基于Galerkin法的地下粮仓围护结构传热特性数值模拟

无网格伽辽金法是一种新兴的数值计算方法,具有无需单元或网格、节点任意增减、计算精度高、收敛快等优点。该文提出利用无网格伽辽金法研究地下粮仓围护结构的传热问题。以实际地下粮仓为实例,利用MATLAB软件开发了无网格伽辽金法程序,采用无网格伽辽金法实现了地下粮仓围护结构传热规律的数值模拟。将MATLAB数值模拟结果与实际地下粮仓的实测数据进行对比分析,验证了无网格伽辽金法的预测精度。分析了土壤导热系数、地表风速及顶板距地表面距离对地下粮仓围护结构传热的敏感性,探讨了保温层厚度及布置方式对围护结构传热的影响。数值模拟研究结果显示夏季地下粮仓围护结构温度实测值与预测值之间的最大偏差为-0.17℃,冬季地下粮仓围护结构温度实测值与预测值之间的最大偏差为0.24℃,说明无网格伽辽金法具有较高的预测精度。地下粮仓围护结构传热对土壤导热系数的变化非常灵敏,因此需要谨慎确定土壤导热系数。地下粮仓顶板上部区域的温度梯度较大,顶板安装保温隔热层可显著减小地下粮仓顶板的热流密度,采用内保温比外保温有更好的保温隔热效果,因此地下粮仓顶板应采用内保温的保温隔热方式。地下粮仓围护结构传热的数值模拟结果可为地下粮仓的工程设计提供参考和依据。     

日光温室聚苯乙烯型砖复合墙保温蓄热性能

为研究聚苯乙烯型砖复合墙的保温蓄热特性,对聚苯乙烯型砖复合墙日光温室的室内外气温,后墙表面太阳辐射照度及其内部温度进行了测试分析。聚苯乙烯型砖复合墙由24 cm填充混凝土聚苯乙烯型砖、45 cm填土和5 cm混凝土板复合而成。测试结果表明,聚苯乙烯型砖复合墙内表面温度在阴天和晴天保温被闭合期间分别较室内气温高(2.5±0.2)℃和(5.4±1.4)℃。该墙体在阴天和晴天的放热区域分别为17 cm和30 cm,低于填土与混凝土板的厚度。填充混凝土聚苯乙烯型砖的热阻达到了2.93 m2 K/W,是当地日光温室后墙低限热阻的2倍。该结果表明聚苯乙烯型砖复合墙填土厚度及聚苯乙烯型砖热阻可满足墙体放热及保温的需求。另外,模拟结果表明,在同等室内外气温和墙体内表面太阳辐射的条件下,聚苯乙烯型砖复合墙在晴天和阴天保温被闭合期间的内表面温度与黏土砖夹心墙(24 cm黏土砖+10 cm聚苯板+24 cm黏土砖)相近。因此,聚苯乙烯型砖复合墙体保温蓄热性能良好,可用于取代黏土砖夹心墙。     

低坡变截面架空层对流对粮食平房仓屋面隔热性能的影响

设置架空层能有效减少粮食平房仓屋面的辐射得热。与普通架空层相比,变截面架空层通过气流加速,可有效改善粮仓“闷顶”问题。为了研究变截面架空层几何和运行参数对传热性能的影响,基于粮食平房仓实际尺寸,建立了具有等截面架空层、变截面架空层和未加架空层屋面的3种粮食平房仓缩尺模型（1∶28）,对恒定通风量条件下3种架空层设置模式的屋面隔热性能进行了对比试验研究。结果表明：等截面模式下,最优工况可将粮堆表层温度控制在25℃以内,外界升温后粮堆表层升高1.75℃;变截面模式下（渐缩比0.500）可将粮堆表层温度控制在24℃以内,外界升温后粮堆表层升温仅0.50℃。基于试验数据利用FLUENT软件进行数值建模,进一步研究了体现变截面架空层气流通道收缩性的渐缩比对表征对流的无量纲努谢尔特数Nu和瑞利数Ra的影响,数值计算结果表明在采用变截面架空层时,局部隔热性能在渐缩比为0.500时最佳,研究结果可为粮食平房仓屋面隔热改造提供理论依据和设计参考。     

