日光温室地下蓄热系统中蓄热管路系统的设计研究开题报告
2020-05-26 08:05
1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
文 献 综 述
一、地下埋管蓄热系统的含义
地下埋管蓄热系统一般将水管或风管水平埋于地下，用水或空气作为蓄热介质，在泵或风机的作用下通过管壁与土壤进行热量交换，温室内热量富余时向土壤蓄热，热量短缺时从土壤取热。
二、研究背景
能耗问题是目前温室生产的突出问题，它是制约设施农业发展及其生产效益的重要因素。日前，世界各国设施农业的能源消费量在逐年增加，其数量在能源的总消费中比重也不断上升，据联合国的统计，每年农业生产中耗能量有35%用于温室的加温，能源消耗费用占温室作物生产总费用15%-40%，欧洲用于温室加热和制冷的能量大约占欧洲能源总消费量1.5%，其南部地区的温室内平均每年每平方米栽培面积消耗电能大约相当于7.5L石油的能量，加热系统使温室投资和运行费用增加了30%。荷兰地处于温和气候带，其温室也是一种高能耗的产业，全国每年温室消耗的天然气可达42亿，占到全国天然气消耗量的12.6%。全国能量总消耗的6.1%，但荷兰温室所生产的能耗仅占生产成本的10%左右，它是一个能源、资金、技术密集且高产值、高效益的农业支柱型产业。我国北纬30#176;-40#176;左右的这些地区，温室冬季里加温能耗分别约占运行总成本的30%-40%， 40%-50%，北纬43#176;以上的地区占60%-70%，此外，炎热的地区温室夏季降温能耗也是不可忽视的。所以，温室加热和降温能耗是温室生产成本的重要组成部分，而且是制约设施农业及其经济效益的重要因素。
表1 我国部分温室加温燃料消耗状况
将地下热交换系统用于日光温室，这不仅充分利用了太阳能．节省了非再生能源及大量的电能．而且还能有力的提高日光温室的经济效益。
三、国外研究成果
山本雄二郎在试验基础上提出了有关空气-土壤热交换器储能系统温室的能量模型，可是受一些因素的限制，模型还是不能根据温室的结构参数及外界的气象参数预测室内的环境条件。高仓直和山川健一在1981年提出了空气土壤热交换器贮能系统的一维稳态的数学模型。该模型不仅包括温室结构、环境参数等影响地中传热量的因素与管道热交换量的计算公式，并且推导出室内平均气温和管道出口处的计算式，这是第一个以土壤作为蓄热材料，较为完整的温室数学模型。它将管道蓄、放热量用结构参数和环境条件等因素明确表达出来，在一定程度上能够反映空气-土壤热交换器储能温室各个状态变量间的数量关系。20世纪70-90年代，有一些科学家提出一维单管模型，单管轴对称模型和瞬态单管轴对称模型等，使得土壤热交换器储能技术不断地发展。1995年，Mihalakakou等提出了能够预测建筑物下各种深度的温度模型，该模型也可用于确定建筑物下有空气-土壤热交换器系统条件下的地下温度场，管子附近一定位置的温度通过地下热交换器引起的土壤温度变化及地面温度引起的土壤温度变化的叠加来确定。1997年Carol Gauthier等提出了用于空气-土壤热交换器贮能系统的完全瞬时三维传热模型，该模型可用于处理多层埋管、非均匀土壤特性、绝热边界、瞬时边界条件、管内冷凝及蒸发。该模型通过实验得以验证。从20世纪70年代开始，日本许多学者对空气-土壤热交换器贮能系统的温室进行了试验，对其实用性、经济性及设计参数的确定进行了较深入的研究，并应用于生产实际中，获得了较好的效果。1985年，Coffin设计了一种小型试验温室，将直径为10cm的空气管道分两排埋在地下30cm和60cm处，室内气温可保持比室外最低气温高10。1987年，Benier等用 16根塑料管，埋于玻璃覆盖的温室地下0.45m和0.75m深处，每根管道长12m，直径10.2cm，空气循环量为3240msup3;/h该系统可满足温室的年增温需求量的35%。1987年，Bascetinselik在一座835㎡聚乙烯覆盖的温室内采用了空气-土壤热交换器贮能系统，将10cm直径的塑料管埋在地下0.5m处，轴流风机流量为10000，在1-2月期间，温室内平均气温保持高于外部气温5℃，同时室内相对湿度减小到 65%。K.Kurata与T.T akakura研究表明，太阳能季节贮存系统不能有效实现太阳能地下贮存，太阳能 日贮存系统可利用的热能与所消耗的电能之差仅6.52，系统效率低的主要原因是热量从未隔热的蓄热区域边界流失
