双层膜日光温室地埋管道加温对土壤温度的影响_郭梦杰.pdf

第 47 卷 第 1 期 2026 年 1 月 太 阳 能 学 报 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA Vol 47 No 1 Jan 2026 DOI 10 19912 j 0254 0096 tynxb 2024 1564 文 章 编 号 0254 0096 2026 01 0167 10 双 层 膜 日 光 温 室 地 埋 管 道 加 温 对 土 壤 温 度 的 影 响 郭 梦 杰 1 塔 娜 1 2 闫 彩 霞 1 2 甄 琦 1 2 赵 盛 吉 1 李 晓 凯 1 1 内蒙古农业大学机电工程学院 呼和浩特 010018 2 内蒙古农业大学能源与交通工程学院 呼和浩特 010018 摘 要 为了解不同配置参数下地埋管道在冬季日光温室中的加温效果 该文通过计算流体力学方法模拟不同进口温度 50 45 40 35 30 不同管径 16 20 25 32 40 mm 和不同流速 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 m s 时的土壤温度分布 结果表明 地埋管 道进口温度 40 管径 32 mm 时 能确保芹菜根系处于适宜的生长温度范围内 然而 进口流速的变化对土壤中同一位置处的 温度影响不显著 关 键 词 地下传热 土壤温度 计算流体力学 日光温室 参数优化 中 图 分 类 号 S625 4 文 献 标 志 码 A 0 引 言 日光温室是一种高效节能温室 1 2 然而 在内蒙古等北 方寒冷地区 夜间或阴天时温度下降较快 为保证作物的正 常生长环境 额外加温是必需的 温室供暖主要包括空气和土壤加热 以往研究更多关 注气温的提升 而忽略了对根区温度的研究 近年来 随着 温室环境控制技术的成熟 针对土壤增温的研究日益增多 于威等 3 设计一种太阳能土壤加温系统应用于温室中 该系 统能使地温提高 4 5 李静等 4 通过在日光温室中连续测 试土壤 空气换热器作用下的土壤温度 得到换热管周围土壤 温度随空气温度和流速变化的动态波动规律 张宝刚等 5 通过 试验验证了燃烧洞热水土壤加热系统能有效提高日光温室中 土壤的平均温度 5 6 于涛等 6 设计了太阳能主动供暖系 统 并研究了该系统在寒冷地区的实用性 邓改革等 7 研究了 复合重力热管在葡萄藤根系土壤温度的增温效果 结果表明 土壤平均温度提高 4 94 这些研究通过试验方法探讨了温 室土壤增温效果 但试验过程受限于特定条件和环境 难以全 面模拟复杂的温室动态过程及多变量间的交互影响 对此 众多学者利用计算流体力学方法 8 computational fluid dynamics CFD 对地埋管换热进行研究 鲍恩财等 9 模 拟传热风道对蓄热土壤温度场的影响并通过试验验证 闫婷 婷等 10 对温室中土壤 空气换热器周围土壤的热湿迁移规律 进行了模拟 高振军等 11 构建温室热风管道根区加温系统 模型 于威等 12 模拟不同条件下 地埋热水管的水温 水流 速度 埋深 管间距和管径 对土壤温度的影响 宋涛 13 模拟 研究了供水温度 管径 埋深和间距对土壤温度的影响 甄琦 等 14 模拟研究了传热水道在不同供水温度 不同埋管间距和 深度时的传热特性 郭智勇等 15 16 模拟分析了热湿迁移对土 壤温湿度和导热性能的影响 为优化管道与保温材料布局等 提供科学依据 现有研究已探讨了太阳能系统在不同地区 温室中的应用效果 以及地埋管道系统中不同参数对性能的 影响 但针对西北寒冷地区的实际应用研究和案例较少 因此 本文将深入分析太阳能系统中地埋管道在西北寒 冷地区的应用效果 并针对关键参数进行优化 以位于呼和 浩特地区的双层膜日光温室为研究对象 进行现场试验 并 建立土壤管道传热的三维数值模型 分析地埋管道系统的不 同进水温度 管径和入口流速对土壤温度场的影响 以期为 进一步优化和改进地埋管道系统的设计和应用提供依据 1 材 料 与 方 法 1 1 试 验 温 室 与 试 验 方 法 试验温室位于内蒙古自治区呼和浩特市土默特左旗内 蒙 古 农 业 大 学 海 流 图 科 技 园 区 东 经 111 22 30 北 纬 40 41 30 结构简图如图 1a 所示 温室坐北朝南 总长为 50 m 南北跨度为 8 5 m 后墙高度为 3 5 m 脊高为 4 75 m 温室中 间用塑料 薄 