日光溫室對(duì)流循環(huán)蓄熱墻體構(gòu)造對(duì)室內(nèi)氣流場(chǎng)的影響

王慶榮，程杰宇，崔文慧，夏楠，趙淑梅，馬承偉

(1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院/農(nóng)業(yè)設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2. 北京派得偉業(yè)科技發(fā)展有限公司，北京 100097；3. 北京中農(nóng)富通園藝有限公司，北京 100083)

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日光溫室對(duì)流循環(huán)蓄熱墻體構(gòu)造對(duì)室內(nèi)氣流場(chǎng)的影響

王慶榮1，程杰宇1，崔文慧2，夏楠3，趙淑梅1，馬承偉1

(1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院/農(nóng)業(yè)設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2. 北京派得偉業(yè)科技發(fā)展有限公司，北京 100097；3. 北京中農(nóng)富通園藝有限公司，北京 100083)

【目的】適當(dāng)空氣流動(dòng)對(duì)植物的生長(zhǎng)非常重要，研究新型對(duì)流循環(huán)蓄熱墻體構(gòu)造對(duì)日光溫室中所形成的氣流影響?！痉椒ā客ㄟ^(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在距離墻體0.3 m、0.6 m、0.9 m位置對(duì)上下兩排通氣孔高度處的氣流速度和溫度等進(jìn)行了測(cè)試，并在測(cè)試的基礎(chǔ)上，通過(guò)FLUENT軟件，對(duì)包括作物在內(nèi)空間的氣流分布進(jìn)行模擬分析?！窘Y(jié)果】該墻體構(gòu)造所形成的循環(huán)氣流，可以在一定程度上擾動(dòng)室內(nèi)空氣，進(jìn)而在溫室內(nèi)走道和作物栽培行間等位置形成氣流，其中溫室跨中栽培行間的下部平均氣流速度可達(dá)0.25 m/s?！窘Y(jié)論】對(duì)流循環(huán)蓄熱墻體自身的對(duì)流作用，可對(duì)日光溫室冬季封閉栽培條件下的氣流環(huán)境有一定的改善作用。

