农业温室能源收支模拟器

Q: 换气回数 n 应如何确定？

冬季最低换气为 0.5～1.0 回/h（CO₂和湿度管理），夏季峰值可达 30～60 回/h。换气损失与 n 成正比，供暖时应最小化，夏季须打开通风窗进行外气导入防温度上升。本工具可操作 0.1～30 1/h 范围，n 增加时换气损失增大，正味热负荷随之变化。CO₂ 施肥时增加换气会导致 CO₂ 逸出，近来采用除湿热泵降低换气的设计增多。

参数设置

地面面积 A

m²

被覆材

热贯流率 U 与透过特性改变

外气温 T_out

°C

室内设定温度 T_in

°C

日射 I

W/m²

透过率 τ

被覆材+污垢的实效透过率

换气回数 n

1/h

蒸腾热负荷

W/m²

作物叶面蒸腾吸收的潜热（晴天 80~200）

计算结果

—

透过日射热 (kW)

—

传导损失 (kW)

—

换气损失 (kW)

—

蒸腾冷却 (kW)

—

正味热负荷 (kW)

—

年间供暖 (MWh)

—

温室截面图 — 日射·蒸腾·传导·换气

太阳光（黄）透过被覆面进入内部，从被覆面向外散失传导热（红），天窗进行换气（蓝箭头），作物（绿）蒸腾冷却空气。颜色表示正味热负荷符号（红=供暖，蓝=制冷）。

热收支构成 — 获得 vs 损失

供暖负荷 vs 外气温

理论·主要公式

$$Q_{net} = Q_{cond} + Q_{vent} - Q_{solar} + Q_{transp},\quad Q_{vent} = 0.34 \cdot V \cdot n \cdot \Delta T$$

V=室容积(m³)、n=换气回数(1/h)、ΔT=室内外温差(K)、U=热贯流率(W/m²K)。正的 Q_net 为供暖负荷，负为制冷负荷。

$$Q_{cond} = U \cdot A_{cover} \cdot \Delta T, \qquad Q_{solar} = I \cdot A \cdot \tau$$

传导损失与日射获得。A_cover 为被覆面积（概估地面积的 2.5 倍），I 为日射 (W/m²)，τ 为实效透过率。

$$Q_{transp} = q_{tr} \cdot A, \qquad E_{annual} \approx \max(Q_{net},0) \cdot 24 \cdot 90$$

作物蒸腾潜热冷却（q_tr：W/m²）与冬期 90 天供暖能耗概算（MWh）。系数根据地区、运转条件调整。

温室能源收支 — 日射·透过·蒸腾·供暖制冷负荷

🙋

「温室」就是用玻璃或塑料膜围起来用太阳光加温的箱子，对吧？冬天光靠太阳就够暖和吗？

🎓

问得好。概念上是这样，但在实际农业温室中，「从日射获得的热」与「从被覆面逸出的热」「从换气逸出的热」的平衡非常重要。冬天早上外气 0~5°C 而室温要维持 20°C 的温室中，被覆面的 U 值（热贫流率）决定了供暖负荷的大部分。试试左边的滑块，把外气温从 5°C 改成 -5°C，看传导损失会增加多少。

🙋

确实，只是降低外气温，传导损失和换气损失就大幅增加了。把被覆材改成「双层聚乙烯」就降低了一半呢。

🎓

对，这就是双层被覆（气垫膜）的效果。玻璃或单层聚乙烯 U=6~8，双层聚乙烯降到 4.5，亚克力中空板到 4.0。在寒冷地的荷兰式温室或草莓、番茄农户中，双层被覆与保温幕组合，可以削减供暖费 30~40%。但透过率也会下降，玻璃 0.85，双层聚乙烯 0.70，冬季产量与供暖费需要平衡。

🙋

「蒸腾冷却」在冷却侧起作用让我有点吃惊。作物不是热源，而是冷却空气？

🎓

正是。成熟的番茄、黄瓜群落在晴天可蒸腾吸收 100~200 W/m² 的潜热。对室容积而言这不是小数目，夏季温室「日射的约一半被蒸腾冷却相消」。所以白天制冷采用「换气+遮光帘+喷雾(fogging)+蒸腾」的组合技。相反冬夜作物不蒸腾时，加湿除湿的平衡也会改变。

🙋

「年间供暖 MWh」最后要花多少钱？用个人农户能理解的数字说的话。

🎓

默认条件（1000m² 玻璃·冬期 90 天）约 160 MWh。折算成 A 重油约 16 kL，柴油差不多，价格 150~200 万元级别。CO₂ 排放超过 40 吨。所以日本现在有「热泵+双层保温幕+木质生物质」的组合省能补助项目。美国 NASA Veggie、高级植物栖息地（空间）、Plantagon、Mirai 竖向农法（城市）、荷兰 Westland 玻璃温室集群等世界各地都在研究「光热 CO₂ 最优化」。

常见问题

温室正味热负荷由 Q_net = Q_cond + Q_vent - Q_solar + Q_transp 求得。Q_cond = U·A_cover·ΔT 为被覆面传导损失，Q_vent = 0.34·V·n·ΔT 为换气损失（V:室容积 m³、n:换气回数 1/h），Q_solar = I·A·τ 为日射获得，Q_transp 为作物蒸腾潜热冷却。Q_net 为正表示需要供暖，为负表示需要制冷和换气。本工具根据地面面积、被覆材、外气温、日射、换气回数、蒸腾负荷实时计算各项。

