20

25

30

35

40

50

60

70

80

90

100

m

6.1

7.6

9.1

10.6

12.2

15.2

18.3

21.3

24.3

27.4

30.4

F距離

2.24

2.0

1.83

1.69

1.58

1.41

1.29

1.2

1.12

1.05

1.0

 

2.溫室內溫度梯度以7℉(3.8℃)為設計基準,若欲小於此值,則風量應加大。使用溫度梯度因子調整風量的設計。

2. 溫度梯度因子

10

9

8

7

6

5

4

5.5

5

4.4

3.8

3.3

2.7

2.2

F溫度梯度

0.7

0.78

0.88

1.0

1.17

1.4

1.75

 

3.若海拔較高(>300m)則風量應加大。使用海拔因子調整風量的設計。

3. 海拔因子

1000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

m

304

304

608

912

1216

1520

1824

2128

2432

F海拔

1

1.04

1.08

1.12

1.16

1.20

1.25

1.3

1.36

 

4.若日照較強則風量應加大。使用日照因子調整風量的設計。

4. 日照因子

-燭光

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

Klux

43

48.4

53.8

59.2

64.5

70

75.3

80.7

86

F日照

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

 

5.軟質透明塑膠片在距風扇3∼5呎(1∼1.5 m)處開始安裝,間距為9 m。若作物栽培於植床上,則由地面至植床2/3高度處亦宜用透明塑膠片圍起以利冷空氣流經作物。

 

6.若風機位於迎風面,則需加大風量的設計10∼15%,且需使用至少3/4 hp的馬達。

 

7.風扇間距不應超過7.5m。

 

8.水簾片的基準高度為48〞(1.2 m),若需更高則需使用2片相疊,如84〞(2.1 m)由48〞與36〞疊成,水牆高度不應小於24〞(0.6 m)。

 

9.經過水牆的風速,4〞(10 cm)厚者以250 fpm(1.27 m/s),6〞(15 cm)厚者以400 fpm(2.03 m/s)為設計基準。

 

10.      水牆降溫系統設計流程:決定風量率,選擇風扇,決定水牆面積,決定抽水馬達,供水量與儲水槽尺寸,系統安裝。

 

(1)    決定風量率:

 

風量修正因子 = 距離因子(F距離) 與溫室因子(F溫室)之較大值

 

溫室因子(F溫室) = 日照因子(F日照) x 溫度梯度因子(F溫度梯度) x 海拔因子(F海拔)

F海拔 =29.92/BP,F日照 = FC/5000,F溫度梯度 = 7℉/△T                                  

F距離= 10 / √D (D以ft為單位)


 


8 cfm/ft2為設計基準風量。

總風量之理論值= 溫室長度 x 寬度 x 8 x風量修正因子

 

(2)    選擇風扇:查型錄找出單一風扇在壓降為0.1 " 水柱下所能提供的風量。總風量之理論值除以單一風扇之風量即可知所需的風扇數量。

 

(3)    計算水牆面積:總計所有風扇所能提供的總風量,設為Q  cfm (ft3/min),由下表可計算所需的水牆面積。水牆面積除以溫室長邊長度可得出水牆高度。

水牆厚度

所需水牆面積 (ft2 或 m2)

4〞(10 cm)

Q cfm / 250 ft/min

Q cmm / 75 m/min

6〞(15 cm)

Q cfm / 400 ft/min

Q cmm / 120 m/min

 

(4)    計算其他附件:由下表可計算所需之供水量,配合沉水馬達型錄可找出所需的規格。

 

水牆厚度

廠商建議值*

每英尺水牆長度每分鐘供水量

經驗值**

100平方英尺水牆面積每分鐘的供水量

2〞(5 cm)

1/4加侖(gpm per ft)

 

0∼3加侖

4〞(10 cm)

2/4 加侖(gpm per ft)

6〞(15 cm)

3/4 加侖(gpm per ft)

*  說明: 假設有100平方公尺(50 m x 2 m),10cm厚水牆,50 m等於164英尺,所需的供水量為2/4 * 164 = 82加侖/每分鐘。

** 每100平方英尺水牆面積的蒸發水量變化範圍在每分鐘0∼1加侖,供水量應為蒸發水量的3倍,以避免沉積。

 

