專(zhuān)利名稱(chēng)：植物生長(zhǎng)地盤(pán)的溫度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在種植草坪的足球場(chǎng)等競(jìng)技場(chǎng)中，在地底下埋設(shè)導(dǎo)管以供給溫水等熱媒體來(lái)精準(zhǔn)控制植物生長(zhǎng)地盤(pán)的溫度控制方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)例如足球場(chǎng)、球場(chǎng)、高爾夫球場(chǎng)等有種植草坪的土壤中，日照不足和因季節(jié)造成的氣溫降下、降雨與夜間的一時(shí)性溫度下降等對(duì)草坪的影響和因各種比賽的草坪及枯萎、積雪、霜的影響和除雪等目的。通過(guò)在地盤(pán)中埋設(shè)導(dǎo)管使熱媒體循環(huán)，以人工方式作出適合草皮生長(zhǎng)的環(huán)境，并可有助于草皮的綠化。
例如在下述的發(fā)明文獻(xiàn)1的特開(kāi)平8-196140號(hào)公報(bào)當(dāng)中，提出為了控制對(duì)象領(lǐng)域的地溫以適合草坪生長(zhǎng)環(huán)境，鋪設(shè)可能供給植物生長(zhǎng)地盤(pán)內(nèi)的溫水等熱媒體的導(dǎo)管的同時(shí)，在土壤中埋設(shè)溫度傳感器，考慮地盤(pán)的熱傳導(dǎo)率，變化于前述的導(dǎo)管所供給的熱媒體溫度以控制植物生長(zhǎng)地盤(pán)的溫度控制方法。
但是在足球場(chǎng)及球場(chǎng)等競(jìng)技場(chǎng)中，除了擲標(biāo)槍和丟鉛球等投擲競(jìng)技使用之外，以割草機(jī)割草及貼換草皮等，除了地表面外于地表下數(shù)十厘米，具體而言是約至30cm處的領(lǐng)域中乃無(wú)法埋設(shè)溫度傳感器的問(wèn)題乃油然而生。雖說(shuō)通過(guò)過(guò)去的實(shí)驗(yàn)得知大概從地表至GL-5cm處的地盤(pán)領(lǐng)域(以下略稱(chēng)為地層表面領(lǐng)域)乃對(duì)于草坪生長(zhǎng)有著極大的影響。但如前所述，在地表上約30cm深的的領(lǐng)域里不能埋設(shè)傳感器等類(lèi)的器具，作為加溫點(diǎn)的導(dǎo)感設(shè)置位置與溫度目標(biāo)點(diǎn)的地盤(pán)表層領(lǐng)域間的距離有其距離，在前述熱傳導(dǎo)解析中熱響應(yīng)的時(shí)間延緩乃為其問(wèn)題。
地表面的氣象條件對(duì)波草坪面有極大的影響，且可理解對(duì)地盤(pán)表層領(lǐng)域溫度的影響。為了精準(zhǔn)地設(shè)定熱媒體的調(diào)時(shí)供給，考慮到隨時(shí)變化的氣象條件，相對(duì)應(yīng)之物乃為必要。

發(fā)明內(nèi)容
在此本發(fā)明主要的課題是通過(guò)埋設(shè)于地底的熱媒體供給導(dǎo)管以控制地盤(pán)的溫度，并通過(guò)實(shí)施熱傳導(dǎo)的時(shí)間間隔與設(shè)想氣象變化后預(yù)測(cè)的地溫，乃可能精準(zhǔn)地控制地盤(pán)的溫度。
為解決前述課題，本發(fā)明在植物地盤(pán)中鋪設(shè)導(dǎo)管；在此導(dǎo)管中通過(guò)供給熱媒體以控制植物生長(zhǎng)地盤(pán)的溫度控制方法，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)設(shè)想未來(lái)的氣象條件的同時(shí)間，通過(guò)前述導(dǎo)管供給熱媒體并基于氣象數(shù)據(jù)以設(shè)想未來(lái)氣象條件的同時(shí)，乃假定過(guò)去24小時(shí)戶(hù)外的氣溫變化曲線(xiàn)以補(bǔ)正連續(xù)現(xiàn)在溫度，以作為未來(lái)氣象條件的界限條件并通過(guò)熱傳導(dǎo)解析來(lái)預(yù)測(cè)地盤(pán)表層的溫度，地盤(pán)表層領(lǐng)域的地下溫度以作為目標(biāo)溫度。
氣象條件雖然隨時(shí)地變化，但細(xì)微地來(lái)看仍有周期性的變動(dòng)。作為設(shè)定未來(lái)氣象條件的方法而言，例如存在有將過(guò)去10年的變動(dòng)平均化的方法，在本發(fā)明之中考慮過(guò)去24小時(shí)的氣象狀況周期的界限條件。此時(shí)，至少針對(duì)戶(hù)外氣溫，補(bǔ)正過(guò)去24小時(shí)的戶(hù)外氣溫變化曲線(xiàn)加以設(shè)想補(bǔ)正現(xiàn)在的連續(xù)溫度，乃可能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)地面溫度。
