第 34 卷 第 4 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 報 Vol.34 No.4 232 2018 年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2018 不同材質(zhì)傳熱風道性能及蓄熱土壤溫度場 CFD 模擬鮑恩財1，張 勇1，曹晏飛1，王 昭2，張 欣3， 曹 凱1，楊俊偉1，鄒志榮1（ 1. 西北農(nóng)林科技大學園藝學院，農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝工程重點實驗室，楊凌 712100； 2. 北京三潤泰克國際農(nóng)業(yè)技術(shù)有限公司，北京 114011； 3. 華盛頓州立大學生物系統(tǒng)工程系，精細與自動化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究中心，普羅瑟 WA 99350） 摘 要： 風道在園藝設(shè)施中應(yīng)用較為廣泛，通常作為土壤及墻體熱量傳遞的載體。該文搭建了風道傳熱試驗臺，以聚氯乙烯管道 （ polyvinyl chloride pipe， PVC） 、 鍍鋅鐵皮管道 （ galvanized iron pipe， GI） 及鋼筋網(wǎng)外纏繞土工布管道 （ steel mesh skeleton-geotextile composite pipe， SFG） 3 種管材作為傳熱風道，以土壤為蓄熱體進行試驗，結(jié)合計算流體力學（ computational fluid dynamics， CFD）對蓄熱土壤溫度場進行分析。結(jié)果表明， SFG 的傳熱效果最好，測試期間的換熱量達到 299.44 kJ， 約是 GI 的 4 倍、 PVC 的 3 倍； SFG 進、 出口上、 下、 左、 右 4 個方向的有效蓄熱范圍均遠大于 240 mm，PVC 與 GI 的有效蓄熱范圍相似；通過 CFD 所建立的 3 個傳熱風道計算模型的最大相對誤差為 4.4%，模擬發(fā)現(xiàn)蓄熱土壤截面溫度從進風口到出風口具有一定的“坡降” 。因此， SFG 的傳熱效果明顯優(yōu)于 PVC 與 GI，具有較高的應(yīng)用潛力和一定的推廣價值。 關(guān)鍵詞： 土壤；流體力學；傳熱；傳熱風道；傳熱性能；蓄熱范圍； CFD doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.028 中圖分類號： S625.3 文獻標志碼： A 文章編號： 1002-6819(2018)-04-0232-07 鮑恩財，張 勇，曹晏飛，王 昭，張 欣，曹 凱，楊俊偉，鄒志榮. 不同材質(zhì)傳熱風道性能及蓄熱土壤溫度場 CFD模擬J. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(4)：232238. doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.028 http:/www.tcsae.org Bao Encai, Zhang Yong, Cao Yanfei, Wang Zhao, Zhang Xin, Cao Kai, Yang Junwei, Zou Zhirong. Performance of different material heat transfer pipes and CFD simulation of thermal storage soil temperature distributionJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 232 238. (in Chinese with English abstract) doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.028 http:/www.tcsae.org 0 引 言設(shè)施園藝是利用特定的保護設(shè)施與配套設(shè)備，人為地創(chuàng)造適于作物生育的環(huán)境空間，有計劃地進行園藝產(chǎn)品的安全、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)生產(chǎn)的一種綜合農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，其中的設(shè)施主要包括中小拱棚、塑料大棚、連棟溫室、日光溫室 4 大類1-2。為了維持園藝設(shè)施在冬季正常使用而又不耗費大量能源，國內(nèi)外學者做了大量的研究，主要方式有主動采光3、相變材料蓄熱4-5、太陽能集熱6-7、 空氣源熱泵8-9、 地源熱泵10-11、 水循環(huán)集放熱12、后墻主動蓄熱13、地下熱交換14-15等。 