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北京足球场草坪冬季电热融雪保绿实验研究

 
   
摘要:在北京的一个冬季,对采用局部电缆加热系统的实验草坪土壤,进行了草坪土壤温度场的实验研究,草坪融雪保绿效果显著。对草坪土壤电缆加热系统建立了二维瞬态传热有限单元计算模型,数值模拟了草坪土壤的温度场,模拟值与实测值吻合得较好。采用该数学模型对电缆加热草坪土壤不同工况下的温度场进行了数值模拟,经分析,获得北京地区草坪电缆加热系统设计参数的推荐值。
   
关键词:足球场草坪  景观草坪  电缆加热系统  数值模拟  设计推荐值

    1.前言
   
随着我国社会和经济的发展,足球事业也在蓬勃兴起,各种草坪运动场的数量也急剧增加,奥运建设将新增更多的场馆。另一方面,国际大都市北京对四季常绿的高档景观草坪的需求也越来越多。但由于冬季气候寒冷,草坪受低温影响后会失绿枯死。
   
对草坪生长影响最大的一个因素是土壤温度。冬季对草坪土壤进行加热,使其维持适宜的温度,可延长草坪的使用期限。热量可以由低温热水管或发热电缆提供。与其它使用电能的系统一样,电缆加热有许多优点,诸如清洁性、供给的安全性和连续性、易于控制和应用的通用性。足球场的强力照明系统一般在场地使用时才开启。在不使用时,可将照明系统的电力用于电热系统。
   
作者采用数值模拟分析和实验研究相结合的方法进行了北京足球场草坪冬季电热融雪保绿研究。
   
在北京地区最寒冷季节,即200411月~20053月对采用局部电缆加热系统的草坪土壤温度场进行了实验。整个冬季,草坪保持绿色,局部电缆加热装置增温保绿效果显著。
   
对电缆加热草坪土壤建立了一个二维瞬态传热有限单元计算的数学模型,通过实验研究为数值计算提供了初始条件和边界条件,进而应用ANSYS软件对草坪土壤温度场进行了数值模拟,模拟值与实测值的对比表明,两者吻合得较好,数学模型得到验证。
   
最后使用经过验证的数学模型对不同工况的电缆加热草坪土壤温度场进行数值模拟分析,得到北京地区草坪电缆加热系统的优化设计参数。
    2.
实验研究
    2.1
实验草坪
   
实验在北京工业大学校园内进行。该地位于北纬39°48,东经116°19,海拔31.3m。冬季室外平均风速3.0m/s,日平均温度≤5℃天数为124天,平均气温-1.3℃,极端最低温度-27.4℃,最大冻土深度85mm[1]
   
在北京工业大学建工学院建筑环境与设备工程实验室1#实验楼北侧室外辟出一块2800L)×1100(W)×500(H)mm草坪,在0.25m深处设置了一个独立的加热电缆环路和一个热电偶测温系统后,敷设了冷季型的草坪草高羊茅。
    2.2
草坪电缆加热装置
   
加热电缆由双导线构成,额定电压为220V,功率为10W/m
按照蛇形管的形式,沿长度方向来回平行敷设电缆。电缆等距敷设,间距0.06m,保证热量分布均匀。草坪单位面积加热功率为166W/m2
   
为防止电缆产生的热量从底部和边壁损失,用 5mm厚的聚苯乙烯泡沫板作绝热材料,在土方的边壁和加热电缆的下部设置聚苯乙烯泡沫板。为便于排水,加热电缆下部的聚苯乙烯泡沫板宽度40mm,相邻板的边距为20mm
   
在实际工程应用中,电缆加热系统应控制草坪根部密集区(地表~地表下10cm)处的温度,使其处于正常生长所必需的温度范围(10℃左右)。但由于本文主要目的是研究加热电缆对草坪土壤温度场的影响,因此在整个实验测试过程中将电子恒温器的温度传感器紧贴加热电缆表面放置,即局部电缆加热装置的控制(电缆电流的通断)是根据电缆表面的温度来完成的。根据室外气象条件,调整电缆温度设定值,电缆表面温度围绕温度设定值在一定范围内上下波动。在实验过程中,局部电缆加热装置全天在需要时进行加热,即当温度低于设定值范围下限时,电缆通电;当温度高于设定值范围上限时,电缆断电。