本發(fā)明還將前述未來(lái)氣象條件作為界限條件的熱傳導(dǎo)解析；在每所定的時(shí)間，逐次補(bǔ)正熱媒體的供給控制，以提供上述的植物生長(zhǎng)地盤(pán)的溫度控制方法。氣象是通過(guò)由風(fēng)雨的產(chǎn)生而急速變化，在每所定的時(shí)間加以補(bǔ)正熱傳導(dǎo)解析及通水計(jì)劃可對(duì)應(yīng)急劇的氣象變化。
本發(fā)明的前述氣象數(shù)據(jù)至少是通過(guò)含有戶(hù)外氣溫度計(jì)、日射計(jì)、放射收支計(jì)的氣象觀測(cè)機(jī)器作為觀測(cè)數(shù)據(jù)以提供如上述的植物生長(zhǎng)地盤(pán)的溫度控制方法。如后述中的地表面的熱收支方程式中，考慮右邊第1項(xiàng)的日射吸收熱與第2項(xiàng)的長(zhǎng)波放射收支與第3項(xiàng)的對(duì)流熱傳達(dá)的三個(gè)參數(shù)的情況，作為氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)而言的日射量、大氣放射量、戶(hù)外氣溫度的三項(xiàng)指標(biāo)已足夠。
本發(fā)明的前述氣象數(shù)據(jù)含有戶(hù)外氣溫度計(jì)及風(fēng)速計(jì)以提供上述的植物生長(zhǎng)地盤(pán)的溫度控制方法。
本發(fā)明為得熱傳導(dǎo)解析，其中地盤(pán)熱傳導(dǎo)率是基于地盤(pán)熱傳導(dǎo)率與土中水份的相關(guān)性，通過(guò)土中水份計(jì)的計(jì)測(cè)結(jié)果求得的，以提供上述的植物生長(zhǎng)地盤(pán)的溫度控制方法。熱傳導(dǎo)率雖有可能通過(guò)后述相同的方法求得，但地盤(pán)熱傳導(dǎo)率是基于地盤(pán)熱傳導(dǎo)率與土中水份的相關(guān)性，亦可通過(guò)土中水份計(jì)所計(jì)測(cè)的結(jié)果來(lái)求得，其后的校正可通過(guò)后述的同樣方法來(lái)實(shí)施。


圖1是足球場(chǎng)的平面圖；
圖2是氣象數(shù)據(jù)觀測(cè)單位的概略圖；圖3是本發(fā)明中鋪設(shè)有導(dǎo)管及熱電偶的球場(chǎng)斷面圖；圖4是本發(fā)明的全體控制系統(tǒng)圖；圖5是本發(fā)明的有限要素解析模式圖；圖6是本發(fā)明的設(shè)定未來(lái)氣象條件要領(lǐng)的表示圖；圖7是本發(fā)明的熱媒體的供給模式例圖；圖8是本發(fā)明的同定熱傳導(dǎo)率的解析模式圖；圖9是表示有關(guān)本發(fā)明的地溫控制結(jié)果的圖表。
符號(hào)說(shuō)明1導(dǎo)管2細(xì)砂層3砂礫層4碎石層5熱電偶6土中水分計(jì)7熱傳導(dǎo)率計(jì)校正用的熱電偶9A./9B.氣象數(shù)據(jù)計(jì)測(cè)單位40.日射計(jì)41.戶(hù)外氣溫計(jì)42.戶(hù)外氣溫計(jì)43.風(fēng)速計(jì)44.風(fēng)向計(jì)
47.放射收支計(jì)X.地盤(pán)表層領(lǐng)域S.著眼點(diǎn)具體實(shí)施方式
以下參照附圖加以詳述本發(fā)明的實(shí)施例型態(tài)。
(植物生長(zhǎng)地盤(pán)及裝置的構(gòu)成)圖1是足球場(chǎng)的平面圖。
圖2是氣象數(shù)據(jù)計(jì)測(cè)單位的概略圖。
圖3是鋪設(shè)有導(dǎo)管及熱電偶的球場(chǎng)斷面圖。
球場(chǎng)的地盤(pán)構(gòu)成如圖3所示，為讓撒水車(chē)、草坪開(kāi)溝車(chē)等管理車(chē)的往來(lái)及防止地盤(pán)的下沉及輪印的同時(shí)，考慮到排水，為上層側(cè)為細(xì)砂層2(包含改良材質(zhì))、砂礫層3、碎石層4的三層的結(jié)構(gòu)。為使熱媒體循環(huán)而在表層附近埋設(shè)的導(dǎo)管，因?yàn)楣芾碥?chē)的載重量及標(biāo)槍、擲鐵餅等投擲競(jìng)技時(shí)所造成的變形、破裂，埋設(shè)于地表面數(shù)十厘米的安全深度位置。具體而言，從地表表面到導(dǎo)管的鋪設(shè)位置的深度h大概約為15～35cm，最適宜的深度為25～30cm。又鋪設(shè)狀態(tài)為在同一平面鋪設(shè)。其設(shè)置間隔P以通常為例大約為15～60cm的程度。
對(duì)于前述所的導(dǎo)管1而言，通過(guò)熱源操作方法(無(wú)圖標(biāo))將所設(shè)定溫度的溫水或冷水的熱媒體(指熱媒及冷煤兩者)作為提供循環(huán)使用。其它的熱媒體，例如可以蒸氣、高溫瓦斯作為高溫?zé)崦襟w使用，又可使用氟里昂氣體、冷卻用鹽水、阿摩尼亞等作為低溫?zé)崦襟w。前述導(dǎo)管1所供給的熱媒體可通過(guò)與周?chē)乇P(pán)的熱交換立刻使溫度上升或者溫度下降，在鋪設(shè)導(dǎo)管1的流通路途中，設(shè)置一補(bǔ)助熱媒體槽以?xún)?chǔ)留其所定溫度的熱媒體，或通過(guò)設(shè)置加熱/冷卻線(xiàn)圈等對(duì)熱媒體的加熱/冷卻方法，可回復(fù)熱媒體的原來(lái)的基準(zhǔn)溫度。
