基于太阳温室山脊形土壤中耦合热湿传输的供暖管道参数优化

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Parametric optimization of heating pipelines based on coupled heat and moisture transfer in ridge-shaped soil of solar greenhouses

　　摘要：在太阳能温室中过冬的草莓需要根区和冠层具有特定于作物的热环境。当前基于平面地面纯导热假设的加热设计在梯形垄耕作中无法适用，因为梯形几何形状改变了热扩散路径，而蒸发-凝结过程引入了额外的热量传递途径。为了解决这个问题，我们在ANSYS Fluent中使用用户定义的标量开发了一个适用于梯形垄耕作的三维土壤-空气耦合热湿传递模型，该模型基于Philip-de Vries非等温理论。这是第一个将梯形垄几何形状、耦合热湿传递与蒸发-凝结相变以及土壤-空气界面统一在一个非等温框架内的模型，使得加热管道的参数优化和作物特定设计标准成为可能。该模型通过现场实验得到了验证（最大误差为0.5 K，相对均方根误差为1.45%）。通过明确匹配管道位置与草莓的浅根（0至-0.3 m）和低冠层（0至0.3 m）结构，建立了最佳的目标加热标准：在垄顶下方0.10 m处设置两根管道，供水温度为313.15 K。这种配置能够双向向根区传递热量，减少深层土壤的热量损失，并保持根区和冠层温度在286.47–287.27 K和286.81–287.69 K之间，这两个温度范围都适合草莓过冬。这项工作为保护性农业中的精准加热和低碳运营提供了理论基础。

引言：高质量的草莓生产需要严格的光照和热条件[1],[2]，草莓是中国北方太阳能温室中典型的越冬高价值作物[3],[4]。虽然垄耕作使暴露在光下的土壤表面扩大并且表面温度升高，但在北方地区典型的严冬条件下，仅依靠被动温室保温无法将根区维持在最佳温度范围内，这些地区的特点是长时间低温和太阳辐射不足[5]。因此，高效的温室加热技术被认为是稳定越冬作物产量和提高农业效率的关键策略[6],[7],[8]。温室土壤加热系统的能源效率高度依赖于散热终端核心参数的优化。管道直径和间距的协同调节对于最大化有效热量传递至关重要，先前的计算流体动力学（CFD）和瞬态系统模拟已经证明了这一点[9],[10]。例如，Reiss等人[9]和Chazarreta等人[10]报告称，使用更窄且间距更密的管道可以提高向上的表面热流和温度均匀性，而不会增加向下的热量损失。此外，Jia等人[11]的数值模拟指出，加热管道的垂直距离是平衡表面热流和热均匀性的关键几何参数。这些研究还表明，在系统底部集成高热阻材料对于减少向下的热量损失是必要的。此外，系统的整体加热效率直接取决于供水温度，供水温度是热量传递速率的主要驱动力[12]。基于这些理论基础，之前已经开发了一种生物质锅炉[13]，实现了清洁生物质能源在温室加热中的高效利用[14]。尽管取得了这些进展，但早期的工程设计和理论框架主要基于传统的平面地面耕作场景或理想化均匀土壤剖面中的纯导热假设[15],[16],[17]。在垄耕作中，根区被抬高，垂直距离边界也发生了变化，因此热量传递路径也随之改变。这些变化无法通过理想的平面地面加热模型准确表示，这往往导致根区内的有效积温不足或增加了向深层土壤的热量损失，从而限制了整个加热系统的热能利用效率。由于土壤是一种多相多孔介质，由固体基质、液态水和孔隙气体组成，其内部热质传递过程的复杂性取决于其物理性质[18],[19]。这些内部热扩散路径受到三维垄结构的空间配置和垂直距离特性的影响。同时，土壤中水分的蒸发、迁移和相变受到来自加热管道的连续热输入的驱动。这种过程引发了垄内的耦合热湿传递[20]。通过潜热和显热的相互作用，土壤中的水热传输变得非线性和空间异质。尽管土壤中的耦合热湿传递已经得到了广泛研究[21],[22]，但大多数工程设计仍然依赖纯导热假设。这种耦合效应很少被整合到加热管道的设计和优化框架中[23],[24]。此外，对于垄耕作特定垂直距离边界下的耦合热湿迁移动态的研究还非常有限。目前，与草莓垄耕作中的加热管道相关的三维耦合热湿迁移动态尚未得到充分研究。为了填补这一研究空白，本研究提出了针对垄耕作草莓的作物特定目标加热方案，其中加热管道布局与作物的根冠结构相匹配，优先将热量导向根区，同时最小化不必要的热量损失到深层土壤。为了建立和量化这种目标加热策略，我们开发并验证了一个三维耦合热湿传递模型，主要贡献如下：首先，基于Philip-de Vries非等温理论，我们使用ANSYS Fluent中的用户定义标量（UDS）将控制方程扩展到三维垄几何形状和土壤-空气界面，开发了一个适用于梯形垄耕作的三维耦合热湿传递模型。这一框架能够在统一的建模框架内考虑垄几何形状和耦合热湿传输过程，克服了以往研究中常用的简化平面地面和纯导热假设。其次，该模型提供了关于垄几何形状如何改变内部热传递路径以及蒸发-凝结循环如何在非饱和土壤中提供额外热量传递途径的机制理解，从而揭示了传统平面地面加热模型在垄耕作中的局限性。最重要的是，该耦合模型通过将管道位置与草莓的浅根（0至-0.3 m）和低冠层结构（0至0.3 m）相匹配，建立了草莓的作物特定目标加热标准。确定了一种双管道配置，其垂直位置为垄顶下方0.10 m，供水温度为313.15 K，这种配置能够优先将热量导向根区，相比传统的单管道和深埋配置，减少了向深层土壤的热量传递，同时保持了根区和冠层区域的有利热条件。最后，通过将耦合热湿传输机制与加热管道设计和优化过程相结合，本文为保护性农业中的目标加热和低碳运营建立了基于物理的框架，为其他浅根垄耕作作物的加热系统设计提供了可转移的基础。