日光溫室；對(duì)流循環(huán)墻體；氣流場(chǎng)；CFD模擬

0 引 言

【研究意義】氣流是植物生長(zhǎng)的重要環(huán)境因子之一，它會(huì)影響到作物的光合作用、蒸騰作用以及葉面溫度等。日光溫室生產(chǎn)條件下，冬季栽培基于保溫需要，除了晴天中午短暫的自然通風(fēng)之外，大多數(shù)時(shí)間處于密閉狀態(tài)，導(dǎo)致室內(nèi)空氣基本處于無(wú)風(fēng)的停滯狀態(tài)。這種現(xiàn)象會(huì)使作物冠層空間溫度、濕度以及CO2濃度等環(huán)境因子分布不均，無(wú)法為作物生長(zhǎng)提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境[1]。有研究表明，在作物栽培環(huán)境中，冠層保持微風(fēng)狀態(tài)對(duì)作物生長(zhǎng)相當(dāng)有利，一定的氣流流動(dòng)能夠使熱量、水汽、CO2等在作物層以及空氣之間的傳遞、輸送作用增強(qiáng)，使作物層內(nèi)的溫濕度分布得到調(diào)節(jié)，避免了在某個(gè)層次上出現(xiàn)過(guò)高或過(guò)低的溫度、過(guò)大的濕度等現(xiàn)象，以利于作物的正常生長(zhǎng)[2]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】一般情況下，氣流速度在0～0.5 m/s，作物的凈光合速率會(huì)隨著氣流速度的增大而增加；當(dāng)空氣濕度增加到80%時(shí)，黃瓜凈光合速率甚至在氣流速度0～1.2 m/s下都會(huì)隨著氣流速度的增大而增加。主要是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)目諝饬鲃?dòng)可以減小葉面邊界層阻力，促進(jìn)葉面和周?chē)諝庵g能量及相關(guān)氣體的交換[3]。也有研究認(rèn)為氣流對(duì)葉外CO2的擴(kuò)散有影響，對(duì)作物最重要的影響是晃動(dòng)作用，在氣流的作用下作物群體葉片不停的擺動(dòng)，群體中形成時(shí)間間隔極短的明暗交替，這種閃光的光合效應(yīng)比連續(xù)光的更為有效和明顯。對(duì)于同化CO2來(lái)說(shuō)，閃光可以將光合作用的量子效率提高一倍。有試驗(yàn)研究表明，在周期為6～7 s的閃光條件下，蘿卜可增產(chǎn)200%，黃瓜增產(chǎn)50%，番茄增產(chǎn)10%[4]。部分學(xué)者研究了不同氣流速度對(duì)作物栽培的影響?？自频萚5]在室內(nèi)氣流對(duì)培育甜瓜壯苗的實(shí)際效果研究中，使用機(jī)械送風(fēng)對(duì)“伊麗莎白”厚皮甜瓜壯苗進(jìn)行處理，結(jié)果表明，處理后的莖粗、葉片厚度等相對(duì)于無(wú)空氣流動(dòng)狀態(tài)均有所增加，并篩選出0.5 m/s的氣流速度適宜在生產(chǎn)上使用。楊振超等[6]研究了氣流對(duì)厚皮甜瓜開(kāi)花坐果期生長(zhǎng)發(fā)育和生理效應(yīng)的影響，結(jié)果表明，增大氣流速度至1.0 m/s時(shí)，較無(wú)風(fēng)狀態(tài)單葉葉面積、葉面積指數(shù)等均有大幅度增加。Jun Gu Lee等[7]對(duì)葉用萵苣品種進(jìn)行了溫度、氣流速度和光照強(qiáng)度研究，表明0.28 m/s穩(wěn)定氣流下能有效降低tipburn癥狀。T Nishikawa[8]對(duì)植物工廠內(nèi)使用電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)研究氣流對(duì)萵苣生長(zhǎng)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，與對(duì)照組相比對(duì)氣流控制結(jié)果大萵苣產(chǎn)量提高20%。李霞等[9-10]通過(guò)溫室盆栽試驗(yàn)分別對(duì)莧菜和甜椒進(jìn)行了研究，研究了不通氣流速度下對(duì)蒸騰及生長(zhǎng)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)莧菜蒸騰速率和蒸騰量差異不顯著，但氣流速度處理對(duì)溫室盆栽的地上部鮮重、地下部鮮重以及根冠比增加均有顯著的影響，并認(rèn)為對(duì)盆栽甜椒溫室最適宜的氣流速度為0.8 m/s左右。