用于重慶地區豬場通風降溫的土壤-空氣換熱器試驗分析

重慶大學 楊奇志 胡志儒 譚志軍 王 勇

0 引言

近年來，我國豬場規模化、集約化水平不斷提高，豬場選擇合理的夏季通風降溫方式顯得尤為重要[1]。當前我國各類豬場通風方式主要分為自然通風和機械通風兩大類[2]。豬舍的自然通風是利用室內外溫差及自然風壓，通過窗戶或屋頂的風口使空氣產生自然流動，達到降溫清潔的舍內需求，然而在當今的規模化豬場中這種通風方式難以滿足環境衛生和溫濕度控制要求。豬舍的機械通風是指利用風機設備對舍內空氣進行強制流動和交換，機械通風常用的室外空氣降溫處理方式有濕簾降溫、制冷空調降溫[3]。濕簾降溫原理為：當室外空氣通過多孔濕潤的濕簾表面，濕簾上的水蒸發吸收空氣中的熱量，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室外空氣濕度較大時，降溫效果不明顯。此外舍內的高濕空氣會影響豬舍衛生，導致病菌增加，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[4-5]。傳統的機械制冷降溫方式能有效控制豬場室內溫濕度，但必然導致高能耗和高成本，這對規模化養殖不利。研究表明，高密度的養豬場一欄30頭、5周大的保育豬總發熱量為2 880 W，單位冷負荷高達300 W/m2[6]。為此，需要尋找一種可行的低能耗環控技術方案。

針對上述問題，國內許多學者為給規模化豬場提供一種節能、環保、經濟的降溫方式展開了一系列研究。謝雨晴等人試驗研究了有窗密閉式豬舍采用水空調的降溫效果，但該系統只適用于地下水資源豐富的地區[7]。王美芝等人探究了利用地源熱泵系統對規模化豬場環境控制的經濟性與可行性[8]。劉鎮對深圳一座工廠化豬場中的分娩、保育2幢利用地道風降溫的封閉舍進行了實測分析[9]。此外，劉玲玲等人探究了利用地道通風對冬季育肥豬舍環境及生產性能的影響，發現地道通風提高了冬季豬舍環境溫度且促進育肥豬的快速生長[10]。白廣宇等人闡述了東北地區育肥豬舍地熱能通風系統設計，對其節能性進行了初步計算[11]。上述學者闡述了各種豬場通風方式下的通風降溫效果，并發現利用地道風對于減少能耗、豬的生長均有益，這說明對規模化豬場冷熱源方案選擇還值得作進一步研究。

基于上述背景，在地處夏熱冬冷氣候區的重慶市榮昌區某養豬基地搭建了一套土壤-空氣換熱器試驗臺，用于豬舍通風降溫，初步評價土壤-空氣換熱器在該地區的使用性能，為用于該地區的土壤-空氣換熱器設計提供基礎試驗數據。

1 試驗方案

1.1 試驗系統

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

試驗臺系統主要由進風小室、土壤-空氣換熱器、送風小室、豬舍四大部分組成。圖1為通風系統流程圖，圖中箭頭方向表示空氣流動方向。進風小室和送風小室均用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長的PVC管，埋深2 m，坡向進風小室，3根PVC管道進、出風口分別與進風小室和送風小室連通。各換熱管測試時進口端分別用軟管接到進風小室外，換熱管出口分別用軟管接到送風機風管上。風機采用混流式通風機，全壓為98 Pa，額定風量為492 m3/h，額定功率為0.09 kW。室外進風口處布置2個800 W空氣加熱器，白天開啟加熱。

圖1 試驗系統流程圖

為監測土壤-空氣換熱器的管壁溫度及周圍土壤溫度，試驗臺安置了一系列Pt100熱電阻，其中3根不同管徑換熱管外管壁上各布置17個熱電阻，沿管長方向依據前密后疏原則，在前6 m管段上每間隔1 m布置1個測點，6～18 m管段每間隔2 m布置1個測點，18～30 m管段每間隔3 m布置1個測點，如圖2所示。此外，在土壤-空氣換熱器周圍土壤中共布置20個熱電阻，主要分為2組，一組在沿管長方向1 m處土壤中，另一組在沿管長方向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于管中心對稱。Pt100熱電阻、數據采集儀和計算機組成土壤-空氣換熱器的數據采集單元，本試驗采用34972A溫度巡檢儀進行熱電阻溫度數據采集。

