基于傳熱理論的蠅蛆養(yǎng)殖房溫控能源成本研究

1、基于傳熱理論的蠅蛆養(yǎng)殖房溫控能源成本研究摘 要：將室內(nèi)環(huán)境溫度控制在特定范圍對(duì)動(dòng)植物生長(zhǎng)具有重要作用。室內(nèi)環(huán)境溫度控制所需能源成本對(duì)評(píng)估種 養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。本文建立了養(yǎng)殖房傳熱理論模型，研究了室外溫度、房間材料傳熱系數(shù)和材料厚度對(duì)傳 熱能量損耗的影響。估算了在貴州遵義地區(qū)氣溫條件下蠅蛆養(yǎng)殖房的溫度控制成本。結(jié)果表明，對(duì)常用磚墻等建筑材料 建成的16m2小型蠅蛆養(yǎng)殖房，維持室內(nèi)恒溫28P,蠅蛆養(yǎng)殖房的墻體傳熱最多，約占蠅蛆養(yǎng)殖房總傳熱量的一半。在寒 冷天氣下墻體每天傳熱可達(dá)約2 x 108J。而蠅蛆養(yǎng)殖房的墻體傳熱全年達(dá)約3.5 x 1010Jo門(mén)窗和地面?zhèn)鳠崃恐图s等于屋 頂傳熱量，

2、約占蠅蛆養(yǎng)殖房總傳熱量的四分之一。全年因傳熱損耗能量約6.5x1010J，所需溫控成本約為2200元。該研究 為室內(nèi)溫控成本計(jì)算提供理論參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：熱傳導(dǎo)；室內(nèi)溫度控制；蠅蛆養(yǎng)殖；能源成本0引言蠅蛆營(yíng)養(yǎng)成分價(jià)值高，具有多種用途。蠅蛆的生長(zhǎng)受 溫度影響十分明顯。20笆以下，蠅蛆停比繁殖或進(jìn)入冬眠 狀態(tài)，不食不動(dòng)1，因此需要控制室內(nèi)溫度。蠅蛆養(yǎng)殖要 追求效益，控制成本。蠅蛆養(yǎng)殖成本主要包括飼養(yǎng)成本和 環(huán)境條件控制成本。蠅蛆養(yǎng)殖房的修建應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颉?濕度、溫度、采光等條件，以提高用率低。應(yīng)保證養(yǎng)殖 房?jī)?nèi)的溫度比較穩(wěn)定，種蠅生長(zhǎng)適宜溫度一般為27笆左 右。為確保蠅蛆進(jìn)入收蛆桶，養(yǎng)殖房?jī)?nèi)的溫度

3、應(yīng)在25笆 以上。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，當(dāng)室內(nèi)外溫度不相等時(shí)發(fā)生熱 傳遞，熱量從溫度較高的一側(cè)向溫度較低的一側(cè)傳遞。傅 里葉熱傳導(dǎo)定律5表明，導(dǎo)熱過(guò)程中單位時(shí)間通過(guò)截面的 導(dǎo)熱量正比于垂直于該截面的溫度變化率和截面面積。在 不考慮空氣和室內(nèi)外墻面間的對(duì)流時(shí)，可以采用傅里葉熱 傳導(dǎo)定律近似計(jì)算傳熱量。牛頓冷卻定律6表明，當(dāng)物體 表面與周?chē)嬖跍囟炔顣r(shí)，單位時(shí)間從單位面積散失的熱 量與溫度差成正比。牛頓冷卻定律在強(qiáng)制對(duì)流時(shí)與實(shí)際符 合較好，在自然對(duì)流時(shí)誤差較大，但在溫度差不太大時(shí)依 然成立?？諝夂褪覂?nèi)外墻面間的對(duì)流可以用牛頓冷卻定律 計(jì)算。本文根據(jù)遵義地區(qū)全年氣溫變化情況，建立理論模 型計(jì)算得到本地

4、區(qū)蠅蛆養(yǎng)殖溫度控制所需能量和能源成 本。為本地區(qū)蠅蛆養(yǎng)殖提供參考。本文算法也可以為其它 地區(qū)、其它物種養(yǎng)殖的溫控成本計(jì)算提供理論依據(jù)。1理論模型圖1所示為蠅蛆養(yǎng)殖房傳熱模型示意圖。蠅蛆養(yǎng)殖房 室內(nèi)外傳熱包括熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱和熱輻射三種情況。對(duì) 于空間較大的準(zhǔn)密閉房間，本文忽略熱輻射能量影響，近 似計(jì)算基于熱傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱的傳熱能量損耗。如圖1所 示，室內(nèi)、室外溫度分別用Ti和T。表示。當(dāng)室內(nèi)溫度高于室 外溫度時(shí)，室內(nèi)和室外存在溫度差，空氣與墻面之間存在 對(duì)流，熱量從墻體內(nèi)傳導(dǎo)出去，從而得到如圖所示由高到 低的溫度變化曲線(xiàn)。墻/門(mén)窗圖1蠅蛆養(yǎng)殖房室內(nèi)外傳熱模型示意圖根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律，單位時(shí)間

