日光溫室熱壓風(fēng)壓耦合自然通風(fēng)流量的模擬*

方 慧，楊其長，張 義，程瑞鋒，張 芳，盧 威

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日光溫室熱壓風(fēng)壓耦合自然通風(fēng)流量的模擬*

方 慧，楊其長，張 義**，程瑞鋒，張 芳，盧 威

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京100081）

通風(fēng)是溫室環(huán)境調(diào)節(jié)的重要手段，通風(fēng)流量計算涉及流量系數(shù)與風(fēng)壓體型系數(shù)，因此有必要定量分析不同通風(fēng)模式下的通風(fēng)流量及對應(yīng)的系數(shù)，為通風(fēng)調(diào)節(jié)提供理論依據(jù)。本文分析了熱壓風(fēng)壓耦合作用對通風(fēng)流量的影響機理，構(gòu)建了通風(fēng)流量與熱壓風(fēng)壓作用關(guān)系的數(shù)理模型；采用CO2氣體示蹤法測試日光溫室模型(按1:5的比例縮小)在不同通風(fēng)口寬度條件下的通風(fēng)流量，將試驗測得的通風(fēng)流量、空氣溫度、風(fēng)速和通風(fēng)口寬度等參數(shù)代入模型，對模擬值與實測值進行多元線性擬合，得出擬合度最高的流量系數(shù)與風(fēng)壓體型系數(shù)。結(jié)果表明：當(dāng)溫室模型通風(fēng)口寬度為3、5和7cm（相當(dāng)于實際溫室通風(fēng)口寬度為15、25、35cm）時，熱壓風(fēng)壓耦合作用的通風(fēng)流量可按、和分別計算，式中S、H、、T、u分別為通風(fēng)口面積、寬度、室內(nèi)外溫差、室外溫度和風(fēng)速；相應(yīng)的流量系數(shù)分別為0.78、0.60和0.44，風(fēng)壓體型系數(shù)分別為0.04、0.05和0.07；在總通風(fēng)流量中，當(dāng)室外風(fēng)速高于1.5m·s-1時，風(fēng)壓通風(fēng)流量所占總通風(fēng)流量的比例均高于50%，風(fēng)壓通風(fēng)占主導(dǎo)作用；當(dāng)室外風(fēng)速大于2.5m·s-1時，風(fēng)壓形成的通風(fēng)流量所占比例均大于70%，說明此條件下可忽略溫度即熱壓的影響。

日光溫室；通風(fēng)流量；流量系數(shù)；風(fēng)壓體型系數(shù)；模擬

日光溫室具有節(jié)能、高效、低成本等突出優(yōu)點，最近20多年來在中國三北地區(qū)得到了快速發(fā)展，區(qū)域范圍已擴展至32-48°N，栽培面積從1990年的0.3萬hm2發(fā)展至2012年的88萬hm2[1]。自然通風(fēng)作為日光溫室重要的環(huán)境調(diào)節(jié)手段，不僅影響溫室內(nèi)熱量平衡，而且也影響室內(nèi)空氣成分，包括水蒸氣含量、CO2濃度以及其它氣體濃度等[2-9]。因此，精確的通風(fēng)計算對日光溫室環(huán)境調(diào)節(jié)尤為重要。

