不同材質(zhì)傳熱風(fēng)道性能及蓄熱土壤溫度場CFD模擬

鮑恩財，張 勇，曹晏飛，王 昭，張 欣，曹 凱，楊俊偉，鄒志榮

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不同材質(zhì)傳熱風(fēng)道性能及蓄熱土壤溫度場CFD模擬

鮑恩財1，張 勇1，曹晏飛1，王 昭2，張 欣3，曹 凱1，楊俊偉1，鄒志榮1※

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝工程重點實驗室，楊凌 712100；2. 北京三潤泰克國際農(nóng)業(yè)技術(shù)有限公司，北京 114011；3. 華盛頓州立大學(xué)生物系統(tǒng)工程系，精細(xì)與自動化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究中心，普羅瑟 WA 99350）

風(fēng)道在園藝設(shè)施中應(yīng)用較為廣泛，通常作為土壤及墻體熱量傳遞的載體。該文搭建了風(fēng)道傳熱試驗臺，以聚氯乙烯管道（polyvinyl chloride pipe，PVC）、鍍鋅鐵皮管道（galvanized iron pipe，GI）及鋼筋網(wǎng)外纏繞土工布管道（steel mesh skeleton-geotextile composite pipe，SFG）3種管材作為傳熱風(fēng)道，以土壤為蓄熱體進(jìn)行試驗，結(jié)合計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）對蓄熱土壤溫度場進(jìn)行分析。結(jié)果表明，SFG的傳熱效果最好，測試期間的換熱量達(dá)到299.44 kJ，約是GI的4倍、PVC的3倍；SFG進(jìn)、出口上、下、左、右4個方向的有效蓄熱范圍均遠(yuǎn)大于240 mm，PVC與GI的有效蓄熱范圍相似；通過CFD所建立的3個傳熱風(fēng)道計算模型的最大相對誤差為4.4%，模擬發(fā)現(xiàn)蓄熱土壤截面溫度從進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口具有一定的“坡降”。因此，SFG的傳熱效果明顯優(yōu)于PVC與GI，具有較高的應(yīng)用潛力和一定的推廣價值。

土壤；流體力學(xué)；傳熱；傳熱風(fēng)道；傳熱性能；蓄熱范圍；CFD

0 引 言

設(shè)施園藝是利用特定的保護(hù)設(shè)施與配套設(shè)備，人為地創(chuàng)造適于作物生育的環(huán)境空間，有計劃地進(jìn)行園藝產(chǎn)品的安全、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)生產(chǎn)的一種綜合農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，其中的設(shè)施主要包括中小拱棚、塑料大棚、連棟溫室、日光溫室4大類[1-2]。為了維持園藝設(shè)施在冬季正常使用而又不耗費大量能源，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，主要方式有主動采光[3]、相變材料蓄熱[4-5]、太陽能集熱[6-7]、空氣源熱泵[8-9]、地源熱泵[10-11]、水循環(huán)集放熱[12]、后墻主動蓄熱[13]、地下熱交換[14-15]等。