膜 隔 开 分 为 东 西 两 侧 西 侧 温 室 试 验 温 室 紧挨隔断间 且内部埋设地埋管道 东侧温室 对照温室 未埋设地埋管道 其余构造与西侧温室完全一致 温室在 07 30 08 30 之间打开内膜和棉被 充分吸收太阳光照 在 收 稿 日 期 2024 08 28 基 金 项 目 内蒙古自治区直属高校基本科研业务费 BR22 14 03 内蒙古自治区自然科学基金 2022M803040 2024QN03058 一流学科科 研专项 YLXKZX NND 009 通 信 作 者 塔 娜 1967 女 博士 教授 主要从事生物能源环境调控与设施系统 计算流体力学与模型模拟 设施环境系统传热传质 模型方面的研究 jdtana 168 太 阳 能 学 报 47 卷 16 30 17 00 之间关闭内膜 放下棉被 用于保温 传感器的使用 建大仁科 CO 2 温湿度一体变送器 485 型 用于采集温度 湿度和 CO 2 浓度 土壤温湿度变送器 485 型 用于采集土壤温度和湿度 RS485 外延圆形不锈钢探头 温度变送器 用于采集管道进回水温度 使用 RS XZJ 100 Y 环境监控主机进行数据存储 使用 RS RJ K 山东仁科环境监 控平台进行实时状态和数据监控 温室内的测点布置如图 1b 图 1e 所示 空气温湿度 CO 2 浓度三合一传感器布置在靠 墙和中间薄膜的两侧以及两侧温室的中间位置 如图 1b 中 M1 M6 面所示 传感器在东西两侧温室布置完全一致 以一 侧温室为例 空气温湿度 CO 2 浓度三合一传感器布置在离地 面 20 80 180 280 cm 的位置 其中两个传感器布置在内外膜 之间 南北方向间距 200 cm 离温室南端 100 cm 处 截面上 各测点分布如图 1c 所示 地埋管阀门集中布置在西侧温室靠南侧墙脚的区域 地 埋管在土壤中分 8 组呈 U 型分布 管道埋深 30 cm 每根管道 之间间隔 150 cm 地埋管的材质选择高性能的耐热聚乙烯 PERT 材料 该材料具有优异的物理性能和化学稳定性 能 确保地埋管系统的长期稳定运行 如图 1d 所示 一端为进 水口 一端为出水口 每组地埋管走线方式相同 故取温室中 间截面靠西一组地埋管为研究对象进行分析 土壤传感器位 置分布在两根管道两侧 如图 1e 所示 水平测点距离地埋管 75 cm 垂直测点在地埋管上方离地面 5 20 cm 处 地埋管下 方离地埋管 20 cm 处 土壤测点编号从上到下 从左到右依次 为 1 9 号 东侧温室为对照温室 测点依照西侧温室依次排 布 编号为 11 19 号 2500 5000 26 5 200 850 200 200 200 100100 60 20 100 5000 2500 850 150150 95 150 1 3 0 20 35 55 75 75 75 75 150 2 4 5 6 7 8 9 b a 30 b c d e M1 M2 M3 M4 M5 M6 图 1 温室结构和测点布置示意 单位 cm Fig 1 Greenhouse structure and measuring point layout unit cm 1 2 太 阳 能 集 热 器 水 箱 地 埋 管 系 统 该套系统主要由太阳能集热器 储热水箱和地埋管道 3 部分组成 太阳能集热器是系统中的一个关键部分 它负责 在日照充足时收集并储存太阳能 集热器能吸收太阳辐射 并将其转化为热能 在集热器内部装有水 当太阳辐射照射 到集热器上时 水被加热 加热后的水流入储热水箱 储热 水箱是太阳能热水器中储存热水的部分 水箱设有保温层来 减少热量损失 确保储存的热水能长时间保持温度 地埋管 道则可将储热水箱中的热水通过管道将热量传递给土壤 用 于土壤升温 简化循环示意如图 2 所示 图 2 循环示意 Fig 2 Circulation diagram太阳能集热器和水箱之间通过太阳能温差循环控制器 来实现自动控制 水箱与地埋管之间利用时控开关设置定时 循环实现自动控制 太阳能温差循环控制器是用于自动控 制太阳能蓄热器和储热水箱之间水循环的设备 通过监测集 热器和水箱之间的温差 并根据温差的大小来控制循环泵的 运行 当温差达到预设的 6 时 控制器会启动循环泵 使水 从蓄热器流向水箱 将热量传递给水箱中的水 时控开关用 于设置和控制水箱与地埋管之间循环泵的定时运行 通过设 定循环泵的开启 关闭时间 以及循环的频率和持续时间 时 