N.E.Andersson[11]研究了氣流速度對(duì)水仙花生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明，氣流速度會(huì)影響植株高度的變化，高于0.1 m/s的氣流速度對(duì)植株干重有顯著影響，高于0.8 m/s的氣流速度對(duì)植株鮮重有顯著影響。張建光等[12]研究了蘋(píng)果果面日最高溫與主要?dú)庀笠蜃拥年P(guān)系，結(jié)果表明，氣流速度與果實(shí)表面溫度呈高度相關(guān)。謝貴水等[13]研究了影響甘蔗株高生長(zhǎng)的氣象因子，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)平均氣流速度本身對(duì)株高生長(zhǎng)有一定的正效應(yīng)。針對(duì)日光溫室通風(fēng)對(duì)調(diào)控氣流環(huán)境的影響，部分學(xué)者對(duì)日光溫室通風(fēng)方式進(jìn)行了相關(guān)研究。余亞軍[14]對(duì)溫室內(nèi)部分區(qū)域提出了一種新的通風(fēng)模式—局部置換通風(fēng)方式，并對(duì)局部通風(fēng)模式效果進(jìn)行了模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。鑒于局部置換通風(fēng)方式的特殊性，對(duì)溫室冬季的遮陽(yáng)網(wǎng)封閉不嚴(yán)的情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出華北型溫室冬季平均綜合傳熱系數(shù)為4.21 W/(·K)。張志臣等[15]對(duì)蔬菜日光溫室在生產(chǎn)上通風(fēng)運(yùn)用存在的一些誤區(qū)進(jìn)行了糾正。Takeshi kuroyanagi[16]通過(guò)大量試驗(yàn)測(cè)試對(duì)室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行了測(cè)定，得出雖然循環(huán)風(fēng)機(jī)大量應(yīng)用，但很難去評(píng)測(cè)日本循環(huán)風(fēng)機(jī)的實(shí)際效果。其還通過(guò)在作物層上部添加循環(huán)風(fēng)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行了CFD模擬，結(jié)果表明，在沒(méi)有作物時(shí)，氣流速度大于0.15 m/s的網(wǎng)格空間為73.4%，有作物存在時(shí)該百分比下降至53.5%～61.2%，作物會(huì)對(duì)氣流產(chǎn)生阻礙作用。【本研究切入點(diǎn)】氣流的存在對(duì)栽培環(huán)境極為重要。但是日光溫室中針對(duì)氣流的調(diào)控措施還不是很多。目前最為常用的自然通風(fēng)主要以排除余熱和濕氣為目的，循環(huán)風(fēng)機(jī)的應(yīng)用主要用于連棟溫室，鑒于成本等問(wèn)題在日光溫室中還比較少見(jiàn)。研究開(kāi)發(fā)一種經(jīng)濟(jì)有效的日光溫室氣流調(diào)控措施?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】研究針對(duì)新開(kāi)發(fā)的對(duì)流循環(huán)蓄熱墻體構(gòu)造，在研究其蓄熱放熱效果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究其循環(huán)氣流對(duì)室內(nèi)空氣的擾動(dòng)效果，全面評(píng)價(jià)該新型墻體構(gòu)造，日光溫室的環(huán)境調(diào)控提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)日光溫室位于北京通州區(qū)(116.6°E ，39.9°N)，東西長(zhǎng)度60 m，南北跨度8 m,墻體高度2.8 m。前坡面和后坡面為鋼結(jié)構(gòu)半拱形焊接桁架結(jié)構(gòu)，前屋面采用0.08 mm厚的PO薄膜作為覆蓋材料，后屋面采用100 mm厚彩鋼板。墻體為新型對(duì)流循環(huán)蓄熱墻體，采用填滿(mǎn)水泥砂漿的混凝土空心砌塊砌筑的通體中空構(gòu)造，其由內(nèi)至外為400 mm厚空心砌塊、600 mm厚中空、200 mm厚空心砌塊、100 mm厚聚苯板保溫層。墻體上下部設(shè)置有150 mm×150 mm的通氣孔，上下通氣孔中心間距2.04 m。為了增強(qiáng)對(duì)流效果，在墻體上部通氣孔處安裝了部分小風(fēng)扇，其他上部通氣孔進(jìn)行了密封處理。