傳熱風(fēng)道在園藝設(shè)施的土壤及墻體中均有應(yīng)用。上世紀(jì)80年代，馬承偉[16-17]在塑料大棚上應(yīng)用地下熱交換系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可有效地貯存太陽能并用于夜間加溫，能使塑料大棚在不用燃料加溫的情況下在夜間維持10 ℃左右的棚內(nèi)外氣溫差。孫忠富[18]研究了地—氣熱交換系統(tǒng)的熱性能，結(jié)果表明，地—氣熱交換系統(tǒng)可使塑料大棚在夜間升溫2.0～4.4 ℃，在白天降溫2.5～6.5 ℃。袁巧霞[19-20]設(shè)計了一種半被動式塑料大棚地下熱交換系統(tǒng)，試驗表明，該系統(tǒng)可在夜間維持8～9 ℃的棚內(nèi)外氣溫差，同時棚內(nèi)地溫可提高10 ℃左右，并分析了該系統(tǒng)在中國的適宜范圍、適合的蔬菜品種及主要參數(shù)的選擇。在此基礎(chǔ)上，袁巧霞[21]將波紋塑料管和陶土管作為地下熱交換系統(tǒng)的管道材料，通過試驗及理論分析比較得出，波紋塑料管的換熱性能和析濕特性優(yōu)于陶土管，且使用成本較低。吳德讓等[22-23]運用傳熱學(xué)的基本理論，建立了日光溫室地下熱交換系統(tǒng)土壤溫度場的數(shù)學(xué)模型，同時通過對比試驗研究了日光溫室采用地下熱交換系統(tǒng)在冬季生產(chǎn)喜溫蔬菜的可行性和實用性。孫周平等[24]在彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室地下0.5 m設(shè)計安裝了空氣—地中熱交換系統(tǒng)進(jìn)行蓄熱，經(jīng)過整個冬季的測試發(fā)現(xiàn)，空氣—地中熱交換系統(tǒng)與水循環(huán)蓄熱系統(tǒng)結(jié)合使用可代替?zhèn)鹘y(tǒng)土墻的蓄熱能力，進(jìn)而確保日光溫室冬季的溫?zé)岘h(huán)境。張勇等[13]提出了一種能夠?qū)滋旄挥嗄芰窟M(jìn)行有效存儲的主動蓄熱后墻日光溫室，與傳統(tǒng)9 m跨的被動蓄熱日光溫室進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明，主動蓄熱后墻日光溫室的氣溫有了較明顯提高。

計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）在管道傳熱[25-27]及溫室模擬[28-29]方面均有應(yīng)用。如Bansal等[30]為減少冬季建筑物的熱負(fù)荷，基于CFD建立了土壤—管道—空氣換熱系統(tǒng)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)2種模型，從管道材料和空氣流速角度分別研究了該系統(tǒng)的熱性能，結(jié)合試驗發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)的空氣流速對系統(tǒng)的影響較大，但不受管道材料的影響，這與袁巧霞[21]的測試結(jié)果并不一致，可能是因為管道本身是否密閉（如陶土管具有一定的透氣、透濕性）、管道的表面結(jié)構(gòu)（如波紋管與直管）不同而導(dǎo)致的研究結(jié)果的不同；Zhang等[31]建立了中國西北地區(qū)的日光溫室模型，利用CFD模擬分析了不同厚度后墻日光溫室對室內(nèi)空氣溫度分布的影響。

綜上，將傳熱風(fēng)道應(yīng)用于園藝設(shè)施的土壤及墻體中進(jìn)行空氣熱交換操作簡便、效果明顯，但對傳熱風(fēng)道周身是否密閉的傳熱效果研究未見報道，本文采用周身密閉型風(fēng)道和透氣型風(fēng)道進(jìn)行對比研究，其中透氣型風(fēng)道采用鋼筋網(wǎng)管道作為風(fēng)道的骨架，起支撐作用，以土工布單層纏繞鋼筋網(wǎng)管道作為傳熱面，搭接重疊100 mm；根據(jù)園藝設(shè)施實際使用的工況，設(shè)計了一種可測試不同材質(zhì)風(fēng)道傳熱性能的試驗臺，將測試結(jié)果與CFD模擬結(jié)果對比分析不同材質(zhì)風(fēng)道傳熱性能，并對蓄熱土壤溫度場進(jìn)行模擬分析，從風(fēng)道材質(zhì)角度提出進(jìn)一步改進(jìn)園藝設(shè)施換熱系統(tǒng)的方法。

1 材料與方法

1.1 風(fēng)道傳熱試驗臺

風(fēng)道傳熱試驗臺主要由制熱箱體、輸送管道及試驗箱體3部分組成，如圖1所示。制熱箱體由混凝土養(yǎng)護(hù)箱改造而成，配套壓縮機(jī)及電源控制柜，箱體上有控制面板，可設(shè)置箱體內(nèi)的溫濕度；輸送管道包括進(jìn)風(fēng)管道及出風(fēng)管道，分別安裝在箱體門的上下部位，輸送管道外部做絕熱處理，進(jìn)風(fēng)管道的熱風(fēng)進(jìn)口處安裝有風(fēng)機(jī)；試驗箱體內(nèi)部填充蓄熱體，中部埋置傳熱風(fēng)道；輸送管道與傳熱風(fēng)道連接處可拆卸，用于連接不同材質(zhì)的傳熱風(fēng)道。

