寒冷地区日光温室水平地埋管蓄热效果研究.pdf

寒 冷 地 区 日 光 温 室 水 平 地 埋 管 蓄 热 效 果 研 究 于 涛 1 王 冬 菊 1 王 英 华 2 1 山 东 建 筑 大 学 热 能 工 程 学 院 济 南 2 5 0 1 0 1 2 山 东 省 农 业 科 学 院 济 南 2 5 0 1 0 0 摘 要 为 研 究 寒 冷 地 区 日 光 温 室 应 用 太 阳 能 土 壤 增 温 系 统 的 地 温 变 化 情 况 和 土 壤 蓄 热 效 果 利 用 I C E M 建 立 了 二 维 水 平 埋 管 土 壤 蓄 热 物 理 模 型 并 基 于 试 验 工 况 运 用 F L U E N T 对 典 型 日 水 平 埋 管 与 土 壤 的 非 稳 态 传 热 进 行 了 数 值 模 拟 结 合 试 验 数 据 和 数 值 模 拟 进 行 分 析 结 果 表 明 白 天 土 壤 蓄 积 的 热 量 可 以 保 持 夜 间 至 次 日 系 统 运 行 前 的 土 壤 最 低 温 度 在 1 0 c m 深 处 为 1 3 0 9 1 5 c m 深 处 为 1 5 3 3 0 6 0 c m 深 处 在 1 6 以 上 可 避 免 因 土 壤 低 温 导 致 喜 温 蔬 菜 番 茄 生 长 受 到 抑 制 太 阳 能 土 壤 增 温 系 统 对 日 光 温 室 土 壤 具 有 一 定 的 加 热 效 果 在 其 适 用 范 围 内 应 进 行 推 广 应 用 关 键 词 水 平 地 埋 管 日 光 温 室 温 度 场 运 动 仿 真 数 值 模 拟 中 图 分 类 号 S 6 2 5 4 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 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 温 室 地 温 低 不 能 满 足 作 物 根 系 的 正 常 生 长 要 求 导 致 作 物 长 势 慢 产 量 低 进 而 影 响 农 民 的 种 植 效 益 为 保 证 寒 冷 冬 季 作 物 的 生 长 需 求 日 光 温 室 常 采 用 燃 煤 燃 油 电 能 等 作 为 热 源 通 过 燃 煤 炉 燃 油 炉 燃 气 炉 提 高 棚 内 空 气 温 度 继 而 给 浅 层 土 壤 升 温 或 者 通 过 地 下 热 交 换 系 统 直 接 对 温 室 土 壤 加 温 但 是 电 能 的 使 用 增 加 了 生 产 成 本 燃 煤 燃 油 等 常 规 能 源 的 使 用 则 存 在 能 耗 高 环 境 污 染 严 重 能 源 利 用 效 率 低 的 缺 点 1 因 此 研 究 低 成 本 低 能 耗 的 加 温 方 式 具 有 重 要 意 义 太 阳 能 是 一 种 分 布 广 泛 储 量 丰 富 的 可 再 生 能 源 利 用 太 阳 能 集 热 联 合 土 壤 蓄 热 提 高 温 室 地 温 可 以 增 大 作 物 产 量 增 加 农 民 收 入 提 高 农 民 幸 福 指 数 同 时 减 少 常 规 能 源 的 消 耗 实 现 能 源 的 低 碳 转 型 早 在 2 0 世 纪 8 0 年 代 国 内 外 研 究 学 者 就 开 始 对 利 用 太 阳 能 提 高 土 壤 温 度 进 行 了 研 究 山 本 雄 二 郎 2 等 最 早 介 绍 了 将 太 阳 能 集 热 器 产 生 的 热 水 通 入 埋 深 为 1 5 m 的 铜 管 中 进 行 长 期 蓄 热 的 温 室 加 温 方 式 李 秀 敏 3 等 在 哈 尔 滨 地 区 安 装 了 太 阳 能 温 室 供 热 系 统 实 现 了 利 用 太 阳 能 提 高 温 室 地 温 的 创 新 对 于 温 室 加 热 系 统 加 热 效 果 的 研 究 杨 波 4 等 设 计 了 收 稿 日 期 2 0 2 1 0 1 0 5 基 金 项 目 山 东 省 自 然 科 学 基 金 项 目 Z R 