论文部分内容阅读
摘要内蒙古地区的冬季寒冷干燥，为当地牛舍防寒能力带来了挑战。针对这一问题，提出2种供暖方式：传统的煤炉供暖方式与新型的加热地板供暖方式。以该地区的一所封闭式牛舍为研究对象，借助数值模拟软件进行模拟分析，比较2种供暖方式的速度场与温度场，得出加热地板方式水平面方向温度场更均匀，竖直面方向上温度有一个明显的梯度（下热上冷），可满足牛舍舒适感的要求，并在一定程度上节约能源。根据数值模拟的结果，得到加热地板供暖比传统的煤炉供暖方式有明显的优势，对其传热量进行简单的计算分析，并设计选择热水管道铺设方式，为内蒙古地区的设计施工提供参考。
关键词牛舍防寒能力；供暖方式；数值模拟；计算分析；管道设计
中图分类号S26文献标识码A文章编号0517-6611（2017）19-0214-04
Study on Heating Simulation of Cowshed in Winter in Inner Mongolia
LI Xuguang， WANG Lidong， FAN Likun et al
（Kailu County Livestock Improvement Station in Tongliao City， Tongliao， Inner Mongolia 028400）
AbstractIn response to this question， we offer two heating methods， the traditional heating mode of coal stove and the new type of heating floor for Inner Mongolia cold and dry winter， which has brought challenges to the local cowshed cold capacity. We take the closed cattle house in the area as the research object and compare the velocity field and temperature field of two heating modes with the help of Fluent numerical simulation software. The result is that the temperature field of heating floor mode is more uniform in the horizontal direction， and in the vertical plane direction there is an obvious temperature gradient. It meet the comfort requirements of the cowshed and save energy to a certain extent. According to the numerical simulation results， it is obvious that the heating floor method is better than that of the traditional coal stove heating method. And the heat transfer is calculated and analyzed as well as the hot water pipeline laying method is designed for the later construction.
Key wordsCowshed cold capacity；Heating methods；Numerical simulation；Calculation and analysis；Pipeline design
内蒙古地区农牧资源丰富，肉牛业发展优势和潜力巨大，然而由于冬季持续时间长、牛舍温度低、管理不科学等问题，导致肉牛增重慢，严重制约当地肉牛业的发展。
内蒙古地区传统的供暖方式主要是采用暖气或在舍内生煤炉，其主要缺点是：舍内温度不均匀，舒适性较差，而且由于采用燃煤，有一定的安全隐患，也不利于环境保护。
地热采暖是近几年最为流行的一种采暖方式，将热水管埋在混凝土中，流动的热水通过热水管对地板加热，被加热的地板与房间内表面之间再通过对流与辐射传热，从而可使牛舍内部温度达到要求。笔者选取内蒙古地区的一个封闭式牛棚，借助fluent软件对冬季牛舍煤炉供暖方式和加
热地板供暖方式进行数值模拟，通过对2种供暖方式的速度场和温度场进行分析，比较两者的优劣，为畜牧养殖提供参考。
1模型及边界条件
所选牛舍为封闭式牛舍，长度为20.0 m，跨度为10.0 m，檐高为3.3 m，双坡屋顶，南北墙上各有15扇窗（尺寸为1.2 m×0.9 m），窗高1.8 m，西面有扇铁门（尺寸为2.0 m×1.4 m），中间是宽2.0 m的饲喂走道，肉牛躺卧地面向两侧倾斜，坡度约为3%。牛舍釆用单栏饲养的方式，将牛与牛之间隔离开来，保证了每头牛的生活空间，根据这些尺寸建立模型图见图1。
模型条件设置：