1. 控制面板 2.制熱箱體 3.進(jìn)風(fēng)管道 4.蓄熱土壤 5.傳熱風(fēng)道 6.出風(fēng)管道 7.門把手 8.風(fēng)機(jī) 9.滾輪 10.壓縮機(jī) 11.電源控制柜

輸送管道采用鋁箔管道外裹絕熱棉氈；蓄熱體為人工夯實的土壤，取自西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院試驗基地（34°15′N，108°03′E）地表下1～3 m處，為使3個試驗臺的蓄熱土壤的條件一致，在同尺寸的試驗臺內(nèi)填實同等質(zhì)量的土壤，壓實后測試得到蓄熱土壤含水率13.9%、壓實度90.3%；3種傳熱風(fēng)道材質(zhì)分別為聚氯乙烯管道（polyvinyl chloride pipe，PVC）、鍍鋅鐵皮管道（galvanized iron pipe，GI）及鋼筋網(wǎng)外纏繞土工布管道（steel mesh skeleton-geotextile composite pipe，SFG），輸送管道及傳熱風(fēng)道直徑均為200 mm。課題組前期研究表明后墻主動蓄熱循環(huán)系統(tǒng)中混凝土預(yù)制板傳熱風(fēng)道上下表面各200 mm的高度范圍內(nèi)均屬于蓄熱體[32]，為保證傳熱風(fēng)道四周的蓄熱體厚度不少于200 mm，本試驗臺設(shè)計試驗箱體的端面尺寸為800 mm×800 mm，試驗箱體長2 m。在箱體四周采用120 mm厚彩鋼板外貼隔熱，試驗過程中所有縫隙處采用聚氨酯泡沫填縫劑填充。傳熱風(fēng)道及土壤的性能參數(shù)如表1所示（部分參數(shù)來源于GB 50176-2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》）。

表1 傳熱風(fēng)道及土壤的性能參數(shù)

注： PVC表示聚氯乙烯管道；GI表示鍍鋅鐵皮管道；SFG表示鋼筋網(wǎng)外纏繞土工布管道，下同。

Note: PVC means polyvinyl chloride pipe, GI means galvanized iron pipe, SFG means steel mesh skeleton-geotextile composite pipe, the same below.

1.2 試驗臺測試

傳熱風(fēng)道進(jìn)、出口的空氣溫濕度由PDE-KI環(huán)境數(shù)據(jù)記錄儀（哈爾濱物格電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)，溫度測量范圍：?30～70 ℃，準(zhǔn)確度±0.5 ℃，分辨率0.1 ℃；濕度測量范圍：0～99%，準(zhǔn)確度±3%，分辨率1%）采集，分別位于風(fēng)道進(jìn)、出口幾何中心。端面蓄熱土壤溫度由PDE-R4溫度數(shù)據(jù)記錄儀（哈爾濱物格電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)，溫度測量范圍?30～70 ℃，準(zhǔn)確度±0.5 ℃，分辨率0.1 ℃）采集。在傳熱風(fēng)道的上、下、左、右4個方向各布置5個測點，測點間距60 mm，布點情況如圖2所示.。所有測點記錄數(shù)據(jù)的時間間隔均為5 min。進(jìn)、出口的風(fēng)速由testo425風(fēng)速儀（德國testo公司生產(chǎn)，風(fēng)速測量范圍0～20 m/s，精度±（0.03 m/s+5%測量值），分辨率0.01 m/s）采集。

注： A表示在管道上部；B表示在管道下部；L表示在管道左側(cè)；R表示在管道右側(cè)，下同。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本文試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤的求解及表格的制作，用SPSS20.0進(jìn)行顯著性測試。

2 試驗臺測試結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)道傳熱量計算

對3種傳熱風(fēng)道分別進(jìn)行測試，均連續(xù)通風(fēng)4 h，各風(fēng)道的進(jìn)、出口溫濕度如表2所示。由表2可知，進(jìn)口的溫濕度沒有差異，出口的溫濕度均存在顯著差異（<0.05），說明3種傳熱風(fēng)道的傳熱量明顯不同。

表2 傳熱風(fēng)道進(jìn)、出口空氣平均溫濕度

注： 同列不同字母表示處理間差異顯著（<0.05）。

Note: Different letters in the same column meant significant difference at 0.05 level.

