專利名稱：植物生長地盤的溫度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在種植草坪的足球場等競技場中，在地底下埋設(shè)導(dǎo)管以供給溫水等熱媒體來精準(zhǔn)控制植物生長地盤的溫度控制方法。
背景技術(shù)：
近年來例如足球場、球場、高爾夫球場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、降雨與夜間的一時性溫度下降等對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。通過在地盤中埋設(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的特開平8-196140號公報當(dāng)中，提出為了控制對象領(lǐng)域的地溫以適合草坪生長環(huán)境，鋪設(shè)可能供給植物生長地盤內(nèi)的溫水等熱媒體的導(dǎo)管的同時，在土壤中埋設(shè)溫度傳感器，考慮地盤的熱傳導(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地盤的溫度控制方法。
但是在足球場及球場等競技場中，除了擲標(biāo)槍和丟鉛球等投擲競技使用之外，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)域中乃無法埋設(shè)溫度傳感器的問題乃油然而生。雖說通過過去的實驗得知大概從地表至GL-5cm處的地盤領(lǐng)域(以下略稱為地層表面領(lǐng)域)乃對于草坪生長有著極大的影響。但如前所述，在地表上約30cm深的的領(lǐng)域里不能埋設(shè)傳感器等類的器具，作為加溫點的導(dǎo)感設(shè)置位置與溫度目標(biāo)點的地盤表層領(lǐng)域間的距離有其距離，在前述熱傳導(dǎo)解析中熱響應(yīng)的時間延緩乃為其問題。
地表面的氣象條件對波草坪面有極大的影響，且可理解對地盤表層領(lǐng)域溫度的影響。為了精準(zhǔn)地設(shè)定熱媒體的調(diào)時供給，考慮到隨時變化的氣象條件，相對應(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埋設(shè)于地底的熱媒體供給導(dǎo)管以控制地盤的溫度，并通過實施熱傳導(dǎo)的時間間隔與設(shè)想氣象變化后預(yù)測的地溫，乃可能精準(zhǔn)地控制地盤的溫度。
為解決前述課題，本發(fā)明在植物地盤中鋪設(shè)導(dǎo)管；在此導(dǎo)管中通過供給熱媒體以控制植物生長地盤的溫度控制方法，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)設(shè)想未來的氣象條件的同時間，通過前述導(dǎo)管供給熱媒體并基于氣象數(shù)據(jù)以設(shè)想未來氣象條件的同時，乃假定過去24小時戶外的氣溫變化曲線以補(bǔ)正連續(xù)現(xiàn)在溫度，以作為未來氣象條件的界限條件并通過熱傳導(dǎo)解析來預(yù)測地盤表層的溫度，地盤表層領(lǐng)域的地下溫度以作為目標(biāo)溫度。
氣象條件雖然隨時地變化，但細(xì)微地來看仍有周期性的變動。作為設(shè)定未來氣象條件的方法而言，例如存在有將過去10年的變動平均化的方法，在本發(fā)明之中考慮過去24小時的氣象狀況周期的界限條件。此時，至少針對戶外氣溫，補(bǔ)正過去24小時的戶外氣溫變化曲線加以設(shè)想補(bǔ)正現(xiàn)在的連續(xù)溫度，乃可能精準(zhǔn)預(yù)測地面溫度。
本發(fā)明還將前述未來氣象條件作為界限條件的熱傳導(dǎo)解析；在每所定的時間，逐次補(bǔ)正熱媒體的供給控制，以提供上述的植物生長地盤的溫度控制方法。氣象是通過由風(fēng)雨的產(chǎn)生而急速變化，在每所定的時間加以補(bǔ)正熱傳導(dǎo)解析及通水計劃可對應(yīng)急劇的氣象變化。
本發(fā)明的前述氣象數(shù)據(jù)至少是通過含有戶外氣溫度計、日射計、放射收支計的氣象觀測機(jī)器作為觀測數(shù)據(jù)以提供如上述的植物生長地盤的溫度控制方法。如后述中的地表面的熱收支方程式中，考慮右邊第1項的日射吸收熱與第2項的長波放射收支與第3項的對流熱傳達(dá)的三個參數(shù)的情況，作為氣象觀測數(shù)據(jù)而言的日射量、大氣放射量、戶外氣溫度的三項指標(biāo)已足夠。