傳熱風道在園藝設(shè)施的土壤及墻體中均有應(yīng)用。上世紀 80 年代，馬承偉16-17在塑料大棚上應(yīng)用地下熱交換系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可有效地貯存太陽能并用于夜間加溫，能使塑料大棚在不用燃料加溫的情況下在夜間維收稿日期： 2017-09-25 修訂日期： 2018-01-11 基金項目：國家“ 863”計劃項目（ 2013AA102407） ；中國博士后基金項目特別資助（ 2015T81053） ；博士后科學基金（ 2014M562458） ；主動采光蓄熱溫室、超大跨度塑料大棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化與智能化環(huán)境調(diào)控裝備研制（ 2016BZ0901） ； 設(shè)施農(nóng)業(yè)采光蓄熱技術(shù)提升研究與示范 （ 2016KTCL02-02） 作者簡介：鮑恩財，男，安徽合肥人，博士生，主要從事設(shè)施園藝工程方面的研究。 Email： baoencai1990163.com 通信作者：鄒志榮，男，陜西延安人，教授，博士，博士生導師，主要從事設(shè)施園藝方面的研究。 Email:zouzhirong2005163.com 持 10 左右的棚內(nèi)外氣溫差。孫忠富18研究了地 氣熱交換系統(tǒng)的熱性能，結(jié)果表明，地 氣熱交換系統(tǒng)可使塑料大棚在夜間升溫 2.0 4.4 ，在白天降溫 2.56.5 。袁巧霞19-20設(shè)計了一種半被動式塑料大棚地下熱交換系統(tǒng)，試驗表明，該系統(tǒng)可在夜間維持 8 9 的棚內(nèi)外氣溫差，同時棚內(nèi)地溫可提高 10 左右，并分析了該系統(tǒng)在中國的適宜范圍、適合的蔬菜品種及主要參數(shù)的選擇。在此基礎(chǔ)上，袁巧霞21將波紋塑料管和陶土管作為地下熱交換系統(tǒng)的管道材料，通過試驗及理論分析比較得出，波紋塑料管的換熱性能和析濕特性優(yōu)于陶土管，且使用成本較低。吳德讓等22-23運用傳熱學的基本理論，建立了日光溫室地下熱交換系統(tǒng)土壤溫度場的數(shù)學模型，同時通過對比試驗研究了日光溫室采用地下熱交換系統(tǒng)在冬季生產(chǎn)喜溫蔬菜的可行性和實用性。孫周平等24在彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室地下 0.5 m 設(shè)計安裝了空氣 地中熱交換系統(tǒng)進行蓄熱，經(jīng)過整個冬季的測試發(fā)現(xiàn)，空氣 地中熱交換系統(tǒng)與水循環(huán)蓄熱系統(tǒng)結(jié)合使用可代替?zhèn)鹘y(tǒng)土墻的蓄熱能力，進而確保日光溫室冬季的溫熱環(huán)境。張勇等13提出了一種能夠?qū)滋旄挥嗄芰窟M行有效存儲的主動蓄熱后墻日光溫室，與傳統(tǒng) 9 m 跨的被動蓄熱日光溫室進行了對比分析，結(jié)果表明，主動蓄熱后墻日光溫室的氣溫有了較明顯提高。 計算流體力學（ computational fluid dynamics， CFD）第 4 期 鮑恩財?shù)龋翰煌馁|(zhì)傳熱風道性能及蓄熱土壤溫度場 CFD 模擬 233 在管道傳熱25-27及溫室模擬28-29方面均有應(yīng)用。 如 Bansal等30為減少冬季建筑物的熱負荷，基于 CFD 建立了土壤管道 空氣換熱系統(tǒng)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài) 2 種模型，從管道材料和空氣流速角度分別研究了該系統(tǒng)的熱性能，結(jié)合試驗發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)的空氣流速對系統(tǒng)的影響較大，但不受管道材料的影響，這與袁巧霞21的測試結(jié)果并不一致，可能是因為管道本身是否密閉（如陶土管具有一定的透氣、透濕性）、管道的表面結(jié)構(gòu)（如波紋管與直管）不同而導致的研究結(jié)果的不同； Zhang 等31建立了中國西北地區(qū)的日光溫室模型，利用 CFD 模擬分析了不同厚度后墻日光溫室對室內(nèi)空氣溫度分布的影響。 