根據(jù)表2的傳熱風(fēng)道進(jìn)、出口空氣平均溫濕度值結(jié)合空氣風(fēng)速和管徑等參數(shù)，計算得到通風(fēng)4 h后各風(fēng)道的傳熱量及冷凝水量，計算公式如下

式中為風(fēng)道內(nèi)空氣流速，m/s；為風(fēng)道截面面積，m2；in、out分別為進(jìn)、出口空氣的比容，m3/kg；為風(fēng)機(jī)運行時間，s。

in、out、in、out、in、out由文獻(xiàn)[2]計算得來，所有參數(shù)代入式（1）～（3）計算的結(jié)果如表3所示。

表3 傳熱風(fēng)道進(jìn)、出口空氣性能參數(shù)

由表3可知SFG的傳熱量最大，約是PVC的3倍、GI的4倍；冷凝水量也最大，但試驗中發(fā)現(xiàn)SFG內(nèi)并沒有殘留的液態(tài)水，而PVC和GI內(nèi)有液態(tài)水存在，這與SFG的土工布具有透濕性有關(guān)。

2.2 風(fēng)道傳熱范圍分析

通風(fēng)4 h后各測點的結(jié)果如表4所示。

表4 蓄熱土壤端面溫度

參考溫波法[33]和溫波傳遞理論[34]確定蓄熱范圍的方法，本文規(guī)定試驗期間土壤溫度波動超過1 ℃的位置為有效蓄熱范圍，溫度波動超過5 ℃的位置為高效蓄熱范圍。由表4可以看出，PVC傳熱風(fēng)道進(jìn)口上、下、左、右有效蓄熱范圍分別為：大于240 mm、180～240 mm、略大于240 mm、略大于240 mm；出口上、下、左、右有效蓄熱范圍分別為：180～240、120～180、180～240、180～240 mm。進(jìn)口上、下、左、右高效蓄熱范圍分別為：120～180、0～60、60～120、60～120 mm；出口上、下、左、右高效蓄熱范圍分別為：120～180、0～60、60～120、60～120 mm。

GI傳熱風(fēng)道進(jìn)口上、下、左、右有效蓄熱范圍分別為：大于240、180～240、180～240、180～240 mm；出口上、下、左、右有效蓄熱范圍分別為：120～180、120～180、60～120、120～180 mm。進(jìn)口上、下、左、右高效蓄熱范圍分別為：120～180、0～60、120～180、120～180 mm；出口上、下、左、右高效蓄熱范圍分別為：0～60 mm、0、0、0。

SFG傳熱風(fēng)道進(jìn)口上、下、左、右有效蓄熱范圍均遠(yuǎn)大于240 mm；出口上、下、左、右有效蓄熱范圍均大于240 mm。進(jìn)口上、下、左、右高效蓄熱范圍均大于240 mm；出口上、下、左、右高效蓄熱范圍分別為：大于240、180～240、180～240、180～240 mm。

分析可知，各傳熱風(fēng)道進(jìn)、出口的上、下、左、右4個方向均有相同的溫度變化趨勢，在熱浮力作用下熱量向上傳遞的影響導(dǎo)致3種傳熱風(fēng)道的上部蓄熱范圍大于下部，而左右基本對稱。

