淺層地熱對雞舍溫度影響的CFD模擬

郭仁寧　張櫻珞　趙平衛　郭瑩瑩

摘要：基于計算流體動力學 （computational fluid dynamics，CFD模擬技術，采用層流模型對利用淺層地熱為熱源的雞舍進行了二維溫度場求解，得出了雞舍內部溫度分布圖，并與常規雞舍進行對比。結果表明，利用淺層地熱作為熱源，在無其他熱源以及通風的情況下，冬季室外溫度為-131 ℃時，室內主要區域溫度為-70 ℃，比普通雞舍的溫度提高約20 ℃；初夏室外溫度為2000 ℃時，室內主要區域溫度為1675 ℃，比普通雞舍的溫度降低約080 ℃。

關鍵詞：CFD模擬技術；雞舍；溫度場；淺層地熱

中圖分類號： S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（201412-0442-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2013-12-31

作者簡介：郭仁寧（1956—，男，遼寧省阜新人，碩士，教授，從事傳熱過程理論與節能技術研究。E-mail：guorenning123@163com。

根據《2009—2012年中國禽類養殖市場研究與發展前景分析報告》研究顯示，從當前我國市場需求和家禽發展態勢來看，肉雞與蛋雞具有較強的競爭力和開發潛力。雞的發展以蛋雞和肉雞為主，其中土雞、優質黃羽肉雞更是優勢雞種。目前，國內眾多學者在環境對蛋雞、肉雞產蛋及生長的影響上進行了多方面的研究，結果表明雞舍的溫度、濕度、通風都是直接影響蛋雞、肉雞的生長以及產蛋量的重要因素[1-3]。因此，雞舍溫控是獲得較高經濟效益的重要措施之一。目前地源熱作為一種新型能源已經被應用于建筑業，并已經成為建筑節能的一種重要方法 。利用淺層地源熱為雞舍提供溫控熱源可以有效減少維持雞舍溫度穩定所消耗的能源。

由于淺層土壤具有較差導熱能力以及較強的蓄熱能力，其溫度隨季節變化程度相對空氣溫度較小，且與空氣溫度存在較大溫差，可以為雞舍提供相對穩定的溫控熱源。本研究以后壁與淺層土壤相接雞舍為研究對象，采用Gambit軟件建立模型，并對其劃分網格，然后用Fluent軟件對雞舍內部溫度場進行模擬，得出其溫度分布，對比普通雞舍溫度分布，分析淺層地熱對雞舍溫度的影響。

1數學模型

在數值計算時認為空氣是連續、非穩態、不可壓縮的牛頓流體。空氣滿足理想氣體狀態方程：PV=nRT，式中：R為常量；P為壓強，Pa；V為氣體體積，m3；n為氣體的物質量，mol；T為開氏溫度，。

計算區域控制方程滿足質量守恒方程和動量守恒方程。

（1質量守恒方程（連續性方程：

[HS2][J][SX（]ρt[SX]+div（ρu[DD（-1][HT7]→[DD]=0。

（2動量守恒方程：

[HS2][J][SX（]（ρut[SX]+div（ρuu[DD（-1][HT7]→[DD]=div（μgradu-[SX（]Px[SX]+Su；

[HS2][J][SX（]（ρυt[SX]+div（ρυu[DD（-1][HT7]→[DD]=div（μgradu-[SX（]Py[SX]+Sυ。

（3能量守恒方程：

[HS2][J]ρ[JB（（][SX（]Ht[SX]+ux[SX（]Hx[SX]+uy[SX（]Hy[SX][JB]=[SX（]λcp[SX][JB（（][SX（]2Hx2[SX]+[SX（]2Hy2[SX][JB]+Sh

式中：ρ為密度，kg/m3；μ為動力黏度，N·s/m2；P為壓力，Pa；u為速度，m/s；Su、Sυ是動量守恒方程的廣義源項：

[HS1][J]Su=Fx+sx，Sυ=Fy+sy。

而其中的sx和sy的表達式如下：

[HS2][J]sx=[SX（]x[SX][JB（（]μ[SX（]ux[SX][JB]+[SX（]y[SX][JB（（]μ[SX（]υx[SX][JB]+[SX（]x[SX]（λdivu[DD（-1][HT7]→[DD]；

