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摘要：基于计算流体动力学 （computational fluid dynamics，CFD模拟技术，采用层流模型对利用浅层地热为热源的鸡舍进行了二维温度场求解，得出了鸡舍内部温度分布图，并与常规鸡舍进行对比。结果表明，利用浅层地热作为热源，在无其他热源以及通风的情况下，冬季室外温度为-131 ℃时，室内主要区域温度为-70 ℃，比普通鸡舍的温度提高约20 ℃；初夏室外温度为2000 ℃时，室内主要区域温度为1675 ℃，比普通鸡舍的温度降低约080 ℃。
关键词：CFD模拟技术；鸡舍；温度场；浅层地热
中图分类号： S126文献标志码： A
文章编号：1002-1302（201412-0442-03[HS][HT9SS]
收稿日期：2013-12-31
作者简介：郭仁宁（1956—，男，辽宁省阜新人，硕士，教授，从事传热过程理论与节能技术研究。E-mail：guorenning123@163com。
根据《2009—2012年中国禽类养殖市场研究与发展前景分析报告》研究显示，从当前我国市场需求和家禽发展态势来看，肉鸡与蛋鸡具有较强的竞争力和开发潜力。鸡的发展以蛋鸡和肉鸡为主，其中土鸡、优质黄羽肉鸡更是优势鸡种。目前，国内众多学者在环境对蛋鸡、肉鸡产蛋及生长的影响上进行了多方面的研究，结果表明鸡舍的温度、湿度、通风都是直接影响蛋鸡、肉鸡的生长以及产蛋量的重要因素[1-3]。因此，鸡舍温控是获得较高经济效益的重要措施之一。目前地源热作为一种新型能源已经被应用于建筑业，并已经成为建筑节能的一种重要方法 。利用浅层地源热为鸡舍提供温控热源可以有效减少维持鸡舍温度稳定所消耗的能源。
由于浅层土壤具有较差导热能力以及较强的蓄热能力，其温度随季节变化程度相对空气温度较小，且与空气温度存在较大温差，可以为鸡舍提供相对稳定的温控热源。本研究以后壁与浅层土壤相接鸡舍为研究对象，采用Gambit软件建立模型，并对其划分网格，然后用Fluent软件对鸡舍内部温度场进行模拟，得出其温度分布，对比普通鸡舍温度分布，分析浅层地热对鸡舍温度的影响。
1数学模型
在数值计算时认为空气是连续、非稳态、不可压缩的牛顿流体。空气满足理想气体状态方程：PV=nRT，式中：R为常量；P为压强，Pa；V为气体体积，m3；n为气体的物质量，mol；T为开氏温度，。
计算区域控制方程满足质量守恒方程和动量守恒方程。
（1质量守恒方程（连续性方程：
[HS2][J][SX（]ρt[SX] div（ρu[DD（-1][HT7]→[DD]=0。
（2动量守恒方程：
[HS2][J][SX（]（ρut[SX] div（ρuu[DD（-1][HT7]→[DD]=div（μgradu-[SX（]Px[SX] Su；
[HS2][J][SX（]（ρυt[SX] div（ρυu[DD（-1][HT7]→[DD]=div（μgradu-[SX（]Py[SX] Sυ。
（3能量守恒方程：
[HS2][J]ρ[JB（（][SX（]Ht[SX] ux[SX（]Hx[SX] uy[SX（]Hy[SX][JB]=[SX（]λcp[SX][JB（（][SX（]2Hx2[SX] [SX（]2Hy2[SX][JB] Sh
式中：ρ为密度，kg/m3；μ为动力黏度，N·s/m2；P为压力，Pa；u为速度，m/s；Su、Sυ是动量守恒方程的广义源项：
[HS1][J]Su=Fx sx，Sυ=Fy sy。
而其中的sx和sy的表达式如下：
