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主动式温室地暖系统温控效果仿真与试验
作者:中国农业大学工学院 王新 张圆圆 陈度 曾浩 许苗 王书茂
·2018-10-23 11:04:23
 
    

摘 要 针对严寒天气影响温室内作物生长的问题,提出了一种主动式温室地暖系统,并基于热平衡理论,首先对地暖系统的热量传递过程进行了研究,分别建立了温控系统径向、轴向传热数学分析模型; 再利用有限元分析软件进行了二维稳态温度分布状态的数值模拟,研究结果表明,若将距地面20cm 处土地温度大于15℃作为地暖系统的有效作业范围(简称Qf),地暖系统的开启温度应不低于28℃,且系统入风口温度每增加2℃,其轴向有效作业辐射范围可扩大2.4m~2.8m;通过与昌平区马池口温室大棚实地试验的数据对比,地暖系统换热过程对浅层与深层土壤温度扰动规律与理论分析结果一致,进一步验证了仿真分析的有效性。

关键词 主动式温室地暖;温控效果;传热分析;数值模拟


引言

近年来,冬季温室夜间温度控制是温室果蔬种植面临的一大难题,对严寒地区的影响尤为突出。

受制于冬季夜间室外温度过低、温室构造简易等因素,冷空气会以热传导的方式从室外进入温室导致室内温度失控,极易造成冷害、冻害等灾害,进而大幅削减温室果蔬种植产量。因此,温室大棚如何在冬季有效保证土壤热能储备、控制土壤温度成为确保冬季温室作物产量的关键因素。

以往冬季温室通常使用热风炉、采暖炉等设备对温室大棚的空气进行加热,利用热空气与土壤的热交换作用,为土壤提供有效热能,提供适宜棚内作物有效生长的环境,但这些高能耗设备既达不到环保标准,也不符合我国低碳经济政策要求。

主动式温室地暖系统作为一种新型的冬季温室土壤储能设备,日益受到温室大棚农户的青睐,该系统基于热交换原理,在冬季日间温度较高时开启,将热空气通过风机从一个位于温室一侧的入风口抽入,途经埋在地下的地暖管道,由位于温室另一侧的出风口排出,实现空气热循环,通过地暖管道实现热空气与土壤的换热及储能过程。

近年来,对主动式温室地暖系统的研究也取得了较大进展,但研究算法在通用性上略显不足。

本文主要围绕主动式温室地暖系统在严寒环境下对温室土壤的温控效果进行研究,通过分析地暖系统温室环境下的热物理特性,基于热平衡理论,建立系统径向、轴向传热过程土壤温度场数学模型,并利用有限元软件进行系统温度场分布状况的数值模拟及仿真分析,最后通过大棚实地田间试验,进一步验证分析模型的有效性及准确性。

1 温控分析数学模型

热空气经地暖管道对土壤的换热过程是研究主动式温室地暖系统温控效果的关键。温室大棚内的热空气被风机鼓入地暖换热管内,经土壤冷却后从出风口排出。

在此换热过程中主要包括热对流、热传导和热辐射,在管内条件下热对流和热辐射可以忽略,影响土壤蓄能的主要因素为地暖管(图1)与土壤的热传导过程。

1.1 径向传热模型

对于地暖管道与土壤的传热过程,本文采用控制体积热网络方法分析埋管对土壤温度分布的影响。

如图2所示,以地暖管道传送的热空气为中心,埋管周围介质依次为管壁PE材料、深层土壤Ts(距土壤表面大于等于20cm)、浅层土壤Ta(距土壤表面小于20cm),各层之间有热交换。

若忽略土壤表面空气对流换热以外的因素对土壤温度的影响,假设土壤热能沿管径向外部呈梯度性变化,各层土壤温度在同一截面内保持均匀分布,不同层的温度交换可等效为通过热阻、热容耦合模型,其中ci为不同层中的介质热容,Ri为热阻,如图3所示,则其第i层t+1时刻的温度可由瞬时体积控制方程获得,即

式中:

Qi——第i层的热源

1.2 轴向传热模型

主动式温室地暖系统在轴向上的热能传递传热模型可简化为分段式一维瞬态传热模型,在一维有限元模型基础上,将埋管管道沿管长方向分成N段,通过对于每一段管长进行能量分析,获得地暖管道轴向上的温度分布数据(图4)。

为简化模型,作出以下假设:

(1)管道中热空气的热物性参数相同,且热空气沿管道径向温湿度及流速等参数均匀一致。

(2)传热流体为不可压缩的牛顿流体,流动速度变化可以忽略,换热过程中流体热物性参数不随时间变化。

(3)土壤初始温度分布均匀,各向同性且热物性不随时间变化。

(4)忽略地面环境温度变化对土壤热物性的影响。

(5)忽略土壤水分受换热引起的热迁移影响,换热过程中土壤热物性不变。

基于以上假设,建立地暖系统一维传热平衡方程为

mcairdTχ=Aphc(Ts-Tχ)dχ         (2)

式中:

m——质量流量,kg/s

cair——空气流体比热,J/(kg·K)

Tχ——沿管道方向的温度,℃

Ts——土壤温度,℃

hc——管道内壁导热系数,W/(m·K)

x——离入风口的距离,m

Ap——管道换热面积,m2

对于每一小段,入口空气温度Tn-1,出口空气温度Tn,假设每一单元体积换热过程中不会出现凝结,则换热平均温度为

(3)

式中:

L——管道长度,m

N——圆管管道中分段数

α——土壤导热系数,W/(m·K)

则得到单元地暖管道出口温度为


2 计算机辅助计算及分析

为了对主动式温室地暖系统对大棚土壤的蓄热作用进行数值化分析,利用ANSYS软件进行了计算机辅助建模与计算。ANSYS热分析模块是基于能量守恒原理导出的热平衡方程,主要包括稳态分析、瞬态分析、热辐射、相变、热应力以及与热有关的耦合场分析。通过模型简化,分别对地暖管道的径向及轴向温度分布情况进行了分析。

2.1 径向传热温度场分析

采用PLANE55轴对称单元进行二维热传导分析,此单元由4个节点构成,每个节点只有一个温度自由度,适用于热传导稳态、瞬态分析,符合本文中考虑热空气常速流动的输送热流要求。根据温室土壤的实际热物性特点,将温室土壤分为浅层土壤(距地面0m~0.2m)及深层土壤(距地面0.2m~6m)分别进行属性定义,热物性参数如表1所示。

根据系统结构特点,为提高计算精度及运算效率,在进行网格划分时,靠近地暖管道处细化网格,网格尺寸从中心向周围逐渐放大,系统温度径向分布分析模型及网格划分如图5所示。

根据前期测试数据,模拟冬季9:00~12:00时温室内的环境条件,分别设置地暖系统入风口温度Tin为24℃、26℃、28℃、30℃,将其作为管道内热源初始温度进行加载,设置距地面4m处土壤温度为14℃,地表温度为6℃,冬季换热量按照40W/m进行模拟,地暖系统二维径向稳态温度分布情况如图6所示。

当地暖管内热空气温度持续保持一定温度时,管道传热的热平衡结果表明,其加温范围将不会达到土壤表面,由于土壤表面与空气热对流的存在,地暖系统土壤加温范围通常辐射不到浅层土壤。由于通常作物根系分布在地下20cm~25cm的土壤里,冬季此区域的土壤温度在15℃~18℃为宜,因此若将距地面20cm处土地温升大于15℃作为地暖系统的有效作业范围(后文简称为Qf),则图6c、6d的分析结果将满足Qf指标要求,而图6a、6b由于热空气提供热能较少,故达到热平衡后仍不能有效升高作物根系附近土壤温度,不能达到促进作物生长的目的。

2.2 轴向温度分布

通过沿地暖管道轴向进行二级稳态热传导分析,可以更加直观地了解地暖系统对温室内土壤储热的贡献,本次分析选择的有限元分析单元类型与径向温度分布相同,模型网格划分如图7所示。


由于地暖系统工作时入风口吸入热空气,出风口排出换热后冷空气,在温室内部形成对流,因此,土壤表面温度加载公式为

y=-0.1χ+10 (0≤χ≤40m)      (5)

式中:

χ——距入风口距离,m

y——加载温度,℃

管道内部受换热作用影响,其轴向加载公式为

y=-0.175χ+27 (-40 m≤χ≤0)    (6)

设置距土壤表面4m处土壤温度属于无扰动范围,土壤温度为14℃。冬季换热量按照40W/m 进行模拟,入风口温度设置为28℃,按照地暖系统铺设实际情况,其轴向传播范围为40m,地暖系统二维轴向稳态温度分布情况如图8所示。


