魏巍, 杨林艳*, 柴云娥, 顾金寿, 刘孝敏, 刘叶瑞

(1.甘肃自然能源研究所, 兰州 730046; 2.甘肃省低碳建筑工程技术研究中心, 兰州 730046)

土壤-空气换热器(earth-to-air heat exchanger,EAHE)是利用换热管内空气与周围土壤的温度差,通过风机驱动作用实现热交换的设备[1]。土壤-空气换热器以浅层土壤作为蓄热体,即冷源或热源,利用土壤和空气之间的温度差,将通过浅层土壤的空气送到温室内,昼间或晴天降低温室内空气温度,夜间或阴天提高温室内空气温度,实现日光温室内能量的“日存夜用,晴存阴用”。土壤温度影响植物根系生长,适宜的根系温度能促进营养物质的吸收,从而影响植物的生长。目前,有关温室土壤-空气换热器的土壤温度的研究日益增多。Li等[2]研究了一种新型双层地埋管结构,研究表明系统的加热性能和制冷能力与进风温度和速度有关系,经济分析证明了系统具有可持续性。Lin等[3]研究了不同土壤含水量对不同深度土壤温度的影响,通过实测数据和模拟分析,土壤含水量能显著影响土壤热特性,从而影响土壤-空气换热器的热效率。Boutera等[4]研究了土壤温度、土壤-空气换热器深度、经济等之间的关系,并确定了尺寸和成本,研究结果表明:夏季土壤-空气换热器可以将温度从47 ℃降低到27.1 ℃,冬季能够将温度从4.8 ℃升高到22.9 ℃。

Yu等[5]研究结果证明,较深的埋深、较长的管长和较小的管径可以获得较好的传热效率和热容量。李静等[6]研究了土壤-空气换热器周围土壤温度随空气温度和风速变化的变化规律,结果表明:在入口风速在0.5～4.5 m/s范围变化时,管内空气与土壤之间换热量增多、土壤温度波幅增大。杨茂林等[7]研究了土壤-空气换热系统周围土壤的温度、湿度迁移规律等。结果表明:土壤空气换热器热湿耦合作用明显,温度和湿度对互相的迁移有一定影响。李世雄[8]分别分析土壤空气换热器管间距、埋管深度、进气角度3种参数对气流流动和分布的综合性能影响,认为优化结构参数后的土壤空气换热可显著改善日光温室热环境,并且可以为后续的优化和推广提供参考。秦旖等[9]建立了含水率不同的土壤分层模型与换热管模型,数值模拟了冬天晴天土壤温度场模型,并且模拟值与实测值吻合性较好。王志斌等[10]建立了土壤-空气换热器作用下的温室热湿环境数值模拟,采用了DO模型和组分运输模型。结果表明:数值模型可以对日光温室热湿环境准确研究,距地面0.5～2.5 m处土壤-空气换热器对日光温室热湿环境处理具有良好效果。

上述研究以分析土壤-空气换热器的传热特性为主,针对土壤温度与其他影响因子之间的关系的研究较少,土壤温度是分析土壤-空气换热器性能优劣的关键因素。因此,现针对寒冷地区双膜日光温室进行土壤-空气换热器土壤温度试验研究,揭示土壤温度场与各影响因子之间的关系,以期为后续土壤-空气换热器的埋管深度、间距等系统的优化提供数据支持,推广系统在日光温室中的广泛应用。

1 试验方案

1.1 试验温室

试验日光温室位于甘肃自然能源研究所太阳能采暖与降温示范基地内(124°10′E,35°55′N)。温室结构采用半圆弧形骨架与墙体围合而成,朝向为坐北朝南,南北跨度9.7 m,长度为63 m,东西山墙和后墙均采用聚苯乙烯泡沫模块现浇混凝土保温剪力墙,温室大棚外膜和内膜均采用聚氯乙烯薄膜。图1为双膜日光温室的剖面图,温室的外膜和内膜之间形成热缓冲区,白天吸收储存多余的太阳能,夜间防止热量向室外散失。

图1 双膜日光温室剖面图

图2为土壤-空气换热器布置图。在温室地下敷设换热管,每组有1根竖直风管和10根水平风管组成,管长8 m,管径为Φ100 mm,管道安装为坡向安装,便于冷凝水的排出。

1为进风口;2为竖直进风管;3为水平汇合管;4为地埋送风管;5为进风风机;6为竖直出风管;7为集水槽;8为出风风机;9为相变蓄热墙;10为温室;11为温度传感器;12为湿度传感器

竖直管道上部安装轴流风机。风机入口采用单入口,出口采用多通道出口,满足土壤温度场均温性要求。风量的大小采用出口处蝶阀控制。冬季白天室内温度过高时,开启进风口,热量储存在土壤中;夜间室内温度偏低,土壤内热量可以放出,提高室温。