由于日光溫室為中國北方所獨有，國際上針對日光溫室通風(fēng)換氣理論的分析研究很少。國內(nèi)外學(xué)者主要通過實驗測試和模型模擬研究連棟溫室和拱棚的通風(fēng)。Boulard等[10-11]在圓拱型溫室里分別采用CO2和N2O氣體示蹤法測試溫室通風(fēng)流量，確定了不同開窗角度下熱壓與風(fēng)壓對通風(fēng)流量的影響，研究表明室外風(fēng)速大小決定了風(fēng)壓和熱壓對自然通風(fēng)的影響程度，當(dāng)室外風(fēng)速高于2m·s-1時，以風(fēng)壓通風(fēng)為主，熱壓作用的影響可以忽略；當(dāng)室外風(fēng)速低于0.5m·s-1時，必須考慮室內(nèi)外溫差引起的熱壓對自然通風(fēng)的影響；當(dāng)風(fēng)速介于二者之間時，通風(fēng)過程主要受風(fēng)壓作用的影響，同時也有一部分浮力作用。此外，Boulard等[12]模擬了單跨封閉的Venlo型溫室在熱浮力作用下的內(nèi)部環(huán)境，研究了溫室氣流場與溫度場分布。Papadakis等[13]應(yīng)用理論模型結(jié)合氣體示蹤法研究了溫室自然通風(fēng)流量隨室外風(fēng)速和開窗面積的變化規(guī)律，其研究結(jié)果表明風(fēng)速和通風(fēng)口寬度大小對自然通風(fēng)效果的影響顯著，而風(fēng)向的影響并不顯著。Katsoulas等[14]利用N2O氣體示蹤法研究了開窗尺寸和防蟲網(wǎng)對通風(fēng)的影響，并構(gòu)建了相應(yīng)的通風(fēng)流量計算模型。Fatnassi等[15]分析了作物高度、葉面積指數(shù)和風(fēng)向?qū)芭锿L(fēng)流量的影響，并推導(dǎo)出通風(fēng)流量的計算函數(shù)。Wang等[16]通過運用CO2氣體示蹤法，研究了連棟塑料溫室中卷膜通風(fēng)系統(tǒng)和天窗開啟式系統(tǒng)的通風(fēng)性能，確定了通風(fēng)流量的相關(guān)系數(shù)。Fatnassi等[17]基于熱壓與風(fēng)壓的作用，構(gòu)建了有防蟲網(wǎng)的大型溫室環(huán)境模型，分析了不同防蟲網(wǎng)網(wǎng)格密度對通風(fēng)降溫效果和溫室內(nèi)溫度分布的影響。

綜上所述，熱壓和風(fēng)壓驅(qū)動是溫室自然通風(fēng)理論計算的核心，盡管連棟溫室與拱棚通風(fēng)換氣研究較晚，但由于區(qū)別于日光溫室結(jié)構(gòu)，難以為日光溫室所用。因此，本試驗擬在探明日光溫室通風(fēng)流量與室外風(fēng)速、風(fēng)向以及室內(nèi)外溫差等多元定量關(guān)系的基礎(chǔ)上，分析熱壓風(fēng)壓耦合作用對通風(fēng)流量的影響機理，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建通風(fēng)流量與熱壓風(fēng)壓作用關(guān)系的數(shù)理模型；采用CO2氣體示蹤法測試室內(nèi)氣流動態(tài)變化規(guī)律和通風(fēng)流量，通過Origin軟件對模型與實驗值進行多元線性擬合，形成相關(guān)性最高的通風(fēng)計算模型和相應(yīng)的流量系數(shù)與風(fēng)壓體型系數(shù)，以期為日光溫室通風(fēng)設(shè)計提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室模型

試驗地點位于北京海淀區(qū)（39°9′N、116°3′E），試驗時間為2015年1-6月。為避免現(xiàn)場試驗中不可控因素帶來的誤差，如冷風(fēng)滲透、管理者進出帶來的通風(fēng)、溫室內(nèi)土壤釋放CO2以及作物對CO2濃度的影響等，試驗在按1:5的比例縮小后制造的溫室模型中進行，模型結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。溫室模型后墻、山墻與覆蓋膜結(jié)合處用密封條進行密封處理。地面鋪設(shè)CO2釋放管路，管路環(huán)繞溫室四周排列，為保證CO2濃度釋放均勻，管路上CO2釋放小孔尺寸為Φ2.0mm，小孔間距0.01m。通風(fēng)口下端與地面垂直高度為0.64m，與后墻水平距離為0.68m，通風(fēng)口開口大小通過卷簾機實現(xiàn)，通風(fēng)口結(jié)構(gòu)尺寸見圖2，其高度H根據(jù)卷簾的近似寬度H0、通風(fēng)口與水平面角度α計算。在實際溫室生產(chǎn)中，管理者根據(jù)室內(nèi)溫度、濕度和二氧化碳濃度調(diào)節(jié)通風(fēng)口卷簾寬度。在冬季，以降濕為目的，通風(fēng)口卷簾寬度較??；在春、秋季以降溫為目的，通風(fēng)口卷簾寬度較大。因此，本試驗設(shè)置小、中和大三組通風(fēng)口模式，通風(fēng)口寬度H0分別為3、5和7cm。

