上海地區(qū)夏季地表熱通量特征及其影響因素

陸一凡， 李 勇， SHIGETOSHI Ipposhi， YASUMITSU Nomura， 王如竹

(1. 上海交通大學(xué) 制冷與低溫工程研究所， 上海 200240；2. 三菱電機(jī)公司 先進(jìn)技術(shù)研發(fā)中心， 兵庫(kù)縣 661-8661, 日本)

地源熱泵技術(shù)是一種清潔的、可再生新能源技術(shù)，由于能源效率高被廣泛地應(yīng)用于城市建筑的供暖制冷系統(tǒng).地源熱泵系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中由于產(chǎn)生的與土壤之間的熱交換不平衡，致使出現(xiàn)地下熱堆積以及換熱效率下降的現(xiàn)象[1].地表土壤熱通量作為地表能量平衡的重要組成部分，是表征地面-大氣能量交換的重要物理量[2]，對(duì)其進(jìn)行深入研究將有助于了解地面-大氣之間熱量傳遞的過(guò)程，對(duì)進(jìn)一步研究地埋管與地表間的換熱特性有著重要意義.

目前，地表土壤熱通量主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量或理論計(jì)算的方法得到.在實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面，一般用地表下某一深度埋設(shè)的土壤熱通量板或三針熱脈沖探頭直接測(cè)量土壤熱通量.Heitman等[3]利用三針熱脈沖探頭測(cè)量淺層(1～6 cm)土壤熱通量，發(fā)現(xiàn)由于存在線性熱源，相鄰探頭之間互相干擾而導(dǎo)致的測(cè)量誤差在雨后尤為突出.Lu等[4]分別利用熱通量板和三針熱脈沖探頭測(cè)量北京地區(qū)不同深度的土壤熱通量，發(fā)現(xiàn)利用熱通量板測(cè)量時(shí)，為使所測(cè)值可以更好地代表地表土壤熱通量，土壤熱通量板必須埋在淺層土壤中(如：深度為1 cm).但是，由于淺層土壤水分的垂直移動(dòng)過(guò)快，導(dǎo)致土壤熱通量被低估.同時(shí)，為了避免太陽(yáng)輻射等干擾，熱通量板一般有一定的埋深(至少是地表下1 cm)[2,5].在理論計(jì)算方面，一般結(jié)合觀測(cè)資料中土壤的多層溫度和濕度推算得到地表土壤熱通量[6].土壤熱通量的計(jì)算方法主要有基于土壤溫濕資料的一維熱傳導(dǎo)方程(TDE)法[7-10]、諧波分析法[11]和耦合熱傳導(dǎo)-對(duì)流法[12].有研究發(fā)現(xiàn)土壤溫度預(yù)報(bào)校正(TDEC)法的估算結(jié)果在熱通量的方向及相位上均與實(shí)測(cè)結(jié)果相差很小，與土壤溫度的垂直梯度有很好的線性關(guān)系[2,5,13].該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要事先準(zhǔn)確地給定熱傳導(dǎo)率或熱擴(kuò)散率，對(duì)熱傳導(dǎo)率及土壤溫度不敏感，故利用TDEC法計(jì)算得到的土壤熱通量與實(shí)際情況大致相符.

基于上述研究，本文通過(guò)TDEC法驗(yàn)證地表下5 mm處利用熱通量板測(cè)量土壤熱通量的準(zhǔn)確性，并研究在上海夏季氣候條件、墊面為裸土的情況下，3種典型日(晴天、多云、雨天)地表土壤熱通量的日變化規(guī)律及不同因素(太陽(yáng)輻射量、土壤含水量、環(huán)境濕度、環(huán)境溫度和云量)對(duì)其的影響，以期為研究不同天氣條件下的地表土壤熱通量提供一定的參考依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)采集區(qū)位于上海交通大學(xué)某實(shí)驗(yàn)樓旁，檢測(cè)裝置安裝于3 m×3 m區(qū)域的裸土下方.土壤溫度和土壤含水量共分3層進(jìn)行觀測(cè)，其深度分別為5、45和300 mm；采樣頻率為30 s；觀測(cè)儀器分別為DS18B20數(shù)字溫度傳感器和FDR型自動(dòng)土壤水分傳感器，測(cè)量精度分別為±0.5 ℃和±3%；實(shí)驗(yàn)樓設(shè)有自動(dòng)氣象站，其觀測(cè)項(xiàng)目包括太陽(yáng)輻射量、風(fēng)速、環(huán)境溫度及環(huán)境濕度，采樣頻率為10 min；云量數(shù)據(jù)來(lái)源于氣象網(wǎng)站.為了比較不同天氣條件下的地表土壤熱通量(Gsur)，于2017年6月內(nèi)挑選不同典型日進(jìn)行研究.

