日光温室燃池——地中热交换系统研究

摘要

在冬季，为保证在出现极端天气条件下日光温室能够正常生产，一般都采取了人工加温的方式。目前常用的加温方式有热水加温系统、热风炉加温系统、电加热系统、电热泵等，采用的主要能源为燃煤、燃油、燃气以及电能，设备费用高，运行费用高，使得其应用受到很大程度的限制。 日光温室燃池．地中热交换系统将日光温室燃池加热系统、地中热交换系统有机结合起来，通过系统的运行，提高地温、温室内气温，并能有效的降低温室内湿度。在冬季白天，通过风机、地下热交换管道进行循环，把燃池释放出来的热量传入地下，贮存起来，以达到提高地温的目的；夜间通过风机、地中热交换管道及地上管道，把燃池释放的热量、白天贮存到地下的热量释放到空气中，达到提高气温及降低空气湿度的目的。在夏季，当温室内的空气温度较高时，通过风机、地中热交换管道进行循环，达到降低温室内空气温度的目的。 本研究的主要内容包括：(1)分析日光温室燃池-地中热交换系统的传热机理，根据对流、传导及辐射的传热理论，建立日光温室燃池-地中热交换系统热量传递的数理模型，并进行数值分析；(2)根据模型分析日光温室燃池-地中热交换系统的结构参数对系统热工性能的影响，在此基础上进行结构参数的技术经济优化，设计日光温室燃池．地中热交换系统结构；(3)通过试验分析日光温室燃池-地中热交换系统的运行参数对系统热工性能的影响，研究系统的基本运行规律；(4)通过试验研究日光温室燃池一地中热交换系统的温度环境特点，并验证传热模型的正确性。通过模型(试验)研究不同布置方式的温室温度分布特点及对温室温度环境的影响；(5)分析日光温室燃池一地中热交换系统的经济性，对其做出综合评价。 将燃池．地中热交换系统结合起来引入日光温室，作为日光温室的辅助加热设施，尚属首次，它的研究与使用对日光温室加热设施是一个补充，同时弥补了燃池、地中热交换系统加热效果及加热能力等方面的不足。本研究的创新点有以下几个方面：(1)首次将目光温室燃池-地中热交换系统应用于日光温室中。日光温室燃池-地中热交换系统加热属于地面(地板)加热方式，这种加热方式通过对作物的根区进行加热，与其它的加热方式如热水、热风等加热方式相比具有节能等优点，并且对作物的生长发育和产量、光合作用等都会产生积极的影响；(2)进行了日光温室燃池.地中热交换系统在冬季使用时的加热机理研究，并根据热力学与传热学基本理论建立了日光温室燃池-地中热交换系统加温的数学模型；通过对该系统在夏季降温时，考虑连续通风与间歇通风的不同工况下的降温机理研究，建立了利用地中热交换系统降温的数学模型，并进行了系统的理论分析和试验研究；(3)对建立的日光温室燃池.地中热交换系统数学模型进行数值分析及数学模拟；对建立的动态数学模型用二维不稳定导热微分方程及边界条件来描述，模型中把地中热交换通风管道模拟为无限长圆柱体，能够真实地反映空气沿管道长度，并随通风时间的不断变化的动态过程；给出了数学模型的求解方法，为模型的求解建立基础；最后利用ANSYS热分析软件进行了数学模拟分析；(4)进行了日光温室燃池.地中热交换系统的综合经济效益分析。利用费用现值和费用年值方法对其经济性进行评价，结合日光温室燃池一地中热交换系统的运行情况，对日光温室燃池-地中热交换系统初投资回收期进行了预测。本文对燃池.地中热交换加热系统进行了系统的理论分析和试验研究，得到以下主要结论：(1)分析了日光温室燃池.地中热交换系统加热机理及传热机理，建立了日光温室燃池.地中热交换系统加温数学模型；建立了利用地中热交换系统降温的数学模型。模型中把地中热交换通风管道模拟为无限长圆柱体，能够真实地反映空气沿管到长度，并随通风时间的不断变化的动态过程；给出了该数学模型的有限差分法求解方法，为模型的求解建立基础；利用ANSYS热分析软件进行了数学模拟分析，并通过试验验证了模型的正确性：(2)日光温室燃池.地中热交换系统可以有效的提高温室内的土壤温度和气温。测试结果表明，采用燃池.地中热交换系统一侧的土壤平均温度比对比侧的土壤平均温度高约2.0℃；昼夜平均气温高2.6℃，夜间平均气温高4.2℃；采用燃池-地中热交换系统土壤温度分布较均匀，沿地中热交换管道纵向方向各点最高和最低温度的温差仅为0.3℃～0.9℃；沿地中热交换管道横向方向各点最高和最低温度的温差为0.4℃～0.9℃；另外，对两侧室内湿度数据分析表明，应用日光温室燃池-地中热交换系统可以明显减少温室内相对湿度饱和时间，减少相对湿度饱和时间约2～3 h；(3)燃池-地中热交换系统在夏季运行可以有效的降低温室内的气温。测试结果表明，热交换一侧与对比侧室内平均气温分别为24.7℃、25.4℃，变化不大。但在风机运行期间(测试期间风机在10：00～16：30运行)，热交换侧与对比侧室内平均气温分别为30.3℃、35.4℃，平均降温5.1℃；热交换侧最高气温为32.0℃，对比侧最高气温达38.0℃；夜间的气温较对比侧略高。试验也表明，地中热交换管道进、出口空气平均温度分别为24.7℃、19.8℃，平均降低气温4.9℃；(4)利用费用现值和费用年值方法对其经济性进行评价。分析表明，日光温室燃池-地中热交换系统的费用现值和费用年值比热风加热系统分别低30.8％和57.4％；比热水加热系统分别低27.4％和55.2％。结合日光温室燃池一地中热交换系统的运行情况，预测出该系统的初投资回收期为2.1年；(5)日光温室燃池-地中热交换系统可以充分利用太阳能及生物质能资源，节能率为31.6％，具有较好的经济效益，同时也具有较好的社会和生态效益。把燃池-地中热交换系统作为日光温室的备用加热设施，在实践中进行了应用。本文通过理论分析和试验，进行了初步的研究。研究表明，日光温室燃池-地中热交换系统较燃池、地中热交换系统从加热效果、供热能力上均有很大的改善与提高，但也存在如加热能力仍然有限、加热的控制比较困难、初投资较大、燃池部分占用一定的温室空间等问题，这些问题如能得到妥善解决，将为日光温室燃池-地中热交换系统的应用打下更加坚实的基础。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1.1课题的提出及研究的目的和意义