注：S為通風(fēng)口面積；SW為進流（出流）面積；L為通風(fēng)口長度；H0為通風(fēng)口寬度即通風(fēng)口寬度；H為通風(fēng)口垂直高度

Note：S is the vent area; SWis ventilation area of the inflow or outflow; L is length of vent; H0is width of vent; H is vertical height of vent

1.2 通風(fēng)流量計算

日光溫室的通風(fēng)流量采用示蹤氣體法測定，示蹤氣體選擇較易獲取且無毒害的CO2氣體。采用盛有液態(tài)CO2的鋼瓶釋放，氣體電磁閥控制氣體供應(yīng)的通斷，塑料管路將氣體送入日光溫室內(nèi)部，根據(jù)傳感器測量的數(shù)據(jù)確定停止供氣時間。首先將溫室內(nèi)部CO2濃度施放至2000μmol·mol-1，為減小集中釋放對傳感器測量結(jié)果的影響，實際釋放的濃度要稍大于2000μmol·mol-1，密閉5min，使內(nèi)部空氣混合均勻。然后開啟頂通風(fēng)，在自然換氣狀態(tài)下CO2從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散，通過CO2自動記錄儀實時記錄溫室內(nèi)外空氣的CO2濃度變化情況，記錄間隔為1min。取CO2濃度從2000μmol·mol-1左右降至與外界環(huán)境濃度一致的區(qū)間數(shù)據(jù)計算通風(fēng)流量[18]，即

式中，G為通風(fēng)換氣流量（m3·h-1）；V為試驗溫室的體積（m3）；t為測試開始至測試過程某時刻所經(jīng)歷的時間（h）；Cin(0)為測試開始時刻溫室內(nèi)CO2濃度（μmol·mol-1）；Cin(t)為t時刻溫室內(nèi)CO2濃度（μmol·mol-1）；Cout為室外CO2濃度（μmol·mol-1），室外CO2傳感器放置于距溫室北側(cè)5m。

CO2濃度采用VAISALA GM70二氧化碳自動測試儀進行觀測，測量范圍0～5000μmol·mol-1，測量精度1.5%量程+2%讀數(shù)，測量儀每隔1min記錄一次數(shù)據(jù)。試驗期間共釋放CO2105次，其中通風(fēng)口寬度為3cm和5cm時有效數(shù)據(jù)量均為31組，通風(fēng)口寬度為7cm時，有效數(shù)據(jù)量為37組。CO2濃度從2000μmol·mol-1衰減至與室外一致所需時間為4～40min。

1.3 環(huán)境參數(shù)測量

環(huán)境參數(shù)主要包括溫室模型內(nèi)、外溫濕度、室外風(fēng)向與風(fēng)速。溫濕度的測量采用HOBO U14-001自計議，溫度測量范圍-40～100℃，測量精度±0.2℃，濕度測量范圍0～100%,測量精度±2.5%。溫室內(nèi)溫濕度測點位于溫室?guī)缀沃行?，距離地面高度0.3m，室外溫濕度測點距離地面高度1.6m，距離溫室北墻4m。室外風(fēng)速風(fēng)向采用HOBO S-WSA-M003風(fēng)速儀測量，風(fēng)速測量范圍0～45m·s-1，測量精度±0.1m·s-1；風(fēng)向測量范圍0～355°，測量精度±5°，風(fēng)速儀距離地面高度4m，距離溫室北墻4m。所有數(shù)據(jù)記錄間隔為1min，取CO2衰減周期內(nèi)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 日光溫室頂窗通風(fēng)模型的構(gòu)建

