苦豆子堆腐產(chǎn)熱對溫室大棚內(nèi)溫度場的影響

李 濤 陳維鉛 陳祥玉

（1酒泉職業(yè)技術學院/甘肅省太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程重點實驗室，甘肅酒泉 735000；2蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅蘭州 730050）

設施農(nóng)業(yè)是運用工程技術手段進行高效生產(chǎn)的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方式[1]，現(xiàn)階段已發(fā)展成為技術密集型產(chǎn)業(yè)，以高產(chǎn)出、高效益而被廣泛應用于北方嚴寒地區(qū)[2-3]。由于溫室大棚系統(tǒng)復雜多變，影響因素除環(huán)境溫度外，還有水分、CO2以及溫室內(nèi)其他散熱物[4]，多因素耦合給溫室內(nèi)溫度場調(diào)控帶來許多難度[5]。在北方寒冷地區(qū)，秋、冬季節(jié)室外溫度較低，露天堆腐苦豆子秸稈耗時較長且腐熟程度不高，無法達到預期的肥力效果[6]。將苦豆子秸稈置于溫室大棚內(nèi)的基質(zhì)槽中進行堆腐發(fā)酵，可以有效提高發(fā)酵效率，且能夠獲得腐熟程度較高、肥力均勻的堆肥。對溫室大棚內(nèi)堆肥熱物理學特性進行研究，掌握堆腐傳熱、溫度場變化可以提高堆肥的產(chǎn)出效益[7]。

苦豆子是豆科槐屬多年生草本植物，基部呈木質(zhì)化，其秸稈堆腐有機肥在設施瓜果上應用效果比較明顯[8-9]?？喽棺咏斩捀邷囟迅?，發(fā)酵產(chǎn)熱對溫室流場和溫度有較大影響。目前，國內(nèi)對日光溫室環(huán)境的研究主要是集中在日光溫室環(huán)境要素（光照、溫度、濕度等）分布和變化規(guī)律方面[10-11]，如孫鑫[12]在大跨度塑料大棚熱環(huán)境及有限元模擬分析中指出，塑料大棚夏季典型天氣下氣溫變化相對穩(wěn)定，土壤溫度在相同深度下也表現(xiàn)出相同規(guī)律。李清明等[13]認為，日光溫室內(nèi)南北方向上的地溫梯度明顯，中部區(qū)域地溫最高，并由此向南北方向遞減。Mistriotis等[14]應用CFD知識對不同結(jié)構(gòu)溫室的通風效果進行分析和預測，并對溫室內(nèi)部的能量平衡進行計算。Baille[15]對四跨連棟Venlo型溫室的流場進行了自然對流穩(wěn)態(tài)計算，并與試驗測量結(jié)果高度一致證明了CFD方法對溫室內(nèi)氣流場計算的可行性。于 洋等[16]發(fā)現(xiàn)，夜間室內(nèi)地面附近的位置溫度相對較高，室內(nèi)地面土體蓄放熱對于維持室內(nèi)溫度也很重要。這些研究都對溫室大棚的環(huán)境因子模擬模型進行了研究，結(jié)果均與日光溫室所處地區(qū)和溫室結(jié)構(gòu)形式有關。科學把握溫室大棚內(nèi)溫度場變化對確?？喽棺咏斩挾逊实漠a(chǎn)出效率和品質(zhì)至關重要，日光溫室的光熱環(huán)境因子的不均勻性是日光溫室內(nèi)生產(chǎn)有機肥所面臨的主要問題。但是，苦豆子堆腐散熱對室內(nèi)溫光因子分布差異性、相關性研究較少。在溫室大棚基質(zhì)槽內(nèi)進行堆腐發(fā)酵，可以有效縮短堆肥的腐熟周期，最大限度減少養(yǎng)料損耗。本文擬對溫室大棚內(nèi)基質(zhì)槽中苦豆子秸稈堆腐散熱進行穩(wěn)態(tài)模擬分析和試驗，旨在了解和掌握堆腐散熱條件下溫室內(nèi)溫度場變化特點，從而提高苦豆子秸稈堆腐的調(diào)控水平。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本試驗溫室大棚位于酒泉職業(yè)技術學院農(nóng)業(yè)高科技示范園內(nèi)，地理坐標為北緯 39°24'、東經(jīng) 98°31'。試驗溫室大棚為冬暖式溫室大棚，尺寸（長×寬×高）為50.0 m×10.0 m×3.1 m，溫室呈東西走向，北墻采用空心磚砌成，寬度為1.2 m，東、西墻寬度為1.4 m。屋脊與水平呈56°，溫室覆蓋材料為LDPE，厚度為0.15 mm。室內(nèi)由西向東平行排布7個基質(zhì)槽（圖1、圖 2、圖 3），依次標記為 a、b、c、d、e、f、g，基質(zhì)槽尺寸（長×寬×高）均為 9.0 m×4.0 m×0.8 m，槽間距均為 2 m。

