湿润多孔黏土管道地-气换热器在炎热干旱温室中的空气冷却与加湿实验研究

《Energies》：Experimental Investigation of Air Cooling and Humidification by a Wetted Porous-Clay-Duct Earth–Air Heat Exchanger in a Hot-Arid Greenhouse

　　

在沙特阿拉伯Al-Kharj地区一座360 m2的实验温室中，研究人员对一台由室外空气供气的湿润多孔黏土管道地-气换热器（EAHE）进行了测试，测试时间为2026年7月22日至8月11日。在连续运行的21天内，出口空气平均温度为29.20 °C（范围24.3–36.0 °C；在30,117条每分钟记录中，96.2%的记录温度低于或等于34 °C），且未出现上升趋势；而温室中心平均温度为40.53 °C，峰值达到64.6 °C。位于送风机旁的部分遮阴、非通风式数据记录仪读数平均比出口温度高10.57 K，白天时段最高比出口温度高19.12 K；与机场记录对比表明，该记录仪在每日峰值时可能偏高约10 K。出口空气携带的水分比进气侧空气多约4.4 g/kg，昼夜皆然。在考虑0–10 K进气偏差与中心线至平均速度比1.0–1.4的各种情景下，白天显热交换率为5.38–15.79 kW，湿空气焓降率为?1.52至+6.84 kW，其中上限值对应无偏差且均匀流速分布的情况。夜间，出口空气焓值增加。土壤温度和黏土湿度未被测量，因此无法单独量化润湿的贡献。

湿润多孔黏土管道地-气换热器在炎热干旱温室中的空气冷却与加湿实验研究：论文解读

研究背景与问题

沙特阿拉伯的保护农业面临高温和水资源短缺的双重约束。高太阳辐射和极端夏季气温增加了温室降温需求，而传统的风机-湿帘系统需要大量水资源。2023年，沙特农业用水量达到122.98亿立方米，其中包括93.56亿立方米的不可再生地下水。浅层地热和地-气换热器（Earth-Air Heat Exchanger, EAHE）系统利用地下热惯性对空气进行预处理，是一种潜在的节能降温技术。然而，现有研究表明EAHE性能强烈依赖于气候、气流、埋深、管道几何形状、运行时长和土壤性质等多个因素。针对热干旱气候下的温室应用，已有研究测定了利雅得地区约3米埋深处夏季地温约为32°C，冬季约为29°C，但如何进一步提升换热效率并降低水耗仍是关键问题。

本研究旨在解决以下问题：第一，传统EAHE系统仅依赖土壤导热，换热效率有限；第二，在极端高温条件下，单一土壤热沉容易饱和，需结合蒸发冷却提升效果；第三，现有研究缺乏对多孔材料与土壤湿润耦合传热传质过程的现场尺度表征。为此，研究人员设计并测试了一种采用当地制造的湿润多孔黏土管道的EAHE原型系统，以期通过增强土壤导热性和蒸发冷却来改善温室供风条件。

研究方法与技术路线

研究人员在沙特阿拉伯Al-Kharj地区的Estidamah实验温室（约9 m×40 m，360 m2）中搭建了EAHE原型系统。关键技术方法包括：（1）三根长约35–40 m、直径250 mm的多孔烧结黏土管道，埋深约2.5–3.0 m；（2）单台室外送风机将环境空气抽入地下管道，经换热后从三个标称6英寸（0.1524 m）的出口竖管排出至塑料薄膜围成的局部测试区；（3）采用两个每日30分钟、总流量约528 L/天的间歇性湿润方案（06:30和12:00），通过专用湿润管线向黏土-土壤接触区域供水；（4）部署三台TempU03型USB温度/相对湿度（RH）数据记录仪，分别置于送风机进气侧（部分遮阴，10分钟采样）、EAHE出口处（1分钟采样）和温室中心（1分钟采样），采集2026年7月22日至8月11日共21天的连续数据；（5）使用Wintact WT87A手持叶轮风速计在各出口中心线重复测量风速（13、14、15 m/s），并结合名义流通面积估算体积流量（0.766 m3/s）；（6）基于Alduchov-Eskridge Magnus近似公式计算饱和蒸气压、湿度比、焓值和比容等湿空气参数，假设场地大气压为95.5 kPa。

