重慶大學(xué) 楊奇志 胡志儒 譚志軍 王 勇

0 引言

近年來，我國(guó)豬場(chǎng)規(guī)?；?、集約化水平不斷提高，豬場(chǎng)選擇合理的夏季通風(fēng)降溫方式顯得尤為重要[1]。當(dāng)前我國(guó)各類豬場(chǎng)通風(fēng)方式主要分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)兩大類[2]。豬舍的自然通風(fēng)是利用室內(nèi)外溫差及自然風(fēng)壓，通過窗戶或屋頂?shù)娘L(fēng)口使空氣產(chǎn)生自然流動(dòng)，達(dá)到降溫清潔的舍內(nèi)需求，然而在當(dāng)今的規(guī)?；i場(chǎng)中這種通風(fēng)方式難以滿足環(huán)境衛(wèi)生和溫濕度控制要求。豬舍的機(jī)械通風(fēng)是指利用風(fēng)機(jī)設(shè)備對(duì)舍內(nèi)空氣進(jìn)行強(qiáng)制流動(dòng)和交換，機(jī)械通風(fēng)常用的室外空氣降溫處理方式有濕簾降溫、制冷空調(diào)降溫[3]。濕簾降溫原理為：當(dāng)室外空氣通過多孔濕潤(rùn)的濕簾表面，濕簾上的水蒸發(fā)吸收空氣中的熱量，在熱濕傳遞過程中室外空氣在保持比焓不變的前提下，經(jīng)歷了降溫與加濕的過程。因此，利用濕簾降溫所面臨的問題是當(dāng)室外空氣濕度較大時(shí)，降溫效果不明顯。此外舍內(nèi)的高濕空氣會(huì)影響豬舍衛(wèi)生，導(dǎo)致病菌增加，影響豬群健康，所以利用濕簾降溫不適用于夏季高濕的地區(qū)[4-5]。傳統(tǒng)的機(jī)械制冷降溫方式能有效控制豬場(chǎng)室內(nèi)溫濕度，但必然導(dǎo)致高能耗和高成本，這對(duì)規(guī)?；B(yǎng)殖不利。研究表明，高密度的養(yǎng)豬場(chǎng)一欄30頭、5周大的保育豬總發(fā)熱量為2 880 W，單位冷負(fù)荷高達(dá)300 W/m2[6]。為此，需要尋找一種可行的低能耗環(huán)控技術(shù)方案。

針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者為給規(guī)?；i場(chǎng)提供一種節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的降溫方式展開了一系列研究。謝雨晴等人試驗(yàn)研究了有窗密閉式豬舍采用水空調(diào)的降溫效果，但該系統(tǒng)只適用于地下水資源豐富的地區(qū)[7]。王美芝等人探究了利用地源熱泵系統(tǒng)對(duì)規(guī)?；i場(chǎng)環(huán)境控制的經(jīng)濟(jì)性與可行性[8]。劉鎮(zhèn)對(duì)深圳一座工廠化豬場(chǎng)中的分娩、保育2幢利用地道風(fēng)降溫的封閉舍進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析[9]。此外，劉玲玲等人探究了利用地道通風(fēng)對(duì)冬季育肥豬舍環(huán)境及生產(chǎn)性能的影響，發(fā)現(xiàn)地道通風(fēng)提高了冬季豬舍環(huán)境溫度且促進(jìn)育肥豬的快速生長(zhǎng)[10]。白廣宇等人闡述了東北地區(qū)育肥豬舍地?zé)崮芡L(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)其節(jié)能性進(jìn)行了初步計(jì)算[11]。上述學(xué)者闡述了各種豬場(chǎng)通風(fēng)方式下的通風(fēng)降溫效果，并發(fā)現(xiàn)利用地道風(fēng)對(duì)于減少能耗、豬的生長(zhǎng)均有益，這說明對(duì)規(guī)?；i場(chǎng)冷熱源方案選擇還值得作進(jìn)一步研究。

基于上述背景，在地處夏熱冬冷氣候區(qū)的重慶市榮昌區(qū)某養(yǎng)豬基地搭建了一套土壤-空氣換熱器試驗(yàn)臺(tái)，用于豬舍通風(fēng)降溫，初步評(píng)價(jià)土壤-空氣換熱器在該地區(qū)的使用性能，為用于該地區(qū)的土壤-空氣換熱器設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