本發(fā)明的前述氣象數(shù)據(jù)含有戶外氣溫度計及風(fēng)速計以提供上述的植物生長地盤的溫度控制方法。
本發(fā)明為得熱傳導(dǎo)解析，其中地盤熱傳導(dǎo)率是基于地盤熱傳導(dǎo)率與土中水份的相關(guān)性，通過土中水份計的計測結(jié)果求得的，以提供上述的植物生長地盤的溫度控制方法。熱傳導(dǎo)率雖有可能通過后述相同的方法求得，但地盤熱傳導(dǎo)率是基于地盤熱傳導(dǎo)率與土中水份的相關(guān)性，亦可通過土中水份計所計測的結(jié)果來求得，其后的校正可通過后述的同樣方法來實施。


圖1是足球場的平面圖；
圖2是氣象數(shù)據(jù)觀測單位的概略圖；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。
符號說明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7熱傳導(dǎo)率計校正用的熱電偶9A./9B.氣象數(shù)據(jù)計測單位40.日射計41.戶外氣溫計42.戶外氣溫計43.風(fēng)速計44.風(fēng)向計
47.放射收支計X.地盤表層領(lǐng)域S.著眼點具體實施方式
以下參照附圖加以詳述本發(fā)明的實施例型態(tài)。
(植物生長地盤及裝置的構(gòu)成)圖1是足球場的平面圖。
圖2是氣象數(shù)據(jù)計測單位的概略圖。
圖3是鋪設(shè)有導(dǎo)管及熱電偶的球場斷面圖。
球場的地盤構(gòu)成如圖3所示，為讓撒水車、草坪開溝車等管理車的往來及防止地盤的下沉及輪印的同時，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，因為管理車的載重量及標(biāo)槍、擲鐵餅等投擲競技時所造成的變形、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。
對于前述所的導(dǎo)管1而言，通過熱源操作方法(無圖標(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與周圍地盤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)助熱媒體槽以儲留其所定溫度的熱媒體，或通過設(shè)置加熱/冷卻線圈等對熱媒體的加熱/冷卻方法，可回復(fù)熱媒體的原來的基準(zhǔn)溫度。
另一方面，在本發(fā)明中如圖1所示，在平面將足球場分為復(fù)數(shù)個區(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的熱媒體獨立供給系統(tǒng)，可供給給區(qū)域A～L。
地盤深度方向中，為提升解析精準(zhǔn)度，計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。在此情況中，前述的熱電偶5對應(yīng)上述的各區(qū)域A～L以一區(qū)域為單位，例如2～3的區(qū)域時，考慮因管理車的載重量及標(biāo)槍、擲鐵餅等投擲競技與導(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。在本例中，各區(qū)域每深度方向中埋設(shè)共計3個的熱電偶5、5…。也可以使用光纖線取代前述的熱電偶。對于地盤的熱傳導(dǎo)率，本發(fā)明是獲得到地盤熱傳導(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6，可以此測定值決定熱傳導(dǎo)率。
在足球場旁處的地盤中，為測定種種的氣象數(shù)據(jù)，設(shè)置兩臺氣象數(shù)據(jù)計測機(jī)器單位9A、9B。前述的氣象數(shù)據(jù)計測機(jī)器單位9A(9B)，例如圖2所示，對于地盤上的椲竿，在足球場旁設(shè)置各種設(shè)置有日射計40、戶外氣溫計41、41…，戶外氣溫計42、風(fēng)速計43、放射收支計47等，其它例如風(fēng)向計44、電源46，時時刻刻地測量向陽處及背陽處兩邊。對前述的氣象數(shù)據(jù)計測機(jī)器而言，如與后述的解析式的關(guān)系，也可為日射計40、放射收支計47、戶外氣溫計41、41…等三種類。氣象數(shù)據(jù)計測機(jī)器單位9A(9B)于接近地盤上之處設(shè)置有雨量計45。