作為對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)同時(shí)建造的另一棟完全相同的溫室上下部通氣孔，全部進(jìn)行密封處理。測(cè)試期間種植的作物為櫻桃番茄，基質(zhì)栽培。試驗(yàn)溫室及墻體中空部分構(gòu)造。圖1，圖2

該溫室設(shè)計(jì)的對(duì)流循環(huán)蓄熱墻體構(gòu)造是為了增加墻體蓄熱和放熱效果而開(kāi)發(fā)的，其原理及初步蓄放熱效果參見(jiàn)文獻(xiàn)[17]。研究其上下通氣孔形成的循環(huán)氣流對(duì)室內(nèi)空間的影響。

圖1 溫室構(gòu)造

1.2 方 法

1.2.1 測(cè)試項(xiàng)目

從關(guān)注氣流的角度出發(fā)，試驗(yàn)中測(cè)試室內(nèi)氣流速度和空氣溫度。在北側(cè)走道，沿東西方向共選取9個(gè)測(cè)試斷面，斷面間距6.0 m；測(cè)點(diǎn)分別位于各斷面距離墻體表面0.3、0.6和0.9 m處的上下通氣孔中心處。在溫室栽培區(qū)，作物冠層的影響會(huì)形成湍流，很難測(cè)試，因此主要在溫室下部設(shè)置了測(cè)點(diǎn)。即在溫室中部設(shè)置了7個(gè)測(cè)試斷面，斷面間隔5.5 m(間隔5個(gè)栽培行)，在每個(gè)斷面的溫室跨中(距墻體表面4.1 m處)和南部邊界處(距墻體表面7.4 m)各設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，高度與下部通氣孔中部水平高度一致。繪測(cè)點(diǎn)布置方案。圖2，圖3

圖2 室內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置斷面示意

圖3 室內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置平面示意

試驗(yàn)選用Model KA32/41智能型風(fēng)速風(fēng)量計(jì)(KANOMAX，日本)，可同時(shí)采集氣流速度、風(fēng)溫、風(fēng)量、風(fēng)壓等環(huán)境指標(biāo)。其主要技術(shù)參數(shù)：氣流速度測(cè)試范圍0.10～30.0 m/s，精度±(3%測(cè)量值±0.1 m/s)；風(fēng)溫測(cè)試范圍-20.0～60.0℃，精度±0.5℃。因?yàn)闅饬魉俣葴y(cè)量時(shí)受人為走動(dòng)影響較大，所以在測(cè)量之前保證室內(nèi)無(wú)人走動(dòng)，選擇氣流速度較平穩(wěn)的天氣和時(shí)間段進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)適當(dāng)遠(yuǎn)離測(cè)量位置，使用儀器伸長(zhǎng)桿上的探頭放在測(cè)量位置處。每個(gè)測(cè)點(diǎn)交替重復(fù)測(cè)試3次，每一次記錄儀器測(cè)量10次的平均值，取3次測(cè)量結(jié)果的平均值。

選取2016年1月25日(晴，無(wú)持續(xù)風(fēng)向微風(fēng))下午為測(cè)試和驗(yàn)證時(shí)間。另外，作為相關(guān)邊界條件，采用Testo175-H1溫濕度計(jì)(德國(guó))測(cè)量室內(nèi)空氣溫度，采用Onset S-LIB-M003太陽(yáng)總輻射傳感器(美國(guó))測(cè)試室內(nèi)太陽(yáng)總輻射，采用Onset H21-002室外氣象站(美國(guó))測(cè)試了室外空氣溫度和太陽(yáng)總輻射，采用HFP01-15熱通量板(荷蘭)測(cè)量圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面熱通量。

室外氣象數(shù)據(jù)通過(guò)室外氣象站獲得，氣流速度和風(fēng)溫采用人工測(cè)試、記錄，其他全部自動(dòng)記錄并采集，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為10 min。

對(duì)照溫室的測(cè)試方案與上述試驗(yàn)溫室完全相同。

1.2.2 可視化模擬方法

1.2.2.1 模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

日光溫室因其東西狹長(zhǎng)的構(gòu)造特點(diǎn)，氣流場(chǎng)的變化主要體現(xiàn)在跨度方向斷面上，模型采用與實(shí)體建筑等比例構(gòu)建。一般而言，三維模型能夠更加準(zhǔn)確地描述實(shí)際情況[18]，因此，使用Gambit軟件構(gòu)建日光溫室及其內(nèi)部栽培區(qū)域的三維模型，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在上部通氣孔和下部通氣孔處作網(wǎng)格加密處理；采用多孔介質(zhì)模型對(duì)日光溫室內(nèi)具體部位的栽培作物進(jìn)行建模以及網(wǎng)格劃分。模擬時(shí)選取室內(nèi)空間及整個(gè)墻體作為計(jì)算域。同時(shí)模擬時(shí)需要作以下假設(shè)，即忽略日光溫室上下通風(fēng)孔建造偏差等對(duì)氣流的影響，忽略栽培槽形狀的影響，忽略室外氣流速度對(duì)室內(nèi)氣流的影響。圖4

