寒 冷 地 區(qū) 日 光 溫 室 水 平 地 埋 管 蓄 熱 效 果 研 究 于 濤 1 王 冬 菊 1 王 英 華 2 1 山 東 建 筑 大 學 熱 能 工 程 學 院 濟 南 2 5 0 1 0 1 2 山 東 省 農(nóng) 業(yè) 科 學 院 濟 南 2 5 0 1 0 0 摘 要 為 研 究 寒 冷 地 區(qū) 日 光 溫 室 應(yīng) 用 太 陽 能 土 壤 增 溫 系 統(tǒng) 的 地 溫 變 化 情 況 和 土 壤 蓄 熱 效 果 利 用 I C E M 建 立 了 二 維 水 平 埋 管 土 壤 蓄 熱 物 理 模 型 并 基 于 試 驗 工 況 運 用 F L U E N T 對 典 型 日 水 平 埋 管 與 土 壤 的 非 穩(wěn) 態(tài) 傳 熱 進 行 了 數(shù) 值 模 擬 結(jié) 合 試 驗 數(shù) 據(jù) 和 數(shù) 值 模 擬 進 行 分 析 結(jié) 果 表 明 白 天 土 壤 蓄 積 的 熱 量 可 以 保 持 夜 間 至 次 日 系 統(tǒng) 運 行 前 的 土 壤 最 低 溫 度 在 1 0 c m 深 處 為 1 3 0 9 1 5 c m 深 處 為 1 5 3 3 0 6 0 c m 深 處 在 1 6 以 上 可 避 免 因 土 壤 低 溫 導(dǎo) 致 喜 溫 蔬 菜 番 茄 生 長 受 到 抑 制 太 陽 能 土 壤 增 溫 系 統(tǒng) 對 日 光 溫 室 土 壤 具 有 一 定 的 加 熱 效 果 在 其 適 用 范 圍 內(nèi) 應(yīng) 進 行 推 廣 應(yīng) 用 關(guān) 鍵 詞 水 平 地 埋 管 日 光 溫 室 溫 度 場 運 動 仿 真 數(shù) 值 模 擬 中 圖 分 類 號 S 6 2 5 4 文 獻 標 識 碼 A 文 章 編 號 1 0 0 3 1 8 8 X 2 0 2 2 0 3 0 2 4 8 1 1 0 引 言 冬 季 日 光 溫 室 地 溫 低 不 能 滿 足 作 物 根 系 的 正 常 生 長 要 求 導(dǎo) 致 作 物 長 勢 慢 產(chǎn) 量 低 進 而 影 響 農(nóng) 民 的 種 植 效 益 為 保 證 寒 冷 冬 季 作 物 的 生 長 需 求 日 光 溫 室 常 采 用 燃 煤 燃 油 電 能 等 作 為 熱 源 通 過 燃 煤 爐 燃 油 爐 燃 氣 爐 提 高 棚 內(nèi) 空 氣 溫 度 繼 而 給 淺 層 土 壤 升 溫 或 者 通 過 地 下 熱 交 換 系 統(tǒng) 直 接 對 溫 室 土 壤 加 溫 但 是 電 能 的 使 用 增 加 了 生 產(chǎn) 成 本 燃 煤 燃 油 等 常 規(guī) 能 源 的 使 用 則 存 在 能 耗 高 環(huán) 境 污 染 嚴 重 能 源 利 用 效 率 低 的 缺 點 1 因 此 研 究 低 成 本 低 能 耗 的 加 溫 方 式 具 有 重 要 意 義 太 陽 能 是 一 種 分 布 廣 泛 儲 量 豐 富 的 可 再 生 能 源 利 用 太 陽 能 集 熱 聯(lián) 合 土 壤 蓄 熱 提 高 溫 室 地 溫 可 以 增 大 作 物 產(chǎn) 量 增 加 農(nóng) 民 收 入 提 高 農(nóng) 民 幸 福 指 數(shù) 同 時 減 少 常 規(guī) 能 源 的 消 耗 實 現(xiàn) 能 源 的 低 碳 轉(zhuǎn) 型 早 在 2 0 世 紀 8 0 年 代 國 內(nèi) 外 研 究 學 者 就 開 始 對 利 用 太 陽 能 提 高 土 壤 溫 度 進 行 了 研 究 山 本 雄 二 郎 2 等 最 早 介 紹 了 將 太 陽 能 集 熱 器 產(chǎn) 生 的 熱 水 通 入 埋 深 為 1 5 m 的 銅 管 中 進 行 長 期 蓄 熱 的 溫 室 加 溫 方 式 李 秀 敏 3 等 在 哈 爾 濱 地 區(qū) 安 裝 了 太 陽 能 溫 室 供 熱 系 統(tǒng) 實 現(xiàn) 了 利 用 太 陽 能 提 高 溫 室 地 溫 的 創(chuàng) 新 對 于 溫 室 加 熱 系 統(tǒng) 加 熱 效 果 的 研 究 楊 波 4 等 設(shè) 計 了 收 稿 日 期 2 0 2 1 0 1 0 5 基 金 項 目 山 東 省 自 然 科 學 基 金 項 目 Z R 2 0 1 9 M E E 0 8 3 作 者 簡 介 于 濤 1 9 7 8 女 山 東 龍 口 人 副 教 授 博 士 E m a i l h g d y u t a o s i n a c o m 通 訊 作 者 王 冬 菊 1 9 9 4 女 山 東 菏 澤 人 碩 士 研 究 生 E m a i l 2 5 0 3 5 1 8 5 0 2 q q c o m 以 空 氣 為 循 