日光溫室燃池——地中熱交換系統(tǒng)研究.pdf

1、在冬季，為保證在出現(xiàn)極端天氣條件下日光溫室能夠正常生產(chǎn)，一般都采取了人工加溫的方式。目前常用的加溫方式有熱水加溫系統(tǒng)、熱風(fēng)爐加溫系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)、電熱泵等，采用的主要能源為燃煤、燃油、燃?xì)庖约半娔?，設(shè)備費(fèi)用高，運(yùn)行費(fèi)用高，使得其應(yīng)用受到很大程度的限制。 日光溫室燃池．地中熱交換系統(tǒng)將日光溫室燃池加熱系統(tǒng)、地中熱交換系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)系統(tǒng)的運(yùn)行，提高地溫、溫室內(nèi)氣溫，并能有效的降低溫室內(nèi)濕度。在冬季白天，通過(guò)風(fēng)機(jī)、地下熱交換管

2、道進(jìn)行循環(huán)，把燃池釋放出來(lái)的熱量傳入地下，貯存起來(lái)，以達(dá)到提高地溫的目的；夜間通過(guò)風(fēng)機(jī)、地中熱交換管道及地上管道，把燃池釋放的熱量、白天貯存到地下的熱量釋放到空氣中，達(dá)到提高氣溫及降低空氣濕度的目的。在夏季，當(dāng)溫室內(nèi)的空氣溫度較高時(shí)，通過(guò)風(fēng)機(jī)、地中熱交換管道進(jìn)行循環(huán)，達(dá)到降低溫室內(nèi)空氣溫度的目的。 本研究的主要內(nèi)容包括：(1)分析日光溫室燃池-地中熱交換系統(tǒng)的傳熱機(jī)理，根據(jù)對(duì)流、傳導(dǎo)及輻射的傳熱理論，建立日光溫室燃池-地中熱交換

3、系統(tǒng)熱量傳遞的數(shù)理模型，并進(jìn)行數(shù)值分析；(2)根據(jù)模型分析日光溫室燃池-地中熱交換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)熱工性能的影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，設(shè)計(jì)日光溫室燃池．地中熱交換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；(3)通過(guò)試驗(yàn)分析日光溫室燃池-地中熱交換系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)熱工性能的影響，研究系統(tǒng)的基本運(yùn)行規(guī)律；(4)通過(guò)試驗(yàn)研究日光溫室燃池一地中熱交換系統(tǒng)的溫度環(huán)境特點(diǎn)，并驗(yàn)證傳熱模型的正確性。通過(guò)模型(試驗(yàn))研究不同布置方式的溫室溫度分布特點(diǎn)及對(duì)溫室

4、溫度環(huán)境的影響；(5)分析日光溫室燃池一地中熱交換系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)其做出綜合評(píng)價(jià)。 將燃池．地中熱交換系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)引入日光溫室，作為日光溫室的輔助加熱設(shè)施，尚屬首次，它的研究與使用對(duì)日光溫室加熱設(shè)施是一個(gè)補(bǔ)充，同時(shí)彌補(bǔ)了燃池、地中熱交換系統(tǒng)加熱效果及加熱能力等方面的不足。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：(1)首次將目光溫室燃池-地中熱交換系統(tǒng)應(yīng)用于日光溫室中。日光溫室燃池-地中熱交換系統(tǒng)加熱屬于地面(地板)加熱方式，這種加熱方式通

5、過(guò)對(duì)作物的根區(qū)進(jìn)行加熱，與其它的加熱方式如熱水、熱風(fēng)等加熱方式相比具有節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，并且對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量、光合作用等都會(huì)產(chǎn)生積極的影響；(2)進(jìn)行了日光溫室燃池.地中熱交換系統(tǒng)在冬季使用時(shí)的加熱機(jī)理研究，并根據(jù)熱力學(xué)與傳熱學(xué)基本理論建立了日光溫室燃池-地中熱交換系統(tǒng)加溫的數(shù)學(xué)模型；通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)在夏季降溫時(shí)，考慮連續(xù)通風(fēng)與間歇通風(fēng)的不同工況下的降溫機(jī)理研究，建立了利用地中熱交換系統(tǒng)降溫的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析和試驗(yàn)研究；(3

6、)對(duì)建立的日光溫室燃池.地中熱交換系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值分析及數(shù)學(xué)模擬；對(duì)建立的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型用二維不穩(wěn)定導(dǎo)熱微分方程及邊界條件來(lái)描述，模型中把地中熱交換通風(fēng)管道模擬為無(wú)限長(zhǎng)圓柱體，能夠真實(shí)地反映空氣沿管道長(zhǎng)度，并隨通風(fēng)時(shí)間的不斷變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程；給出了數(shù)學(xué)模型的求解方法，為模型的求解建立基礎(chǔ)；最后利用ANSYS熱分析軟件進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬分析；(4)進(jìn)行了日光溫室燃池.地中熱交換系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)效益分析。利用費(fèi)用現(xiàn)值和費(fèi)用年值方法對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)