該土壤-空氣換熱器試驗(yàn)臺(tái)搭建于重慶市榮昌區(qū)，重慶地處我國(guó)西南地區(qū)，屬于夏熱冬冷區(qū)，夏季溫度高、濕度大，冬季濕冷。

試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)主要由進(jìn)風(fēng)小室、土壤-空氣換熱器、送風(fēng)小室、豬舍四大部分組成。圖1為通風(fēng)系統(tǒng)流程圖，圖中箭頭方向表示空氣流動(dòng)方向。進(jìn)風(fēng)小室和送風(fēng)小室均用240 mm厚磚砌成，上蓋面為150 mm厚絕熱保溫板。土壤-空氣換熱器采用3根管徑分別為DN110、DN160、DN200的30 m長(zhǎng)的PVC管，埋深2 m，坡向進(jìn)風(fēng)小室，3根PVC管道進(jìn)、出風(fēng)口分別與進(jìn)風(fēng)小室和送風(fēng)小室連通。各換熱管測(cè)試時(shí)進(jìn)口端分別用軟管接到進(jìn)風(fēng)小室外，換熱管出口分別用軟管接到送風(fēng)機(jī)風(fēng)管上。風(fēng)機(jī)采用混流式通風(fēng)機(jī)，全壓為98 Pa，額定風(fēng)量為492 m3/h，額定功率為0.09 kW。室外進(jìn)風(fēng)口處布置2個(gè)800 W空氣加熱器，白天開啟加熱。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

為監(jiān)測(cè)土壤-空氣換熱器的管壁溫度及周圍土壤溫度，試驗(yàn)臺(tái)安置了一系列Pt100熱電阻，其中3根不同管徑換熱管外管壁上各布置17個(gè)熱電阻，沿管長(zhǎng)方向依據(jù)前密后疏原則，在前6 m管段上每間隔1 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，6～18 m管段每間隔2 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，18～30 m管段每間隔3 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。此外，在土壤-空氣換熱器周圍土壤中共布置20個(gè)熱電阻，主要分為2組，一組在沿管長(zhǎng)方向1 m處土壤中，另一組在沿管長(zhǎng)方向27 m處土壤中。圖3所示為每組熱電阻布置的剖面圖，其中各管上下位置的熱電阻關(guān)于管中心對(duì)稱。Pt100熱電阻、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)組成土壤-空氣換熱器的數(shù)據(jù)采集單元，本試驗(yàn)采用34972A溫度巡檢儀進(jìn)行熱電阻溫度數(shù)據(jù)采集。

注：為換熱管管壁上測(cè)點(diǎn)位置；為換熱管周圍土壤中測(cè)點(diǎn)位置。圖2 土壤中熱電阻測(cè)點(diǎn)平面布置圖(單位：mm)

圖3 土壤中熱電阻測(cè)點(diǎn)剖面布置圖(換熱管進(jìn)風(fēng)側(cè)視角)(單位：mm)

在3根不同管徑換熱管進(jìn)出口處各布置1個(gè)溫濕度自記儀，測(cè)量空氣在經(jīng)過PVC換熱管道前后的溫濕度。進(jìn)風(fēng)小室的軟管的室外進(jìn)風(fēng)口處與豬舍內(nèi)送風(fēng)口處各布置1個(gè)溫濕度自記儀，分別記錄室外進(jìn)風(fēng)溫度與豬舍送風(fēng)溫度。進(jìn)風(fēng)小室與送風(fēng)小室中各布置1個(gè)溫濕度自記儀，記錄2個(gè)小室中的溫濕度。溫濕度自記儀均采用174H型。

主要使用的測(cè)試儀器和性能參數(shù)見表1。

表1 主要測(cè)試儀器及其參數(shù)

