An Affordable Window Greenhouse in Kingston, Ontario/zh

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窗台上的温室特写

女王大学四年级机械工程课程的顶点专案“永续发展工程”是设计和建造具有可量化工程结果的适当技术（要查看其他课程项目，请按此处）。我选择建造一个温室，审视系统全年的热量需求；然后，根据所选的材料和条件，审查与此相关的成本并建立比例模型。

该计划是轻松社区温室发展的第一步 - 经济适用温室的目标是：

• 提高温室设计和住宅应用意识。
• 展示冬季温室的可行性（即成本），并确定安装此类系统以获得最佳作物产量的最佳时间。

由于选材及加拿大春季寒冷，直到4月下旬才有效施工。但透过更好的材料选择和创新的温室设计，我希望建造微型温室将成为普遍做法。

建造经济适用温室的蓝图如下：对于该温室，我们对单窗格聚氯乙烯 (PVC) 覆盖的温室进行了审查。热损失和计算是在 MatLab 中使用加拿大气候常态网站的常数和女王大学生活大楼的阳光辐射进行的。

概述

温室是一种热捕获结构，旨在优化植物生长；这是透过优化所选工厂的环境条件来实现的。可调节的参数有（但不限于）：阳光辐射、温度、土壤条件-->养分类型和浓度、水泵速率、CO ₂浓度和空气循环速率。最佳化是最终目标，对于下面概述的项目，传热公式和考虑因素是针对基本情况制定的：温室内部最低温度为 13°C，外部温度每月变化。出于简化目的，系统外部的气流将被视为在平板集热器上，并具有来自加拿大气候常态网站的当地风况。假设的内部循环速率为 0.1 m/s - 考虑到我们的系统是批量系统且流速非常低，该速率略高，因此最终结果将产生传热的保守估计。相对于所提供的外部温度，系统始终被假定处于稳定状态。

建模和建构的结果是：系统对热量最重要的需求是在十二月和一月的早晨。这是由于冬季平均风速较高、气温较低、日照时间较短、日照强度较短。12 月的峰值瞬时热耗率为 253 W。维持 13 C 稳态温度的最低 Q 要求是在 8 月中午 - 由于热量较高，需要 400 kW 的散热量才能保持系统恒定（显然这是不可能的，因为植物可以承受更高的温度）。安装该系统的成本估计为 472 美元 - 尽管如果不雇用劳动力（即您自己完成），安装成本可能会大大降低。材料成本约为 112 美元。4 月平均每天的营运成本为 15 美元 - 然而，当农作物经历寒流时，居民不太可能为这种热量付费。在夏季，温室的热能消耗不花钱，约 0 美元，而在冬季，热能可高达 1000 美元。

所提出的系统成本非常高，并且在温度高于 10°C 之前不太可能被采用。部分原因是系统的主要绝缘层聚氯乙烯 (PVC) 层的传热系数较低。购买该产品时仅考虑了资本成本，作为未来参考，营运成本应该是选择材料的主要因素。另外，电阻层厚0.015 m。在该模型的开发过程中做出了严格的假设，值得庆幸的是，附加了用于生成这些结果的 MatLab 文件，并且可以轻松操作以适应各种场景。

作业和作者

该计划是为MECH 425，女王大学永续发展工程课程（mech425）而设计的，作者是L.Gardner –即将毕业的化学工程学生（Sci'10）。

问题

人类活动已经超出了地球的生物承载力（下图1）。对地球自然资源的极度消耗正在造成广泛的环境破坏，我们仍有时间改变现状。如果我们共同努力，我们都可以改变我们的生活方式，生活在我们的生态极限^W之内。学习：“永远爱所有物种的所有儿童”^[1]并不容易，而向前迈出的一大步可能是种植一些我们自己的食物。

^{图1.以生态足迹W}表示的消耗量图表W ) ^[2]（不包括有毒废弃物和核废弃物）。

这张图表明，地球的生态极限（本质上是我们消耗的资源量相对于地球自然自我补充能力而言）在 20 世纪 80 年代已被超越。目前我们消耗的资源就好像我们生活在1/3的地球上。更大。^[2]