1.1.1设施农业生产中的能源问题

1.1.2课题的提出

1.1.3研究的目的及意义

1.2日光温室加热方式概况

1.2.1锅炉加热方式

1.2.2太阳能的热利用

1.2.3温室地热利用

1.3地温对温室作物的影响及温室地面加热系统研究概况

1.3.1地温与植物生长的关系

1.3.2日光温室地面加热系统研究

1.4研究的主要内容

1.4.1目标及主要内容

1.4.2创新点

第二章日光温室燃池-地中热交换系统设计研究

2.1日光温室燃池加热系统研究及应用

2.1.1燃池的设计

2.1.2燃池加热系统试验研究

2.1.3燃池加热系统试验研究结论分析

2.2日光温室地中热交换系统研究及应用

2.2.1地中热交换系统的蓄放热过程及效果

2.2.2地中热交换系统的设计

2.2.3地中热交换系统测试分析

2.3日光温室燃池-地中热交换系统研制

2.3.1日光温室燃池-地中热交换加热系统组成

2.3.2燃池的设计

2.3.3风机的选型

2.3.4通风管道的设计

2.4日光温室燃池-地中热交换系统设计实例

2.4.1试验温室概况

2.4.2燃池

2.4.3地中热交换管道设计

2.4.4风机选择

2.4.5循环控制系统

2.5本章小结

第三章日光温室燃池-地中热交换系统数学模型

3.1传热模型理论基础

3.1.1简单的线源理论

3.1.2修改过的线源理论

3.1.3能量平衡理论

3.2三种典型传热模型

3.2.1 IGSHPA模型

3.2.2 NWWA模型

3.2.3 VC.Mei模型

3.3日光温室燃池-地中热交换系统加热机理及数学模型

3.3.1燃池-地下热交换系统的加热机理

3.3.2燃池-地中热交换系统土壤加热的数学模型

3.4地中热交换系统降温模型

3.4.1空气与管道壁之间的传热分析

3.4.2空气与管道壁面传热的原有模型

3.4.3连续通风时的管道风降温模型

3.4.4间歇通风时的管道风降温动态模型

3.5本章小结

第四章日光温室燃池-地中热交换系统数值模拟

4.1温度场问题的有限单元法

4.1.1热分析原理

4.1.2典型分析过程

4.1.3数值计算

4.2材料的热物性

4.2.1土壤热物性

4.2.2管道材料的热物性

4.2.3空气的热物性

4.3基于ANSYS的温度场模拟

4.3.1基本参数条件

4.3.2土壤温度场模拟

4.3.3不同埋管条件下土壤温度场模拟

4.4本章小结

第五章目光温室燃池-地中热交换系统应用试验研究

5.1试验温室概况

5.2燃池-地中热交换系统布置

5.3试验测试方案及测点布置

5.3.1试验仪器

5.3.2试验仪器布置

5.4利用燃池-地中热交换系统冬季加热试验

5.4.1沿温室纵向土壤温度变化规律

5.4.2沿温室横向土壤温度变化规律

5.4.3温室内外空气温度变化规律

5.5利用燃池-地中热交换系统夏季降温试验

5.5.1温室内空气温度变化规律

5.5.2温室内土壤温度变化规律

5.5.3沿热交换管道纵向土壤温度变化规律

5.5.4地中热交换管道进出口空气温度变化规律

5.6本章小结

附图：试验温室图

第六章日光温室燃池-地中热交换系统经济性分析

6.1概述

6.2日光温室燃池-地中热交换系统的经济分析

6.2.1日光温室燃池-地中热交换系统设备投资分析

6.2.2日光温室燃池-地中热交换系统运行费用分析

6.2.3日光温室燃池-地中热交换系统经济综合评价

6.3日光温室燃池-地中热交换系统节能分析

6.3.1日光温室燃池-地中热交换系统供热能力

6.3.2日光温室燃池-地中热交换系统节能分析

6.4日光温室燃池-地中热交换系统的生态效益

6.5本章小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

附 录

致 谢

攻读博士学位期间发表的学术论文等