基于傳熱理論的蠅蛆養(yǎng)殖房溫控能源成本研究

喻茂月，張肖，胡亞星，何應(yīng)虎

（遵義師范學(xué)院，貴州 遵義 563000）

0 引言

蠅蛆營養(yǎng)成分價值高，具有多種用途。蠅蛆的生長受溫度影響十分明顯。20℃以下，蠅蛆停比繁殖或進入冬眠狀態(tài)，不食不動[1]，因此需要控制室內(nèi)溫度。蠅蛆養(yǎng)殖要追求效益，控制成本。蠅蛆養(yǎng)殖成本主要包括飼養(yǎng)成本和環(huán)境條件控制成本。蠅蛆養(yǎng)殖房的修建應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?、濕度、溫度、采光等條件，以提高用率低[2]。應(yīng)保證養(yǎng)殖房內(nèi)的溫度比較穩(wěn)定，種蠅生長適宜溫度一般為27℃左右[3]。為確保蠅蛆進入收蛆桶，養(yǎng)殖房內(nèi)的溫度應(yīng)在25℃以上[4]。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，當(dāng)室內(nèi)外溫度不相等時發(fā)生熱傳遞，熱量從溫度較高的一側(cè)向溫度較低的一側(cè)傳遞。傅里葉熱傳導(dǎo)定律[5]表明，導(dǎo)熱過程中單位時間通過截面的導(dǎo)熱量正比于垂直于該截面的溫度變化率和截面面積。在不考慮空氣和室內(nèi)外墻面間的對流時，可以采用傅里葉熱傳導(dǎo)定律近似計算傳熱量。牛頓冷卻定律[6]表明，當(dāng)物體表面與周圍存在溫度差時，單位時間從單位面積散失的熱量與溫度差成正比。牛頓冷卻定律在強制對流時與實際符合較好，在自然對流時誤差較大，但在溫度差不太大時依然成立?？諝夂褪覂?nèi)外墻面間的對流可以用牛頓冷卻定律計算。

本文根據(jù)遵義地區(qū)全年氣溫變化情況，建立理論模型計算得到本地區(qū)蠅蛆養(yǎng)殖溫度控制所需能量和能源成本。為本地區(qū)蠅蛆養(yǎng)殖提供參考。本文算法也可以為其它地區(qū)、其它物種養(yǎng)殖的溫控成本計算提供理論依據(jù)。

1 理論模型

圖1所示為蠅蛆養(yǎng)殖房傳熱模型示意圖。蠅蛆養(yǎng)殖房室內(nèi)外傳熱包括熱傳導(dǎo)、對流傳熱和熱輻射三種情況。對于空間較大的準(zhǔn)密閉房間，本文忽略熱輻射能量影響，近似計算基于熱傳導(dǎo)和對流傳熱的傳熱能量損耗。如圖1所示，室內(nèi)、室外溫度分別用Ti和To表示。當(dāng)室內(nèi)溫度高于室外溫度時，室內(nèi)和室外存在溫度差，空氣與墻面之間存在對流，熱量從墻體內(nèi)傳導(dǎo)出去，從而得到如圖所示由高到低的溫度變化曲線。

根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律，單位時間單位面積內(nèi)，室內(nèi)外傳熱量可表示為：

其中，λ表示墻內(nèi)的熱傳導(dǎo)系數(shù)，b表示墻厚度。

根據(jù)牛頓冷卻定律，空氣和室內(nèi)外墻面間的對流傳熱可以表示為：

其中，α表示空氣與表面之間的對流傳熱系數(shù)。考慮空氣和室內(nèi)外墻面間的對流，單位時間單位面積內(nèi)室內(nèi)外傳熱量可表示為：

其中k表示考慮空氣和室內(nèi)外墻面間對流的總傳熱系數(shù)，包含空氣與表面之間的對流傳熱和墻內(nèi)的熱傳導(dǎo)。k、α、λ滿足關(guān)系式：因此單位時間單位面積內(nèi)室內(nèi)外傳熱量可表示為：

如果熱傳導(dǎo)區(qū)為多層結(jié)構(gòu)，第n層的傳熱系數(shù)用λn表示，則

考慮蠅蛆養(yǎng)殖房的側(cè)面墻體、地面、屋頂、門、窗各自的傳熱，則蠅蛆養(yǎng)殖房單位時間的傳熱量用各部分傳熱之和表示為：

2 熱傳導(dǎo)計算

對流換熱是一個受許多因素影響且其強度變化幅度較大的復(fù)雜過程，一般情況下，空氣自然對流換熱系數(shù)為5～25W·m-1·K-1[7]。一般墻體的傳熱系數(shù)為λ1=1.2W·m-1·K-1[8]，普通門的傳熱系數(shù)λ2=1.5W·m-1·K-1[9]，窗戶普通玻璃的傳熱系數(shù)λ3=6.6W·m-1·K-1[10]，頂樓普通混泥土樓面的傳熱系數(shù)λ4=2.0W·m-1·K-1[11]，普通水泥地面的傳熱系數(shù)λ5=0.56W·m-1·K-1[9]。