圖4是表示如上所述的通過各種測定機(jī)器的控制系統(tǒng)圖。通過氣象數(shù)據(jù)計測機(jī)器單位9A(9B)所計測到的氣象數(shù)據(jù)及通過埋設(shè)于地下的熱電偶5、5…的計測數(shù)據(jù)輸入于控制計算機(jī)52中。在控制計算機(jī)52中，基于其計測數(shù)據(jù)，通過后述的熱傳導(dǎo)解析以求得不能埋設(shè)熱電偶5的地盤表層領(lǐng)域X的地下溫度，基于計算此地下溫度實行最適的控制計算，以建立各區(qū)域的通水計劃。于是，基于此通水計劃通過控制機(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算機(jī)52中所存儲的過去氣象數(shù)據(jù)，設(shè)定未來的氣象條件，以此未來的氣象條件作為界限條件，通過熱傳導(dǎo)解析預(yù)測出地盤表層領(lǐng)域X的地底溫度，以此地盤表層領(lǐng)域X的地底溫度作為目標(biāo)地溫，考慮地盤的熱傳導(dǎo)率依照建立的通水計劃以控制經(jīng)導(dǎo)管1供給的熱媒體。
要設(shè)想未來的氣象條件，乃至少針對戶外氣溫，假定過去24小時戶外的氣溫變化曲線以補(bǔ)正連續(xù)現(xiàn)在溫度。
通過設(shè)想氣象的未來條件以預(yù)測地溫，可以以熱回復(fù)時間的遲緩及氣象變化的對應(yīng)而得到。萬一有設(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)解析的時間間隔乃為1～5小時，其適宜的時間乃為2～3小時為佳。
以下，加以具體詳述本發(fā)明的解析、控制方法及控制開始的步驟。
{步驟1}熱傳導(dǎo)解析(氣象數(shù)據(jù)的測定)通過氣象數(shù)據(jù)計測機(jī)器單位9A(9B)各種氣象觀測數(shù)據(jù)及埋設(shè)的熱電偶5、5…以測定地底溫度，而存儲于控制計算機(jī)52中。
(地盤表層領(lǐng)域X的地溫預(yù)測計算)基于存儲于控制計算機(jī)52中的過去氣象數(shù)據(jù)，設(shè)想每區(qū)域A～L的未來氣象條件。此時，其未來的氣象條件，基本是假定前日重復(fù)的氣象條件，在過去24小時重復(fù)的氣象條件作為設(shè)定為未來的氣象條件。但，至少是對于戶外氣溫T(t)，下列算式(1)所示，前日的氣溫為T(0)(t)t∈〔a、b)之時，以T(0)(t)為基準(zhǔn)使其24小時后的氣溫為與現(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)乃為未來的氣溫(℃)T(0)(t)為前日的氣溫，但是t∈〔a(24小時前)、b(現(xiàn)在)〕更進(jìn)一步，基于圖6加以淺顯的說明時，從現(xiàn)在的時間推向未來時，以過去24小時的氣溫變化曲線來補(bǔ)正現(xiàn)在溫度(TR)的點，并以此設(shè)想作為未來戶外氣溫變化的曲線。針對其它氣象條件而言，在過去24小時內(nèi)單純重復(fù)的氣象條件作設(shè)想為氣象條件。一方面，針對濕度及風(fēng)速，為連續(xù)現(xiàn)在溫度、風(fēng)速，可設(shè)想過去24小時前的濕度變化、風(fēng)速變化曲線，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)。針對日射及放射收支，單單重復(fù)過去24小時的氣象條件在精準(zhǔn)度也十分足夠。
設(shè)定未來氣象條件，前述地盤構(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。為解出上述算式(2)，其以下所示的界線條件是必要的。
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)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Γ2的外向法線向量。若考慮如圖5表示的有限要素范例的解析領(lǐng)域時，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的熱流量可通過熱收支方程式計算出。