環(huán) 介 質(zhì) 的 地 下 蓄 熱 系 統(tǒng) 分 析 了 不 同 氣 候 條 件 下 系 統(tǒng) 的 加 溫 效 果 并 指 出 系 統(tǒng) 加 溫 至 少 可 以 滿 足 溫 室 加 溫 能 耗 的 3 5 7 戴 巧 利 5 等 利 用 太 陽 能 集 熱 土 壤 蓄 熱 系 統(tǒng) 對 塑 料 大 棚 進 行 加 溫 發(fā) 現(xiàn) 系 統(tǒng) 具 有 較 高 的 蓄 熱 性 能 方 慧 6 等 在 溫 室 中 設(shè) 置 了 后 墻 太 陽 能 集 熱 器 和 地 下 蓄 熱 管 路 發(fā) 現(xiàn) 系 統(tǒng) 對 日 光 溫 室 的 空 氣 溫 度 和 土 壤 溫 度 都 有 一 定 的 提 升 宋 櫻 7 設(shè) 計 了 加 裝 儲 能 罐 的 太 陽 能 地 溫 加 熱 系 統(tǒng) 試 驗 研 究 表 明 冬 季 溫 室 的 地 溫 保 持 在 1 5 以 上 可 以 滿 足 果 菜 生 產(chǎn) 對 地 溫 的 生 長 需 求 對 于 地 下 蓄 熱 系 統(tǒng) 埋 管 方 式 和 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 的 研 究 K u r pa s ka 8 等 對 比 分 析 了 埋 管 系 統(tǒng) 和 土 壤 表 面 加 熱 管 系 統(tǒng) 的 影 響 因 素 和 加 熱 效 率 結(jié) 果 表 明 當 土 壤 表 面 加 熱 管 系 統(tǒng) 的 輸 入 介 質(zhì) 溫 度 比 埋 管 系 統(tǒng) 平 均 高 3 時 土 壤 的 溫 升 效 果 相 同 董 蓬 9 等 模 擬 分 析 了 地 埋 管 的 管 徑 埋 深 及 管 間 距 對 土 壤 溫 度 場 的 影 響 于 威 1 0 等 研 究 了 不 同 工 況 下 日 光 溫 室 地 埋 熱 水 管 道 對 土 壤 溫 度 場 的 影 響 并 對 管 道 供 回 水 平 均 水 溫 管 內(nèi) 水 流 速 管 間 距 等 參 數(shù) 提 出 適 宜 的 范 圍 在 多 數(shù) 模 擬 研 究 中 往 往 采 用 恒 溫 水 蓄 熱 而 太 陽 能 土 壤 增 溫 系 統(tǒng) 在 實 際 運 行 中 換 熱 介 質(zhì) 的 溫 度 是 不 斷 變 化 的 為 了 研 究 太 陽 能 土 壤 增 溫 系 統(tǒng) 的 加 溫 效 果 課 題 組 在 濟 南 市 搭 建 了 日 光 溫 室 進 行 試 驗 測 試 基 于 試 驗 工 況 利 用 F l ue nt 中 用 戶 自 定 義 函 數(shù) U D F U s e r D e f i n e d F unc t i o n 的 功 能 進 行 了 變 熱 流 土 壤 蓄 熱 的 數(shù) 值 模 擬 并 結(jié) 合 數(shù) 值 模 擬 結(jié) 果 和 試 驗 測 試 數(shù) 據(jù) 分 析 了 溫 室 土 壤 溫 度 場 的 變 化 情 況 以 期 為 寒 冷 地 區(qū) 日 光 溫 室 加 溫 方 式 的 選 用 提 供 參 考 8 4 2 2 0 2 2 年 3 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 3 期 1 試 驗 溫 室 概 況 1 1 日 光 溫 室 結(jié) 構(gòu) 試 驗 溫 室 位 于 山 東 省 濟 南 市 1 1 7 E 3 6 7 N 熱 工 分 區(qū) 屬 于 寒 冷 地 區(qū) 濟 南 地 區(qū) 標 準 年 的 總 日 照 時 數(shù) 可 達 4 2 5 2 h 太 陽 總 輻 射 強 度 的 平 均 值 約 為 3 3 0 W m 2 年 總 輻 射 強 度 約 為 1 4 M W m 2 在 國 家 太 陽 能 資 源 分 區(qū) 評 估 中 屬 于 第 類 地 區(qū) 具 有 較 豐 富 的 太 陽 能 資 源 1 1 1 2 該 日 光 溫 室 坐 北 朝 南 東 西 長 7 0 m 南 北 跨 度 1 1 m 脊 高 5 m 后 墻 高 5 m 后 墻 體 外 墻 為 3 7 0 m m 磚 墻 內(nèi) 墻 為 1 2 0 m m 磚 墻 后 墻 中 部 為 5 0 m m 沉 降 縫 中 間 填 充 5 0 m m 聚 苯 板 南 面 墻 體 為 2 4 0 m m 鋼 筋 圈 梁 東 西 面 墻 體 做 法 與 后 墻 相 同 按 照 拱 架 的 尺 寸 砌 筑 溫 室 結(jié) 構(gòu) 如 圖 1 所 示 圖 1 日 光 溫 室 東 側(cè) 面 結(jié) 構(gòu) 詳 圖 F i g 1 S t r u c t u r a l d