[HS2][J]sx=[SX（]x[SX][JB（（]μ[SX（]ux[SX][JB] [SX（]y[SX][JB（（]μ[SX（]υx[SX][JB] [SX（]x[SX]（λdivu[DD（-1][HT7]→[DD]；
[HS2][J]sy=[SX（]x[SX][JB（（]μ[SX（]uy[SX][JB] [SX（]y[SX][JB（（]μ[SX（]υy[SX][JB] [SX（]y[SX]（λdivu[DD（-1][HT7]→[DD]。
式中：λ为第2黏度，一般可取λ=-2/3。假设空气黏性为常数。
选取层流模型与以上控制方程形成封闭方程组，对组成的封闭方程组进行数值求解，获得鸡舍内部温度分布图。
2物理模型
考虑鸡舍具有高度对称性，取其横向剖面，将其简化为二维模型：鸡舍壁高2 m，地面距屋顶28 m，跨度6 m。鸡舍后壁（模型中为左侧1 m以下与土壤相接。屋顶人字坡材料选择石棉板，鸡舍墙壁选择红砖。石棉板厚度0015 m，墙体厚度02 m。将此类鸡舍记为1号鸡舍，鸡舍壁面物性参数如表1所示；则记普通鸡舍为2号鸡舍。设定空气为理想气体，其密度随温度变化关系为：ρ=t0ρ0/t，式中：t0=27315 ，即 0 ℃；t为温度，；ρ0=139 kg/m3。
[F（W8][HT6H][J]表1壁面物性参数[HTSS][STB]
[HJ5][BG（！][BHDFG3，W5，W8。3W]材料密度（kg/m3导热率[W/（m·]比热容[kJ/（kg· ℃]
[BHDG12]土壤2 5322000769
[BHDW]石棉板1 3686975816
红砖1 4620490857[HJ][BG）F][F）]
3模型结果分析
31冬季保温分析
参考相关文献中的温度[5]，设定冬季空气温度为 -131 ℃，1号鸡舍地面温度取1 ℃，由于左侧壁面与土壤接触，温度自上而下不断增加，因而选取其均值-1 ℃；2号鸡舍地面温度取-16 ℃。在无任何热源情况下，对鸡舍内温度和速度场进行模拟，鸡舍冬季温度随宽分布如图1所示。 [F（W12][TPGRN1tif][F]
比较图1中2条曲线可以看出，在冬季外部温度为-131 ℃、无任何热源情况下，1号鸡舍的主体空间温度约为-7 ℃，2号鸡舍主体空间温度约为-9 ℃，两者相差约 2 ℃；在靠近边界热源处，两者温度相差更多。2条曲线之间的温度差异显示，利用浅层地源热可有效改善鸡舍内温度环境，使鸡舍在冬季能够保持相对较高的温度，进而节省冬季保暖所消耗的能源。两者出现如此温度差，一方面是由于1号鸡舍存在着较高热源，另一方面与鸡舍内自然对流有关。鸡舍速度矢量图如图2、图3所示。
[F（W9][TPGRN2tif][F]
[F（W8][TPGRN3tif][F]
模拟结果显示，2种鸡舍内的空气自然对流形式大致相同，都是左右分别形成2个漩涡；1号鸡舍自然对流强度明显高于2号鸡舍。1号鸡舍空气上升速度高于2号鸡舍，因此认为，1号鸡舍室内冷空气与地面及左侧墙壁换热明显好于2号鸡舍。
2号鸡舍内的冷空气仅与地面换热，因而其温度两侧速度均衡对称，由于底部空气温度较高，所以其速度相对较大并向上运动，换热过程已经达到稳态；室内空气温度高于靠近四壁的空气温度，故靠近四壁的空气向下运动，室内空气向上运动，形成对称的漩涡状流动，漩涡中心温度趋于平稳。
1号鸡舍内部冷空气与左侧下部及地面换热，空气速度明显高于2号鸡舍，因此换热效果更加显著，平均温度高于2号鸡舍。靠近四壁的冷空气向下运动；左侧下降至1 m与土壤相接处，空气与土壤换热，速度变小，温度变高，转化为热空气上升，左侧换热强度较大，所以上升速度较快，产生漩涡较小，上升气流向左偏移，且中间没有下降气流。鸡舍右侧漩涡较大，漩涡中心温度稳定。整体可见，1号鸡舍整体平均温度高于2号鸡舍。
