新型柔性墻體日光溫室冬季溫度場(chǎng)分布規(guī)律研究

蘭立波 王志冉 張棟 周增產(chǎn) 李秀剛 曲維民

摘要：【目的】隨著日光溫室結(jié)構(gòu)形式的演化，新型柔性墻體結(jié)構(gòu)形式的日光溫室逐漸興起，其具有建設(shè)周期短，施工簡(jiǎn)易且不破壞土地耕層等優(yōu)點(diǎn)；探究柔性日光溫室溫度場(chǎng)分布，研究其保溫性能，便于推廣和應(yīng)用?！痉椒ā勘疚耐ㄟ^CFD技術(shù)，模擬日光溫室內(nèi)冬季有無后墻采暖裝置下的溫度場(chǎng)的分布情況，同時(shí)開展溫室內(nèi)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，探究柔性墻體日光溫室冬季溫度場(chǎng)分布規(guī)律?！窘Y(jié)果】柔性日光溫室內(nèi)溫度分布存在一定梯度，白天前屋面往后墻方向溫度逐漸降低，但受放風(fēng)口氣流的影響，溫度存在一定波動(dòng)性；夜晚保溫被展開，溫室內(nèi)保溫性好，熱量交換少，溫差相差不大。【結(jié)論】使用柔性保溫墻體增加后墻集熱系統(tǒng)，能夠使日光溫室冬季最冷月維持10℃以上的溫度，不影響冬季作物生產(chǎn)，驗(yàn)證柔性日光溫室的保溫性能，為日光溫室結(jié)構(gòu)形式發(fā)展方向提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：新型溫室；柔性墻體；后墻集熱裝置；CFD技術(shù)；溫度場(chǎng)分布

引言

日光溫室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是溫室蓄放熱的重要載體，同時(shí)也是溫室保溫隔熱的重要保障[1]。隨著日光溫室結(jié)構(gòu)形式的不斷演化，其后墻的結(jié)構(gòu)形式和材料也發(fā)生巨大的變化[2-3]。根據(jù)日光溫室結(jié)構(gòu)發(fā)展的歷史和不同地區(qū)日光溫室的結(jié)構(gòu)類型，可以將日光溫室的墻體分為土墻結(jié)構(gòu)、磚墻結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和近幾年興起的裝配式鋼結(jié)構(gòu)墻體[4-5]。隨著人工費(fèi)和材料費(fèi)成本的上漲，土墻、磚墻和鋼混結(jié)構(gòu)的墻體在建設(shè)時(shí)材料貴，且施工復(fù)雜，耗時(shí)長，因此在建筑成本上的投資相對(duì)高，占溫室總成本的比重大。新型柔性墻體日光溫室采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)作為主體骨架，同時(shí)后墻及兩側(cè)山墻覆保溫被即為柔性墻體，不僅施工成本低，而且不破壞土地耕層，是一種較為理想的日光溫室墻體結(jié)構(gòu)形式，其保溫性更好，更能阻隔溫室內(nèi)外熱量的交換，實(shí)現(xiàn)了日光溫室北方地區(qū)冬季不加溫，作物安全越冬生產(chǎn)的目標(biāo)[6-7]。

日光溫室集放熱系統(tǒng)是將集放熱板置于后墻處，白天啟動(dòng)潛水泵，使蓄熱水池中的水流經(jīng)中空板內(nèi)的空腔，吸收太陽輻射熱量，再將熱水貯存在水池中。夜間啟動(dòng)潛水泵，將日間蓄積的熱量通過集放熱板與空氣的對(duì)流和輻射等換熱作用傳遞給室內(nèi)空氣，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在夜間的放熱加溫作用[8-10]。水幕簾蓄放熱系統(tǒng)也是一種造價(jià)低、實(shí)用性強(qiáng)的后墻蓄放熱系統(tǒng)，升溫效果可使溫室內(nèi)夜間氣溫提高5.4℃以上，作物根際溫度提高1.6℃以上[11]。屋架集熱控溫系統(tǒng)是將集放熱系統(tǒng)安裝在面屋面，更能夠吸收太陽能，應(yīng)用于北京地區(qū)600m2日光溫室，冬季平均每日在晴天可蓄積200-400MJ熱量[12]。

