基于有限元分析的日光溫室土質(zhì)墻體溫度場(chǎng)模擬與驗(yàn)證

侯加林 王濤 蔣韜 王秀峰

摘 要：研究日光溫室墻體中溫度梯度及其變化規(guī)律對(duì)于日光溫室墻體的蓄熱保溫性能分析評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)與建造有著重要的意義。2012年12月至2013年2月，采用自制多點(diǎn)溫度測(cè)試儀，對(duì)山東泰安地區(qū)日光溫室土質(zhì)墻體的溫度進(jìn)行采集，并與ANSYS有限元模擬結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果相吻合。進(jìn)一步模擬結(jié)果表明，墻體蓄熱/放熱層一天中呈周期性變化，保溫隔熱層隨外界溫度變化較小，墻體下部溫度較高，且在水平方向上溫度梯度變化較小，在10～14℃持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且穩(wěn)定；距墻體內(nèi)表面0.2 m處溫度最高，并沿墻體厚度方向逐漸平緩降低，墻體外表面溫度最低。基于模擬結(jié)果，對(duì)山東省泰安地區(qū)日光溫室土質(zhì)墻體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其最小厚度應(yīng)為2.2 m，蓄熱/放熱層為0～0.5 m，保溫隔熱層為1.3～1.7 m。

關(guān)鍵詞：日光溫室；土質(zhì)墻體；ANSYS模擬；溫度場(chǎng)；泰安地區(qū)

中圖分類號(hào)：S625.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2014）04-0007-06

Simulation and Verification of Greenhouse Soil Wall Temperature Field by FEM Analysis

Hou Jialin1，Wang Tao1，Jiang Tao1，Wang Xiufeng2*

（1.College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong Agricultural University， Taian 271018， China；

2. College of Horticulture Science and Engineering， Shandong Agricultural University， Taian 271018， China）

Abstract It was significant to study the temperature gradient and its change rule for evaluation of heat prevention performance， design and construction of greenhouse wall. The temperature data of greenhouse soil wall in Taian region were measured through multi-point temperature test instrument from December 2012 to February 2013. The measured results coincided with that obtained through ANSYS FEM simulation. The further simulation results showed that the temperature of heat release and absorption layer in the wall changed periodically in a day， while that of heat preservation and insulation layer changed smaller. The temperature at the wall bottom was higher， and changed a little in the horizontal direction， which was stable at 10～14℃ for long time. The temperature was the highest at the place 0.2 m away from the inner surface of wall， and reduced gently along the direction of wall thickness； the outer surface of the wall had the lowest temperature. Based on the simulated and measured results， the optimized soil wall of greenhouse in Taian area showed that the minimum thickness should be 2.2 m， including 0～0.5 m of heat release and absorption layer and 1.3～1.7 m of heat preservation and insulation layer.

Key words Greenhouse； Soil wall； ANSYS analysis； Temperature field； Taian area

日光溫室具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、節(jié)約能源和經(jīng)濟(jì)效益良好等特點(diǎn)，在我國(guó)北方地區(qū)被廣泛使用[1]。日光溫室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有隔熱保溫作用，白天蓄熱，夜間將貯存的熱能釋放到溫室中，以維持室內(nèi)溫度[2]。墻體作為日光溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)中重要的組成部分，在日光溫室中起著積極作用，不僅具有承重的功能，并且對(duì)溫室內(nèi)的熱環(huán)境有直接的影響[3～6]。研究日光溫室墻體中熱流狀況、溫度梯度及其變化規(guī)律，對(duì)于日光溫室墻體的蓄熱保溫性能分析評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)與建造有著重要的意義。佟國(guó)紅等[7]對(duì)不同墻體結(jié)構(gòu)的日光溫室傳熱模型進(jìn)行研究，另外，李小芳等[8]對(duì)復(fù)合材料墻體的厚度進(jìn)行研究，而關(guān)于土質(zhì)墻體為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的日光溫室研究較少，對(duì)日光溫室土質(zhì)墻體內(nèi)部的溫度分布及變化趨勢(shì)不夠系統(tǒng)和全面，因此本文對(duì)日光溫室土質(zhì)墻體的溫度特性進(jìn)行研究。土質(zhì)墻體的傳熱屬于非穩(wěn)態(tài)綜合傳熱問(wèn)題[9，10]，為確保夜間溫室的溫度，就需要在墻體方面進(jìn)行優(yōu)化。本文建立了土質(zhì)墻體的有限元分析模型，并進(jìn)行ANSYS模擬，通過(guò)實(shí)際測(cè)試土質(zhì)墻體的溫度對(duì)ANSYS模擬進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，為土質(zhì)墻體的日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及模擬條件