所以，我们能做些什么？

任何限制我们生态印记的事情，例如种植我们自己的农作物，都应该列在这个清单上。

机会：为什么要使用温室来减少对环境的影响？

减少我们的生态足迹有很多解决方案，我介绍的技术解决方案是透过微型住宅温室来减少世界的生态足迹。我不会量化这种可能性，但我将考虑到这一点来探索温室保温。其理论是：如果我自己生产的食物多于我需要运送给我的食物，就会减少我对地球的影响。

人类有一些基本需求，食物、住所和水是其中的首要需求。如果我们每个人都能学会种植自己的食物，我们就会减少对当今食品分销网络的碳密集型市场的依赖。如下表所示，第二大生态足迹是农地（仅化石燃料），消耗了 37 亿公顷土地的生态足迹。在再生能源领域，人们正在利用二氧化碳进行大量工作，其他领域也需要减少碳足迹。

• 列出的所有数字均以十亿全球公顷土地为单位（最后一行是一个比率）。^[3]

此外，像努纳武特这样的北部地区，运输成本很高，如果他们能够自己种植一些粮食，那么他们对运输农产品的需求就可以大大减少。我将用低成本产品研究其技术可行性。

区域考虑因素

安装温室时，重要的是要考虑您所在的地区——遮阳、气候、地点等。

实施策略

1. 概念化 - 思考概念 - 考虑初步设计
2. 思考和沈思 - 如何建造它 - 用木材和设计的热塑胶板
3. 测量与设计 - 测量屋顶，设计气密结构
4. 细化－在建造前调整设计、咨询。
5. 施工-切割、钉子、胶水-重复。
6. 连接点 - 中期实施审查，将所有成员聚集在一起讨论进度和现实目标。
7. 继续安装
8. 调整 - 处理本质，更精细的细节 - 木材分离 - 所以添加更多木胶。吹风机以收紧材料以实现紧密密封。
9. 吊挂和紧固 - 整个过程的物流很重要 - 我们立即同意我们将使用中间结构支架来吊装它（下一节中的图片）
10. tweek - 边缘的裂缝被窗户密封剂偷走了
11. 添加土壤和植物 - 1 个指定花盆 - 测量两次并切割一次以确定花盆的尺寸 -
12. 清理——这一步比你想像的还要大——放下这一步！
13. 模型 - 在 MatLab 中对传热进行建模并发布到 Appropedia
14. 监控 - 系统维护以确保质量，监控晴天和寒冷天的温度。
15. Appropedia - 与任何有兴趣的各方讨论项目 - 定期更新。

施工及安装

安装温室。您将需要一些材料 - 它们如下：

购买材料后，就可以安装和建造温室了，从顶部开始：

任务	操作说明	应用于我的温室/经验	替代方法	视觉的
取得材料	去商店	加拿大轮胎	自己做	不适用
测量视窗参数	测量窗户的周长	用卷尺和一张纸记录窗户相对于窗台的面积	使用一段绳子并在绳子、剪下的绳子和标签上标记尺寸，以便以后识别	不适用
确定温室尺寸	绘制温室和标签尺寸。请记住，与您周围的窗户面积或表面积的关系。最小化高度，因为它只会增加热量损失的表面积。	我的总高度 = 窗玻璃总高度的一半 总长度 = 1 个窗户的宽度 总深度 = 2 盆深	根据您需要的窗户或表面积大小建造温室 - 如果您愿意，也可以在露天建造温室！	建成温室尺寸，DxWxH，0.5842x0.9652x1.30（米）
将温室结构切割成适当尺寸	搭配单一结构件（木材）指定的尺寸并将它们锤在一起，我发现稳定支撑杆很有帮助	稳定性支撑杆有助于结构建成后的安装，稳定性	只需要建造一个塑胶能紧密贴合的结构	这是在贴上任何薄膜之前的完整木结构
薄膜包衣	聚集一个团队的人就像拍电影一样，是一门精致的艺术。将双面胶带贴在框架周围，将其朝外粘贴。接下来展开塑胶布并拉动，然后将其放在框架上。	看最后一点	找到其他材料并拧上，也许将塑胶粘合或钉在结构材料上	一膜安装结构图
其他涂料的安装	对外部温室外壳的所有侧面重复上述步骤	要精致	如果错过一个人，可以绑在树上	温室框架卡通与所有的贝壳 实际建造温室薄膜
如上所示安装支撑杆并吊至平台上	支撑杆是系绳子或固定其他材料的方便场所，用于温室运输（往返建筑工地）	确保温室旅行安全	绳子使这个直接前进，如果你没有绳子，请将其向上推，不要将其建造为第二层附件	即将安装的温室和喷涂窗户裂缝填充物的视图
填补窗户裂缝	确保填充房屋和新设计的窗户结构之间的所有空白空间，如果仍然存在大孔 - 会感觉到气流并且明显大大改善传热（因此温室更冷！），使用喷雾泡沫填料	最初几天我没有正确完成这项工作，而且温室没有热量	让泡沫干燥过夜，闻到废气、泥土、泡沫塑胶的气味对你或植物来说都是不健康的，大多数可以紧密包装的材料都可以使用	图中黄色代表裂缝填充材料
将薄膜吹干紧实	这种类型的 PVC 经过精心设计，当它被加热时，它会收紧并适应温室，这样它就不会在风中下垂并自行磨损。	还可以更好地保持更紧密的层和层流，更少的热传递	美国金属锅里装满热煤，用于辐射热，可以使用篝火中的蒸汽	不适用
用胶带黏住最后的裂缝	一定要填充所有可见的裂缝，特别是当外面较冷时，否则温室将变得毫无用处	“屋顶”被吹掉了，因为它没有被第一道胶带固定得足够牢固——所以用双倍的胶带	任何胶带，如果周围没有胶带，请确保顶面可以用麻线或钉子连接（我们的是窗户的一半，所以我们需要将其粘在玻璃上	不适用
滴入土壤和花盆中	将土壤放在地面上，放入花盆，确保土层足够深以允许植物生长 - 每 5 个月腐烂 1 英尺，植物就会在那里	小心不要刺穿收紧的塑料，这发生在我们身上 - 不愉快	如果温室建在地面的窗台上，则可以将植物覆盖在地面上	温室全盆栽