5、單位面積內(nèi)，室內(nèi) 外傳熱量可表示為： TOC o 1-5 h z 傳導(dǎo)=表面一以表面）1）其中，A表示墻內(nèi)的熱傳導(dǎo)系數(shù)，6表示墻厚度。 根據(jù)牛頓冷卻定律，空氣和室內(nèi)外墻面間的對(duì)流傳熱 可以表示為：g對(duì)流=。（&面-氣）（2）其中，口表示空氣與表面之間的對(duì)流傳熱系數(shù)?？紤] 空氣和室內(nèi)外墻面間的對(duì)流，單位時(shí)間單位面積內(nèi)室內(nèi)外 傳熱量可表示為：Hd）（3）其中表示考慮空氣和室內(nèi)外墻面間對(duì)流的總傳熱系數(shù)，包含空氣與表面之間的對(duì)流傳熱和墻內(nèi)的熱傳導(dǎo)。k、a、久滿(mǎn)足關(guān)系式： = + ? + J_,即k = -0因此單k a X aab + 2A位時(shí)間單位面積內(nèi)室內(nèi)外傳熱量可表示為： 傳熱系數(shù)最大，傳熱最快

6、。在寒冷天氣下每天每平方米傳 熱可達(dá)1X107J。傳熱最慢的是地面，寒冷天氣地面每天 每平方米傳熱約為窗戶(hù)傳熱速度的三分之一。4)ab + 2A如果熱傳導(dǎo)區(qū)為多層結(jié)構(gòu)，第層的傳熱系數(shù)用久n表 示，貝 =上+ 3 +纖T*。k a An a考慮蠅蛆養(yǎng)殖房的側(cè)面墻體、地面、屋頂、門(mén)、窗各 自的傳熱，則蠅蛆養(yǎng)殖房單位時(shí)間的傳熱量用各部分傳熱 之和表示為：Q=。側(cè)墻+。屋頂+。地面+01+。窗2熱傳導(dǎo)計(jì)算對(duì)流換熱是一個(gè)受許多因素影響且其強(qiáng)度變化幅度5)(*后灘)頓念3、.頓部法K嫗三，胃嗖，國(guó)鋼，輯X1060200400 x 1072全年天數(shù)(第x天)020040002004004 *甘圖3蠅蛆養(yǎng)殖房

7、的墻、門(mén)窗、屋頂?shù)让刻烀科矫椎膫鳠崃壳€(xiàn)(6(6)較大的復(fù)雜過(guò)程，一般情況下，空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)為 525Wm-1 K*】。一般墻體的傳熱系數(shù)為久1=1.2Wm-1 K-1， 普通門(mén)的傳熱系數(shù)久2=1. 5W m-1 K-19，窗戶(hù)普通玻璃的 傳熱系數(shù)久3=6. 6W m-1 K-110，頂樓普通混泥土樓面的 傳熱系數(shù)久4=2. 0W m-1 K-111，普通水泥地面的傳熱系數(shù) 久 5=0.56W m-1 K-19o一般地，取房屋墻體厚度約為b 1=0. 3m，門(mén)的厚度約為b2=0.15m，窗戶(hù)玻璃的厚度約為b3=0.003m，屋頂混泥土 樓面厚度取b4=0.3m，地面厚度按b 5=0.3m

8、作近似計(jì)算。根據(jù)蠅蛆養(yǎng)殖適宜溫度范圍，設(shè)蠅蛆養(yǎng)殖室內(nèi)溫度 為T(mén),=28C。室外溫度受天氣影響，隨時(shí)間變化。圖2所示 為遵義地區(qū)年日平均氣溫變化曲線(xiàn)12。一般情況下，進(jìn)入 夏至前后氣溫快速升高，七月和八月的氣溫通常最高，九 月立秋前后氣溫開(kāi)始明顯下降，冬季氣溫最低，較低氣溫 通常要持續(xù)到春季，立春前后氣溫才開(kāi)始明顯回升。十月 至次年四月的日平均氣溫通常都在25C以下，需要加熱。 七月和八月的日平均氣溫通常在25C以上，一般不需要加 熱。五月、六月和九月通常氣溫變化較大，天氣較冷的時(shí) 候需要加熱以保持足夠的室溫。日均最低氣溫 -一日均最高氣溫 1-日均平均氣溫12345678910 H 12月份圖