1.1 試驗(yàn)用溫室

試驗(yàn)選址在山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)日光溫室。溫室結(jié)構(gòu)采用下沉式，跨度11 m，長(zhǎng)50 m，該溫室坐北朝南，后墻剖面圖為梯形，材質(zhì)為土，上寬1.5 m，下寬5.2 m，高3 m，下沉0.7 m，墻體外表面覆蓋有草簾和覆蓋層，日光溫室前采用鋼架結(jié)構(gòu)，聚乙烯薄膜覆蓋。試驗(yàn)期間，日光溫室內(nèi)種植西紅柿、黃瓜和芹菜等作物。

1.2 試驗(yàn)方法及儀器

試驗(yàn)時(shí)間為2012年12月至2013年2月，在8∶30至16∶30打開保溫被，在10∶00至14∶00打開通風(fēng)口。

試驗(yàn)采用自制多點(diǎn)溫度測(cè)試儀對(duì)土質(zhì)墻體的溫度進(jìn)行采集。多點(diǎn)溫度測(cè)試儀以STM32單片機(jī)為核心，DS18B20溫度傳感器將采集到的溫度通過(guò)單總線傳送至STM32單片機(jī)[11～13]，單片機(jī)接收并處理數(shù)據(jù)，處理后的數(shù)據(jù)保存在SD卡（Secure Digital Memory Card）中，以便日后數(shù)據(jù)的分析，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)IIC總線傳入至EEPROM中保存，用于溫度的實(shí)時(shí)顯示。

試驗(yàn)開始前對(duì)DS18B20溫度傳感器進(jìn)行精度調(diào)節(jié)，將精度調(diào)整到0.125℃，設(shè)計(jì)溫度采集時(shí)間間隔為10 min。

溫室室內(nèi)和室外不同部位均設(shè)有溫度傳感器，日光溫室自西至東分為三個(gè)部分：左部0～15 m、中部15～35 m和右部35～50 m。將已劃分好的三個(gè)部分在垂直方向把溫室等分為三段，在溫室內(nèi)墻三個(gè)部分每段中間各設(shè)一個(gè)溫度傳感器，分別用來(lái)采集土質(zhì)墻體上表面、中表面和下表面溫度；在墻體外表面和覆蓋層表面三個(gè)部分上各設(shè)一個(gè)溫度傳感器；室內(nèi)和室外的三個(gè)部分的中間位置各設(shè)一個(gè)溫度傳感器，用來(lái)采集室溫和外溫；在墻體內(nèi)部距頂部和內(nèi)表面0.4 m，距底部和內(nèi)表面0.4 m處各安放一個(gè)溫度傳感器，用來(lái)采集墻體內(nèi)部溫度，試驗(yàn)共計(jì)27個(gè)溫度采集點(diǎn)。溫室內(nèi)溫度測(cè)試點(diǎn)安放位置如圖1所示。

1.3 模擬條件及過(guò)程

日光溫室土質(zhì)墻體的工作環(huán)境為動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境，其傳熱過(guò)程屬于非穩(wěn)態(tài)傳熱。根據(jù)傳熱學(xué)理論可知[14]，日光溫室土質(zhì)墻體的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其厚度，近似認(rèn)為沿墻體長(zhǎng)度方向沒有熱量傳遞；對(duì)日光溫室土質(zhì)墻體溫度的實(shí)際測(cè)試表明，墻體在垂直方向上存在著溫差。綜上所述：日光溫室土質(zhì)墻體傳熱模型采用二維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，墻體的二維非穩(wěn)態(tài)傳熱物理過(guò)程由以下微分方程描述[15]：

采用Thermal Solid中的Quad 4node 55單元[17]，時(shí)間步長(zhǎng)為600 s，時(shí)間總長(zhǎng)為86 400 s，其中蓄熱時(shí)間28 800 s，放熱時(shí)間為57 600 s，單元格面積為m。墻體溫度場(chǎng)的模擬模型如圖2所示。

2012年12月至2013年2月時(shí)間段內(nèi)，山東泰安地區(qū)溫室溫度一天內(nèi)的變化情況約為8∶30至12∶30為溫度上升階段，12∶30至14∶30為均溫階段，而14∶30以后為降溫階段。在模擬8∶30至14∶30溫室內(nèi)溫度變化情況時(shí)，由于墻體外表面及頂部有毛氈覆蓋，溫度變化不大，設(shè)參考溫度為6℃，僅施加對(duì)流載荷；而由于內(nèi)表面溫差加大，且在垂直方向上溫度梯度不同，則將內(nèi)表面在垂直方向等分為三段，在每段上施加一個(gè)不同的溫度變化函數(shù)載荷。在模擬放熱階段過(guò)程中，刪除內(nèi)表面的溫度載荷，僅施加對(duì)流載荷。

圖2 墻體溫度場(chǎng)模擬模型網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 日光溫室墻體放熱階段瞬態(tài)有限元模擬與驗(yàn)證

