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利用空气—土壤换热系统对温室降温除湿的分析点击：1745 日期：[ 2014-04-26 21:39:35 ] |
| 利用空气—土壤换热系统对温室降温除湿的分析 崔良卫 杜震宇 (太原理工大学环境科学与工程学院,山西 太原 030024) 摘 要:叙述了利用FLUENT6.3软件中的组分输运模型及多相流模型,对置于温室外的空气—土壤换热器(SHESS)进行三维动态模拟,采用典型时段的气象参数,分析换热器在输入环境空气时出口温度和含湿量随时间的变化趋势。指出,埋管深4 m的换热器,最大可将输入空气的温度降低10.9℃,平均可降低9.2℃;最大减少含湿量8.14 g/kg·干,平均可减少3.86 g/kg·干,得出,空气—土壤换热器在北方地区夏季对温室具有明显的降温除湿效果的结论。 关键词:温室;空气—土壤换热系统;降温 中图分类号:TK529 文献标识码:A 文章编号:1674-3997-(2010)03-0035-03 0·引言 近年来,日光温室在中国得到迅速的发展和普及。随着对日光温室结构、保温、采光等进行研究和优化设计的同时,日光温室的配套设施以及生产管理水平得到完善和改进。传统的日光温室由于夏季蒸发降温系统会产生高湿环境,已无法满足现代农业的要求。寻求合理、可靠的夏季温室降温除湿技术,是农业发展的保障之一。罗迎宾,等把地热能用于温室,建成了高效与节能的地热温室[1]。江晴,等利用Carol Gauthierand Marcel Lacroix提出的三维动态SHESS模型(HeaExchangers for Solar Systems)对空气—土壤换热器进行了三维动态模拟计算,结果表明,空气—土壤换热器在华南地区冬季气温回暖期间对温室有明显的降温效果[2,3]。笔者出于简化地热温室系统降低设备初投资的思路,借鉴三维动态SHESS模型,提出将空气—土壤换热系统置于温室外,应用数值模拟软件,研究这一系统在夏季温室降温除湿中的可行性。 1·物理模型 置于温室外的空气—土壤换热器由若干根直径100 mm的PVC塑料管水平排列组成。参考Lacroix教授的优化结果[3],塑料管管间距取0.5 m,单根管管长10 m,管内空气流速9.5 m/s,计算埋管深度分别取2 m,3 m和4 m(见图1)。 在此基础上,将换热器划分为若干单元,每一单元内设有1根塑料管,相邻单元的所有物理量在界面两边是对称的,每个单元简化为等同的流场和温度场(见图2)。 土壤中的导热是瞬态和三维的。为简化理论分析,作以下基本假定。 a)土壤中的热物性参数是常数,并将土壤按均匀的、各向同性的饱和多孔介质考虑。土壤计算参数采用实验地(太原市小店区)某温室育种基地的实测数据,其孔隙率为0.37,导热系数k=1.77 W/(m2·K),热容量Cp=1 425 J/(m3·K),密度ρ=2 000 kg/m3; b)忽略塑料管管壁的导热热阻。 根据以上假定,土壤中的传热方程简化为: 2·土壤原始温度场和环境温湿度 由式(4)[4]计算土壤原始温度场(初始土壤温度场),给出7月份的土壤温度。 经分析可知,当地层深度y值增加后,其温度波幅逐渐减小。对于土壤地层,当y=15 m时,其温度波幅已经减小到一般工程计算可以忽略不计的程度,故称为等温层[4]。经计算,实验地地层深度15 m处的温度约为11.30℃。 环境温湿度采用文献[5]提供的实验地典型年份(气温最高)的逐时气象参数。 3·边界条件处理 a)温室空气—土壤换热器的空气入口为velocity-inlet,保证管内流速9.5 m/s;出口为outflow。输入空气—土壤换热器的空气来自环境;b)设换热器的侧面为对称面;c)设换热器底部(地层15 m深处)温度为11.3℃;d)土壤表面的边界条件较为复杂,受太阳辐射、大气对流、表面蒸发和辐射制冷等因素的影响。假设从地表导入土壤的热量与自然对流换热的热量相当[6],于是这一边界条件被简化为: 4·网格划分与计算 网格划分采用Gambit中的Submap方法生成。计算从7月29日0时开始,连续计算3 d。