研究柔性日光溫室保溫性及室內(nèi)溫濕度分布的均勻性，對(duì)日光溫室結(jié)構(gòu)形式的升級(jí)改造具有重要意義。隨著CFD軟件不斷升級(jí)和計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)性能的不斷提高，環(huán)境模擬的準(zhǔn)確性也隨之提高，應(yīng)用越加廣泛，可以準(zhǔn)確的模擬出溫室的溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)[13]。本文通過模擬冬季不同時(shí)期內(nèi)柔性日光溫室里不同空間內(nèi)溫度場(chǎng)的變化以及增加溫室蓄放熱系統(tǒng)后溫室內(nèi)溫度場(chǎng)分布情況，同時(shí)在冬季的不同時(shí)間段和有無蓄放熱系統(tǒng)工作的情況下對(duì)柔性日光溫室內(nèi)的溫度進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證冬季日光溫室內(nèi)溫度場(chǎng)的分布情況，以期對(duì)柔性日光溫室保溫設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 柔性日光溫室參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 日光溫室參數(shù)

柔性保溫墻體日光溫室的結(jié)構(gòu)主要是由地下基礎(chǔ)及保溫部分、后墻及山墻全鋼骨架及東、西、北三側(cè)柔性保溫墻體（包括后屋面）、前采光覆蓋膜、采光屋面保溫被等五大部分構(gòu)成。而柔性墻體是由鍍鋅鋼管作為骨架結(jié)構(gòu)，外側(cè)安裝一層輕質(zhì)保溫被材料，保溫被厚度為10cm左右里面填充1400g/㎡的噴膠棉。溫室后墻集熱系統(tǒng)包含鈦鎳涂層集熱板、蓄熱水池、管道和水泵構(gòu)成，利用水為介質(zhì)，白天將太陽能蓄存起來，夜晚再釋放熱量。

（1）棚膜采用0.15mm PO膜覆蓋，透光率不低于90%。

（2）熱阻取6.6m2·K/W（以聚乙烯薄膜固定單層覆蓋傳熱系數(shù)為例）。

2 CFD模擬日光溫室溫度場(chǎng)分布

2.1 CFD計(jì)算原理

計(jì)算流體力學(xué)的模擬遵從于三大守恒定律：質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程。此三大守恒定律也作為CFD模擬的基本方程，適應(yīng)流體的傳熱和傳質(zhì)問題。通過CFD技術(shù)，可以迅速構(gòu)建仿真模型，修改溫室參數(shù)，可進(jìn)行不同環(huán)境條件下溫室內(nèi)溫度分布和空氣流動(dòng)模擬。

流體力學(xué)計(jì)算主要包括前處理、求解和后處理三部分。前處理，即進(jìn)行集合模型的構(gòu)建和對(duì)模型的網(wǎng)格劃分工作，此為離散化計(jì)算域；求解，即在求解器中主要進(jìn)行模型的求解；后處理，即對(duì)模擬數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)及結(jié)果進(jìn)行分析和可視化處理[14-15]。

2.2 模型構(gòu)建

首先進(jìn)行試驗(yàn)溫室模型構(gòu)建，構(gòu)建時(shí)可忽略溫室骨架結(jié)構(gòu)和溫室內(nèi)低矮作物。模擬軟件采用Workbench 2021 R1（ANSYS）中的FLUENT。在進(jìn)行物理模型的構(gòu)建時(shí)，選擇溫室整個(gè)三維空間作為計(jì)算域，主要方式為使用solid works三維制圖軟件構(gòu)建1∶1的溫室3D模型。按照溫室規(guī)格參數(shù)繪制草圖：跨度、脊高、長度、后屋面角度等按照溫室規(guī)格參數(shù)設(shè)置，前屋面曲線選擇雙圓組合屋面曲線進(jìn)行繪制。