[HS2][J]sy=[SX（]x[SX][JB（（]μ[SX（]uy[SX][JB]+[SX（]y[SX][JB（（]μ[SX（]υy[SX][JB]+[SX（]y[SX]（λdivu[DD（-1][HT7]→[DD]。

式中：λ為第2黏度，一般可取λ=-2/3。假設空氣黏性為常數。

選取層流模型與以上控制方程形成封閉方程組，對組成的封閉方程組進行數值求解，獲得雞舍內部溫度分布圖。

2物理模型

考慮雞舍具有高度對稱性，取其橫向剖面，將其簡化為二維模型：雞舍壁高2 m，地面距屋頂28 m，跨度6 m。雞舍后壁（模型中為左側1 m以下與土壤相接。屋頂人字坡材料選擇石棉板，雞舍墻壁選擇紅磚。石棉板厚度0015 m，墻體厚度02 m。將此類雞舍記為1號雞舍，雞舍壁面物性參數如表1所示；則記普通雞舍為2號雞舍。設定空氣為理想氣體，其密度隨溫度變化關系為：ρ=t0ρ0/t，式中：t0=27315 ，即 0 ℃；t為溫度，；ρ0=139 kg/m3。

[F（W8][HT6H][J]表1壁面物性參數[HTSS][STB]

[HJ5][BG（！][BHDFG3，W5，W8。3W]材料密度（kg/m3導熱率[W/（m·]比熱容[kJ/（kg· ℃]

[BHDG12]土壤2 5322000769

[BHDW]石棉板1 3686975816

紅磚1 4620490857[HJ][BG）F][F）]

3模型結果分析

31冬季保溫分析

參考相關文獻中的溫度[5]，設定冬季空氣溫度為 -131 ℃，1號雞舍地面溫度取1 ℃，由于左側壁面與土壤接觸，溫度自上而下不斷增加，因而選取其均值-1 ℃；2號雞舍地面溫度取-16 ℃。在無任何熱源情況下，對雞舍內溫度和速度場進行模擬，雞舍冬季溫度隨寬分布如圖1所示。

[F（W12][TPGRN1tif][F]

比較圖1中2條曲線可以看出，在冬季外部溫度為-131 ℃、無任何熱源情況下，1號雞舍的主體空間溫度約為-7 ℃，2號雞舍主體空間溫度約為-9 ℃，兩者相差約 2 ℃；在靠近邊界熱源處，兩者溫度相差更多。2條曲線之間的溫度差異顯示，利用淺層地源熱可有效改善雞舍內溫度環境，使雞舍在冬季能夠保持相對較高的溫度，進而節省冬季保暖所消耗的能源。兩者出現如此溫度差，一方面是由于1號雞舍存在著較高熱源，另一方面與雞舍內自然對流有關。雞舍速度矢量圖如圖2、圖3所示。

[F（W9][TPGRN2tif][F]

[F（W8][TPGRN3tif][F]

模擬結果顯示，2種雞舍內的空氣自然對流形式大致相同，都是左右分別形成2個漩渦；1號雞舍自然對流強度明顯高于2號雞舍。1號雞舍空氣上升速度高于2號雞舍，因此認為，1號雞舍室內冷空氣與地面及左側墻壁換熱明顯好于2號雞舍。

2號雞舍內的冷空氣僅與地面換熱，因而其溫度兩側速度均衡對稱，由于底部空氣溫度較高，所以其速度相對較大并向上運動，換熱過程已經達到穩態；室內空氣溫度高于靠近四壁的空氣溫度，故靠近四壁的空氣向下運動，室內空氣向上運動，形成對稱的漩渦狀流動，漩渦中心溫度趨于平穩。