一般地，取房屋墻體厚度約為b1=0.3m，門的厚度約為b2=0.15m，窗戶玻璃的厚度約為b3=0.003m，屋頂混泥土樓面厚度取b4=0.3m，地面厚度按b5=0.3m作近似計算。

根據(jù)蠅蛆養(yǎng)殖適宜溫度范圍，設(shè)蠅蛆養(yǎng)殖室內(nèi)溫度為Ti=28℃。室外溫度受天氣影響，隨時間變化。圖2所示為遵義地區(qū)年日平均氣溫變化曲線[12]。一般情況下，進入夏至前后氣溫快速升高，七月和八月的氣溫通常最高，九月立秋前后氣溫開始明顯下降，冬季氣溫最低，較低氣溫通常要持續(xù)到春季，立春前后氣溫才開始明顯回升。十月至次年四月的日平均氣溫通常都在25℃以下，需要加熱。七月和八月的日平均氣溫通常在25℃以上，一般不需要加熱。五月、六月和九月通常氣溫變化較大，天氣較冷的時候需要加熱以保持足夠的室溫。

針對以上參數(shù)，考慮日均平均氣溫，根據(jù)公式（4）和（5），近似計算得到蠅蛆養(yǎng)殖房在近年天氣環(huán)境下，每平方米的墻體、門窗、屋頂?shù)鹊膫鳠崆€，如圖3所示，其中。從圖中可知單位面積的窗戶每天的傳熱最多，因窗戶傳熱系數(shù)最大，傳熱最快。在寒冷天氣下每天每平方米傳熱可達1×107J。傳熱最慢的是地面，寒冷天氣地面每天每平方米傳熱約為窗戶傳熱速度的三分之一。

為計算具體傳熱損耗能量，針對16m2的小型蠅蛆養(yǎng)殖房，設(shè)長寬高分別為4m、4m、3m，有一高2m、寬1.5m的門，有一長1.2m、寬0.8m的窗戶。圖4為其各部分所占面積大小柱狀圖。

根據(jù)公式（4），考慮面積和時間，則蠅蛆養(yǎng)殖房傳熱量可表示為：

由此計算得到蠅蛆養(yǎng)殖房的墻、門窗、屋頂?shù)让刻斓膫鳠崃糠植记€，如圖5和圖6所示。由圖可知，蠅蛆養(yǎng)殖房的墻體傳熱最多，約占蠅蛆養(yǎng)殖房總傳熱量的一半。在寒冷天氣下墻體每天傳熱可達約2×108J。屋頂傳熱也較多，接近墻體傳熱的一半。而門窗和地面?zhèn)鳠崃恐图s等于屋頂傳熱量，約占蠅蛆養(yǎng)殖房總傳熱量的四分之一。蠅蛆養(yǎng)殖房的墻體傳熱全年達約3.5×1010J。蠅蛆養(yǎng)殖房全年總的傳熱可達約6.5×1010J。

3 溫控成本估算

采用制熱效率為3.4的空調(diào)用于調(diào)節(jié)實時溫度，電費單價設(shè)為每千瓦時0.4元，根據(jù)全年傳熱能量損耗約6.5×1010J計算，可得全年所需電量為2×1010J，即約5.6×103kW·h。進而計算得到所需電費約為2200元，除七月、八月幾乎不用空調(diào)外，平均每月約需電費220元。

4 結(jié)論

將室內(nèi)環(huán)境溫度控制在特定范圍對動植物生長具有重要作用。室內(nèi)環(huán)境溫度控制所需能源成本對評估種養(yǎng)殖經(jīng)濟效益具有重要意義。本文根據(jù)蠅蛆生長適宜溫度環(huán)境，控制室內(nèi)溫度，計算所需能源成本。建立了養(yǎng)殖房傳熱理論模型，研究了室外溫度、房間材料傳熱系數(shù)和材料厚度對傳熱能量損耗的影響。估算了在貴州遵義地區(qū)氣溫條件下蠅蛆養(yǎng)殖房的溫度控制成本。結(jié)果表明，對常用磚墻等建筑材料建成的16平米小型蠅蛆養(yǎng)殖房，維持室內(nèi)恒溫28℃，蠅蛆養(yǎng)殖房的墻體傳熱最多，約占蠅蛆養(yǎng)殖房總傳熱量的一半。在寒冷天氣下墻體每天傳熱可達約2×108J。而蠅蛆養(yǎng)殖房的墻體傳熱全年達約3.5×1010J。門窗和地面?zhèn)鳠崃恐图s等于屋頂傳熱量，約占蠅蛆養(yǎng)殖房總傳熱量的四分之一。全年因傳熱損耗能量約6.5×1010J，采用制熱效率為3.4的空調(diào)用于調(diào)節(jié)實時溫度，電費單價設(shè)為每千瓦時0.4元，所需溫控成本約為2200元。在寒冷冬季，若借助集中供熱系統(tǒng)可降低能源成本。本文算法可以為其它地區(qū)、其它物種養(yǎng)殖的溫控成本計算提供理論依據(jù)。