2.1.1 通風(fēng)機理

氣流通過一個通風(fēng)口的動力來自于壓差，壓差源于兩方面，（1）熱壓，或稱為煙囪效應(yīng)；（2）風(fēng)壓，室外風(fēng)速的影響。當(dāng)溫室內(nèi)外的溫度差較小或室外風(fēng)速大于1.5m·s-1時[18]，溫室熱浮力效應(yīng)較小，溫室內(nèi)外環(huán)境的通風(fēng)效率是與室外風(fēng)速相關(guān)的函數(shù)。

設(shè)通過通風(fēng)口的進氣速度為v(y)，則進氣通風(fēng)口內(nèi)外壓差與進氣速度的關(guān)系可根據(jù)伯努利方程得到[19]，即

通過式（2）轉(zhuǎn)換得平均氣流速度為

日光溫室通風(fēng)口大小通過卷簾機向上卷膜控制，通風(fēng)口為長方形，則通風(fēng)流量G（m3·s-1）為

式中，H為通風(fēng)口垂直高度（m）；L為通風(fēng)口總長（m）；dy為在高度H上的微分。

日光溫室頂通風(fēng)口開啟時，通風(fēng)口截面的一半面積為氣流進口，另一半面積為氣流出口（Bot）[18]，則

式中，Sw為有效通風(fēng)截面面積，S為通風(fēng)口面積，故式（5）可轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

可見，日光溫室通風(fēng)流量不僅與通風(fēng)口形狀即有效通風(fēng)口的高度和長度有關(guān)，還與流量系數(shù)和內(nèi)外壓差有關(guān)。

2.1.2 熱壓通風(fēng)流量

將式（8）代入式（7）得出熱壓通風(fēng)流量Gs為

2.1.3 風(fēng)壓通風(fēng)流量

從式（9）可以看出，通風(fēng)流量是與通風(fēng)口處內(nèi)外壓差有關(guān)的函數(shù)，而通風(fēng)口處的內(nèi)外壓差與溫室形狀、部位、風(fēng)速和風(fēng)向等因素有關(guān)。與溫室外基準(zhǔn)面的平均動量的關(guān)系為[18]

將式（10）帶入式（7）得

式中，Gw為風(fēng)壓通風(fēng)流量（m3·s-1）。

2.1.4 熱壓與風(fēng)壓耦合通風(fēng)流量

根據(jù)Boulard等在拱棚溫室通風(fēng)試驗中的研究[10-12]，利用溫室通風(fēng)口處內(nèi)外壓差形成的熱壓通風(fēng)流量與風(fēng)壓通風(fēng)流量之和擬合拱棚通風(fēng)模型時，模擬值與實測值最為接近。因此，假設(shè)日光溫室通風(fēng)口處的通風(fēng)流量為G，則

2.2 頂窗不同寬度下通風(fēng)流量的模擬

2.2.1 不同寬度下的流量系數(shù)和風(fēng)壓體型系數(shù)