研究结果

3.1 连续出口空气运行包络

出口记录仪提供了30,117条每分钟观测数据，平均温度为29.20 °C（范围24.3–36.0 °C），平均RH为40.15%（范围20.4–74.8%）。其中66.5%、85.0%和96.2%的记录分别低于或等于30、32和34 °C。日均出口温度未出现持续上升趋势：首周与末周均值分别为28.93和29.52 °C（升高0.59 K），而同期进气侧均值上升2.30 K，表明21天内系统性能未出现渐进式下降。

3.2 局部温差与名义显热率

在3,012条同步记录中，进气侧局部、温室中心和EAHE出口的平均温度分别为39.77 °C、40.53 °C和29.20 °C。进气侧至出口的平均空间温差为10.57 K，99.5%的记录为正温差。全时段名义显热率为8.77 kW。白天（12:00–17:59）平均温差达19.12 K，对应名义显热率15.79 kW；早晨和夜间分别为8.98 kW和5.13 kW。仅0.5%的夜间记录出现轻微负温差（最小?0.6 K），夜间进气侧平均温度（33.62 °C）仍高于出口平均温度（27.50 °C），表明室外夜间空气无法对管道进行冷量充注。

3.3 日间热缓冲与湿度

出口温度的日变化幅度远小于进气侧。12:00–16:00期间，进气侧和出口平均温度分别为52.35 °C和32.43 °C，温差达19.92 K。描述性线性拟合给出T_out = 0.238 T_in,local + 19.74（R2 = 0.674）。进气侧RH午后最低，而出口RH保持较高水平，白天均值分别为8.25%和37.06%。

3.4 最大配对事件与手动点检

最大配对温差出现在2026年8月10日13:36，进气侧58.6 °C，出口30.7 °C，温差27.9 K，对应瞬时名义显热率22.98 kW。进气侧最高读数为8月1日的59.0 °C。手动点检记录显示白天温差约14–25 K。

3.5 用水观测与文献对比

EAHE湿润管线日输送量估计为528 L/天（8.8 L/min×两次30分钟激活），参考风机-湿帘系统报告吞吐量为37,728 L/天（26.2 L/min×24小时）。由于补充水量、蒸发量和可比制冷负荷均未测量，无法推算消耗性节水百分比或L/kWh_th指标。

3.6 三位置温室条件与湿空气焓

温室中心记录仪最高达64.6 °C，超过制造商规定的60 °C工作限值。白天进气侧、中心和出口平均温度分别为50.84、52.05和31.72 °C。配对状态计算显示，整个监测期间出口至进气侧的湿度比差值为4.35 g/kg干空气，昼夜差异不大（早晨4.26、白天4.36、夜间4.39 g/kg）。在名义情景下（无进气偏差、中心线至平均速度比1.0），白天显热率和湿空气焓降率分别为15.79和6.84 kW。夜间焓降率为?4.16 kW，全时段焓降率为?0.32 kW。显热率与焓降率的差值（约9 kW）表明约57%的显热以潜热形式返回空气中。

3.7 测量灵敏度与区域天气对比

温度传感器规格精度为±0.5 °C（?20至+40 °C）和±1.0 °C（其余范围），RH精度为±3个百分点。方和根组合下，白天焓降率为6.84±6.2 kW，夜间为?4.16±3.0 kW，全时段为?0.32±4.1 kW。进气侧辐射偏差按0、5、10 K假设，结合中心线至平均速度比1.0–1.4，白天显热率范围为5.38–15.79 kW，焓降率为?1.52至+6.84 kW，名义值位于该情景集的上端。与Al-Kharj机场气象站对比，进气侧记录仪日最高温均值高出10.26 K，表明数K至约10 K的辐射偏差是合理的。

讨论与结论

讨论要点

研究的主要测量结果是出口温度范围窄于局部进气侧范围，同时温室中心出现严重过热。这表明原型系统能在局部提供较冷空气，但未能实现整栋温室的温度控制。出口空气温度衰减与地-气热交换和蒸发辅助冷却机制一致，但由于土壤温度未连续测量，无法单独量化土壤热交换、瞬态储热和蒸发的各自贡献。