以下，詳述針對以熱收支方程式計算界限條件的計算方法。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戶外絕對濕度Xss對地表面溫度的飽和絕對濕度以上算式(6)中，左邊為熱傳導(dǎo)項、右邊第1項為日射吸收熱、第2項為長波長放射收支、第3項為對流熱傳導(dǎo)、第4項為蒸發(fā)潛熱。此情況下，針對各參數(shù)，通過實際測量及以往的文獻(xiàn)以實際的數(shù)值定義。在前述熱收支方程式中，Ts(地表面溫度)非為計測值，通過前次的熱傳導(dǎo)解析代入計算溫度可行計算。
(a)日射吸收率a通過以往的文獻(xiàn)，在干燥草皮的情況時a＝0.66，在濕潤草皮的情況時a＝0.75。
(b)日射量TH日射量為通過太陽光直接的直接日射量與放射的天空日射量，在向陽處皆有此兩種日射量，在背陽處僅有天空日射量。如前述所示，通過氣象數(shù)據(jù)計測機(jī)器單位9A、9B向陽與背陽的各個氣象觀測數(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是通過放射收支計47所得的測定值。
(e)表面熱傳導(dǎo)率αc根據(jù)公知技術(shù)，通過從下述算式(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)的影響度其順序為日射吸收熱＞長波長放射收支＞對流熱傳導(dǎo)＞蒸發(fā)潛熱，至少右邊第1項的日射吸收熱與第2項的長波長放射收支是必要考慮的，如第3項的熱傳達(dá)其周圍有圍著屋檐的競技場時，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項的蒸發(fā)潛熱?？紤]右邊1項的日射吸收熱與第2項的長波長放射收支與第3項的對流熱傳達(dá)的三個參數(shù)作為熱收支方程式的情況時，作為氣象觀測數(shù)據(jù)其日射量、大氣放射量、戶外氣溫等三項指標(biāo)已經(jīng)足夠。
在前述熱傳導(dǎo)解析中，通過計測埋設(shè)熱電偶5、5…位置的溫度可判明，將解析模板節(jié)點位置上的前述計測溫度代入可提高其計算精準(zhǔn)度。
一方面，初期條件可通過下算式(8)而得算式8T(x，y，0)＝T0(x，y) …(8)對于基礎(chǔ)方程式而言通常適用Galerkin法，通過于三節(jié)點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、流動向量、Δt為增加微小時間。時間方向的離散化采用Galerkin法。
通過以上的熱傳導(dǎo)解析，從現(xiàn)在至未來(設(shè)定未來的氣象條件至24小時后)通過計算地盤表層領(lǐng)域X以求得。
{步驟2}通過最適宜的控制計算建立通水計劃以上，通過步驟1的順序，直接、不能計測溫度的地盤表層領(lǐng)域X的地溫可掌握其溫度。其次的步驟是設(shè)定地盤表層領(lǐng)域X內(nèi)的著眼點S(參照圖3，對育成草坪重要的溫度管理的地表面下數(shù)厘米點，例如5cm的點)作為其目標(biāo)溫度，用導(dǎo)管1供給熱媒體的通水計劃。具體而言，為不低于前述著眼點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)。在本實施例中，采用第1樣態(tài)，針對著眼點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)點產(chǎn)生熱量之事，且僅考慮通過通水三方閥的開/關(guān)，控制是取熱的產(chǎn)生項Q為0(非通水時)或Q0(通水時)任一項作為bang-bang的控制。
分離有關(guān)上述的算式(10)的控制對象節(jié)點的發(fā)熱率的項目而變形為下列算式(11)。
算式11T＝AT+Bu+C…(11)t∈〔t0、tf〕(t0控制開始的時間、tf控制終了的時間)中依據(jù)上述算式(11)，下列算式(12)的最小評價函數(shù)以求得控制u(t)的問題，以解決最適的控制匣的問題。從適當(dāng)?shù)目刂谱兞康某跗谥甸_始，以改善評價函數(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*對著眼點的目標(biāo)溫度、T(t)通過數(shù)值計算求得的溫度、u(t)控制熱量。