西北地区日光温室土墙厚度及其保温性的优化

西北地区95%以上日光温室为土质墙体围护结构,各地温室墙体厚度差异较大。为寻求西北地区节能日光温室土质墙体的最佳厚度,对西北地区新疆维吾尔族自治区塔城市、陕西省杨凌区、甘肃省白银市和宁夏回族自治区银川市等四省区应用面积最广的不同厚度土质墙体节能日光温室环境指标进行分析,研究墙体保温性能和传热特性。综合建造成本和土地利用率得出陕西杨凌地区的最佳厚度为1.0 m,甘肃白银地区的最佳厚度为1.3 m,宁夏银川地区的最佳厚度为1.5 m,新疆塔城地区的最佳厚度为1.4 m。这样的厚度在当地可以满足保温要求,当达到当地的最佳厚度时,再通过增加墙体厚度对提高温室室内环境温度效果不明显。     

密闭式蛋鸡舍外围护结构冬季保温性能分析与试验

蛋鸡舍围护结构的保温隔热性能是影响鸡舍温度的稳定性,进而影响蛋鸡健康和生产性能的关键因素。由于蛋鸡舍一般不采暖,依靠蛋鸡的自身显热产热量来维持冬季蛋鸡舍内温度,因此如果蛋鸡舍冬季饲养密度较低、通风过度或围护结构保温性能不足,都难以满足蛋鸡舍温度环境的要求。如何确定不同气候区鸡舍围护结构必要的保温性能和饲养密度要求是解决蛋鸡舍冬季通风和保温矛盾问题的关键。该文通过建立蛋鸡舍动态热平衡理论模型,系统分析了不同气候区鸡舍围护结构的最低热阻需求,得出不同气候区鸡舍围护结构的保温性能要求与蛋鸡饲养方式(密度)的关系。结果表明:冬季舍外计算温度分别为-25℃(东北、内蒙古)、-15℃(华北、西北)、0℃(长江以南)的地区,蛋鸡舍墙体、屋面的最小热阻应分别不小于0.778、0.972;0.573、0.716;0.266、0.333(m~2·℃)/W;对应3层全阶梯笼养、4层半阶梯笼养和4层叠层、6层叠层、8层叠层笼养等饲养模式最大饲养密度下,所能够适应的围护结构冬季室外计算温度应分别不低于-14、-17、-19、-22、-23℃。研究结果为不同气候地区选择适宜饲养模式以及密闭式蛋鸡舍围护结构保温系统的设计提供了理论依据。     

日光温室太阳辐射模型构建及应用

太阳辐射是影响日光温室光、热环境的重要参数,准确获得温室内部墙体与地面的太阳辐射照度变化规律可对温室设计建造、温室内环境调控与作物生产起到重要的指导意义。该文在总结已有日光温室太阳辐射模型的基础上,通过气象数据,地球、太阳的运动规律以及太阳光线与日光温室前屋面入射角的关系,建立了较为完善的日光温室太阳辐射模型,并利用该模型对温室内部辐射规律进行分析。采用典型晴天数据对模型进行检验,结果显示计算值与实测值平均偏差最大为63.46 W/m~2,平均绝对误差最大为63.48 W/m~2,均方根误差最大为79.18 W/m~2,决定系数在0.95～0.99范围内。利用该模型分析温室内部辐射规律发现,相比不同位置屋面角度的影响而言,透光率受时间即太阳方位与太阳高度角的影响更大。温室墙体表面与地面太阳辐射照度随季节不断变化,春秋分是一年中墙体与地面接受太阳辐射时间最长的节气,该日墙体表面与地面太阳辐射照度大致相当。春分到秋分期间,地面辐射照度高于墙体表面;从秋分到春分期间,墙体表面太阳辐射照度大于地面。不同区域温室内太阳辐射日积累量主要受纬度影响,低纬度地区较高纬度地区而言,冬季太阳辐射日积累量大,夏季太阳辐射日积累量小。研究结果可为日光温室内墙体蓄热、屋面优化、作物种植、围护结构能量平衡等研究提供理论参考与相关数据。     