e t a i l s o f t h e e a s t s i d e o f s o l a r g r e e n h o u s e 1 2 太 陽 能 土 壤 增 溫 系 統(tǒng) 1 2 1 系 統(tǒng) 構(gòu) 造 試 驗 溫 室 采 用 太 陽 能 土 壤 增 溫 系 統(tǒng) 進 行 加 溫 太 陽 能 土 壤 增 溫 系 統(tǒng) 主 要 由 太 陽 能 集 熱 器 集 水 器 分 水 器 水 平 地 埋 管 循 環(huán) 水 泵 儲 熱 水 箱 智 能 控 制 柜 和 連 接 管 路 組 成 如 圖 2 所 示 1 太 陽 能 集 熱 器 2 水 平 地 埋 管 3 集 水 器 4 分 水 器 5 循 環(huán) 水 泵 6 智 能 控 制 柜 7 儲 熱 水 箱 8 連 接 管 路 圖 2 太 陽 能 土 壤 增 溫 系 統(tǒng) 示 意 圖 F i g 2 S c h e m a t i c d i a g r a m o f s o l a r s o i l w a r m i n g s y s t e m 系 統(tǒng) 共 設(shè) 置 4 5 塊 平 板 太 陽 能 集 熱 器 總 有 效 集 熱 面 積 為 8 3 7 m 2 集 熱 器 傾 角 為 2 8 如 圖 3 所 示 太 陽 能 集 熱 器 由 支 架 固 定 于 棚 內(nèi) 靠 近 后 墻 的 位 置 支 架 下 端 由 膨 脹 螺 栓 固 定 在 基 礎(chǔ) 地 梁 上 支 架 后 端 固 定 在 后 墻 上 這 種 內(nèi) 置 式 安 裝 的 方 式 安 全 穩(wěn) 固 性 高 易 于 清 洗 不 占 用 種 植 面 積 既 可 避 免 置 于 室 外 溫 室 頂 部 對 相 鄰 溫 室 采 光 的 遮 擋 又 減 少 了 室 外 風 速 對 集 熱 器 集 熱 效 果 的 影 響 同 時 還 可 防 止 因 室 外 溫 度 過 低 導(dǎo) 致 系 統(tǒng) 連 接 管 路 被 凍 損 系 統(tǒng) 配 置 5 m 3 塑 料 儲 熱 水 箱 水 箱 埋 于 溫 室 土 壤 中 利 用 土 壤 蓄 熱 能 力 保 溫 地 埋 管 采 用 管 徑 為 2 5 m m 的 P E R T 管 埋 深 為 7 0 c m 采 用 水 平 直 管 方 式 敷 設(shè) 如 圖 4 所 示 試 驗 溫 室 中 太 陽 能 土 壤 增 溫 系 統(tǒng) 設(shè) 置 的 設(shè) 備 參 數(shù) 如 表 1 所 示 1 太 陽 能 集 熱 器 2 支 架 3 基 礎(chǔ) 地 梁 4 膨 脹 螺 栓 5 水 平 地 埋 管 圖 3 太 陽 能 集 熱 器 安 裝 示 意 圖 F i g 3 S c h e m a t i c d i a g r a m o f s o l a r c o l l e c t o r i n s t a l l a t i o n 9 4 2 2 0 2 2 年 3 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 3 期 圖 4 水 平 埋 管 敷 設(shè) 圖 F i g 4 H o r i z o n t a l b u r i e d p i p e l a y i n g d r a w i n g 表 1 設(shè) 備 參 數(shù) 表 T a b l e 1 E q u i p m e n t p a r a m e t e r t a b l e 部 件 名 稱 參 數(shù) 名 稱 參 數(shù) 值 太 陽 能 集 熱 器 集 熱 器 類 型 平 板 型 太 陽 能 集 熱 器 單 板 集 熱 面 積 m 2 1 8 6 集 熱 器 數(shù) 量 個 4 5 集 熱 器 傾 角 2 8 水 平 地 埋 管 管 外 徑 m 0 0 2 5 厚 度 m 0 0 0 2 5 單 根 管 道 長 度 m 6 5 埋 深 m 0 0 7 數(shù) 量 根 4 2 材 質(zhì) P E R T 儲 熱 水 箱 容 積 m 3 5 循 環(huán) 水 泵 額 定 流 量 m 3 h 1 1 6 8 額 定 功 率 k W 0 5 智 能 控 制 柜 通 過 判 斷 集 熱 器 水 溫 與 地 下 15 c m 土 壤 溫 度 的 溫 差 控 制 系 統(tǒng) 啟 停 當 兩 者 溫 差 7 時 循 環(huán) 水 泵 開 啟 熱 水 通 過 水 平 地 埋 管 在 溫 室 土 壤 中 循 環(huán) 流 動 進 行 蓄 熱 當 兩 者 溫 差 3 時 循 環(huán) 水 泵 關(guān) 閉 蓄 熱 結(jié) 束 1 2 2 試 驗 方 案 為 監(jiān) 測 集 熱 器 水 