在本例中，溫度控制的目的是維持著眼點S的溫度為一定值，在上述的算式(12)中重疊表示的對角行列〔Q〕非為通常值定出如下列算式(13)，其節(jié)點溫度在目標(biāo)值以下時取得比評價函數(shù)大時其Qlower＞Qupper。
算式13
于本例中，基于前述地溫控制對象領(lǐng)域的地溫計算結(jié)果，如通過有限要素法考慮地盤的熱傳導(dǎo)率掌握空間的及時間的溫度變化，將著眼點S的目標(biāo)溫度與計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，不設(shè)定其上限值而加以控制，在設(shè)定上限值的情況時，也有供給溫水及/或冷水的情況。于此情況時，如圖7所示，高溫側(cè)(a溫度)的儲存溫水的溫水槽30與低溫測(b溫度)的儲存冷水的冷水槽31加以預(yù)先個別設(shè)置，切換控制閥32、33a、33b…通過從前述的溫水槽30與冷水槽31的切換，在每所定的時間內(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)，可通過地盤中所埋設(shè)的土中水分計6所測得的計測結(jié)果求得。從地盤的不均一性、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)率也會因地盤中的含水狀態(tài)而在提高其解析精準(zhǔn)度時，適時地實行熱傳導(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、一時地，在前述的地盤領(lǐng)域X或其附近的領(lǐng)域中設(shè)置地底溫度計，通過此地底溫度計所計測到的實測地底溫度與通過前述氣象數(shù)據(jù)計測機(jī)器所計測的氣象數(shù)據(jù)作為界限條件與通過熱傳導(dǎo)解析求得前述地底溫度計所埋設(shè)位置的計算溫度作比較，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，以足球場為例來說在門柱里不因競賽而枯萎的草坪領(lǐng)域等中埋設(shè)校正熱傳導(dǎo)率用的熱電偶7，通過此熱傳導(dǎo)校正用的熱電偶7所計測的到的實測地底溫度，與通過前述氣象數(shù)據(jù)計測機(jī)器所計測的氣象數(shù)據(jù)作為界限條件與通過熱傳導(dǎo)解析求得地底溫度計埋設(shè)位置的計算溫度作比較，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，其熱傳導(dǎo)率的推定當(dāng)作一逆向問題，用非線型最小二乘法作為設(shè)定的方法。亦即，地盤內(nèi)觀測的溫度作為時刻表，對應(yīng)觀測點的位置的計算值與觀測值間的相差求其最小值。于此情況，計算值與觀測值的相差平方和亦即為評價函數(shù)的最小化采用Gauss-Newton法。
地盤構(gòu)造乃如圖8所示，由數(shù)個層面(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表示為對應(yīng)部分領(lǐng)域的熱傳導(dǎo)率的號碼，n為部分領(lǐng)域的總數(shù)。
在解析領(lǐng)域中設(shè)置的觀測點的溫度如下所示。
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，～為表示觀測值，μ為觀測點的號碼，m表示為觀測點的總數(shù)。同樣地對應(yīng)于觀測點1～m的節(jié)點的計算值如下所表示。
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)率的評價函數(shù)如下所示，表示觀測溫度與對應(yīng)溫度的計算值的相差平方和。
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各表示計算開始時刻、計算終了時刻。從此方程式判斷，評價函數(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)]]>通過以上的步驟，可求得各領(lǐng)域的熱傳導(dǎo)率。