根據(jù)溫室內(nèi)CO2濃度的衰減速度，結(jié)合式（13）計算溫室在不同開窗尺寸時的通風(fēng)流量G，同時計算CO2衰減周期內(nèi)溫室內(nèi)、外的平均氣溫，室外平均風(fēng)速，代入式（13），當(dāng)通風(fēng)口寬度分別為3、5和7cm時分別得到31、31和37個方程，對試驗數(shù)據(jù)進行多元線性擬合，計算出擬合度最高時對應(yīng)的流量系數(shù)與風(fēng)壓體型系數(shù)，結(jié)果見表1。由表可見，不同通風(fēng)口寬度對應(yīng)的流量系數(shù)明顯不同，總體上，寬度越大流量系數(shù)越小，通風(fēng)口寬度為3、5和7cm時對應(yīng)的流量系數(shù)分別為0.78、0.60和0.44。這是因為，隨著通風(fēng)口寬度的加大，溫室內(nèi)外靜壓差減小，靜壓差的減小會導(dǎo)致通過通風(fēng)口處的氣流速度降低，最終導(dǎo)致流量系數(shù)降低。日光溫室與其它結(jié)構(gòu)溫室流量系數(shù)有明顯區(qū)別。在Venlo型玻璃溫室中[18]，流量系數(shù)與開窗角度α有關(guān),其計算式為0.64+0.001α。在雙跨連拱形溫室中頂開窗的流量系數(shù)為0.75[11]，垂直側(cè)開窗的流量系數(shù)為0.6～0.8[19-20]。本研究中不同通風(fēng)口寬度下風(fēng)壓體型系數(shù)的數(shù)值均較小，通風(fēng)口寬度為3、5和7cm時分別對應(yīng)0.04、0.05和0.07，而Boulard等在圓拱形溫室中[11]，其值為0.09。風(fēng)壓體型系數(shù)主要受溫室周圍環(huán)境影響，如建筑物、樹木、柵欄等，通風(fēng)口寬度對風(fēng)壓體型系數(shù)的影響不明顯。

表1 不同寬度下的通風(fēng)流量系數(shù)與風(fēng)壓體型系數(shù)擬合結(jié)果

2.2.2 不同寬度下的熱壓風(fēng)壓通風(fēng)流量

圖3為日光溫室通風(fēng)口通風(fēng)流量的模擬值與實測值的比較。由圖可見，當(dāng)溫室模型的通風(fēng)口寬度分別為3、5和7cm時，通風(fēng)換氣流量模擬值與實測值之間的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.93、0.97和0.96，說明兩者的變化趨勢一致。在實際溫室生產(chǎn)中（按模型比例因子為5計算），則當(dāng)溫室頂通風(fēng)口寬度為15cm時，總通風(fēng)流量可按下式計算

溫室通風(fēng)口寬度為25cm時，總通風(fēng)流量為

溫室通風(fēng)口寬度為35cm時，總通風(fēng)流量為

不同環(huán)境條件下，由熱壓和風(fēng)壓產(chǎn)生的通風(fēng)流量的大小也不一樣，因此需比較由熱壓和風(fēng)壓作用導(dǎo)致的通風(fēng)流量，分別確定由熱壓和風(fēng)壓主導(dǎo)作用的臨界點風(fēng)速，即當(dāng)風(fēng)速大于某一值時，溫室的通風(fēng)流量主要受室外風(fēng)速的影響，當(dāng)風(fēng)速小于該值時，通風(fēng)流量主要受熱壓的影響。圖4為通風(fēng)口寬度分

別為3、5和7cm時風(fēng)壓通風(fēng)流量占總通風(fēng)流量的比例。由圖4a可見，當(dāng)室外風(fēng)速高于1.2m·s-1時，則風(fēng)壓通風(fēng)流量所占總通風(fēng)流量的比例均高于50%，即風(fēng)壓通風(fēng)占主導(dǎo)作用；由圖4b和4c可見，當(dāng)室外風(fēng)速高于1.5m·s-1時，風(fēng)壓通風(fēng)流量所占總通風(fēng)流量的比例均高于50%，風(fēng)壓通風(fēng)占主導(dǎo)作用。在工程設(shè)計中為簡化通風(fēng)計算，可將臨界點風(fēng)速定為2.5m·s-1，忽略熱壓的影響。因為，當(dāng)室外風(fēng)速高于2.5m·s-1時，風(fēng)壓通風(fēng)占總通風(fēng)量的比例均高于70%。

Note：The percentage=Gw/(Gw+Gs)′100%

3 結(jié)論與討論

日光溫室通風(fēng)口處氣壓差是驅(qū)動室內(nèi)外氣體流動的主要因素，本研究確定了通風(fēng)口寬度為15、25和35cm時，通風(fēng)流量的計算式分別為、和。

