高山区雪堆储雪的实验和模拟计算

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0108

摘要/Abstract

摘要：

随着全球气候变暖，滑雪运动呈现出对气候变化高度的敏感性和依赖性，各地滑雪季将不同程度地缩短。储雪作为一种应对气候变化的方法在雪务保障中逐渐得到研究和应用。在新疆阿勒泰地区吉木乃县开展储雪实验，应用谐波反应法研究了雪堆融化量与外界空气温度、太阳辐射和绝热保温结构热学性能之间的定量关系。实验中，覆盖两层绝热保温材料雪堆1的平均融化量为18.0 kg·d^-1（相当于初始质量的0.85%），未覆盖绝热保温材料雪堆2的平均融化量为120.8 kg·d^-1（相当于初始质量的6.67%）。模拟期间观测到的雪堆1质量减少了1 438.0 kg，对应的模拟值为1 520.8 kg。谐波反应法可以为评价绝热保温结构的热学性能和提前确定储雪量提供重要的参考依据。由于许多物理过程都未考虑，导致模拟的雪堆融化量与实际融化量之间存在不确定性。雪堆所用绝热保温结构的性能可以用反射率、总传热系数、衰减度和延迟时间来衡量。

关键词: 储雪, 综合空气温度, 绝热保温结构, 谐波反应法

Abstract:

With global warming， skiing sports show sensitivity and dependence on climate change； the skiing season will be shortened to different degrees worldwide. As a coping method， snow storage has been gradually studied and applied in the skiing industry. In this paper， a snow storage experiment was carried out in Jiminay County （47°08′ N，85°35′ E，2 915 m a.s.l.）， Altay， Xinjiang in May 2019. The harmonic response method studied the quantitative relationship between the amount of snowpack melting， external air temperature， solar radiation， and thermal properties of the insulation structure. The average melting rate of Snowpack 1 with two layers insulating materials was 18.0 kg·d^-1 （equal to 0.85% of the initial weight）. In contrast， the average melting rate of Snowpack 2 without insulating material was 120.8 kg·d^-1 （equal to 6.67% of the initial weight）. Glass wool blanket and aluminum foil reflective film on the upper surface of Snowpack 1 can effectively reduce the amount of snowpack melting. The external air temperature and solar radiation have good periodic variation； the 12 order Fourier series can simulate the change of solar and external air temperature. The weight of Snowpack 1 observed decreased by 1 438.0 kg， and the corresponding simulated value was 1 520.8 kg. The harmonic response method can provide momentous significance for evaluating the performance of the thermal insulation structure and determining the amount of snow storage in advance. Because many physical processes are not considered， there is still uncertainty between the amount of simulated melting and the amount of actual melting. The performance of thermal insulation structures used in snow storage can be measured by reflectivity， total heat transfer coefficient， amplitude decrement and time lag.

Key words: snow storage, solar and external air temperature, insulation structure, harmonic response method

中图分类号:

TU761.1⁺2

王兴, 王飞腾, 任贾文, 秦大河. 高山区雪堆储雪的实验和模拟计算[J]. 冰川冻土, 2021, 43(6): 1617-1627.

Xing WANG, Feiteng WANG, Jiawen REN, Dahe QIN. Experiment and numerical simulation of snow storage in alpine region[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2021, 43(6): 1617-1627.

图/表 13

图1

表1

传感器类型和参数"

参数	传感器名称及型号	精度	单位	架设高度
气温	温湿度传感器HC2S3	$±$ 0.1 ℃	℃	2.1 m
短波辐射	四分量辐射传感器CNR4	$±$ 10%	W·m^-2	2 m
雪堆密度	SLF积雪传感器	—	kg·m^-3	—
雪堆含水率	SLF积雪传感器	—	vol%	—
雪堆质量	悬臂梁式压力传感器HZC-30A	$±$ 0.1%	kg	0.3 m

表1

图2

表2

材料的物理特征"