溫 棚 內(nèi) 溫 濕 度 環(huán) 境 及 不 同 深 度 處 土 壤 溫 度 在 如 圖 2 所 示 的 位 置 布 置 測 點 測 點 位 置 為 溫 度 傳 感 器 用 于 測 試 集 熱 器 水 溫 測 點 位 置 為 土 壤 溫 度 傳 感 器 用 于 測 試 地 下 1 5 c m 土 壤 溫 度 測 點 位 置 為 土 壤 溫 度 傳 感 器 用 于 測 試 地 下 3 0 c m 土 壤 溫 度 測 點 位 置 地 面 以 上 1 2 m 處 為 室 內(nèi) 環(huán) 境 監(jiān) 測 站 三 要 素 傳 感 器 N X T A b 用 于 測 試 棚 內(nèi) 光 照 空 氣 溫 度 和 濕 度 測 點 位 置 地 表 處 為 土 壤 水 分 溫 度 傳 感 器 用 于 測 試 地 下 1 0 c m 土 壤 溫 度 和 濕 度 土 壤 水 分 溫 度 傳 感 器 技 術(shù) 規(guī) 格 為 電 源 5 2 4 V 濕 度 量 程 為 0 1 0 0 溫 度 量 程 為 4 0 8 0 輸 出 電 壓 為 0 2 V 試 驗 測 試 時 間 為 2 0 1 9 年 9 月 2 5 日 2 0 2 0 年 3 月 8 日 試 驗 期 間 溫 室 種 植 喜 溫 蔬 菜 番 茄 番 茄 的 根 系 主 要 分 布 在 3 0 c m 的 耕 作 層 內(nèi) 當 地 溫 低 于 8 或 高 于 3 5 時 根 的 生 長 會 受 到 影 響 當 1 0 c m 深 處 土 壤 的 溫 度 低 于 1 0 時 作 物 的 生 長 將 會 停 止 嚴 重 時 會 造 成 植 株 死 亡 1 3 1 4 為 了 對 比 試 驗 數(shù) 據(jù) 與 模 擬 結(jié) 果 選 取 濟 南 市 最 冷 月 份 中 一 天 2 0 2 0 年 1 月 3 0 日 9 3 0 3 1 日 9 3 0 為 典 型 日 當 日 天 氣 多 云 轉(zhuǎn) 晴 最 高 氣 溫 5 最 低 氣 溫 6 系 統(tǒng) 的 運 行 時 間 為 2 0 2 0 年 1 月 3 0 日 9 3 0 1 8 3 0 2 模 型 建 立 為 了 解 太 陽 能 土 壤 增 溫 系 統(tǒng) 對 日 光 溫 室 土 壤 加 熱 效 果 利 用 A N SY S 前 處 理 軟 件 I C E M 建 立 二 維 幾 何 模 型 在 試 驗 工 況 下 利 用 F L U E N T 對 溫 室 土 壤 非 穩(wěn) 態(tài) 溫 度 場 進 行 傳 熱 模 擬 獲 取 土 壤 溫 度 場 變 化 情 況 由 于 系 統(tǒng) 運 行 時 循 環(huán) 熱 水 的 溫 度 隨 太 陽 輻 射 強 度 的 強 弱 不 斷 發(fā) 生 變 化 利 用 F L U E N T 的 U D F 功 能 中 D E F I N E P R O F I L E 宏 定 義 邊 界 條 件 實 現(xiàn) 太 陽 能 變 熱 流 工 況 下 的 土 壤 傳 熱 模 擬 2 1 物 理 模 型 與 網(wǎng) 格 劃 分 取 非 邊 緣 地 帶 換 熱 管 為 計 算 單 元 物 理 模 型 為 1 2 0 0 m m 1 4 0 0 m m 的 長 方 形 區(qū) 域 A B C D 水 平 地 埋 管 管 徑 為 2 5 m m 管 間 距 為 2 0 0 m m 埋 深 為 7 0 0 m m 位 于 模 型 中 央 位 置 如 圖 5 所 示 考 慮 到 換 熱 管 之 間 存 在 熱 干 擾 情 況 取 相 鄰 6 根 埋 管 進 行 模 擬 模 型 采 用 三 角 形 網(wǎng) 格 單 元 非 結(jié) 構(gòu) 網(wǎng) 格 由 于 水 溫 不 斷 變 化 換 熱 管 壁 面 周 圍 土 壤 換 熱 較 強 烈 因 此 對 換 熱 管 周 圍 土 壤 進 行 網(wǎng) 格 加 密 處 理 在 確 定 網(wǎng) 格 數(shù) 量 時 兼 顧 計 算 精 度 和 計 算 時 間 為 了 確 保 計 算 結(jié) 果 的 精 度 不 受 計 算 網(wǎng) 格 數(shù) 量 的 影 響 對 網(wǎng) 格 的 無 關(guān) 性 進 行 了 驗 證 最 終 確 定 0 5 2 2 0 2 2 年 3 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 3 期 的 網(wǎng) 格 劃 分 如 圖 6 所 示 圖 5 幾 何 模 型 圖 F i g 5 T h e d i a g r a m o f g e o m e t r i c m o d e l 圖 6 網(wǎng) 格 劃 分 圖 F i g 6 G r i d d i v i s i o n