计算的时间步长取600 s。 5·结果与讨论 图3描述了埋管深度4 m时,空气—土壤换热器空气进出口温度在连续3 d内的变化情况。横坐标代表时间步长,步长为600 s,纵坐标代表温度K。实线代表空气进口温度(环境温度),虚线代表出口温度。空气进口最高温度和出口最高温度约在每天13时10分后达到,但空气出口最高温度滞后少许。两者最大温差为10.9℃,最低温差为5.9℃。3 d内环境平均温度为27.9℃,换热器出口平均温度为18.7℃,平均降幅为9.2℃。 图4描述了埋管深度2 m时,空气—土壤换热器空气进出口温度在连续3 d内的变化情况。空气进口最高温度和出口最高温度同样约在每天13时10分后达到。与埋管深度4 m时相比较,进出口温度两者最大温差为9.6℃,最低温差为5.7℃。3 d内换热器出口平均温度为20.3℃,平均降幅为7.6℃。由此可知,埋管深度为2 m时,运用空气—土壤换热器已可获得较好的降温效果。 埋管深3 m时,降温效果介于埋深2 m与4 m间。比较3种不同埋深下降温效果可知,埋管深度在2 m以下时,埋管越深降温效果越好,但增幅不明显。 图5描述了空气—土壤换热器(埋管深度4 m),从7月29日0时开始至7月31日13时,连续运行的平面温度分布。此平面将塑料管从中间剖开。因此,可看到空气—土壤换热器的温度分布,又可看到管内温度的变化。此为3 d内环境温度最高时刻。从管左端与管右端灰度差异及周围灰度分布看出,系统运行较长一段时间后仍然具有明显的降温效果。 图6描述了埋管深度4 m时,空气—土壤换热器进出口空气含湿量,在连续3 d内的小时变化情况。横坐标代表从7月29日0时起的小时累计值,纵坐标代表含湿量(g/kg·干)。实线代表进口空气含湿量,虚线代表出口空气含湿量。3 d内环境空气平均含湿量为17.48 g/kg·干,换热器出口空气平均含湿量为13.62 g/kg·干,平均降幅为3.86 g/kg·干。最大降幅为8.14 g/kg·干。空气—土壤换热器夏季对温室具有较好的除湿效果。 6·结论及建议 中国是个大陆性和季风性气候极强的国家,夏季酷热潮湿。温室内过高的温湿度,不仅会抑制植物的生长,而且会滋生病虫害,增加农业生产的成本。温室夏季采用空气—土壤换热器能达到较好的降温除湿效果。以10 m长,埋深4 m,直径100 mm的PVC塑料管为例,在管内空气流速为9.5 m/s下,连续运行3 d,管两端温差平均为9.2℃,含湿量平均降幅为3.86 g/kg·干。可以预见,置于温室外的空气—土壤换热器在夏季温室降温除湿方面具有很高的应用价值。鉴于管内伴随有水蒸气的冷凝,为保证凝水的顺利排出,塑料管应具有一定的坡度,并在管端设水封。 参考文献: [1]罗迎宾,蒋绿林,徐 丽.地源热泵温室系统的应用研究[J].农机化研究,2007(4):59-61. [2]江 晴,李戬洪,梅建滨.温室空气—土壤换热系统的数字模拟[J].太阳能学报,2002,23(2):227-232. [3]Carol Gauthier, Marcel Lacroix, HervéBernier. NumericalSimulation of soil heat exchanger-storage systems for green-house[J].Solar Energy, 1997,60(6):333-346. [4]牟灵泉.地道风降温计算与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,1982. [5]中国气象局气象信息中心气象资料室,清华大学建筑技术科学系.中国建筑环境分析专用气象数据集[DB/CD].北京:中国建筑工业出版社,2005. [6]陈 砥.基于热渗耦合作用下的埋管换热性能研究[D].大连:大连理工大学,2008. [7]R.O.Slayer.Plant-water relationships[M].London and NewYork:Academic Press,1971. |
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