圖4 日光溫室網(wǎng)格劃分

1.2.2.2 CFD物理模型控制方程

日光溫室內(nèi)的氣體流動(dòng)受物理守恒定律的支配，包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律，因?yàn)橐紤]到栽培作物的影響，還要考慮能量守恒定律[19]。研究主要使用守恒型控制方程來(lái)建立基于有限體積法的離散方程。通用控制方程如下：

其展開(kāi)形式為：

考慮到日光溫室內(nèi)氣流流動(dòng)呈現(xiàn)無(wú)序的混亂狀態(tài)，模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來(lái)模擬室內(nèi)氣體的湍流輸送過(guò)程，此模型在日光溫室環(huán)境模擬中獲得了較高精度。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中的k和ε是兩個(gè)未知量，不考慮自定義源項(xiàng)時(shí)其方程表達(dá)式為[20]：

番茄作物層對(duì)室內(nèi)空氣流速有很大影響。作物層的蒸騰作用及與周?chē)諝忾g的相互作用直接影響邊界層處的空氣流動(dòng)，因此對(duì)作物做多孔介質(zhì)處理，根據(jù)Darcy-Forchheimer定律建立邊界層與室內(nèi)氣流速度之間的數(shù)學(xué)模型，作為方程(1)的源項(xiàng)添加到動(dòng)量方程中。

式中Sφ為動(dòng)量源項(xiàng)；KP為多孔介質(zhì)的滲透率，KP=0.395；CF為非線性動(dòng)量損失因子；μ為空氣動(dòng)力度[21]?？紤]到栽培形狀對(duì)氣流的影響，將室內(nèi)距東側(cè)山墻9 m以西36.7 m范圍內(nèi)，種植的34列番茄栽培行按照室內(nèi)實(shí)際栽培行形狀、吊蔓植株高度、行間距等對(duì)其進(jìn)行近似建模處理。栽培行寬度為0.4 m、行間距為0.7 m，栽培行北側(cè)植株高度為1.75 m，南側(cè)位置受前屋面影響按照實(shí)際生長(zhǎng)高度趨勢(shì)設(shè)置為弧形降低曲線，栽培行前端距離室內(nèi)前端位置0.6 m，并使用Cooper方式對(duì)栽培行進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖4

1.2.2.3 邊界、初始條件與模型計(jì)算

將墻內(nèi)中空部分與室內(nèi)空氣聯(lián)通起來(lái)考慮，將根據(jù)實(shí)際情況需要開(kāi)啟的小風(fēng)扇入口設(shè)置為風(fēng)機(jī)邊界(Fan)，風(fēng)機(jī)的物理模型是一個(gè)無(wú)限薄的面，壓強(qiáng)在經(jīng)過(guò)這個(gè)面時(shí)出現(xiàn)躍升，而躍升的值是速度的函數(shù)[22]。由小風(fēng)扇做功等于氣流所增加的動(dòng)能，實(shí)測(cè)的小風(fēng)扇對(duì)應(yīng)通氣孔內(nèi)氣流速度計(jì)算得上部單個(gè)通氣孔小風(fēng)扇處壓力差為3.5 Pa；其他未開(kāi)啟的通氣孔做不透風(fēng)處理，與墻體一同考慮為壁面邊界(Wall)；下部出通氣孔設(shè)置為內(nèi)部界面(Interior)邊界條件；圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及地面設(shè)為壁面條件(Wall)。

考慮到空氣溫度差會(huì)對(duì)室內(nèi)氣流產(chǎn)生影響，啟用能量方程，并考慮重力影響。選用DO輻射模型，Sun Direction Vector選用Fluent軟件自帶Solar Calculator計(jì)算結(jié)果，Sunshine Factor 選擇1?？紤]到圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地面等與室內(nèi)氣流進(jìn)行對(duì)流換熱，將前屋面熱條件設(shè)置為輻射情況，圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置為對(duì)流換熱情況，各部分材料參數(shù)和尺寸等屬性按照實(shí)際值設(shè)置。北墻熱條件根據(jù)測(cè)試熱通量設(shè)置為熱流情況，后屋面設(shè)置為溫度情況，邊界均設(shè)為不可產(chǎn)熱情況。

