基于传热理论的蝇蛆养殖房温控能源成本研究

喻茂月，张肖，胡亚星，何应虎

（遵义师范学院，贵州 遵义 563000）

0 引言

蝇蛆营养成分价值高，具有多种用途。蝇蛆的生长受温度影响十分明显。20℃以下，蝇蛆停比繁殖或进入冬眠状态，不食不动[1]，因此需要控制室内温度。蝇蛆养殖要追求效益，控制成本。蝇蛆养殖成本主要包括饲养成本和环境条件控制成本。蝇蛆养殖房的修建应结合当地气候、湿度、温度、采光等条件，以提高用率低[2]。应保证养殖房内的温度比较稳定，种蝇生长适宜温度一般为27℃左右[3]。为确保蝇蛆进入收蛆桶，养殖房内的温度应在25℃以上[4]。

根据热力学第二定律，当室内外温度不相等时发生热传递，热量从温度较高的一侧向温度较低的一侧传递。傅里叶热传导定律[5]表明，导热过程中单位时间通过截面的导热量正比于垂直于该截面的温度变化率和截面面积。在不考虑空气和室内外墙面间的对流时，可以采用傅里叶热传导定律近似计算传热量。牛顿冷却定律[6]表明，当物体表面与周围存在温度差时，单位时间从单位面积散失的热量与温度差成正比。牛顿冷却定律在强制对流时与实际符合较好，在自然对流时误差较大，但在温度差不太大时依然成立。空气和室内外墙面间的对流可以用牛顿冷却定律计算。

本文根据遵义地区全年气温变化情况，建立理论模型计算得到本地区蝇蛆养殖温度控制所需能量和能源成本。为本地区蝇蛆养殖提供参考。本文算法也可以为其它地区、其它物种养殖的温控成本计算提供理论依据。

1 理论模型

图1所示为蝇蛆养殖房传热模型示意图。蝇蛆养殖房室内外传热包括热传导、对流传热和热辐射三种情况。对于空间较大的准密闭房间，本文忽略热辐射能量影响，近似计算基于热传导和对流传热的传热能量损耗。如图1所示，室内、室外温度分别用Ti和To表示。当室内温度高于室外温度时，室内和室外存在温度差，空气与墙面之间存在对流，热量从墙体内传导出去，从而得到如图所示由高到低的温度变化曲线。

根据傅里叶热传导定律，单位时间单位面积内，室内外传热量可表示为：

其中，λ表示墙内的热传导系数，b表示墙厚度。

根据牛顿冷却定律，空气和室内外墙面间的对流传热可以表示为：

其中，α表示空气与表面之间的对流传热系数。考虑空气和室内外墙面间的对流，单位时间单位面积内室内外传热量可表示为：

其中k表示考虑空气和室内外墙面间对流的总传热系数，包含空气与表面之间的对流传热和墙内的热传导。k、α、λ满足关系式：因此单位时间单位面积内室内外传热量可表示为：

如果热传导区为多层结构，第n层的传热系数用λn表示，则

考虑蝇蛆养殖房的侧面墙体、地面、屋顶、门、窗各自的传热，则蝇蛆养殖房单位时间的传热量用各部分传热之和表示为：

2 热传导计算

对流换热是一个受许多因素影响且其强度变化幅度较大的复杂过程，一般情况下，空气自然对流换热系数为5～25W·m-1·K-1[7]。一般墙体的传热系数为λ1=1.2W·m-1·K-1[8]，普通门的传热系数λ2=1.5W·m-1·K-1[9]，窗户普通玻璃的传热系数λ3=6.6W·m-1·K-1[10]，顶楼普通混泥土楼面的传热系数λ4=2.0W·m-1·K-1[11]，普通水泥地面的传热系数λ5=0.56W·m-1·K-1[9]。

一般地，取房屋墙体厚度约为b1=0.3m，门的厚度约为b2=0.15m，窗户玻璃的厚度约为b3=0.003m，屋顶混泥土楼面厚度取b4=0.3m，地面厚度按b5=0.3m作近似计算。

根据蝇蛆养殖适宜温度范围，设蝇蛆养殖室内温度为Ti=28℃。室外温度受天气影响，随时间变化。图2所示为遵义地区年日平均气温变化曲线[12]。一般情况下，进入夏至前后气温快速升高，七月和八月的气温通常最高，九月立秋前后气温开始明显下降，冬季气温最低，较低气温通常要持续到春季，立春前后气温才开始明显回升。十月至次年四月的日平均气温通常都在25℃以下，需要加热。七月和八月的日平均气温通常在25℃以上，一般不需要加热。五月、六月和九月通常气温变化较大，天气较冷的时候需要加热以保持足够的室温。

针对以上参数，考虑日均平均气温，根据公式（4）和（5），近似计算得到蝇蛆养殖房在近年天气环境下，每平方米的墙体、门窗、屋顶等的传热曲线，如图3所示，其中。从图中可知单位面积的窗户每天的传热最多，因窗户传热系数最大，传热最快。在寒冷天气下每天每平方米传热可达1×107J。传热最慢的是地面，寒冷天气地面每天每平方米传热约为窗户传热速度的三分之一。

为计算具体传热损耗能量，针对16m2的小型蝇蛆养殖房，设长宽高分别为4m、4m、3m，有一高2m、宽1.5m的门，有一长1.2m、宽0.8m的窗户。图4为其各部分所占面积大小柱状图。

根据公式（4），考虑面积和时间，则蝇蛆养殖房传热量可表示为：

由此计算得到蝇蛆养殖房的墙、门窗、屋顶等每天的传热量分布曲线，如图5和图6所示。由图可知，蝇蛆养殖房的墙体传热最多，约占蝇蛆养殖房总传热量的一半。在寒冷天气下墙体每天传热可达约2×108J。屋顶传热也较多，接近墙体传热的一半。而门窗和地面传热量之和约等于屋顶传热量，约占蝇蛆养殖房总传热量的四分之一。蝇蛆养殖房的墙体传热全年达约3.5×1010J。蝇蛆养殖房全年总的传热可达约6.5×1010J。

3 温控成本估算

采用制热效率为3.4的空调用于调节实时温度，电费单价设为每千瓦时0.4元，根据全年传热能量损耗约6.5×1010J计算，可得全年所需电量为2×1010J，即约5.6×103kW·h。进而计算得到所需电费约为2200元，除七月、八月几乎不用空调外，平均每月约需电费220元。

4 结论

将室内环境温度控制在特定范围对动植物生长具有重要作用。室内环境温度控制所需能源成本对评估种养殖经济效益具有重要意义。本文根据蝇蛆生长适宜温度环境，控制室内温度，计算所需能源成本。建立了养殖房传热理论模型，研究了室外温度、房间材料传热系数和材料厚度对传热能量损耗的影响。估算了在贵州遵义地区气温条件下蝇蛆养殖房的温度控制成本。结果表明，对常用砖墙等建筑材料建成的16平米小型蝇蛆养殖房，维持室内恒温28℃，蝇蛆养殖房的墙体传热最多，约占蝇蛆养殖房总传热量的一半。在寒冷天气下墙体每天传热可达约2×108J。而蝇蛆养殖房的墙体传热全年达约3.5×1010J。门窗和地面传热量之和约等于屋顶传热量，约占蝇蛆养殖房总传热量的四分之一。全年因传热损耗能量约6.5×1010J，采用制热效率为3.4的空调用于调节实时温度，电费单价设为每千瓦时0.4元，所需温控成本约为2200元。在寒冷冬季，若借助集中供热系统可降低能源成本。本文算法可以为其它地区、其它物种养殖的温控成本计算提供理论依据。