2 0 1 9 M E E 0 8 3 作 者 简 介 于 涛 1 9 7 8 女 山 东 龙 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 讯 作 者 王 冬 菊 1 9 9 4 女 山 东 菏 泽 人 硕 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 气 为 循 环 介 质 的 地 下 蓄 热 系 统 分 析 了 不 同 气 候 条 件 下 系 统 的 加 温 效 果 并 指 出 系 统 加 温 至 少 可 以 满 足 温 室 加 温 能 耗 的 3 5 7 戴 巧 利 5 等 利 用 太 阳 能 集 热 土 壤 蓄 热 系 统 对 塑 料 大 棚 进 行 加 温 发 现 系 统 具 有 较 高 的 蓄 热 性 能 方 慧 6 等 在 温 室 中 设 置 了 后 墙 太 阳 能 集 热 器 和 地 下 蓄 热 管 路 发 现 系 统 对 日 光 温 室 的 空 气 温 度 和 土 壤 温 度 都 有 一 定 的 提 升 宋 樱 7 设 计 了 加 装 储 能 罐 的 太 阳 能 地 温 加 热 系 统 试 验 研 究 表 明 冬 季 温 室 的 地 温 保 持 在 1 5 以 上 可 以 满 足 果 菜 生 产 对 地 温 的 生 长 需 求 对 于 地 下 蓄 热 系 统 埋 管 方 式 和 结 构 参 数 的 研 究 K u r pa s ka 8 等 对 比 分 析 了 埋 管 系 统 和 土 壤 表 面 加 热 管 系 统 的 影 响 因 素 和 加 热 效 率 结 果 表 明 当 土 壤 表 面 加 热 管 系 统 的 输 入 介 质 温 度 比 埋 管 系 统 平 均 高 3 时 土 壤 的 温 升 效 果 相 同 董 蓬 9 等 模 拟 分 析 了 地 埋 管 的 管 径 埋 深 及 管 间 距 对 土 壤 温 度 场 的 影 响 于 威 1 0 等 研 究 了 不 同 工 况 下 日 光 温 室 地 埋 热 水 管 道 对 土 壤 温 度 场 的 影 响 并 对 管 道 供 回 水 平 均 水 温 管 内 水 流 速 管 间 距 等 参 数 提 出 适 宜 的 范 围 在 多 数 模 拟 研 究 中 往 往 采 用 恒 温 水 蓄 热 而 太 阳 能 土 壤 增 温 系 统 在 实 际 运 行 中 换 热 介 质 的 温 度 是 不 断 变 化 的 为 了 研 究 太 阳 能 土 壤 增 温 系 统 的 加 温 效 果 课 题 组 在 济 南 市 搭 建 了 日 光 温 室 进 行 试 验 测 试 基 于 试 验 工 况 利 用 F l ue nt 中 用 户 自 定 义 函 数 U D F U s e r D e f i n e d F unc t i o n 的 功 能 进 行 了 变 热 流 土 壤 蓄 热 的 数 值 模 拟 并 结 合 数 值 模 拟 结 果 和 试 验 测 试 数 据 分 析 了 温 室 土 壤 温 度 场 的 变 化 情 况 以 期 为 寒 冷 地 区 日 光 温 室 加 温 方 式 的 选 用 提 供 参 考 8 4 2 2 0 2 2 年 3 月 农 机 化 研 究 第 3 期 1 试 验 温 室 概 况 1 1 日 光 温 室 结 构 试 验 温 室 位 于 山 东 省 济 南 市 1 1 7 E 3 6 7 N 热 工 分 区 属 于 寒 冷 地 区 济 南 地 区 标 准 年 的 总 日 照 时 数 可 达 4 2 5 2 h 太 阳 总 辐 射 强 度 的 平 均 值 约 为 3 3 0 W m 2 年 总 辐 射 强 度 约 为 1 4 M W m 2 在 国 家 太 阳 能 资 源 分 区 评 估 中 属 于 第 类 地 区 具 有 较 丰 富 的 太 阳 能 资 源 1 1 1 2 该 日 光 温 室 坐 北 朝 南 东 西 长 7 0 m 南 北 跨 度 1 1 m 脊 高 5 m 后 墙 