寒區(qū)土壤蓄熱設(shè)計(jì)理論與方法研究

周正　王藝森　楊靜　李芼寰

摘要：摸索出基于最大化捕獲太陽能并提高能源利用率為核心的節(jié)能日光溫室設(shè)計(jì)的方法，為寒區(qū)作物的生長提供適宜的生長環(huán)境并起到積極的作用。本文就當(dāng)前我國北方寒區(qū)節(jié)能日光溫室的發(fā)展現(xiàn)狀，和依據(jù)太陽能輻射計(jì)算公式、泥土傳熱理論、泥土溫度的計(jì)算等計(jì)算方法綜合的理論研究，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)、建設(shè)與測試等的過程和方法。針對寒區(qū)日光溫室創(chuàng)建了適用的地埋管傳熱模型、線熱源理論。

關(guān)鍵詞：太陽能;日光溫室;太陽能

一、研究背景：

日光溫室是我國重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性建筑之一，而且是我國特有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施。我國在溫室土壤蓄熱研究方面，就有著眾多的學(xué)術(shù)成果。本文就在擁有大量前任的理論和實(shí)踐以及研究出的豐富埋管蓄熱類型的理論基礎(chǔ)上，研究出了適用于我國北方寒區(qū)的日光溫室蓄熱設(shè)計(jì)。

本項(xiàng)目研究的溫室適用于冬季寒冷、但光照充實(shí)的地區(qū)，幫助此地區(qū)的人們進(jìn)行反季節(jié)菜蔬、花草和瓜果的生產(chǎn)。然而我國溫室設(shè)計(jì)中普遍存在的溫室設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)不足導(dǎo)致的不同區(qū)域溫室建造的雷同性，造成了我國日光溫室普遍的的熱、光環(huán)境質(zhì)量相對較差;這些問題都導(dǎo)致了我國日光溫室整體的質(zhì)量相較國外的日光溫室質(zhì)量低下。在這種情況下本研究創(chuàng)建了基于合理的獲取太陽能熱量的平衡以及泥土蓄放熱能量守恒為核心的研究方法、提出了太陽能土壤蓄熱溫室設(shè)計(jì)的方向和理論。

二、研究內(nèi)容

主要為模擬、數(shù)值計(jì)算、結(jié)果討論分析和國內(nèi)外市場考察等，研討本文寒區(qū)土壤溫室蓄熱。本文著重分析太陽輻射能和土壤傳熱理論。在此基礎(chǔ)上研究溫室內(nèi)的光熱環(huán)境變化，掌握溫室內(nèi)光熱環(huán)境變化規(guī)律，建立了合理的溫室采光、保溫和埋管蓄熱理論，形成能夠合理指導(dǎo)溫室設(shè)計(jì)的理論方法。

（一）土壤傳熱理論

太陽能土壤源熱泵能否被推廣應(yīng)用開來，一方面在于經(jīng)濟(jì)成本的問題，另一方面在于系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的合理性、可行性和節(jié)能性。因此要想更加準(zhǔn)確地計(jì)算出土壤的蓄熱量和蓄熱功率等數(shù)據(jù)，就要不斷完善的埋管換熱器的傳熱模型。

（二）線熱源理論

線熱源理論核心是將地下埋管換熱器模型簡化成以地埋管為軸心的恒定內(nèi)熱源，并以該軸為中心創(chuàng)建出呈輻射狀向四面?zhèn)鳠岬膫鳠崮Ｐ?，如圖。采用該傳熱模型理論要對其進(jìn)行以下簡化：

1.土壤初始溫度相同;

2.地下土壤是無限大傳熱介質(zhì);

3.土壤熱物性各項(xiàng)同性，且固定不變;

4.管長方向的傳熱不予考慮;

5.忽略鉆孔的幾何尺寸。

6.忽略土壤熱濕遷移。

在進(jìn)行以上簡化的同時，還要保證回填土壤的密實(shí)性，保證回填材料與鉆孔壁接觸良好，由此采用線熱源模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果相對誤差較小。

三、結(jié)語

本研究采用試驗(yàn)、模擬和數(shù)值計(jì)算等方法，探討溫室內(nèi)的光熱環(huán)境變化，在此基礎(chǔ)上掌握了溫室內(nèi)光熱環(huán)境變化規(guī)律，建立了合理的溫室采光、保溫和埋管蓄熱理論，形成了能夠合理指導(dǎo)溫室設(shè)計(jì)的理論方法。研究過程中我們用列舉“優(yōu)勢和待解決”的方法總結(jié)問題，并總結(jié)出應(yīng)對這些待解決問題的方法并加以嘗試。

最后我們總結(jié)出溫室內(nèi)的結(jié)構(gòu)決定著溫室內(nèi)的基本環(huán)境，一個適合本地區(qū)的溫室結(jié)構(gòu)是非常重要的;而環(huán)境是作物生長的基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算模擬等操作，將設(shè)計(jì)、監(jiān)控、預(yù)報(bào)和管理等有機(jī)地結(jié)合起來，建立更加高效的數(shù)字化、智能化溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳培強(qiáng).嚴(yán)寒地區(qū)小型太陽能土壤源熱泵系統(tǒng)的耦合特性研究[D].哈爾濱商業(yè)大學(xué)，2020.

（長春工程學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目：寒區(qū)土壤蓄熱研究，項(xiàng)目編號：S202111437077）