2.3 劃分網(wǎng)格

在計(jì)算域上離散控制方程，必須使用網(wǎng)格，網(wǎng)格是CFD模型的集合表達(dá)式，也是模擬與分析的載體，其劃分質(zhì)量對(duì)CFD計(jì)算精度和計(jì)算效率有重要影響。本模擬使用FLUENT中的Meshing采用四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.4 材質(zhì)及邊界條件

在冬季對(duì)日光溫室進(jìn)行模擬時(shí)，假設(shè)溫室在冬季處于封閉狀態(tài)，并沒有進(jìn)行通風(fēng)，只存在內(nèi)部流固體耦合傳熱，選擇所有的邊界條件均為壁面形式。地面給定實(shí)際測(cè)量的固定溫度；墻體材料及覆蓋材料為對(duì)流與外部輻射相結(jié)合邊界類型。

（1）外部輻射溫度：一般采用空氣有效溫度作為外部輻射溫度，用以反映空氣輻射背景對(duì)覆蓋材料傳熱影響。天空輻射溫度Tsky和室外空氣溫度T0的關(guān)系表示如下：

Tsky=0.0552T01.5

式中，輻射溫度和空氣溫度均以絕對(duì)溫度表示，單位均為開爾文。

（2）室外對(duì)流換熱系數(shù)：由于溫室和外界之間存在有對(duì)流換熱的現(xiàn)象，而對(duì)流換熱的程度與外界的風(fēng)速v0有關(guān)，對(duì)流換熱系數(shù)h可表示為：

h=7.2+3.48v0

式中，風(fēng)速的單位為m/s。

（3）輻射模型選擇

考慮太陽輻射對(duì)溫室內(nèi)部環(huán)境的影響，選擇啟用能量方程和輻射模型。在日光溫室中，太陽輻射幾乎提供了所有的熱量需求，室內(nèi)的傳熱方式主要有輻射傳熱和對(duì)流傳熱。離散坐標(biāo)輻射模型（DO）不僅考慮了RTE的方向型、邊界發(fā)射率，而且能夠?qū)椛鋯栴}進(jìn)行計(jì)算，對(duì)光學(xué)厚度沒有要求，是唯一適用于半透明介質(zhì)的輻射模型。因此本模擬采用離散坐標(biāo)輻射模型，并在輻射模型中選擇選擇Solar Ray Tracing模型。設(shè)置地理信息為北京市通州區(qū)地理參數(shù)：北緯39°36′至40°02′，東經(jīng)116°32′至116°56′，時(shí)區(qū)為東八區(qū)。

2.5 CFD模擬結(jié)果

2.5.1 室外的空氣溫度為3℃時(shí)溫度場(chǎng)分布情況模擬

太陽輻射計(jì)算器中選取2022年1月9日晴天的中午12時(shí)進(jìn)行溫度場(chǎng)分布情況模擬，室外的空氣溫度為3℃。選取距離東側(cè)山墻5m、30m、55m處進(jìn)行模擬，模擬溫室垂直方向上的溫度場(chǎng)分布情況。模擬結(jié)果如下。

以上為模擬距離東側(cè)山墻5m、30m、55m處溫度場(chǎng)分布結(jié)果圖，白天為儲(chǔ)熱模式，通過前屋面吸收太陽能，因此從溫室后墻越靠近前屋面溫度越高。

2.5.2 室外的空氣溫度為-6℃時(shí)溫度場(chǎng)分布情況模擬

選擇1 月9 日晚2 3 時(shí)進(jìn)行模擬， 室外溫度為-6℃，室內(nèi)無蓄放熱系統(tǒng)，僅依靠地面作為熱源供暖，其熱通量為5 W/m2。如下為模擬結(jié)果。冬季夜晚無蓄熱系統(tǒng)，溫室通過地面輻射獲得熱量，因此從溫室前屋面越靠近地面溫度越高。