圖1 溫室大棚內(nèi)基質(zhì)槽排布三維結(jié)構(gòu)

圖2 溫室大棚外景

圖3 溫室大棚內(nèi)基質(zhì)槽實景

1.2 堆肥試驗

將苦豆子秸稈粉碎至2～3 cm，通過加拌羊糞、尿素來調(diào)節(jié)碳氮比，含水量控制在60%左右，促進堆腐發(fā)酵。反復人工翻堆，混合均勻后轉(zhuǎn)入基質(zhì)槽內(nèi)，一層一層踩實，堆體高度與基質(zhì)槽高度基本持平?；|(zhì)槽內(nèi)發(fā)酵堆肥測溫布點示意圖如圖4所示，溫度測量采用日本林電工PT100溫度傳感器 （型號CRZ-1632-Pd）。在基質(zhì)槽側(cè)壁面、頂面對角線交點處安放溫度傳感器，每天 11：00、13：00、15：00 進行測定，堆腐發(fā)酵期內(nèi)不進行翻堆操作。發(fā)酵完成時，堆肥顏色表現(xiàn)為黑褐色，堆體溫度與大棚內(nèi)溫度基本一致。

圖4 基質(zhì)槽內(nèi)堆肥測溫布點示意圖

1.3 邊界條件

在基質(zhì)槽中選取4個側(cè)壁面以及頂面為導熱邊界，基質(zhì)槽5個面邊界與空氣對流換熱，屬于第三類邊界。

式中：h為溫室內(nèi)空氣和堆腐基質(zhì)的對流換熱系數(shù)；Tn為大棚內(nèi)空氣溫度；T為基質(zhì)槽側(cè)壁面和頂面溫度；n為外法線方向，不考慮其他換熱。

溫室和基質(zhì)槽三維CFD模型計算域網(wǎng)格圖如圖5所示。網(wǎng)格的劃分采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，根據(jù)其傳熱效果的計算進行網(wǎng)格無關性檢測。當網(wǎng)格數(shù)＞429 687時，再增大網(wǎng)格數(shù)量，其計算效果不會發(fā)生明顯的變化。然而，過多的網(wǎng)格數(shù)會占用大量的計算資源。綜合考慮，此次模擬采用網(wǎng)格數(shù)為429 687、網(wǎng)格質(zhì)量為0.35的計算域網(wǎng)格進行數(shù)值模擬。

圖5 溫室和基質(zhì)槽三維CFD模型計算域網(wǎng)格

苦豆子堆腐散熱處在封閉的環(huán)境中，溫室內(nèi)傳熱主要包括室內(nèi)空氣與棚膜、基質(zhì)槽與熱空氣的熱量交換等。堆腐基質(zhì)與熱空氣的能量交換以傳導方式進行，可以通過設置傳導系數(shù)來實現(xiàn)。溫室大棚內(nèi)平均溫度為32℃、相對濕度為71%。溫室內(nèi)空氣密度 ρ=1.225 kg/m3， 導熱系數(shù) λ=0.022 5 W/（m·K），熱膨脹系數(shù) β=3.356×10-3，比熱容 cp=1.005 kJ/（kg·K），動力黏度 μ=1.83×10-5Pa·s。

1.4 數(shù)值計算方法

1.4.1 能量方程。

式中：H為混合氣體的焓，單位為J；P為混合氣體壓力，單位為Pa；λ為混合氣體的熱傳導率，單位為 W/（m·K）；T 為混合氣體的溫度， 單位為 K；Γi為組分的分子擴散系數(shù)，單位為 kg/（m·K）；hi為組分的焓，單位為 J；μt為氣體的湍流黏度，單位為 Pa·s；Prt為氣體的湍流普朗特數(shù)；SE為能量源，單位為W/s。以流體及流體控制方程為基礎，分析溫室環(huán)境各部分的能量輸入輸出過程，補充相應方程，構(gòu)建溫室環(huán)境溫度模型[10]。

1.4.2 采用同屬渦流黏度模型類的剪應力輸運模型（shear stress transport，SST），該模型是 k-ω 和 k-ε 紊流模型的結(jié)合和改進，在預測流體與壁面的分離和低雷諾數(shù)近壁面流動方面有明顯的優(yōu)勢[12]。

式中：k為紊流動能；ω為紊流頻率；μt為紊流動力黏度；μ 為層流動力黏度；σk3、β'、σω2、α3、 β3為模型混合常數(shù)，取值與F1有關；Pk為由黏性力產(chǎn)生的紊流動能；Pkb、Pωb為浮力對紊流的影響因子；F1為混合函數(shù)；Uj為j方向的流體速度。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Origin 2017軟件進行分析、繪圖，數(shù)值計算模擬采用Fluent 15.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥試驗不同基質(zhì)槽側(cè)壁面溫度變化