高 5 m 后 墙 体 外 墙 为 3 7 0 m m 砖 墙 内 墙 为 1 2 0 m m 砖 墙 后 墙 中 部 为 5 0 m m 沉 降 缝 中 间 填 充 5 0 m m 聚 苯 板 南 面 墙 体 为 2 4 0 m m 钢 筋 圈 梁 东 西 面 墙 体 做 法 与 后 墙 相 同 按 照 拱 架 的 尺 寸 砌 筑 温 室 结 构 如 图 1 所 示 图 1 日 光 温 室 东 侧 面 结 构 详 图 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 阳 能 土 壤 增 温 系 统 1 2 1 系 统 构 造 试 验 温 室 采 用 太 阳 能 土 壤 增 温 系 统 进 行 加 温 太 阳 能 土 壤 增 温 系 统 主 要 由 太 阳 能 集 热 器 集 水 器 分 水 器 水 平 地 埋 管 循 环 水 泵 储 热 水 箱 智 能 控 制 柜 和 连 接 管 路 组 成 如 图 2 所 示 1 太 阳 能 集 热 器 2 水 平 地 埋 管 3 集 水 器 4 分 水 器 5 循 环 水 泵 6 智 能 控 制 柜 7 储 热 水 箱 8 连 接 管 路 图 2 太 阳 能 土 壤 增 温 系 统 示 意 图 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 统 共 设 置 4 5 块 平 板 太 阳 能 集 热 器 总 有 效 集 热 面 积 为 8 3 7 m 2 集 热 器 倾 角 为 2 8 如 图 3 所 示 太 阳 能 集 热 器 由 支 架 固 定 于 棚 内 靠 近 后 墙 的 位 置 支 架 下 端 由 膨 胀 螺 栓 固 定 在 基 础 地 梁 上 支 架 后 端 固 定 在 后 墙 上 这 种 内 置 式 安 装 的 方 式 安 全 稳 固 性 高 易 于 清 洗 不 占 用 种 植 面 积 既 可 避 免 置 于 室 外 温 室 顶 部 对 相 邻 温 室 采 光 的 遮 挡 又 减 少 了 室 外 风 速 对 集 热 器 集 热 效 果 的 影 响 同 时 还 可 防 止 因 室 外 温 度 过 低 导 致 系 统 连 接 管 路 被 冻 损 系 统 配 置 5 m 3 塑 料 储 热 水 箱 水 箱 埋 于 温 室 土 壤 中 利 用 土 壤 蓄 热 能 力 保 温 地 埋 管 采 用 管 径 为 2 5 m m 的 P E R T 管 埋 深 为 7 0 c m 采 用 水 平 直 管 方 式 敷 设 如 图 4 所 示 试 验 温 室 中 太 阳 能 土 壤 增 温 系 统 设 置 的 设 备 参 数 如 表 1 所 示 1 太 阳 能 集 热 器 2 支 架 3 基 础 地 梁 4 膨 胀 螺 栓 5 水 平 地 埋 管 图 3 太 阳 能 集 热 器 安 装 示 意 图 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 农 机 化 研 究 第 3 期 图 4 水 平 埋 管 敷 设 图 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 设 备 参 数 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 称 参 数 名 称 参 数 值 太 阳 能 集 热 器 集 热 器 类 型 平 板 型 太 阳 能 集 热 器 单 板 集 热 面 积 m 2 1 8 6 集 热 器 数 量 个 4 5 集 热 器 倾 角 2 8 水 平 地 埋 管 管 外 径 m 0 0 2 5 厚 度 m 0 0 0 2 5 单 根 管 道 长 度 m 6 5 埋 深 m 0 0 7 数 量 根 4 2 材 质 P E R T 储 热 水 箱 容 积 m 3 5 循 环 水 泵 额 定 流 量 m 3 h 1 1 6 8 额 定 功 率 k W 0 5 智 能 控 制 