 


1 草坪土壤电缆局部加热实验配置的横断面图
注:“×”表示温度测点的位置


    2.3
实验测试项目与方法
   
在草坪草停止生长的最寒冷季节,即200411月~20053月对以下项目进行了测定:①地表温度、地表下10cm20cm25cm35cm50cm土壤温度;②室外空气温度;③电缆表面温度;④局部电缆加热装置的能耗。
各测点温度均采用铜-康铜热电偶进行测量,时间间隔为10min
局部电缆加热装置的能耗采用单相有功电度表进行测量。

 

2 实验装置系统图


   
整个冬季,草坪保持绿色,局部电缆加热装置增温、保绿效果显著。三月中旬随着大气温度的升高,实验草坪表现出明显的早春生长优势。
    3.
数值模拟
   
笔者应用有限元分析软件ANSYS对电缆加热草坪土壤温度场进行了数值模拟计算,并用实验进行了验证。
    3.1
数学模型
   
为简化分析,作如下假设:
   
⑴电缆长度方向温度变化可以忽略不计,草坪土壤温度仅沿xy方向随时间发生变化,即二维瞬态温度场;
   
⑵草坪土壤内部的热传递按二维导热问题处理,土壤中只有热传导, 忽略土壤中空气、水分的对流和扩散;
   
⑶土壤视为多孔介质,在大尺度上可视为一种均匀连续各向同性的介质,热物性参数分别为常数;描述土壤温度t(单位℃),宽度x(单位m),深度y(单位m),和时间t(单位s),的方程如下[2]
     

     

 (1)

  
   
其中是cp比热,λ是包括热传导和潜热对流影响的有效导热系数,qv是内热源,即电缆的发热量。          
    3.2
模型的初始条件和边界条件
   
由于土壤温度变化一般在距地表0.35m以下已不显著,在距地表1m以下日变化趋于消失[3],且根据问题的对称性,在求解过程中取实物中心纵截面的二分之一建立有限元计算模型,即:计算区域深度(x方向)1m,宽度(y方向)0.55m

 

 

3 草坪土壤有限元计算模型


   
计算区域左侧边壁为聚苯乙烯绝热板,由于聚苯乙烯导热系数与土壤相比很小,为简化分析,视其为绝热边界;由于对称性,故计算区域右侧边壁为绝热边界。
边界条件具体设定如下:
   
ABCDBD为绝热边界条件,


   
⑵上边界AC为第三类边界条件,

 


   
⑶加热电缆表面为第一类边界条件,

(加热电缆设定温度)


   
全部节点在模拟开始时的温度是初始条件。
   
在整个模拟期间通过实验测量初始条件和边界条件并将其提供给模型。
    3.3
草坪土壤热物性参数
   
地表到地表下5cm的区域是草坪草根部密集区。这部分土壤的热物性参数经过预测和试算,确定为:

地表下5cm到地表下100cm。这部分土壤的热物性参数采用粘土的热物性参数[2]

 

 

    聚苯乙烯绝热板的热物性参数[2]

 

    3.4模型的检验
   
模型的验证以24小时为周期进行。在验证过程中,由于室外气象条件在一小时之内变化不大,同时为了避免偶然因素对测试数据的干扰,实测数据采用以相邻60分钟内的平均温度作为小时温度值。边界条件每隔一小时阶跃变化。
温度模拟结果与实测结果的偏差d(单位℃)由下式[4]计算:
                            

   (2)


   
其中ts是模拟温度(单位℃),tc是实测温度(单位℃)。
分别对覆盖薄膜和不覆盖薄膜情况下,数值模拟温度场与实测温度场进行了对比分析。覆盖薄膜(2004.12.29)时,模拟温度与实测温度的平均偏差是0.45℃,最大偏差是1.63℃;不覆盖薄膜(2005.03.06) 时,模拟温度与实测温度的平均偏差是0.59℃,最大偏差是1.26℃。结果表明,数值模拟结果与实测结果吻合得较好,模拟结果可以应用到实际工程中去,其精度完全可以满足实际工程的需要。
    4
草坪土壤电缆加热系统优化设计
采用该数学模型对北京地区冬季最冷月(一月)平均室外气象条件下,特定土壤物性参数的足球场草坪和高档景观草坪,不同的安装功率、不同的加热电缆敷设间距、不同的埋设深度,以及按照草坪用途确定的不同使用时间(不覆盖时间)的各种工况进行了数值模拟计算。通过对模拟结果的分析,得到北京地区草坪电缆加热系统的设计参数,可作为工程应用参考。
    4.1
安装功率
   
