李旭光　王立東　范立坤　呂艷慧　韓繼興

摘要內(nèi)蒙古地區(qū)的冬季寒冷干燥，為當(dāng)?shù)嘏Ｉ岱篮芰砹颂魬?zhàn)。針對這一問題，提出2種供暖方式：傳統(tǒng)的煤爐供暖方式與新型的加熱地板供暖方式。以該地區(qū)的一所封閉式牛舍為研究對象，借助數(shù)值模擬軟件進行模擬分析，比較2種供暖方式的速度場與溫度場，得出加熱地板方式水平面方向溫度場更均勻，豎直面方向上溫度有一個明顯的梯度（下熱上冷），可滿足牛舍舒適感的要求，并在一定程度上節(jié)約能源。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，得到加熱地板供暖比傳統(tǒng)的煤爐供暖方式有明顯的優(yōu)勢，對其傳熱量進行簡單的計算分析，并設(shè)計選擇熱水管道鋪設(shè)方式，為內(nèi)蒙古地區(qū)的設(shè)計施工提供參考。

關(guān)鍵詞牛舍防寒能力；供暖方式；數(shù)值模擬；計算分析；管道設(shè)計

中圖分類號S26文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）19-0214-04

Study on Heating Simulation of Cowshed in Winter in Inner Mongolia

LI Xuguang， WANG Lidong， FAN Likun et al

（Kailu County Livestock Improvement Station in Tongliao City， Tongliao， Inner Mongolia 028400）

AbstractIn response to this question， we offer two heating methods， the traditional heating mode of coal stove and the new type of heating floor for Inner Mongolia cold and dry winter， which has brought challenges to the local cowshed cold capacity. We take the closed cattle house in the area as the research object and compare the velocity field and temperature field of two heating modes with the help of Fluent numerical simulation software. The result is that the temperature field of heating floor mode is more uniform in the horizontal direction， and in the vertical plane direction there is an obvious temperature gradient. It meet the comfort requirements of the cowshed and save energy to a certain extent. According to the numerical simulation results， it is obvious that the heating floor method is better than that of the traditional coal stove heating method. And the heat transfer is calculated and analyzed as well as the hot water pipeline laying method is designed for the later construction.

Key wordsCowshed cold capacity；Heating methods；Numerical simulation；Calculation and analysis；Pipeline design

內(nèi)蒙古地區(qū)農(nóng)牧資源豐富，肉牛業(yè)發(fā)展優(yōu)勢和潛力巨大，然而由于冬季持續(xù)時間長、牛舍溫度低、管理不科學(xué)等問題，導(dǎo)致肉牛增重慢，嚴重制約當(dāng)?shù)厝馀I(yè)的發(fā)展。

內(nèi)蒙古地區(qū)傳統(tǒng)的供暖方式主要是采用暖氣或在舍內(nèi)生煤爐，其主要缺點是：舍內(nèi)溫度不均勻，舒適性較差，而且由于采用燃煤，有一定的安全隱患，也不利于環(huán)境保護。

地?zé)岵膳墙鼛啄曜顬榱餍械囊环N采暖方式，將熱水管埋在混凝土中，流動的熱水通過熱水管對地板加熱，被加熱的地板與房間內(nèi)表面之間再通過對流與輻射傳熱，從而可使牛舍內(nèi)部溫度達到要求。筆者選取內(nèi)蒙古地區(qū)的一個封閉式牛棚，借助fluent軟件對冬季牛舍煤爐供暖方式和加

熱地板供暖方式進行數(shù)值模擬，通過對2種供暖方式的速度場和溫度場進行分析，比較兩者的優(yōu)劣，為畜牧養(yǎng)殖提供參考。

1模型及邊界條件

所選牛舍為封閉式牛舍，長度為20.0 m，跨度為10.0 m，檐高為3.3 m，雙坡屋頂，南北墻上各有15扇窗（尺寸為1.2 m×0.9 m），窗高1.8 m，西面有扇鐵門（尺寸為2.0 m×1.4 m），中間是寬2.0 m的飼喂走道，肉牛躺臥地面向兩側(cè)傾斜，坡度約為3%。牛舍釆用單欄飼養(yǎng)的方式，將牛與牛之間隔離開來，保證了每頭牛的生活空間，根據(jù)這些尺寸建立模型圖見圖1。

模型條件設(shè)置：

①由于牛舍空間比較大，故忽略牛舍中欄桿、飼槽等其他固體設(shè)置的影響。

②牛的散熱對于供暖是有利的，可不用考慮牛自身散熱的影響。

③室外溫度為-20 ℃，牛生長比較適宜的溫度范圍為5～25 ℃，為降低熱量損失，可用空心磚代替普通紅磚來建墻，屋頂采用保溫性能比較好的石棉磚材料，窗子采用加厚玻璃，地板為混凝土材料，由于混凝土硬度大，導(dǎo)熱性能強，對牛四肢關(guān)節(jié)和蹄的健康發(fā)育有不利影響，所以要在上面鋪撒一層2 cm厚的墊料。表1是所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)以及厚度。④在此次研究中，由于表面溫度為幾十?dāng)z氏度，自然對流和輻射散熱量具有相同的量級，需要考慮熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種傳熱方式的耦合作用。