由圖6（a）可知，苦豆子秸稈與羊糞混合堆腐散熱是一個緩慢過程，7個基質(zhì)槽側(cè)壁面溫度整體呈先上升、后下降趨勢，溫度變化曲線近似拋物線。各基質(zhì)槽側(cè)壁面溫度均在1～8 d上升到最高，溫度值為61.3℃。從物料堆腐1 d后起，在3個時刻對7個基質(zhì)槽側(cè)壁面進行測溫。結(jié)果表明，標號為a、b、c、d、e、f、g的基質(zhì)槽側(cè)壁面起始平均溫度分別為 33.9、33.6、35.6、36.1、34.6、33.4、32.8 ℃， 經(jīng)過 1～8 d 的堆腐 發(fā) 酵 緩 慢 升 至 59.8、60.3、61.3、60.6、59.0、60.6、59.9℃，其中基質(zhì)槽b的側(cè)壁面溫度在第7天到達最高值（60.3℃），這可能與該基質(zhì)槽內(nèi)物料水分、孔隙度等因素有關。隨著堆肥逐漸腐熟，9 d后基質(zhì)槽側(cè)壁面溫度逐漸回落；到 14 d，基質(zhì)槽 a、b、c、d、e、f、g 側(cè)壁面溫度分別降為 40.2、40.8、40.6、40.6、41.2、40.6、40.7℃。由于溫室大棚保溫效果較好，基質(zhì)槽側(cè)壁面溫度保持在40℃左右。在整個發(fā)酵周期，基質(zhì)槽c、d、e側(cè)壁面平均溫度較其他基質(zhì)槽高約1.5℃。

2.2 堆肥試驗不同基質(zhì)槽頂面溫度變化

由圖 6（b）可知，基質(zhì)槽 a、b、c、d、e、f、g 的頂面起 始 平 均 溫 度 分 別 為 39.0、39.6、38.5、41.0、40.6、39.4、40.2℃，高于側(cè)壁面5～6℃，這可能因為頂面直接與溫室內(nèi)空氣接觸，介質(zhì)的傳熱效率高于側(cè)壁面。但是，基質(zhì)槽頂面溫度的上升、下降趨勢與側(cè)壁面一致。 堆腐 7～8 d 后，基質(zhì)槽 a、b、c、d、e、f、g 的頂面均達到最高溫度，分別為 64.5、65.8、66.8、65.1、65.4、65.5、64.6℃。其中，最高溫度出現(xiàn)在第7天，溫度值達到66.8℃，高于側(cè)壁面溫度。 堆腐 14 d，基質(zhì)槽a、b、c、d、e、f、g 的頂面溫度分別降至 44.9、45.0、44.9、45.0、45.0、44.2、44.1℃。與基質(zhì)槽側(cè)壁面溫度相比，基質(zhì)槽頂面平均溫度高出4.5℃左右。

圖6 基質(zhì)槽側(cè)壁面和頂面溫度變化

2.3 同一天不同基質(zhì)槽頂面、側(cè)壁面溫度變化

堆腐發(fā)酵第8天時，對7個基質(zhì)槽的頂面、側(cè)壁面分別進行測溫，結(jié)果如圖7所示。基質(zhì)槽a、b、c、d、e、f、g 的頂面平均溫度分別為 61.70、63.00、64.78、62.50、63.40、62.54、62.57 ℃， 側(cè) 壁 面 溫 度 分 別 為61.33、62.30、62.57、61.46、60.45、60.85、60.18 ℃。 同一天同一時刻基質(zhì)槽a、b的頂面溫度與側(cè)壁面溫度差距較小，基質(zhì)槽 c、d、e、f、g 的頂面溫度較側(cè)壁面溫度平均高出1.5℃左右。這與堆腐發(fā)酵14 d內(nèi)頂面溫度高于側(cè)壁面溫度的結(jié)果一致。

圖7 同一天不同基質(zhì)槽頂面、側(cè)壁面溫度變化

2.4 CFD模擬基質(zhì)槽頂面散熱變化

在模擬堆體產(chǎn)熱時，本文選取了35℃、50℃和65℃幾個典型的溫度點。由圖8可知，堆體溫度從35℃上升到65℃左右，又逐漸回落至起始溫度。當堆體即熱源向周圍散熱以頂面散熱為主導且堆體溫度為35℃時，溫室內(nèi)堆體兩側(cè)的氣流組織基本對稱，熱源的中間發(fā)熱不明顯。當堆體溫度達到50℃左右時，堆體中間發(fā)熱明顯，7個基質(zhì)槽頂面散熱以弧形向外發(fā)散，發(fā)熱集中在基質(zhì)槽頂面5～10 cm處。當熱源溫度上升到65℃時，基質(zhì)槽頂面散熱區(qū)域明顯變大，尤其是標號為d、e、f、g的基質(zhì)槽散熱量較大。之后，隨著堆肥逐漸腐熟，散熱量隨堆體溫度降低而回落，這與堆腐試驗頂面散熱的數(shù)據(jù)一致。