控开关会自动启动或关闭循环泵 实现水箱与地埋管之间的 定时循环 这种控制方式有助于在需要时排放多余的热量 并维持系统的稳定运行 1 3 数 学 模 型 地埋管中流体的流动遵循质量守恒定律 动量守恒定律 和能量守恒定律 17 1 3 1 质量守恒方程 t u x v y w z 0 1 1 3 2 能量守恒方程 T t uT x vT y wT z x k c p T x y k c p T y z k c p T z S T 2 1 3 3 动量守恒方程 u t div uu p x xx x yx y zx z F x v t div vu p y xy x yy y zy z F y w t div wu p z xz x yz y zz z F z 3 式中 流体密度 kg m 3 t 时间 s x y z 直角 坐标轴 m u v w 流体在 x y z 这 3 个方向上的速度 分量 m s c p 比热容 J kg K T 温度 k 流体 的 传 热 系 数 W m 2 K p 流 体 微 元 体 上 的 压 力 Pa S T 单位体积内的热源项 W m 2 F x F y F z 体积力在 x y z 这 3 个方向上的分量 微元体表面上黏性应力 1 4 材 料 的 物 性 参 数 土壤参数 18 和地埋管的热物性参数 19 如表 1 所示 表 1 物 性 参 数 Table 1 Physical property parameters 材料 土壤 PE RT 导热系数 W m K 1 4 0 4 比热容 J kg K 2010 0 1004 9 密度 kg m 3 1700 942 目前温室中地埋管的布置方式还未有成熟的参考标准 大多主要参考室内地暖管的布置形式 一般均以 地面辐射 供暖技术规范 20 为参考 当前市面上广泛使用的 PE RT 管 的型号主要有以下 5 种 如表 2 所示 表 2 PE RT 管 材 型 号 Table 2 Model numbers of PE RT pipe materials 公称外径 mm 16 20 25 32 40 壁厚 mm 2 0 2 3 2 8 3 6 4 5 2 数 值 模 拟 方 法 2 1 几 何 模 型 的 建 立 和 网 格 划 分 基于 Ansys Fluent 下的 Design Mdodeler 模块 建立长方 体土壤模型 如图 3 所示 网格划分技术是流体机械内部流 动数值模拟的关键技术之一 会直接影响数值计算的收敛 性 决定着数值计算结果最终的精度及计算过程的效率 本 文采用 Fluent meshing 进行网格划分 网格主要分为结构化 网格和非结构化网格 结构化网格是指网格区域内所有的内 部点都具有相同的毗邻单元 较易地实现区域边界拟合 适 于流体和表面应力集中等方面的计算 故管道及流体区域使 用扫掠方法划分成结构化网格 而非结构化网格是一类新 型网格技术 由于省去了网格节点的结构性限制 因此能较 好地处理复杂外形问题 故对土壤区域使用四面体方法划分 成非结构化网格 综合结构化网格和非结构化网格优势 可 更高效地求解复杂的问题 100 200 100 x y z 30 2 5 0 2 cm 图 3 土壤的三维几何模型 Fig 3 3D geometric model of soil 2 2 模 型 条 件 假 设 土壤是典型的多孔介质 土壤中地埋管传热过程较为复 杂 完全按实际情况开展具有一定困难 故对模型进行假设 和简化 1 假设土壤和地埋管都为各向同性的固体 物性参数保 持不变 2 忽略地埋管与土壤之间的接触热阻 1 期 郭梦杰等 双层膜日光温室地埋管道加温对土壤温度的影响 169 170 太 阳 能 学 报 47 卷 3 忽略地温梯度 认为土壤温度保持为定值 4 忽略土壤中水分迁移导致的热迁移 2 3 边 界 条 件 以试验测得的数据为边界条件进行模拟 土壤近地表面 与空气接触并发生对流换热 其中换热系数取 6 W m 2 K 来流温度设置为温室内中间截面的平均温度 17 土壤下表 面设置为恒温边界条件 15 地埋管管道入口水流速度为 0 5 m s 对于土壤与管壁之间的热量传递 首先是埋管内的流 体与管壁发生对流换热 然后通过埋管壁进行热传导 所以地 埋管道壁面的换热边界条件通常被认为耦合换热边界条件 在 Fluent 求解设置中 选择压力基求解器 时间项设为 瞬态 模拟夜间有地埋管存在的土壤温度变化情况 选用 Realizable k 