新型柔性墻體日光溫室冬季溫度場分布規律研究

蘭立波 王志冉 張棟 周增產 李秀剛 曲維民

摘要：【目的】隨著日光溫室結構形式的演化，新型柔性墻體結構形式的日光溫室逐漸興起，其具有建設周期短，施工簡易且不破壞土地耕層等優點；探究柔性日光溫室溫度場分布，研究其保溫性能，便于推廣和應用?！痉椒ā勘疚耐ㄟ^CFD技術，模擬日光溫室內冬季有無后墻采暖裝置下的溫度場的分布情況，同時開展溫室內溫度實時監測，探究柔性墻體日光溫室冬季溫度場分布規律?！窘Y果】柔性日光溫室內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，但受放風口氣流的影響，溫度存在一定波動性；夜晚保溫被展開，溫室內保溫性好，熱量交換少，溫差相差不大?！窘Y論】使用柔性保溫墻體增加后墻集熱系統，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，驗證柔性日光溫室的保溫性能，為日光溫室結構形式發展方向提供理論指導。

關鍵詞：新型溫室；柔性墻體；后墻集熱裝置；CFD技術；溫度場分布

引言

日光溫室的圍護結構是溫室蓄放熱的重要載體，同時也是溫室保溫隔熱的重要保障[1]。隨著日光溫室結構形式的不斷演化，其后墻的結構形式和材料也發生巨大的變化[2-3]。根據日光溫室結構發展的歷史和不同地區日光溫室的結構類型，可以將日光溫室的墻體分為土墻結構、磚墻結構、鋼筋混凝土結構和近幾年興起的裝配式鋼結構墻體[4-5]。隨著人工費和材料費成本的上漲，土墻、磚墻和鋼混結構的墻體在建設時材料貴，且施工復雜，耗時長，因此在建筑成本上的投資相對高，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構作為主體骨架，同時后墻及兩側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構形式，其保溫性更好，更能阻隔溫室內外熱量的交換，實現了日光溫室北方地區冬季不加溫，作物安全越冬生產的目標[6-7]。

日光溫室集放熱系統是將集放熱板置于后墻處，白天啟動潛水泵，使蓄熱水池中的水流經中空板內的空腔，吸收太陽輻射熱量，再將熱水貯存在水池中。夜間啟動潛水泵，將日間蓄積的熱量通過集放熱板與空氣的對流和輻射等換熱作用傳遞給室內空氣，實現系統在夜間的放熱加溫作用[8-10]。水幕簾蓄放熱系統也是一種造價低、實用性強的后墻蓄放熱系統，升溫效果可使溫室內夜間氣溫提高5.4℃以上，作物根際溫度提高1.6℃以上[11]。屋架集熱控溫系統是將集放熱系統安裝在面屋面，更能夠吸收太陽能，應用于北京地區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溫濕度分布的均勻性，對日光溫室結構形式的升級改造具有重要意義。隨著CFD軟件不斷升級和計算機硬件系統性能的不斷提高，環境模擬的準確性也隨之提高，應用越加廣泛，可以準確的模擬出溫室的溫度場和濕度場[13]。本文通過模擬冬季不同時期內柔性日光溫室里不同空間內溫度場的變化以及增加溫室蓄放熱系統后溫室內溫度場分布情況，同時在冬季的不同時間段和有無蓄放熱系統工作的情況下對柔性日光溫室內的溫度進行檢測，驗證冬季日光溫室內溫度場的分布情況，以期對柔性日光溫室保溫設計提供理論指導。

1 柔性日光溫室參數設計

1.1 日光溫室參數

柔性保溫墻體日光溫室的結構主要是由地下基礎及保溫部分、后墻及山墻全鋼骨架及東、西、北三側柔性保溫墻體（包括后屋面）、前采光覆蓋膜、采光屋面保溫被等五大部分構成。而柔性墻體是由鍍鋅鋼管作為骨架結構，外側安裝一層輕質保溫被材料，保溫被厚度為10cm左右里面填充1400g/㎡的噴膠棉。溫室后墻集熱系統包含鈦鎳涂層集熱板、蓄熱水池、管道和水泵構成，利用水為介質，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為例）。