土壤湿润可改善黏土-土壤接触并促进蒸发传质，但本原型未测量土壤导率、壁面湿度或传导与蒸发的相对贡献，因此无法量化湿润或多孔黏土的单独效益。出口空气在整个21天监测期间（包括无新湿润脉冲的夜间）均具有更高的推断湿度比，残留水分是可能的来源，但RH误差和不受控混合也可能是原因。全时段名义焓降率?0.32 kW不能证明净冷却效果。

气流测量仅基于各出口中心线重复读数，未进行横截面速度遍历，因此提供的仅是示意性流量情景而非实测体积流量。名义显热率和焓降率属于上限值，在考虑进气偏差和流速剖面修正后显著降低。

用水方面，参考风机-湿帘系统吞吐量与EAHE湿润管线输送量的差异反映了不同运行方式，不应被表述为可测量的消耗性节约或等负荷比较。后续应测量两种系统的新鲜补充水量、蒸发量和有效制冷负荷，才能推导有意义的L/kWh_th指标。

黏土-土壤组件可能作为瞬态热库运行，但研究未建立充放电循环、恢复时间常数或土壤热状态。日均出口温度在21天内保持在约27.5–31.0 °C范围内，未出现地面饱和迹象。空气侧平衡显示白天热量沉积、夜间热量提取的日模式，但土壤和壁面温度数据缺失导致无法确定饱和与恢复时间。

研究结论翻译

在极端夏季条件下连续运行21天后，湿润多孔黏土管道EAHE输送的空气比室外送风机处的空气更冷、更潮湿。主要发现如下：

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  出口空气平均29.20 °C（范围24.3–36.0 °C；30,117条每分钟记录中96.2%低于或等于34 °C），21天内无上升趋势；温室中心平均40.53 °C，最高达64.6 °C，超出记录仪规定工作范围。这一结果不依赖于进气侧传感器或气流假设。
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  部分遮阴、无屏蔽的风机邻近记录仪仅提供局部进气侧代理值。其白天均值（50.84 °C）和最大值（高达59.0 °C）超过区域日最高温，其日最高值与机场观测值的差异无法区分实际局部升温与传感器暴露偏差。假设5和10 K偏差将使白天显热率从15.79 kW降至11.66和7.53 kW，焓降率从6.84 kW降至2.66和?1.52 kW（名义流量下）。
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  中心线出口读数定义了0.766 m3/s的名义流量情景。在进气偏差和气流情景下，白天显热率为5.38–15.79 kW，湿空气焓降率为?1.52至+6.84 kW；名义值（无偏差、均匀流速剖面）是最有利情况。每个时段约有9 kW以潜热形式返回空气，夜间和全时段焓降率分别为?4.16和?0.32 kW。这些数值并非经过验证的净温室冷却或土壤吸热量。
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  推断的平均出口至进气湿度比差值为4.35±1.8 g/kg干空气（规格限范围），夜间为4.39 g/kg。由于面积平均气流、排水、土壤水分储存和泄漏均未测量，该值不能确定蒸发率或输送水分的比例。
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  每天两次30分钟湿润脉冲，现场测量流量8.8 L/min，暗示输送量为528 L/天。参考风机-湿帘系统的37,728 L/天代表可能包含循环水的报告吞吐量。这些记录无法确定消耗性节水量或可比单位需水量。
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  空气侧焓率的昼夜符号变化表明白天热量沉积在黏土-土壤组件中，夜间通过蒸发被抽出；平衡方程未提供独立证据，但指出了需要测量的土壤、壁面、水和排水项。土壤温度、黏土和土壤湿度、水温及恢复均未测量，因此无法验证储能容量、运行周期或季节运行模式。
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  进一步评估需要受保护的管道内空气状态测量、气流遍历、风机功率监测、完整的水和土壤能量平衡、匹配的温室负荷测试以及作物测量。后期运行和冬季恢复仍未监测。