1.2 試驗(yàn)工況

為探究各換熱管不同風(fēng)速下的性能差異，利用變壓器對(duì)送風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，各工況設(shè)置見表2。其中每測(cè)試完一組工況，均等待換熱管周圍土壤溫度恢復(fù)穩(wěn)定后再開始下一組測(cè)試。此外，在對(duì)3種管徑換熱管進(jìn)行24 h不同通風(fēng)量下的測(cè)試后，對(duì)DN160換熱管在4.06 m/s管內(nèi)空氣流速情況下，進(jìn)行了連續(xù)6 d的運(yùn)行測(cè)試。

表2 土壤-空氣換熱器試驗(yàn)工況

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖4顯示了管徑為DN110的土壤-空氣換熱器在3種工況下?lián)Q熱管進(jìn)出口溫度、管壁上部分熱電阻測(cè)點(diǎn)溫度及周圍土壤中測(cè)點(diǎn)過余溫度(測(cè)點(diǎn)溫度與初始溫度之差)的變化。表3給出了DN110換熱管各工況測(cè)試數(shù)據(jù)。由圖4可以看出，3種不同空氣流速下，沿管長(zhǎng)方向≥10 m管壁溫度變化均不明顯，其中沿管長(zhǎng)方向10 m處管壁測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示3種工況下溫度升高均小于1 ℃。

表3 DN110換熱管各工況測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) ℃

管徑為DN160的土壤-空氣換熱器在3種不同工況下的測(cè)試數(shù)據(jù)見圖5和表4。試驗(yàn)結(jié)果表明：換熱管出口空氣溫度在20.8～24.4 ℃之間變化，隨氣流速度的增大，換熱管管壁的溫度波動(dòng)幅度增大，沿管長(zhǎng)方向1 m與27 m處土壤溫升幅度也相應(yīng)增大，但溫升均小于0.7 ℃；在該管徑不同氣流速度下，換熱管出口空氣平均溫度隨氣流速度的增大而增大；在風(fēng)速3.15 m/s試驗(yàn)工況下，換熱管進(jìn)口平均溫度為31.9 ℃，高于風(fēng)速為4.97 m/s工況的進(jìn)口平均溫度，但其出口平均溫度為23.2 ℃，低于風(fēng)速為4.97 m/s工況的出口空氣溫度，該試驗(yàn)結(jié)果表明在同一管徑條件下，風(fēng)速越小，其溫降效果越好。

注：圖例中除換熱管進(jìn)、出風(fēng)口外，實(shí)線圖例表示沿管長(zhǎng)方向管壁測(cè)點(diǎn)，虛線圖例表示沿管長(zhǎng)方向土壤測(cè)點(diǎn)。圖5 DN160換熱管3種不同工況下的運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)

表4 DN160換熱管各工況測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) ℃

管徑為DN200的土壤-空氣換熱器在3種不同工況下的測(cè)試數(shù)據(jù)見圖6和表5。試驗(yàn)結(jié)果顯示，各工況下?lián)Q熱管出口空氣溫度在20.8～23.2 ℃之間變化，沿管長(zhǎng)方向16 m后的管壁溫度隨換熱管進(jìn)口空氣溫度變化波動(dòng)較小，土壤中各測(cè)點(diǎn)溫度在24 h內(nèi)的溫升均小于0.5 ℃。由表5可以看出，DN200換熱管的出口空氣溫度波動(dòng)范圍大于DN160和DN110的換熱管。

表5 DN200換熱管各工況測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) ℃

注：圖例中除換熱管進(jìn)、出風(fēng)口外，實(shí)線圖例表示沿管長(zhǎng)方向管壁測(cè)點(diǎn)，虛線圖例表示沿管長(zhǎng)方向土壤測(cè)點(diǎn)。圖6 DN200換熱管3種不同工況下的運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)

圖7顯示了DN160換熱管在4.06 m/s空氣流速下連續(xù)運(yùn)行6 d的測(cè)試數(shù)據(jù)。由圖7可以看出，換熱管最大出風(fēng)溫度在逐日上升，但仍能滿足豬舍降溫的要求。由圖7b中換熱管管壁溫度變化