另一方面，在本發(fā)明中如圖1所示，在平面將足球場(chǎng)分為復(fù)數(shù)個(gè)區(qū)，具體而言分割成區(qū)域A～區(qū)域L，此區(qū)域A～L形成有每一導(dǎo)管1的熱媒體獨(dú)立供給系統(tǒng)，可供給給區(qū)域A～L。
地盤(pán)深度方向中，為提升解析精準(zhǔn)度，計(jì)算地中溫度與之比較和為熱傳導(dǎo)率相同的設(shè)定，在適宜的間隔中埋設(shè)熱電偶5、5…等地中溫度計(jì)。在此情況中，前述的熱電偶5對(duì)應(yīng)上述的各區(qū)域A～L以一區(qū)域?yàn)閱挝?，例?～3的區(qū)域時(shí)，考慮因管理車(chē)的載重量及標(biāo)槍、擲鐵餅等投擲競(jìng)技與導(dǎo)管1相同深度的位置與更深處的位置在適宜的間隔埋設(shè)復(fù)數(shù)個(gè)。在本例中，各區(qū)域每深度方向中埋設(shè)共計(jì)3個(gè)的熱電偶5、5…。也可以使用光纖線(xiàn)取代前述的熱電偶。對(duì)于地盤(pán)的熱傳導(dǎo)率，本發(fā)明是獲得到地盤(pán)熱傳導(dǎo)率與土中水份間的相關(guān)性的信息，而埋設(shè)土中水份計(jì)6，可以此測(cè)定值決定熱傳導(dǎo)率。
在足球場(chǎng)旁處的地盤(pán)中，為測(cè)定種種的氣象數(shù)據(jù)，設(shè)置兩臺(tái)氣象數(shù)據(jù)計(jì)測(cè)機(jī)器單位9A、9B。前述的氣象數(shù)據(jù)計(jì)測(cè)機(jī)器單位9A(9B)，例如圖2所示，對(duì)于地盤(pán)上的椲竿，在足球場(chǎng)旁設(shè)置各種設(shè)置有日射計(jì)40、戶(hù)外氣溫計(jì)41、41…，戶(hù)外氣溫計(jì)42、風(fēng)速計(jì)43、放射收支計(jì)47等，其它例如風(fēng)向計(jì)44、電源46，時(shí)時(shí)刻刻地測(cè)量向陽(yáng)處及背陽(yáng)處兩邊。對(duì)前述的氣象數(shù)據(jù)計(jì)測(cè)機(jī)器而言，如與后述的解析式的關(guān)系，也可為日射計(jì)40、放射收支計(jì)47、戶(hù)外氣溫計(jì)41、41…等三種類(lèi)。氣象數(shù)據(jù)計(jì)測(cè)機(jī)器單位9A(9B)于接近地盤(pán)上之處設(shè)置有雨量計(jì)45。
圖4是表示如上所述的通過(guò)各種測(cè)定機(jī)器的控制系統(tǒng)圖。通過(guò)氣象數(shù)據(jù)計(jì)測(cè)機(jī)器單位9A(9B)所計(jì)測(cè)到的氣象數(shù)據(jù)及通過(guò)埋設(shè)于地下的熱電偶5、5…的計(jì)測(cè)數(shù)據(jù)輸入于控制計(jì)算機(jī)52中。在控制計(jì)算機(jī)52中，基于其計(jì)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)后述的熱傳導(dǎo)解析以求得不能埋設(shè)熱電偶5的地盤(pán)表層領(lǐng)域X的地下溫度，基于計(jì)算此地下溫度實(shí)行最適的控制計(jì)算，以建立各區(qū)域的通水計(jì)劃。于是，基于此通水計(jì)劃通過(guò)控制機(jī)器53以下達(dá)指令給控制各區(qū)域通水的控制閥。
特別是于本發(fā)明的地溫控制中，基于在前述的控制計(jì)算機(jī)52中所存儲(chǔ)的過(guò)去氣象數(shù)據(jù)，設(shè)定未來(lái)的氣象條件，以此未來(lái)的氣象條件作為界限條件，通過(guò)熱傳導(dǎo)解析預(yù)測(cè)出地盤(pán)表層領(lǐng)域X的地底溫度，以此地盤(pán)表層領(lǐng)域X的地底溫度作為目標(biāo)地溫，考慮地盤(pán)的熱傳導(dǎo)率依照建立的通水計(jì)劃以控制經(jīng)導(dǎo)管1供給的熱媒體。
要設(shè)想未來(lái)的氣象條件，乃至少針對(duì)戶(hù)外氣溫，假定過(guò)去24小時(shí)戶(hù)外的氣溫變化曲線(xiàn)以補(bǔ)正連續(xù)現(xiàn)在溫度。
通過(guò)設(shè)想氣象的未來(lái)?xiàng)l件以預(yù)測(cè)地溫，可以以熱回復(fù)時(shí)間的遲緩及氣象變化的對(duì)應(yīng)而得到。萬(wàn)一有設(shè)想的氣象狀況急劇地變化與所設(shè)想的界限條件有所差異，前述未來(lái)的氣象條件作為界限條件的熱傳導(dǎo)解析希望于每所定的時(shí)間內(nèi)，逐次補(bǔ)正熱媒體的供給控制。其前述的熱傳導(dǎo)解析的時(shí)間間隔乃為1～5小時(shí)，其適宜的時(shí)間乃為2～3小時(shí)為佳。
