以地熱能為熱源溫室大棚土壤溫度場(chǎng)的研究

“30碳達峰，60碳中和”開(kāi)啟了可再生能源時(shí)代的大幕．大力推動(dòng)新時(shí)代可再生能源大規模、高比例、高質(zhì)量、市場(chǎng)化發(fā)展，有力推動(dòng)可再生能源從能源綠色低碳轉型的生力軍成長(cháng)為碳達峰碳中和的主力軍，為構建清潔低碳、安全高效的能源體系提供堅強保障．地熱能作為可再生能源的代表，具有清潔、環(huán)保、高效、豐富、低溫的優(yōu)點(diǎn)，是溫室大棚熱源的優(yōu)先選擇目標．

室內環(huán)境下（15℃）土壤初始溫度曲線(xiàn)

當溫室大棚室內環(huán)境溫度為15℃時(shí)，土壤初始溫度為8℃時(shí)．假設土壤為各向同性的固體，物性參數為常數．忽略由于土壤中水分遷移而引起的熱遷移．已知土壤導熱系數為2.04 W/（m·℃），密度為2400kg/m3，比熱容為921.1J/（kg·℃），在此條件下模擬土壤不同深度下的溫度值，從而得到土壤表面不同深度下土壤溫度曲線(xiàn)圖．

土壤表面不同深度下土壤溫度曲線(xiàn)圖

圖1為土壤溫度隨著(zhù)時(shí)間積累各不同深度監測點(diǎn)的溫度曲線(xiàn)圖，室內環(huán)境溫度為植物適宜的環(huán)境溫度15℃，監測點(diǎn)距離土壤上表面的垂直距離分別為0.06m、0.10m、0.14m、0.18m、0.22m、0.26m、0.30m，每相鄰兩監測點(diǎn)相差4厘米．從圖中我們可以看出：土壤溫度變化速度與范圍隨著(zhù)監測點(diǎn)深度和時(shí)間的變化而變化．

整體上來(lái)看，土壤監測點(diǎn)內的溫度具有升高的趨勢，距離地表最近的溫度變化較?。S著(zhù)深度的增加土壤溫度升溫較快．隨著(zhù)時(shí)間的增加，土壤的溫度逐漸趨于穩定．這說(shuō)明，隨著(zhù)時(shí)間的增加，土壤溫度在一定范圍內有著(zhù)提高，表面溫度的影響也隨之下降．為了節能，室內溫度選擇植物適宜的15℃時(shí)，土壤溫度達不到適宜溫度，在實(shí)際項目中有必要用地埋管來(lái)提高土壤的溫度．

溫室大棚土壤溫度場(chǎng)模型建立

(1）忽略溫室內部的溫度差異，將溫室內部溫度看作一致．

(2）土壤、地埋管為各向同性的固體，物性參數為常數．

(3）忽略沿管長(cháng)方向的傳熱，將地埋管周?chē)寥罍囟葓?chǎng)作為二維瞬態(tài)導熱問(wèn)題處理．

(4）忽略土壤內水分遷移引起的熱遷移．

(5）由于地埋管管壁很薄，認為管壁與土壤導熱系數相同．

土壤溫度場(chǎng)數學(xué)模型

模型建立與參數設置

將溫室大棚土壤的計算模型假定為一個(gè)1×1(m）的計算模擬區域，地埋管位于模型中的坐標為（0.5,0.5）米．將計算區域網(wǎng)格用網(wǎng)格劃分軟件Gambit劃分．劃分完成后檢查其準確性．然后將模型導入Fluent軟件進(jìn)行參數的設置，開(kāi)始對模型進(jìn)行模擬．網(wǎng)格劃分如下：

初始條件和邊界條件

1）土壤：土壤導熱系數為2.04 W/（m·℃），密度為2400kg/m3，比熱容為921.1J/（kg·℃）；

2）聚乙烯管（pe）導熱系數為0.4 W/（m·℃），密度為933kg/m3;

3）供水平均溫度：50℃；

4）冬季土壤區域初始溫度為8℃，溫室地表環(huán)境溫度為15℃，地表與空氣對流換熱系數為7W/m2.

地埋管布置示意圖

結論

(1）影響溫室大棚土壤溫度場(chǎng)的因素有地埋管的管徑，間距以及埋深．地埋管管徑越大，影響到的土壤的溫度范圍就越廣，熱作用半徑越大；當管徑相同時(shí)，間距越大導致土壤溫度場(chǎng)不均勻分布；埋深直接影響植物根系溫度．

(2）當假設土壤物性均勻不變的前提下，忽略地埋管沿管程方向的溫變以及管壁的導熱時(shí)，通過(guò)利用Gambit建立溫室土壤的二維模型，并導入FLUENT進(jìn)行數值模擬計算，對模擬結果從節能和經(jīng)濟效益考慮，在地源熱泵提供熱水平均溫度50℃時(shí)，當管徑為25mm，間距30cm，埋深在57.7cm時(shí)溫室土壤溫度場(chǎng)為最佳，此時(shí)溫室土壤5-25厘米平均溫度為22.14℃．