由下表可計算所需之儲水槽尺寸。

水牆厚度

每平方英尺水牆面積

所需儲水槽的儲水量

2〞(5 cm)

1/2加侖

4〞(10 cm)

3/4加侖

6〞(15 cm)

1加侖

說明: 假設有100平方公尺(1076平方英尺),10cm厚水牆,所需儲水槽的容量為3/4 * 1076= 807加侖

 

(5)    簡易的水流配送系統設計:

使用四個閥門,允許手動調節流量與排水。


 



溫室環控之錯誤使用例與迷思破解

 

一、錯誤使用例

 

1

某溫室採風機與水牆的降溫方式,兩側則為滑動式的落地門(窗),上方有可開啟的天窗,水牆之對面則有風扇可抽風。當風扇與水牆動作時,應維持溫室內有良好的氣密性,使得水牆側為唯一的空氣入口,如此水牆系統才能發揮應有的效率,才能達到降溫的目的;且此部份的控制應當為自動偵測溫室內的溫度而自動啟動的。問題出在兩側開啟的需手動開啟或關閉的滑動式落地門的設計,由於無法與水牆系統的動作配合,所以每次水牆系統開啟時便需有專人去關閉所有滑動式落地門以形成溫適的氣密。天窗部份為同樣原理,希望此部份的開與閉以納入水牆的自動控制系統中。

 

空氣由溫室內被風扇抽出,在距離不到15公尺的地方就有另一建築(在此為作業室),且溫室與該建築這不足15米距離的空間的上方有著透光可遮雨的屋頂。此些週邊大大的限制了被風扇抽離開溫室的空氣,此氣流還可能反彈回來與原氣流衝撞,進一步影響後續出來的氣流。最直接受到影響的就是整體通過水牆的空氣遠小於原先設計的風量。

 

2

某溫室內的加熱設備靠燃燒柴油來將空氣加熱並透過分佈於溫室上方的塑膠軟管將熱空氣傳佈至整個溫室。此系統的不當之處在將塑膠軟管掛在溫室上方。熱空氣的密度較小,會往上昇,可是需保溫的作物卻在遠遠的下方,當下方感受到溫軟的熱空氣時已是整個溫室由上到下都夠暖了,這浪費了許多能源於作物上方至屋頂的空間。正確的作法應將塑膠軟管安排在植床下方且溫度感測器安裝在作物附近。

 

某溫室為充分利用空間,連水牆前都擺了作物(在此為蝴蝶蘭),此舉不但增加空氣進入溫室的風阻,更擋了部份的面積使得受續的空間溫度分佈更不均勻。

 

3

某溫室採植台上的冷熱水根溫系統,各植台由冷熱水供應設備提供冷熱源,基本上每個白色小鐵皮間內為一台冷(冰)水機與一台熱水器。此種一套冷熱供應設備負責一個植床的設計的好處是模組化。模組化的好處是管理上的單純與彈性,每一植台可獨立控制不同的作物根系溫度,如果有故障應該也只是其中一套而不會完全停擺,其缺點則是相同設備重複投資,太貴了。

 

曾有人向筆者特別強調模組化的另一優點是由於每一植台上的水管長度不長,所以可以在整個植台上維持較均勻的水溫,若採單一管路連貫所有植台上的水管,則可能造成溫度不均的現象。其並且說明國外的系統便有此種缺失。其實他是誤解了國外的系統。美國有所謂的地底加熱系統(Floor heating)與植台底加熱系統(Bench heating),冷熱水根溫系統的觀念與此二系統雷同,但國外再大的溫室(連棟的幾十個足球場大)也只靠一套鍋爐燃燒產生熱水或蒸氣來加熱溫室。很容易就讓人以為溫室內水管的溫度分佈一定非常不均勻,其實不然,這是有Know how的。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

文字方塊: 圖 2.冷熱水管分佈的錯誤示範,圖3.正確的冷熱水管分佈(羅格斯大學系統)

 

 

如圖2所示的熱水或冷水管的分佈,當然整個溫室內會溫度差異大、不均勻。美國紐澤西州羅格斯大學羅勃茲(Roberts)教授與密爾斯(Mears)教授的設計如圖3所示,每個植台或每一區的水需要流過相同的距離才返回為關鍵所在。

 

 

二、迷思破解

 

迷思破解1:臺灣為高溫高濕,蒸發冷卻法有效嗎?

