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1、 第15卷 第2期 1999年6月 农 业 工 程 学 报 T ransactions of the CSA E Vol . 15 No. 2 Jun.1999连栋温室地中热交换系统贮热加温的试验3马承伟 黄之栋 穆丽君(中国农业大学)摘 要 为解决连栋温室冬季能耗大、 费用高的问题,进行了采用地中热交换系统部分代替燃煤的贮热加温试验。测定了空气和管道周围土壤贮、 放热前后的温度等参数变化,系统在夜间加温能力可达加温热流量60W?m2,可有效保证夜间室内气温高于室外11以上。关键词 连栋温室 地中热交换系统 贮热 加温 节能收稿日期: 19992042203国家 “九五” 工厂化农业重大科技产
2、业工程项目,北京分项(952500801) 马承伟,博士,研究员,北京市海淀区清华东路17号 中国农业大学(东校区)195信箱, 100083在温室节能方面,日、 美、 法等国均进行过利用地中热交换系统贮能加温的研究。国内从1983年开始,一些科研单位也相继进行了温室(塑料大棚)地中热交换系统的试验,并已在我国华北、 东北地区的一些塑料大棚和日光温室中得到推广应用。 为加速发展我国工厂化高效农业, 1997年2月国家科委正式启动工厂化高效农业示范工程项目。 该项目的北京分项在北京市科委组织下,由中国农业大学水利与土木工程学院研究开 发的华北型连栋塑料温室已于1998年9月在北京市顺义 “三高农
3、业示范区” 建成。 为解决连栋温室冬季运行能耗大、 费用高的问题,华北型连栋塑料温室除采用了屋顶双层充气薄膜覆盖、 内部设置保温幕等措施加强保温外,并设置了地中热交换系统,进行了将该系统用于大型连栋温室的试验研究。1 连栋温室地中热交换系统方案如图1所示,温室为南北脊向, 8连跨,跨度8m ,共11开间,柱距3m ,面积2 112m2。 顺温室脊向在地下埋设直径100mm的PVC单壁波纹管,管道采用对称中分式布置方式,以减小 管道进出口之间的长度,提高热交换效率并减小送风阻力。管道一端在室内靠近南、 北墙处通出地面,另一端通向温室中部管沟,管沟上部安装7台轴流式风机。管道埋深016 m ,间距
4、017m ,每跨管道数量11根。从管沟至管道出口约16m ,管道数量共计2118= 176根,管道总长2 816m ,过风总截面积11382m2。 管道中设计气流速度取作6 m?s,则总风量为29 860m3?h,每台风机的设计风量为4 265m3?h。为使管道两端土壤贮、 放 热均匀,提高换热效果,采用正反转特性相近的双向轴流风机,交替正、 反向送风。风机直径400mm ,在4 265m3?h风量时其全压约为285 Pa,配用电机功率111 kW。 地中热交换系统的运行方式是,在白昼温室内气温高于某设定值(一般为2025)时,风机启动使室内热空气从地中管道流过向土壤内贮热;在夜间温室内气温低
5、于某设定值(一般为812)时,风机启动使室内冷空气从地中管道流过,土壤加热气流,加温热量随气流补充 至温室内。061 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图1 地中热交换系统布置方案Fig. 1 U nderground heat storage system2 试验结果与分析211 试验方案 试验中测定了地中热交换系统的贮热、 放热量以 及室内外气温、 管周土壤温 度的变化情况。 采用通风干 湿表测定流过管道与土壤 热交换前后的气流干、 湿球温度,测定位置为:中部与 边部的2个风机口,中
6、间跨 与东、 西边跨内每跨2个管 口(南、 北各一个),共测6 个管口。同时,采用热电偶与电位差计,测定系统运行时管周土壤的温度变化。热电偶分别沿位于中间跨与靠近边跨的南、 北各二条管道设置,每条管道3个测点,分别布置在靠近进风口、 出风口和中部,共12个测点,均埋入管道上方距管壁5cm处。对管道中的气流流量,采用热球 式电风速计,选取从中间跨至边跨的共24个管口测定,每个管口按等环面积法测定12个点气 流速度,取其平均值计算。212 贮热加温效果系统在1999年3月中旬安装调试完毕,随后停止使用热水供暖,进行了完全靠地中热交 换系统贮热加温的试验运行。表1为系统运行时管道贮放热效果的部分测定
7、结果。表1 地中管道换热效果Tab11 Experi ment results of heat exchange between air and pipe室内外气温与地中热交换管道进出口空气状态变化土壤温度测定时间室外气温? 室内气温? 进口平均干球温度? 进口平均湿球温度? 出口平均干球温度? 出口平均湿球温度? 进出口干球温差? 进出口焓差?kJkg- 1测定时间管周5 cm土壤平均温度? 3月21日11: 3021925122610231818151814- 715- 19143月21日10: 30161112: 3031627142811261421112110- 710- 21161
8、3: 00181113: 3051328182914251221172116- 717- 141115: 00191114: 3051427162812241920182016- 714- 161417: 00181715: 3051926122618231920132013- 615- 131423: 0017143月22日0: 00 - 218 101610111011141713194169163月22日1: 0016152: 00 - 315919915913141512185108153: 0016104: 00 - 318912817815131811175117155: 0015