7、價(jià)，結(jié)合日光溫室燃池一地中熱交換系統(tǒng)的運(yùn)行情況，對(duì)日光溫室燃池-地中熱交換系統(tǒng)初投資回收期進(jìn)行了預(yù)測(cè)。本文對(duì)燃池.地中熱交換加熱系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析和試驗(yàn)研究，得到以下主要結(jié)論：(1)分析了日光溫室燃池.地中熱交換系統(tǒng)加熱機(jī)理及傳熱機(jī)理，建立了日光溫室燃池.地中熱交換系統(tǒng)加溫?cái)?shù)學(xué)模型；建立了利用地中熱交換系統(tǒng)降溫的數(shù)學(xué)模型。模型中把地中熱交換通風(fēng)管道模擬為無(wú)限長(zhǎng)圓柱體，能夠真實(shí)地反映空氣沿管到長(zhǎng)度，并隨通風(fēng)時(shí)間的不斷變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程；

8、給出了該數(shù)學(xué)模型的有限差分法求解方法，為模型的求解建立基礎(chǔ)；利用ANSYS熱分析軟件進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬分析，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性：(2)日光溫室燃池.地中熱交換系統(tǒng)可以有效的提高溫室內(nèi)的土壤溫度和氣溫。測(cè)試結(jié)果表明，采用燃池.地中熱交換系統(tǒng)一側(cè)的土壤平均溫度比對(duì)比側(cè)的土壤平均溫度高約2.0℃；晝夜平均氣溫高2.6℃，夜間平均氣溫高4.2℃；采用燃池-地中熱交換系統(tǒng)土壤溫度分布較均勻，沿地中熱交換管道縱向方向各點(diǎn)最高和最低溫度的溫差僅

9、為0.3℃～0.9℃；沿地中熱交換管道橫向方向各點(diǎn)最高和最低溫度的溫差為0.4℃～0.9℃；另外，對(duì)兩側(cè)室內(nèi)濕度數(shù)據(jù)分析表明，應(yīng)用日光溫室燃池-地中熱交換系統(tǒng)可以明顯減少溫室內(nèi)相對(duì)濕度飽和時(shí)間，減少相對(duì)濕度飽和時(shí)間約2～3 h；(3)燃池-地中熱交換系統(tǒng)在夏季運(yùn)行可以有效的降低溫室內(nèi)的氣溫。測(cè)試結(jié)果表明，熱交換一側(cè)與對(duì)比側(cè)室內(nèi)平均氣溫分別為24.7℃、25.4℃，變化不大。但在風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間(測(cè)試期間風(fēng)機(jī)在10：00～16：30運(yùn)行)，熱

10、交換側(cè)與對(duì)比側(cè)室內(nèi)平均氣溫分別為30.3℃、35.4℃，平均降溫5.1℃；熱交換側(cè)最高氣溫為32.0℃，對(duì)比側(cè)最高氣溫達(dá)38.0℃；夜間的氣溫較對(duì)比側(cè)略高。試驗(yàn)也表明，地中熱交換管道進(jìn)、出口空氣平均溫度分別為24.7℃、19.8℃，平均降低氣溫4.9℃；(4)利用費(fèi)用現(xiàn)值和費(fèi)用年值方法對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。分析表明，日光溫室燃池-地中熱交換系統(tǒng)的費(fèi)用現(xiàn)值和費(fèi)用年值比熱風(fēng)加熱系統(tǒng)分別低30.8％和57.4％；比熱水加熱系統(tǒng)分別低27.4％和

11、55.2％。結(jié)合日光溫室燃池一地中熱交換系統(tǒng)的運(yùn)行情況，預(yù)測(cè)出該系統(tǒng)的初投資回收期為2.1年；(5)日光溫室燃池-地中熱交換系統(tǒng)可以充分利用太陽(yáng)能及生物質(zhì)能資源，節(jié)能率為31.6％，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也具有較好的社會(huì)和生態(tài)效益。把燃池-地中熱交換系統(tǒng)作為日光溫室的備用加熱設(shè)施，在實(shí)踐中進(jìn)行了應(yīng)用。本文通過(guò)理論分析和試驗(yàn)，進(jìn)行了初步的研究。研究表明，日光溫室燃池-地中熱交換系統(tǒng)較燃池、地中熱交換系統(tǒng)從加熱效果、供熱能力上均有很大的改