材料	厚度 $d$ /m	密度 $ρ$ /（kg·m^-3）	导热系数 $λ$ /（W·m^-1·K^-1）	比热容c/（kJ·kg^-1·K^-1）
铁板	0.00500	7 850	62.800	0.46
挤塑聚苯乙烯泡沫塑料保温板	0.10000	28	0.030	1.50
玻璃棉毡	0.06000	12	0.058	1.34
铝箔反射膜	0.00004	2 700	237.000	0.88

表2

图3

图4

表3

图5

图6

表4

图7

图8

图9

参考文献 41

1	Grünewald T， Wolfsperger F， Lehning M. Snow farming： conserving snow over the summer season［J］. The Cryosphere， 2018， 12（1）： 385-400.
2	Lintzén N， Knutsson S. Snow storage-Modelling， theory and some new research［J］. Cold Regions Science and Technology， 2018， 153： 45-54.
3	Skogsberg K. Seasonal snow storage for space and process cooling［D］. Luleå： Luleå University of Technology， 2005.
4	Taylor T B. Ice ponds［C］//AIP Conference Proceedings. AIP， 1985， 135（1）： 562-575.
5	IPCC. Climate change 2013： The physical science basis： working group I. Contribution to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change［M］. New York： Cambridge University Press， 2013： 187-201.
6	Moe J M. Using stored snow as cooling at Oslo Airport， Norway［J］. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Civil Engineering， 2018， 171（5）： 11-16.
7	Skogsberg K， Nordell B. The Sundsvall hospital snow storage［J］. Cold Regions Science and Technology， 2001， 32（1）： 63-70.
8	Olefs M， Fischer A. Comparative study of technical measures to reduce snow and ice ablation in Alpine glacier ski resorts［J］. Cold Regions Science and Technology， 2008， 52（3）： 371-384.
9	Olefs M， Lehning M. Textile protection of snow and ice： measured and simulated effects on the energy and mass balance［J］. Cold Regions Science and Technology， 2010， 62（2/3）： 126-141.
10	Pestereva N M. Modern engineering technology to adapt to the adverse weather and climatic conditions at mountain ski resorts［J］. Life Science Journal， 2014， 11（9）： 800-804.
11	Yang Zhanwu. Research on the snow-making for Beijing 2022 winter olympics and winter Paralympics［J］. China Winter Sports， 2017， 39（1）： 1-8.
	杨占武. 北京冬奥会和冬残奥会人工造雪的研究［J］. 冰雪运动， 2017， 39（1）： 1-8.
12	Paksoy H Ö. Thermal energy storage for sustainable energy consumption［M］. Dordrecht： Springer Netherlands， 2007：349-353.
13	He Jiapeng， Wang Dongfang. The application study for unsteady heat transmission of wall-method of reaction coefficient［J］. Journal of Engineering Thermophysics， 2000， 21（1）： 93-96.
	何嘉鹏，王东方. 对墙体不稳定传热——反应系数法的应用研究［J］. 工程热物理学报， 2000， 21（1）： 93-96.
14	Xu Xiangbo， Hu Yixiong. Air-conditioning loads of building and vehicle［M］. Changsha： National University of Defense Technology Press， 1997： 39-65.
	徐湘波，胡益雄. 建筑物及汽车空调负荷［M］. 长沙：国防科技大学出版社， 1997： 39-65.
15	Yan Qisen， Zhao Qingzhu. Process of buildings［M］. Beijing： China Architecture & Building Press， 1986： 26-163.
	彦启森，赵庆珠. 建筑热过程［M］. 北京：中国建筑工业出版社， 1986： 26-163.
16	Tian Qingchao， Wu Jiansheng， Fan Xinmin， et al. Finite difference technique for heat conduction in multi-layer Gun barrels［J］. Acta Armamentarii， 2000， 21（4）： 297-300.
	田青超，吴建生，樊新民，等. 有限差分法在复合枪管传热中的应用［J］. 兵工学报， 2000， 21（4）： 297-300.
17	Ozziek M N. Heat conduction［M］. Beijing： Higher Education Press， 1983： 523-540.
	奥齐西克. 热传导［M］. 北京：高等教育出版社， 1983： 523-540.
18	Kong Xiangqian. Applying of finite element method in heat transfer［M］. 2nd ed. Beijing： Science Press， 1986： 57-142.
	孔祥谦. 有限单元法在传热学中的应用［M］. 2版. 北京：科学出版社， 1986： 57-142.
19	Li Weili， Zhou Feng， Hou Yunpeng， et al. Calculation of rotor temperature field for hydro-generator as well as the analysis on relevant factors［J］. Proceedings of the CSEE， 2002， 22（10）： 85-90.
	李伟力，周封，侯云鹏，等. 大型水轮发电机转子温度场的有限元计算及相关因素的分析［J］. 中国电机工程学报， 2002， 22（10）： 85-90.
20	Wang Rongxiao. Climate change and its influence on main crop planting in Altay region［D］. Urumqi： Xinjiang Agricultural University， 2014：10.
	王荣晓. 阿勒泰地区气候变化及对主要农作物种植的影响［D］. 乌鲁木齐：新疆农业大学， 2014：10.
21	Hu Jian. Reconstruction and analysis of climate based on the width of tree rings in Altay region［D］. Urumqi： Xinjiang Normal University， 2014：18-20.