9、166: 00 - 410816814811131711135137147: 0015114月1日23: 00418111211101110131813142186114月1日22: 2015174月2日6: 30414101810171017131412132173194月2日8: 0014173月21日为晴天,上午10时30分室内气温达20以上,风机开始运行贮热,下午16时25分结束,持续运行5小时55分。室内热空气通过管道与土壤换热后气温降低了68,空 气焓值降低了1320 kJ?kg。管周5 cm处土壤平均温度在贮热前为16左右,贮热开始后迅 速上升,最高达19以上。系统停止贮热运行后
10、,管周土壤热量继续向远处传递,温度开始降 低。至晚23时系统放热运行前,管周5 cm土壤平均温度降至1714。 晚间从23时50分室内气温降至9以下时开始运行放热,至22日晨6时50分结束。为161第2期 马承伟等:连栋温室地中热交换系统贮热加温的试验 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.节省热量和风机运行耗能,当加温后室内气温上升到约11以上时,风机即停止运行,气温又 降低至9以下时再运行。因此除去风机累计停歇时间1小时40分,夜间风机共运行5小时20分。 室内空气通过管道被土壤加温,气
11、温升高了4515,空气焓值增加了710 kJ?kg。 管周5 cm土壤温度在放热开始后逐步降低,系统运行结束时降至最低,平均约为15。系统放热运行结束后,管周土壤温度低于离管道较远处土壤,热量逐步由远处传来,到22日上午开始再度贮热运行前,管周5 cm土壤温度又回升至16左右。地中热交换系统运行后,有效地保证了温室内的温度条件。据观测,当夜间室内气温降低到9以下时,启动风机加温后约十几分钟,室内气温即可上升近2。 由表1可见,在夜间室 外气温- 218- 4时,室内气温保持在816以上,维持了12161314的室内外温差。在仅靠地中热交换系统运行加温的期间,夜间室内气温均达到8以上,室外气温在
12、0以下时,室内外温差均可维持在11以上。213 地中热交换系统加温能力的分析由测定结果,地中热交换系统管道中的气流流量为27 10029 800m3?h。 将测定结果代入下式计算地中热交换系统运行时的管道贮热与放热量:Q= iaqVhiti(1)式中 Q贮热与放热量, kJ; a空气密度, kg?m3;qV 空气流量, m3?s;tii时段时间, s; hii时段空气通过管道前后的焓差, kJ?kg。5=Q? iti =5?As(2)式中 5 贮热或放热流量, kJ?s或kW ; 单位温室地面面积贮热或放热的热流量,kJ?(sm2)或kW?m2;As温室地面面积,m2。由表1中的测试数据,计算
13、得出晴天白昼贮热量为Q= 3 430 000 kJ,贮热流量 5= 161kJ?s,= 7613W?m2;夜间放热加温量为Q= 1 528 000 kJ,加温热流量5= 7916 kJ?s,= 3717W?m2。应指出的是,以上计算的加温热量仅是土壤通过管道换热释放到温室内的热量。 实际上土壤中蓄积的热量还有相当部分在夜间会通过温室地面传入室内,这部分热量与管道放热进入温室内的热量之比为1:=ksAs?kpAp(3)式中 ks,kp分别为地中土壤通过地面或管壁对空气的传热系数,W?(m2);Ap管壁总面积,m2。对于本试验,计算求得,ks= 216W?(m2),kp= 1012W?(m2),A
14、p= 88417m2,则有 = 0161。因此加上由温室地面传入室内的热量,夜间温室的总加温热流量达到 5= (1+)7916= 12811 kJ?s= (1+)3717= 6017W?m2此加温热流量对维持温室内温度环境的作用可作如下估算:对于进行试验的本温室,覆盖材料面积Ag= 2 900m2,如取覆盖材料平均传热系数 kg=315W?(m2),则依靠地中热交换系统可维持的温室内外气温差为:5?(kgAg)= 128 100?(3152 900)= 1216此估算的结果定量地反映了地中热交换系统的加温能力,与实际测定的室内外温差1216261 农业工程学报 1999年 1995-2005
15、Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.1314的结果是一致的。3 问题与讨论311 连阴天时地中热交换系统的效果这是一个令人关注的问题。在阴天,白昼温室内达不到贮热所需气温条件,不能贮热。但 只要管周土壤具有一定温度,夜间仍可运行放热。 而且,由于地下土壤体积和热容量较大,根据 经验和估算,土壤经一夜放热后,其平均温度仅下降1左右,即使连阴数日,夜间仍可利用地 中热交换系统加温,只是效果逐渐变差。试验期间3月30日、31日和4月1日是连续三个阴 天,表1中列出了连阴第三日即4月1日夜间加温的试验结果。系统在晚间
16、22时30分开始运行放热,次日6时50分关停。 室内热空气通过管道被土壤加温后气温升高了近3,空气焓值 约增加了46 kJ?kg,夜间放热加温量仍达到Q= 1 490 000 kJ,室内气温维持在近11。可 见连阴天地中热交换系统的确仍可发挥其作用。312 节能与经济性 在北京地区,一般加温温室的采暖期是10月下旬至次年4月中旬,长达5个多月,消耗燃煤6001 200 t?hm2。根据试验结果与气象资料分析,北京地区大约11月下旬以前和3月上 旬以后共约2个多月的时期内,靠地中热交换系统即可满足温室内加温的需要。 这样可将温室 依靠燃料的采暖期缩短,可望大幅度减少燃煤的消耗量和供暖锅炉的水电用量。 而地中热交换 系统的运行仅消耗少量的电能