①由于牛舍空间比较大，故忽略牛舍中栏杆、饲槽等其他固体设置的影响。
②牛的散热对于供暖是有利的，可不用考虑牛自身散热的影响。
③室外温度为-20 ℃，牛生长比较适宜的温度范围为5～25 ℃，为降低热量损失，可用空心砖代替普通红砖来建墙，屋顶采用保温性能比较好的石棉砖材料，窗子采用加厚玻璃，地板为混凝土材料，由于混凝土硬度大，导热性能强，对牛四肢关节和蹄的健康发育有不利影响，所以要在上面铺撒一层2 cm厚的垫料。表1是所用材料的导热系數以及厚度。④在此次研究中，由于表面温度为几十摄氏度，自然对流和辐射散热量具有相同的量级，需要考虑热传导、热对流和热辐射3种传热方式的耦合作用。 模拟分析中地暖管道的铺设方式
主要有螺旋型、迂回型以及螺旋迂回型布管方式，如图2所示。螺旋型布管方式通常可以产生均匀的地面温度，并可通过调整管间距来满足局部区域特殊要求，由于采暖螺旋型布管时管道只弯曲了90°，材料所受弯曲应力较小，这也是该研究采用的一种盘管方式。
迂回型布管方式通常产生的温度一端高一端低，而且布管时管路要弯曲180°，材料所受应力较大，所以只推荐在较狭小的空间内采用。
2模拟结果分析
选取牛舍截面为对象，对2种不同工况下的采暖进行模拟分析，结果见图3～6。
从流体速度分布平面圖（图3、4）可以看出，煤炉采暖方式空气流速较低，速度场不均匀，室内空气流动较差；加热地板方式流速均匀且速度梯度相对变化不大，减少流体流动阻力，增强流体流动性。
从温度云图（图5、6）可以看出，在水平方向上加热采暖地板室内温度场分布比煤炉供暖方式均匀；在垂直方向上，地板采暖在室内高度方向上温度分布下热上冷，有比较明显的温度梯度，而煤炉供暖方式高度方向比较均匀，地板采暖的无效热损比煤炉供暖少很多，可减少能源消耗。
3计算分析
目前地板采暖系统的传热分析，地板采暖方式换热过程可以分为3个阶段：其一为管内水与水管强制对流换热；盘管与地板表面的换热，为导热过程；地板表面与房间内表面和室内空气的换热过程，为对流和辐射的混合换热过程，其中以辐射换热为主。因此，热交换的综合传热量近似地为将辐射和对流两部分传热量相加而得出。
地板表面的对流传热，地板采暖表面对流换热系数具有下列准则计算方程式：
Nu=0.11（Gr·Pr）13（1）
式中，Nu为努谢尔数，Nu=hlλ；Gr为格拉晓夫数，Gr=gl3aΔtv2；Pr为普朗特数，Pr=va。
煤炉供暖方式和加热地板供暖方式从模型点（0，5，0）沿高度方向的温度曲线见图7。
根据图7得室温约为278 K，即5 ℃，空气的热物理性质如下：
t为5 ℃，ρ为1.27 kg/m3，Cp为1.005 kJ/（kg·K），λ为2.48 W/（m·K），a为19.40×106 m2/s，μ为13.94×106 kg/（m·s），v为17.4×106 m2/s，Pr为0.706。
g取9.8 m/s2，l取3.5 m代入式（1）计算整理得：
hc=1.18（Tp-Tn）13（2）
式中，Tp为辐射板表面的平均温度（303 K）；Tn为室内温度（278 K）。对流传热量（qd）可由下式计算：
qd=2.17×（Tp-Tn）1/3=2.17×（303-278）1/3=6.30（W/m2）
辐射传热量的计算公式如下：
qf=εσ（T4p-T4f）
式中，qf为辐射换热量（W/m2）；Tp为辐射板表面的平均温度；ε为发射率，约为0.87；Tf为平均温度；σ为斯蒂芬·波尔兹曼常数，为5.67×10-8W/（m2·K4）；由此可得：
qf=4.93×[（Tp100）4-（Tf100）4]=121.08（W/m2）
所以综合传热量：
q=qd+qf=（Tp-Tn）13+4.93×[（Tp100）4-（Tf100）4]=127.38（W/m2）
4结论
应用模拟分析软件比较它们的速度场与温度场，得出如下结论：
①速度场。煤炉采暖方式空气流速较低，速度场不均匀，室内空气流动较差，加热地板方式流速均匀。
②温度场。在水平方向上加热采暖地板室内温度场分布比煤炉供暖方式均匀；在垂直方向上，地板采暖在室内高度方向上温度分布下热上冷，有比较明显的温度梯度，而煤炉供暖方式高度方向上比较均匀，地板采暖的无效热损比煤炉供暖少很多，可减少能源消耗。
根据数值模拟的结果，得到加热地板供暖比传统的煤炉供暖方式有明显的优势，对其传热量进行简单地计算，并选择管道铺设方式，可对以后施工起指导作用。
经计算分析，综合传热量为127.38 W/m2，可使牛舍内环境舒适，提高牛的产肉率。
参考文献
[1] 李胜利，苏华维，王立斌，等.规模奶牛场标准化饲养关键技术研究[C]// 中国畜牧兽医学会养牛学分会2011年学术研讨会论文集.北京：中国畜牧兽医学会，2011.
[2] 李震钟.家畜环境卫生学附牧场设计[M].北京：农业出版社，1993.
[3] 吕忠海，刘宏波，王桂玲，等.季节对奶牛生产的影响[C]//第九届全国家畜环境科学讨论会论文集.苏州：中国畜牧兽医学会，2004：25-26.
[4] 孟祥坤，曹兵海，庄宏，等.慢性冷应激对西门塔尔杂交犊牛免疫相关指标的影响[J].中国农业大学学报，2010，15（6）：65-70.
[5] 王锋，周宗长.两种育肥牛舍环境参数测定[J].新疆畜牧业，2005（2）：33-37.