柜 通 过 判 断 集 热 器 水 温 与 地 下 15 c m 土 壤 温 度 的 温 差 控 制 系 统 启 停 当 两 者 温 差 7 时 循 环 水 泵 开 启 热 水 通 过 水 平 地 埋 管 在 温 室 土 壤 中 循 环 流 动 进 行 蓄 热 当 两 者 温 差 3 时 循 环 水 泵 关 闭 蓄 热 结 束 1 2 2 试 验 方 案 为 监 测 集 热 器 水 温 棚 内 温 湿 度 环 境 及 不 同 深 度 处 土 壤 温 度 在 如 图 2 所 示 的 位 置 布 置 测 点 测 点 位 置 为 温 度 传 感 器 用 于 测 试 集 热 器 水 温 测 点 位 置 为 土 壤 温 度 传 感 器 用 于 测 试 地 下 1 5 c m 土 壤 温 度 测 点 位 置 为 土 壤 温 度 传 感 器 用 于 测 试 地 下 3 0 c m 土 壤 温 度 测 点 位 置 地 面 以 上 1 2 m 处 为 室 内 环 境 监 测 站 三 要 素 传 感 器 N X T A b 用 于 测 试 棚 内 光 照 空 气 温 度 和 湿 度 测 点 位 置 地 表 处 为 土 壤 水 分 温 度 传 感 器 用 于 测 试 地 下 1 0 c m 土 壤 温 度 和 湿 度 土 壤 水 分 温 度 传 感 器 技 术 规 格 为 电 源 5 2 4 V 湿 度 量 程 为 0 1 0 0 温 度 量 程 为 4 0 8 0 输 出 电 压 为 0 2 V 试 验 测 试 时 间 为 2 0 1 9 年 9 月 2 5 日 2 0 2 0 年 3 月 8 日 试 验 期 间 温 室 种 植 喜 温 蔬 菜 番 茄 番 茄 的 根 系 主 要 分 布 在 3 0 c m 的 耕 作 层 内 当 地 温 低 于 8 或 高 于 3 5 时 根 的 生 长 会 受 到 影 响 当 1 0 c m 深 处 土 壤 的 温 度 低 于 1 0 时 作 物 的 生 长 将 会 停 止 严 重 时 会 造 成 植 株 死 亡 1 3 1 4 为 了 对 比 试 验 数 据 与 模 拟 结 果 选 取 济 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 为 典 型 日 当 日 天 气 多 云 转 晴 最 高 气 温 5 最 低 气 温 6 系 统 的 运 行 时 间 为 2 0 2 0 年 1 月 3 0 日 9 3 0 1 8 3 0 2 模 型 建 立 为 了 解 太 阳 能 土 壤 增 温 系 统 对 日 光 温 室 土 壤 加 热 效 果 利 用 A N SY S 前 处 理 软 件 I C E M 建 立 二 维 几 何 模 型 在 试 验 工 况 下 利 用 F L U E N T 对 温 室 土 壤 非 稳 态 温 度 场 进 行 传 热 模 拟 获 取 土 壤 温 度 场 变 化 情 况 由 于 系 统 运 行 时 循 环 热 水 的 温 度 随 太 阳 辐 射 强 度 的 强 弱 不 断 发 生 变 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 义 边 界 条 件 实 现 太 阳 能 变 热 流 工 况 下 的 土 壤 传 热 模 拟 2 1 物 理 模 型 与 网 格 划 分 取 非 边 缘 地 带 换 热 管 为 计 算 单 元 物 理 模 型 为 1 2 0 0 m m 1 4 0 0 m m 的 长 方 形 区 域 A B C D 水 平 地 埋 管 管 径 为 2 5 m m 管 间 距 为 2 0 0 m m 埋 深 为 7 0 0 m m 位 于 模 型 中 央 位 置 如 图 5 所 示 考 虑 到 换 热 管 之 间 存 在 热 干 扰 情 况 取 相 邻 6 根 埋 管 进 行 模 拟 模 型 采 用 三 角 形 网 格 单 元 非 结 构 网 格 由 于 水 温 不 断 变 化 换 热 管 壁 面 周 围 土 壤 换 