采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值求解，近壁區(qū)的模擬采用壁面函數(shù)法，不考慮濕度影響采用Boussinesq假設(shè)[23]，控制方程采用基于有限體積法的離散方法，動(dòng)量、湍動(dòng)能、湍流耗散率選用空間離散高階離散格式中的二級(jí)迎風(fēng)格式，基于SIMPLE算法進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算與求解。壓力、密度、體積力、動(dòng)量、能量、DO、κ、ε、μ等欠松弛因子為默認(rèn)設(shè)置。

2 結(jié)果與分析

2.1 測(cè)試結(jié)果

在兩棟溫室完全沒(méi)有放風(fēng)條件下開(kāi)始觀測(cè)。當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，試驗(yàn)溫室開(kāi)啟通氣孔的小風(fēng)扇，進(jìn)行墻體內(nèi)外空氣的強(qiáng)制對(duì)流。在此條件下，測(cè)得的對(duì)照溫室與試驗(yàn)溫室內(nèi)的氣流速度統(tǒng)計(jì)。表1，表2

由表1的對(duì)照溫室測(cè)試結(jié)果可以看出，封閉狀態(tài)下室內(nèi)最大氣流速度僅為0.05 m/s，近似于靜止?fàn)顟B(tài)。而表2的試驗(yàn)溫室中，所有測(cè)點(diǎn)的氣流速度明顯高于對(duì)照溫室，其中在墻體附近，最大氣流速度可達(dá)1.04 m/s，說(shuō)明在該溫室中，墻體的對(duì)流循環(huán)蓄熱作用同時(shí)給室內(nèi)空間帶來(lái)了一定的氣流擾動(dòng)；并且下部通氣孔位置處的氣流速度明顯高于上部通氣孔。另外，從表2的結(jié)果還可以看出，試驗(yàn)溫室墻體對(duì)流循環(huán)氣流的影響使得溫室跨中及溫室南側(cè)栽培行間的下部可以分別獲得0.25 m/s和0.07 m/s的氣流速度。

2.2 模擬模型驗(yàn)證

選取模擬氣流速度與同一時(shí)刻、同一位置的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)來(lái)驗(yàn)證模型，結(jié)果表明，模擬值與各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值吻合較好，除距離墻體小風(fēng)扇較遠(yuǎn)位置數(shù)值較小的個(gè)別點(diǎn)外，模擬值和實(shí)測(cè)值趨勢(shì)基本一致。二者平均相對(duì)誤差為10.1%，最大相對(duì)誤差為21.1%，數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)有較好的吻合度，CFD模型可靠性高。圖5，圖6

模擬值在東西測(cè)點(diǎn)方向上波動(dòng)幅度小，實(shí)測(cè)值在東側(cè)略微大于西側(cè)，分析其原因可能是由于溫室開(kāi)門(mén)位置在東側(cè)墻上，致使冷風(fēng)滲透及小風(fēng)扇微小供電功率差距所導(dǎo)致的。上下部通氣孔所有數(shù)據(jù)隨著遠(yuǎn)離墻體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

表2 試驗(yàn)溫室內(nèi)上下部通氣孔高度測(cè)點(diǎn)氣流速度(m/s)