 

臺灣為亞熱帶地區海島,高溫期長達八個月以上,一般皆直覺的認為一定是高溫又高濕,非常不利於採用加濕(蒸發)冷卻方式進行降溫。事實上在正午及午後的高溫時段,空氣的相對濕度通常只有約 50-60 %,濕球溫度均保持在 25 ℃左右。是以在最需降溫之同時,蒸發冷卻式降溫方法仍有其可發揮之處。另外,由本省各地氣象局測站14年來逐時平均溫、濕度的數據來看亦可驗證前述的論點,如表1最右一欄所示,高溫與高濕同時發生的時間其實並不多。

 

1. 本省各主要地區溫、濕度分佈機率表

 

       

       

      

 

0 % < RH < 65 %

65 % ≦ RH ≦ 85 %

85 % < RH ≦100%

 

Tdb<27℃

Tdb≧27℃

Tdb<27℃

Tdb≧27℃

Tdb<27℃

Tdb≧27℃

台北

8.05 %

8.75 %

34.64 %

16.19 %

30.21 %

2.16 %

花蓮

7.35 %

1.78 %

43.28 %

20.47 %

25.67 %

1.45 %

宜蘭

3.01 %

1.36 %

27.63 %

17.22 %

47.90 %

2.86 %

台南

5.93 %

5.80 %

32.16 %

24.27 %

28.11 %

3.72 %

高雄

7.99 %

3.94 %

38.67 %

30.51 %

15.31 %

3.57 %

嘉義

3.71 %

3.65 %

23.23 %

18.29 %

47.62 %

3.47 %

台中

9.10 %

8.83 %

35.64 %

16.80 %

28.60 %

1.02 %

台東

9.72 %

4.25 %

46.96 %

25.67 %

12.29 %

1.09 %

梧棲

7.74 %

2.90 %

40.14 %

22.49 %

24.00 %

2.72 %

 

迷思破解2:使用水牆降溫,再熱都不怕。

迷思破解3:水牆的降溫效果可達10℃或以上。

 

下圖為廠商型錄上的照片示意圖,其圖上數字有誇大之嫌,如室內外溫差可高達10℃,不宜輕信。

 

原因1: 室外的空氣濕度30%為太乾燥了,在本省是非常少見的。

原因2: 室外的空氣溫度35℃在本省還不是最熱。

原因3: 室內溫度不應該是25℃,充其量其為離開水牆的空氣溫度。

 

合理的數據應是如下圖所示:

2、本省各主要地區濕球降小於3,4,5C的發生機率

 

   濕球降 (WBD= Tdb - Twb) 

 

WBD3

WBD4

WBD5

阿里山

0.38%

78.38%

83.03%

 台中*

6.28%

77.73%

87.43%

 台北

8.35%

80.76%

88.84%

 台南

9.01%

82.39%

92.25%

 台東

8.39%

81.37%

93.29%

 高雄

2.39%

81.83%

93.51%

 嘉義

9.14%

88.13%

94.68%

 梧棲

2.12%

87.12%

95.33%

 花蓮

2.78%

89.05%

96.45%

 宜蘭

4.82%

93.53%

97.92%

*   按照濕球降(WBD 5 )之機率值順序排列

 

 

迷思破解4:水牆的水用冰水機來降溫可大幅提高降溫效果

 

水的蒸發潛熱可用下式來計算:

 

hfg = 2502.535259 - 2.38576424 * Tw............................................. 1

 

其中,hfg的單位為kJ/kgTw的單位為℃.