根据模拟结果，形成2种鸡舍的温度差异的原因为：（1地面热源存在温差；（21号鸡舍左侧有1 m高的热源，可以与左侧空气吸收热量，而2号热源左侧为冷源，空气在整个左侧释放热量，使得空气中的热量损失比较大。
32初夏降温分析
参考相关文献中的温度[5]，设定初夏空气温度为20 ℃，1号鸡舍地面温度取142 ℃，左侧壁面与土壤接触处取15 ℃；2号鸡舍地面温度取空气温度161 ℃。在无任何热源情况下，对鸡舍内温度和速度场进行模拟。鸡舍初夏温度随宽分布如图4所示。
[F（W11][TPGRN4tif][F]
比较图2中2条曲线可以看出，在外部温度为1850 ℃且无任何热源情况下，1号鸡舍的大部分空间温度约为 1675 ℃，2号鸡舍主体温度约为1755 ℃。两者相差约 080 ℃。由于土壤温度变化随空气温度变化程度相对较小，因此在外部温度持续升高的情况下，温差会继续扩大；在靠近边界热源处，两者温度相差更多。配合夏季通风，可有效降低鸡舍内部温度。2条曲线之间的温度差异显示，在初夏利用浅层地源热可降低鸡舍内温度环境，使鸡舍在夏季能够保持相对较低的温度，鸡舍环境更加适合鸡的生长、产蛋。
鸡舍速度矢量图如图5、图6所示。模拟结果显示，夏季2种鸡舍内的空气运动速度明显低于冬季，这是由于初夏外界空气温度相对较高，空气密度自下而上近似降低，不利于自然对流的形成。1号鸡舍自然对流强度略高于2号鸡舍自然对流强度。2种鸡舍速度矢量图的左侧差异较大，这是因为1号鸡舍左侧墙壁存在1 m高的土壤冷源，进而使得1号鸡左侧换热较为明显。
冬季2种鸡舍温度相差约为2 ℃， 而初夏2种鸡舍温度
[F（W9][TPGRN5tif][F]
[F（W9][TPGRN6tif][F]
相差仅为08 ℃。在两者浅层地热与地表温度的温差相近的情况下，初夏2种鸡舍温度温差明显降低。此现象表明，夏季由于自然对流较难形成，从而降低了浅层地热的温控效果。但考虑到夏季鸡舍能保持较大的通风，因此其实际温度差将大于08 ℃。
4结论与讨论
本研究基于计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD模拟技术，在忽略其他环境因素、单独考虑浅层地热的情况下，采用层流模型对利用浅层地热为热源的鸡舍进行了2-D温度场求解，得出了鸡舍内部温度分布与速度矢量图，较为真实地反映了浅层地热影响下的鸡舍温度分布。
通过对1号、2号鸡舍在冬季和初夏的主体空间内速度分布分析可知，冬季浅层地热影响下，鸡舍的主体空间自然对流强度较高；左侧墙壁1 m高的热源，为换热提供了高温热源，使得空气运动速度变大，有利于热传递，空气能够较好地吸收热量；热空气能迅速充满鸡舍主体空间。夏季浅层地热影响下，鸡舍的主体空间自然对流强度较弱。
通过对1号、2号鸡舍在冬季与初夏主体空间温度分布的对比分析可知，在冬季，浅层地热可提高鸡舍内部温度，降低维持鸡舍温度的能源消耗；在夏季，浅层地热在无通风条件下对鸡舍降温能力较差，但夏季鸡舍能够保持良好的通风环境，其降温能力会得到加强。
[HS21][HT85H]参考文献：[HT8SS]
[1][（#]化秋梅 肉种鸡产蛋性能的影响因素与预防[J] 中国畜禽种业，2011，7（5：123-124
[2]施海东，于文天，孙敏 如何做好鸡舍温度控制[J] 中国畜牧杂志，2011，47（14：65-68
[3]吴薇薇 炎热环境下怀乡鸡生长性能、脂肪沉积特性及脂联素受体基因（AdipoRs表达研究[D] 湛江：广东海洋大学，2012：6-10