完成的温室！

工程原理

总的能量平衡方程式为

累积=输入-输出+生成

就温室系统的热量而言，可以简化为以下：

为了简化接下来的计算，一个有效的假设是系统处于稳定状态，

最终 Q 没有变化，

所以 Q = 0

所以，

_Q增益的热损失参数为

热量增益：透过温室系统获得的所有热量成分

在哪里，

Q _sun，是太阳带来的能量。

Q_房屋，热量从关闭的窗户通过结构传递，假设房屋全年恒温 18 C

Q _x，对于稳态系统，我们需要定义温室内的稳态温度，以使系统达到平衡。基于黄瓜在 13 C 下最佳生长的需要^[4]（温室里有黄瓜）——这成为了设定参数。整个方程式将求解该值。

热损失定义为

热量损失：透过温室系统损失的所有热能成分

对于笛卡尔坐标系。

热损失可以简化为Q _f（前面板的 Q）和Q _S（侧面板的 Q，2 个侧面板）。

温室的整体能量平衡牢记这些参数，并将实验结果简化为：^[5]

在哪里，

A是单位土地面积的温室覆盖面积

使用指定的温室尺寸发现

U , 总传热系数

使用1/U = 1/h1A + L/kPVA+1/h2A得出

h1为由实验参数决定的传热系数

透过努苏尔特号码找到

HL = NuL*kair/L（其中 L 是温室的平均长度，kair 是常数

A所讨论的表面积

NuL = 0.664*Pr^(1/3)*Re^0.5

Pr = Cp*黏度/alp粗体文字ha

Re = U*L*rho/u

决定 HL 的其余变数是定义的常数

仅适用于Re < 5*10^-5，层流区域的末端

U = 2Us + Uf

Us－侧面整体传热，其中下标f表示前面板传热

To , 外部空气温度

• 这随月和时间而变化 - 这都是在 m 文件的矩阵输入中定义的 - 请参阅 m 文件以查看 - 温度数据是从Queen's Live Building收到的

Ti , 温室内部空气温度 = 13 C

空气比热

Φ , 通风率, s ^-1

ρair，空气密度

β，吸收的太阳辐射的分数，（少单位）

1. 73 ^[6]