保温被投影对塑料大棚室内光环境及番茄生长性能的影响

保温塑料大棚屋顶保温被夜间有助于减少室内热量流失,但其白天会在室内形成一条阴影带,为了探明室内阴影带的变化以及其对番茄生长发育的影响规律,以陕西杨凌地区18 m跨度非对称保温塑料大棚为试验对象,计算分析了室内栽培区阴影带在一年中的变化规律,同时测试了北屋面水平投影区域和南屋面水平投影区域的太阳辐射,研究不同栽培区域番茄株高、茎粗、叶片光合参数以及番茄单株产量的差异。结果表明:1)与南屋面水平投影区域相比,北屋面水平投影区域晴天、阴天分别有38.9%、27.9%的太阳辐射被遮挡;2)全年北屋面水平投影区域有阴影的天数为231 d,最大遮荫面积可达146.8 m~2,占总栽培区域面积的13.2%;3)南屋面水平投影区域番茄叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率以及水分利用率显著(P0.01)高于北屋面水平投影区域,平均单株产量要比北屋面水平投影区域高29.5%。总的来说,保温被投影降低了室内北侧栽培区域的太阳辐射,同时也降低了番茄的光合特性及产量,这为优化保温塑料大棚结构参数设计提供了更为深入的理论基础。     

基于可再生能源供热的设施水产养殖试验温室设计

养殖温室是设施水产养殖的关键装备,对养殖环境调控和系统运行能耗有极大的影响。在浙江大学的校园内,设计建造了一个设施水产养殖试验温室,用于研究基于可再生能源的供热系统和养殖温室围护结构保温特性。试验温室长13.46 m,宽4.96 m,南墙高0.8 m,北墙高2.5 m。北墙和屋顶各设置有4个独立的洞口,尺寸分别为2.2?m×2.2?m和2.2?m×4.8?m,用于研究各种墙体和屋顶保温构造的湿热性能。太阳能集热器面积可在10~50 m2之间变化,试验温室冬季室内空气温度可控制在15~35°C。可用于测试养殖温室的太阳能-热泵联合集热、围护结构的湿热传递、废水余热回收、养殖新水增温和温室室内采暖等性能。     

华北冬季密闭兔舍显热回收通风系统应用效果研究

针对华北地区常见围护结构的冬季不供暖密闭种兔舍保温与通风的矛盾问题,该文通过试验研究该类型兔舍不通风及运行显热回收通风系统(sensible heat recovery ventilation,SHRV)2种状态下的舍内空气质量、SHRV节能通风效果,并对比分析了SHRV结合均匀开孔送风和一端开口送风方式对舍内温度及气流分布的影响,探究SHRV在该兔舍的适用性。结果表明,相比于舍内不通风状态,运行SHRV时,舍内平均温度无显著波动;运行1 h后NH_3和CO_2浓度分别从9.9 mg/m~3和0.23%下降到4.2 mg/m~3和0.09%,湿度从84%下降到56%适宜水平,舍内空气质量改善明显。在该地区舍外温度-6～5℃时,SHRV可使新风温度平均提高3.4℃,平均显热回收效率和能效比(coefficient of performance,COP)分别为65%和5.1,达到了国家节能标准(60%和2.5)。比较分析风管一端开口送风与管道均匀开口送风发现,均匀开口送风可使舍内平均风速降低到0.2 m/s以下,减少舍内气流和温度分层,提高送风均匀性,降低动物冷应激。研究表明,在该地区常见围护结构不供暖密闭种兔舍使用SHRV可有效缓解通风与保温的矛盾,但若要达到更理想的节能通风效果,需采取适宜的芯体片间距,增加饲养密度、加强畜舍围护结构的密闭性提高保温效果。     

