土壤—空气换热器土壤温湿度场耦合特性研究

摘要

在日光温室中，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”。在进行土壤—空气换热器设计时，需采用合理的计算模型设计计算，但是目前国内外学者所采用的土壤传热模型大多数将土壤传热视为纯粹的热传导，而忽略了土壤内的水分迁移对土壤传热的影响，导致土壤—空气换热器的设计与实际运行产生偏差，使得土壤—空气换热器投资增加，限制了它的推广应用。本文主要研究了土壤—空气换热器埋地换热管周围土壤内的热湿迁移规律，基于原有的埋地换热管一维线热源模型的土壤热湿迁移理论，进行了更进一步的研究，建立了土壤—空气换热器埋地换热管周围土壤的三维热湿耦合数学模型，使之更加符合工程实际。
　　本文首先介绍了土壤这种多孔介质的基本特性参数和热物性参数，对土壤的热物性参数及含水率进行了理论分析，并对多孔介质的热湿迁移机理和热湿耦合模型进行了阐述。在能量守恒和质量守恒的基础上，建立了埋地换热管周围未饱和土壤内的三维热湿耦合物理、数学模型。
　　对于所建数学模型，采用控制容积法进行方程离散化，并使用可视化编程软件Visual Basic6.0编写了土壤热湿耦合迭代求解软件。模拟计算了土壤初始温度为14.10℃、土壤初始体积含水率为0.35m3/m3、单位管长放热量为40W/m、土壤—空气换热器运行8h排热情况下土壤的温度场和湿度场。计算结果表明，在管长方向上，随着与埋地换热管入口端距离的增大，土壤温度逐渐降低，然后趋于稳定值；土壤体积含水率沿管长方向先逐渐升高，在管长x=5.5m处达到峰值，然后逐渐降低趋于稳定值。在径向上，土壤温度随着半径的增大先逐渐降低，然后趋于稳定值；但土壤体积含水率随着半径的增大先逐渐升高，然后趋于稳定值。在时间上，随着土壤—空气换热器运行时间的推移，土壤水分不断向外层扩散，土壤温度逐渐升高，土壤体积含水率逐渐降低。
　　其次，探究了土壤物性、土壤初始温度、土壤初始体积含水率、单位管长放热量等初始计算参数对土壤—空气换热器埋地换热管周围土壤温度场和湿度场的影响。计算结果表明，砂土的导热系数比粘土的大，热容量较粘土的小，热量传播较粘土的快，且砂土保水性比粘土的差。土壤初始温度越低，土壤温度梯度越大，热量传递地越快，在较大温度梯度的驱动下，土壤水分迁移较剧烈。土壤初始体积含水率增加，土壤温度传播地越慢，但驱动水分迁移的含水率梯度越大，土壤水分迁移越剧烈。单位管长放热量增加，土壤温度传播地越快，驱动水分迁移的温度梯度越大，土壤水分迁移越剧烈。
　　最后，对本文的研究内容进行了总结，并对课题组接下来更进一步的试验研究工作提出了一些展望及建议。

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符号说明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题来源

1.4研究内容与方法

第二章 土壤的热物性及热湿特性分析

2.1 土壤的物性

2.2 浅层土壤的热湿特性

2.3 非饱和土壤内的热湿迁移机理

2.4 本章小结

第三章 土壤—空气换热器土壤三维热湿耦合模型

3.1 土壤—空气换热器土壤热湿耦合模型建立

3.2 土壤—空气换热器土壤热湿耦合模型求解

3.3 模型验证

3.4本章小结

第四章 模拟结果分析

4.1沿管长方向的热湿迁移规律

4.2沿径向的热湿迁移规律

4.3随时间推移的热湿迁移规律

4.4本章小结

第五章 影响土壤热湿迁移的因素分析

5.1土壤物性对土壤温度场、湿度场的影响

5.2土壤初始温度对土壤温度场、湿度场的影响

5.3土壤初始体积含水率对土壤温度场、湿度场的影响

5.4单位管长放热量对土壤温度场、湿度场的影响

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

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