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

圖3 土壤中熱電阻測點剖面布置圖(換熱管進風側視角)(單位：mm)

在3根不同管徑換熱管進出口處各布置1個溫濕度自記儀，測量空氣在經過PVC換熱管道前后的溫濕度。進風小室的軟管的室外進風口處與豬舍內送風口處各布置1個溫濕度自記儀，分別記錄室外進風溫度與豬舍送風溫度。進風小室與送風小室中各布置1個溫濕度自記儀，記錄2個小室中的溫濕度。溫濕度自記儀均采用174H型。

主要使用的測試儀器和性能參數見表1。

表1 主要測試儀器及其參數

1.2 試驗工況

為探究各換熱管不同風速下的性能差異，利用變壓器對送風機風量進行調節，各工況設置見表2。其中每測試完一組工況，均等待換熱管周圍土壤溫度恢復穩定后再開始下一組測試。此外，在對3種管徑換熱管進行24 h不同通風量下的測試后，對DN160換熱管在4.06 m/s管內空氣流速情況下，進行了連續6 d的運行測試。

表2 土壤-空氣換熱器試驗工況

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

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

表3 DN110換熱管各工況測試數據統計 ℃

管徑為DN160的土壤-空氣換熱器在3種不同工況下的測試數據見圖5和表4。試驗結果表明：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幅度增大，沿管長方向1 m與27 m處土壤溫升幅度也相應增大，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；在風速3.15 m/s試驗工況下，換熱管進口平均溫度為31.9 ℃，高于風速為4.97 m/s工況的進口平均溫度，但其出口平均溫度為23.2 ℃，低于風速為4.97 m/s工況的出口空氣溫度，該試驗結果表明在同一管徑條件下，風速越小，其溫降效果越好。

注：圖例中除換熱管進、出風口外，實線圖例表示沿管長方向管壁測點，虛線圖例表示沿管長方向土壤測點。圖5 DN160換熱管3種不同工況下的運行測試數據

表4 DN160換熱管各工況測試數據統計 ℃

管徑為DN200的土壤-空氣換熱器在3種不同工況下的測試數據見圖6和表5。試驗結果顯示，各工況下換熱管出口空氣溫度在20.8～23.2 ℃之間變化，沿管長方向16 m后的管壁溫度隨換熱管進口空氣溫度變化波動較小，土壤中各測點溫度在24 h內的溫升均小于0.5 ℃。由表5可以看出，DN200換熱管的出口空氣溫度波動范圍大于DN160和DN110的換熱管。

表5 DN200換熱管各工況測試數據統計 ℃

注：圖例中除換熱管進、出風口外，實線圖例表示沿管長方向管壁測點，虛線圖例表示沿管長方向土壤測點。圖6 DN200換熱管3種不同工況下的運行測試數據

圖7顯示了DN160換熱管在4.06 m/s空氣流速下連續運行6 d的測試數據。由圖7可以看出，換熱管最大出風溫度在逐日上升，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，在沿管長方向前10 m的各測點溫度梯度較大，換熱效果顯著，10 m后換熱管沿管長方向溫度梯度較小，換熱效果不再顯著。此外，通過圖7b中土壤中測點過余溫度曲線可知，在連續運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，應該要注意在各工況下換熱管的布置間距。