 

被蒸發的水所需的熱全部來自於空氣,所以依據能量守恆定律

 

mw x hfg= ma x Cp x (Tin - Tout)......................................................... 2

 

其中,

t       :空氣通過厚度為Tk的水牆所需的時間

mw    t 時間內被蒸發的水量 = rw x Vw x A x Tk

ma    t 時間內通過A面積水牆的空氣量 = ra x A x Tk

 

rw x Vw x A x Tk x hfg= ra x Cp x A x Tk x (Tin - Tout).................... 3

 

rw x Vw x hfg= ra x Cp x (Tin - Tout).................................................. 4

 

hfg@28 / hfg@5  =  (Tin - Tout@28) /  (Tin -Tout@5)................. 5

 

由式1可求得 Tw= 28℃,hfg = 2435.73386 kJ/kgTw= 5℃,hfg = 2490.606438 kJ/kg,將兩值代入式5可得下式:

 

hfg@28 / hfg@5  = 0.97797 = 10/10.225 or 5 / 5.112

 

結論:

假設通過水牆的空氣可降溫達10℃,則在水溫由28℃降至5℃時,空氣降溫可達10.225℃,水溫降了23℃,氣溫只多降了0.225℃。若通過水牆的空氣只能降溫5℃,則水溫降了23℃,氣溫只多降了0.112℃。由此可知,使用冰水機來降低水牆的水溫在能量的利用上並不值得投資。


 

 

實習

實習一、水牆效率之量測與計算範例

 

計算範例:

空氣通過水牆前後之溫濕度狀況量測後整理如下表:

 

濕空氣熱力特性

通過水牆前之狀態

通過水牆後之狀態

乾球溫度

38

31.6

相對濕度

55%

87.5%

 

經查濕氣圖可完成相對應的下表:

 

濕空氣熱力特性

通過水牆前之狀態

通過水牆後之狀態

濕球溫度

30

30

濕度比

24g 水蒸氣/kg乾空氣

26.6g 水蒸氣/kg乾空氣

 

並得出以下結論

 

*   水牆效率 = (38 - 31.6) / (38 - 30) = 6.4 / 8 = 80%

*   每蒸發1 g 約相當於降溫(38-31.6)/(26.6-24) = 2.46

 

由理論推導可知:

蒸發的水量 x 蒸發熱 = 所能降低的溫度量的相當熱值

 

(mw1-mw2) x hfg = 1 x Cp x (Tin - Tout)

 

其中,mw1mw2為濕度比,以kg水蒸氣/kg乾空氣為單位,上式中等號右邊的1代表1kg的乾空氣。上式可修正成下式:

 

hfg / Cp = (Tin - Tout) / (mw1-mw2)

 

其中,等號左邊所示的hfg / Cp的倒數,即為濕氣圖上等焓線的斜率。若mw1mw2g計算並改用mw1'mw2'表示時,上式可修正成下式:

 

hfg / (1000 x Cp) = (Tin - Tout) / (mw1'-mw2')

 

假設水溫與空氣的濕球溫度相同,將Tw = 30℃代入式1可得hfg =2430.96 kJ/kg,又已知空氣的比熱資料如下表:

 

Ta = 25

Cp = 1.0057

Ta = 50

Cp = 1.0065

 

內插可得Ta = 38℃時的比熱Cp = 1.006116 kJ/kg/℃,所以最後可求出hfg / (1000 x Cp) =2.416

 

換言之,每蒸發1g的水,1 kg的乾空氣可降溫2.416℃,此值與前面查濕氣圖所得之2.46℃相當接近。

 

實習二、溫室通風量之量測與計算範例

 

計算範例:

 

首先量測水牆的長、寬與溫室的長、寬與高,紀錄如下表:

 

溫室的長 =         m

溫室的寬=         m

 

溫室屋脊高 =       m

溫室屋簷高 =       m

溫室平均高=       m

計算溫室的體積 ( x x 平均高) =                m3

水牆的長 =       m

水牆的寬 =       m

 

計算水牆的面積 ( x) =                m2

 

在溫室內的空氣通過水牆處分四處各在上、中、下方量測風速,紀錄如下表:

風速1 =       m/s

風速1 =        m/s

風速1 =       m/s

風速2 =       m/s

風速2 =        m/s

風速2 =       m/s

風速3 =       m/s

風速3 =        m/s

風速3 =       m/s

風速4 =       m/s

風速4 =        m/s

風速4 =       m/s

平均風速值 =         m/s

**量測時注意自己不要擋風

 

在溫室內的風扇出風口處量測風速,每個風扇至少取樣五點求出平均值後紀錄如下表:

風扇1之平均風速=       m/s

               

風扇2之平均風速=       m/s

               

風扇3之平均風速=       m/s

               

風扇4之平均風速=       m/s

               

風扇5之平均風速=       m/s

               

風扇6之平均風速=       m/s

               

風扇7之平均風速=       m/s

               

風扇8之平均風速=       m/s

               

風扇9之平均風速=       m/s

               

風扇10之平均風速=      m/s

               

全部風扇的平均風速值

=                           m/s

風扇的尺寸 (開口面積)

=                           m2

**  假設所有風扇為同一尺寸             **量測時注意自己不要擋風

 

計算總通風量,並換算相當於每分鐘有多少個同溫室體積的空氣交換量 (Air Change),以評估風量是否足夠。一般的設計以AC/=1-1.5為適當。

 

總通風量 (m3/sec) = 水牆處風速 (m/sec) *水牆面積 (m2)

= 風扇的平均風速值 * 風扇的個數 * 風扇開口面積

同溫室體積的空氣交換量/ = 總通風量* 60 (/) / 溫室體積 (m3)

實習三、溫室壓降之量測與風扇型錄之使用

 

凡是使用風扇的溫室,其溫室內外就會有壓差,風扇以抽風方式使用會造成負壓(外部壓力大於內部),以吹入方式使用會造成正壓(內部壓力大於外部)。開放型溫室沒甚麼壓差,開側窗的溫室稍有壓差,側窗總面積小壓差大,加了水牆會提高壓差,水牆厚度愈大則壓差愈高,防蟲網的孔目愈小壓差也愈高。業者所稱風扇所能提供的風量一般以無壓差下的風量為準,在型錄中通常也會提供在有壓差的情況下所能提供的風量,壓差愈大風量愈小。在設計環控系統時應確實瞭解溫室系統的壓降以正確選定風扇,千萬不要以無壓差下的風量為計算基準。

 

本實習的目的即在量測溫室內外的壓差,並計算風扇在不同壓差(或稱壓降)情況下佔無壓差情況下所能提供風量的百分比。

 

方法1: 在風扇啟動的情況下,使用壓差計量測壓降,一端以導管連至溫室外,一端置於溫室內。

方法2: 在風扇啟動的情況下,使用細水管量測壓降,一端以導管連至溫室外,一端置於溫室內,垂直擺放,管內通水,量測水柱高度,比較兩端的差。

 

風壓與風量相關不同使用單位間的轉換常數:

壓力

Pa (巴斯卡)

Psi (lb/in2)

cm水柱高

ft.水柱高

大氣壓

 

1

14.50377E-5

0.0101974

3.3456E-4

9.86923E-6

 

6895

1

70.3089

2.3067

0.068

 

97.95

0.0142229

1 cm

 

9.67814E-4

 

248.8

0.0361261

1 inch

 

 

 

2985.516

0.4335139

30.48 cm

1

 

 

1.01325E5

14.696

1033.26 cm

33.8995

1 atm

風量

cfm (ft3/min,立方呎/)

m3/s (立方公尺/)

 

10000 cfm  =

4.719 m3/s

 

2118 cfm   =

1 m3/s

 

美國廠商型錄範例(英制單位):葉片直徑30吋,馬力2hp,轉速1150rpm

壓降,in.水柱

0

0.1

0.125

0.25

0.375

0.5

0.625

0.75

風量,cfm

13200

12770

12650

11870

10950

9780

8530

6950

比例,%

100

 

 

 

 

 

 

 

 