湍流模型 求解方法采用 SIMPLEC 算法 求解 时压力项 动量项 湍流项和能量项均选用二阶迎风格式 初 始化选择标准初始化 设置残差收敛到 1 10 5 2 4 网 格 独 立 性 检 验 为保证计算结果的准确性以及对计算资源的有效利用 对所划分的网格进行无关性检验 选取 9 组不同数量的网 格为样本 对应实际测点土壤 1 处的温度模拟结果进行监 测 如图 4 所示 经过对比和分析 当网格的数量达到 140 万 时 监测点温度稳定在 24 2 且随网格数量的进一步增加 该处的温度值不再发生显著变化 从而证实当前网格数量已 满足计算精度的要求 1 5 27 60 87 140 168 216 0 50 100 150 200 250 24 0 24 5 25 0 25 5 26 0 10 4 图 4 网格独立性验证 Fig 4 Grid independence verification 3 结 果 与 讨 论 3 1 试 验 结 果 分 析 3 1 1 夜间空气温度变化分析 在种植芹菜苗的初期阶段 对夜间芹菜苗的生长环境进 行分析 选取 2023 年 12 月 1 日 18 00 06 00 这 12 h 时段 进行分析 选取东西两侧温室的中间截面 M5 面和 M2 面 上 的温度数据 以中间截面上的平均温度来表征整个温室的温 度状态 如图 5 所示 在自然状态下 即西侧温室埋设地埋 管但未运行 整个温室内温度均呈逐渐下降趋势 在夜间 东 侧 温 室 温 度 从 17 77 降 至 12 72 而 西 侧 温 室 则 由 16 34 下降到 11 19 整个过程中 东侧温室温度始终高 于西侧 温差维持在 1 42 1 53 之间 这主要是由于西侧温 室内埋设有地埋管道 地埋管道中存在的水温度低于室内温 度 因此地埋管道在夜间通过与周围土壤的热交换 吸收了 室内的热量 从而降低了温室内的温度 其次 西侧温室靠近 门口 导致室内热量易通过门缝散失到室外 从而使得西侧 温室的温度相对较低 18 00 19 00 20 00 21 00 22 00 23 00 24 00 01 00 02 00 03 00 04 00 05 00 06 00 10 0 12 0 14 0 16 0 18 0 M5 M2 图 5 夜间东西两侧温室内温度变化曲线 Fig 5 Temperature change curves of east greenhouse and west greenhouse at night 3 1 2 夜间进水回水温度变化分析 在对试验数据进行初步分析和处理后 决定对 18 00 时 刻的数据进行剔除 剔除数据后的曲线变化如图 6 从图 6 中 曲线可知 进水和回水温度均表现出随时间推移逐渐下降的 趋势 从 18 30 06 00 进水温度从 14 降至 9 3 回水温 度从 12 4 降至 7 8 管道中水的平均温度从 13 2 降至 8 6 在夜间 进水温度始终高于回水温度 这是由于系统 在运行过程中地埋管道与土壤进行了热量交换 进水和回水 温度逐渐下降的原因是由于夜间温度低 管道中的水未流进 地下时 环境对管道内水的冷却效应大于土壤对管道的加热 效应 此时土壤的温度要高于管道中水的温度 8 0 10 0 12 0 14 0 19 00 20 00 21 00 22 00 23 00 24 00 01 00 02 00 03 00 04 00 05 00 06 00 图 6 进水回水温度变化曲线 Fig 6 Inlet and return water temperature change curves 3 1 3 夜间土壤温度变化分析 芹菜属于浅根系植物 主要生长在土壤表层 深度一般不超过 30 cm 21 因此 本文重点对地埋管以上至土壤表面这 一范围内的试验数据进行分析 如图 7 所示 在离地面 5 cm 处的浅层土壤中 有地埋管 土壤 1 和土壤 2 土壤温度变化 幅 度 较 大 从 18 00 06 00 平 均 温 度 从 18 4 降 低 至 15 5 无地埋管 土壤 11 和土壤 12 土壤温度变化较小 整 体趋势较为平稳 平均温度保持在 16 8 在离地面 20 cm 处的较深层土壤中 有地埋管 土壤 3 和土壤 4 土壤温度同 样出现明显下降 平均温度从 17 2 降低至 16 1 无地埋 管 土壤 13 和土壤 14 土壤温度变化平缓 平均温度保持在 17 6 结果表明 地埋管道显著降低了土壤温度 