[6] FRASER A F，BROOM D M.Farm animal behaviour and welfare[J].Farm animal behaviour & welfare，1990，96（2）：441-442.
[7] ROUHAMLLEDER C，IBEN C，WAGNER E，et al.Relative importance of factors influencing the prevalence of lameness in Austrian cubicle loosehoused dairy cows[J].Preventive veterinary medicine，2009，92（1/2）：123-133.
关键词牛舍防寒能力；供暖方式；数值模拟；计算分析；管道设计
中图分类号S26文献标识码A文章编号0517-6611（2017）19-0214-04
Study on Heating Simulation of Cowshed in Winter in Inner Mongolia
LI Xuguang， WANG Lidong， FAN Likun et al
（Kailu County Livestock Improvement Station in Tongliao City， Tongliao， Inner Mongolia 028400）
AbstractIn response to this question， we offer two heating methods， the traditional heating mode of coal stove and the new type of heating floor for Inner Mongolia cold and dry winter， which has brought challenges to the local cowshed cold capacity. We take the closed cattle house in the area as the research object and compare the velocity field and temperature field of two heating modes with the help of Fluent numerical simulation software. The result is that the temperature field of heating floor mode is more uniform in the horizontal direction， and in the vertical plane direction there is an obvious temperature gradient. It meet the comfort requirements of the cowshed and save energy to a certain extent. According to the numerical simulation results， it is obvious that the heating floor method is better than that of the traditional coal stove heating method. And the heat transfer is calculated and analyzed as well as the hot water pipeline laying method is designed for the later construction.
Key wordsCowshed cold capacity；Heating methods；Numerical simulation；Calculation and analysis；Pipeline design
内蒙古地区农牧资源丰富，肉牛业发展优势和潜力巨大，然而由于冬季持续时间长、牛舍温度低、管理不科学等问题，导致肉牛增重慢，严重制约当地肉牛业的发展。
内蒙古地区传统的供暖方式主要是采用暖气或在舍内生煤炉，其主要缺点是：舍内温度不均匀，舒适性较差，而且由于采用燃煤，有一定的安全隐患，也不利于环境保护。
地热采暖是近几年最为流行的一种采暖方式，将热水管埋在混凝土中，流动的热水通过热水管对地板加热，被加热的地板与房间内表面之间再通过对流与辐射传热，从而可使牛舍内部温度达到要求。笔者选取内蒙古地区的一个封闭式牛棚，借助fluent软件对冬季牛舍煤炉供暖方式和加
热地板供暖方式进行数值模拟，通过对2种供暖方式的速度场和温度场进行分析，比较两者的优劣，为畜牧养殖提供参考。
1模型及边界条件
所选牛舍为封闭式牛舍，长度为20.0 m，跨度为10.0 m，檐高为3.3 m，双坡屋顶，南北墙上各有15扇窗（尺寸为1.2 m×0.9 m），窗高1.8 m，西面有扇铁门（尺寸为2.0 m×1.4 m），中间是宽2.0 m的饲喂走道，肉牛躺卧地面向两侧倾斜，坡度约为3%。牛舍釆用单栏饲养的方式，将牛与牛之间隔离开来，保证了每头牛的生活空间，根据这些尺寸建立模型图见图1。
模型条件设置：
①由于牛舍空间比较大，故忽略牛舍中栏杆、饲槽等其他固体设置的影响。
②牛的散热对于供暖是有利的，可不用考虑牛自身散热的影响。