以下，加以具體詳述本發(fā)明的解析、控制方法及控制開(kāi)始的步驟。
{步驟1}熱傳導(dǎo)解析(氣象數(shù)據(jù)的測(cè)定)通過(guò)氣象數(shù)據(jù)計(jì)測(cè)機(jī)器單位9A(9B)各種氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)及埋設(shè)的熱電偶5、5…以測(cè)定地底溫度，而存儲(chǔ)于控制計(jì)算機(jī)52中。
(地盤(pán)表層領(lǐng)域X的地溫預(yù)測(cè)計(jì)算)基于存儲(chǔ)于控制計(jì)算機(jī)52中的過(guò)去氣象數(shù)據(jù)，設(shè)想每區(qū)域A～L的未來(lái)氣象條件。此時(shí)，其未來(lái)的氣象條件，基本是假定前日重復(fù)的氣象條件，在過(guò)去24小時(shí)重復(fù)的氣象條件作為設(shè)定為未來(lái)的氣象條件。但，至少是對(duì)于戶(hù)外氣溫T(t)，下列算式(1)所示，前日的氣溫為T(mén)(0)(t)t∈〔a、b)之時(shí)，以T(0)(t)為基準(zhǔn)使其24小時(shí)后的氣溫為與現(xiàn)在的氣溫一致。
算式1T(t)=T(0)(t)-{T(b)-T(a)}-t-ab-a{T(b)-T(a)}]]>=T(0)(t)+b-tb-a{T(b)-T(a)}···(1)]]>此處的T(t)乃為未來(lái)的氣溫(℃)T(0)(t)為前日的氣溫，但是t∈〔a(24小時(shí)前)、b(現(xiàn)在)〕更進(jìn)一步，基于圖6加以淺顯的說(shuō)明時(shí)，從現(xiàn)在的時(shí)間推向未來(lái)時(shí)，以過(guò)去24小時(shí)的氣溫變化曲線(xiàn)來(lái)補(bǔ)正現(xiàn)在溫度(TR)的點(diǎn)，并以此設(shè)想作為未來(lái)戶(hù)外氣溫變化的曲線(xiàn)。針對(duì)其它氣象條件而言，在過(guò)去24小時(shí)內(nèi)單純重復(fù)的氣象條件作設(shè)想為氣象條件。一方面，針對(duì)濕度及風(fēng)速，為連續(xù)現(xiàn)在溫度、風(fēng)速，可設(shè)想過(guò)去24小時(shí)前的濕度變化、風(fēng)速變化曲線(xiàn)，亦可以一定值的現(xiàn)在濕度、現(xiàn)在風(fēng)速加以設(shè)想連續(xù)。針對(duì)日射及放射收支，單單重復(fù)過(guò)去24小時(shí)的氣象條件在精準(zhǔn)度也十分足夠。
設(shè)定未來(lái)氣象條件，前述地盤(pán)構(gòu)成作為模板如圖5所示的有限要素中，基于二次元熱傳導(dǎo)方程式及地表面的熱收支方程式以行熱傳導(dǎo)解析。
(解析方程式)二次元熱傳導(dǎo)方程式如下列算式(2)所示算式2ρC∂T∂t=∂∂x(k∂T∂x)+∂∂y(k∂T∂y)+Q···(2)]]>二次元熱傳導(dǎo)方程式用來(lái)作為傳熱解析的基礎(chǔ)方程式。在此方程式中，T為溫度、ρ、C、k系表示為地盤(pán)材料的密度、定壓比熱、熱傳導(dǎo)率等等，Q為每單位體積的熱產(chǎn)生項(xiàng)。為解出上述算式(2)，其以下所示的界線(xiàn)條件是必要的。
算式3T(x,y,t)=T^(x,y,t)onΓ1···(3)]]>算式4k(∂T∂xnx+∂T∂yny)=Q^(x,y,t)onΓ2···(4)]]>在此方程式，T^表示(注^為向上的符號(hào))為在界限Γ1所給予的溫度，Q^表示在界限Γ2所給予的熱流量。
前述的nx、ny表示為對(duì)Γ2的外向法線(xiàn)向量。若考慮如圖5表示的有限要素范例的解析領(lǐng)域時(shí)，為nx＝cos(n、x)＝cos90°＝0、ny＝cos(n、y)＝cos0°＝1，上述算式(4)乃為以下算式(5)。
算式5k(∂T∂xnx+∂T∂yny)=k∂T∂y···(5)]]>界限Γ2的熱流量可通過(guò)熱收支方程式計(jì)算出。
以下，詳述針對(duì)以熱收支方程式計(jì)算界限條件的計(jì)算方法。首先，以算式(6)表示熱收支方程式。