典型U值：玻璃 6.0 W/m²K、单层聚乙烯 8.0、双层聚乙烯 4.5、亚克力 4.0。从单层聚乙烯改为双层聚乙烯，传导损失减少约 44%，供暖费相应下降。但透过率（τ）从玻璃 0.85 降至双层聚乙烯 0.70，日射取得减少，冬季产量与供暖费需平衡。寒冷地采用双膜（气垫膜）与保温幕为标准，暖地则用简单单层膜获取日射。

冬季最低换气为 0.5～1.0 回/h（CO₂ 和湿度管理），夏季峰值可达 30～60 回/h。换气损失与 n 成正比，供暖时应最小化，夏季须打开通风窗进行外气导入防温度上升。本工具可操作 0.1～30 1/h 范围，n 增加时换气损失增大，正味热负荷随之变化。CO₂ 施肥时增加换气会导致 CO₂ 逸出，近来采用除湿热泵降低换气的设计增多。

作物由叶片蒸腾放出水蒸气，水的气化热（约 2450 kJ/kg）从空气中吸收，导致室温下降。成熟的番茄、黄瓜等温室作物在晴天可吸收 80～200 W/m² 相当的潜热。这对于室容积而言冷却效果显著，与喷雾降温（pad-and-fan、fogging）结合可抑制夏季温度上升 5～10 K。但湿度也随之增加，蒸腾冷却、换气、除湿的平衡成为温室空调设计的核心。

实际应用

大规模园艺温室（荷兰型、日本型）：1~10 ha 规模玻璃温室或双层膜温室广泛用于番茄、甜椒、黄瓜、草莓的周年生产。像本工具这样的热收支模型用于设计阶段确定「供暖锅炉容量」「保温幕数量」「通风窗面积」，运行阶段用于「从外气预报预测翌日燃料消费」的控制。荷兰西红柿农户、北海道、爱知的番茄温室采用这一思想运营。

植物工厂·竖向农法（NASA Veggie/Plantagon/Mirai）：完全人工光型植物工厂用 LED 代替太阳光供应光合有效辐射(PAR)，精密控制温度湿度 CO₂。LED 电力的约 70% 最终转化为热，将本工具「日射获得」改为「LED 投入电力」就直接关系空调容量与省能设计。美国太空站内 Veggie 设备、瑞典 Plantagon、日本 Mirai 生菜工厂是代表例。

FAO·JICA 发展中国家温室设计：FAO（联合国粮农组织）推进干旱地、热带地区简易温室（网室、低技温室）普及。蒸发冷却(pad-and-fan)、遮光网、自然通风组合是基本设计，可抑制夏季温度上升 5~10 K。用区域参数回转本工具「日射→蒸腾冷却→换气」的流程，可快速对比符合现地成本、电力条件的温室规格。

碳中性农业评估：农业温室是日本农业燃料消费的大头，A 重油、LPG、电力消费量与 CO₂ 排放的可视化在推进。用本工具「年间供暖 MWh×排放原单位」可简易概算 CO₂，热泵转换、木质生物质锅炉导入、地中热利用等省能对策效果试算都适用。各地智慧农业示范事业（农水省）也采用类似模型作评价工具。

常见误解与注意点

最大的陷阱是「高估日射获得」。本工具的 Q_solar = I·A·τ 是透过率恒定的简化模型。实际温室中 (1) 早晚太阳高度低，反射率上升；(2) 相邻温室、结构遮挡；(3) 结露、粉尘使 τ 下降 10~20%；(4) 阴天、降雪导致 I 本身变化，日射取得比显示值小。设计时「以峰值日射的 70% 作实效值」采用保守估计更实际。冬早晨期待「光就够」会导致暖房延迟，作物低温障害。

其次，「换气回数 n 改 0 就零供暖负荷」的思维方式。本工具中 n 最小化确实减少换气损失，但实际温室同时出现 (a) 叶面结露导致灰霉病；(b) CO₂ 不足光合作用低下（密闭约 200 ppm）；(c) 高湿蒸腾停止营养障害。最低换气 0.5~1.0 1/h 是「即便增加燃料费也要确保」的必要条件。忽视会导致产量下降。近来除湿热泵在保证湿度的同时降低换气的技术普及。

最后，「年间 MWh 直接换算电费」。本工具的年间供暖是冬期 90 天平均负荷 24h 连续运转的上限值。实际上 (i) 日间日射供暖关闭；(ii) 保温幕削减夜间损失 30~40%；(iii) 锅炉、热泵效率(COP) 0.9~4.0 差异大，所以燃料消费往往是计算值的 50~70%。但寒潮早晨瞬间负荷会跳到定格的 2~3 倍，根据峰值负荷决定锅炉容量，年消费用地区气象数据时系列模拟（DesignBuilder、Hortinergy 等）再评估是定式。本工具值用「相对比较、初步近似」，承诺前用地区气象数据重新评估。

温室能源收支 — 日射·透过·蒸腾·供暖制冷负荷

常见问题

实际应用

常见误解与注意点

使用指南

具体计算例

实务注意项