以地熱能為熱源溫室大棚土壤溫度場的研究

“30碳達峰，60碳中和”開啟了可再生能源時代的大幕．大力推動新時代可再生能源大規模、高比例、高質量、市場化發展，有力推動可再生能源從能源綠色低碳轉型的生力軍成長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、環保、高效、豐富、低溫的優點，是溫室大棚熱源的優先選擇目標．

室內環境下（15℃）土壤初始溫度曲線

當溫室大棚室內環境溫度為15℃時，土壤初始溫度為8℃時．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圖．

土壤表面不同深度下土壤溫度曲線圖

圖1為土壤溫度隨著時間積累各不同深度監測點的溫度曲線圖，室內環境溫度為植物適宜的環境溫度15℃，監測點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監測點深度和時間的變化而變化．

整體上來看，土壤監測點內的溫度具有升高的趨勢，距離地表最近的溫度變化較小．隨著深度的增加土壤溫度升溫較快．隨著時間的增加，土壤的溫度逐漸趨于穩定．這說明，隨著時間的增加，土壤溫度在一定范圍內有著提高，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，土壤溫度達不到適宜溫度，在實際項目中有必要用地埋管來提高土壤的溫度．

溫室大棚土壤溫度場模型建立

(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）忽略沿管長方向的傳熱，將地埋管周圍土壤溫度場作為二維瞬態導熱問題處理．

(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．

土壤溫度場數學模型

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．將計算區域網格用網格劃分軟件Gambit劃分．劃分完成后檢查其準確性．然后將模型導入Fluent軟件進行參數的設置，開始對模型進行模擬．網格劃分如下：

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，間距越大導致土壤溫度場不均勻分布；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，通過利用Gambit建立溫室土壤的二維模型，并導入FLUENT進行數值模擬計算，對模擬結果從節能和經濟效益考慮，在地源熱泵提供熱水平均溫度50℃時，當管徑為25mm，間距30cm，埋深在57.7cm時溫室土壤溫度場為最佳，此時溫室土壤5-25厘米平均溫度為22.14℃．