算式6-λ(∂T∂y)=Q^(x,y,t)]]>=a·TH+ϵ(AH-σTs4)+αc(Ta-Ts)+KαcCa(Xa-Xss)L···(6)]]>此方程式中Ts地表面溫度 a日射吸收率 TH日射量ε輻射放射率 AH-σTs4大氣放射量 αc表面熱傳導(dǎo)率Ta戶(hù)外氣溫度 K水分蒸發(fā)比 Ca空氣濕比熱L水的蒸發(fā)潛熱 Xa戶(hù)外絕對(duì)濕度Xss對(duì)地表面溫度的飽和絕對(duì)濕度以上算式(6)中，左邊為熱傳導(dǎo)項(xiàng)、右邊第1項(xiàng)為日射吸收熱、第2項(xiàng)為長(zhǎng)波長(zhǎng)放射收支、第3項(xiàng)為對(duì)流熱傳導(dǎo)、第4項(xiàng)為蒸發(fā)潛熱。此情況下，針對(duì)各參數(shù)，通過(guò)實(shí)際測(cè)量及以往的文獻(xiàn)以實(shí)際的數(shù)值定義。在前述熱收支方程式中，Ts(地表面溫度)非為計(jì)測(cè)值，通過(guò)前次的熱傳導(dǎo)解析代入計(jì)算溫度可行計(jì)算。
(a)日射吸收率a通過(guò)以往的文獻(xiàn)，在干燥草皮的情況時(shí)a＝0.66，在濕潤(rùn)草皮的情況時(shí)a＝0.75。
(b)日射量TH日射量為通過(guò)太陽(yáng)光直接的直接日射量與放射的天空日射量，在向陽(yáng)處皆有此兩種日射量，在背陽(yáng)處僅有天空日射量。如前述所示，通過(guò)氣象數(shù)據(jù)計(jì)測(cè)機(jī)器單位9A、9B向陽(yáng)與背陽(yáng)的各個(gè)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)可使用分辨出。
(c)輻射放射率ε根據(jù)公知技術(shù)得知ε＝0.93。
(d)大氣放射量AH-σTs4是通過(guò)放射收支計(jì)47所得的測(cè)定值。
(e)表面熱傳導(dǎo)率αc根據(jù)公知技術(shù)，通過(guò)從下述算式(7)在任意高度h的風(fēng)速Vh算出。設(shè)定其風(fēng)速指數(shù)為0.25。
算式7
(f)水分蒸發(fā)比K根據(jù)公知技術(shù)K0.1～0.2(亦考慮到降水量中K的比例中產(chǎn)生蒸發(fā)的情況。)(g)空氣濕比熱Ca根據(jù)公知技術(shù)，為水蒸氣的情況為Ca＝0.501kcal/kg℃；為空氣的情況為Ca＝0.241kcal/kg℃。
(h)水的蒸發(fā)潛熱L根據(jù)公知技術(shù)，L＝597.5kcal/kg。
但是，在前述地表面的熱收支方程式中，各參數(shù)的影響度其順序?yàn)槿丈湮諢幔鹃L(zhǎng)波長(zhǎng)放射收支＞對(duì)流熱傳導(dǎo)＞蒸發(fā)潛熱，至少右邊第1項(xiàng)的日射吸收熱與第2項(xiàng)的長(zhǎng)波長(zhǎng)放射收支是必要考慮的，如第3項(xiàng)的熱傳達(dá)其周?chē)袊蓍艿母?jìng)技場(chǎng)時(shí)，地面在風(fēng)的影響下較小的條件下，可省略。在不要求高精準(zhǔn)度的情況下可忽視第4項(xiàng)的蒸發(fā)潛熱?？紤]右邊1項(xiàng)的日射吸收熱與第2項(xiàng)的長(zhǎng)波長(zhǎng)放射收支與第3項(xiàng)的對(duì)流熱傳達(dá)的三個(gè)參數(shù)作為熱收支方程式的情況時(shí)，作為氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)其日射量、大氣放射量、戶(hù)外氣溫等三項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)足夠。
在前述熱傳導(dǎo)解析中，通過(guò)計(jì)測(cè)埋設(shè)熱電偶5、5…位置的溫度可判明，將解析模板節(jié)點(diǎn)位置上的前述計(jì)測(cè)溫度代入可提高其計(jì)算精準(zhǔn)度。
一方面，初期條件可通過(guò)下算式(8)而得算式8T(x，y，0)＝T0(x，y) …(8)對(duì)于基礎(chǔ)方程式而言通常適用Galerkin法，通過(guò)于三節(jié)點(diǎn)三角形三要素離散其變量，以得以下有限要素的方程式。
算式9(Mαβ+Δt2Sαβ)Tβn+1]]>=(Mαβ-Δt2Sαβ)Tβα+ΔtΩ^αn+1···(9)]]>
在此方程式中，Mαβ、Sαβ、Ωα(注α及β為指數(shù))各表示為質(zhì)量矩陣、擴(kuò)散矩陣、流動(dòng)向量、Δt為增加微小時(shí)間。時(shí)間方向的離散化采用Galerkin法。
通過(guò)以上的熱傳導(dǎo)解析，從現(xiàn)在至未來(lái)(設(shè)定未來(lái)的氣象條件至24小時(shí)后)通過(guò)計(jì)算地盤(pán)表層領(lǐng)域X以求得。
{步驟2}通過(guò)最適宜的控制計(jì)算建立通水計(jì)劃以上，通過(guò)步驟1的順序，直接、不能計(jì)測(cè)溫度的地盤(pán)表層領(lǐng)域X的地溫可掌握其溫度。其次的步驟是設(shè)定地盤(pán)表層領(lǐng)域X內(nèi)的著眼點(diǎn)S(參照?qǐng)D3，對(duì)育成草坪重要的溫度管理的地表面下數(shù)厘米點(diǎn)，例如5cm的點(diǎn))作為其目標(biāo)溫度，用導(dǎo)管1供給熱媒體的通水計(jì)劃。具體而言，為不低于前述著眼點(diǎn)S所指定的溫度以下，以導(dǎo)管1供給熱媒體的第1樣態(tài)，為迎合日照充足區(qū)域的地溫乃以導(dǎo)管1供給熱媒體亦可舉出第二樣態(tài)。在本實(shí)施例中，采用第1樣態(tài)，針對(duì)著眼點(diǎn)S地溫為設(shè)定溫度以上，熱媒體的供給樣態(tài)為控制目的的場(chǎng)合作陳述。