1號雞舍內部冷空氣與左側下部及地面換熱，空氣速度明顯高于2號雞舍，因此換熱效果更加顯著，平均溫度高于2號雞舍。靠近四壁的冷空氣向下運動；左側下降至1 m與土壤相接處，空氣與土壤換熱，速度變小，溫度變高，轉化為熱空氣上升，左側換熱強度較大，所以上升速度較快，產生漩渦較小，上升氣流向左偏移，且中間沒有下降氣流。雞舍右側漩渦較大，漩渦中心溫度穩定。整體可見，1號雞舍整體平均溫度高于2號雞舍。

根據模擬結果，形成2種雞舍的溫度差異的原因為：（1地面熱源存在溫差；（21號雞舍左側有1 m高的熱源，可以與左側空氣吸收熱量，而2號熱源左側為冷源，空氣在整個左側釋放熱量，使得空氣中的熱量損失比較大。

32初夏降溫分析

參考相關文獻中的溫度[5]，設定初夏空氣溫度為20 ℃，1號雞舍地面溫度取142 ℃，左側壁面與土壤接觸處取15 ℃；2號雞舍地面溫度取空氣溫度161 ℃。在無任何熱源情況下，對雞舍內溫度和速度場進行模擬。雞舍初夏溫度隨寬分布如圖4所示。

[F（W11][TPGRN4tif][F]

比較圖2中2條曲線可以看出，在外部溫度為1850 ℃且無任何熱源情況下，1號雞舍的大部分空間溫度約為 1675 ℃，2號雞舍主體溫度約為1755 ℃。兩者相差約 080 ℃。由于土壤溫度變化隨空氣溫度變化程度相對較小，因此在外部溫度持續升高的情況下，溫差會繼續擴大；在靠近邊界熱源處，兩者溫度相差更多。配合夏季通風，可有效降低雞舍內部溫度。2條曲線之間的溫度差異顯示，在初夏利用淺層地源熱可降低雞舍內溫度環境，使雞舍在夏季能夠保持相對較低的溫度，雞舍環境更加適合雞的生長、產蛋。

雞舍速度矢量圖如圖5、圖6所示。模擬結果顯示，夏季2種雞舍內的空氣運動速度明顯低于冬季，這是由于初夏外界空氣溫度相對較高，空氣密度自下而上近似降低，不利于自然對流的形成。1號雞舍自然對流強度略高于2號雞舍自然對流強度。2種雞舍速度矢量圖的左側差異較大，這是因為1號雞舍左側墻壁存在1 m高的土壤冷源，進而使得1號雞左側換熱較為明顯。

冬季2種雞舍溫度相差約為2 ℃， 而初夏2種雞舍溫度

[F（W9][TPGRN5tif][F]

[F（W9][TPGRN6tif][F]

相差僅為08 ℃。在兩者淺層地熱與地表溫度的溫差相近的情況下，初夏2種雞舍溫度溫差明顯降低。此現象表明，夏季由于自然對流較難形成，從而降低了淺層地熱的溫控效果。但考慮到夏季雞舍能保持較大的通風，因此其實際溫度差將大于08 ℃。

4結論與討論

本研究基于計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD模擬技術，在忽略其他環境因素、單獨考慮淺層地熱的情況下，采用層流模型對利用淺層地熱為熱源的雞舍進行了2-D溫度場求解，得出了雞舍內部溫度分布與速度矢量圖，較為真實地反映了淺層地熱影響下的雞舍溫度分布。

通過對1號、2號雞舍在冬季和初夏的主體空間內速度分布分析可知，冬季淺層地熱影響下，雞舍的主體空間自然對流強度較高；左側墻壁1 m高的熱源，為換熱提供了高溫熱源，使得空氣運動速度變大，有利于熱傳遞，空氣能夠較好地吸收熱量；熱空氣能迅速充滿雞舍主體空間。夏季淺層地熱影響下，雞舍的主體空間自然對流強度較弱。

通過對1號、2號雞舍在冬季與初夏主體空間溫度分布的對比分析可知，在冬季，淺層地熱可提高雞舍內部溫度，降低維持雞舍溫度的能源消耗；在夏季，淺層地熱在無通風條件下對雞舍降溫能力較差，但夏季雞舍能夠保持良好的通風環境，其降溫能力會得到加強。

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