[4]杨卫波，施明恒 基于地热能利用的生态建筑能源技术[J] 能源技术，2005（6：251-256
[5]吕昭智，王佩玲，张江国 新疆北疆地区冬季土壤水势和温度的变化[J] 新疆农业科学，2010，47（5：925-928
关键词：CFD模拟技术；鸡舍；温度场；浅层地热
中图分类号： S126文献标志码： A
文章编号：1002-1302（201412-0442-03[HS][HT9SS]
收稿日期：2013-12-31
作者简介：郭仁宁（1956—，男，辽宁省阜新人，硕士，教授，从事传热过程理论与节能技术研究。E-mail：guorenning123@163com。
根据《2009—2012年中国禽类养殖市场研究与发展前景分析报告》研究显示，从当前我国市场需求和家禽发展态势来看，肉鸡与蛋鸡具有较强的竞争力和开发潜力。鸡的发展以蛋鸡和肉鸡为主，其中土鸡、优质黄羽肉鸡更是优势鸡种。目前，国内众多学者在环境对蛋鸡、肉鸡产蛋及生长的影响上进行了多方面的研究，结果表明鸡舍的温度、湿度、通风都是直接影响蛋鸡、肉鸡的生长以及产蛋量的重要因素[1-3]。因此，鸡舍温控是获得较高经济效益的重要措施之一。目前地源热作为一种新型能源已经被应用于建筑业，并已经成为建筑节能的一种重要方法 。利用浅层地源热为鸡舍提供温控热源可以有效减少维持鸡舍温度稳定所消耗的能源。
由于浅层土壤具有较差导热能力以及较强的蓄热能力，其温度随季节变化程度相对空气温度较小，且与空气温度存在较大温差，可以为鸡舍提供相对稳定的温控热源。本研究以后壁与浅层土壤相接鸡舍为研究对象，采用Gambit软件建立模型，并对其划分网格，然后用Fluent软件对鸡舍内部温度场进行模拟，得出其温度分布，对比普通鸡舍温度分布，分析浅层地热对鸡舍温度的影响。
1数学模型
在数值计算时认为空气是连续、非稳态、不可压缩的牛顿流体。空气满足理想气体状态方程：PV=nRT，式中：R为常量；P为压强，Pa；V为气体体积，m3；n为气体的物质量，mol；T为开氏温度，。
计算区域控制方程满足质量守恒方程和动量守恒方程。
（1质量守恒方程（连续性方程：
[HS2][J][SX（]ρt[SX] div（ρu[DD（-1][HT7]→[DD]=0。
（2动量守恒方程：
[HS2][J][SX（]（ρut[SX] div（ρuu[DD（-1][HT7]→[DD]=div（μgradu-[SX（]Px[SX] Su；
[HS2][J][SX（]（ρυt[SX] div（ρυu[DD（-1][HT7]→[DD]=div（μgradu-[SX（]Py[SX] Sυ。
（3能量守恒方程：
[HS2][J]ρ[JB（（][SX（]Ht[SX] ux[SX（]Hx[SX] uy[SX（]Hy[SX][JB]=[SX（]λcp[SX][JB（（][SX（]2Hx2[SX] [SX（]2Hy2[SX][JB] Sh
式中：ρ为密度，kg/m3；μ为动力黏度，N·s/m2；P为压力，Pa；u为速度，m/s；Su、Sυ是动量守恒方程的广义源项：
[HS1][J]Su=Fx sx，Sυ=Fy sy。
而其中的sx和sy的表达式如下：
[HS2][J]sx=[SX（]x[SX][JB（（]μ[SX（]ux[SX][JB] [SX（]y[SX][JB（（]μ[SX（]υx[SX][JB] [SX（]x[SX]（λdivu[DD（-1][HT7]→[DD]；