d i a g r a m 2 2 數(shù) 學 模 型 2 2 1 控 制 方 程 為 簡 化 問 題 對 模 型 做 如 下 假 設(shè) 1 假 設(shè) 土 壤 的 熱 物 理 性 質(zhì) 為 各 向 同 性 各 物 理 參 數(shù) 為 常 數(shù) 2 假 設(shè) 管 道 熱 水 傳 熱 過 程 忽 略 沿 管 長 方 向 的 傳 熱 將 土 壤 溫 度 場 簡 化 為 二 維 不 穩(wěn) 定 固 體 導(dǎo) 熱 模 型 3 深 層 土 壤 溫 度 波 動 較 小 將 一 定 深 度 土 壤 溫 度 假 設(shè) 為 恒 定 值 4 忽 略 由 于 土 壤 中 水 分 遷 移 而 引 起 的 熱 遷 移 5 忽 略 土 壤 和 埋 管 間 的 接 觸 熱 阻 基 于 上 述 假 設(shè) 地 埋 管 與 周 圍 土 壤 的 導(dǎo) 熱 控 制 方 程 可 描 述 為 T t s c s T 2 x 2 T 2 y 2 1 式 中 土 壤 的 熱 傳 導(dǎo) 系 數(shù) W m K s 土 壤 的 密 度 kg m 3 c s 土 壤 的 定 壓 比 熱 容 J kg K T 土 壤 溫 度 t 時 間 s 2 2 2 邊 界 條 件 1 土 壤 表 面 A B 邊 界 土 壤 表 面 傳 熱 考 慮 太 陽 輻 射 換 熱 和 自 然 對 流 換 熱 將 A B 邊 界 設(shè) 為 帶 內(nèi) 熱 源 的 第 三 類 邊 界 條 件 土 壤 表 面 能 量 交 換 熱 平 衡 方 程 為 t y a s S s h c t p t s 2 式 中 a s 地 面 對 太 陽 輻 射 的 吸 收 率 S s 投 射 到 地 面 的 太 陽 輻 射 W m 2 h c 土 壤 表 面 與 溫 室 空 氣 的 對 流 換 熱 系 數(shù) W m 2 K t p 土 壤 表 面 平 均 溫 度 t s 棚 內(nèi) 溫 度 考 慮 土 壤 表 面 獲 得 的 太 陽 輻 射 熱 量 假 設(shè) 表 層 厚 度 5 m m 土 壤 具 有 隨 時 間 變 化 的 內(nèi) 熱 源 并 將 該 熱 源 編 寫 成 瞬 態(tài) P r o f i l e 文 件 在 模 擬 時 載 入 邊 界 條 件 利 用 室 內(nèi) 環(huán) 境 監(jiān) 測 站 采 集 棚 內(nèi) 的 光 照 度 根 據(jù) 式 3 將 其 換 算 為 太 陽 輻 射 度 1 5 取 計 算 太 陽 輻 射 度 的 3 0 為 土 壤 表 面 顯 熱 熱 源 得 到 土 壤 表 面 各 時 刻 熱 源 如 表 2 所 示 表 2 土 壤 表 面 各 時 刻 熱 源 T a b l e 2 H e a t s o u r c e o f s o i l s u r f a c e a t e a c h t i m e 時 刻 光 照 l x 太 陽 輻 射 強 度 W m 2 土 壤 表 面 顯 熱 熱 源 W m 2 時 刻 光 照 l x 太 陽 輻 射 強 度 W m 2 土 壤 表 面 顯 熱 熱 源 W m 2 9 3 0 2 1 0 7 0 2 1 9 1 6 5 7 9 4 0 2 4 2 6 0 2 5 2 3 7 5 7 1 0 0 0 2 7 5 2 0 2 8 6 2 8 5 9 1 0 2 0 2 6 7 1 0 2 7 7 8 8 3 3 1 0 4 0 3 2 6 9 0 3 4 0 0 1 0 2 0 1 3 0 0 2 6 5 3 0 2 7 5 9 8 2 8 1 3 2 0 2 2 6 8 0 2 3 5 9 7 0 8 1 3 4 0 2 2 7 1 0 2 3 6 2 7 0 9 1 4 0 0 2 4 1 2 0 2 5 0 8 7 5 3 1 4 2 0 2 5 9 5 0 2 6 9 9 8 1 0 1 5 2 2 0 2 2 年 3 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 3 期 續(xù) 表 2 時 刻 光 照 l x 太 陽 輻 射 強 度 W m 2 土 壤 表 面 顯 熱 熱 源 W m 2 時 刻 光 照 l x 太 陽 輻 射 強 度 W m 2 土 壤 表 面 顯 熱 熱 源 W m 2 1 1 0 0 3 0 0 9 0 3 1 2 9 9 3 9 1 1 2 0 3 4 8 8 0 3 6 2 8 1 0 8 8 1 1 4 0 2 7 1 5 0 2 8 2 4 8 4 7 1 2 0 0 2 6 6 7 0 2 7 7 4 8 3 2 1 2 2 0 2 5 2 2 0 2 6 2 3 7 8 7 1 2 4 0 2 8 2 8 0 2 9 4 1 8 8 2 1 4 4 0 1 0 2 4 0 1 0 