⑴对于足球场草坪,每天使用时间:14:00-17:00,使用3小时不覆盖,不使用时覆盖。
 


4安装功率80W/m2温度变化 

 

 

5安装功率100W/m2温度变化

 

 

6安装功率67W/m2温度变化

 

   

7安装功率100W/m2温度变化


   
由图4-6可以看出,安装功率为85W/m2,距地表5cm10cm土壤温度可维持在6℃~10℃,地表不结冻;安装功率为100W/m2,距地表5cm10cm土壤温度可维持在8℃~12℃,地表最低温度在3℃以上,可维持草坪草的正常生长;安装功率为67W/m2时,凌晨有一段时间地表温度会低于0℃,有结冻的危险。
   
⑵对于高档景观草坪,每天使用时间:7:00-19:00,使用12小时不覆盖,不使用时覆盖。
   
由图7-4-9可以看出,安装功率为100W/m2,距地表5cm10cm土壤温度可维持在7℃~11℃,地表不结冻;安装功率为113W/m2,距地表5cm10cm,土壤温度可维持在8℃~12℃,地表不结冻,可维持草坪草的正常生长;安装功率为85W/m2时,白天揭膜后有一段时间地表温度会低于0℃,有结冻的危险。

 

 

8安装功率113W/m2温度变化

 

 

9安装功率85W/m2温度变化


    4.2
埋设深度
   
草坪根部密集区(地表至地表下10cm)处达到相同温度时,电缆表面温度随埋设深度的增加而升高。
    4.3
敷设间距
   
随着电缆间距的增大,沿轴方向温度分布的均匀性降低,但间距为30cm时,草坪根部密集区(地表至地表下10cm)处最高温度与最低温度差仅为0.307℃。
    5
结论
   
⒈草坪加热电缆适宜的每米功率17W/m20W/m
   
⒉北京地区足球场草坪(14:0017:00使用),适宜的加热电缆安装功率为≥85W/m2;对于标准较高的足球场草坪,加热电缆安装功率宜≥100W/m2;为保证地表不结冻加热电缆最小安装功率不应低于67W/m2
   
对于国际标准足球场,单位面积安装功率为110m×70m时,总功率为85W/m2 ;单位面积655KW安装功率为100W/m2时,总功率为770W/m2
   
北京地区高档景观草坪(7:00-19:00使用),适宜的加热电缆安装功率为≥100W/m2 ,为保证地表不结冻加热电缆最小安装功率不应低于85W/m2
   
⒊在满足使用安全要求的情况下,加热电缆线埋设深度足球场草坪宜为25cm,高档景观草坪宜为20cm
   
⒋加热电缆敷设间距的适宜范围为15cm30cm
   
参考文献
   
⑴高辉 北京足球场草坪冬季电热融雪保绿实验研究. 北京工业大学工学硕士学位论文
   
⑵章熙民,任泽霈,梅飞鸣,王中铮. 传热学(第二版).中国建筑工业出版社
   
⑶常征 土壤温度的变化特点及其规律. 油气储运,1989(6): 34-37
   
S. de la PlazaR. M. BenaventeJ. L. GarcmH aL. M. NavasL. Luna1J. M. DuraH nN. Retamal. Modeling and Optimal Design of an Electric Substrate Heating System for Greenhouse Crops. [J]Agric. Engng Res. (1999) 73, 131-139
   
James Westwood. The Heat is on Keeping Winter Pitches Playable. [J]Turfgrass Bulletin2000(2): 5-7
   
⑹宋桂龙. 运动场草坪冬季加热保温技术. 中国花卉园艺,2002(22): 26-27
   
⑺李炎锋,贾衡,李俊梅.一种新的露天管道层绝热保温加电伴热防冻方案及其经济分析. 暖通空调,2002(6): 112-114
   
⑻赵志强,马豫,贾衡,孙谦.低温电热地板辐射供暖实验研究,建筑热能通风空调,2002(1)

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