1.2 數(shù)據(jù)處理與驗(yàn)證

1.2.1土壤熱通量板直接測(cè)量 使用HF-1型熱通量板測(cè)量土壤熱通量(G)，埋深分別為5、45和300 mm，測(cè)量精度為滿(mǎn)量積的±5%.根據(jù)熱電效應(yīng)原理，將熱通量板上下表面的溫度差轉(zhuǎn)換成電勢(shì)差信號(hào)，通過(guò)傅里葉定律計(jì)算得到

(1)

式中：x為傳熱方向上的距離；λ為熱通量板導(dǎo)熱系數(shù)；T為土壤溫度；δ為熱通量板厚度；C′為熱電偶系數(shù)；E為電勢(shì)差，電勢(shì)差信號(hào)由Keithley 2700數(shù)據(jù)采集器/多路綜合測(cè)試系統(tǒng)采集；C為熱通量板系數(shù)，C=λ/(δC′).

1.2.2TDEC法驗(yàn)證 土壤一維熱傳導(dǎo)方程為

(2)

(3)

式中：t為時(shí)間；z為土壤深度，向下為正；ρscs為土壤體積熱容量；λs為土壤導(dǎo)熱系數(shù)；G向下為正.

對(duì)式(2)進(jìn)行積分可得

(4)

式中：G(zref)為任一參考位置zref處的G；T(z) 為土壤溫度廓線.若G(zref)、ρscs和T(z)均已知，則可以通過(guò)式(4)計(jì)算Gsur.其中，ρscs可通過(guò)下式計(jì)算得到[14]:

ρscs=ρdrycdry+ρwcwθ

(5)

ρdrycdry≈2.1(1-θsat)(MJ/(m3·K))

(6)

ρwcw≈4.2 (MJ/(m3·K))

(7)

式中：θ為土壤含水量；θsat為飽和土壤含水量，此處取0.451[7]；ρdrycdry為干燥土壤的體積熱容量；ρwcw為液態(tài)水的體積熱容量.

若給定T(z)，則可通過(guò)式(5)～(7)計(jì)算出任一深度處的G.陽(yáng)坤等[15]假設(shè)土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)為常數(shù)，由傳熱方程求得土壤溫度廓線，將實(shí)際溫度與觀測(cè)溫度的偏差線性插值到各計(jì)算節(jié)點(diǎn)，得到各節(jié)點(diǎn)的溫度偏差，再疊加于由熱擴(kuò)散方程求得的溫度值，進(jìn)而得到最終的溫度廓線.

2 結(jié)果分析

2.1 地表熱通量測(cè)試方法的準(zhǔn)確性驗(yàn)證

利用TDEC法計(jì)算G時(shí)，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，文獻(xiàn)[16]對(duì)溫度進(jìn)行線性或三次樣條插值.本文對(duì)TDEC法進(jìn)行以下簡(jiǎn)化：由于淺層土壤物理性質(zhì)均一、密度均勻，不同深度土壤的體積熱容量、土壤含水量及土壤溫度可通過(guò)線性插值得到，故式(4)可以簡(jiǎn)化為

(8)

考慮到水分對(duì)土壤熱物性的影響以及不同典型日天氣條件的變化，參考天氣學(xué)標(biāo)準(zhǔn)[17]，以日照時(shí)數(shù)、降雨量和云量作為劃分依據(jù)，選取3種不同的典型日，選取標(biāo)準(zhǔn)如表1所示.

圖1所示為3種典型日在地表下5 mm處G的TDEC法計(jì)算值(Gca)與熱通量板實(shí)測(cè)值(Gmea)的散點(diǎn)圖.由圖1可知，不同典型日Gca與Gmea均具有良好的線性關(guān)系，R2分別達(dá)到了0.91，0.84和0.88.

圖2所示為3種典型日在地表下5 mm處Gca與Gmea的日變化情況.由圖2可知，不同典型日Gca和Gmea在熱通量的方向及相位上有較好的一致性，某些時(shí)間段中尺度較小的波動(dòng)也較為吻合，這與文獻(xiàn)[2]中的研究結(jié)果一致.總體而言，以上結(jié)果說(shuō)明在地表下5 mm處利用熱通量板測(cè)試G具有一定的準(zhǔn)確性.