實施例根據(jù)本發(fā)明，基于過去的氣象計測數(shù)據(jù)以設(shè)定未來的氣象條件，以此未來氣象條件作為界線條件通過熱傳導(dǎo)解析預(yù)測地盤表層領(lǐng)域X的地底溫度，并以此地盤表層領(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行地盤溫度控制的實驗結(jié)果。此時，針對戶外氣溫，假定過去24小時戶外的氣溫變化曲線以補(bǔ)正連續(xù)現(xiàn)在溫度，又其它的氣象條件，具體而言如針對日射量、大氣放射量、濕度、風(fēng)速等，單純?yōu)檫^去24小時重復(fù)的氣象。地溫控制為不使著眼點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，GL-5cm的推定溫度與通過熱電偶三點的No1～No3的計測結(jié)果非常一致，作為檢驗本控制的妥當(dāng)性的結(jié)果。
通過以上詳加說明本發(fā)明，通過地底埋設(shè)供給熱媒體用的導(dǎo)管以行控制地盤的溫度，基于設(shè)想未來的氣象條件預(yù)測解析地溫，為控制于前述導(dǎo)管中供給的熱媒體，以對應(yīng)熱傳導(dǎo)的時間間隔與氣象變化，可精準(zhǔn)控制地盤溫度。
權(quán)利要求
1.一種植物生長地盤的溫度控制方法，其特征在于在植物生長地盤內(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地盤溫度；通過前述導(dǎo)管供給熱媒體，并基于氣象數(shù)據(jù)以設(shè)想未來氣象條件的同時，至少針對戶外氣溫以假定過去24小時戶外的氣溫變化曲線，以補(bǔ)正連續(xù)現(xiàn)在溫度，以作為未來氣象條件的界限條件并通過熱傳導(dǎo)解析來預(yù)測地盤表層的溫度，地盤表層地下溫度以作為目標(biāo)溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物生長地盤的控制方法，其特征在于作為未來氣象條件的熱傳導(dǎo)解析是在每所定的時間內(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所述的植物生長地盤的控制方法，其特征在于前述的氣象數(shù)據(jù)至少是通過含有戶外氣溫計、日射計、放射收支計等氣象觀測計所觀測的數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的植物生長地盤的控制方法，其特征在于前述的氣象數(shù)據(jù)含有戶外氣溫計及風(fēng)速計。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4項任一項中所述的植物生長地盤的控制方法，其特征在于對熱傳導(dǎo)解析而言，地盤熱傳導(dǎo)率是基于與土中水份的相關(guān)性；通過土中水份計所求其測量結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種植物生長地盤的溫度控制方法，在地下埋設(shè)有導(dǎo)管并通過導(dǎo)管供給熱媒體，以實施地盤的溫度控制。通過設(shè)想熱傳導(dǎo)的時間間隔與氣象變化來預(yù)測地溫，可精確地控制地盤溫度。在植物生長地盤內(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地盤溫度的控制方法中；通過前述導(dǎo)管供給熱媒體并基于氣象數(shù)據(jù)以設(shè)想未來氣象條件的同時，至少針對戶外氣溫，以假定過去24小時戶外的氣溫變化曲線以補(bǔ)正連續(xù)現(xiàn)在的溫度，以作為未來氣象條件的界限條件并通過熱傳導(dǎo)解析來預(yù)測地盤表層的溫度，地盤表層的地下溫度以作為目標(biāo)溫度。
文檔編號A01G7/00GK1517006SQ03146370
公開日2004年8月4日 申請日期2003年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月28日
發(fā)明者織茂俊泰, 金子典由, 黑田千歲, 石橋稔, 歲, 由 申請人:佐藤工業(yè)株式會社