對(duì)墻體放熱階段（14∶30至次日8∶20）的溫度場(chǎng)進(jìn)行ANSYS瞬態(tài)分析，同時(shí)利用溫度測(cè)試儀對(duì)墻體表面和墻體內(nèi)部溫度進(jìn)行采集，與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3和圖4所示。

每天14∶30至16∶40，隨著室外溫度的降低，室內(nèi)溫度也會(huì)隨之下降，此時(shí)土質(zhì)墻體處于放熱狀態(tài)，墻體釋放大量熱量，可以保證室內(nèi)溫度不會(huì)快速下降；在16∶40至次日8∶20之間土質(zhì)墻體放熱量減小，此時(shí)墻體作為日光溫室的熱源，持續(xù)向室內(nèi)放熱，維持室內(nèi)溫度，當(dāng)墻體的溫度與室內(nèi)溫度達(dá)到平衡時(shí)，墻體不再向室內(nèi)釋放熱量。圖中還顯示，墻體中表面的實(shí)測(cè)值與模擬值吻合最好，最大溫差為0.7℃，最小溫差為 0.67℃；墻體內(nèi)部的實(shí)測(cè)值與模擬值的最大溫差為1.54℃，最小溫差為0.22℃；而對(duì)于上、下兩表面，模擬值與實(shí)測(cè)值有一定誤差，原因是：①土壤的物性參數(shù)和實(shí)際參數(shù)有偏差；②在模擬過(guò)程中施加的對(duì)流載荷與實(shí)際對(duì)流有偏差；③忽略了室內(nèi)植物的放熱對(duì)模擬結(jié)果造成偏差導(dǎo)致ANSYS模擬下表面結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果溫度低；④覆蓋層與墻體之間有間隙導(dǎo)致ANSYS模擬上表面結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果高。但最大的模擬誤差僅為4.94%，仍滿足工程需要，說(shuō)明利用該方法獲得的結(jié)果具有較高的可靠性。

2.2 日光溫室放熱階段墻體內(nèi)部溫度場(chǎng)變化

進(jìn)一步研究墻體內(nèi)部一天內(nèi)溫度場(chǎng)變化情況，ANSYS模擬時(shí)間為2012年12月21日，結(jié)果如圖5所示，圖中a、b分別為墻體在22∶30（即模擬時(shí)間為28 800 s時(shí)）及次日8∶30（模擬時(shí)間為57 600 s時(shí)）溫度場(chǎng)的分布情況。

圖3 墻體表面實(shí)測(cè)溫度與ANSYS模擬溫度擬合曲線

圖4 墻體內(nèi)部實(shí)測(cè)溫度與ANSYS模擬溫度擬合曲線

圖5 放熱28 800 s及57 600 s時(shí)溫度場(chǎng)分布模擬結(jié)果

由圖5可以看出：墻體的下底部溫度較高，且在水平方向上溫度梯度變化較小，在10～14℃持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且穩(wěn)定。在日光溫室土質(zhì)墻體內(nèi)部溫度變化過(guò)程中，靠近墻體下底部的溫度高于墻體表面溫度，向墻體厚度方向推進(jìn)，溫度變化緩和。通過(guò)ANSYS模擬結(jié)果得出墻體的蓄熱/放熱層最小厚度約為0.3～0.5 m。

2.3 基于ANSYS模擬結(jié)果日光溫室土質(zhì)墻體保溫隔熱層結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在冬季日光溫室土質(zhì)墻體存在著保溫隔熱層，保溫隔熱層的厚度和位置不僅與墻體的厚度有關(guān)，而且與墻體表面接觸環(huán)境有關(guān)。對(duì)2012年12月至2013年2月溫室內(nèi)每天實(shí)際采集到的最高溫度求取平均值，為32℃。在ANSYS模擬過(guò)程中，對(duì)不同厚度墻體模擬模型的內(nèi)表面加載恒溫32℃，施加對(duì)流載荷，采用瞬態(tài)分析，單元格面積為0.1 m×0.1 m，設(shè)置仿真時(shí)間步長(zhǎng)為600 s，時(shí)間總長(zhǎng)為28 800 s，土質(zhì)墻體內(nèi)部溫度場(chǎng)變化如圖6所示。

在理想狀態(tài)下通過(guò)持續(xù)的恒溫傳熱確定保溫隔熱層的最大厚度，在實(shí)際過(guò)程中保溫隔熱層的厚度應(yīng)小于ANSYS模擬結(jié)果得出的厚度。由圖6可知，在墻體內(nèi)部溫度變化過(guò)程中，存在著保溫隔熱層。墻體下部的厚度大于上部厚度，但其保溫效果并沒有增加。在距內(nèi)表面0～0.5 m處溫度變化活躍，0.5～2.0 m處溫度變化緩和，且溫度梯度距離增加。通過(guò)ANSYS模擬結(jié)果表明墻體的保溫隔熱層厚度約為1.3～1.7 m，位置為距離墻體內(nèi)表面0.5～0.6 m處。