四、国内研究成果
国外对温室中的地下热交换系统的研究进行比较早。我国起步较晚，马承伟(1984)对塑料大栅中采用地下热交换系统进行了初步的探索，重点是研究其土壤温度分布特征。杨晓光, 吴德让及 Y.Deng,T.Takaku-ra等在前人的研究基础上建立了非稳态地温场的数学模型, 并编制了计算程序。本文在此基础上, 用差分法计算出土壤的热扩散率, 建立了非稳态地温场的数学模型 , 可较准确的反应土壤的热扩散特性。
江晴，李戬洪，梅建滨用FLUENT5.4软件对空气-土壤换热器(SHESS)进行三维动态模拟计算。研究了换热器进出口温度随时间的变化、 温度和压力在换热器中的分布。 结果表明，采用双排管布置，可以保证所有管内的流量均匀分布；采用压头150Pa的排风扇可以保证管内空气流速在最佳范围之内。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。
张林华，王元，曲云霞在采用陶土管的埋管温室中进行了番茄与辣椒等蔬菜栽培试验，试验结果表明，收获期比对照温室提早7d左右，前期产量提高1.3倍左右，总产量提高40%以上，具有很好的经济及社会效益。试验表明，空气-土壤热交换器贮能系统可使塑料覆盖温室夜间升温2.0-4.0，白天降温2.5-6.5；在仅用地下热交换系统增温的情况下，夜间室内温度比室外气温高7-14。
王永维，梁喜凤，王俊，苗香雯为确定双层覆盖温室地下蓄热系统换热管道空气流速对蓄热增温效果及对温室温度与湿度环境的影响。分别测试了该 系统换热管道以不同空气流速蓄热时换热管道进出口空气温度和湿度、地坪温度以及相邻无蓄热系统温室内的气温、土壤温度和室外温度。
张海莲，熊培桂，赵利敏，徐海勤对西宁市一座蔬菜温室地下蓄集太阳热系统的功效进行了测试、分析和研究。实现了多种蔬菜的周年生长和四季长青。并且产生了一定的经济效益。
孟力力，杨其长，Gerard．R A Bot，王梢建立了目光温室热环境模拟模型，定量描述了日光温室内的太阳辐射、对流换热、辐射换热、热传导、自然通风和水分相变带来的潜热对日光温室热环境的影响，根据质能平衡和传热学理论，得到一组关于覆盖物、室内空气、温室分层后墙、分层地面土壤、分层后坡和作物热平衡的微分方程组。利用MATLAB的强大计算能力与VB的良好用户界面建立模拟计算软件，可求得温室各组成部分的温度。通过试验验证，该模型能够比较准确预测日光温室环境温度。
于威，王铁良，刘文合，白义奎，佟国红利用Ansys有限元分析方法，对日光温室内地埋热水管在不同进回水平均温度(30，40，50)、水流速度(0.05，0.10，0.25，0.50)、管道埋深(30，40，50，80cm)、埋管间距(20，4O，50，60，80，100cm )和管道直径(25，32，40，50，63mm)下的土壤温度分布进行研究。结果表明：水温对地表温度影响显著，管道内水流速0.10时地表温度变化不大，在长期平稳条件下，埋管深度、管径对地表温度影响不大，而管间距对土壤温度分布影响显著。
马春生，张静，王双喜对北京农学院一座日光温室的地温进行测试和分析, 建立了非稳态地温场的数学模型, 用差分法计算出土壤的热扩散率, 选用 SAS 软件进行非线性回归, 回归模型较好的反应了土壤温度场分布状况,为进一步研究日光温室地温场特性提供了手段和依据。
底冰，马重芳，张广宇对地埋管式土壤低温储热系统开展了实验研究。在一个储热周期里，进行了土壤蓄热、静置、取热阶段的实验研究，测量了实验条件下蓄热体及周边土壤的温度与含水量变化。结果表明：在一个储热周期里，蓄热过程中热量损失特别显著；蓄热体温度升高造成土壤含水率发生明显变化，蓄热体边界含水率最高，分别沿蓄热体中心与蓄热体外两个方向逐渐降低，在蓄热体中心土壤容积含水率仅为0.12%；蓄热阶段结束两个月后，取热率达到 43%左右。这说明使用地埋管式土壤储热系统对太阳能长期储存是可行的，显示了较好的应用前景。
五、埋管间距及埋管深度的问题：