表1 典型日的選取標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 The selection standard of typical days

表2 典型日的天氣情況Tab.2 The weather condition on typical days

圖2 Gca與Gmea的日變化情況(z=5 mm)Fig.2 Daily variation of Gca and Gmea (z=5 mm)

2.2 典型日土壤熱通量的比較

由于受天氣影響較大，淺層G波動(dòng)明顯，能較好地反映Gsur的變化情況，故本文以地表下5 mm處的G代表Gsur研究分析影響其日變化規(guī)律的因素.

晴天時(shí)，不同深度G的日變化情況如圖3(a)所示.由圖3(a)可見(jiàn)：Gsur在06：00后為正值，土壤開(kāi)始吸熱；由于露水的蒸發(fā)帶走了土壤的一部分熱量， 07：00后Gsur出現(xiàn)明顯的驟降；09：00后Gsur開(kāi)始回升；在12：00時(shí)達(dá)到峰值后開(kāi)始下降；15：00左右Gsur再次出現(xiàn)明顯的驟降，這可能是由于太陽(yáng)高度角發(fā)生變化，導(dǎo)致周?chē)ㄖ飳?duì)測(cè)試土壤有了一定的遮擋，測(cè)試土壤接收到的太陽(yáng)輻射量(W)驟然減小，土壤中的熱量向上傳遞，補(bǔ)充地表?yè)p失的熱量，隨著地表熱量的快速恢復(fù)，環(huán)境溫度依然大于土壤溫度，熱量再次向土壤內(nèi)部傳遞；17：00后Gsur變?yōu)樨?fù)值，土壤開(kāi)始散熱；夜間Gsur變化較小，最小值出現(xiàn)在18：00～24：00之間.隨著深度的增加，G的波動(dòng)范圍逐漸減小，變化趨于平緩；地表下5 mm處G的波動(dòng)最劇烈，變化范圍為-23.62～111.81 W/m2；地表下45 mm處G的變化范圍次之；地表下300 mm處G的變化范圍最小.

如圖3(b)所示，多云天G的整體變化趨勢(shì)與晴天類(lèi)似.由于多云天太陽(yáng)輻射頻繁地變化，Gsur在日間出現(xiàn)明顯的波動(dòng).隨著太陽(yáng)輻射量對(duì)Gsur影響的降低，各深度的G波動(dòng)范圍都有所減小，Gsur的波動(dòng)范圍減小為-16.42～66.78 W/m2.雨天時(shí)G的整體變化趨勢(shì)如圖3(c)所示.由于受到降雨的影響，太陽(yáng)輻射量晝夜變化幅值較小，Gsur的波動(dòng)范圍減小為-15.88～18.56 W/m2，約有80%以上的時(shí)間土壤處于散熱狀態(tài).除此之外，相比于較深層(300 mm)，G在淺層(5 mm)時(shí)受天氣條件變化的影響更大.

圖3 典型日G及W的日變化情況Fig.3 Daily variation of G and W on typical days

2.3 地表熱通量與其影響因素的關(guān)系

(9)

圖4 典型日W*與的散點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of W* and on typical days

由圖4可見(jiàn)：晴天和多云時(shí)，兩者相關(guān)性較高，R2分別達(dá)到0.749和0.861；雨天時(shí)，兩者相關(guān)性較弱.說(shuō)明晴天和多云時(shí)，Gsur的變化受太陽(yáng)輻射量影響較大.

2.3.2土壤含水量 不同典型日θ的日變化情況如圖5所示.由圖5可知：晴天時(shí)淺層(5 mm)θ的日變化趨勢(shì)呈正弦曲線分布，振幅較小；多云天與晴天有相似的變化規(guī)律，但波動(dòng)范圍減小；雨天時(shí)θ由于降雨而急速增加，并維持在一個(gè)較高的水平.相較于其他地區(qū)[18-19]，上海地區(qū)淺層θ的峰值出現(xiàn)得較早，大約在11：00～12：00，這與文獻(xiàn)[17]的研究結(jié)果一致.