模擬分析中地暖管道的鋪設(shè)方式

主要有螺旋型、迂回型以及螺旋迂回型布管方式，如圖2所示。螺旋型布管方式通常可以產(chǎn)生均勻的地面溫度，并可通過調(diào)整管間距來滿足局部區(qū)域特殊要求，由于采暖螺旋型布管時管道只彎曲了90°，材料所受彎曲應(yīng)力較小，這也是該研究采用的一種盤管方式。

迂回型布管方式通常產(chǎn)生的溫度一端高一端低，而且布管時管路要彎曲180°，材料所受應(yīng)力較大，所以只推薦在較狹小的空間內(nèi)采用。

2模擬結(jié)果分析

選取牛舍截面為對象，對2種不同工況下的采暖進行模擬分析，結(jié)果見圖3～6。

從流體速度分布平面圖（圖3、4）可以看出，煤爐采暖方式空氣流速較低，速度場不均勻，室內(nèi)空氣流動較差；加熱地板方式流速均勻且速度梯度相對變化不大，減少流體流動阻力，增強流體流動性。

從溫度云圖（圖5、6）可以看出，在水平方向上加熱采暖地板室內(nèi)溫度場分布比煤爐供暖方式均勻；在垂直方向上，地板采暖在室內(nèi)高度方向上溫度分布下熱上冷，有比較明顯的溫度梯度，而煤爐供暖方式高度方向比較均勻，地板采暖的無效熱損比煤爐供暖少很多，可減少能源消耗。

3計算分析

目前地板采暖系統(tǒng)的傳熱分析，地板采暖方式換熱過程可以分為3個階段：其一為管內(nèi)水與水管強制對流換熱；盤管與地板表面的換熱，為導(dǎo)熱過程；地板表面與房間內(nèi)表面和室內(nèi)空氣的換熱過程，為對流和輻射的混合換熱過程，其中以輻射換熱為主。因此，熱交換的綜合傳熱量近似地為將輻射和對流兩部分傳熱量相加而得出。

地板表面的對流傳熱，地板采暖表面對流換熱系數(shù)具有下列準則計算方程式：

Nu=0.11（Gr·Pr）13（1）

式中，Nu為努謝爾數(shù)，Nu=hlλ；Gr為格拉曉夫數(shù)，Gr=gl3aΔtv2；Pr為普朗特數(shù)，Pr=va。

煤爐供暖方式和加熱地板供暖方式從模型點（0，5，0）沿高度方向的溫度曲線見圖7。

根據(jù)圖7得室溫約為278 K，即5 ℃，空氣的熱物理性質(zhì)如下：

t為5 ℃，ρ為1.27 kg/m3，Cp為1.005 kJ/（kg·K），λ為2.48 W/（m·K），a為19.40×106 m2/s，μ為13.94×106 kg/（m·s），v為17.4×106 m2/s，Pr為0.706。

g取9.8 m/s2，l取3.5 m代入式（1）計算整理得：

hc=1.18（Tp-Tn）13（2）

式中，Tp為輻射板表面的平均溫度（303 K）；Tn為室內(nèi)溫度（278 K）。對流傳熱量（qd）可由下式計算：

qd=2.17×（Tp-Tn）1/3=2.17×（303-278）1/3=6.30（W/m2）

輻射傳熱量的計算公式如下：

qf=εσ（T4p-T4f）

式中，qf為輻射換熱量（W/m2）；Tp為輻射板表面的平均溫度；ε為發(fā)射率，約為0.87；Tf為平均溫度；σ為斯蒂芬·波爾茲曼常數(shù)，為5.67×10-8W/（m2·K4）；由此可得：

qf=4.93×[（Tp100）4-（Tf100）4]=121.08（W/m2）

所以綜合傳熱量：

q=qd+qf=（Tp-Tn）13+4.93×[（Tp100）4-（Tf100）4]=127.38（W/m2）

4結(jié)論

應(yīng)用模擬分析軟件比較它們的速度場與溫度場，得出如下結(jié)論：

①速度場。煤爐采暖方式空氣流速較低，速度場不均勻，室內(nèi)空氣流動較差，加熱地板方式流速均勻。

②溫度場。在水平方向上加熱采暖地板室內(nèi)溫度場分布比煤爐供暖方式均勻；在垂直方向上，地板采暖在室內(nèi)高度方向上溫度分布下熱上冷，有比較明顯的溫度梯度，而煤爐供暖方式高度方向上比較均勻，地板采暖的無效熱損比煤爐供暖少很多，可減少能源消耗。

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，得到加熱地板供暖比傳統(tǒng)的煤爐供暖方式有明顯的優(yōu)勢，對其傳熱量進行簡單地計算，并選擇管道鋪設(shè)方式，可對以后施工起指導(dǎo)作用。

經(jīng)計算分析，綜合傳熱量為127.38 W/m2，可使牛舍內(nèi)環(huán)境舒適，提高牛的產(chǎn)肉率。

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