3 蓄熱土壤溫度場CFD模擬

試驗臺測試結(jié)果僅能反應(yīng)傳熱風(fēng)道端面土壤測點的溫度變化，為了更直觀地了解蓄熱土壤的溫度場情況，本文通過STAR-CCM+ v10.04軟件進(jìn)行CFD模擬。該軟件采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)算法，性能穩(wěn)定、精度高、可靠性強(qiáng)，前處理功能強(qiáng)大，如幾何模型表面錯誤修復(fù)、對模型進(jìn)行拓?fù)浞忾]、面網(wǎng)格和體網(wǎng)格的生成[35]，國內(nèi)外研究[36-37]中均有應(yīng)用。

3.1 控制方程

假設(shè)熱空氣為理想氣體，傳熱風(fēng)道、土壤密度均勻，氣密性良好且傳熱風(fēng)道與空氣、空氣與蓄熱土壤完全無間隙接觸，蓄熱土壤四周為絕熱壁面，進(jìn)口進(jìn)氣流勻速等溫。模擬將熱空氣簡化為不可壓定常流，流場中氣體的流動遵循基本的物理守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律及組分守恒定律[38]。

3.2 幾何模型

模型采用STAR-CCM+自帶組件進(jìn)行參數(shù)化建模，按照試驗箱體實際尺寸和相關(guān)關(guān)系創(chuàng)建。采用TRIM網(wǎng)格，整體域網(wǎng)格基本尺寸為32 mm，對傳熱風(fēng)道及熱空氣進(jìn)行加密處理，加密尺寸8 mm，網(wǎng)絡(luò)單元數(shù)量為773 178個。

3.3 邊界條件

風(fēng)道進(jìn)口邊界為熱風(fēng)進(jìn)口，流速依照試驗臺的實際測量數(shù)據(jù)設(shè)定為1.51 m/s；假設(shè)蓄熱土壤初始溫度分布均勻、壁面設(shè)置為絕熱，實測土壤初始溫度為16.5 ℃；分析得到風(fēng)道內(nèi)空氣的湍流強(qiáng)度和水力半徑分別為3.4%和0.05 m，風(fēng)道出口邊界為壓力出口。模擬時各風(fēng)道的進(jìn)、出口溫濕度根據(jù)實測結(jié)果設(shè)置。

3.4 模擬結(jié)果驗證

通過對比傳熱風(fēng)道進(jìn)、出口位置溫度測點的試驗值與模擬值來驗證所建模型的準(zhǔn)確性，結(jié)果如表5所示。

表5 蓄熱土壤端面溫度模擬值

由表4和表5可知，PVC傳熱風(fēng)道進(jìn)、出口20個測點的最大絕對誤差分別為0.5、0.7 ℃，最大相對誤差分別為2.9%、3.2%；GI傳熱風(fēng)道進(jìn)、出口20個測點的最大絕對誤差分別為0.8、0.7 ℃，最大相對誤差分別為4.4%、3.9%；SFG傳熱風(fēng)道進(jìn)、出口20個測點的最大絕對誤差分別為1.1、0.5 ℃，最大相對誤差分別分別為3.8%、2.3%。

因此，3種材質(zhì)傳熱風(fēng)道的進(jìn)、出口溫度場的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較高，均在5%的誤差范圍內(nèi)。說明該計算模型可用于不同材質(zhì)風(fēng)道傳熱性能及蓄熱土壤溫度場分布的研究。

3.5 數(shù)值模擬分析

通過CFD模擬得出3種材質(zhì)傳熱風(fēng)道周圍蓄熱土壤截面的溫度云圖，因風(fēng)道內(nèi)設(shè)置為均質(zhì)熱空氣，為避免視覺誤導(dǎo)，此處省略該部分的顯示，分析結(jié)果如圖3所示。

注：熱空氣從傳熱風(fēng)道右側(cè)進(jìn)入。

由圖3可以看出蓄熱土壤內(nèi)部的溫度分布情況，在風(fēng)道上邊緣，從進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口溫度分布呈現(xiàn)一定的“坡降”，風(fēng)道下邊緣的溫度走勢與上邊緣一致，但“坡度”較小。從溫度范圍及“坡降”大小均可以看出，SFG的蓄熱效果明顯大于PVC及GI，PVC略大于GI，這也反映了表5的模擬結(jié)果，同時驗證了表3、表4的計算結(jié)果。