15 0 15 5 16 0 16 5 17 0 17 5 18 0 18 5 19 0 1 2 11 12 19 00 18 00 20 00 21 00 22 00 23 00 24 00 01 00 02 00 03 00 04 00 05 00 06 00 a 离地表 5 cm 处 16 0 16 5 17 0 17 5 18 0 3 4 13 14 19 00 18 00 20 00 21 00 22 00 23 00 24 00 01 00 02 00 03 00 04 00 05 00 06 00 b 离地表 20 cm 处 图 7 实验组和对照组埋管上方土壤温度变化曲线对比 Fig 7 Comparison of soil temperature change curves above buried pipe between experimental group and control group 图 8 和图 9 分别展示了试验温室和对照温室土壤中各 测点的温度分布 从图 8 和图 9 中可看出 从傍晚开始土壤 中存在明显的温度分层现象 次日 06 00 各点温度值如表 3 所示 试验温室土壤各点温度区间 15 3 16 2 对照温室土 壤各点温度区间为 16 7 17 4 极差分别为 0 9 和 0 7 凌晨时各层土壤温度趋于一致 在有地埋管的土壤中 深层 土壤温度低于表层 这主要是由于地埋管与周围土壤的热量 交换 导致深层热量向管道转移并散失较快 而在无地埋管 的对照组中 深层土壤热量不易散失 表现为深层土壤温度 高于表层 试验结果表明 地埋管系统的引入对土壤区域的 温度分布产生显著影响 通过调节地埋管系统的进水温度 来改变土壤温度 从而达到作物适宜生长的条件 为优化温 室生产提供了科学依据和技术参考 15 0 15 5 16 0 16 5 17 0 17 5 18 0 18 5 19 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 19 00 18 00 20 00 21 00 22 00 23 00 24 00 01 00 02 00 03 00 04 00 05 00 06 00 图 8 西侧温室土壤各测点温度变化曲线 Fig 8 Temperature changes curve of soil at each measuring point in west greenhouse 16 5 17 0 17 5 18 0 18 5 19 0 19 5 20 0 11 12 13 14 15 16 17 18 19 19 00 18 00 20 00 21 00 22 00 23 00 24 00 01 00 02 00 03 00 04 00 05 00 06 00 图 9 东侧温室土壤各测点温度变化曲线 Fig 9 Temperature change curves of soil at each measuring point in east greenhouse 表 3 06 00 土 壤 各 测 点 温 度 Table 3 Soil temperature at each measuring point at 06 00 试验温室 测点 土壤 1 土壤 2 土壤 3 土壤 4 土壤 5 土壤 6 土壤 7 土壤 8 土壤 9 温度 15 7 15 3 16 2 16 0 16 2 16 0 15 8 15 9 15 6 对照温室 测点 土壤 11 土壤 12 土壤 13 土壤 14 土壤 15 土壤 16 土壤 17 土壤 18 土壤 19 温度 16 8 16 9 17 2 17 2 17 3 17 3 17 4 16 7 16 8 1 期 郭梦杰等 双层膜日光温室地埋管道加温对土壤温度的影响 171 172 太 阳 能 学 报 47 卷 3 2 模 拟 结 果 分 析 3 2 1 模型验证 以 2023 年 12 月 1 日 18 00 为起始时刻 模拟地埋管道与 土壤的换热情况 并提取试验测点的温度值 对模型进行验证 以对应实际测点土壤 3 处的温度值为例 模拟结果和实测结果 如表 4 所示 模拟值与实测值的最大绝对误差为 0 5 最大相 对误差为 2 6 模型精度满足求 经过验证其余测点的模拟 值与实测值 均不存在显著差异 最大绝对误差和最大相对误 差均小于土壤温度的最大绝对误差和最大相对误差 说明模拟 