2.5.3 室外的空氣溫度為-16℃有蓄放熱系統(tǒng)時(shí)溫度場(chǎng)分布情況模擬

選擇1月15日23時(shí)進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬，室外溫度為-16℃，通過蓄放熱系統(tǒng)對(duì)溫室供暖，地面作為熱源，其熱通量為5 W/m2。

由于后墻蓄熱系統(tǒng)白天的儲(chǔ)熱，溫室通過集放熱系統(tǒng)和地面輻射系統(tǒng)獲得熱量，后墻集熱系統(tǒng)的集熱能力強(qiáng)，因此自后墻到前屋面溫度逐漸降低。

3 柔性日光溫室冬季保溫性試驗(yàn)

3.1 測(cè)試點(diǎn)選擇

在距離地面1.7m，距離后墻1.5m、5m、8.5m處選擇3個(gè)點(diǎn)，在距離地面3.4m，距離后墻1.5m、5m處選取2個(gè)點(diǎn)，單個(gè)剖面共5個(gè)點(diǎn)（如圖所示），分別測(cè)試該點(diǎn)在0-24h內(nèi)溫度的變化情況，每隔30min記錄一次溫度變化。分別在距離東側(cè)山墻5m、30m和55m三個(gè)截面內(nèi)測(cè)試，溫室內(nèi)共選取15個(gè)點(diǎn)的溫度變化，加溫室外對(duì)照點(diǎn)，共測(cè)試16個(gè)點(diǎn)溫度變化。

3.2 測(cè)試模式

本試驗(yàn)日光溫室位于北京市通州區(qū)，北緯39°至40°，東經(jīng)116°。試驗(yàn)測(cè)試儀器為精創(chuàng)品牌的R C - 4 H A / C型號(hào)溫濕度記錄儀，量程為溫度-40-85℃，濕度0-100%。

測(cè)試時(shí)間為2021年11月下旬至2022年1月中旬。選擇晴天和陰天兩種天氣狀況進(jìn)行測(cè)試，選擇開泵，不開泵兩種模式進(jìn)行測(cè)試。記錄溫室內(nèi)15個(gè)測(cè)試點(diǎn)溫度變化狀況。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 柔性日光溫室15個(gè)點(diǎn)平均溫度分布變化

在距離東側(cè)山墻5m，30m和55m處垂直于地面的3個(gè)剖面上，記錄剖面上15個(gè)點(diǎn)一天內(nèi)的溫度變化。

溫度測(cè)試結(jié)果表明，15個(gè)點(diǎn)在一天內(nèi)溫度的變化趨勢(shì)基本一致，在上午9點(diǎn)至下午4點(diǎn)之間，即保溫被揭開的時(shí)段，各個(gè)點(diǎn)的溫差相差較大。原因是溫室放風(fēng)等原因?qū)е聹厥覂?nèi)外熱量交換，溫度波動(dòng)大。放風(fēng)口關(guān)閉，保溫被展開，室內(nèi)溫度波動(dòng)小。CFD模擬溫室內(nèi)溫度場(chǎng)分布與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的偏差可能是設(shè)置的邊界條件采用的是平均值代表壁面溫度，從而減少了溫度細(xì)節(jié)的差別，計(jì)算區(qū)域的材料參數(shù)的選擇存在誤差，影響了模擬的結(jié)果。

3.3.2 柔性日光溫室日平均溫度變化

測(cè)試時(shí)間為2021年以12月27日，測(cè)試模式為晴天開泵，測(cè)試室內(nèi)15個(gè)點(diǎn)的溫度及室外溫度，計(jì)算平均溫度，分析溫室內(nèi)平均溫度及室內(nèi)外溫差。日光溫室內(nèi)最高氣溫27.4℃，最低氣溫8.9℃。室外最高6.7℃，最低-11.7℃。白天的室內(nèi)外最大溫差27℃；夜間最大溫差22.2℃。使用后墻蓄熱系統(tǒng)在晴天的狀態(tài)下，能夠使溫室溫度提高20℃以上。