4 討 論

1）由表2的結(jié)果可知，3種材質(zhì)傳熱風(fēng)道進(jìn)口的熱空氣溫、濕度基本一致，而出口溫度表現(xiàn)為PVC>GI> SFG，說明SFG的傳熱效果最好，對應(yīng)土壤的蓄熱量最多，表3的計算結(jié)果也說明了這點。本文的試驗結(jié)果與SFG中土工布具有透氣、透濕性有關(guān)；出口濕度表現(xiàn)為GI>PVC>SFG，這是因為SFG中的土工布具有透氣、透濕性使得土壤吸收了空氣熱量的同時也吸收了濕度，但SFG的透氣率、透濕率與傳熱量、吸濕量的關(guān)系尚缺少研究。

2）土工布的使用壽命在80 a以內(nèi)[39]，在建筑、水利、鐵路、公路、港口、采礦、軍工等多個領(lǐng)域均有應(yīng)用[40]，因此在園藝設(shè)施的應(yīng)用基礎(chǔ)較好。且3種傳熱風(fēng)道的市場價格為GI>PVC>SFG，而傳熱效果為SFG>PVC>GI，因此，采用SFG作為園藝設(shè)施傳熱風(fēng)道具有明顯優(yōu)勢，下一步將在園藝設(shè)施內(nèi)開展實際使用效果的試驗研究。

3）本文建立的CFD模型可應(yīng)用于復(fù)雜工況下的傳熱模擬研究，如日光溫室主動蓄熱墻體[13]進(jìn)風(fēng)口不同風(fēng)速對蓄熱性能的影響，且通過CFD對溫度場的分布計算出蓄熱體的有效蓄熱“體積”，對傳熱風(fēng)道的合理布置具有實際應(yīng)用意義，這在后續(xù)研究中將通過模擬結(jié)合實測的方式加強(qiáng)分析。

5 結(jié) 論

通過試驗臺測試發(fā)現(xiàn)鋼筋網(wǎng)外纏繞土工布管道（steel mesh skeleton-geotextile composite pipe，SFG）的傳熱效果最好，本試驗條件下的換熱量達(dá)到299.44 kJ，約是鍍鋅鐵皮管道（galvanized iron pipe，GI）的4倍、聚氯乙烯管道（polyvinyl chloride pipe，PVC）的3倍。SFG進(jìn)、出口上、下、左、右4個方向的有效蓄熱范圍均遠(yuǎn)大于240 mm；進(jìn)口上、下、左、右高效蓄熱范圍均大于240 mm，出口上、下、左、右高效蓄熱范圍分別為大于240 mm、180～240 mm、180～240 mm、180～240 mm。而PVC的傳熱效果略優(yōu)于GI，說明透氣型風(fēng)道的傳熱效果明顯優(yōu)于密閉型風(fēng)道。

通過CFD建立的3個傳熱風(fēng)道計算模型的最大相對誤差為4.4%，說明該模型可用于研究不同材質(zhì)風(fēng)道傳熱性能及蓄熱土壤溫度場分布情況。通過對蓄熱土壤溫度場進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)截面分布顯示從進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口具有一定的“坡降”。

因此，鋼筋網(wǎng)外纏繞土工布管道的傳熱效果明顯優(yōu)于聚氯乙烯管道及鍍鋅鐵皮管道，后兩者效果相似，鋼筋網(wǎng)外纏繞土工布管道具有較高的應(yīng)用潛力和一定的推廣價值。

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Performance of different material heat transfer pipes and CFD simulation of thermal storage soil temperature distribution

Bao Encai1, Zhang Yong1, Cao Yanfei1, Wang Zhao2, Zhang Xin3, Cao Kai1, Yang Junwei1, Zou Zhirong1※

(1.,712100; 2.114011; 3.)