綜上，將傳熱風道應(yīng)用于園藝設(shè)施的土壤及墻體中進行空氣熱交換操作簡便、效果明顯，但對傳熱風道周身是否密閉的傳熱效果研究未見報道，本文采用周身密閉型風道和透氣型風道進行對比研究，其中透氣型風道采用鋼筋網(wǎng)管道作為風道的骨架，起支撐作用，以土工布單層纏繞鋼筋網(wǎng)管道作為傳熱面，搭接重疊 100 mm；根據(jù)園藝設(shè)施實際使用的工況，設(shè)計了一種可測試不同材質(zhì)風道傳熱性能的試驗臺，將測試結(jié)果與 CFD 模擬結(jié)果對比分析不同材質(zhì)風道傳熱性能，并對蓄熱土壤溫度場進行模擬分析，從風道材質(zhì)角度提出進一步改進園藝設(shè)施換熱系統(tǒng)的方法。 1 材料與方法 1.1 風道傳熱試驗臺 風道傳熱試驗臺主要由制熱箱體、輸送管道及試驗箱體 3 部分組成，如圖 1 所示。制熱箱體由混凝土養(yǎng)護箱改造而成，配套壓縮機及電源控制柜，箱體上有控制面板，可設(shè)置箱體內(nèi)的溫濕度；輸送管道包括進風管道及出風管道，分別安裝在箱體門的上下部位，輸送管道外部做絕熱處理，進風管道的熱風進口處安裝有風機；試驗箱體內(nèi)部填充蓄熱體，中部埋置傳熱風道；輸送管道與傳熱風道連接處可拆卸，用于連接不同材質(zhì)的傳熱風道。 1.控制面板 2.制熱箱體 3.進風管道 4.蓄熱土壤 5.傳熱風道 6.出風管道 7.門把手 8.風機 9.滾輪 10.壓縮機 11.電源控制柜 1.Control panel 2.Heating cabinet 3.Air inlet pipe 4. Thermal storage soil 5.Heat transfer pipe 6.Air outlet pipe 7.Doorknob 8.Fan 9.Roller 10.Compressor 11.Power control pod 圖 1 試驗臺示意圖 Fig.1 Schematic diagram of test stand 輸送管道采用鋁箔管道外裹絕熱棉氈；蓄熱體為人工夯實的土壤，取自西北農(nóng)林科技大學園藝學院試驗基地（ 3415N， 10803E）地表下 1 3 m 處，為使 3 個試驗臺的蓄熱土壤的條件一致，在同尺寸的試驗臺內(nèi)填實同等質(zhì)量的土壤，壓實后測試得到蓄熱土壤含水率13.9%、壓實度 90.3%； 3 種傳熱風道材質(zhì)分別為聚氯乙烯管道（ polyvinyl chloride pipe， PVC）、鍍鋅鐵皮管道（ galvanized iron pipe， GI）及鋼筋網(wǎng)外纏繞土工布管道（ steel mesh skeleton-geotextile composite pipe， SFG），輸送管道及傳熱風道直徑均為 200 mm。課題組前期研究表明后墻主動蓄熱循環(huán)系統(tǒng)中混凝土預(yù)制板傳熱風道上下表面各 200 mm 的高度范圍內(nèi)均屬于蓄熱體32， 為保證傳熱風道四周的蓄熱體厚度不少于 200 mm，本試驗臺設(shè)計試驗箱體的端面尺寸為 800 mm800 mm，試驗箱體長2 m。在箱體四周采用 120 mm 厚彩鋼板外貼隔熱，試驗過程中所有縫隙處采用聚氨酯泡沫填縫劑填充。傳熱風道及土壤的性能參數(shù)如表 1 所示（部分參數(shù)來源于 GB 50176-2016民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范）。 表 1 傳熱風道及土壤的性能參數(shù) Table 1 Performance parameters of heat transfer pipe and soil 材料Materials導熱系數(shù) Thermal conductivity/(Wm-1K-1) 比熱 Specific heat/ (Jkg-1K-1) 密度 Density/ (gcm-3) 壁厚Thickness/mm PVC 0.16 1 004.9 1.42 3.2 GI 17 500 6.95 2SFG 0.26 1 674 0.15 3.6 土壤 Soil 1.65 1 200 1.82 - 注： PVC 表示聚氯乙烯管道； GI 表示鍍鋅鐵皮管道； SFG 表示鋼筋網(wǎng)外纏繞土工布管道，下同。 Note: PVC means polyvinyl chloride pipe, GI means galvanized iron pipe, SFG means steel mesh skeleton-geotextile composite pipe, the same below. 1.2 試驗臺測試 傳熱風道進、出口的空氣溫濕度由 PDE-KI 環(huán)境數(shù)據(jù)記錄儀（哈爾濱物格電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)，溫度測量范圍： 30 70 ，準確度 0.5 ，分辨率 0.1 ；濕度測量范圍： 0 99%，準確度 3%，分辨率 1%）采集，分別位于風道進、 出口幾何中心。 端面蓄熱土壤溫度由 PDE-R4溫度數(shù)據(jù)記錄儀（哈爾濱物格電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)，溫度測量范圍 30 70 ，準確度 0.5 ，分辨率 0.1 ）采集。