圖5 上部通氣孔截面氣流速度模擬值與實(shí)測(cè)值比較

圖6 下部通氣孔截面氣流速度模擬值與實(shí)測(cè)值比較

3 討 論

在對(duì)照溫室中，封閉狀態(tài)下室內(nèi)空氣基本處于停滯狀態(tài)，而在試驗(yàn)溫室中，雖然該墻體構(gòu)造的主要作用在于蓄熱和放熱，但是其上下通氣孔形成的內(nèi)外循環(huán)氣流是可以在一定程度上擾動(dòng)室內(nèi)空氣，形成室內(nèi)氣流的。距離墻體0.3、0.6和0.9 m處上、下部通氣孔前方的平均氣流速度，上部分別為0.12、0.07和0.06 m/s；下部分別為1.01、0.65和0.41 m/s。其中，在下部通氣孔附近的氣流大于上部，這可能是由于上部進(jìn)風(fēng)口氣流范圍大，而下部風(fēng)口氣流射流集中，形成了較高速度的射流，對(duì)空氣擾動(dòng)較大所致。該氣流在溫室下部空間，還能影響到溫室中部，在跨中位置，仍然有0.25 m/s的氣流速度，甚至在溫室的南側(cè)也會(huì)有微弱的氣流存在。

由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的局限性，不能很全面、很直觀地了解墻體循環(huán)氣流對(duì)溫室其他區(qū)域的影響，因此借助CFD模擬結(jié)果進(jìn)行分析。在對(duì)模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，模擬分析了這一墻體對(duì)流循環(huán)氣流對(duì)室內(nèi)栽培空間的影響，從溫室空間氣流分布的三維矢量圖中可以看出，接近上、下部通氣孔附近氣流速度較快，其中下部通氣孔前方溫室內(nèi)位置氣流速度明顯，且氣流復(fù)雜。室內(nèi)栽培行區(qū)域遠(yuǎn)離墻體位置處氣流速度較小，但可以在植物栽培行區(qū)域上部空間形成環(huán)形分布的氣流場(chǎng)，且較為均勻。說(shuō)明采用對(duì)流循環(huán)墻體對(duì)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)氣流循環(huán)流動(dòng)有一定的影響。圖7

為了更好地研究墻體構(gòu)造導(dǎo)致的氣流對(duì)室內(nèi)空氣流動(dòng)特性及對(duì)室內(nèi)栽培作物的影響，分別對(duì)溫室中部栽培行所處斷面和栽培行間所處溫室橫斷面進(jìn)行分析，其模擬結(jié)果分別如下：

在墻體位置，室內(nèi)空氣從上部通氣孔吸入墻體內(nèi)部，再?gòu)南虏客饪着懦觯绱搜h(huán)往復(fù)形成氣流。這個(gè)過(guò)程可以間接地看出室內(nèi)空氣與墻體進(jìn)行熱交換的過(guò)程，但是這個(gè)氣流同時(shí)也會(huì)擾動(dòng)室內(nèi)空氣，在作物冠層頂部形成一定的氣流，這對(duì)改善冠層頂部的環(huán)境、促進(jìn)作物的光合作用具有一定的意義，但在作物中間由于植株密度較高，幾乎沒(méi)有氣流。圖8(a)

在作物栽培行間所處的斷面，整個(gè)斷面均有一定的氣流，并且有渦流出現(xiàn)，使得溫室內(nèi)部氣流變化幅度較大。氣流繞渦流中心位置運(yùn)動(dòng)，有利于栽培行內(nèi)的空氣與栽培行間進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，對(duì)室內(nèi)溫度等環(huán)境因子的均勻有一定的促進(jìn)作用，提高環(huán)境的均勻性。圖8(b)

圖7 新型蓄熱日光溫室內(nèi)部氣流流速矢量分布

圖8 試驗(yàn)溫室橫斷面(X軸方向)氣流速度矢量分布

在溫室地面附近氣流速度明顯高于上部空間，為進(jìn)一步分析底部的氣流情況，在作物栽培基質(zhì)表面以上0.1 m高度處選取一個(gè)水平面進(jìn)行分析表明，在下部通氣孔高度處的水平面上，整個(gè)溫室分布特征比較明顯。其中在溫室中間34列栽培行內(nèi)以及中部墻體留有門(mén)位置，氣流很微弱；在溫室東西兩端未看到栽培行影響，這是因?yàn)闇厥覂啥说姆N植密度很低，并未進(jìn)行正常栽培。但是在中間大部分正常區(qū)域內(nèi)(距東側(cè)山墻9.0 m以西36.7 m范圍內(nèi))，可以看出栽培行的影響，行間存在較為明顯的氣流速度。由于斷面位于栽培基質(zhì)表面以上0.1 m位置處，表明作物根部附近氣流較為明顯，有利于作物根部附近空氣環(huán)境的改善。圖9