值与实测值吻合较好 该模型具有较高的准确性 3 2 2 土壤温度预测与模拟 依据本课题前人研究 在芹菜生长初期 土壤在距地表 0 05 0 25 m 范围内的平均最低温度出现在 09 30 10 30 最 低温度为 5 18 土壤中平均最高温度出现在 17 00 18 30 最高温度为 9 78 18 而芹菜根系的适宜生长温度为 15 20 一天之内最高温度已不能达到芹菜适宜的生长条件 因此 本文利用 CFD 方法模拟夜间地埋管系统在不同进口温 度时 50 45 40 35 30 土壤温度分布情况 如图 10 所示 系统运行稳定后 芹菜根系区域平均温度分别为 20 8 19 8 18 8 16 8 14 8 模拟结果表明 地埋管系统能有效地将热 量传递至土壤表层 通过调控进口温度 可有效地改变土壤 温度 地埋管道进口温度在 35 45 之间时 土壤中芹菜根 系区域温度均可达到适宜生长条件 该研究结果与于威等 3 的研究结论一致 40 的进口温度能将土壤中芹菜根系区 域的温度提高至 18 8 接近适宜生长温度范围的上限 确保 表 4 模 拟 值 与 实 测 值 Table 4 Simulated value and measured value 时刻 18 00 18 30 19 00 19 30 20 00 20 30 21 00 21 30 22 00 22 30 23 00 23 30 24 00 实测值 17 1 17 1 17 1 17 1 17 0 17 0 17 0 17 0 17 0 16 9 16 9 16 9 16 9 模拟值 17 1 17 1 17 1 17 1 17 0 17 0 17 0 17 0 17 0 16 9 16 9 16 9 16 9 时刻 00 30 01 00 01 30 02 00 02 30 03 00 03 30 04 00 04 30 05 00 05 30 06 00 实测 值 17 0 16 9 16 9 16 8 16 7 16 7 16 6 16 5 16 4 16 3 16 3 16 2 模拟值 16 9 16 8 16 8 16 8 16 8 16 7 16 7 16 7 16 7 16 7 16 6 16 6 300 288 292 290 302 304 314 308 316 320 284 290 292 296 284 286 296 294 292 312 300 300 290 292 308 302 294 294 296 304 296 302 296 316 298 300 314 310 296 300 298 304 292 298 314 306 310 306 ta ti c Te 322 318 314 310 306 302 298 294 290 286 288 294 292 298 302 290 286 312 306 300 312 294 296 316 306 292 294 310 288 294 288 290 296 298 300 304 308 308 302 292 284 312 308 298 312 300 302 306 310 StaticT 316 312 308 304 300 296 292 288 284 288 290 292 306 286 290 290 284 304 300 288 290 292 294 296 300 290 308 306 284 288 292 288 292 292 290 306 306 308 308 298 294 298 298 304 302 304 296 302 298 300 K K K 312 308 304 300 296 292 288 284 292 290 a 50 b 45 c 40 288 288 284 286 288 290 292 296 6 300 304 292 296 290 294 296 288 290 288 288 298 304 304 292 296 290 284 286 304 300 298 306 300 296 302 294 306 304 302 300 298 296 294 292 290 288 286 284 288 294 292 298 302 290 286 312 306 300 312 294 300 296 316 306 292 294 310 288 294 