从分析结果可以看出,地暖系统温升辐射范围沿管道轴向方向逐渐降低,图7中满足Qf指标的作用点的χ=22.67m,即由于地暖管内热空气与土壤的热能交换作用,地暖管道对土壤的加热效果沿轴向逐渐减弱。当系统入风口安装在温室大棚一侧时,土壤接收到地暖系统的加热作用将逐渐减弱。为进一步对于地暖系统沿轴向上的有效工作范围进行分析,将入风口热空气温度分别设置为Tin=24℃、26℃、28℃、30℃进行二维稳态热分析,取χ=15m~25m为温度场局部放大显示范围,分析结果如图9所示。

通过对比分析可知,与径向分析结果相似,若入风口温度较低,如Tin=24℃时,热空气所携带的热能太少,很难达到对作物根系生长周围的土壤进行加热的目的;伴随入风口温度的升高,系统Qf指标的径向辐射范围逐渐增大,热空气每增大2℃,其有效径向辐射范围可增加2.4m~2.8m;但受制于冬季天气影响,大棚内空气温升有限,对于40m的传热范围,地暖管道远端将无法起到有效的升温作用。


3 试验验证

冬季地暖系统温升效果评估试验在北京市昌平区的马池口镇北京市农作物品种试验展示基地25号大棚内进行,采用实验室自制多点温湿度数据采集远程监测系统(图10),于2015年12月至2016年3月持续采集4个月共122d的温室大棚内及室外的温度数据。测控系统工作电压12V,采样周期1h,温度采集精度(±0.2)℃,温度检测范围-40℃~60℃,湿度采集精度(±0.3)%,湿度监测范围0~100%。


地暖系统的温控效果验证试验根据国家标准《日光温室和塑料大棚结构与性能要求》中的规定设计温度测量方案,传感器安装示意图如图11所示。


数据采集系统对室外空气温度、地暖系统入风口温度、出风口温度、大棚中部空气温度(分为空高(距地面150cm)、空中(距地面100cm)、空低(距地面50cm))以及大棚中部土壤温度(分为土高(距地面10cm)、土中(距地面20cm)、土低(距地面30cm))进行实时检测,并利用无线网络将检测数据发送回远程监测平台。

由于地暖系统的主要作用,是在寒冷地区严寒天气条件下,利用日间光照对大棚内空气的加温作用,通过机械式抽风的方式将热空气导入地下地暖管道,实现对土壤的加热,因此,选取日平均温度在0℃以下的日期作为地暖系统温控效果的样本(样本数据见表2,由于数据量较大,仅以2016年1月12、13日当天9:00~16:00点采样数据为例),分析地暖系统开关对土壤温升作用的影响。

考虑热交换蓄能作用,将入风口与出风口温度差值ΔT、距地面10cm处的土壤温升ΔT10cm、距地面20cm处的土壤温升ΔT20cm作为地暖系统评价指标,对样本数据进行了比较分析,如图12所示。

通过图12a中对于ΔT与ΔT20cm两项指标进行对比分析,在样本日15:00~16:00,入风口温度范围为15℃~18℃,出风口温度范围为12℃~15℃,此时ΔT不大于3℃,地暖管道内热能较低,地暖系统无论开关,ΔT20cm变化都不大,无法实现作物有效生长区域周围土壤的加热作用,本试验结果与有限元仿真分析结果类似。

当ΔT逐渐增大(图12b),地暖系统开启时,ΔT20cm指标显著升高,地暖系统关闭时土壤温升效果明显减弱,但与浅层土壤温度ΔT10cm的关系不明显,此结论与二维稳态径向温度分布结果一致。


4 结论

(1)管道内热空气恒定加载、地暖系统径向温度热平衡状态下,从温度分布效果可以看出,地暖管道的加热范围有限,当管道内热空气温度大于28℃时,可满足Qf指标要求,实现地暖系统有效作业,因此,可据此对地暖系统的开启温度进行设置。

(2)地暖系统的温升效果沿管道轴向方向逐渐减弱,其辐射范围有限,对于系统入风口、出风口分别安装在大棚两侧的结构,无法实现整个大棚土壤的全面升温作用,需对其安装结构进行调整。

(3)通过验证试验,进一步验证了数值分析模型的有效性,但验证试验温升结果略低于模拟仿真分析结果,其原因主要是二维热分析模型未考虑到温室大棚土壤向温室外散热散失掉的热能。

(4)利用主动式温室地暖系统可有效提高温室浅层土壤温度,促进作物根系生长,但目前单边式送风结构在地暖管道轴向分布的加热范围有限,需进一步考虑优化地暖系统结构,提升系统运行效果。


参考文献

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