③室外温度为-20 ℃，牛生长比较适宜的温度范围为5～25 ℃，为降低热量损失，可用空心砖代替普通红砖来建墙，屋顶采用保温性能比较好的石棉砖材料，窗子采用加厚玻璃，地板为混凝土材料，由于混凝土硬度大，导热性能强，对牛四肢关节和蹄的健康发育有不利影响，所以要在上面铺撒一层2 cm厚的垫料。表1是所用材料的导热系數以及厚度。④在此次研究中，由于表面温度为几十摄氏度，自然对流和辐射散热量具有相同的量级，需要考虑热传导、热对流和热辐射3种传热方式的耦合作用。 模拟分析中地暖管道的铺设方式
主要有螺旋型、迂回型以及螺旋迂回型布管方式，如图2所示。螺旋型布管方式通常可以产生均匀的地面温度，并可通过调整管间距来满足局部区域特殊要求，由于采暖螺旋型布管时管道只弯曲了90°，材料所受弯曲应力较小，这也是该研究采用的一种盘管方式。
迂回型布管方式通常产生的温度一端高一端低，而且布管时管路要弯曲180°，材料所受应力较大，所以只推荐在较狭小的空间内采用。
2模拟结果分析
选取牛舍截面为对象，对2种不同工况下的采暖进行模拟分析，结果见图3～6。
从流体速度分布平面圖（图3、4）可以看出，煤炉采暖方式空气流速较低，速度场不均匀，室内空气流动较差；加热地板方式流速均匀且速度梯度相对变化不大，减少流体流动阻力，增强流体流动性。
从温度云图（图5、6）可以看出，在水平方向上加热采暖地板室内温度场分布比煤炉供暖方式均匀；在垂直方向上，地板采暖在室内高度方向上温度分布下热上冷，有比较明显的温度梯度，而煤炉供暖方式高度方向比较均匀，地板采暖的无效热损比煤炉供暖少很多，可减少能源消耗。
3计算分析
目前地板采暖系统的传热分析，地板采暖方式换热过程可以分为3个阶段：其一为管内水与水管强制对流换热；盘管与地板表面的换热，为导热过程；地板表面与房间内表面和室内空气的换热过程，为对流和辐射的混合换热过程，其中以辐射换热为主。因此，热交换的综合传热量近似地为将辐射和对流两部分传热量相加而得出。
地板表面的对流传热，地板采暖表面对流换热系数具有下列准则计算方程式：
Nu=0.11（Gr·Pr）13（1）
式中，Nu为努谢尔数，Nu=hlλ；Gr为格拉晓夫数，Gr=gl3aΔtv2；Pr为普朗特数，Pr=va。
煤炉供暖方式和加热地板供暖方式从模型点（0，5，0）沿高度方向的温度曲线见图7。
根据图7得室温约为278 K，即5 ℃，空气的热物理性质如下：
t为5 ℃，ρ为1.27 kg/m3，Cp为1.005 kJ/（kg·K），λ为2.48 W/（m·K），a为19.40×106 m2/s，μ为13.94×106 kg/（m·s），v为17.4×106 m2/s，Pr为0.706。
g取9.8 m/s2，l取3.5 m代入式（1）计算整理得：
hc=1.18（Tp-Tn）13（2）
式中，Tp为辐射板表面的平均温度（303 K）；Tn为室内温度（278 K）。对流传热量（qd）可由下式计算：
qd=2.17×（Tp-Tn）1/3=2.17×（303-278）1/3=6.30（W/m2）
辐射传热量的计算公式如下：
qf=εσ（T4p-T4f）
式中，qf为辐射换热量（W/m2）；Tp为辐射板表面的平均温度；ε为发射率，约为0.87；Tf为平均温度；σ为斯蒂芬·波尔兹曼常数，为5.67×10-8W/（m2·K4）；由此可得：
qf=4.93×[（Tp100）4-（Tf100）4]=121.08（W/m2）
所以综合传热量：
q=qd+qf=（Tp-Tn）13+4.93×[（Tp100）4-（Tf100）4]=127.38（W/m2）
4结论
应用模拟分析软件比较它们的速度场与温度场，得出如下结论：
①速度场。煤炉采暖方式空气流速较低，速度场不均匀，室内空气流动较差，加热地板方式流速均匀。
②温度场。在水平方向上加热采暖地板室内温度场分布比煤炉供暖方式均匀；在垂直方向上，地板采暖在室内高度方向上温度分布下热上冷，有比较明显的温度梯度，而煤炉供暖方式高度方向上比较均匀，地板采暖的无效热损比煤炉供暖少很多，可减少能源消耗。
根据数值模拟的结果，得到加热地板供暖比传统的煤炉供暖方式有明显的优势，对其传热量进行简单地计算，并选择管道铺设方式，可对以后施工起指导作用。
经计算分析，综合传热量为127.38 W/m2，可使牛舍内环境舒适，提高牛的产肉率。
参考文献
[1] 李胜利，苏华维，王立斌，等.规模奶牛场标准化饲养关键技术研究[C]// 中国畜牧兽医学会养牛学分会2011年学术研讨会论文集.北京：中国畜牧兽医学会，2011.
[2] 李震钟.家畜环境卫生学附牧场设计[M].北京：农业出版社，1993.
[3] 吕忠海，刘宏波，王桂玲，等.季节对奶牛生产的影响[C]//第九届全国家畜环境科学讨论会论文集.苏州：中国畜牧兽医学会，2004：25-26.
[4] 孟祥坤，曹兵海，庄宏，等.慢性冷应激对西门塔尔杂交犊牛免疫相关指标的影响[J].中国农业大学学报，2010，15（6）：65-70.
[5] 王锋，周宗长.两种育肥牛舍环境参数测定[J].新疆畜牧业，2005（2）：33-37.
[6] FRASER A F，BROOM D M.Farm animal behaviour and welfare[J].Farm animal behaviour & welfare，1990，96（2）：441-442.
[7] ROUHAMLLEDER C，IBEN C，WAGNER E，et al.Relative importance of factors influencing the prevalence of lameness in Austrian cubicle loosehoused dairy cows[J].Preventive veterinary medicine，2009，92（1/2）：123-133.