288 290 296 298 300 304 308 308 302 290 292 292 284 312 308 298 312 300 302 306 310 316 312 308 304 300 296 292 288 284 K K d 35 e 30 图 10 系统运行稳定后土壤温度分布云图 Fig 10 Cloud map of soil temperature distribution after system stabilization温度稳定在理想范围内 利于芹菜的健康生长 相比之下 虽然 35 的进口温度使土壤温度更接近该适宜温度范围的 中间值 但 40 能更好地应对可能的环境变化 更适合实际 应用中的温度控制需求 3 2 3 不同埋管直径对温度分布的影响 基于 3 2 1 节的 CFD 模型 调整管径参数 分别对 16 20 25 32 40 mm 不同管径条件下的模拟结果进行分析 取编 号为土壤 1 3 和 8 处 3 点的位置为监测点 重新命名为监测 点 A B 和 C 不同管径下的温度分布云图如图 11 所示 从 图 11 中可看出 管径大小对土壤温度分布有一定的影响 随 着管径的增大 热作用半径增大 管径为 16 mm 时对地表温 度的影响微小 当直径为 32 和 40 mm 时对地表温度影响较 大 可给地表附近土壤传递更多的热量 但二者之间影响差 别不大 接近地埋管附近温度变化较快 埋管下方的土壤温 度随着与地埋管距离的增大有逐渐下降的趋势 远处土壤温 度趋于稳定 40 mm 管径相比于 32 mm 管径在热传递效率上并无明 显优势 而增大管径会增加材料成本和安装成本 综合考虑 热传递效率和成本效益 选择 32 mm 的管径可平衡各方面的 需求 是较为合适的选择 本文研究方法与于威等 3 董蓬等 22 研究方法类似 均采用 CFD 模拟进行优化分析 基于 CFD 模 拟的可靠性以及与相关研究方法的一致性 可认为 32 mm 管 径在实际应用中是有效的 该结论为地埋管道的实际选型 提供了重要参考 但在实际应用中 还需根据温室规模 土壤 特性等因素进行综合评估 308 312 302 306 300 300 302 294 296 296 298 306 298 296 294 304 298 308 290 310 298 292 304 298 306 304 314 308 296 302 306 294 294 298 308 312 310 294 300 298 304 290 292 294 294 296 298 290 292 298 294 300 304 304 306 302 304 304 300 310 314 308 318 312 306 304 298 292 292 292 306 320 298 316 K K K 322 318 314 310 306 302 298 294 290 322 318 314 310 306 302 298 294 290 322 318 314 310 306 302 298 294 290 a 16 mm b 20 mm c 25 mm 296 298 296 302 312 306 302 304 296 290 292 298 300 304 304 304 310 316 294 308 292 316 300 298 298 300 318 298 306 294 310 312 322 318 314 310 306 302 298 294 290 292 294 296 302 302 296 310 314 310 306 304 298 304 304 308 300 300 304 308 294 314 298 300 290 298 312 298 322 318 314 310 306 302 298 294 290 312 K K d 32 mm e 40 mm 图 11 不同管径条件下温度分布云图 Fig 11 Temperature distribution cloud chart under different pipe diameter conditions 如图 12 所示 对于监测点 A B C 这 3 点 随着管道直径 的增加 温度也呈增长趋势 表明在模拟条件下 管道直径的 增大与温度的增加是相关联的 在相同的管道直径下 监测 点 B 表现出最高的温度 监测点 C 表现出最低的温度值 