曲線可以看出，在沿管長(zhǎng)方向前10 m的各測(cè)點(diǎn)溫度梯度較大，換熱效果顯著，10 m后換熱管沿管長(zhǎng)方向溫度梯度較小，換熱效果不再顯著。此外，通過圖7b中土壤中測(cè)點(diǎn)過余溫度曲線可知，在連續(xù)運(yùn)行過程中土壤溫度在逐日上升，最大溫升為0.8 ℃，由于是以換熱管為中心向周圍巖土釋熱，為保證各換熱管之間的換熱量不受影響，應(yīng)該要注意在各工況下?lián)Q熱管的布置間距。

圖7 DN160換熱管在4.06 m/s空氣流速下連續(xù)運(yùn)行6 d的測(cè)試數(shù)據(jù)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算分析

2.2.1換熱量求解方法

本試驗(yàn)因在高熱高濕地區(qū)重慶進(jìn)行，且換熱管長(zhǎng)30 m，當(dāng)空氣進(jìn)入換熱管內(nèi)會(huì)同時(shí)發(fā)生傳熱與傳質(zhì)過程，因此為觀察3種管徑換熱管在不同工況下的換熱情況，有必要對(duì)全熱換熱量及顯熱換熱量進(jìn)行計(jì)算。換熱管中空氣與土壤的換熱過程中，當(dāng)空氣溫度高于土壤溫度時(shí)，該過程為空氣的釋熱過程，換熱量視為正值；當(dāng)夜間空氣溫度低于土壤溫度時(shí)，土壤向空氣放熱，該過程實(shí)際為土壤的蓄冷過程，換熱量定義為負(fù)值。濕空氣的狀態(tài)參數(shù)包括比焓、溫度、相對(duì)濕度、含濕量、密度和飽和水蒸氣分壓力，要想求得換熱量，需對(duì)空氣的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行求解計(jì)算，換熱管進(jìn)出口處空氣的比焓可按下式計(jì)算[12]：

h=1 005t+d(2 501+1.85t)

(1)

式中 h為濕空氣比焓，J/kg；t為濕空氣的干球溫度，℃；d為濕空氣的含濕量，g/kg。

進(jìn)出口空氣含濕量d可按下式計(jì)算：

式中 φ為濕空氣的相對(duì)濕度；B為大氣壓力，取101 325Pa；pqb為空氣溫度為t時(shí)所對(duì)應(yīng)的飽和水蒸氣分壓力，Pa，可按下式求得[13]：

式中 Tst為大氣壓力下液態(tài)水沸點(diǎn)溫度，K；T為濕空氣的熱力學(xué)溫度，K；pst為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γ琍a；C1～C6為計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其中C1=-7.908 98，C2=5.028 08，C3=-1.381 6×10-7，C4=8.132 8×10-3，C5=11.344，C6=-3.491 49。

濕空氣密度可按下式計(jì)算[14]：

式(4)、(5)中 ρ為濕空氣的密度，kg/m3；?為濕空氣比體積，m3/kg；Ra為干空氣的氣體常數(shù)，287J/(kg·K)。

室外的高溫高濕空氣經(jīng)過換熱管與土壤的逐時(shí)全熱、顯熱換熱量分別為

Q=mihi-moho

(6)

Qx=1 005(miti-moto)

(7)

式(6)、(7)中 Q為逐時(shí)全熱換熱量，W；Qx為逐時(shí)顯熱換熱量，W；mi、mo分別為換熱管進(jìn)、出口處空氣的質(zhì)量流量，kg/s；hi、ho分別為換熱管進(jìn)、出口處空氣的比焓，J/kg；ti、to分別為換熱管進(jìn)、出口處空氣的干球溫度，℃。

