“30碳達峰，60碳中和”開啟了可再生能源時代的大幕．大力推動新時代可再生能源大規(guī)模、高比例、高質(zhì)量、市場化發(fā)展，有力推動可再生能源從能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的生力軍成長為碳達峰碳中和的主力軍，為構建清潔低碳、安全高效的能源體系提供堅強保障．地熱能作為可再生能源的代表，具有清潔、環(huán)保、高效、豐富、低溫的優(yōu)點，是溫室大棚熱源的優(yōu)先選擇目標．

室內(nèi)環(huán)境下（15℃）土壤初始溫度曲線

當溫室大棚室內(nèi)環(huán)境溫度為15℃時，土壤初始溫度為8℃時．假設土壤為各向同性的固體，物性參數(shù)為常數(shù)．忽略由于土壤中水分遷移而引起的熱遷移．已知土壤導熱系數(shù)為2.04 W/（m·℃），密度為2400kg/m3，比熱容為921.1J/（kg·℃），在此條件下模擬土壤不同深度下的溫度值，從而得到土壤表面不同深度下土壤溫度曲線圖．

土壤表面不同深度下土壤溫度曲線圖

圖1為土壤溫度隨著時間積累各不同深度監(jiān)測點的溫度曲線圖，室內(nèi)環(huán)境溫度為植物適宜的環(huán)境溫度15℃，監(jiān)測點距離土壤上表面的垂直距離分別為0.06m、0.10m、0.14m、0.18m、0.22m、0.26m、0.30m，每相鄰兩監(jiān)測點相差4厘米．從圖中我們可以看出：土壤溫度變化速度與范圍隨著監(jiān)測點深度和時間的變化而變化．

整體上來看，土壤監(jiān)測點內(nèi)的溫度具有升高的趨勢，距離地表最近的溫度變化較小．隨著深度的增加土壤溫度升溫較快．隨著時間的增加，土壤的溫度逐漸趨于穩(wěn)定．這說明，隨著時間的增加，土壤溫度在一定范圍內(nèi)有著提高，表面溫度的影響也隨之下降．為了節(jié)能，室內(nèi)溫度選擇植物適宜的15℃時，土壤溫度達不到適宜溫度，在實際項目中有必要用地埋管來提高土壤的溫度．

溫室大棚土壤溫度場模型建立

(1）忽略溫室內(nèi)部的溫度差異，將溫室內(nèi)部溫度看作一致．

(2）土壤、地埋管為各向同性的固體，物性參數(shù)為常數(shù)．

(3）忽略沿管長方向的傳熱，將地埋管周圍土壤溫度場作為二維瞬態(tài)導熱問題處理．

(4）忽略土壤內(nèi)水分遷移引起的熱遷移．

(5）由于地埋管管壁很薄，認為管壁與土壤導熱系數(shù)相同．

土壤溫度場數(shù)學模型

模型建立與參數(shù)設置

將溫室大棚土壤的計算模型假定為一個1×1(m）的計算模擬區(qū)域，地埋管位于模型中的坐標為（0.5,0.5）米．將計算區(qū)域網(wǎng)格用網(wǎng)格劃分軟件Gambit劃分．劃分完成后檢查其準確性．然后將模型導入Fluent軟件進行參數(shù)的設置，開始對模型進行模擬．網(wǎng)格劃分如下：

初始條件和邊界條件

1）土壤：土壤導熱系數(shù)為2.04 W/（m·℃），密度為2400kg/m3，比熱容為921.1J/（kg·℃）；

2）聚乙烯管（pe）導熱系數(shù)為0.4 W/（m·℃），密度為933kg/m3;

3）供水平均溫度：50℃；

4）冬季土壤區(qū)域初始溫度為8℃，溫室地表環(huán)境溫度為15℃，地表與空氣對流換熱系數(shù)為7W/m2.

地埋管布置示意圖

結論

(1）影響溫室大棚土壤溫度場的因素有地埋管的管徑，間距以及埋深．地埋管管徑越大，影響到的土壤的溫度范圍就越廣，熱作用半徑越大；當管徑相同時，間距越大導致土壤溫度場不均勻分布；埋深直接影響植物根系溫度．

(2）當假設土壤物性均勻不變的前提下，忽略地埋管沿管程方向的溫變以及管壁的導熱時，通過利用Gambit建立溫室土壤的二維模型，并導入FLUENT進行數(shù)值模擬計算，對模擬結果從節(jié)能和經(jīng)濟效益考慮，在地源熱泵提供熱水平均溫度50℃時，當管徑為25mm，間距30cm，埋深在57.7cm時溫室土壤溫度場為最佳，此時溫室土壤5-25厘米平均溫度為22.14℃．