2 CFD模擬日光溫室溫度場分布

2.1 CFD計算原理

計算流體力學的模擬遵從于三大守恒定律：質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程。此三大守恒定律也作為CFD模擬的基本方程，適應流體的傳熱和傳質問題。通過CFD技術，可以迅速構建仿真模型，修改溫室參數，可進行不同環境條件下溫室內溫度分布和空氣流動模擬。

流體力學計算主要包括前處理、求解和后處理三部分。前處理，即進行集合模型的構建和對模型的網格劃分工作，此為離散化計算域；求解，即在求解器中主要進行模型的求解；后處理，即對模擬數據的現實及結果進行分析和可視化處理[14-15]。

2.2 模型構建

首先進行試驗溫室模型構建，構建時可忽略溫室骨架結構和溫室內低矮作物。模擬軟件采用Workbench 2021 R1（ANSYS）中的FLUENT。在進行物理模型的構建時，選擇溫室整個三維空間作為計算域，主要方式為使用solid works三維制圖軟件構建1∶1的溫室3D模型。按照溫室規格參數繪制草圖：跨度、脊高、長度、后屋面角度等按照溫室規格參數設置，前屋面曲線選擇雙圓組合屋面曲線進行繪制。

2.3 劃分網格

在計算域上離散控制方程，必須使用網格，網格是CFD模型的集合表達式，也是模擬與分析的載體，其劃分質量對CFD計算精度和計算效率有重要影響。本模擬使用FLUENT中的Meshing采用四面體進行網格劃分。

2.4 材質及邊界條件

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

（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的關系表示如下：

Tsky=0.0552T01.5

式中，輻射溫度和空氣溫度均以絕對溫度表示，單位均為開爾文。

（2）室外對流換熱系數：由于溫室和外界之間存在有對流換熱的現象，而對流換熱的程度與外界的風速v0有關，對流換熱系數h可表示為：

h=7.2+3.48v0

式中，風速的單位為m/s。

（3）輻射模型選擇

考慮太陽輻射對溫室內部環境的影響，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，室內的傳熱方式主要有輻射傳熱和對流傳熱。離散坐標輻射模型（DO）不僅考慮了RTE的方向型、邊界發射率，而且能夠對輻射問題進行計算，對光學厚度沒有要求，是唯一適用于半透明介質的輻射模型。因此本模擬采用離散坐標輻射模型，并在輻射模型中選擇選擇Solar Ray Tracing模型。設置地理信息為北京市通州區地理參數：北緯39°36′至40°02′，東經116°32′至116°56′，時區為東八區。

2.5 CFD模擬結果

2.5.1 室外的空氣溫度為3℃時溫度場分布情況模擬

太陽輻射計算器中選取2022年1月9日晴天的中午12時進行溫度場分布情況模擬，室外的空氣溫度為3℃。選取距離東側山墻5m、30m、55m處進行模擬，模擬溫室垂直方向上的溫度場分布情況。模擬結果如下。

以上為模擬距離東側山墻5m、30m、55m處溫度場分布結果圖，白天為儲熱模式，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℃時溫度場分布情況模擬

選擇1 月9 日晚2 3 時進行模擬， 室外溫度為-6℃，室內無蓄放熱系統，僅依靠地面作為熱源供暖，其熱通量為5 W/m2。如下為模擬結果。冬季夜晚無蓄熱系統，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℃有蓄放熱系統時溫度場分布情況模擬

選擇1月15日23時進行溫度場模擬，室外溫度為-16℃，通過蓄放熱系統對溫室供暖，地面作為熱源，其熱通量為5 W/m2。

由于后墻蓄熱系統白天的儲熱，溫室通過集放熱系統和地面輻射系統獲得熱量，后墻集熱系統的集熱能力強，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