在傳熱風道的上、下、左、右 4 個方向各布置 5 個測點，測點間距 60 mm，布點情況如圖 2 所示 .。所有測點記錄數(shù)據(jù)的時間間隔均為 5 min。 進、 出口的風速由 testo425風速儀（德國 testo 公司生產(chǎn)，風速測量范圍 0 20 m/s，精度（ 0.03 m/s+5%測量值），分辨率 0.01 m/s）采集。 注： A 表示在管道上部； B 表示在管道下部； L 表示在管道左側(cè)； R 表示在管道右側(cè)，下同。 Note: A means test points above the pipe, B means test points below the pipe, L means test points left the pipe, R means test points right the pipe, the same below. 圖 2 試驗臺測點分布圖 Fig.2 Distribution of test points in test stand 農(nóng)業(yè)工程學報（ http:/www.tcsae.org） 2018 年 2341.3 數(shù)據(jù)處理 本文試驗數(shù)據(jù)采用 Excel 2007 進行平均值和標準誤的求解及表格的制作，用 SPSS20.0 進行顯著性測試。 2 試驗臺測試結(jié)果與分析 2.1 風道傳熱量計算 對 3 種傳熱風道分別進行測試，均連續(xù)通風 4 h，各風道的進、出口溫濕度如表 2 所示。由表 2 可知，進口的溫濕度沒有差異，出口的溫濕度均存在顯著差異（ PGI SFG，說明 SFG 的傳熱效果最好，對應(yīng)土壤的蓄熱量最多，表 3 的計算結(jié)果也說明了這點。本文的試驗結(jié)果與SFG 中土工布具有透氣、透濕性有關(guān)；出口濕度表現(xiàn)為GIPVCSFG，這是因為 SFG 中的土工布具有透氣、透濕性使得土壤吸收了空氣熱量的同時也吸收了濕度，但SFG 的透氣率、透濕率與傳熱量、吸濕量的關(guān)系尚缺少研究。 2） 土工布的使用壽命在 80 a 以內(nèi)39， 在建筑、 水利、鐵路、公路、港口、采礦、軍工等多個領(lǐng)域均有應(yīng)用40，因此在園藝設(shè)施的應(yīng)用基礎(chǔ)較好。且 3 種傳熱風道的市場價格為 GIPVCSFG，而傳熱效果為 SFGPVCGI，因此，采用 SFG 作為園藝設(shè)施傳熱風道具有明顯優(yōu)勢，下一步將在園藝設(shè)施內(nèi)開展實際使用效果的試驗研究。 3）本文建立的 CFD 模型可應(yīng)用于復(fù)雜工況下的傳熱模擬研究，如日光溫室主動蓄熱墻體13進風口不同風速對蓄熱性能的影響，且通過 CFD 對溫度場的分布計算出蓄熱體的有效蓄熱“體積”，對傳熱風道的合理布置具有實際應(yīng)用意義，這在后續(xù)研究中將通過模擬結(jié)合實測的方式加強分析。 5 結(jié) 論 通過試驗臺測試發(fā)現(xiàn)鋼筋網(wǎng)外纏繞土工布管道 （ steel mesh skeleton-geotextile composite pipe， SFG）的傳熱效果最好，本試驗條件下的換熱量達到 299.44 kJ，約是鍍鋅鐵皮管道（ galvanized iron pipe， GI）的 4 倍、聚氯乙烯管道（ polyvinyl chloride pipe， PVC）的 3 倍。 SFG 進、出口上、下、左、右 4 個方向的有效蓄熱范圍均遠大于240 mm； 進口上、 下、 左、 右高效蓄熱范圍均大于 240 mm，出口上、下、左、右高效蓄熱范圍分別為大于 240 mm、180 240 mm、 180 240 mm、 180 240 mm。而 PVC 的傳熱效果略優(yōu)于 GI，說明透氣型風道的傳熱效果明顯優(yōu)于密閉型風道。 通過 CFD 建立的 3 個傳熱風道計算模型的最大相對誤差為 4.4%，說明該模型可用于研究不同材質(zhì)風道傳熱性能及蓄熱土壤溫度場分布情況。通過對蓄熱土壤溫度場進行模擬，發(fā)現(xiàn)截面分布顯示從進風口到出風口具有一定的“坡降”。 因此，鋼筋網(wǎng)外纏繞土工布管道的傳熱效果明顯優(yōu)于聚氯乙烯管道及鍍鋅鐵皮管道，后兩者效果相似，鋼筋網(wǎng)外纏繞土工布管道具有較高的應(yīng)用潛力和一定的推廣價值。 參 考 文 獻 1 鄒志榮 . 園藝設(shè)施學 M. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社， 2002. 2 馬承偉，苗香雯 . 農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程 M. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社， 2005. 3 張勇，鄒志榮，李建明 . 傾轉(zhuǎn)屋面日光溫室的采光及蓄熱性能試驗 J. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2014， 30(1)： 129 137. 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(in Chinese with English abstract) 12 馬承偉，姜宜琛，程杰宇，等 . 日光溫室鋼管屋架管網(wǎng)水循環(huán)集放熱系統(tǒng)的性能分析與試驗 J. 農(nóng)業(yè)工程學報，2016， 32(21)： 209 216. Ma Chengwei, Jiang Yichen, Cheng Jieyu, et al. Analysis and 第 4 期 鮑恩財?shù)龋翰煌馁|(zhì)傳熱風道性能及蓄熱土壤溫度場 CFD 模擬 237 experiment of performance on water circulation system of steel pipe network formed by roof truss for heat collection and release in Chinese solar greenhouseJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(21): 209 216. (in Chinese with English abstract) 13 張勇，高文波，鄒志榮 . 日光溫室主動蓄熱后墻傳熱 CFD 模擬及性能試驗 J. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2015， 31(5)： 203 211. Zhang Yong, Gao Wenbo, Zou Zhirong. Performance experiment and CFD simulation of heat exchange in solar greenhouse with active thermal storage back-wallJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(5): 203211. (in Chinese with English abstract) 14 王永維，程紹明，姜雄暉 . 溫室地下蓄熱系統(tǒng)溫度的分布試驗 J. 農(nóng)業(yè)機械學報， 2006， 37(9)： 112 115. Wang Yongwei, Cheng Shaoming, Jiang Xionghui, et al. Study on the Heat Storing and Heating Performances of an Underground Heat Storage System in GreenhouseJ. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2006, 37(9): 112 115. (in Chinese with English abstract) 15 Santamouris M, Mihalakakou G, Balaras C A, et al. Energy conservation in greenhouses with buried pipesJ. Energy, 1996, 21(5): 353 360. 16 馬承偉 . 塑料大棚地下熱交換系統(tǒng)的試驗研究 J. 北京農(nóng)業(yè)機械化學院學報， 1984(4)： 69 78. Ma Chengwei. Experimental research on the underground heat exchange system used for the vinyl-houseJ. Journal of Beijing Agricultural Mechanization Institute, 1984(4): 6978. (in Chinese with English abstract) 17 馬承偉 . 塑料大棚地下熱交換系統(tǒng)的研究 J. 農(nóng)業(yè)工程學報， 1985， 1(1)： 54 65. Ma Chengwei. Studies on the vinyl-house heating by the underground heat exchange systemJ. 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