不同节能改造方式猪舍的供暖能耗和经济性比较

为降低猪舍冬季供暖能耗,以12头母猪的分娩猪舍常见围护结构为基础,理论与试验相结合分析了不同节能改造方式的供暖能耗和经济指标。结果表明:未保温猪舍、外墙保温猪舍、外墙天棚保温门窗进风猪舍和外墙天棚保温天棚进风猪舍1个供暖季总能耗分别为118.2、45.2、35.3和0.2 kW·h/m~2。4种猪舍不需要供暖的时长占供暖期总时长的比例分别为10%、28%、33%和96%。外墙保温猪舍与未保温猪舍相比、外墙天棚保温门窗进风猪舍与外墙保温猪舍相比、外墙天棚保温天棚进风猪舍与外墙天棚保温门窗进风猪舍相比、外墙天棚保温天棚进风猪舍与外墙保温猪舍相比,节约的单位能耗的改造成本分别为1.2、40.4、0.2和9.0 Yuan/(kW·h)。以节约单位能耗所需投资最小目标选择猪舍节能改造方式,以墙体保温节能改造最好;以猪舍总能耗最低为目标,则猪舍墙体和天棚均需节能改造并进行天棚预热新风通风。     

温室墙体中覆铝箔封闭空气腔热工性能模拟分析

通过建立封闭空气腔二维稳态流动传热模型和温室墙体一维非稳态导热模型,模拟计算封闭腔内空气温度分布,研究了日光温室墙体中覆铝箔封闭空气腔的热工性能。结果表明:壁面覆铝箔可有效减少封闭空气腔的辐射换热量;封闭空气腔的热阻随封闭腔高度的增加而增大,高度达1.5 m后,热阻趋于不变;封闭空气腔的厚度小于0.03 m时,其热阻随厚度增加而增大,厚度超过0.03 m后,热阻逐渐减小;覆铝箔封闭空气腔高度为1.5 m、厚度为0.03 m、内外壁面温差为2~20 K时,热阻为0.70~0.55 K·m~2/W,保温隔热效果相当于0.81~0.64 m厚夯实黏土结构、0.55~0.43 m厚红砖砌体结构墙体或0.20~0.16 m厚煤渣、0.06~0.05 m厚珍珠岩、0.03~0.02 m厚聚苯板隔热材料。3组30 mm厚覆铝箔封闭空气腔加480 mm红砖复合墙体(360 mm红砖墙+3组30 mm封闭空气腔+120 mm红砖墙,240 mm红砖墙+3组30 mm封闭空气腔+240 mm红砖墙),其夜间向室内放热量较单一480 mm红砖墙体提高99.5%~104.2%,与相同结构聚苯板红砖复合墙体无明显差距。     

日光温室土墙传热特性及轻简化路径的理论分析

为减小日光温室土墙厚度,该研究在分析土墙温度变化的基础上提出了土墙轻简化路径并进行了理论分析。根据测试分析,土墙可划分为用于储蓄热量的蓄热层和防止热量从蓄热层向室外方向流失的保温层。土墙86.9%的部分为保温层。模拟结果表明使用由47 cm厚夯土和7 cm厚聚苯板(热阻等于3.13 m厚夯土保温层)构成的复合墙在夜间的放热量与3.6 m厚土墙相近。使用保温材料替代夯土保温层来减薄土墙在理论上可行。另外,根据模拟,当土壤20 cm深处温度提高至23℃后,土壤供热量可超过测试条件下土壤和土墙放热量总和。为此,土墙在理论上可通过以下2条途径实现轻简化:1)使用保温材料建造墙体保温层;2)使用土壤蓄热替代墙体蓄热。     