6 5 3 1 9 1 5 0 0 8 2 4 0 8 5 7 2 5 7 1 5 2 0 7 3 6 0 7 6 5 2 3 0 1 5 4 0 6 9 7 0 7 2 5 2 1 7 1 6 0 0 1 0 5 8 0 1 1 0 0 3 3 0 1 6 2 0 7 8 2 0 8 1 3 2 4 4 參 照 文 獻 1 6 土 壤 表 面 與 空 氣 對 流 傳 熱 系 數(shù) 在 日 間 取 為 4 W m 2 K 夜 間 取 為 7 W m 2 K 并 利 用 U D F 中 的 D E F I N E P R O F I L E 宏 實 現(xiàn) 對 流 換 熱 系 數(shù) 在 日 間 與 夜 間 取 值 的 切 換 將 采 集 的 棚 內(nèi) 空 氣 溫 度 擬 合 成 如 圖 7 所 示 的 與 時 間 相 關(guān) 的 曲 線 并 利 用 D E F I N E P R O F I L E 宏 將 此 關(guān) 系 式 編 入 U D F 文 件 中 作 為 邊 界 條 件 的 輸 入 即 E 1 0 4 1 0 2 L 3 式 中 E 太 陽 輻 射 度 W m 2 L 光 照 度 l x 圖 7 實 測 與 擬 合 空 氣 溫 度 曲 線 圖 F i g 7 M e a s u r e d a n d f i t t e d a i r t e m p e r a t u r e c u r v e 2 邊 界 A D B C 加 熱 管 均 勻 布 置 邊 界 A D B C 為 溫 度 場 的 對 稱 軸 線 將 邊 界 A D B C 假 設(shè) 為 絕 熱 邊 界 條 件 則 t n 0 4 3 地 埋 管 壁 邊 界 E 流 體 在 地 埋 管 內(nèi) 為 強 迫 對 流 換 熱 將 換 熱 管 管 壁 取 為 第 三 類 邊 界 條 件 能 量 交 換 熱 平 衡 方 程 為 p t n w t t w 5 式 中 p 地 埋 管 的 熱 傳 導(dǎo) 系 數(shù) W m K w 管 內(nèi) 對 流 換 熱 系 數(shù) W m 2 K t w 管 內(nèi) 流 體 溫 度 根 據(jù) 管 內(nèi) 流 體 的 定 性 溫 度 查 取 物 性 參 數(shù) 進 而 計 算 流 體 的 雷 諾 數(shù) 以 判 定 流 體 的 的 流 態(tài) 根 據(jù) 流 態(tài) 選 擇 準 則 方 程 式 最 后 根 據(jù) 式 6 計 算 出 管 內(nèi) 流 體 與 管 內(nèi) 壁 的 對 流 換 熱 系 數(shù) 為 w N u f f d 6 式 中 N u f 努 謝 爾 特 數(shù) f 流 體 的 熱 傳 導(dǎo) 系 數(shù) W m K d 加 熱 管 內(nèi) 徑 m 將 實 際 流 體 溫 度 流 體 與 管 壁 的 對 流 換 熱 系 數(shù) 擬 合 成 如 圖 8 和 圖 9 所 示 的 與 時 間 相 關(guān) 的 曲 線 利 用 D E F I N E P R O F I L E 宏 將 其 關(guān) 系 式 編 入 U D F 文 件 中 并 載 入 F L U E N T 模 擬 邊 界 條 件 模 擬 系 統(tǒng) 在 運 行 和 停 止 兩 種 工 況 下 采 用 不 同 的 方 法 設(shè) 置 對 流 換 熱 系 數(shù) 當 系 統(tǒng) 運 行 時 對 流 換 熱 系 數(shù) 按 照 擬 合 關(guān) 系 式 設(shè) 置 當 運 行 停 止 時 將 流 體 與 管 壁 的 對 流 換 熱 系 數(shù) 設(shè) 置 為 0 圖 8 實 測 與 擬 合 流 體 溫 度 曲 線 圖 F i g 8 M e a s u r e d a n d f i t t e d f l u i d t e m p e r a t u r e c u r v e 2 5 2 2 0 2 2 年 3 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 3 期 圖 9 流 體 與 管 壁 對 流 換 熱 系 數(shù) 擬 合 曲 線 圖 F i g 9 F i t t i n g c u r v e o f c o n v e c t i v e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t b e t w e e n f l u i d a n d p i p e w a l l 4 底 層 邊 界 C D 由 于 土 壤 具 有 很 強 的 蓄 熱 能 力 地 下 1 4 m 處 溫 度 波 動 很 小 因 此 將 底 層 邊 界 取 為 第 一 類 邊 界 條 件 即 T T e 7 式 