热 较 强 烈 因 此 对 换 热 管 周 围 土 壤 进 行 网 格 加 密 处 理 在 确 定 网 格 数 量 时 兼 顾 计 算 精 度 和 计 算 时 间 为 了 确 保 计 算 结 果 的 精 度 不 受 计 算 网 格 数 量 的 影 响 对 网 格 的 无 关 性 进 行 了 验 证 最 终 确 定 0 5 2 2 0 2 2 年 3 月 农 机 化 研 究 第 3 期 的 网 格 划 分 如 图 6 所 示 图 5 几 何 模 型 图 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 图 6 网 格 划 分 图 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 数 学 模 型 2 2 1 控 制 方 程 为 简 化 问 题 对 模 型 做 如 下 假 设 1 假 设 土 壤 的 热 物 理 性 质 为 各 向 同 性 各 物 理 参 数 为 常 数 2 假 设 管 道 热 水 传 热 过 程 忽 略 沿 管 长 方 向 的 传 热 将 土 壤 温 度 场 简 化 为 二 维 不 稳 定 固 体 导 热 模 型 3 深 层 土 壤 温 度 波 动 较 小 将 一 定 深 度 土 壤 温 度 假 设 为 恒 定 值 4 忽 略 由 于 土 壤 中 水 分 迁 移 而 引 起 的 热 迁 移 5 忽 略 土 壤 和 埋 管 间 的 接 触 热 阻 基 于 上 述 假 设 地 埋 管 与 周 围 土 壤 的 导 热 控 制 方 程 可 描 述 为 T t s c s T 2 x 2 T 2 y 2 1 式 中 土 壤 的 热 传 导 系 数 W m K s 土 壤 的 密 度 kg m 3 c s 土 壤 的 定 压 比 热 容 J kg K T 土 壤 温 度 t 时 间 s 2 2 2 边 界 条 件 1 土 壤 表 面 A B 边 界 土 壤 表 面 传 热 考 虑 太 阳 辐 射 换 热 和 自 然 对 流 换 热 将 A B 边 界 设 为 带 内 热 源 的 第 三 类 边 界 条 件 土 壤 表 面 能 量 交 换 热 平 衡 方 程 为 t y a s S s h c t p t s 2 式 中 a s 地 面 对 太 阳 辐 射 的 吸 收 率 S s 投 射 到 地 面 的 太 阳 辐 射 W m 2 h c 土 壤 表 面 与 温 室 空 气 的 对 流 换 热 系 数 W m 2 K t p 土 壤 表 面 平 均 温 度 t s 棚 内 温 度 考 虑 土 壤 表 面 获 得 的 太 阳 辐 射 热 量 假 设 表 层 厚 度 5 m m 土 壤 具 有 随 时 间 变 化 的 内 热 源 并 将 该 热 源 编 写 成 瞬 态 P r o f i l e 文 件 在 模 拟 时 载 入 边 界 条 件 利 用 室 内 环 境 监 测 站 采 集 棚 内 的 光 照 度 根 据 式 3 将 其 换 算 为 太 阳 辐 射 度 1 5 取 计 算 太 阳 辐 射 度 的 3 0 为 土 壤 表 面 显 热 热 源 得 到 土 壤 表 面 各 时 刻 热 源 如 表 2 所 示 表 2 土 壤 表 面 各 时 刻 热 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 时 刻 光 照 l x 太 阳 辐 射 强 度 W m 2 土 壤 表 面 显 热 热 源 W m 2 时 刻 光 照 l x 太 阳 辐 射 强 度 W m 2 土 壤 表 面 显 热 热 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 农 机 化 研 究 第 3 期 续 表 2 时 刻 光 照 l x 太 阳 辐 射 强 度 W m 2 土 壤 表 面 显 热 热 源 W m 2 时 刻 光 照 l x 太 阳 辐 射 强 度 W m 2 土 壤 表 面 