以地热能为热源温室大棚土壤温度场的研究

“30碳达峰，60碳中和”开启了可再生能源时代的大幕．大力推动新时代可再生能源大规模、高比例、高质量、市场化发展，有力推动可再生能源从能源绿色低碳转型的生力军成长为碳达峰碳中和的主力军，为构建清洁低碳、安全高效的能源体系提供坚强保障．地热能作为可再生能源的代表，具有清洁、环保、高效、丰富、低温的优点，是温室大棚热源的优先选择目标．

室内环境下（15℃）土壤初始温度曲线

当温室大棚室内环境温度为15℃时，土壤初始温度为8℃时．假设土壤为各向同性的固体，物性参数为常数．忽略由于土壤中水分迁移而引起的热迁移．已知土壤导热系数为2.04 W/（m·℃），密度为2400kg/m3，比热容为921.1J/（kg·℃），在此条件下模拟土壤不同深度下的温度值，从而得到土壤表面不同深度下土壤温度曲线图．

土壤表面不同深度下土壤温度曲线图

图1为土壤温度随着时间积累各不同深度监测点的温度曲线图，室内环境温度为植物适宜的环境温度15℃，监测点距离土壤上表面的垂直距离分别为0.06m、0.10m、0.14m、0.18m、0.22m、0.26m、0.30m，每相邻两监测点相差4厘米．从图中我们可以看出：土壤温度变化速度与范围随着监测点深度和时间的变化而变化．

整体上来看，土壤监测点内的温度具有升高的趋势，距离地表最近的温度变化较小．随着深度的增加土壤温度升温较快．随着时间的增加，土壤的温度逐渐趋于稳定．这说明，随着时间的增加，土壤温度在一定范围内有着提高，表面温度的影响也随之下降．为了节能，室内温度选择植物适宜的15℃时，土壤温度达不到适宜温度，在实际项目中有必要用地埋管来提高土壤的温度．

温室大棚土壤温度场模型建立

(1）忽略温室内部的温度差异，将温室内部温度看作一致．

(2）土壤、地埋管为各向同性的固体，物性参数为常数．

(3）忽略沿管长方向的传热，将地埋管周围土壤温度场作为二维瞬态导热问题处理．

(4）忽略土壤内水分迁移引起的热迁移．

(5）由于地埋管管壁很薄，认为管壁与土壤导热系数相同．

土壤温度场数学模型

模型建立与参数设置

将温室大棚土壤的计算模型假定为一个1×1(m）的计算模拟区域，地埋管位于模型中的坐标为（0.5,0.5）米．将计算区域网格用网格划分软件Gambit划分．划分完成后检查其准确性．然后将模型导入Fluent软件进行参数的设置，开始对模型进行模拟．网格划分如下：

初始条件和边界条件

1）土壤：土壤导热系数为2.04 W/（m·℃），密度为2400kg/m3，比热容为921.1J/（kg·℃）；

2）聚乙烯管（pe）导热系数为0.4 W/（m·℃），密度为933kg/m3;

3）供水平均温度：50℃；

4）冬季土壤区域初始温度为8℃，温室地表环境温度为15℃，地表与空气对流换热系数为7W/m2.

地埋管布置示意图

结论

(1）影响温室大棚土壤温度场的因素有地埋管的管径，间距以及埋深．地埋管管径越大，影响到的土壤的温度范围就越广，热作用半径越大；当管径相同时，间距越大导致土壤温度场不均匀分布；埋深直接影响植物根系温度．

(2）当假设土壤物性均匀不变的前提下，忽略地埋管沿管程方向的温变以及管壁的导热时，通过利用Gambit建立温室土壤的二维模型，并导入FLUENT进行数值模拟计算，对模拟结果从节能和经济效益考虑，在地源热泵提供热水平均温度50℃时，当管径为25mm，间距30cm，埋深在57.7cm时温室土壤温度场为最佳，此时温室土壤5-25厘米平均温度为22.14℃．