为证实双层温室效果,设置一单膜温室为对比温室,采用相同建造构造,相同覆盖材料,相同建筑面积,如图3所示。

图3 单膜日光温室

1.2 温室管理办法

1.2.1 温室管理原则

白天首先卷起外层保温被,室内温度达到植物适宜温度上限时打开内膜,温度继续升高,打开上通风口降温,温度下降后先关闭上通风口,后关闭内膜,最后关闭外层保温被。试验期间温室内种植辣椒,适宜温度在15～34 ℃,苗期白天22～30 ℃,夜晚15～18 ℃最好。晴天时,早上打开外层保温被,随着辐射的增加,室内温度继续上升,当室内温度大于苗木最高适宜温度30 ℃时,打开内膜,此时室温若继续上升至34 ℃时,打开上通风口,保持室内温度于22～30 ℃范围内。下午,随着太阳辐射强度减弱,室内温度降至25 ℃时,关闭上风口。此后,室内温度会存在先升后降的波动,温度继续下降时关闭内膜。下午17:00左右,太阳辐射降为0,关闭内膜,完成一天的控制。当连续阴天或者雪天时,内膜不打开,保持室内热量不散失。

1.2.2 风机启停原则

室内平均温度大于土壤平均温度时,风机启动,热量进入土壤蓄热;室内温度小于土壤平均温度时,风机停止,土壤向室内自行放热。

对照温室采用传统温室管理办法。

2 试验仪器与测点布置

2.1 试验仪器

为研究双层温室土壤温湿度影响原理,测试日光温室室内空气温度、空气相对湿度、太阳辐射强度、土壤温湿度等数据。测试仪器及参数见表1。

2.2 试验测点

为研究土壤-空气换热器对周边植物根系下土壤温度的变化规律,以一处位于地下0.5 m,管径100 mm的管道研究对象。地表面以下深度方向为Z轴正方向。

在地垄处布置500 mm土壤熵情监测仪,周边各300 mm处布置300 mm土壤熵情监测仪。测点布置如图4所示。室内温湿度测点位于距地面1.5 m处,太阳辐射测点位于大棚外空旷处。同时,在对比大棚中设置相同测点,分析土壤温度随太阳辐射、室内温度的变化规律。

图4 测点布置图

3 试验结果及分析

3.1 土壤原始温度计算

土壤温度受太阳辐射、地面辐射等多因素影响,且土壤空气换热器埋深较浅,加之双膜结构具有较强的保温性能,分析土壤未受扰动的原始温度场分布十分重要。地表温度受太阳辐射影响,且太阳辐射对地球自转公转呈周期性变化,浅层土壤温度受日周期性变化影响较小主要考虑年周期变化。

土壤层可近似考虑为均质半无限大物体,依据傅立叶导热方程[11],推导得出温度周期性变化时其温度场的分布,公式为

(1)

式(1)中:θ=t(y,τ)-td,t(y,τ)为地层内某一时刻某一点温度,td为地表年平均温度(最冷月和最热月的平均值),略高于年平均气温;α为土壤材料的热扩散率,m2/s;τ为时间(从年最高温度出现算起),h;y为地层深度,m。

地表温度通常按余弦函数周期变化,由第一类边界条件可得

(2)

式(2)中:θp,τ为地表的过余温度, ℃;Ad为温度波动振幅,℃;T为温度波动周期,T=8 760 h。

积分求解,得到年周期性变化作用下的土壤温度场分布为

(3)

(4)

3.2 阴天土壤温度变化

图5为2021年1月10日阴天4、5号土壤墒情仪土壤温度随时间变化图。

图5 土壤温度随时间变化图

为研究土壤温度变化情况,选取两只土壤墒情仪的数据。4号土壤墒情仪土壤温度50 cm处波动幅度最大,10 cm处次之,50 cm处最高温度21.5 ℃、最低温度17 ℃,10 cm处最高温度19.6 ℃、最低温度15.5 ℃;5号土壤墒情仪土壤温度50 cm处波动幅度最大,10 cm处次之,50 cm处最高温度21.9 ℃、最低温度14.6 ℃,10 cm最高温度18.9 ℃、最低温度16.6 ℃,土壤层温度波动在最深处最大,最浅处次之,说明最深处温度受土壤换热器工作的影响较大,最浅处受太阳辐射和空气温度影响较大,00:00起土壤温度均有所下降,10:00左右外层保温被打开,风机启动工作,室内热量强制进入土壤,换热管周围土壤温度上升,之后风机停止工作,太阳辐射减弱,浅层温度有所下降,中间层土壤温度受影响很小,处于稳定状态。

图6为1 d时间内Z轴土壤温度分布情况。

图6 1 d时间内Z轴土壤温度分布情况

选取2021年1月10日00:00开始数据,风机早上10:30启动、入口风速为 2.6 m/s的工况,对土壤温度变化规律进行分析。如图6(a)、图6(b)所示,土壤换热器周围土壤温度变化剧烈,浅层土壤温度变化次之,土壤换热器周围土壤受其影响,温度变化幅度较大、热影响范围大。土壤深度0～20 cm时,各层土壤温度主要受到太阳辐射和室内热环境的影响,土壤温度随辐照和温度变化;土壤深度在20～40 cm时,土壤受太阳辐射、土壤换热器的影响减弱,土壤温度波动平缓,温度变化幅度不大;土壤深度在40～50 cm时土壤温度受换热器影响严重,温度随着风机的启停、换热管内温度的变化而变化,阴天土壤温度在Z轴的分布表现基本遵循“近管处最高,近地处次之,中间最低”的规律。