圖6 不同墻體厚度ANSYS模擬溫度場(chǎng)

3 結(jié)論

（1）利用ANSYS10.0軟件對(duì)日光溫室土質(zhì)墻體進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬，并通過(guò)實(shí)際測(cè)試溫度對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：模擬值與實(shí)測(cè)值的最大溫差為2.96℃，最小溫差為0.07℃，相對(duì)誤差為6.49%，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本一致。墻體在高度與厚度方向上均存在著溫差，在高度方向上，溫度由下而上遞減；在厚度方向上，溫度由內(nèi)表面到外表面遞減；墻體下底部溫度高且變化慢。

（2）ANSYS模擬結(jié)果表明，當(dāng)墻體超過(guò)最適厚度后，保溫效果不再隨墻體厚度的增加而增加。山東省泰安地區(qū)日光溫室土質(zhì)墻體的最小厚度應(yīng)為 2.2 m，其中0～0.5 m為蓄熱/放熱層，0.5～2.2 m為保溫隔熱層，蓄熱/放熱層隨室溫呈周期性變化，保溫隔熱層處于相對(duì)平衡狀態(tài)，隨外界溫度變化較小。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 孟力力. 基于 VB 和 MATLAB 的日光溫室熱環(huán)境模型構(gòu)建與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]. 北京： 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 2008.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及模擬條件

1.1 試驗(yàn)用溫室

試驗(yàn)選址在山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)日光溫室。溫室結(jié)構(gòu)采用下沉式，跨度11 m，長(zhǎng)50 m，該溫室坐北朝南，后墻剖面圖為梯形，材質(zhì)為土，上寬1.5 m，下寬5.2 m，高3 m，下沉0.7 m，墻體外表面覆蓋有草簾和覆蓋層，日光溫室前采用鋼架結(jié)構(gòu)，聚乙烯薄膜覆蓋。試驗(yàn)期間，日光溫室內(nèi)種植西紅柿、黃瓜和芹菜等作物。

1.2 試驗(yàn)方法及儀器

試驗(yàn)時(shí)間為2012年12月至2013年2月，在8∶30至16∶30打開保溫被，在10∶00至14∶00打開通風(fēng)口。

試驗(yàn)采用自制多點(diǎn)溫度測(cè)試儀對(duì)土質(zhì)墻體的溫度進(jìn)行采集。多點(diǎn)溫度測(cè)試儀以STM32單片機(jī)為核心，DS18B20溫度傳感器將采集到的溫度通過(guò)單總線傳送至STM32單片機(jī)[11～13]，單片機(jī)接收并處理數(shù)據(jù)，處理后的數(shù)據(jù)保存在SD卡（Secure Digital Memory Card）中，以便日后數(shù)據(jù)的分析，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)IIC總線傳入至EEPROM中保存，用于溫度的實(shí)時(shí)顯示。

試驗(yàn)開始前對(duì)DS18B20溫度傳感器進(jìn)行精度調(diào)節(jié)，將精度調(diào)整到0.125℃，設(shè)計(jì)溫度采集時(shí)間間隔為10 min。

溫室室內(nèi)和室外不同部位均設(shè)有溫度傳感器，日光溫室自西至東分為三個(gè)部分：左部0～15 m、中部15～35 m和右部35～50 m。將已劃分好的三個(gè)部分在垂直方向把溫室等分為三段，在溫室內(nèi)墻三個(gè)部分每段中間各設(shè)一個(gè)溫度傳感器，分別用來(lái)采集土質(zhì)墻體上表面、中表面和下表面溫度；在墻體外表面和覆蓋層表面三個(gè)部分上各設(shè)一個(gè)溫度傳感器；室內(nèi)和室外的三個(gè)部分的中間位置各設(shè)一個(gè)溫度傳感器，用來(lái)采集室溫和外溫；在墻體內(nèi)部距頂部和內(nèi)表面0.4 m，距底部和內(nèi)表面0.4 m處各安放一個(gè)溫度傳感器，用來(lái)采集墻體內(nèi)部溫度，試驗(yàn)共計(jì)27個(gè)溫度采集點(diǎn)。溫室內(nèi)溫度測(cè)試點(diǎn)安放位置如圖1所示。

1.3 模擬條件及過(guò)程

日光溫室土質(zhì)墻體的工作環(huán)境為動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境，其傳熱過(guò)程屬于非穩(wěn)態(tài)傳熱。根據(jù)傳熱學(xué)理論可知[14]，日光溫室土質(zhì)墻體的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其厚度，近似認(rèn)為沿墻體長(zhǎng)度方向沒有熱量傳遞；對(duì)日光溫室土質(zhì)墻體溫度的實(shí)際測(cè)試表明，墻體在垂直方向上存在著溫差。綜上所述：日光溫室土質(zhì)墻體傳熱模型采用二維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，墻體的二維非穩(wěn)態(tài)傳熱物理過(guò)程由以下微分方程描述[15]：