	胡建. 基于树轮宽度的阿勒泰地区气候重建与分析［D］. 乌鲁木齐：新疆师范大学， 2014：18-20.
22	Yusup Abula， Hu Jinming， Tursun Ayshemgul. Xinjiang Altay skiing［J］. Shandong Sports Science & Technology， 2015， 37（2）： 36-38.
	阿不拉·玉素甫，胡金明，阿依夏木古丽·吐尔逊. 新疆阿勒泰滑雪运动研究［J］. 山东体育科技， 2015， 37（2）： 36-38.
23	Yang Shuping. Study on the optimization and simulation of cross-season snow storage［D］. Beijing： University of Chinese Academy of Sciences， 2020：17-19.
	杨淑萍. 跨季储雪的优化方案与模拟研究［D］. 北京：中国科学院大学， 2020：17-19.
24	Weiss H， Bierman P， Dubief Y， et al. Optimization of over-summer snow storage at midlatitudes and low elevation［J］. The Cryosphere， 2019， 13（12）： 3367-3382.
25	Yu Jinghua， Yang Changzhi， Tian Liwei， et al. A study on optimum insulation thicknesses of external walls in hot summer and cold winter zone of China［J］. Applied Energy， 2009， 86（11）： 2520-2529.
26	Anderson E A. A point energy and mass balance model of a snow cover［C］// NOAA Technical report NWS 19. U.S. Department of Commence （Washington D.C.
	）， 1976： 150.
27	Kondo J， Yamazaki T. A prediction model for snowmelt， snow surface temperature and freezing depth using a heat balance method［J］. Journal of Applied Meteorology， 1990， 29（5）： 375-384.
28	Wei Zhaocai. The study on snow melt processes simulation and snow characteristics analysis［D］. Urumqi： Xinjiang University， 2010：13-46.
	魏召才. 融雪过程模拟及积雪特性分析研究［D］. 乌鲁木齐：新疆大学， 2010：13-46.
29	Zhang Na. Research on the effect of snow cover characteristic and radiation energy on snow melting process［D］. Shenyang： Shenyang Agricultural University， 2017：46.
	张娜. 积雪特性与辐射能量对积雪融化过程的影响研究［D］. 沈阳：沈阳农业大学， 2017：46.
30	Liu Nianxiong， Qin Youguo. Building thermal environment［M］. Beijing： Tsinghua University Press， 2005： 98-107.
	刘念雄，秦佑国. 建筑热环境［M］. 北京：清华大学出版社， 2005： 98-107.
31	Hay J E. Calculation of monthly mean solar radiation for horizontal and inclined surfaces［J］. Solar Energy， 1979， 23（4）： 301-307.
32	Zhang Hongji. Heat conduction［M］. Beijing： Higher Education Press， 1992： 13-25.
	张洪济. 热传导［M］. 北京：高等教育出版社， 1992： 13-25.
33	Lu Yaoqing. Practical heating and air conditioning design manual［M］. 2nd ed. Beijing： China Architecture & Building Press， 2008： 251-254.
	陆耀庆. 实用供热空调设计手册［M］. 2版. 北京：中国建筑工业出版社， 2008： 251-254.
34	Mcquiston F C， Parker J D， Spitler J D. Heating， ventilating， and air conditioning： analysis and design［M］. New York： John Wiley & Sons， Inc， 2004： 129-131.
35	Zhao Shuxing. Optimal tilt angle and installation azimuth of flat plate solar collector for heating［J］. China Construction Dynamics （Solar & Renewable Energy Sources）， 2005（2）： 56-59.
	赵树兴. 采暖用平板式太阳能集热器的最佳倾角和最佳方位角［J］. 中国建设动态（阳光能源）， 2005（2）： 56-59.
36	Yang Shiming， Tao Wenquan. Heat transfer［M］. 4th ed. Beijing： Higher Education Press， 2006： 44-45.
	杨世铭，陶文铨. 传热学［M］. 4版. 北京：高等教育出版社， 2006： 44-45.
37	Chen Xiaofei， Tian Jing， Zhang Xueping， et al. An overview of the researches on the coupled transport of water， heat and solute in the accumulating and melting processes of snowpack［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2006， 28（2）： 288-292.
	陈晓飞，田静，张雪萍，等. 积雪融雪过程中水、热、溶质耦合运移规律的研究进展［J］. 冰川冻土， 2006， 28（2）： 288-292.
38	Skogsberg K， Lundberg A. Wood chips as thermal insulation of snow［J］. Cold Regions Science and Technology， 2005， 43（3）： 207-218.
39	Wang Xing， Qin Dahe， Ren Jiawen， et al. Numerical estimation of thermal insulation performance of different coverage schemes at three places for snow storage［J］. Advances in Climate Change Research， 2021， 12（6）： 903-912.
40	Shen Bing， Huang Honghu. Principle of hydrology［M］. Beijing： China Water Power Press， 2008： 225-228.
	沈冰，黄红虎. 水文学原理［M］. 北京：中国水利水电出版社， 2008： 225-228.
41	Shen Mingwei， Hao Feilin. Investigation of effects of outer shading screens on illumination inside multi-span greenhouse［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2003， 19（6）： 245-247.
	沈明卫，郝飞麟. 外遮阳对连栋塑料温室内光环境的影响研究［J］. 农业工程学报， 2003， 19（6）： 245-247.