3.1 測試點選擇

在距離地面1.7m，距離后墻1.5m、5m、8.5m處選擇3個點，在距離地面3.4m，距離后墻1.5m、5m處選取2個點，單個剖面共5個點（如圖所示），分別測試該點在0-24h內溫度的變化情況，每隔30min記錄一次溫度變化。分別在距離東側山墻5m、30m和55m三個截面內測試，溫室內共選取15個點的溫度變化，加溫室外對照點，共測試16個點溫度變化。

3.2 測試模式

本試驗日光溫室位于北京市通州區，北緯39°至40°，東經116°。試驗測試儀器為精創品牌的R C - 4 H A / C型號溫濕度記錄儀，量程為溫度-40-85℃，濕度0-100%。

測試時間為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行測試，選擇開泵，不開泵兩種模式進行測試。記錄溫室內15個測試點溫度變化狀況。

3.3 結果分析

3.3.1 柔性日光溫室15個點平均溫度分布變化

在距離東側山墻5m，30m和55m處垂直于地面的3個剖面上，記錄剖面上15個點一天內的溫度變化。

溫度測試結果表明，15個點在一天內溫度的變化趨勢基本一致，在上午9點至下午4點之間，即保溫被揭開的時段，各個點的溫差相差較大。原因是溫室放風等原因導致溫室內外熱量交換，溫度波動大。放風口關閉，保溫被展開，室內溫度波動小。CFD模擬溫室內溫度場分布與實測數據存在一定的偏差可能是設置的邊界條件采用的是平均值代表壁面溫度，從而減少了溫度細節的差別，計算區域的材料參數的選擇存在誤差，影響了模擬的結果。

3.3.2 柔性日光溫室日平均溫度變化

測試時間為2021年以12月27日，測試模式為晴天開泵，測試室內15個點的溫度及室外溫度，計算平均溫度，分析溫室內平均溫度及室內外溫差。日光溫室內最高氣溫27.4℃，最低氣溫8.9℃。室外最高6.7℃，最低-11.7℃。白天的室內外最大溫差27℃；夜間最大溫差22.2℃。使用后墻蓄熱系統在晴天的狀態下，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比（不開循環泵）

11月末，在不開啟蓄熱泵的情況下，對比27日晴天，28日陰天2d的溫度變化情況。試驗測試結果表明，晴天溫室內的溫度較高，由于放風口開啟，會進行熱量和濕氣的交換，溫濕度波動較大，最高溫度38.6℃，最低溫度10.5℃；陰天時溫度變化相對較平緩，最高氣溫30.4℃，最低氣溫11.8℃。晴天溫度相對較高，對比兩天的室內外溫差曲線可知，陰天夜晚溫度較低，室內外溫差也較大，晴天的白天溫度較高，室內外溫差較大，但由于通風的緣故，控制溫室適宜的溫度，因此室內外溫差也會降低。

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

3.3.5 柔性日光溫室冬季最冷月陰晴天溫度對比（開循環泵）

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

4 小結

利用CFD技術模擬冬季溫度場分布情況可知，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。通過對溫室內各測試點溫度值測量可知，白天保溫被打開后，室內各測試點的溫度變化波動較大，且不一致；夜晚保溫被放下，溫室內熱交換減少，各測試點溫度波動較小，變化趨勢相一致，即使外界-16℃的低溫，由于主動蓄放熱系統的存在，室內溫度也能在10℃以上。由于設置的邊界條件采用的是平均值代表壁面溫度，計算區域的材料參數的選擇存在誤差，從而減少了溫度細節的差別，致使模擬的結果與實際測量值出現一定偏差，但是模擬結果從總體趨勢上也能反映出溫室內溫度場分布的大概情況。采用溫室保溫材料和后墻集放熱系統大大提高了溫室內保溫性能，使日光溫室冬季不加溫也能實現作物越冬生產。

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