Численное и экспериментальное исследование теплопереноса от цилиндрической трубы в грунте тепличного хозяйства

АКТУАЛЬНОСТЬ. Отопление тепличного пространства в зимнее время было и остается одной из самых энергоемких статей затрат при эксплуатации тепличного хозяйства. Комбинирование возобновляемых источников энергии с высокотемпературными тепловыми накопителями позволяет сгладить дисбаланс генерации и потребления, однако данный подход требует верифицированных моделей теплообмена грунта для надежного проектирования подземных систем обогрева. ЦЕЛЬ. Численное моделирование и верификация процессов теплопередачи от трубы, размещенной в грунте, с учетом его влажности, для последующего применения в системах локального обогрева тепличного грунта. МЕТОДЫ. Проведены две серии лабораторных опытов: с высушенным (влажность менее 10%) и увлажненным (влажность около 45%) суглинком. Температуры регистрировались 20 датчиками DS18B20 и тепловизором UTi260B. Создана двумерная модель, построена сеточная модель. Выполнены нестационарные численные расчеты в ANSYS Fluent. В программе решалось уравнение нестационарной теплопроводности методом конечных объемов, учтены реальные теплофизические свойства грунта. РЕЗУЛЬТАТЫ. Средняя относительная погрешность между расчетными и экспериментальными температурами составила менее 6% для высушенного и около 4% для увлажненного грунта, что подтверждает адекватность модели. Увлажненный грунт прогревается на 15-20% быстрее и достигает на 2-3ºC более высоких температур в зоне 2-4 см, что связано с уменьшением термического сопротивления насыщенной поровой структуры. Термограммы показали, что эффективная ширина прогрева одиночной трубы ограничена 1-2 см, ввиду этого необходимо использовать пучок труб или змеевик для равномерного воздействия на корнеобитаемый слой. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Верифицированная модель служит инструментом для оптимизации геометрии трубного контура с учетом влагосодержания почвы.

1. Soussi A., Zero E., Ouammi A., et al. Smart greenhouse farming: a review towards near zero energy consumption // Discov Cities. 2025. Vol. 2. Art. 55. doi: 10.1007/s44327-025-00096-w.

2. Тепличная отрасль – 2025 // APK-news.ru: сайт новостей агропромышленного комплекса Юга и Кавказа; 28 апр. 2025. Сочи; 2025. Доступно по: https://www.apk-news.ru/teplichnaya-otrasl-2025/. Ссылка активна на 18 июля 2025.

3. Sun W., Wei X., Zhou B., Lu C., Guo W. Greenhouse heating by energy transfer between greenhouses: system design and implementation // Applied Energy. 2022. Vol. 325. Art. 119815. doi: 10.1016/j.apenergy.2022.119815.

4. Соковикова А.В. Повышение эффективности энергосбережения отопительно-вентиляционными установками защищенного грунта с применением в системе управления логических контроллеров // Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. 2009. № 3– 4(20–21). С. 48–49.

5. Boyacı S., Kocięcka J., Jagosz B., Atılgan A. Energy efficiency in greenhouses and comparison of energy sources used for heating // Energies. 2025. Vol. 18, N3. Art. 724. doi: 10.3390/en18030724.

6. Ahamed M.S., Guo H., Tanino K. Energy saving techniques for reducing the heating cost of conventional greenhouses // Biosystems Engineering. 2019. Vol. 178. pp. 9–33. doi: 10.1016/j.biosystemseng.2018.10.017.

7. Cuce E., Harjunowibowo D., Cuce P.M. Energy use in greenhouses in the EU: a review recommending energy‑efficiency measures and renewable‑energy adoption // Applied Sciences. 2022. Vol. 12, N10. Art. 5150. doi: 10.3390/app12105150.

8. Seo Y., Seo U.-J. Ground source heat pump (GSHP) systems for horticulture greenhouses adjacent to highway interchanges: a case study in South Korea // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021. Vol. 135. Art. 110194. doi: 10.1016/j.rser.2020.110194.

9. Prieto J., Ajnannadhif R.M., Fernández-del-Olmo P. Integration of a heating and cooling system driven by solar thermal energy and biomass for a greenhouse in Mediterranean climates // Applied Thermal Engineering. 2023. Vol. 221. Art. 119928. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2022.119928.

10. Huang T., Li H., Zhang G., Xu F. Experimental study on biomass heating system in the greenhouse: a case study in Xiangtan, China // Sustainability. 2020. Vol. 12, N14. Art. 5673. doi: 10.3390/su12145673.

11. Ghaderi M., Reddick C., Sorin M. A systematic heat recovery approach for designing integrated heating, cooling and ventilation systems for greenhouses // Energies. 2023. Vol. 16, N14. Art. 5493. doi: 10.3390/en16145493.