S、太阳辐射量W/m2

• 每小时数值由 Queen's U Live Building 提供^[7]
• 有关完整资料细分，请参阅随附的 m 档案。
• 参见数据矩阵

住宅模型不使用通风，系统是封闭的，可以称为“批量”（运行期间没有质量增加或损失）。

考虑到图 1 中所示的完全能量平衡，并且居民不使用通风 - 可以重新配置上面的方程，并按如下方式求解所有参数（这是我们温室实际使用的方程！）：

必须每月和每小时计算一次，这就是需要矩阵的原因，也是使用 MatLab 的充分理由

Ag，温室玻璃面积

• 房屋内窗的简单尺寸Ug，透过玻璃的传热系数

Tih , 屋内温度

• 假定 18 C

若要查看计算中使用的所有常数：如空气密度、空气速度等 - 请参阅 m 档案。在 Incropera 和 DeWitt 中发现了空气常数。^[8]

其余常量可在工程工具箱中找到：^[9]

kPVC (W/mK) = 0.19

k 玻璃(W/mK) = 0.96

最后，若要查看用于寻找传热系数的方程式的详细说明，请按一下：

传热模型

使用 MatLab，发现了每月平均小时温度通过温室的热传导。此模型产生的图表如下图所示。

图 2 显示了女王大学生活大楼的太阳能数据的图形表示。从概念上讲，该图是有意义的。当 z 变数接近一年中最长的一天时，它在中午达到高峰。远离这个“悬崖”的所有其他点即减少。存在表明噪声的尖峰，这对于实验数据点来说是完全正常的。

图 3 概述了有关热损失和热增益（我们的 Qx 的主要热方程式）的数据的处理。该图也遵循理论。在冬天的夜晚，需要更多的Q来产生热量。白天所需的 Q 量较少。负参数只是系统稳态的函数。这在财务分析中被忽略，因为它是多余的热量不起作用。

图4. 模拟瞬时暖气时间的费用 - 维持温室内 13 C。设定了一个矩阵，将所有点设为小于零，因此在夏季移除的所有 -ve Q 都设为 0。这使我们能够仅将热成本建模为正热的函数（冬季的热是必须付费）。这是假设 100% 能量从电热源转移，并考虑每月平均有 30.42 天，电费为 0.08 美元/kWh。有关进一步的结果和讨论，请参阅 m 文件。

用于该模型的 MatLab 档案可以在此处下载：。

模型假设

在开发传热模型时做出了许多假设：

1. 当Q处于稳态时，系统内累积的热量会不断改变。
2. 系统混合良好，温度均匀分布在整个控制体积内。
3. 仅在温室上方有层流。
4. 就阳光辐射的利用而言，树木不会受到遮蔽。
5. 忽略从温室主体到天空的辐射热传递。
6. 密度、黏度、速度恒定，可简化传热系数的决定。
7. 假设框架完全由塑胶和玻璃制成
8. 假设我们安装的框架可以近似为三角形。
9. 假设太阳能系数的 beta 包括所有需要的参数，例如透过薄膜的传输损耗、反射和发射损耗。
10. 假设在辐射到空气中没有能量吸收
11. 忽略因框架泄漏造成的能量损失
12. 用于成本估算的加热器电效率为 100%
13. 电费为 0.08 美元/度
14. 温室底部不进行热交换。

热能成本

该系统所需的 q 量已经计算出来，重要的是能够根据人们可以关联的组件来量化该量。

这里金钱被用来量化 q（瓦特）对一般人的价值。

在下面的图库中，根据以下因素制作了两张图表。

1. 经济适用温室在全年时间范围内的成本变化。

月平均图表显示冬季经济状况不佳，但从 5 月到 9 月底使用的介质（0.0015 m 厚的 PVC 膜）经济状况良好。该模型假设温室必须保持在 13°C 的稳态温度。结论 - 温室在夏季 5 个月内是一个有利的专案。

1. 四月平均一天中每小时成本的变动。

这些每日数据应该为您提供阳光辐射如何影响成本以及何时需要 Q 的趋势。从这里可以看出，成本也变得相当高，4 月每天的成本为 15 美元。这对于维持任何东西来说都是相当高的。请记住，所使用的薄膜不是为温室应用而设计的，它是一种作为贫困人口可以获得的材料而购买的材料。在夏季，它可以有效地保持热量，但对于冬季生存来说，它并不是一个好的媒介。

最后，要确定温室是否适合您所在地区的经济实惠的选择，请查看下图 - 它概述了每个温度的成本。如果您所在的气候始终低于 10 C，那么这不是一个好的选择（基于此图“温度依赖性...”）。