[HS2][J]sy=[SX（]x[SX][JB（（]μ[SX（]uy[SX][JB] [SX（]y[SX][JB（（]μ[SX（]υy[SX][JB] [SX（]y[SX]（λdivu[DD（-1][HT7]→[DD]。
式中：λ为第2黏度，一般可取λ=-2/3。假设空气黏性为常数。
选取层流模型与以上控制方程形成封闭方程组，对组成的封闭方程组进行数值求解，获得鸡舍内部温度分布图。
2物理模型
考虑鸡舍具有高度对称性，取其横向剖面，将其简化为二维模型：鸡舍壁高2 m，地面距屋顶28 m，跨度6 m。鸡舍后壁（模型中为左侧1 m以下与土壤相接。屋顶人字坡材料选择石棉板，鸡舍墙壁选择红砖。石棉板厚度0015 m，墙体厚度02 m。将此类鸡舍记为1号鸡舍，鸡舍壁面物性参数如表1所示；则记普通鸡舍为2号鸡舍。设定空气为理想气体，其密度随温度变化关系为：ρ=t0ρ0/t，式中：t0=27315 ，即 0 ℃；t为温度，；ρ0=139 kg/m3。
[F（W8][HT6H][J]表1壁面物性参数[HTSS][STB]
[HJ5][BG（！][BHDFG3，W5，W8。3W]材料密度（kg/m3导热率[W/（m·]比热容[kJ/（kg· ℃]
[BHDG12]土壤2 5322000769
[BHDW]石棉板1 3686975816
红砖1 4620490857[HJ][BG）F][F）]
3模型结果分析
31冬季保温分析
参考相关文献中的温度[5]，设定冬季空气温度为 -131 ℃，1号鸡舍地面温度取1 ℃，由于左侧壁面与土壤接触，温度自上而下不断增加，因而选取其均值-1 ℃；2号鸡舍地面温度取-16 ℃。在无任何热源情况下，对鸡舍内温度和速度场进行模拟，鸡舍冬季温度随宽分布如图1所示。 [F（W12][TPGRN1tif][F]
比较图1中2条曲线可以看出，在冬季外部温度为-131 ℃、无任何热源情况下，1号鸡舍的主体空间温度约为-7 ℃，2号鸡舍主体空间温度约为-9 ℃，两者相差约 2 ℃；在靠近边界热源处，两者温度相差更多。2条曲线之间的温度差异显示，利用浅层地源热可有效改善鸡舍内温度环境，使鸡舍在冬季能够保持相对较高的温度，进而节省冬季保暖所消耗的能源。两者出现如此温度差，一方面是由于1号鸡舍存在着较高热源，另一方面与鸡舍内自然对流有关。鸡舍速度矢量图如图2、图3所示。
[F（W9][TPGRN2tif][F]
[F（W8][TPGRN3tif][F]
模拟结果显示，2种鸡舍内的空气自然对流形式大致相同，都是左右分别形成2个漩涡；1号鸡舍自然对流强度明显高于2号鸡舍。1号鸡舍空气上升速度高于2号鸡舍，因此认为，1号鸡舍室内冷空气与地面及左侧墙壁换热明显好于2号鸡舍。
2号鸡舍内的冷空气仅与地面换热，因而其温度两侧速度均衡对称，由于底部空气温度较高，所以其速度相对较大并向上运动，换热过程已经达到稳态；室内空气温度高于靠近四壁的空气温度，故靠近四壁的空气向下运动，室内空气向上运动，形成对称的漩涡状流动，漩涡中心温度趋于平稳。
1号鸡舍内部冷空气与左侧下部及地面换热，空气速度明显高于2号鸡舍，因此换热效果更加显著，平均温度高于2号鸡舍。靠近四壁的冷空气向下运动；左侧下降至1 m与土壤相接处，空气与土壤换热，速度变小，温度变高，转化为热空气上升，左侧换热强度较大，所以上升速度较快，产生漩涡较小，上升气流向左偏移，且中间没有下降气流。鸡舍右侧漩涡较大，漩涡中心温度稳定。整体可见，1号鸡舍整体平均温度高于2号鸡舍。
根据模拟结果，形成2种鸡舍的温度差异的原因为：（1地面热源存在温差；（21号鸡舍左侧有1 m高的热源，可以与左侧空气吸收热量，而2号热源左侧为冷源，空气在整个左侧释放热量，使得空气中的热量损失比较大。