(熱媒體的控制解析)上述的二次元熱傳導(dǎo)方程式算式(2)可用以下的矩陣形式表示。
算式10[S][T]+[M]{∂T∂t}={F}···(10)]]>在本方程式中，S熱傳導(dǎo)矩陣、T節(jié)點(diǎn)溫度范圍、F熱流束范圍、M熱容量矩陣。
考慮通水加熱效果在導(dǎo)管位置的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生熱量之事，且僅考慮通過(guò)通水三方閥的開(kāi)/關(guān)，控制是取熱的產(chǎn)生項(xiàng)Q為0(非通水時(shí))或Q0(通水時(shí))任一項(xiàng)作為bang-bang的控制。
分離有關(guān)上述的算式(10)的控制對(duì)象節(jié)點(diǎn)的發(fā)熱率的項(xiàng)目而變形為下列算式(11)。
算式11T＝AT+Bu+C…(11)t∈〔t0、tf〕(t0控制開(kāi)始的時(shí)間、tf控制終了的時(shí)間)中依據(jù)上述算式(11)，下列算式(12)的最小評(píng)價(jià)函數(shù)以求得控制u(t)的問(wèn)題，以解決最適的控制匣的問(wèn)題。從適當(dāng)?shù)目刂谱兞康某跗谥甸_(kāi)始，以改善評(píng)價(jià)函數(shù)值的算法采用Sakawa-Shindo法。
算式12J=12∫totf[{T*-T(t)}t[Q]{T*-T(t)}+{u(t)}t[R]{u(t)}]dt···(12)]]>在此方程式中，T*對(duì)著眼點(diǎn)的目標(biāo)溫度、T(t)通過(guò)數(shù)值計(jì)算求得的溫度、u(t)控制熱量。
在本例中，溫度控制的目的是維持著眼點(diǎn)S的溫度為一定值，在上述的算式(12)中重疊表示的對(duì)角行列〔Q〕非為通常值定出如下列算式(13)，其節(jié)點(diǎn)溫度在目標(biāo)值以下時(shí)取得比評(píng)價(jià)函數(shù)大時(shí)其Qlower＞Qupper。
算式13
于本例中，基于前述地溫控制對(duì)象領(lǐng)域的地溫計(jì)算結(jié)果，如通過(guò)有限要素法考慮地盤(pán)的熱傳導(dǎo)率掌握空間的及時(shí)間的溫度變化，將著眼點(diǎn)S的目標(biāo)溫度與計(jì)算溫度的差降為最小，控制以熱媒體(溫水)的通水模式(通水/止水模式)求得的地溫。最影響草坪育成的地盤(pán)表層適切的溫度環(huán)境亦可加以控制。
在本例中，其為行控制的地溫若為設(shè)定溫度以上時(shí)，不設(shè)定其上限值而加以控制，在設(shè)定上限值的情況時(shí)，也有供給溫水及/或冷水的情況。于此情況時(shí)，如圖7所示，高溫側(cè)(a溫度)的儲(chǔ)存溫水的溫水槽30與低溫測(cè)(b溫度)的儲(chǔ)存冷水的冷水槽31加以預(yù)先個(gè)別設(shè)置，切換控制閥32、33a、33b…通過(guò)從前述的溫水槽30與冷水槽31的切換，在每所定的時(shí)間內(nèi)可以控制將一定溫度的溫水或冷水迅速地注入供給。也可因應(yīng)季節(jié)只設(shè)置前述的溫水槽30或冷水槽31的一方以行一階段的控制。
〔物理性質(zhì)(熱傳導(dǎo)率)的設(shè)定〕接著，表示熱傳導(dǎo)率的設(shè)定方法。為設(shè)定熱傳導(dǎo)率，需保有調(diào)查熱傳導(dǎo)率與土中水分的相關(guān)性的調(diào)查數(shù)據(jù)，可通過(guò)地盤(pán)中所埋設(shè)的土中水分計(jì)6所測(cè)得的計(jì)測(cè)結(jié)果求得。從地盤(pán)的不均一性、含水比的未確定性很難去正確表達(dá)原位置的熱傳導(dǎo)率。熱傳導(dǎo)率也會(huì)因地盤(pán)中的含水狀態(tài)而在提高其解析精準(zhǔn)度時(shí)，適時(shí)地實(shí)行熱傳導(dǎo)率的校正為佳。