显 热 热 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 参 照 文 献 1 6 土 壤 表 面 与 空 气 对 流 传 热 系 数 在 日 间 取 为 4 W m 2 K 夜 间 取 为 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 实 现 对 流 换 热 系 数 在 日 间 与 夜 间 取 值 的 切 换 将 采 集 的 棚 内 空 气 温 度 拟 合 成 如 图 7 所 示 的 与 时 间 相 关 的 曲 线 并 利 用 D E F I N E P R O F I L E 宏 将 此 关 系 式 编 入 U D F 文 件 中 作 为 边 界 条 件 的 输 入 即 E 1 0 4 1 0 2 L 3 式 中 E 太 阳 辐 射 度 W m 2 L 光 照 度 l x 图 7 实 测 与 拟 合 空 气 温 度 曲 线 图 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 边 界 A D B C 加 热 管 均 匀 布 置 边 界 A D B C 为 温 度 场 的 对 称 轴 线 将 边 界 A D B C 假 设 为 绝 热 边 界 条 件 则 t n 0 4 3 地 埋 管 壁 边 界 E 流 体 在 地 埋 管 内 为 强 迫 对 流 换 热 将 换 热 管 管 壁 取 为 第 三 类 边 界 条 件 能 量 交 换 热 平 衡 方 程 为 p t n w t t w 5 式 中 p 地 埋 管 的 热 传 导 系 数 W m K w 管 内 对 流 换 热 系 数 W m 2 K t w 管 内 流 体 温 度 根 据 管 内 流 体 的 定 性 温 度 查 取 物 性 参 数 进 而 计 算 流 体 的 雷 诺 数 以 判 定 流 体 的 的 流 态 根 据 流 态 选 择 准 则 方 程 式 最 后 根 据 式 6 计 算 出 管 内 流 体 与 管 内 壁 的 对 流 换 热 系 数 为 w N u f f d 6 式 中 N u f 努 谢 尔 特 数 f 流 体 的 热 传 导 系 数 W m K d 加 热 管 内 径 m 将 实 际 流 体 温 度 流 体 与 管 壁 的 对 流 换 热 系 数 拟 合 成 如 图 8 和 图 9 所 示 的 与 时 间 相 关 的 曲 线 利 用 D E F I N E P R O F I L E 宏 将 其 关 系 式 编 入 U D F 文 件 中 并 载 入 F L U E N T 模 拟 边 界 条 件 模 拟 系 统 在 运 行 和 停 止 两 种 工 况 下 采 用 不 同 的 方 法 设 置 对 流 换 热 系 数 当 系 统 运 行 时 对 流 换 热 系 数 按 照 拟 合 关 系 式 设 置 当 运 行 停 止 时 将 流 体 与 管 壁 的 对 流 换 热 系 数 设 置 为 0 图 8 实 测 与 拟 合 流 体 温 度 曲 线 图 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 农 机 化 研 究 第 3 期 图 9 流 体 与 管 壁 对 流 换 热 系 数 拟 合 曲 线 图 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 层 边 界 C D 由 于 土 壤 具 有 很 强 的 蓄 热 能 力 地 下 1 4 m 处 温 度 波 动 很 小 因 此 将 底 层 边 界 取 为 第 一 类 边 界 条 件 即 T T e 7 式 中 T e 深 层 土 壤 恒 定 温 度 取 T e 1 2 5 初 始 条 件 与 物 性 参 数 试 验 测 得 初 始 时 刻 地 下 1 0 1 5 3 0 c m 深 处 的 土 壤 温 度 根 据 实 测 温 度 设 定 相 应 区 域 的 土 壤 温 