监 测点 A 的模拟温度位于监测点 B 和 C 之间 由于监测点 B 点更靠近管道 可积聚更多的热量 而监测点 A 在地下 5 cm 处 受地上空气温度的影响较大 从而显示出介于 B 点和 C 点之间的温度 监测点 C 的位置相对远离地表 受到的直接 影响较小 因而温度较低 而监测点 B 不仅更靠近地表 还 更靠近地埋管 这使得能同时受到地表较高温度和地埋管传 递热量的双重影响 从而呈现出最高的温度 温度分布与实 际情况相吻 3 2 4 不同入口流速对温度分布的影响 流速作为地埋管系统中重要的运行参数 为了解不同流 速时管道横截面上温度变化情况 以 3 2 1 节的模型为基础 参 考 建筑给水排水设计标准 23 选择 0 2 0 4 0 6 0 8 和 1 0 m s 的流速进行模拟 监测点 A 点处的温度变化如图 13 所示 从图 13 中可看到 在相同管径条件下不同的流速对管道横 1 期 郭梦杰等 双层膜日光温室地埋管道加温对土壤温度的影响 173 174 太 阳 能 学 报 47 卷 截面上土壤温度的影响微小 监测点 B 和监测点 C 点具有同 样的变化规律 改变入口流速 在同一监测点的土壤温度变 化范围在 0 1 0 2 之间 此结果与文献 3 中的研究结果类 似 进一步验证了模拟的准确性和一致性 入口流速的变化 对土壤温度影响较小 这是由于土壤的热传导性能相对较 低 热量在土壤中的传递速度较慢 从而减弱了流速变化对 土壤温度的影响 A B C 20 0 25 0 30 0 35 0 16 mm 20 mm 25 mm 32 mm 40 mm 图 12 不同位置在不同管径下的温度分布 Fig 12 Temperature distribution at different positions under different pipe diameters 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 24 5 25 0 25 5 26 0 26 5 27 0 27 5 16 mm 20 mm 25 mm 32 mm 40 mm m s 图 13 不同管径不同流速时监测点 A 温度变化 Fig 13 Temperature change of monitoring point A at different pipe diameters and flow rates 本研究采用的 CFD 模拟方法在一定程度上反映了实际 情况 但仍存在一些局限性 未来研究可考虑地埋管与土壤 之间的接触热阻 地温梯度以及土壤中的水分迁移对温度分 布的影响 以进一步提高模型的准确性和可靠性 此外 由 于流速对系统整体性能和能耗的影响未在本文中充分考虑 未来的工作应对这一重要参数进行深入探讨 从而更全面地 优化系统设计 提高能源利用效率 4 结 论 本文通过试验和 CFD 仿真研究地埋管道对土壤温度场 的影响 得出以下主要结论 1 在夜间 无供暖时 对照温室和试验温室的温度均呈 逐渐下降趋势 且对照温室的温度始终高于试验温室 温差 维持在 1 42 1 53 之间 这表明地埋管道对温室内空气温度 具有明显的影响 夜间进水温度和回水温度均逐渐下降 且 进水温度始终高于回水温度 1 6 2 0 这表明系统在运行过 程中与土壤存在显著的热量交换 2 基于实测的进水温度 土壤温度和空气温度作为初始 条件和边界条件 建立 CFD 模型并验证其准确性 结果显示 模型能有效预测土壤温度分布 为优化地埋管道应用提供重 要依据 3 分析不同进口温度 不同管径和不同流速时土壤传热 情况 结果表明 进水口温度在 35 45 之间时 可给芹菜生 长提供适宜的土壤温度 随着管径的增大 热作用半径增大 32 和 40 mm 管径的传热效果类似 40 mm 管径并未显著扩大 热传递范围 反而增加了成本 综合考虑 选择 32 mm 管径较 为合适 此外 同一监测点在不同入口流速下的土壤温度变 化范围为 0 1 0 2 表明入口流速的变化对管道横截面上同 一点温度的影响并不显著 参 考 文 献 1 周长吉 中国日光温室结构的改良与创新 一 基于被 动储放热理论的墙体改良与创新 J 中国蔬菜 2018 2 1 5 ZHOU C J Improvement and innovation of solar greenhouse structure in China wall improvement and in