2.2.2各工況換熱量分析

選取每間隔10 min的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，表6給出了測(cè)試周期為24 h的各試驗(yàn)工況的全熱換熱量、平均全熱換熱量、顯熱換熱量和平均顯熱換熱量。由表6可以看出：DN110換熱管各工況的平均全熱換熱量為288.1～578.9 W，DN160換熱管各工況的平均全熱換熱量為291.8～2 267.1 W，DN200換熱管各工況的平均全熱換熱量為332.4～509.2 W；DN160換熱管在風(fēng)速3.15 m/s試驗(yàn)工況(2-b)下平均顯熱換熱量為578.3 W，低于風(fēng)速為4.19 m/s工況(2-c)的平均顯熱換熱量(867.6 W)，而且2-b工況的進(jìn)口平均溫度(31.9 ℃)還高于2-c工況的進(jìn)口平均溫度(31.1 ℃)，表明在同一管徑條件下，風(fēng)速較小的試驗(yàn)工況，由于流量的減小導(dǎo)致了換熱量減小；在1-a、3-b、3-c工況下，顯熱換熱量均大于0的情況下出現(xiàn)全熱換熱量有負(fù)值的現(xiàn)象，這是由于當(dāng)天室外空氣相對(duì)濕度較低，土壤-空氣換熱器的換熱管內(nèi)存在凝水，空氣在經(jīng)過換熱管過程中出現(xiàn)了加濕冷卻過程。因此，在對(duì)送風(fēng)濕度有要求的場(chǎng)所中采用土壤-空氣換熱器系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意換熱管內(nèi)的凝水排出問題。

表6 測(cè)試周期為24 h的各試驗(yàn)工況換熱量計(jì)算結(jié)果

對(duì)DN160換熱管以4.06 m/s的管內(nèi)空氣流速進(jìn)行連續(xù)6 d的測(cè)試，其逐時(shí)換熱量計(jì)算結(jié)果表明全熱換熱量為-411.7～2 406.1 W，平均全熱換熱量為548.3 W，顯熱換熱量為-121.7～1 138.0 W，平均顯熱換熱量為303.5 W，如圖8所示。其中，顯熱換熱量為負(fù)值均出現(xiàn)在室外空氣溫度較低的夜間時(shí)段，在圖7中可以看到對(duì)應(yīng)時(shí)段換熱管出口空氣溫度高于換熱管進(jìn)口空氣溫度，該現(xiàn)象表明換熱管中的低溫空氣將換熱管周圍土壤冷卻，該換熱過程為蓄冷過程。因此，實(shí)際工程應(yīng)用中，在晝夜溫差大、夜間空氣溫度較低條件下，系統(tǒng)可以夜間連續(xù)運(yùn)行，加強(qiáng)供冷效果。

圖8 DN160換熱管以4.06 m/s管內(nèi)空氣流速連續(xù)運(yùn)行6 d的換熱情況

3 結(jié)論

1) 試驗(yàn)工況下，在進(jìn)行24 h不同換熱管、不同風(fēng)量的試驗(yàn)中，隨著換熱管管徑的增大，換熱管出口空氣溫度波動(dòng)范圍增大，DN110、DN160、DN200 3種換熱管平均溫降范圍分別為8.1～13.0、7.2～8.7、6.0～7.7 ℃。

2) 試驗(yàn)工況下，DN160換熱管以4.06 m/s管內(nèi)空氣流速連續(xù)運(yùn)行6 d的試驗(yàn)中，可以發(fā)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行過程中換熱管周圍土壤中測(cè)點(diǎn)處溫度在逐日上升，最大溫升為0.8 ℃，即換熱管在0.4 m埋管間距下會(huì)產(chǎn)生熱累積現(xiàn)象，這也導(dǎo)致了換熱管的最大出口空氣溫度在逐日上升，但仍能滿足豬舍降溫的送風(fēng)溫度要求。因此在實(shí)際工程中，根據(jù)埋管換熱量的需求及運(yùn)行時(shí)間，確定合適的埋管間距，可以有效提高埋管換熱量。

3) 試驗(yàn)工況下，DN110換熱管在不同風(fēng)量下的平均全熱換熱量為288.1～578.9 W，DN160換熱管在不同風(fēng)量下的平均全熱換熱量為291.8～2 267.1 W，DN200換熱管在不同風(fēng)量下的平均全熱換熱量為332.4～509.2 W。DN160換熱管以4.06 m/s的管內(nèi)空氣流速連續(xù)運(yùn)行6 d的平均全熱換熱量為548.3 W。

4) 土壤-空氣換熱器的運(yùn)行性能受氣候條件、豬場(chǎng)負(fù)荷、運(yùn)行時(shí)間等多因素影響，要設(shè)計(jì)合理的豬場(chǎng)送風(fēng)方案還需作進(jìn)一步的理論與試驗(yàn)研究。