采用Thermal Solid中的Quad 4node 55單元[17]，時(shí)間步長(zhǎng)為600 s，時(shí)間總長(zhǎng)為86 400 s，其中蓄熱時(shí)間28 800 s，放熱時(shí)間為57 600 s，單元格面積為m。墻體溫度場(chǎng)的模擬模型如圖2所示。

2012年12月至2013年2月時(shí)間段內(nèi)，山東泰安地區(qū)溫室溫度一天內(nèi)的變化情況約為8∶30至12∶30為溫度上升階段，12∶30至14∶30為均溫階段，而14∶30以后為降溫階段。在模擬8∶30至14∶30溫室內(nèi)溫度變化情況時(shí)，由于墻體外表面及頂部有毛氈覆蓋，溫度變化不大，設(shè)參考溫度為6℃，僅施加對(duì)流載荷；而由于內(nèi)表面溫差加大，且在垂直方向上溫度梯度不同，則將內(nèi)表面在垂直方向等分為三段，在每段上施加一個(gè)不同的溫度變化函數(shù)載荷。在模擬放熱階段過(guò)程中，刪除內(nèi)表面的溫度載荷，僅施加對(duì)流載荷。

圖2 墻體溫度場(chǎng)模擬模型網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 日光溫室墻體放熱階段瞬態(tài)有限元模擬與驗(yàn)證

對(duì)墻體放熱階段（14∶30至次日8∶20）的溫度場(chǎng)進(jìn)行ANSYS瞬態(tài)分析，同時(shí)利用溫度測(cè)試儀對(duì)墻體表面和墻體內(nèi)部溫度進(jìn)行采集，與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3和圖4所示。

每天14∶30至16∶40，隨著室外溫度的降低，室內(nèi)溫度也會(huì)隨之下降，此時(shí)土質(zhì)墻體處于放熱狀態(tài)，墻體釋放大量熱量，可以保證室內(nèi)溫度不會(huì)快速下降；在16∶40至次日8∶20之間土質(zhì)墻體放熱量減小，此時(shí)墻體作為日光溫室的熱源，持續(xù)向室內(nèi)放熱，維持室內(nèi)溫度，當(dāng)墻體的溫度與室內(nèi)溫度達(dá)到平衡時(shí)，墻體不再向室內(nèi)釋放熱量。圖中還顯示，墻體中表面的實(shí)測(cè)值與模擬值吻合最好，最大溫差為0.7℃，最小溫差為 0.67℃；墻體內(nèi)部的實(shí)測(cè)值與模擬值的最大溫差為1.54℃，最小溫差為0.22℃；而對(duì)于上、下兩表面，模擬值與實(shí)測(cè)值有一定誤差，原因是：①土壤的物性參數(shù)和實(shí)際參數(shù)有偏差；②在模擬過(guò)程中施加的對(duì)流載荷與實(shí)際對(duì)流有偏差；③忽略了室內(nèi)植物的放熱對(duì)模擬結(jié)果造成偏差導(dǎo)致ANSYS模擬下表面結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果溫度低；④覆蓋層與墻體之間有間隙導(dǎo)致ANSYS模擬上表面結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果高。但最大的模擬誤差僅為4.94%，仍滿足工程需要，說(shuō)明利用該方法獲得的結(jié)果具有較高的可靠性。

2.2 日光溫室放熱階段墻體內(nèi)部溫度場(chǎng)變化

進(jìn)一步研究墻體內(nèi)部一天內(nèi)溫度場(chǎng)變化情況，ANSYS模擬時(shí)間為2012年12月21日，結(jié)果如圖5所示，圖中a、b分別為墻體在22∶30（即模擬時(shí)間為28 800 s時(shí)）及次日8∶30（模擬時(shí)間為57 600 s時(shí)）溫度場(chǎng)的分布情況。

圖3 墻體表面實(shí)測(cè)溫度與ANSYS模擬溫度擬合曲線

圖4 墻體內(nèi)部實(shí)測(cè)溫度與ANSYS模擬溫度擬合曲線

圖5 放熱28 800 s及57 600 s時(shí)溫度場(chǎng)分布模擬結(jié)果

由圖5可以看出：墻體的下底部溫度較高，且在水平方向上溫度梯度變化較小，在10～14℃持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且穩(wěn)定。在日光溫室土質(zhì)墻體內(nèi)部溫度變化過(guò)程中，靠近墻體下底部的溫度高于墻體表面溫度，向墻體厚度方向推進(jìn)，溫度變化緩和。通過(guò)ANSYS模擬結(jié)果得出墻體的蓄熱/放熱層最小厚度約為0.3～0.5 m。