9、2遵義地區(qū)歷史年日平均氣溫變化曲線(xiàn)數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心(www. weather. com. cn)針對(duì)以上參數(shù)，考慮日均平均氣溫，根據(jù)公式(4)和 (5)，近似計(jì)算得到蠅蛆養(yǎng)殖房在近年天氣環(huán)境下，每 平方米的墻體、門(mén)窗、屋頂?shù)鹊膫鳠崆€(xiàn)，如圖3所示，其為計(jì)算具體傳熱損耗能量，針對(duì)16m2的小型蠅蛆養(yǎng)殖 房，設(shè)長(zhǎng)寬高分別為4m、4m、3m,有一高2m、寬1.5m的門(mén)， 有一長(zhǎng)1.2m、寬0.8m的窗戶(hù)。圖4為其各部分所占面積大 小柱狀圖。45140 M圖4蠅蛆養(yǎng)殖房的墻、門(mén)窗、屋頂和地面的面積(矢片中)兵圖4蠅蛆養(yǎng)殖房的墻、門(mén)窗、屋頂和地面的面積(矢片中)兵H根據(jù)公式(4)，考

10、慮面積和時(shí)間，則蠅蛆養(yǎng)殖房傳熱 量可表示為：a町 Ts.zab + 2A由此計(jì)算得到蠅蛆養(yǎng)殖房的墻、門(mén)窗、屋頂?shù)让刻斓?傳熱量分布曲線(xiàn)，如圖5和圖6所示。由圖可知，蠅蛆養(yǎng)殖 房的墻體傳熱最多，約占蠅蛆養(yǎng)殖房總傳熱量的一半。在 寒冷天氣下墻體每天傳熱可達(dá)約2X10J。屋頂傳熱也較 多，接近墻體傳熱的一半。而門(mén)窗和地面?zhèn)鳠崃恐图s等 于屋頂傳熱量，約占蠅蛆養(yǎng)殖房總傳熱量的四分之一。蠅 蛆養(yǎng)殖房的墻體傳熱全年達(dá)約3.5X101J。蠅蛆養(yǎng)殖房全 年總的傳熱可達(dá)約6.5X1Q10To3溫控成本估算采用制熱效率為3.4的空調(diào)用于調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)溫度，電 費(fèi)單價(jià)設(shè)為每千瓦時(shí)0.4元，根據(jù)全年傳熱能量損耗約 6.5X

11、1010J計(jì)算，可得全年所需電量為2X1010J,即約 5.6X103kWh。進(jìn)而計(jì)算得到所需電費(fèi)約為2200元，除七中。從圖中可知單位面積的窗戶(hù)每天的傳熱最多，因窗戶(hù)月、八月幾乎不用空調(diào)外，平均每月約需電費(fèi)220元。14窗02004000200400全年天數(shù)（第X天）房，維持室內(nèi)恒溫28C,蠅蛆養(yǎng)殖房的墻體傳熱最多，約 占蠅蛆養(yǎng)殖房總傳熱量的一半。在寒冷天氣下墻體每天 傳熱可達(dá)約2X10J。而蠅蛆養(yǎng)殖房的墻體傳熱全年達(dá)約 3.5X1010Jo門(mén)窗和地面?zhèn)鳠崃恐图s等于屋頂傳熱量， 約占蠅蛆養(yǎng)殖房總傳熱量的四分之一。全年因傳熱損耗能 量約6.5X1010J,采用制熱效率為3.4的空調(diào)用于調(diào)節(jié)實(shí)時(shí) 溫度，電費(fèi)單價(jià)設(shè)為每千瓦時(shí)0.4元，所需溫控成本約為 2200元。在寒冷冬季，若借助集中供熱系統(tǒng)可降低能源成 本。本文算法可以為其它地區(qū)、其它物種養(yǎng)殖的溫控成本 計(jì)算提供理論依據(jù)。圖5蠅蛆養(yǎng)殖房的墻、門(mén)窗、屋頂?shù)让刻斓膫鳠崃糠植记€(xiàn)圖6蠅蛆養(yǎng)殖房的墻、門(mén)窗、屋頂?shù)鹊娜陚鳠崃?結(jié)論將室內(nèi)環(huán)境溫度控制在特定范圍對(duì)