圖7 DN160換熱管在4.06 m/s空氣流速下連續運行6 d的測試數據

2.2 試驗結果計算分析

2.2.1換熱量求解方法

本試驗因在高熱高濕地區重慶進行，且換熱管長30 m，當空氣進入換熱管內會同時發生傳熱與傳質過程，因此為觀察3種管徑換熱管在不同工況下的換熱情況，有必要對全熱換熱量及顯熱換熱量進行計算。換熱管中空氣與土壤的換熱過程中，當空氣溫度高于土壤溫度時，該過程為空氣的釋熱過程，換熱量視為正值；當夜間空氣溫度低于土壤溫度時，土壤向空氣放熱，該過程實際為土壤的蓄冷過程，換熱量定義為負值。濕空氣的狀態參數包括比焓、溫度、相對濕度、含濕量、密度和飽和水蒸氣分壓力，要想求得換熱量，需對空氣的狀態參數進行求解計算，換熱管進出口處空氣的比焓可按下式計算[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。

進出口空氣含濕量d可按下式計算：

式中 φ為濕空氣的相對濕度；B為大氣壓力，取101 325Pa；pqb為空氣溫度為t時所對應的飽和水蒸氣分壓力，Pa，可按下式求得[13]：

式中 Tst為大氣壓力下液態水沸點溫度，K；T為濕空氣的熱力學溫度，K；pst為當地大氣壓力，Pa；C1～C6為計算經驗系數，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，287J/(kg·K)。

室外的高溫高濕空氣經過換熱管與土壤的逐時全熱、顯熱換熱量分別為

Q=mihi-moho

(6)

Qx=1 005(miti-moto)

(7)

式(6)、(7)中 Q為逐時全熱換熱量，W；Qx為逐時顯熱換熱量，W；mi、mo分別為換熱管進、出口處空氣的質量流量，kg/s；hi、ho分別為換熱管進、出口處空氣的比焓，J/kg；ti、to分別為換熱管進、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的測試數據進行計算，表6給出了測試周期為24 h的各試驗工況的全熱換熱量、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換熱管在風速3.15 m/s試驗工況(2-b)下平均顯熱換熱量為578.3 W，低于風速為4.19 m/s工況(2-c)的平均顯熱換熱量(867.6 W)，而且2-b工況的進口平均溫度(31.9 ℃)還高于2-c工況的進口平均溫度(31.1 ℃)，表明在同一管徑條件下，風速較小的試驗工況，由于流量的減小導致了換熱量減小；在1-a、3-b、3-c工況下，顯熱換熱量均大于0的情況下出現全熱換熱量有負值的現象，這是由于當天室外空氣相對濕度較低，土壤-空氣換熱器的換熱管內存在凝水，空氣在經過換熱管過程中出現了加濕冷卻過程。因此，在對送風濕度有要求的場所中采用土壤-空氣換熱器系統時，應注意換熱管內的凝水排出問題。

表6 測試周期為24 h的各試驗工況換熱量計算結果

對DN160換熱管以4.06 m/s的管內空氣流速進行連續6 d的測試，其逐時換熱量計算結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，顯熱換熱量為負值均出現在室外空氣溫度較低的夜間時段，在圖7中可以看到對應時段換熱管出口空氣溫度高于換熱管進口空氣溫度，該現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，實際工程應用中，在晝夜溫差大、夜間空氣溫度較低條件下，系統可以夜間連續運行，加強供冷效果。

圖8 DN160換熱管以4.06 m/s管內空氣流速連續運行6 d的換熱情況

3 結論

1) 試驗工況下，在進行24 h不同換熱管、不同風量的試驗中，隨著換熱管管徑的增大，換熱管出口空氣溫度波動范圍增大，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) 試驗工況下，DN160換熱管以4.06 m/s管內空氣流速連續運行6 d的試驗中，可以發現連續運行過程中換熱管周圍土壤中測點處溫度在逐日上升，最大溫升為0.8 ℃，即換熱管在0.4 m埋管間距下會產生熱累積現象，這也導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溫度要求。因此在實際工程中，根據埋管換熱量的需求及運行時間，確定合適的埋管間距，可以有效提高埋管換熱量。

3) 試驗工況下，DN110換熱管在不同風量下的平均全熱換熱量為288.1～578.9 W，DN160換熱管在不同風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的管內空氣流速連續運行6 d的平均全熱換熱量為548.3 W。

4) 土壤-空氣換熱器的運行性能受氣候條件、豬場負荷、運行時間等多因素影響，要設計合理的豬場送風方案還需作進一步的理論與試驗研究。