日光温室三重结构相变蓄热墙体传热特性分析

针对目前国内日光温室墙体在热工性能设计方法方面存在的不足,该文提出了日光温室三重结构相变蓄热墙体构筑方法;结合试验结果,提出了关于该结构墙体传热性能分析方法及其评价指标。分析结果表明：1）三重结构墙体有着较好的蓄放热性能,利用墙体内侧（温室侧）的相变蓄热材料,可以显著提高墙体太阳能利用率,在太阳日累计辐照量为9.32 MJ/m2下,比参照温室北墙体的有效蓄热量提高了26.6%;夜间,相变温室三重结构墙体的累积供热量比参照温室砌块砖墙体的提高了16.2%,并且该墙体相变材料层的单位体积有效蓄热量为80.0 MJ/m3,是三重结构墙体中砌块砖层有效蓄热量的10倍;2）透过前坡屋面照射在温室北墙内表面太阳能影响墙体温度变化的深度有限,约占0.90 m厚三重结构墙体的33.3%,并且在温室墙体内部存在着温度稳定区,其厚度占0.90 m厚三重结构墙体的61.1%。试验结果表明仅通过增加温室墙体厚度以提高墙体的太阳能显热蓄热效率是非常有限的。该研究结果可为日光温室墙体的合理构筑、相变蓄热技术在日光温室的应用以及温室墙体的相变传热问题分析提供参考。     

日光温室保温被传热的理论解析及验证

为掌握日光温室保温被的传热及其保温特性,该文运用传热学理论,建立了模拟辐射、对流以及导热等形式的传热方程,在此基础上构建了日光温室保温被这类厚型覆盖材料的传热理论模型,编制了计算机程序。该模型通过对保温被内、外表面与环境间的有效辐射、投射辐射的分析,来确定辐射换热量;根据能量平衡的原理,建立了保温被表面通过对流传热、辐射传热的传热量与内部传热量之间的关系。所建立的计算方法与程序可根据覆盖材料的红外辐射特性、导热系数、覆盖层的构造参数及工作环境等条件,定量分析保温被覆盖层的传热,计算其传热量及传热系数值。试验测试结果表明,保温被的传热量及传热系数的理论计算值与试验测定值较为一致,该文的方法为保温被一类厚型覆盖材料提供了保温性定量分析评价的理论手段。     

日光温室热环境模拟模型的构建

该文建立了日光温室热环境模拟模型,定量描述了日光温室内的太阳辐射、对流换热、辐射换热、热传导、自然通风和水分相变带来的潜热对日光温室热环境的影响,根据质能平衡和传热学理论,得到一组关于覆盖物、室内空气、温室分层后墙、分层地面土壤、分层后坡和作物热平衡的微分方程组。利用MATLAB的强大计算能力与VB的良好用户界面建立模拟计算软件,可求得温室各组成部分的温度。通过试验验证,该模型能够比较准确预测日光温室环境温度。     

日光温室装配式土质夹心墙体热湿迁移及蓄放热性能研究

为研究日光温室装配式土质夹心墙体的热湿迁移及蓄放热性能,通过可控式墙体热湿耦合试验台控制墙体两侧温度、相对湿度的不同,实测墙内温度、相对湿度的稳态分布及瞬态变化,并对墙体的蓄放热性能进行定量计算与分析。结果表明：该层状异质结构复合墙体,热湿迁移存在耦合但并不明显;墙内填土始终保持高湿状态,有利于墙体蓄放热,是该墙体的主要蓄放热体;外侧墙板保温隔热效能明显,室外环境变化对墙体保温蓄热性能影响较小,且能使墙内热量主要向室内单向释放;墙内热量释放存在滞后效应,最长可持续6 d+6.5 h,但以快速放热期（4 d+8 h内）所释放热量为主,约占总放热量的85.64%～91.21%;所建立的数值分析方法可为不同厚度的同类墙体设计与建造提供参考,具有指导生产意义。该新型墙体设计理念先进,蓄放热性能优越,且能够快速装配、重复利用、就地还田,适于在中国大面积推广应用。     