歐洲廠商型錄範例(公制單位):葉片直徑30cm,馬力600W,耗電流2.4A,噪音67dB,轉速2800rpm,單相電源220V/50Hz

壓降,Pa

0

30

50

80

100

150

200

風量,m3/s

4200

3950

3820

3750

3500

3190

2860

比例,%

100

 

 

 

 

 

 

 

實習四、水牆供水量之計算與安裝位置差異之探討

 

計算範例:

空氣通過水牆前後之溫濕度狀況量測後整理如下表:

 

濕空氣熱力特性

通過水牆前之狀態

通過水牆後之狀態

乾球溫度

38

31.6

相對濕度

55%

87.5%

比容

0.915 m3/ kg

 

經查濕氣圖可完成相對應的下表:

濕空氣熱力特性

通過水牆前之狀態

通過水牆後之狀態

濕球溫度

30

30

濕度比

W1 = 24g 水蒸氣/kg乾空氣

W2 = 26.6g 水蒸氣/kg乾空氣

 

溫室佔地300 (40 x 25 = 1000m2),高度以4.5m估算,則每分鐘一個同溫室體積的空氣交換量等於4500 m3/分等於 75m3/秒等於75/0.915=81.96 kg/秒的通風量。

 

依據的通則:幫浦的供水量為蒸發的水量的三倍,可避免水中雜質沉積在水牆上。

得出以下結論:

*   每公斤乾空氣會吸收2.6 g水蒸氣。

*   當通風量為每分鐘一個同溫室體積的空氣交換量時,總蒸發的水量為2.6 * 81.96 = 213 g/=0.213kg/秒,所以幫浦的供水量應為3 * 0.213= 0.639kg/秒。

*   風量與水量的比為81.96 kg/ / 0.639 kg/ = 128

*   風量(Q)的計算式:Q = 每分鐘同溫室體積的交換次數*溫室體積/比容

*   水量(H)的計算式:H = Q* (W2-W1) * 3

*   風量與水量的比 = Q/H = 1/((W2-W1) * 3)=1/{(2.6*10-3)*3}=128

 

已知溫室的長寬分別為40 25公尺,水牆可能安裝於長邊或寬邊。其差異如下表所示,你會選擇哪一種設計?

水牆安裝

位置

水牆面積

通過水牆的風速

通過10 cm厚水牆所需時間

通過溫室所需的時間,tgh

A.長邊

40 m x 4 m = 160 m2

4500 / 160 = 28.125 m/=0.468 m/

0.1   /  0.468

0.2  = 0.21

25/0.468 =53.3

B.寬邊

25 m x 4 m = 100 m2

4500 / 100 = 45 m/= 0.75 m/

0. 1 / 0.75

= 0.13

40/0.75=53.3

C.長邊

40m x 1.8m = 72 m2

4500 / 72 =62.5 m/= 1.04 m/

0.096

25/1.04=24

D.寬邊

25 m x 1.8 m = 45 m2

4500 / 45 =100 m/=1.67 m/

0.06

40/1.67=24

說明:10cm (4 inch) 厚水牆的設計風速為250 fpm =1.25 m/s = 75 m/分,15 cm (6 inch) 厚水牆的設計風速為400 fpm = 2 m/s =120 m/分,假設水牆厚度為10公分,適當的水牆面積為4500 / 75 = 60 m2,上列四者中以C為較佳之設計。

 

新增通則:

tgh = (1/n)* hw /h

 

其中,tgh   :經過水牆的空氣通過溫室所需的時間,單位為分鐘

n    :為每分鐘的內外空氣交換次數

hw   :水牆高度

h    :溫室高度

 

依上例,溫室高度為4.5mn.=1且水牆高度為4m時,tgh = 1 * (4/4.5) = 0.88 =53.33 秒,水牆高度為1.8 m 時,tgh = 1 * (1.8/4.5) = 0.4 =24 秒。

 

經過水牆的空氣通過溫室所需的時間(單位為分鐘)等於水牆高度(hw)除以溫室高度(h)再除以每分鐘的內外空氣交換次數(n)

幫浦的供水量為蒸發的水量的三倍,可避免水中雜質沉積在水牆上。