12. Nishad S., Krupa I. Phase change materials for thermal energy storage applications in greenhouses: a review // Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2022. Vol. 52. Art. 102241. doi: 10.1016/j.seta.2022.102241.

13. Tahery D., Roshandel R., Avami A. An integrated dynamic model for evaluating the influence of ground-to-air heat transfer system on heating, cooling and CO2 supply in greenhouses // Renewable Energy. 2021. Vol. 173. pp. 42–56. doi: 10.1016/j.renene.2021.03.120.

14. Adesanya M.A., Rabiu A., Ogunlowo Q.O., et al. Experimental evaluation of hybrid renewable and thermal energy storage systems for a net-zero energy greenhouse: a case study of Yeoju-Si // Energies. 2025. Vol. 18, N10. Art. 2635. doi: 10.3390/en18102635.

15. Zhang X., Li Y., Wang P. Thermo-economic analysis of a low-cost greenhouse thermal solar plant with seasonal energy storage // Energy Conversion and Management. 2023. Vol. 276. Art. 116626. doi: 10.1016/j.enconman.2023.116626.

16. van der Stelt A., Rouwette N., Bloemendal J. Aquifer thermal energy storage for low-carbon greenhouse heating in the Netherlands // Applied Energy. 2024. Vol. 331. Art. 120545. doi: 10.1016/j.apenergy.2023.120545.

17. Fan M., Ding Y., Liang X. Molten salts tanks thermal energy storage: aspects to consider for renewable integration // Energies. 2022. Vol. 17, N1. Art. 22. doi: 10.3390/en17010022.

18. Reimann T., Neldner K. A perspective on high-temperature heat storage using liquid metal as heat-transfer fluid // Energy Storage. 2023. Vol. 3. Art. e530. doi: 10.1002/est2.530.

19. Li S., Chen H., Wang J. Modeling and implementation of multilayer insulation for small-scale high-temperature thermal energy storage tank // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2024. Vol. 214. Art. 124567. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.124567.

20. Смоленцев Н.И., Кондрин С.А. Сверхпроводящий электрокинетический накопитель энергии для локальных электрических сетей // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2017. Т. 19. № 3–4. С. 53–60.

21. Сердечный Д.В., Томашевский Ю.Б. Особенности эксплуатации накопителя энергии на базе многоэлементной литий‑ионной аккумуляторной батареи // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2017. Т. 19. № 9–10. С. 140–145.

22. Федотов А.И., Федотов Е.А., Абдуллазянов А.Ф. Использование электрохимических накопителей энергии в системах автономного электроснабжения для снижения расхода топлива энергоустановок // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2021. Т. 23. № 1. С. 3–17. doi: 10.30724/1998-9903-2021-23-1-3-17.

23. Смоленцев Н.И., Бондарева В.Ю. Результаты разработки и экспериментальных исследований накопительного комплекса с накопителем энергии СПЭНЭ‑1 // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2024. Т. 26. № 6. С. 121–131. doi: 10.30724/1998-9903-2024-26-6-121-131.

24. Чадаев А.Н., Дмитриев А.В., Зинуров В.Э., и др. Алгоритм расчета многослойной системы теплоизоляции теплового накопителя энергии с высокотемпературным рабочим телом // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2024. Т. 26. № 6. С. 166–179. doi: 10.30724/1998-9903-2024-26-6-166-179.

25. Чадаев А.Н., Дмитриев А.В., Зинуров В.Э., и др. Оценка процесса переноса энергии в тепловом накопителе с высокотемпературным рабочим телом при его разрядке // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2024. Т. 24. № 4. С. 73–85. doi: 10.14529/power240409.

26. Дмитриев А.В., Зинуров В.Э., Уткин М.О., и др. Численное моделирование нагрева теплового накопителя энергии для обогрева тепличного хозяйства // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2025. Т. 20. № 1(77). С. 47–53. doi: 10.12737/2073-0462-2025-1-47-53.

27. Li S., Sun T., Du Y., et al. Influence of moisture on heat transfer of ground heat exchangers in unsaturated soils // Renewable Energy. 2022. Vol. 193. pp. 1177–1185.

28. Liu Z., Du Y., Song C., et al. Effect of soil moisture content on thermal performance of ground source heat exchangers: An electromagnetism topology-based analysis // Energy Reports. 2023. Vol. 10. pp. 3914–3928.–

29. Bazgaou A., Fatnassi H., Bouharroud R., et al. CFD modeling of the microclimate in a greenhouse using a rock bed thermal storage heating system // Horticulturae. 2023. Vol. 9. Art. 183. doi: 10.3390/horticulturae9020183.

30. Бадретдинова Г.Р., Калимуллин И.Р., Зинуров В.Э., и др. Оценка моделей турбулентности при внешнем обтекании нагреваемой трубы // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2023. Т. 25. № 2. С. 176–186. doi: 10.30724/1998-9903-2023-25-2-176-186.