2.3 基于ANSYS模擬結(jié)果日光溫室土質(zhì)墻體保溫隔熱層結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在冬季日光溫室土質(zhì)墻體存在著保溫隔熱層，保溫隔熱層的厚度和位置不僅與墻體的厚度有關(guān)，而且與墻體表面接觸環(huán)境有關(guān)。對(duì)2012年12月至2013年2月溫室內(nèi)每天實(shí)際采集到的最高溫度求取平均值，為32℃。在ANSYS模擬過(guò)程中，對(duì)不同厚度墻體模擬模型的內(nèi)表面加載恒溫32℃，施加對(duì)流載荷，采用瞬態(tài)分析，單元格面積為0.1 m×0.1 m，設(shè)置仿真時(shí)間步長(zhǎng)為600 s，時(shí)間總長(zhǎng)為28 800 s，土質(zhì)墻體內(nèi)部溫度場(chǎng)變化如圖6所示。

在理想狀態(tài)下通過(guò)持續(xù)的恒溫傳熱確定保溫隔熱層的最大厚度，在實(shí)際過(guò)程中保溫隔熱層的厚度應(yīng)小于ANSYS模擬結(jié)果得出的厚度。由圖6可知，在墻體內(nèi)部溫度變化過(guò)程中，存在著保溫隔熱層。墻體下部的厚度大于上部厚度，但其保溫效果并沒有增加。在距內(nèi)表面0～0.5 m處溫度變化活躍，0.5～2.0 m處溫度變化緩和，且溫度梯度距離增加。通過(guò)ANSYS模擬結(jié)果表明墻體的保溫隔熱層厚度約為1.3～1.7 m，位置為距離墻體內(nèi)表面0.5～0.6 m處。

圖6 不同墻體厚度ANSYS模擬溫度場(chǎng)

3 結(jié)論

（1）利用ANSYS10.0軟件對(duì)日光溫室土質(zhì)墻體進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬，并通過(guò)實(shí)際測(cè)試溫度對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：模擬值與實(shí)測(cè)值的最大溫差為2.96℃，最小溫差為0.07℃，相對(duì)誤差為6.49%，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本一致。墻體在高度與厚度方向上均存在著溫差，在高度方向上，溫度由下而上遞減；在厚度方向上，溫度由內(nèi)表面到外表面遞減；墻體下底部溫度高且變化慢。

（2）ANSYS模擬結(jié)果表明，當(dāng)墻體超過(guò)最適厚度后，保溫效果不再隨墻體厚度的增加而增加。山東省泰安地區(qū)日光溫室土質(zhì)墻體的最小厚度應(yīng)為 2.2 m，其中0～0.5 m為蓄熱/放熱層，0.5～2.2 m為保溫隔熱層，蓄熱/放熱層隨室溫呈周期性變化，保溫隔熱層處于相對(duì)平衡狀態(tài)，隨外界溫度變化較小。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 孟力力. 基于 VB 和 MATLAB 的日光溫室熱環(huán)境模型構(gòu)建與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]. 北京： 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 2008.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及模擬條件

1.1 試驗(yàn)用溫室

試驗(yàn)選址在山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)日光溫室。溫室結(jié)構(gòu)采用下沉式，跨度11 m，長(zhǎng)50 m，該溫室坐北朝南，后墻剖面圖為梯形，材質(zhì)為土，上寬1.5 m，下寬5.2 m，高3 m，下沉0.7 m，墻體外表面覆蓋有草簾和覆蓋層，日光溫室前采用鋼架結(jié)構(gòu)，聚乙烯薄膜覆蓋。試驗(yàn)期間，日光溫室內(nèi)種植西紅柿、黃瓜和芹菜等作物。

1.2 試驗(yàn)方法及儀器

試驗(yàn)時(shí)間為2012年12月至2013年2月，在8∶30至16∶30打開保溫被，在10∶00至14∶00打開通風(fēng)口。

試驗(yàn)采用自制多點(diǎn)溫度測(cè)試儀對(duì)土質(zhì)墻體的溫度進(jìn)行采集。多點(diǎn)溫度測(cè)試儀以STM32單片機(jī)為核心，DS18B20溫度傳感器將采集到的溫度通過(guò)單總線傳送至STM32單片機(jī)[11～13]，單片機(jī)接收并處理數(shù)據(jù)，處理后的數(shù)據(jù)保存在SD卡（Secure Digital Memory Card）中，以便日后數(shù)據(jù)的分析，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)IIC總線傳入至EEPROM中保存，用于溫度的實(shí)時(shí)顯示。

試驗(yàn)開始前對(duì)DS18B20溫度傳感器進(jìn)行精度調(diào)節(jié)，將精度調(diào)整到0.125℃，設(shè)計(jì)溫度采集時(shí)間間隔為10 min。