地下蓄热系统设计中埋管间距的确定是需要解决的重要问题，这关系到所设计的地下蓄热系统使用的可靠性、经济性、节能效果、所需埋管场地面积等一系列的问题。土壤与地埋管之间的换热情况和土壤的热扰动半径，是影响埋管间距的重要因素。
目前，有学者针对地埋管设计问题进行了深入的研究，发现土壤及回填料热物性、埋管结构设计是影响地埋管性能的主要因素。Leong.W.H等人分析了不同土壤热物性下地埋管的换热效果；清华大学的纪文杰，游田以山西省贺职地区一个铁路站房的地埋管地源热泵系统为例，利用软件计算分析了埋管间距和埋管深度对地埋管地源热泵系统长期运行性能的影响。结果表明：不采用补热措施时，地埋管地源热泵系统在寒冷地区长期运行将导致土壤温度持续降低且无法自主恢复，热泵机组的制热量和COP持续降低，室温不保证时间逐渐增加。增大埋管间距和埋管深度可延缓土壤平均温度和系统供热性能的下降，但不能遏止地埋管地源热泵系统性能的衰减。
贾北平，曲云霞，吕召月，邹雪梅针对水平埋管的传热规律及制约因素建立水平埋管周围土壤不稳定温度场的数学模型，并利用有限元进行模拟计算。 其次，在建立地源热泵水平埋管换热器传热模型的基础上，对水平埋管传热和周围温度场分布进行了数值模拟，得出最佳的水平埋管间距，这对地源热泵水平埋管工程设计有一定的指导作用。
杜诗民，刘业凤，艾永杰利用土壤源热泵实验系统，进行不同埋管间距下冬季连续运行实验。采用FLUENT模拟软件建立竖直U型埋管的等效传热模型，对不同实验工况进行了数值模拟，将获得的实验数据与模拟结果进行对比分析。通过分析，得到了不同埋管间距对土壤源热泵系统性能的影响，土壤温度场变化对地埋管换热器换热性能的影响规律。
杜诗民，刘业凤，艾永杰，李续，马俊琳利用土壤源热泵试验系统，进行不同埋管间距下夏季连续运行试验，用FLUENT软件建立竖直 U 型地埋管换热器与土壤间的传热模型，对不同管间距的U型地埋管周围土壤温度场和地埋管换热器传热特性进行了数值模拟，将数值模拟结果与试验数据进行对比分析。通过分析，得到了不同埋管间距对土壤源热泵系统性能的影响大小，以及地埋管周围土壤温度场的变化对地埋管换热器换热性能影响规律，验证了所建立的模型和所用模拟条件的正确性。
图5成都节能中心水平埋管周围土壤温度测点位置平面图
自2005年7月4日至2005年7月27日连续运行24天，实测得到的土壤温度为依据进行分析。各测点的日平均温度实测值如表2所示，各测点日平均温度的平均值及各测点温度递增值如表3所示。
表2 各测点平均温度实测值
表3 各测点日平均温度的平均值及各测点温度递增值
从以上实测数据看出，距离水平埋管越近，土壤温度变化越大，随着距离的增加，温度变化越来越小。
为了研究埋管间距对土壤蓄热效果的影响，(图6)分别对埋管间距为3m,4m,5m的情况进行模拟计算，假设土壤的初始温度为288K，且回填材料和土壤的初始温度是相同的。埋管在蓄热工况下，埋管中流体进口流速为0.5m/s。进口温度为318K，且连续运行3个月。
图6：埋管间距对土壤蓄热量的影响
若埋管间距减小，相邻埋管间的热干扰增强，同时埋管周围土壤体积减少，埋管向周围土壤放出的冷量或热量也相对减少，这样就造成埋管周围土壤中冷量或热量的累积，土壤温度得不到有效的恢复。而对于基于地埋管的太阳能季节性蓄热系统，在进行蓄热时热量不容易扩散，对冬天的取热是有利的。当埋管间距增大时，相邻埋管间的热干扰作用减弱，有利于土壤温度的恢复。而且，由于埋管的占地面积增大，增加了初投资。因此，合理的埋管间距不仅能够节省初投资而且能使机组高效的运行。
六、结论
本文论述了近来年两种比较常见的地下蓄热系统，最后概括了日光温室地下蓄热系统管路设计研究进展。这些研究为发展地下蓄热系统的管路设计提供了丰富的理论依据。随着设计优化的进一步发展，日光温室地下蓄热系统的管路系统研究体系会更加完善。
参考文献
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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
2.1研究或解决的问题
a. 建立地下蓄热系统管路的传热模型，通过调研当地环境条件，建立合理边界条件；
b. 基于计算和数值模拟的结果，分析温室的地下埋管深度及埋管间距对日光温室热环境的影响规律，对热量传递的稳态和非稳态模型进行分析。