中 T e 深 層 土 壤 恒 定 溫 度 取 T e 1 2 5 初 始 條 件 與 物 性 參 數(shù) 試 驗 測 得 初 始 時 刻 地 下 1 0 1 5 3 0 c m 深 處 的 土 壤 溫 度 根 據(jù) 實 測 溫 度 設(shè) 定 相 應(yīng) 區(qū) 域 的 土 壤 溫 度 考 慮 土 壤 的 蓄 熱 性 埋 管 附 近 土 壤 初 始 溫 度 的 設(shè) 定 高 于 其 他 區(qū) 域 的 溫 度 底 層 土 壤 溫 度 根 據(jù) 底 層 邊 界 溫 度 設(shè) 定 不 同 區(qū) 域 土 壤 初 始 溫 度 如 圖 1 0 所 示 土 壤 和 P E R T 加 熱 管 的 物 性 參 數(shù) 1 7 1 8 如 表 3 所 示 圖 1 0 土 壤 初 始 溫 度 設(shè) 置 圖 F i g 1 0 S e t t i n g m a p o f s o i l i n i t i a l t e m p e r a t u r e 表 3 各 材 料 熱 物 性 參 數(shù) 表 T a b l e 3 T a b l e o f t h e r m o p h y s i c a l p a r a m e t e r s o f e a c h m a t e r i a l 材 料 名 稱 密 度 k g m 3 比 熱 C p J k g K 1 導(dǎo) 熱 系 數(shù) W m K 1 土 壤 1 9 2 5 9 2 0 1 6 P E R T 1 2 0 0 1 3 8 0 0 3 1 3 數(shù) 值 模 擬 結(jié) 果 與 分 析 3 1 模 擬 結(jié) 果 分 析 為 了 更 直 觀 地 顯 示 土 壤 溫 度 的 變 化 情 況 利 用 專 業(yè) 后 處 理 軟 件 T e c pl o t 對 F L U E N T 模 擬 的 不 同 時 間 對 應(yīng) 的 溫 度 云 圖 進 行 處 理 系 統(tǒng) 從 9 3 0 開 始 運 行 圖 1 1 圖 1 6 分 別 為 系 統(tǒng) 運 行 3 4 5 6 h 和 系 統(tǒng) 運 行 結(jié) 束 時 對 應(yīng) 的 土 壤 溫 度 云 圖 由 此 可 見 系 統(tǒng) 蓄 熱 期 間 的 土 壤 溫 度 變 化 情 況 由 于 受 到 太 陽 輻 射 及 土 壤 上 方 空 氣 溫 度 升 高 的 影 響 土 壤 表 面 吸 收 熱 量 并 不 斷 向 下 傳 遞 熱 作 用 范 圍 不 斷 向 下 擴 大 結(jié) 合 圖 1 1 圖 1 4 和 表 2 可 知 太 陽 輻 射 的 熱 作 用 范 圍 主 要 在 地 表 以 下 3 0 c m 以 內(nèi) 循 環(huán) 熱 水 不 斷 向 土 壤 傳 遞 熱 量 在 埋 管 周 圍 土 壤 形 成 圓 形 溫 度 梯 度 隨 著 蓄 熱 時 間 的 增 加 埋 管 間 的 熱 干 擾 作 用 使 得 圓 形 溫 度 梯 度 外 側(cè) 土 壤 溫 度 梯 度 出 現(xiàn) 橢 圓 形 分 布 在 系 統(tǒng) 運 行 6 h 后 土 壤 表 層 向 下 的 傳 熱 和 埋 管 向 上 的 傳 熱 明 顯 的 匯 集 起 來 共 同 提 升 埋 管 上 部 土 壤 溫 度 兩 者 的 熱 作 用 使 得 蓄 熱 區(qū) 上 方 土 壤 溫 度 梯 度 變 小 此 時 熱 量 蓄 積 在 距 埋 管 1 0 c m 的 范 圍 內(nèi) 圖 1 1 1 2 3 0 土 壤 溫 度 云 圖 F i g 1 1 S o i l t e m p e r a t u r e n e p h o g r a m a t 1 2 3 0 3 5 2 2 0 2 2 年 3 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 3 期 圖 1 2 1 3 3 0 土 壤 溫 度 云 圖 F i g 1 2 S o i l t e m p e r a t u r e n e p h o g r a m a t 1 3 3 0 圖 1 3 1 4 3 0 土 壤 溫 度 云 圖 F i g 1 3 S o i l t e m p e r a t u r e n e p h o g r a m a t 1 4 3 0 圖 1 4 1 5 3 0 土 壤 溫 度 云 圖 F i g 1 4 S o i l t e m p e r a t u r e n e p h o g r a m a t 1 5 3 0 圖 1 5 1 8 3 0 土 壤 溫 度 云 圖 F i g 1 5 S o i l t e m p e r a t u r e n e p h o g r a m a t 1 