辐射面	直接辐射量/（MJ·m^-2）	散射辐射量/（MJ·m^-2）	地面反射辐射量/（MJ·m^-2）	太阳辐射总量/（MJ·m^-2）
南向斜面	739.6	512.2	124.5	1 376.3
西向斜面	576.0	481.9	124.5	1 182.4
北向斜面	-	344.7	124.5	469.2
东向斜面	747.5	504.9	124.5	1 376.9
水平面	810.4	598.5	-	1 408.9

北京时间	外界综合空气温度/℃				北京时间	外界综合空气温度/℃
北京时间	南向斜面	西向斜面	北向斜面	东向斜面	北京时间	南向斜面	西向斜面	北向斜面	东向斜面
00：00	6.5	6.5	6.5	6.5	12：00	10.3	9.6	9.4	10.4
01：00	6.3	6.3	6.3	6.3	13：00	10.5	9.9	9.5	10.3
02：00	6.1	6.1	6.1	6.1	14：00	10.4	10.1	9.6	10.1
03：00	5.9	5.9	5.9	5.9	15：00	10.2	10.1	9.4	9.7
04：00	5.7	5.7	5.7	5.7	16：00	9.9	10.0	9.4	9.5
05：00	5.6	5.6	5.6	5.6	17：00	9.7	9.9	9.2	9.2
06：00	5.4	5.4	5.4	5.4	18：00	9.1	9.5	8.9	8.9
07：00	6.0	6.0	6.0	6.1	19：00	8.6	9.1	8.4	8.4
08：00	7.1	7.0	7.0	7.7	20：00	8.0	8.6	8.0	8.0
09：00	8.3	8.1	8.1	9.0	21：00	7.4	7.6	7.4	7.4
10：00	9.2	8.6	8.6	9.8	22：00	6.8	6.8	6.8	6.8
11：00	9.9	9.1	9.1	10.2	23：00	6.6	6.6	6.6	6.6