不同材质传热风道性能及蓄热土壤温度场CFD模拟_鲍恩财.pdf

第 34 卷 第 4 期 农 业 工 程 学 报 Vol.34 No.4 232 2018 年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2018 不同材质传热风道性能及蓄热土壤温度场 CFD 模拟鲍恩财1，张 勇1，曹晏飞1，王 昭2，张 欣3， 曹 凯1，杨俊伟1，邹志荣1（ 1. 西北农林科技大学园艺学院，农业部西北设施园艺工程重点实验室，杨凌 712100； 2. 北京三润泰克国际农业技术有限公司，北京 114011； 3. 华盛顿州立大学生物系统工程系，精细与自动化农业系统研究中心，普罗瑟 WA 99350） 摘 要： 风道在园艺设施中应用较为广泛，通常作为土壤及墙体热量传递的载体。该文搭建了风道传热试验台，以聚氯乙烯管道 （ polyvinyl chloride pipe， PVC） 、 镀锌铁皮管道 （ galvanized iron pipe， GI） 及钢筋网外缠绕土工布管道 （ steel mesh skeleton-geotextile composite pipe， SFG） 3 种管材作为传热风道，以土壤为蓄热体进行试验，结合计算流体力学（ computational fluid dynamics， CFD）对蓄热土壤温度场进行分析。结果表明， SFG 的传热效果最好，测试期间的换热量达到 299.44 kJ， 约是 GI 的 4 倍、 PVC 的 3 倍； SFG 进、 出口上、 下、 左、 右 4 个方向的有效蓄热范围均远大于 240 mm，PVC 与 GI 的有效蓄热范围相似；通过 CFD 所建立的 3 个传热风道计算模型的最大相对误差为 4.4%，模拟发现蓄热土壤截面温度从进风口到出风口具有一定的“坡降” 。因此， SFG 的传热效果明显优于 PVC 与 GI，具有较高的应用潜力和一定的推广价值。 关键词： 土壤；流体力学；传热；传热风道；传热性能；蓄热范围； CFD doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.028 中图分类号： S625.3 文献标志码： A 文章编号： 1002-6819(2018)-04-0232-07 鲍恩财，张 勇，曹晏飞，王 昭，张 欣，曹 凯，杨俊伟，邹志荣. 不同材质传热风道性能及蓄热土壤温度场 CFD模拟J. 农业工程学报，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 言设施园艺是利用特定的保护设施与配套设备，人为地创造适于作物生育的环境空间，有计划地进行园艺产品的安全、优质、稳产、高产生产的一种综合农业技术体系，其中的设施主要包括中小拱棚、塑料大棚、连栋温室、日光温室 4 大类1-2。为了维持园艺设施在冬季正常使用而又不耗费大量能源，国内外学者做了大量的研究，主要方式有主动采光3、相变材料蓄热4-5、太阳能集热6-7、 空气源热泵8-9、 地源热泵10-11、 水循环集放热12、后墙主动蓄热13、地下热交换14-15等。 传热风道在园艺设施的土壤及墙体中均有应用。上世纪 80 年代，马承伟16-17在塑料大棚上应用地下热交换系统，研究发现该系统可有效地贮存太阳能并用于夜间加温，能使塑料大棚在不用燃料加温的情况下在夜间维收稿日期： 2017-09-25 修订日期： 2018-01-11 基金项目：国家“ 863”计划项目（ 2013AA102407） ；中国博士后基金项目特别资助（ 2015T81053） ；博士后科学基金（ 2014M562458） ；主动采光蓄热温室、超大跨度塑料大棚结构优化与智能化环境调控装备研制（ 2016BZ0901） ； 设施农业采光蓄热技术提升研究与示范 （ 2016KTCL02-02） 作者简介：鲍恩财，男，安徽合肥人，博士生，主要从事设施园艺工程方面的研究。 Email： baoencai1990163.com 通信作者：邹志荣，男，陕西延安人，教授，博士，博士生导师，主要从事设施园艺方面的研究。 Email:zouzhirong2005163.com 持 10 左右的棚内外气温差。孙忠富18研究了地 气热交换系统的热性能，结果表明，地 气热交换系统可使塑料大棚在夜间升温 2.0 4.4 ，在白天降温 2.56.5 。袁巧霞19-20设计了一种半被动式塑料大棚地下热交换系统，试验表明，该系统可在夜间维持 8 9 的棚内外气温差，同时棚内地温可提高 10 左右，并分析了该系统在中国的适宜范围、适合的蔬菜品种及主要参数的选择。在此基础上，袁巧霞21将波纹塑料管和陶土管作为地下热交换系统的管道材料，通过试验及理论分析比较得出，波纹塑料管的换热性能和析湿特性优于陶土管，且使用成本较低。