圖5 典型日5 mm處θ的日變化情況Fig.5 Daily variation of θ at 5 mm on typical days

結(jié)合圖3和圖5可以發(fā)現(xiàn)，增加θ能夠改變土壤熱物性，進(jìn)而影響G的傳遞過(guò)程.例如：土壤體積熱容量增加致使G變化的劇烈程度降低，Gsur的波動(dòng)范圍縮小.除此之外，由于降雨導(dǎo)致環(huán)境濕度增大，土壤通過(guò)水分蒸發(fā)向環(huán)境傳輸?shù)臐摕嵬繙p少；同時(shí)太陽(yáng)輻射減少，大氣通過(guò)從土壤中吸收熱量來(lái)補(bǔ)充夜間的熱量損失，導(dǎo)致Gsur大部分時(shí)間處于負(fù)值，說(shuō)明土壤向環(huán)境散熱.

2.4 地表熱通量及其影響因素的綜合分析

為了更清楚地體現(xiàn)各影響因素對(duì)Gsur變化的影響，采用控制變量法逐一分析各影響因素.數(shù)據(jù)范圍選取6月7日至6月21日，共15天.Gsur的變化情況由地表下5 mm處G的日變化及其平均值體現(xiàn)，Gsur及其影響因素的日變化情況如圖6所示，有關(guān)天氣情況的數(shù)據(jù)如表3所示.

多云天時(shí)(9、14、18、20日)，考慮到θ和環(huán)境濕度等對(duì)潛熱通量的影響，可分為兩類(lèi)情況進(jìn)行分析：①晴后多云；②雨后多云.對(duì)比9日與18日的數(shù)據(jù)(晴后多云)，9日的云量較大，日間增強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和反射，夜間增強(qiáng)大氣逆輻射，補(bǔ)償土壤夜間散失的熱量，導(dǎo)致最大吸熱通量和最大散熱通量(Gr,max)都較小.對(duì)比14日與20日數(shù)據(jù)(雨后多云)，14日的環(huán)境濕度較小，雨后θ驟增，土壤與空氣的濕度梯度大，水分蒸發(fā)帶走的潛熱通量造成了較大的最大散熱通量.

6月7日至6月21日間土壤的溫度變化如圖7所示.結(jié)合圖7與表3可以發(fā)現(xiàn)，雨天時(shí)(10、11、12、13、19、21日)最大吸熱通量和散熱通量的排序與日間和夜間0 mm與5 mm土壤溫度的最大差值一致.由此可知雨天時(shí)，Gsur主要受土壤溫度梯度的影響.

從日均Gsur的變化情況來(lái)看，晴天皆為正值，說(shuō)明地表從外界接收的熱量大于散失的熱量；雨天皆為負(fù)值，說(shuō)明地表從外界接收的熱量小于散失的熱量；晴后陰天皆為正值，與晴天相似；雨后陰天皆為負(fù)值，主要是由于剛經(jīng)過(guò)降雨后的地表從散熱到吸熱需要一段恢復(fù)期.

圖6 Gsur及其影響因素的變化Fig.6 Variation of Gsur and its influencing factors

圖7 土壤溫度的變化Fig.7 Variation of soil temperature

表3 天氣情況數(shù)據(jù)Tab.3 Weather condition data

3 結(jié)論

通過(guò)2017年6月1日至6月30日的多層土壤溫濕、熱通量觀測(cè)資料，分析了上海地區(qū)夏季Gsur的變化特征及其影響因素，所得主要結(jié)論如下：

(1) 地表下5 mm處Gca和Gmea有良好的線性關(guān)系，同時(shí)在相位及變化方向上有較強(qiáng)的一致性，證明了地表下5 mm處測(cè)試G的準(zhǔn)確性.

(2) 不同典型日Gsur的變化規(guī)律有明顯差異，晴天時(shí)Gsur波動(dòng)最劇烈，變化范圍為-23.62～111.81 W/m2，且隨著土壤深度遞減，多云和雨天時(shí)Gsur波動(dòng)范圍依次減小；晴天和多云時(shí)，Gsur與W的相關(guān)性較好，雨天時(shí)θ增加并維持在一個(gè)較高水平，Gsur的波動(dòng)范圍縮小.

(3) 晴天Gsur日間主要受W的影響，夜間主要受環(huán)境溫度的影響；晴后多云主要受云量影響；雨后多云主要受環(huán)境濕度和θ影響；雨天主要受土壤溫度梯度的影響.

本研究尚需更長(zhǎng)的時(shí)間周期對(duì)數(shù)據(jù)及其結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證.此外，還需要進(jìn)一步考慮不同城市下墊面Gsur的時(shí)空變化特征.

致謝感謝三菱電機(jī)公司的支持.