溫室室內(nèi)和室外不同部位均設(shè)有溫度傳感器，日光溫室自西至東分為三個(gè)部分：左部0～15 m、中部15～35 m和右部35～50 m。將已劃分好的三個(gè)部分在垂直方向把溫室等分為三段，在溫室內(nèi)墻三個(gè)部分每段中間各設(shè)一個(gè)溫度傳感器，分別用來(lái)采集土質(zhì)墻體上表面、中表面和下表面溫度；在墻體外表面和覆蓋層表面三個(gè)部分上各設(shè)一個(gè)溫度傳感器；室內(nèi)和室外的三個(gè)部分的中間位置各設(shè)一個(gè)溫度傳感器，用來(lái)采集室溫和外溫；在墻體內(nèi)部距頂部和內(nèi)表面0.4 m，距底部和內(nèi)表面0.4 m處各安放一個(gè)溫度傳感器，用來(lái)采集墻體內(nèi)部溫度，試驗(yàn)共計(jì)27個(gè)溫度采集點(diǎn)。溫室內(nèi)溫度測(cè)試點(diǎn)安放位置如圖1所示。

1.3 模擬條件及過(guò)程

日光溫室土質(zhì)墻體的工作環(huán)境為動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境，其傳熱過(guò)程屬于非穩(wěn)態(tài)傳熱。根據(jù)傳熱學(xué)理論可知[14]，日光溫室土質(zhì)墻體的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其厚度，近似認(rèn)為沿墻體長(zhǎng)度方向沒有熱量傳遞；對(duì)日光溫室土質(zhì)墻體溫度的實(shí)際測(cè)試表明，墻體在垂直方向上存在著溫差。綜上所述：日光溫室土質(zhì)墻體傳熱模型采用二維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，墻體的二維非穩(wěn)態(tài)傳熱物理過(guò)程由以下微分方程描述[15]：

采用Thermal Solid中的Quad 4node 55單元[17]，時(shí)間步長(zhǎng)為600 s，時(shí)間總長(zhǎng)為86 400 s，其中蓄熱時(shí)間28 800 s，放熱時(shí)間為57 600 s，單元格面積為m。墻體溫度場(chǎng)的模擬模型如圖2所示。

2012年12月至2013年2月時(shí)間段內(nèi)，山東泰安地區(qū)溫室溫度一天內(nèi)的變化情況約為8∶30至12∶30為溫度上升階段，12∶30至14∶30為均溫階段，而14∶30以后為降溫階段。在模擬8∶30至14∶30溫室內(nèi)溫度變化情況時(shí)，由于墻體外表面及頂部有毛氈覆蓋，溫度變化不大，設(shè)參考溫度為6℃，僅施加對(duì)流載荷；而由于內(nèi)表面溫差加大，且在垂直方向上溫度梯度不同，則將內(nèi)表面在垂直方向等分為三段，在每段上施加一個(gè)不同的溫度變化函數(shù)載荷。在模擬放熱階段過(guò)程中，刪除內(nèi)表面的溫度載荷，僅施加對(duì)流載荷。

圖2 墻體溫度場(chǎng)模擬模型網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 日光溫室墻體放熱階段瞬態(tài)有限元模擬與驗(yàn)證

對(duì)墻體放熱階段（14∶30至次日8∶20）的溫度場(chǎng)進(jìn)行ANSYS瞬態(tài)分析，同時(shí)利用溫度測(cè)試儀對(duì)墻體表面和墻體內(nèi)部溫度進(jìn)行采集，與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3和圖4所示。

每天14∶30至16∶40，隨著室外溫度的降低，室內(nèi)溫度也會(huì)隨之下降，此時(shí)土質(zhì)墻體處于放熱狀態(tài)，墻體釋放大量熱量，可以保證室內(nèi)溫度不會(huì)快速下降；在16∶40至次日8∶20之間土質(zhì)墻體放熱量減小，此時(shí)墻體作為日光溫室的熱源，持續(xù)向室內(nèi)放熱，維持室內(nèi)溫度，當(dāng)墻體的溫度與室內(nèi)溫度達(dá)到平衡時(shí)，墻體不再向室內(nèi)釋放熱量。圖中還顯示，墻體中表面的實(shí)測(cè)值與模擬值吻合最好，最大溫差為0.7℃，最小溫差為 0.67℃；墻體內(nèi)部的實(shí)測(cè)值與模擬值的最大溫差為1.54℃，最小溫差為0.22℃；而對(duì)于上、下兩表面，模擬值與實(shí)測(cè)值有一定誤差，原因是：①土壤的物性參數(shù)和實(shí)際參數(shù)有偏差；②在模擬過(guò)程中施加的對(duì)流載荷與實(shí)際對(duì)流有偏差；③忽略了室內(nèi)植物的放熱對(duì)模擬結(jié)果造成偏差導(dǎo)致ANSYS模擬下表面結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果溫度低；④覆蓋層與墻體之間有間隙導(dǎo)致ANSYS模擬上表面結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果高。但最大的模擬誤差僅為4.94%，仍滿足工程需要，說(shuō)明利用該方法獲得的結(jié)果具有較高的可靠性。