温室的成本可行性取决于任何地区的温度。这忽略了对温室生存能力的所有其他影响（除了温度）

。

如果您的气候在一年中的特定时间或全年为 10 或更高，那么这是一个不错的选择。如果没有，如果您想建造温室，则可以预期使用更好的材料和更高的资本成本。

前往此下载网站以取得成本估算电子表格：温室资料表

从这项分析中可以看出，对于目前的设计来说，薄而廉价的 PVC 薄膜显然是一项糟糕的投资。今后在选择保温材料时，必须更严格地检视其品质。显然，低资本是透过非常昂贵的营运成本来实现的。

资本成本

该项目的建筑成本和时间都很高。没有适当的说明手册或最佳实践，请使用提供的内容并快速建立您的内容。如果您的预算紧张，那么使用上述替代材料应该很容易建造它，最重要的部分是薄膜。我建议将薄膜改进为具有更高导热率的材料（更有效地保留热量）。这是一个清单以及所花费的资本金额（假设必须向工人支付工资）。

结论

经济适用温室的建设已在上文中进行了更新。该项目的资本成本估计在 117 美元到 472 美元之间，具体取决于劳动力和材料的选择。如果需要的话，该结构的制造成本可以大大降低。住宅温室带来的挑战是巨大的。经过分析发现，一年中只有 5 个月可以生长，考虑到该过程的资本和营运成本，这些作物的预期产量将非常不经济。与杂货店购买农作物的价格相比，这种“经济适用温室”预计要贵得多（没有农作物大小和重量的结果进行比较）。需要改进的一个主要领域是温室墙壁隔热材料的选择，由于价格便宜，所以选择了 PVC。然而，该产品的厚度仅为 0.0015 m，导热率为 0.19 W/mK（非常低，特别是与 1.005 W/mK 的耐热玻璃相比）。未来对电阻材料的决定应基于传输太阳辐射热的能力和高导热性，而不仅仅是价格。金斯顿生产性作物生长的窗口期为五月至九月底。在此期间，将工厂保持在 13°C 最低温度的运作成本预计为 200 美元（按电加热器所需热能计算）（kWh）。冬季需要大量的Q，这将花费数千美元来保持植物温暖，这是不经济的。一小时间隔内所需的最大 Q 为 250 W。由于稳态假设，在夏季，Q 变为负值，因为需要带走热量以保持稳态特性恒定。在成本分析中，这一点被忽略并设置为零（因为植物通常可以在 13 到 40°C 之间生长良好）。3D 和 2D 图表遵循预期趋势，并且成功模拟了热传。主要趋势是，随着夏季的临近，每天接近中午，所需的 Q 值会减少，并且通常为负值。这是可以预料的，因为夏天更热，而且全年的中午——太阳升起时也是如此。进一步的评估应该着眼于由空气隔开的多层聚氯乙烯（作为空气层，将充当另一种阻力介质）。应该检查其他材料，例如低成本玻璃，或者可以探索社区农场的想法 - 一个隔热良好的温室为整个社区提供服务。小型“经济型”温室是与自然联系的有效方法，可以成为一种令人愉快的爱好，它们甚至可以改善一般黄瓜作物的生长条件和品质；然而，它们并不是从经济上降低生态足迹的有效手段。

下一步

潜热保持 - 可能需要潜热或外部热源才能使温室在寒冷气候下运作。

热罩模型 - 太阳下山后，将热毛巾放在温室顶部以保持热量，然后在早上移除。

进一步研究温室（如果有的话）的心理益处、可以容纳热量的不同廉价材料、​​利用这些材料最大限度地抑制热量的不同方法。

生长速度非常快的农作物。

作物具有极强的耐温性，不会阻碍生长。

将温室与合法的废热收集（包括浓缩二氧化碳）结合起来，1000ppm 是最佳选择^[10]

参考

致谢

如果没有..，这个专案就不可能实现。

世界上最好的建置团队 - 谢谢！

• 建置团队：Marley、Dylan 和 Josh。感谢各位先生的尽职尽责。
• “其他”室友德鲁、亚当和亚当——他们的智慧和持续不断的灵感——是我整夜工作的动力，因为我知道你们会在那里让我知道我没有完成工作。
• 女王量热实验室研究生 - 特别是 Gavin，感谢 H 和 KT 的所有帮助。
• Nick，化学工程系 MatLab 专家，提供技术支援！
• 女王应用永续发展小组 Rob 和 Amir - 谢谢！
• 感谢皮尔斯博士的鼓励、启发与热情。