3.3 晴天土壤温度变化

图7为2020年12月25日晴天1、2号土壤墒情仪土壤温度随时间变化图。

图7 土壤温度随时间变化

1号土壤墒情仪土壤温度10 cm处波动幅度最大,50 cm处次之,10 cm处最高温度27.6 ℃、最低温度20.6 ℃,50 cm最高温度27.1 ℃、最低温度23.3 ℃;2号土壤墒情仪温度10 cm处波动幅度最大,50 cm处次之,10 cm处最高温度29.1 ℃、最低温度18.8 ℃,50 cm最高温度24.7 ℃、最低温度20.4 ℃,土壤层温度波动在最浅处最大,最深处次之,说明最浅处温度受太阳辐射和空气温度影响较大,最深处受土壤换热器工作的影响次之,00:00起土壤温度均有所下降,10:00左右外层保温被打开,风机启动工作,晴天太阳辐射强,浅层土壤温度首先上升,然后室内热量强制进入土壤,换热管周围土壤温度上升,之后风机停止工作,太阳辐射减弱,浅层温度有所下降,中间层土壤温度受影响很小,处于稳定状态。

图8为1 d时间内Z轴土壤温度分布情况。

图8 1 d时间内Z轴土壤温度分布情况

选取2020年12月25日00:00开始数据,风机早上10:30启动、入口风速为2.6 m/s的工况,对土壤温度变化规律进行分析。如图8(a)、图8(b)所示,浅层土壤温度变化剧烈,土壤换热器周围土壤温度变化次之,浅层土壤温度受太阳辐射及室内热环境影响温度变化幅度较大,热影响范围大,土壤换热器周围土壤温度变化幅度次之。土壤深度在0～20 cm时,各层土壤温度主要受到太阳辐射和室内热环境的影响,土壤温度随辐照和温度变化呈周期性变化;土壤深度在20～40 cm时,土壤受太阳辐射、土壤换热器的影响减弱,土壤温度波动平缓,温度变化幅度不大;土壤深度在40～50 cm时,土壤温度受换热器影响,土壤温度随着风机的启停、换热管内温度的变化而变化。晴天土壤温度在Z轴的分布表现基本遵循“近地处最高,近管处次之,中间最低”的规律。

3.4 单双膜日光温室土壤温度对比

选取2021年1月6—8日数据对比单双膜日光温室土壤温度。以双膜日光温室(B)和对照单膜日光温室(B1)土层10、20、30、40、50 cm为测点,记为B-10、B-20、B-30、B-30、B-50、B1-10、B1-20、B1-30、 B1-40、B1-50,监测温室土壤温湿度变化。双膜日光温室与单膜日光温室室内不同深度土壤温度变化曲线如图9所示。

图9 双膜日光温室与单膜日光温室不同深度土壤温度变化曲线

2021年1月6—8日,双膜日光温室土壤深度为10、20、30、40、50 cm处土壤平均温度分别为17.5、17.5、17.6、17.7、17.7 ℃。

2021年1月6—8日,单膜日光温室土壤深度为10、20、30、40、50 cm处土壤平均温度分别为11.1、12.6、13.5、13.8、14 ℃。土壤温度平均值分布B-10>B1-10、B-20>B1-20、B-30>B1-30、B-40>B1-40、B-50>B1-50。

双膜日光温室与单膜日光温室土壤温度波动幅度对比,双膜日光温室近换热管处及近地处温度波动幅度较大,其余深度温度变化相对稳定;单膜日光温室近地处土壤温度波动受太阳辐射波动幅度最大,随土壤深度不断增加,土壤温度波动幅度逐渐变缓,土壤温度变化稳定。

双膜日光温室同一高度土壤平均温度均高于单膜日光温室,同一高度土壤平均湿度均低于单膜日光温室,高温低湿的土壤环境更有利于作物的生长。

4 结论

通过对双膜日光温室土壤-空气换热器周围土壤和单膜日光温室土壤温度变化规律分析,得出以下结论。

(1)阴天时,土壤温度受换热器影响较大,温度在Z轴的分布表现基本遵循“近管处最高,近地处次之,中间最低”;晴天时,土壤温度受太阳辐射影响较大,温度在Z轴的分布表现基本遵循“近地处最高,近管处次之,中间最低”。

(2)双膜日光温室的浅层土壤温度高于单膜普通温室,单膜普通温室土壤表面温度的波动幅度明显强于双膜日光温室。双膜日光温室相比单膜普通温室从10～50 cm处平均温差分别为6.95、5.43、5.04、5.01、4.95 ℃。随着土壤深度增加,土壤温度提高,两温室各层土壤温度平均温差减小。双膜日光温室的平均土壤温度和最低土壤温度分别为5.45 ℃和8.10 ℃,分别高于单膜日光温室,有利于植物根系的生长。双膜结构有效扩大了热缓冲区,继而有效提高室内空气、土壤温度,并且双膜日光温室的室内热环境稳定性强于单膜日光温室。