作為熱傳導(dǎo)率的設(shè)定方法，不定期或定期地、一時(shí)地，在前述的地盤(pán)領(lǐng)域X或其附近的領(lǐng)域中設(shè)置地底溫度計(jì)，通過(guò)此地底溫度計(jì)所計(jì)測(cè)到的實(shí)測(cè)地底溫度與通過(guò)前述氣象數(shù)據(jù)計(jì)測(cè)機(jī)器所計(jì)測(cè)的氣象數(shù)據(jù)作為界限條件與通過(guò)熱傳導(dǎo)解析求得前述地底溫度計(jì)所埋設(shè)位置的計(jì)算溫度作比較，其少許的差異以熱傳導(dǎo)率補(bǔ)正的第1方法，不能埋設(shè)地底溫度計(jì)的條件領(lǐng)域以外的地層表層領(lǐng)域或其附近領(lǐng)域，具體而言如圖1所示，以足球場(chǎng)為例來(lái)說(shuō)在門(mén)柱里不因競(jìng)賽而枯萎的草坪領(lǐng)域等中埋設(shè)校正熱傳導(dǎo)率用的熱電偶7，通過(guò)此熱傳導(dǎo)校正用的熱電偶7所計(jì)測(cè)的到的實(shí)測(cè)地底溫度，與通過(guò)前述氣象數(shù)據(jù)計(jì)測(cè)機(jī)器所計(jì)測(cè)的氣象數(shù)據(jù)作為界限條件與通過(guò)熱傳導(dǎo)解析求得地底溫度計(jì)埋設(shè)位置的計(jì)算溫度作比較，其少許的差異可舉出以熱傳導(dǎo)率補(bǔ)正的第2方法。
設(shè)定此熱傳導(dǎo)率之時(shí)，其熱傳導(dǎo)率的推定當(dāng)作一逆向問(wèn)題，用非線(xiàn)型最小二乘法作為設(shè)定的方法。亦即，地盤(pán)內(nèi)觀測(cè)的溫度作為時(shí)刻表，對(duì)應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)的位置的計(jì)算值與觀測(cè)值間的相差求其最小值。于此情況，計(jì)算值與觀測(cè)值的相差平方和亦即為評(píng)價(jià)函數(shù)的最小化采用Gauss-Newton法。
地盤(pán)構(gòu)造乃如圖8所示，由數(shù)個(gè)層面(部分領(lǐng)域)所構(gòu)成，其各層面內(nèi)的熱傳導(dǎo)率假定為一定。熱傳導(dǎo)率其一般表示如下列算式(14)所示。
算式14kλT＝{k1，k2，k3，…，kn}…(14)于此方程式中，λ表示為對(duì)應(yīng)部分領(lǐng)域的熱傳導(dǎo)率的號(hào)碼，n為部分領(lǐng)域的總數(shù)。
在解析領(lǐng)域中設(shè)置的觀測(cè)點(diǎn)的溫度如下所示。
算式15

T~μ(t)T={T~1(t),T~2(t),T~3(t),···,T~m(t)}···(15)]]>于此方程式中，～為表示觀測(cè)值，μ為觀測(cè)點(diǎn)的號(hào)碼，m表示為觀測(cè)點(diǎn)的總數(shù)。同樣地對(duì)應(yīng)于觀測(cè)點(diǎn)1～m的節(jié)點(diǎn)的計(jì)算值如下所表示。
算式16Tμ(t，kλ)T＝{T1(t，kλ)，T2(t，kλ)，T3(t，kλ)，…，Tm(t，kλ)}…(16)為求熱傳導(dǎo)率的評(píng)價(jià)函數(shù)如下所示，表示觀測(cè)溫度與對(duì)應(yīng)溫度的計(jì)算值的相差平方和。
算式17J(kλ)=12∫totf{T~μ(t)-Tμ(t,kλ)}T{T~μ(t,kλ)}dt···(17)]]>于此方程式中，to、tf各表示計(jì)算開(kāi)始時(shí)刻、計(jì)算終了時(shí)刻。從此方程式判斷，評(píng)價(jià)函數(shù)為熱傳導(dǎo)率kλ的函數(shù)，最適的熱傳導(dǎo)率kλ以上述的算式(17)，例如可通過(guò)Gauss-Newton法求得最小化的值。
算式18(Mαβ+Δt2Sαβ)∂Tβn+1∂kλ=(Mαβ-Δt2Sαβ)∂Tβn∂kλ]]>-Δt2∂Sαβ∂kλ(Tβn-1+Tβn)+Δt∂Ω^αn+1∂kλ···(18)]]>增分?jǐn)?shù)值Δkλ可通過(guò)下列算式(19)、(20)求得。
算式19∂J(kλt+Δkλt)∂kλ]]>=∫totf{∂Tμ∂kλ}T{T~μ(t)-Tμ(t,kλt)+∂Tμ∂kλΔkλt}dt=0···(19)]]>算式20

Δkλt=(∫totf{∂Tμ∂kλ}{∂Tμ∂kω}Tdt)-t]]>(∫totf{∂Tμ∂kω}{T~μ(t)-Tμ(t,kλt)}dt)···(20)]]>通過(guò)以上的步驟，可求得各領(lǐng)域的熱傳導(dǎo)率。
實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明，基于過(guò)去的氣象計(jì)測(cè)數(shù)據(jù)以設(shè)定未來(lái)的氣象條件，以此未來(lái)氣象條件作為界線(xiàn)條件通過(guò)熱傳導(dǎo)解析預(yù)測(cè)地盤(pán)表層領(lǐng)域X的地底溫度，并以此地盤(pán)表層領(lǐng)域X的地底溫度作為目標(biāo)溫度，設(shè)定通水模式以表示實(shí)行地盤(pán)溫度控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此時(shí)，針對(duì)戶(hù)外氣溫，假定過(guò)去24小時(shí)戶(hù)外的氣溫變化曲線(xiàn)以補(bǔ)正連續(xù)現(xiàn)在溫度，又其它的氣象條件，具體而言如針對(duì)日射量、大氣放射量、濕度、風(fēng)速等，單純?yōu)檫^(guò)去24小時(shí)重復(fù)的氣象。地溫控制為不使著眼點(diǎn)S的溫度低于3℃乃設(shè)定通水模式。