8 3 0 圖 1 6 2 0 3 0 土 壤 溫 度 云 圖 F i g 1 6 S o i l t e m p e r a t u r e n e p h o g r a m a t 2 0 3 0 與 恒 溫 水 蓄 熱 不 同 太 陽 能 土 壤 增 溫 系 統(tǒng) 在 實 際 運 行 過 程 中 水 溫 是 變 化 的 1 3 4 0 之 前 水 溫 由 1 9 一 直 上 升 到 4 0 1 3 4 0 至 系 統(tǒng) 運 行 結(jié) 束 水 溫 持 續(xù) 下 降 至 2 0 結(jié) 合 圖 1 1 圖 1 6 可 以 看 出 土 壤 蓄 熱 期 間 水 溫 變 化 對 埋 管 周 圍 土 壤 溫 度 場 的 影 響 當 水 溫 上 升 時 由 于 管 道 傳 熱 土 壤 高 溫 區(qū) 出 現(xiàn) 在 地 埋 管 周 圍 當 水 溫 下 降 時 埋 管 附 近 的 土 壤 溫 度 也 降 低 土 壤 中 熱 量 的 蓄 積 先 是 在 加 熱 管 周 圍 土 壤 形 成 高 溫 區(qū) 隨 著 熱 量 不 斷 向 上 傳 遞 土 壤 高 溫 區(qū) 也 向 上 方 移 動 蓄 熱 結(jié) 束 時 在 埋 管 周 圍 形 成 橢 圓 形 溫 度 梯 度 加 熱 管 蓄 積 的 熱 量 一 部 分 向 上 層 土 壤 傳 遞 另 一 部 分 熱 量 向 下 層 土 壤 傳 遞 系 統(tǒng) 蓄 熱 結(jié) 束 時 加 熱 管 下 方 5 0 c m 范 圍 內(nèi) 的 土 壤 溫 度 也 有 明 顯 的 提 升 蓄 熱 結(jié) 束 時 地 下 1 0 c m 土 壤 溫 度 溫 升 幅 度 最 大 為 1 6 8 5 地 下 1 5 4 0 c m 土 壤 溫 度 介 于 1 6 3 1 6 9 之 間 地 下 5 0 6 0 c m 土 壤 溫 度 約 為 1 7 7 4 5 2 2 0 2 2 年 3 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 3 期 圖 1 7 圖 1 9 表 明 蓄 熱 結(jié) 束 至 次 日 9 3 0 溫 室 土 壤 溫 度 變 化 情 況 土 壤 溫 度 梯 度 呈 水 平 線 分 布 夜 間 土 壤 為 溫 室 的 主 要 熱 源 下 層 土 壤 蓄 積 的 熱 量 不 斷 向 上 層 土 壤 傳 遞 隨 著 高 溫 區(qū) 散 熱 高 溫 區(qū) 面 積 逐 漸 減 少 因 受 低 溫 空 氣 影 響 表 層 土 壤 溫 度 不 斷 下 降 埋 管 下 方 土 壤 溫 度 梯 度 較 大 但 受 棚 內(nèi) 環(huán) 境 的 影 響 較 小 溫 度 變 化 緩 慢 蓄 熱 結(jié) 束 至 次 日 9 3 0 為 系 統(tǒng) 散 熱 階 段 溫 室 土 壤 溫 度 不 斷 下 降 地 下 1 0 c m 土 壤 溫 度 下 降 為 1 4 9 7 地 下 1 5 c m 土 壤 溫 度 下 降 為 1 5 3 地 下 3 0 c m 土 壤 溫 度 下 降 為 1 6 0 6 地 下 4 0 c m 土 壤 溫 度 下 降 為 1 6 2 7 地 下 5 0 c m 土 壤 溫 度 下 降 為 16 2 7 地 下 6 0 c m 土 壤 溫 度 下 降 為 1 6 1 圖 1 7 2 3 0 土 壤 溫 度 云 圖 F i g 1 7 S o i l t e m p e r a t u r e n e p h o g r a m a t 2 3 0 圖 1 8 5 3 0 土 壤 溫 度 云 圖 F i g 1 8 S o i l t e m p e r a t u r e n e p h o g r a m a t 5 3 0 圖 1 9 9 3 0 土 壤 溫 度 云 圖 F i g 1 9 S o i l t e m p e r a t u r e n e p h o g r a m a t 9 3 0 3 2 模 擬 與 試 驗 對 比 分 析 為 了 研 究 埋 管 上 方 土 壤 溫 度 的 變 化 情 況 和 土 壤 的 蓄 熱 效 果 并 與 試 驗 大 棚 所 布 置 土 壤 溫 度 測 點 的 數(shù) 值 進 行 對 比 在 仿 真 過 程 中 設(shè) 置 模 擬 監(jiān) 測 點 著 重 分 析 了 1 0 1 5 3 0 4 0 5 0 6 0 c m 深 度 處 的 土 壤 溫 度 分 布 情 況 不 同 深 度 土 壤 溫 度 實 測 數(shù) 據(jù) 與 模 擬 結(jié) 果 變 化 曲 線 如 圖 2 0 圖 2 3 所 示 由 圖 2 0 可 知 1 0 c m 深 處 土 壤 實 測 與 模 擬 溫 度 變 化 情 況 受 到 太 陽 輻 射 和 土 壤 上