3.3.3 柔性日光溫室冬季陰晴天溫度對(duì)比（不開循環(huán)泵）

11月末，在不開啟蓄熱泵的情況下，對(duì)比27日晴天，28日陰天2d的溫度變化情況。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，晴天溫室內(nèi)的溫度較高，由于放風(fēng)口開啟，會(huì)進(jìn)行熱量和濕氣的交換，溫濕度波動(dòng)較大，最高溫度38.6℃，最低溫度10.5℃；陰天時(shí)溫度變化相對(duì)較平緩，最高氣溫30.4℃，最低氣溫11.8℃。晴天溫度相對(duì)較高，對(duì)比兩天的室內(nèi)外溫差曲線可知，陰天夜晚溫度較低，室內(nèi)外溫差也較大，晴天的白天溫度較高，室內(nèi)外溫差較大，但由于通風(fēng)的緣故，控制溫室適宜的溫度，因此室內(nèi)外溫差也會(huì)降低。

12月份在晴天的情況下，比較開啟循環(huán)泵與不開啟蓄熱系統(tǒng)的溫度差，白天將太陽能熱量儲(chǔ)存，夜晚釋放太陽能，測(cè)試蓄熱系統(tǒng)的加熱效果。測(cè)試結(jié)果表明，在不開啟循環(huán)泵的情況下，最高溫度24.4℃，最低溫度6.8℃；在開啟循環(huán)泵的情況下，最高溫度30.6℃，最低溫度9.0℃；不開泵的情況下室內(nèi)外溫差為7.9-25.5℃，開啟循環(huán)泵的狀態(tài)下室內(nèi)外溫差為17.3-30.1℃，開啟循環(huán)泵夜間溫差在20℃以上，不開循環(huán)泵室內(nèi)外溫差在15℃以上，循環(huán)泵對(duì)溫室內(nèi)溫度提高作用顯著。

3.3.5 柔性日光溫室冬季最冷月陰晴天溫度對(duì)比（開循環(huán)泵）

同樣是在開啟循環(huán)泵的情況下，測(cè)試晴天和陰天條件下，室內(nèi)溫度的變化情況。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，晴天開泵室內(nèi)最高溫度27.3℃，最低溫度9.2℃，室內(nèi)外溫差為12.9-27℃，夜晚平均提高20℃以上；陰天開泵室內(nèi)最高溫度15.5℃，最低溫度8.9℃，室內(nèi)外溫差為6.5-20.7℃；雖然陰晴天對(duì)日光溫室室內(nèi)溫度的提高具有較大影響作用，但是室內(nèi)溫度均維持在10℃以上。

4 小結(jié)

利用CFD技術(shù)模擬冬季溫度場(chǎng)分布情況可知，白天溫室吸收太陽能輻射，溫度由前屋面向后墻溫度逐漸降低；夜晚后墻及地面吸收的輻射能逐漸釋放，由后墻向前屋面，溫度逐漸降低。通過對(duì)溫室內(nèi)各測(cè)試點(diǎn)溫度值測(cè)量可知，白天保溫被打開后，室內(nèi)各測(cè)試點(diǎn)的溫度變化波動(dòng)較大，且不一致；夜晚保溫被放下，溫室內(nèi)熱交換減少，各測(cè)試點(diǎn)溫度波動(dòng)較小，變化趨勢(shì)相一致，即使外界-16℃的低溫，由于主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)的存在，室內(nèi)溫度也能在10℃以上。由于設(shè)置的邊界條件采用的是平均值代表壁面溫度，計(jì)算區(qū)域的材料參數(shù)的選擇存在誤差，從而減少了溫度細(xì)節(jié)的差別，致使模擬的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值出現(xiàn)一定偏差，但是模擬結(jié)果從總體趨勢(shì)上也能反映出溫室內(nèi)溫度場(chǎng)分布的大概情況。采用溫室保溫材料和后墻集放熱系統(tǒng)大大提高了溫室內(nèi)保溫性能，使日光溫室冬季不加溫也能實(shí)現(xiàn)作物越冬生產(chǎn)。

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