圖9 下部通氣孔高度處溫室水平氣流場(chǎng)分布

4 結(jié) 論

日光溫室新型對(duì)流循環(huán)蓄熱墻體構(gòu)造，其所形成的墻體內(nèi)外循環(huán)氣流，除了具有提高溫室蓄熱放熱效果的性能外，也會(huì)對(duì)溫室內(nèi)部空間的氣流場(chǎng)產(chǎn)生影響。

通常日光溫室在封閉條件下，很利于保溫，但是室內(nèi)空氣基本處于停滯狀態(tài)，缺乏空氣流流動(dòng)。與之相比，對(duì)流循環(huán)蓄熱墻體構(gòu)造自身蓄熱放熱過(guò)程中所形成的氣流，會(huì)對(duì)室內(nèi)空氣產(chǎn)生擾動(dòng)作用，形成室內(nèi)氣流。

通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)所構(gòu)建的CFD模型進(jìn)行了驗(yàn)證，在驗(yàn)證的基礎(chǔ)上利用實(shí)測(cè)邊界條件對(duì)溫室氣流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析。對(duì)流循環(huán)蓄熱墻體所導(dǎo)致的室內(nèi)氣流，主要集中在靠近墻體的走道位置以及作物行間位置，對(duì)擾動(dòng)室內(nèi)空氣，改善室內(nèi)環(huán)境的均勻性具有一定的作用；作物冠層以上空間也會(huì)形成一定的氣流，但是作物栽培區(qū)域影響效果不大。

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Impact on Indoor Air Distribution with the Convective Circulation Thermal Storage Wall of Chinese Solar Greenhouse

WANG Qing-rong1, CHENG Jie-yu1, CUI Wen-hui2, XIA Nan3,ZHAO Shu-mei1, MA Cheng-wei1

(1. College of Water Conservancy and Civil Engineering, China Agriculture University/KeyLaboratoryofAgriculturalEngineeringinStructureandEnvironment,Beijing100083,China;2.BeijingPAIDEScienceandTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.Beijing100097,China;3BeijingZhongnongFutongHorticultureCo.,Ltd.Beijing100083,China)

【Objective】 Proper airflow is very important for the plant growth; this study aims to explore the airflow effect caused by the new convective circulation thermal storage wall structure in Chinese solar greenhouse.【Method】Based on field experiment method, points of wind speed and temperature were tests from the back wall 0.3 m, 0.6 m and 0.9 m on the bottom two rows vent holes height. And on a test basis, the air distribution simulation analysis including crop space was carried out by the Fluent software.【Result】The result of measurement and simulation analysis showed that recycle stream，which was formed by wall structure，could be disturbing indoor airflow to some extents, thereby forming airflow in the aisles between drop cultivation rows and other locations. The measuring points average wind speed at the bottom cultivated rows middle position was of up to 0.25 m/s.【Conclusion】The self-convection of the new convective circulation and thermal storage wall have some improvement action for the solar greenhouse airflow environment in the winter closed cultivation conditions.

Chinese solar greenhouse; convective circulation wall; airflow field;CFD simulation

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.07.020

2016-03-09

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201203002)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)(CARS-25-D-04)；“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃課題(2013AA102407)

王慶榮(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樵O(shè)施園藝工程，(E-mail)cau_wqr@126.com

趙淑梅(1967-)，女，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樵O(shè)施園藝工程，(E-mail)zhaoshum@cau.edu.cn

S625.5+3

A

1001-4330(2016)07-1319-10