32初夏降温分析
参考相关文献中的温度[5]，设定初夏空气温度为20 ℃，1号鸡舍地面温度取142 ℃，左侧壁面与土壤接触处取15 ℃；2号鸡舍地面温度取空气温度161 ℃。在无任何热源情况下，对鸡舍内温度和速度场进行模拟。鸡舍初夏温度随宽分布如图4所示。
[F（W11][TPGRN4tif][F]
比较图2中2条曲线可以看出，在外部温度为1850 ℃且无任何热源情况下，1号鸡舍的大部分空间温度约为 1675 ℃，2号鸡舍主体温度约为1755 ℃。两者相差约 080 ℃。由于土壤温度变化随空气温度变化程度相对较小，因此在外部温度持续升高的情况下，温差会继续扩大；在靠近边界热源处，两者温度相差更多。配合夏季通风，可有效降低鸡舍内部温度。2条曲线之间的温度差异显示，在初夏利用浅层地源热可降低鸡舍内温度环境，使鸡舍在夏季能够保持相对较低的温度，鸡舍环境更加适合鸡的生长、产蛋。
鸡舍速度矢量图如图5、图6所示。模拟结果显示，夏季2种鸡舍内的空气运动速度明显低于冬季，这是由于初夏外界空气温度相对较高，空气密度自下而上近似降低，不利于自然对流的形成。1号鸡舍自然对流强度略高于2号鸡舍自然对流强度。2种鸡舍速度矢量图的左侧差异较大，这是因为1号鸡舍左侧墙壁存在1 m高的土壤冷源，进而使得1号鸡左侧换热较为明显。
冬季2种鸡舍温度相差约为2 ℃， 而初夏2种鸡舍温度
[F（W9][TPGRN5tif][F]
[F（W9][TPGRN6tif][F]
相差仅为08 ℃。在两者浅层地热与地表温度的温差相近的情况下，初夏2种鸡舍温度温差明显降低。此现象表明，夏季由于自然对流较难形成，从而降低了浅层地热的温控效果。但考虑到夏季鸡舍能保持较大的通风，因此其实际温度差将大于08 ℃。
4结论与讨论
本研究基于计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD模拟技术，在忽略其他环境因素、单独考虑浅层地热的情况下，采用层流模型对利用浅层地热为热源的鸡舍进行了2-D温度场求解，得出了鸡舍内部温度分布与速度矢量图，较为真实地反映了浅层地热影响下的鸡舍温度分布。
通过对1号、2号鸡舍在冬季和初夏的主体空间内速度分布分析可知，冬季浅层地热影响下，鸡舍的主体空间自然对流强度较高；左侧墙壁1 m高的热源，为换热提供了高温热源，使得空气运动速度变大，有利于热传递，空气能够较好地吸收热量；热空气能迅速充满鸡舍主体空间。夏季浅层地热影响下，鸡舍的主体空间自然对流强度较弱。
通过对1号、2号鸡舍在冬季与初夏主体空间温度分布的对比分析可知，在冬季，浅层地热可提高鸡舍内部温度，降低维持鸡舍温度的能源消耗；在夏季，浅层地热在无通风条件下对鸡舍降温能力较差，但夏季鸡舍能够保持良好的通风环境，其降温能力会得到加强。
[HS21][HT85H]参考文献：[HT8SS]
[1][（#]化秋梅 肉种鸡产蛋性能的影响因素与预防[J] 中国畜禽种业，2011，7（5：123-124
[2]施海东，于文天，孙敏 如何做好鸡舍温度控制[J] 中国畜牧杂志，2011，47（14：65-68
[3]吴薇薇 炎热环境下怀乡鸡生长性能、脂肪沉积特性及脂联素受体基因（AdipoRs表达研究[D] 湛江：广东海洋大学，2012：6-10
[4]杨卫波，施明恒 基于地热能利用的生态建筑能源技术[J] 能源技术，2005（6：251-256
[5]吕昭智，王佩玲，张江国 新疆北疆地区冬季土壤水势和温度的变化[J] 新疆农业科学，2010，47（5：925-928