2.2 日光溫室放熱階段墻體內(nèi)部溫度場(chǎng)變化

進(jìn)一步研究墻體內(nèi)部一天內(nèi)溫度場(chǎng)變化情況，ANSYS模擬時(shí)間為2012年12月21日，結(jié)果如圖5所示，圖中a、b分別為墻體在22∶30（即模擬時(shí)間為28 800 s時(shí)）及次日8∶30（模擬時(shí)間為57 600 s時(shí)）溫度場(chǎng)的分布情況。

圖3 墻體表面實(shí)測(cè)溫度與ANSYS模擬溫度擬合曲線

圖4 墻體內(nèi)部實(shí)測(cè)溫度與ANSYS模擬溫度擬合曲線

圖5 放熱28 800 s及57 600 s時(shí)溫度場(chǎng)分布模擬結(jié)果

由圖5可以看出：墻體的下底部溫度較高，且在水平方向上溫度梯度變化較小，在10～14℃持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且穩(wěn)定。在日光溫室土質(zhì)墻體內(nèi)部溫度變化過(guò)程中，靠近墻體下底部的溫度高于墻體表面溫度，向墻體厚度方向推進(jìn)，溫度變化緩和。通過(guò)ANSYS模擬結(jié)果得出墻體的蓄熱/放熱層最小厚度約為0.3～0.5 m。

2.3 基于ANSYS模擬結(jié)果日光溫室土質(zhì)墻體保溫隔熱層結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在冬季日光溫室土質(zhì)墻體存在著保溫隔熱層，保溫隔熱層的厚度和位置不僅與墻體的厚度有關(guān)，而且與墻體表面接觸環(huán)境有關(guān)。對(duì)2012年12月至2013年2月溫室內(nèi)每天實(shí)際采集到的最高溫度求取平均值，為32℃。在ANSYS模擬過(guò)程中，對(duì)不同厚度墻體模擬模型的內(nèi)表面加載恒溫32℃，施加對(duì)流載荷，采用瞬態(tài)分析，單元格面積為0.1 m×0.1 m，設(shè)置仿真時(shí)間步長(zhǎng)為600 s，時(shí)間總長(zhǎng)為28 800 s，土質(zhì)墻體內(nèi)部溫度場(chǎng)變化如圖6所示。

在理想狀態(tài)下通過(guò)持續(xù)的恒溫傳熱確定保溫隔熱層的最大厚度，在實(shí)際過(guò)程中保溫隔熱層的厚度應(yīng)小于ANSYS模擬結(jié)果得出的厚度。由圖6可知，在墻體內(nèi)部溫度變化過(guò)程中，存在著保溫隔熱層。墻體下部的厚度大于上部厚度，但其保溫效果并沒有增加。在距內(nèi)表面0～0.5 m處溫度變化活躍，0.5～2.0 m處溫度變化緩和，且溫度梯度距離增加。通過(guò)ANSYS模擬結(jié)果表明墻體的保溫隔熱層厚度約為1.3～1.7 m，位置為距離墻體內(nèi)表面0.5～0.6 m處。

圖6 不同墻體厚度ANSYS模擬溫度場(chǎng)

3 結(jié)論

（1）利用ANSYS10.0軟件對(duì)日光溫室土質(zhì)墻體進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬，并通過(guò)實(shí)際測(cè)試溫度對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：模擬值與實(shí)測(cè)值的最大溫差為2.96℃，最小溫差為0.07℃，相對(duì)誤差為6.49%，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本一致。墻體在高度與厚度方向上均存在著溫差，在高度方向上，溫度由下而上遞減；在厚度方向上，溫度由內(nèi)表面到外表面遞減；墻體下底部溫度高且變化慢。

（2）ANSYS模擬結(jié)果表明，當(dāng)墻體超過(guò)最適厚度后，保溫效果不再隨墻體厚度的增加而增加。山東省泰安地區(qū)日光溫室土質(zhì)墻體的最小厚度應(yīng)為 2.2 m，其中0～0.5 m為蓄熱/放熱層，0.5～2.2 m為保溫隔熱層，蓄熱/放熱層隨室溫呈周期性變化，保溫隔熱層處于相對(duì)平衡狀態(tài)，隨外界溫度變化較小。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 孟力力. 基于 VB 和 MATLAB 的日光溫室熱環(huán)境模型構(gòu)建與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]. 北京： 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 2008.