吴德让等22-23运用传热学的基本理论，建立了日光温室地下热交换系统土壤温度场的数学模型，同时通过对比试验研究了日光温室采用地下热交换系统在冬季生产喜温蔬菜的可行性和实用性。孙周平等24在彩钢板保温装配式节能日光温室地下 0.5 m 设计安装了空气 地中热交换系统进行蓄热，经过整个冬季的测试发现，空气 地中热交换系统与水循环蓄热系统结合使用可代替传统土墙的蓄热能力，进而确保日光温室冬季的温热环境。张勇等13提出了一种能够将白天富余能量进行有效存储的主动蓄热后墙日光温室，与传统 9 m 跨的被动蓄热日光温室进行了对比分析，结果表明，主动蓄热后墙日光温室的气温有了较明显提高。 计算流体力学（ computational fluid dynamics， CFD）第 4 期 鲍恩财等：不同材质传热风道性能及蓄热土壤温度场 CFD 模拟 233 在管道传热25-27及温室模拟28-29方面均有应用。 如 Bansal等30为减少冬季建筑物的热负荷，基于 CFD 建立了土壤管道 空气换热系统的瞬态和稳态 2 种模型，从管道材料和空气流速角度分别研究了该系统的热性能，结合试验发现管道内的空气流速对系统的影响较大，但不受管道材料的影响，这与袁巧霞21的测试结果并不一致，可能是因为管道本身是否密闭（如陶土管具有一定的透气、透湿性）、管道的表面结构（如波纹管与直管）不同而导致的研究结果的不同； Zhang 等31建立了中国西北地区的日光温室模型，利用 CFD 模拟分析了不同厚度后墙日光温室对室内空气温度分布的影响。 综上，将传热风道应用于园艺设施的土壤及墙体中进行空气热交换操作简便、效果明显，但对传热风道周身是否密闭的传热效果研究未见报道，本文采用周身密闭型风道和透气型风道进行对比研究，其中透气型风道采用钢筋网管道作为风道的骨架，起支撑作用，以土工布单层缠绕钢筋网管道作为传热面，搭接重叠 100 mm；根据园艺设施实际使用的工况，设计了一种可测试不同材质风道传热性能的试验台，将测试结果与 CFD 模拟结果对比分析不同材质风道传热性能，并对蓄热土壤温度场进行模拟分析，从风道材质角度提出进一步改进园艺设施换热系统的方法。 1 材料与方法 1.1 风道传热试验台 风道传热试验台主要由制热箱体、输送管道及试验箱体 3 部分组成，如图 1 所示。制热箱体由混凝土养护箱改造而成，配套压缩机及电源控制柜，箱体上有控制面板，可设置箱体内的温湿度；输送管道包括进风管道及出风管道，分别安装在箱体门的上下部位，输送管道外部做绝热处理，进风管道的热风进口处安装有风机；试验箱体内部填充蓄热体，中部埋置传热风道；输送管道与传热风道连接处可拆卸，用于连接不同材质的传热风道。 1.控制面板 2.制热箱体 3.进风管道 4.蓄热土壤 5.传热风道 6.出风管道 7.门把手 8.风机 9.滚轮 10.压缩机 11.电源控制柜 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 图 1 试验台示意图 Fig.1 Schematic diagram of test stand 输送管道采用铝箔管道外裹绝热棉毡；蓄热体为人工夯实的土壤，取自西北农林科技大学园艺学院试验基地（ 3415N， 10803E）地表下 1 3 m 处，为使 3 个试验台的蓄热土壤的条件一致，在同尺寸的试验台内填实同等质量的土壤，压实后测试得到蓄热土壤含水率13.9%、压实度 90.3%； 3 种传热风道材质分别为聚氯乙烯管道（ polyvinyl chloride pipe， PVC）、镀锌铁皮管道（ galvanized iron pipe， GI）及钢筋网外缠绕土工布管道（ steel mesh skeleton-geotextile composite pipe， SFG），输送管道及传热风道直径均为 200 mm。课题组前期研究表明后墙主动蓄热循环系统中混凝土预制板传热风道上下表面各 200 mm 的高度范围内均属于蓄热体32， 为保证传热风道四周的蓄热体厚度不少于 200 mm，本试验台设计试验箱体的端面尺寸为 800 mm800 mm，试验箱体长2 m。在箱体四周采用 120 mm 厚彩钢板外贴隔热，试验过程中所有缝隙处采用聚氨酯泡沫填缝剂填充。传热风道及土壤的性能参数如表 1 所示（部分参数来源于 GB 50176-2016民用建筑热工设计规范）。 