圖8 溫室內(nèi)同一位置基質(zhì)槽頂面溫度云圖

2.5 CFD模擬基質(zhì)槽側(cè)壁面和頂面散熱變化

由圖9可知，當堆體側(cè)壁面、頂面同時向周圍散熱時，35℃溫室內(nèi)熱源散熱不明顯，空氣對流傳熱無明顯變化。當堆體溫度為50℃左右時，在溫差產(chǎn)生浮力的驅(qū)動下熱空氣上升，來自縱向的熱氣流沖擊會激發(fā)出現(xiàn)邊界層內(nèi)非定常流動的現(xiàn)象，溫室內(nèi)上下層的流體會形成清晰的分界面。當堆體溫度達到65℃時，溫室內(nèi)上層熱空氣明顯變厚。隨著溫度回落，堆肥發(fā)熱量逐漸降低，基質(zhì)槽向四周輻射的熱量逐漸回落至初始狀態(tài)。

圖9 同一位置基質(zhì)槽側(cè)壁面和頂面溫度云圖

3 結(jié)論與討論

溫度是苦豆子秸稈堆肥發(fā)酵的一個關鍵控制指標，其變化反映了堆腐過程中微生物活動和堆肥的腐熟進程[17]。無論何種原料的堆肥，其溫度通常從開始的環(huán)境溫度迅速上升到65℃左右，并持續(xù)一段時間回落至環(huán)境溫度。本研究中，7個基質(zhì)槽的堆肥在7～8 d都達到了最高，平均溫度65.6℃，但溫室內(nèi)中間基質(zhì)槽堆體升溫速度略快，這與趙江龍[18]揭示的溫室大棚內(nèi)靠近薄膜處溫度低、中間后墻處溫度高的結(jié)論相吻合。本研究中，基質(zhì)槽頂面平均溫度要比側(cè)壁面高4.5℃左右，基質(zhì)槽頂面與空氣的換熱以對流換熱為主，而側(cè)壁面受到介質(zhì)阻礙，因而頂面熱交換速度比側(cè)壁面比快。

在數(shù)值模擬中，本文圍繞苦豆子秸稈堆腐的產(chǎn)熱性能建立了溫室基質(zhì)槽內(nèi)堆腐散熱的CFD模型，苦豆子堆肥與基質(zhì)槽散熱模擬值表現(xiàn)出了良好的一致性。當以基質(zhì)槽頂面散熱為主導時，在相同工況下越靠近溫室內(nèi)西側(cè)的基質(zhì)槽散熱量越小，這可能與溫室內(nèi)西墻內(nèi)側(cè)的氣流運動快慢有關[19]。隨著堆體溫度升高，散熱區(qū)域的顏色反映了對流傳熱的強弱。涌入低溫氣流以弧形向外傳導，總體上氣流對稱結(jié)構(gòu)完整，未出現(xiàn)多團聚集現(xiàn)象[20-21]。當基質(zhì)槽側(cè)壁面、頂面同時散熱時，溫室大棚中間以東的基質(zhì)槽散熱區(qū)域較西側(cè)基質(zhì)槽要小，溫室內(nèi)西側(cè)氣流運動速度較快，因而對流傳熱效率較東側(cè)基質(zhì)槽高。堆體全方位輻射散熱會影響整個溫室區(qū)域，對稱結(jié)構(gòu)已遭到破壞，對流傳熱區(qū)域隨堆體溫度升高而變大[22]。但是，堆肥腐熟溫度回落后，溫室內(nèi)散熱漸趨均勻，分層現(xiàn)象依然存在。綜合考慮，苦豆子秸稈堆腐發(fā)酵對溫室溫度場的影響比較明顯，但是否對溫室內(nèi)的濕度、氣流速度、CO2濃度也有影響仍需進一步研究證實。

溫室大棚內(nèi)基質(zhì)槽中堆腐發(fā)酵苦豆子秸稈，7～8 d達到最高溫度，頂面、側(cè)壁面溫度較高的基質(zhì)槽為d、e、f、g。堆腐溫度發(fā)酵期內(nèi)基質(zhì)槽頂面平均溫度要比側(cè)壁面高4.5℃左右，同一天同一時刻頂面溫度較側(cè)壁面溫度高1.5℃左右。數(shù)值模擬表明，在相同工況下基質(zhì)槽d、e、f、g的頂面、側(cè)壁面散熱量變化明顯，對周邊的溫度場影響較大。