其結(jié)果如圖9所示。其結(jié)果明顯地如同圖1所見(jiàn)，GL-5cm的推定溫度與通過(guò)熱電偶三點(diǎn)的No1～No3的計(jì)測(cè)結(jié)果非常一致，作為檢驗(yàn)本控制的妥當(dāng)性的結(jié)果。
通過(guò)以上詳加說(shuō)明本發(fā)明，通過(guò)地底埋設(shè)供給熱媒體用的導(dǎo)管以行控制地盤(pán)的溫度，基于設(shè)想未來(lái)的氣象條件預(yù)測(cè)解析地溫，為控制于前述導(dǎo)管中供給的熱媒體，以對(duì)應(yīng)熱傳導(dǎo)的時(shí)間間隔與氣象變化，可精準(zhǔn)控制地盤(pán)溫度。
權(quán)利要求
1.一種植物生長(zhǎng)地盤(pán)的溫度控制方法，其特征在于在植物生長(zhǎng)地盤(pán)內(nèi)鋪設(shè)導(dǎo)管，并在其導(dǎo)管中供給熱媒體以控制植物生長(zhǎng)地盤(pán)溫度；通過(guò)前述導(dǎo)管供給熱媒體，并基于氣象數(shù)據(jù)以設(shè)想未來(lái)氣象條件的同時(shí)，至少針對(duì)戶(hù)外氣溫以假定過(guò)去24小時(shí)戶(hù)外的氣溫變化曲線(xiàn)，以補(bǔ)正連續(xù)現(xiàn)在溫度，以作為未來(lái)氣象條件的界限條件并通過(guò)熱傳導(dǎo)解析來(lái)預(yù)測(cè)地盤(pán)表層的溫度，地盤(pán)表層地下溫度以作為目標(biāo)溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物生長(zhǎng)地盤(pán)的控制方法，其特征在于作為未來(lái)氣象條件的熱傳導(dǎo)解析是在每所定的時(shí)間內(nèi)逐次加以補(bǔ)正熱媒體的供給控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的植物生長(zhǎng)地盤(pán)的控制方法，其特征在于前述的氣象數(shù)據(jù)至少是通過(guò)含有戶(hù)外氣溫計(jì)、日射計(jì)、放射收支計(jì)等氣象觀測(cè)計(jì)所觀測(cè)的數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的植物生長(zhǎng)地盤(pán)的控制方法，其特征在于前述的氣象數(shù)據(jù)含有戶(hù)外氣溫計(jì)及風(fēng)速計(jì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4項(xiàng)任一項(xiàng)中所述的植物生長(zhǎng)地盤(pán)的控制方法，其特征在于對(duì)熱傳導(dǎo)解析而言，地盤(pán)熱傳導(dǎo)率是基于與土中水份的相關(guān)性；通過(guò)土中水份計(jì)所求其測(cè)量結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種植物生長(zhǎng)地盤(pán)的溫度控制方法，在地下埋設(shè)有導(dǎo)管并通過(guò)導(dǎo)管供給熱媒體，以實(shí)施地盤(pán)的溫度控制。通過(guò)設(shè)想熱傳導(dǎo)的時(shí)間間隔與氣象變化來(lái)預(yù)測(cè)地溫，可精確地控制地盤(pán)溫度。在植物生長(zhǎng)地盤(pán)內(nèi)鋪設(shè)導(dǎo)管，并在其導(dǎo)管中供給熱媒體以控制植物生長(zhǎng)地盤(pán)溫度的控制方法中；通過(guò)前述導(dǎo)管供給熱媒體并基于氣象數(shù)據(jù)以設(shè)想未來(lái)氣象條件的同時(shí)，至少針對(duì)戶(hù)外氣溫，以假定過(guò)去24小時(shí)戶(hù)外的氣溫變化曲線(xiàn)以補(bǔ)正連續(xù)現(xiàn)在的溫度，以作為未來(lái)氣象條件的界限條件并通過(guò)熱傳導(dǎo)解析來(lái)預(yù)測(cè)地盤(pán)表層的溫度，地盤(pán)表層的地下溫度以作為目標(biāo)溫度。
文檔編號(hào)A01G7/00GK1517006SQ03146370
公開(kāi)日2004年8月4日 申請(qǐng)日期2003年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月28日
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