Heat transfer pipe has been widely adopted in horticultural facilities, such as Chinese solar greenhouses, which serves as a media to transfer heat between hot air and soil or north wall, and has many advantages such as easier operation, lower cost and better effect. Many scholars have studied the pipe heat transfer performance from piping materials and air flow, and they found the piping material has little influence on heat transfer, but air flow rate has a big influence on heat transfer. However, whether the holes on the heat transfer pipe wall have positive roles in heat transfer is still elusive. Therefore, we compared the heat transfer ability between closed type pipe and breathable type pipe. To study the temperature distribution of thermal storage soil, a typical heat transfer pipe experimental platform with 3 different kinds of pipe material, including polyvinyl chloride (PVC), galvanized iron (GI), and steel mesh skeleton - geotextile composite (SFG), was established in this research. Combined with computational fluid dynamics (CFD) technique, the heat storage experiment on soil was performed. Results showed that there was no temperature and humidity difference at the inlet of heat transfer pipe among 3 kinds of different material, however, the temperature difference was significant at outlet: PVC > GI > SFG; in addition, the humidity level also showed a clear trend of GI > PVC > SFG. This can be attributed to the physical characteristics of SFG such as the high permeability for air and moisture, from which the soil had a chance to absorb both heat energy and moisture from the hot air. Additionally, SFG resulted in the most effective heat transfer activity with a heat exchange amount of 299.44 kJ during the whole test, which was at least 4 times that of GI, and 3 times that of PVC. The location with soil temperature fluctuation more than 1 ℃ is in effective heat range, and that with soil temperature fluctuation more than 5 ℃ is in efficient heat range. The effective heat storage ranges at inlet of SFG were much greater than 240 mm in all 4 directions, i.e. up, down, left, and right direction; the effective heat storage ranges at outlet of SFG were more than 240 mm; the efficient heat storage ranges at inlet of SFG were also more than 240 mm; and the efficient heat storage ranges at outlet of SFG were higher than 240, 180-240, 180-240, and 180-240 mm respectively in the 4 directions. Our results showed that the heat transfer ability of SFG was the best in our experiment, and PVC was slightly better than GI. Therefore, the heat transfer ability of breathable type pipe was better than closed type pipe. Moreover, each CFD simulation model was established individually based on 3 different pipes, with the maximum relative error between measurement and simulation value of 4.4%. Simulated results showed that the temperature was distributed unevenly at the end surface of the soil: a higher temperature at the upper layer, a lower temperature at the lower layer, and a symmetrical distribution between left and right sides. There was also a distinguishable decrement of section temperature between the air inlet and outlet. Therefore, we conclude that SFG performs significantly better than both PVC and GI, which can be potentially applied in Chinese solar greenhouses or other similar agricultural facilities, and/or popularized to the construction market.

soils; fluid mechanics; heat transfer; heat transfer pipe; heat transfer performance; range of heat storage; CFD

2017-09-25

2018-01-11

國家“863”計劃項目（2013AA102407）；中國博士后基金項目特別資助（2015T81053）；博士后科學(xué)基金（2014M562458）；主動采光蓄熱溫室、超大跨度塑料大棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化與智能化環(huán)境調(diào)控裝備研制（2016BZ0901）；設(shè)施農(nóng)業(yè)采光蓄熱技術(shù)提升研究與示范（2016KTCL02-02）

鮑恩財，男，安徽合肥人，博士生，主要從事設(shè)施園藝工程方面的研究。Email：baoencai1990@163.com

鄒志榮，男，陜西延安人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事設(shè)施園藝方面的研究。Email:zouzhirong2005@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.028

S625.3

A

1002-6819(2018)-04-0232-07

鮑恩財，張 勇，曹晏飛，王 昭，張 欣，曹 凱，楊俊偉，鄒志榮. 不同材質(zhì)傳熱風(fēng)道性能及蓄熱土壤溫度場CFD模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(4)：232－238.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.028 http://www.tcsae.org

Bao Encai, Zhang Yong, Cao Yanfei, Wang Zhao, Zhang Xin, Cao Kai, Yang Junwei, Zou Zhirong. Performance of different material heat transfer pipes and CFD simulation of thermal storage soil temperature distribution[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 232－238. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.028 http://www.tcsae.org