表 1 传热风道及土壤的性能参数 Table 1 Performance parameters of heat transfer pipe and soil 材料Materials导热系数 Thermal conductivity/(Wm-1K-1) 比热 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 表示镀锌铁皮管道； SFG 表示钢筋网外缠绕土工布管道，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 试验台测试 传热风道进、出口的空气温湿度由 PDE-KI 环境数据记录仪（哈尔滨物格电子技术有限公司生产，温度测量范围： 30 70 ，准确度 0.5 ，分辨率 0.1 ；湿度测量范围： 0 99%，准确度 3%，分辨率 1%）采集，分别位于风道进、 出口几何中心。 端面蓄热土壤温度由 PDE-R4温度数据记录仪（哈尔滨物格电子技术有限公司生产，温度测量范围 30 70 ，准确度 0.5 ，分辨率 0.1 ）采集。在传热风道的上、下、左、右 4 个方向各布置 5 个测点，测点间距 60 mm，布点情况如图 2 所示 .。所有测点记录数据的时间间隔均为 5 min。 进、 出口的风速由 testo425风速仪（德国 testo 公司生产，风速测量范围 0 20 m/s，精度（ 0.03 m/s+5%测量值），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 表示在管道左侧； R 表示在管道右侧，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. 图 2 试验台测点分布图 Fig.2 Distribution of test points in test stand 农业工程学报（ http:/www.tcsae.org） 2018 年 2341.3 数据处理 本文试验数据采用 Excel 2007 进行平均值和标准误的求解及表格的制作，用 SPSS20.0 进行显著性测试。 2 试验台测试结果与分析 2.1 风道传热量计算 对 3 种传热风道分别进行测试，均连续通风 4 h，各风道的进、出口温湿度如表 2 所示。由表 2 可知，进口的温湿度没有差异，出口的温湿度均存在显著差异（ PGI SFG，说明 SFG 的传热效果最好，对应土壤的蓄热量最多，表 3 的计算结果也说明了这点。本文的试验结果与SFG 中土工布具有透气、透湿性有关；出口湿度表现为GIPVCSFG，这是因为 SFG 中的土工布具有透气、透湿性使得土壤吸收了空气热量的同时也吸收了湿度，但SFG 的透气率、透湿率与传热量、吸湿量的关系尚缺少研究。 2） 土工布的使用寿命在 80 a 以内39， 在建筑、 水利、铁路、公路、港口、采矿、军工等多个领域均有应用40，因此在园艺设施的应用基础较好。且 3 种传热风道的市场价格为 GIPVCSFG，而传热效果为 SFGPVCGI，因此，采用 SFG 作为园艺设施传热风道具有明显优势，下一步将在园艺设施内开展实际使用效果的试验研究。 3）本文建立的 CFD 模型可应用于复杂工况下的传热模拟研究，如日光温室主动蓄热墙体13进风口不同风速对蓄热性能的影响，且通过 CFD 对温度场的分布计算出蓄热体的有效蓄热“体积”，对传热风道的合理布置具有实际应用意义，这在后续研究中将通过模拟结合实测的方式加强分析。 5 结 论 通过试验台测试发现钢筋网外缠绕土工布管道 （ steel mesh skeleton-geotextile composite pipe， SFG）的传热效果最好，本试验条件下的换热量达到 299.44 kJ，约是镀锌铁皮管道（ galvanized iron pipe， GI）的 4 倍、聚氯乙烯管道（ polyvinyl chloride pipe， PVC）的 3 倍。 SFG 进、出口上、下、左、右 4 个方向的有效蓄热范围均远大于240 mm； 进口上、 下、 左、 右高效蓄热范围均大于 240 mm，出口上、下、左、右高效蓄热范围分别为大于 240 mm、180 240 mm、 180 240 mm、 180 240 mm。而 PVC 的传热效果略优于 GI，说明透气型风道的传热效果明显优于密闭型风道。 通过 CFD 建立的 3 个传热风道计算模型的最大相对误差为 4.4%，说明该模型可用于研究不同材质风道传热性能及蓄热土壤温度场分布情况。通过对蓄热土壤温度场进行模拟，发现截面分布显示从进风口到出风口具有一定的“坡降”。 因此，钢筋网外缠绕土工布管道的传热效果明显优于聚氯乙烯管道及镀锌铁皮管道，后两者效果相似，钢筋网外缠绕土工布管道具有较高的应用潜力和一定的推广价值。 参 考 文 献 1 邹志荣 . 园艺设施学 M. 北京：中国农业出版社， 2002. 2 马承伟，苗香雯 . 农业生物环境工程 M. 北京：中国农业出版社， 2005. 3 张勇，邹志荣，李建明 . 倾转屋面日光温室的采光及蓄热性能试验 J. 农业工程学报， 2014， 30(1)： 129 137. 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