基于热泵加温系统的沼气池经济保温层厚度确定

为优化沼气工程热泵加温系统的设计,降低加温系统的初投资和运行费用,该文对经济保温层厚度进行了研究。首先采用综合传热系数法简化计算沼气池围护结构散热负荷,并借助逐时气象参数获得沼气池全年动态热负荷的计算方法。在此基础上,利用费用年值法建立了经济保温层厚度的数学模型,并将其应用到工程实例,得到了经济保温层厚度简化计算公式,在上海地区气候前提下,确定了沼气池经济保温层厚度为0.05～0.07m。同时得到当热泵年均性能系数(coefficient of performance,COP)为3.5时,膨胀聚苯乙烯、挤塑聚苯乙烯、酚醛树脂、聚氨酯、聚氯乙烯5种保温材料所对应的经济保温层厚度分别为0.092、0.063、0.054、0.048和0.046m。     

基于CFD的日光温室墙体蓄热层厚度的确定

日光温室墙体蓄放热能力的优劣取决于墙体蓄放热特性与蓄热层厚度,确定日光温室蓄热层厚度,对于推进日光温室墙体改进意义重大。该研究以温室内太阳辐射与室外气温作为输入条件,按照试验温室实际尺寸和相关关系进行参数化建模并模拟计算不同月份墙体蓄热层厚度。选择乌鲁木齐地区2018年1月-4月典型晴天进行测试,以温室地面、墙体表面的太阳辐射为输入条件,室外空气温度为边界条件,利用AutodeskCFD软件对晴天9:00至次日9:00的温室砖墙内部温度场进行了模拟,并通过对比墙体内部0、10、20、30、40、50 cm处温度测点的实测值与模拟值验证模拟结果的准确性。结果表明,温室墙体模拟结果与测试结果吻合度较高,1月9日、2月9日、3月6日各层平均误差均在1.5℃以下,4月6日实际值与模拟值误差较大,模拟值较实际值滞后,趋势随着深度与墙体温度的升高而更加明显。在温室墙体材料、结构、室内外的光温环境的共同影响下,温室墙体传热是一个复杂的非稳态过程。砖墙温室与土墙温室类似,墙体可划分为"保温层、稳定层、蓄热层",各层的厚度与墙体蓄热材料、保温材料的热物性有关。对墙体温度场、各层的温度衰减因子以及延迟时间分析可知,墙体厚度在0～30 cm范围内,墙体温度波动较为明显,墙体厚度大于30 cm时,温室墙体一天内温度波动较为平缓,波幅较小。随着气温回升,温室墙体内部温度整体提高,各层温度波动相差不大。在温室结构、保温性能不变的情况下,温室蓄热层厚度及波动情况受外界光温环境的综合影响较小。综上所述,采用CFD模拟温室墙体温度场的变化,并根据温室墙体温度场变化确定温室墙体蓄热层厚度是可行的,可靠性较高。该研究可为其他区域优选温室墙体结构,推进日光温室墙体改进提供依据和参考。     

Venlo型温室外遮阳和屋顶喷淋系统夏季降温效果

该文对荷兰Venlo型连栋温室夏季采用自然通风并结合遮阳网、室外屋顶喷淋的降温效果进行了实验研究。实验中对温室内空气温、湿度,太阳辐照度进行了测试,以比较外遮阳和屋顶喷淋的降温效果。结果表明:Venlo型温室夏季采用自然通风结合外遮阳和屋顶喷淋的降温措施后能够有效降低室内温度。不同于其它蒸发降温系统,屋顶喷淋没有造成温室内湿度的显著增加,室内的温度和湿度分布比较均匀。这种降温措施的能耗小,可以达到温室降温和降低温室夏季生产成本的双重目的