酒窖的建模温度

发明或改进用于冷却建筑物，食物或任何需要在确定温度下存储的商品的现有技术的精力。原因很简单：采用更有效的设计将导致实现相同的目标，同时消耗更少的能源。我们的资产负债表和环境都将从这些解决方案中受益。在这里，我们将以酒窖为例探索被动冷却设计的建模温度。

活跃还是被动冷却？

在处理冷却时，第一个决定是：主动还是被动？如果我们采用主动冷却技术，那么我们必须依靠机械组件。这样的解决方案不是“绿色”，通常会导致高运营成本。如果我们选择一种被动冷却方法怎么办？在这种情况下，我们对物理学的了解将有助于我们在没有消耗能源的组件的情况下满足冷却需求。如何应用物理原理来实施被动冷却技术的一个很好的例子是“绿色”建筑物的设计。我敢肯定，您会发现有趣的另一个例子是酒窖，其中围绕地窖的地面的热特性有助于减轻外部环境的温度变化。

保持酒窖凉爽

应用于葡萄酒储存的主动冷却非常简单。您可以将其视为冰箱的更大版本。模拟可以帮助实现很多高效设计基本上，如果我们有足够的功率，即使酒架的存储尺寸或分布不是最佳的，我们也可以使冷却系统工作。

我认为，比活跃冷却的酒窖更具挑战性（而且很有趣！）是被动冷却地窖的设计。的确，其运营成本成本非常低，并且其性能不取决于外部能源，例如电力。然而，它的设计需要满足我们未设定的几个约束。为了取得成功，我们必须回答诸如：鉴于地面的某些热特性或受某种气候的位置，我应该深入挖掘地窖以使其起作用？应该有多大？我应该把酒架放在哪里？

当模拟不是那么快，准确且易于执行时，被动冷却地窖的建造就非常依赖经验。我敢肯定，其中超过几个太冷或太热（葡萄酒应在12°C左右储存，并且与此值的偏差不应超过±2°C）。一旦建造和运行，就深入挖掘或减少了地窖的深度，一定很昂贵。

建模温度：酒窖的被动冷却

今天，我们可以轻松地设置模拟，并在地面的热特性以及其上方的温度变化中找到最佳的地窖的深度，这是时间的函数。在图1中，我描绘了计算域。如您所见，我选择了2D轴对称模拟，并使用了无限元素域来减少模拟的大小而不牺牲其精度。换句话说，无限元素域是一个域，在数学上伸向无限。我们不必担心实施如此出色的技术；Comsol Multiphysics将为我们照顾它。

图1.用于仿真的域。模拟为2D轴对称。

我将地窖的深度定位在2 m的深度，添加了酒架（我认为它们的热特性与水相同），包括在地窖中存在的空气（这是一个很好的绝缘体），并分配了12个初始温度12°C。作为地面地面的边界条件，我使用了表达式t_地面= t_平均+Δt·cos（ω·t）其中t_地面= 12°C，ΔT= 20°C，ω= 2·π·ƒ= 2·π/p，p = 365天。

从图2中所示的结果中可以看出，地面的热特性以及地窖的深度和几何形状使热浪源自地面的热浪。在这种情况下，热性能和深度都是最佳的。12°C的初始值不超过3°C。大多数葡萄酒爱好者都可以接受这种设计，并且可以通过探索不同深度和地窖配置的模拟来进一步完善。

图2.在计算域的不同点，温度随时间的函数。

在下面，您可以在1年后看到温度场的3D表示（未显示无限元素域中的温度）。我们可以注意到，在夏季的高峰期，地窖的温度仍然可以接受，地面和空气有助于极大地将其隔离。

图3. 1年后计算域中的温度分布。

下面的图4描绘了沿着对称的轴的温度曲线，地窖位于地面下方2 m至4 m之间。这是我最喜欢的土地之一，因为它使我们能够真正“看到”地窖周围地面的热阻尼效果，并捕获夏季和冬季发生的温度反转。很整洁，你不会说吗？

图4.沿对称轴r = 0的轴的温度曲线作为深度的函数（见图1）。垂直虚线表示平均温度约12°C。两条水平虚线分别表示地窖的天花板（z = -2 m）和地板（z = -4 m）。四个实线代表不同季节性点的温度曲线。由于溶液的阻尼波性质，围绕平均温度的轮廓不是对称的。

正如您在这里看到的那样，实际上，通过对温度进行建模，不仅可以设计我们自己的被动冷却酒窖，而且还相对容易。