管道布局：草莓植物的特点是根系浅且冠层低。活跃的根系和功能叶片分别集中在0至-0.3 m的浅层土壤层和0至0.3 m的近地面冠层空间[25]。为了适应这些局部微气候要求并优化根区热量分布，我们构建了一个等腰梯形垄。垄的几何形状定义为顶部宽度0.3 m、底部宽度0.7 m和高度0.3 m。

CFD模型：如图2所示，太阳能温室被建模为按作物排布的系统。选择了一条1米长的单垄作为计算域。所有几何参数均来自实际测量，以代表整个温室。距离外墙8.20 m的一个平面被指定为等高线图的观察平面。预处理后，使用SolidWorks构建了三维模型，并使用ANSYS SpaceClaim进行了细化。

围绕加热管道的时空热湿变化：以垄两侧垂直距离为-0.15 m的双管道配置为基准情景，定性阐明了潜在的热传递机制。如图5所示，从加热管道散发的热能通过双传输模式同时传播到深层土壤和近表面空气，包括土壤热传导和弱对流-扩散空气传输。

垄土壤的耦合热湿机制：先前的温室加热管道热传递研究主要基于均匀平面地面土壤中的纯导热假设[35],[36]。然而，正如本研究所展示的，在太阳能温室的垄耕作中，这种理想化假设不再适用。梯形垄的三维几何形状改变了内部热扩散路径，颠覆了传统的平面地面模式。

结论：为了为在垄耕作太阳能温室中过冬的草莓提供特定于作物的热环境，我们开发了一个三维非等温耦合热湿传递模型，并建立了目标加热设计。主要结论如下：(1)开发并验证了一个适用于梯形垄耕作的三维非等温耦合热湿传递模型。该模型基于Philip-de Vries理论，统一了...

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