度 考 虑 土 壤 的 蓄 热 性 埋 管 附 近 土 壤 初 始 温 度 的 设 定 高 于 其 他 区 域 的 温 度 底 层 土 壤 温 度 根 据 底 层 边 界 温 度 设 定 不 同 区 域 土 壤 初 始 温 度 如 图 1 0 所 示 土 壤 和 P E R T 加 热 管 的 物 性 参 数 1 7 1 8 如 表 3 所 示 图 1 0 土 壤 初 始 温 度 设 置 图 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 热 物 性 参 数 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 称 密 度 k g m 3 比 热 C p J k g K 1 导 热 系 数 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 数 值 模 拟 结 果 与 分 析 3 1 模 拟 结 果 分 析 为 了 更 直 观 地 显 示 土 壤 温 度 的 变 化 情 况 利 用 专 业 后 处 理 软 件 T e c pl o t 对 F L U E N T 模 拟 的 不 同 时 间 对 应 的 温 度 云 图 进 行 处 理 系 统 从 9 3 0 开 始 运 行 图 1 1 图 1 6 分 别 为 系 统 运 行 3 4 5 6 h 和 系 统 运 行 结 束 时 对 应 的 土 壤 温 度 云 图 由 此 可 见 系 统 蓄 热 期 间 的 土 壤 温 度 变 化 情 况 由 于 受 到 太 阳 辐 射 及 土 壤 上 方 空 气 温 度 升 高 的 影 响 土 壤 表 面 吸 收 热 量 并 不 断 向 下 传 递 热 作 用 范 围 不 断 向 下 扩 大 结 合 图 1 1 图 1 4 和 表 2 可 知 太 阳 辐 射 的 热 作 用 范 围 主 要 在 地 表 以 下 3 0 c m 以 内 循 环 热 水 不 断 向 土 壤 传 递 热 量 在 埋 管 周 围 土 壤 形 成 圆 形 温 度 梯 度 随 着 蓄 热 时 间 的 增 加 埋 管 间 的 热 干 扰 作 用 使 得 圆 形 温 度 梯 度 外 侧 土 壤 温 度 梯 度 出 现 椭 圆 形 分 布 在 系 统 运 行 6 h 后 土 壤 表 层 向 下 的 传 热 和 埋 管 向 上 的 传 热 明 显 的 汇 集 起 来 共 同 提 升 埋 管 上 部 土 壤 温 度 两 者 的 热 作 用 使 得 蓄 热 区 上 方 土 壤 温 度 梯 度 变 小 此 时 热 量 蓄 积 在 距 埋 管 1 0 c m 的 范 围 内 图 1 1 1 2 3 0 土 壤 温 度 云 图 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 农 机 化 研 究 第 3 期 图 1 2 1 3 3 0 土 壤 温 度 云 图 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 图 1 3 1 4 3 0 土 壤 温 度 云 图 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 图 1 4 1 5 3 0 土 壤 温 度 云 图 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 图 1 5 1 8 3 0 土 壤 温 度 云 图 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 图 1 6 2 0 3 0 土 壤 温 度 云 图 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 与 恒 温 水 蓄 热 不 同 太 阳 能 土 壤 增 温 系 统 在 实 际 运 行 过 程 中 水 温 是 变 化 的 1 3 4 