當(dāng)室外風(fēng)速大于2.5m·s-1時，3種通風(fēng)口寬度其風(fēng)壓通風(fēng)流量所占比例均大于70%，即風(fēng)壓導(dǎo)致的通風(fēng)流量占主導(dǎo)作用。在工程設(shè)計中，為簡化計算，當(dāng)室外風(fēng)速高于2.5m·s-1時，可忽略熱壓的影響。

流量系數(shù)與通風(fēng)口寬度呈一定數(shù)學(xué)關(guān)系，已有研究表明，在Venlo型玻璃溫室中，流量系數(shù)與開窗角度呈線性關(guān)系[18]。在日光溫室中，一般有上通風(fēng)口和下通風(fēng)口，本試驗中由于只測試了上通風(fēng)口3種寬度下的通風(fēng)流量，無法確定流量系數(shù)和通風(fēng)口寬度的關(guān)系式，因此，今后將進一步補充完善不同通風(fēng)口組合模式和寬度下的通風(fēng)流量，統(tǒng)計出流量系數(shù)與通風(fēng)口寬度的數(shù)學(xué)關(guān)系。

Bot[18]研究表明，風(fēng)向?qū)νL(fēng)流量的影響較小，因為溫室四周有障礙物，如建筑、樹木以及溫室本身結(jié)構(gòu)，氣流在溫室通風(fēng)口周圍形成紊流。因此，本研究未考慮風(fēng)向的影響。此外，本試驗中計算室外風(fēng)速引起的溫室通風(fēng)流量時，將室外風(fēng)速考慮為CO2衰減周期內(nèi)的平均值，而實際測試中室外風(fēng)速是動態(tài)變化的，有報道稱[21-22]，由于室外自然風(fēng)向與風(fēng)速具有不斷變化的特點，因此由風(fēng)速引起的風(fēng)壓也是不斷波動的，這種由風(fēng)速引起的風(fēng)壓波動的振幅即為通風(fēng)動力，因此，下一步研究需重點分析室外風(fēng)速與通風(fēng)口處風(fēng)壓和通風(fēng)流量的變化關(guān)系。

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Simulation on Ventilation Flux of Solar Greenhouse Based on the Coupling between Stack and Wind Effects

FANG Hui, YANG Qi-chang, ZHANG Yi, CHENG Rui-feng, ZHANG Fang, LU Wei

(Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Lab of Energy Conservation and Waster Treatment of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)

Natural ventilation is a key measure for greenhouse environment adjustment, and ventilation flux calculation involves the discharge coefficient and wind effect coefficient. So, it is necessary to analyze the air volume flux over different vent types and the corresponding coefficients. The effects mechanism of the coupling between the stack and wind effects on ventilation flux was analyzed, and a model of air exchange in a solar greenhouse was established considering two main driving forces of ventilation. The tracer gas technique using carbon dioxide was used in a scaled greenhouse (scale rateis 1:5) to identify the ventilation flux. From measurements of volumetric flow rates, climate parameters and opening width, the model parameters, the discharge coefficient and the wind effect coefficient were identified by fitting the experimental data to the model using multi-linear regression. The results showed that the ventilation flux could be calculated by the following equations,,and, where S and H was opening area and opening width;was the temperature difference between inside and outside; T and u was the outside air temperature and velocity. The identified values of the discharge coefficient were 0.78, 0.6, and 0.44, and the wind effect coefficients were 0.78, 0.6, 0.44 when the vent opening widths were 3cm, 5cm and 7cm, respectively (equal to the opening widths in an actual greenhouse 15cm, 25cm and 35cm). It was shown that the ventilation flux due to the wind effect over total ventilation flux was over 50% when the wind velocity exceeds 1.5m·s-1and that could be over 70% when the wind velocity exceeds 2.5m·s-1, which indicated that the temperature or buoyancy effect could be neglected.

Chinese solar greenhouse; Ventilation flux; Discharge coefficient; Wind effect coefficient; Simulation

10.3969/j.issn.1000-6362.2016.05.005

2016-03-25**

。E-mail：zhangyi03@caas.cn

國家自然科學(xué)基金項目（51508560）

方慧（1983-），女，助理研究員，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究。E-mail：fanghui@caas.cn