0 之 前 水 温 由 1 9 一 直 上 升 到 4 0 1 3 4 0 至 系 统 运 行 结 束 水 温 持 续 下 降 至 2 0 结 合 图 1 1 图 1 6 可 以 看 出 土 壤 蓄 热 期 间 水 温 变 化 对 埋 管 周 围 土 壤 温 度 场 的 影 响 当 水 温 上 升 时 由 于 管 道 传 热 土 壤 高 温 区 出 现 在 地 埋 管 周 围 当 水 温 下 降 时 埋 管 附 近 的 土 壤 温 度 也 降 低 土 壤 中 热 量 的 蓄 积 先 是 在 加 热 管 周 围 土 壤 形 成 高 温 区 随 着 热 量 不 断 向 上 传 递 土 壤 高 温 区 也 向 上 方 移 动 蓄 热 结 束 时 在 埋 管 周 围 形 成 椭 圆 形 温 度 梯 度 加 热 管 蓄 积 的 热 量 一 部 分 向 上 层 土 壤 传 递 另 一 部 分 热 量 向 下 层 土 壤 传 递 系 统 蓄 热 结 束 时 加 热 管 下 方 5 0 c m 范 围 内 的 土 壤 温 度 也 有 明 显 的 提 升 蓄 热 结 束 时 地 下 1 0 c m 土 壤 温 度 温 升 幅 度 最 大 为 1 6 8 5 地 下 1 5 4 0 c m 土 壤 温 度 介 于 1 6 3 1 6 9 之 间 地 下 5 0 6 0 c m 土 壤 温 度 约 为 1 7 7 4 5 2 2 0 2 2 年 3 月 农 机 化 研 究 第 3 期 图 1 7 图 1 9 表 明 蓄 热 结 束 至 次 日 9 3 0 温 室 土 壤 温 度 变 化 情 况 土 壤 温 度 梯 度 呈 水 平 线 分 布 夜 间 土 壤 为 温 室 的 主 要 热 源 下 层 土 壤 蓄 积 的 热 量 不 断 向 上 层 土 壤 传 递 随 着 高 温 区 散 热 高 温 区 面 积 逐 渐 减 少 因 受 低 温 空 气 影 响 表 层 土 壤 温 度 不 断 下 降 埋 管 下 方 土 壤 温 度 梯 度 较 大 但 受 棚 内 环 境 的 影 响 较 小 温 度 变 化 缓 慢 蓄 热 结 束 至 次 日 9 3 0 为 系 统 散 热 阶 段 温 室 土 壤 温 度 不 断 下 降 地 下 1 0 c m 土 壤 温 度 下 降 为 1 4 9 7 地 下 1 5 c m 土 壤 温 度 下 降 为 1 5 3 地 下 3 0 c m 土 壤 温 度 下 降 为 1 6 0 6 地 下 4 0 c m 土 壤 温 度 下 降 为 1 6 2 7 地 下 5 0 c m 土 壤 温 度 下 降 为 16 2 7 地 下 6 0 c m 土 壤 温 度 下 降 为 1 6 1 图 1 7 2 3 0 土 壤 温 度 云 图 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 图 1 8 5 3 0 土 壤 温 度 云 图 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 图 1 9 9 3 0 土 壤 温 度 云 图 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 拟 与 试 验 对 比 分 析 为 了 研 究 埋 管 上 方 土 壤 温 度 的 变 化 情 况 和 土 壤 的 蓄 热 效 果 并 与 试 验 大 棚 所 布 置 土 壤 温 度 测 点 的 数 值 进 行 对 比 在 仿 真 过 程 中 设 置 模 拟 监 测 点 着 重 分 析 了 1 0 1 5 3 0 4 0 5 0 6 0 c m 深 度 处 的 土 壤 温 度 分 布 情 况 不 同 深 度 土 壤 温 度 实 测 数 据 与 模 拟 结 果 变 化 曲 线 如 图 2 0 图 2 3 所 示 由 图 2 0 可 知 1 0 c m 深 处 土 壤 实 测 与 模 拟 温 度 变 化 情 况 受 到 太 阳 辐 射 和 土 壤 上