冬季日光溫室內(nèi)微氣候模擬與優(yōu)化

王 燦

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

冬季日光溫室內(nèi)微氣候模擬與優(yōu)化

王 燦

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

日光溫室內(nèi)的溫度分布和變化決定了植物生長的環(huán)境，對農(nóng)作物種植效率有至關(guān)重要的作用。本文針對呼和浩特市典型的日光溫室，研究冬季環(huán)境下室內(nèi)的微氣候。采用CFD方法對溫室內(nèi)一天的溫度變化進(jìn)行數(shù)值模擬，找到變化規(guī)律，并通過地板采暖方式對溫室進(jìn)行優(yōu)化。該研究對CFD方法在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的可能提供了參考。

日光溫室 計算流體動力學(xué) 地板采暖

引言

日光溫室作為我國設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中的主體，近年來已成為農(nóng)業(yè)種植業(yè)中效益最高的產(chǎn)業(yè)。不僅解決長期困擾我國北方地區(qū)冬季的蔬菜淡季供應(yīng)問題，同時促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、提高城鄉(xiāng)居民生活水平。日光溫室產(chǎn)業(yè)能充分利用有限的光熱資源，通過加強人的主觀調(diào)控能力，最大限度的減弱氣候帶來的不利因素，大幅度地提高了作物的產(chǎn)量、質(zhì)量、經(jīng)濟效益。

在同內(nèi)蒙古一樣的寒冷干旱地區(qū)，傳統(tǒng)的日光溫室在嚴(yán)寒天氣下有時未能為植物生長提供所需的條件。通過改變?nèi)展鉁厥业谋卮胧┖瓦m當(dāng)供熱，能有效解決這一問題。

本文通過CFD方法模擬日光溫室一天內(nèi)的溫度變化，采用以上兩種方式對日光溫室進(jìn)行優(yōu)化，并比較優(yōu)化后對室內(nèi)溫度的影響規(guī)律。為提高和控制日光溫室夜間溫度，促進(jìn)生產(chǎn)效率給出了可行的參考。

一、溫室模型建立

1.數(shù)學(xué)模型

溫室整個計算區(qū)域內(nèi)的空氣求解流動及傳熱問題時，控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、湍動能方程和湍流耗散率方程。如果用表示通用變量，則上述各方程都可以表示成以下通用守恒方程：

從以往的試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，自然對流情況下，溫室內(nèi)氣流場Re數(shù)符合湍流流動，本文采取應(yīng)用廣泛的兩方程k-ε湍流模型，在近壁處用壁面函數(shù)法。輻射和對流是其中主要的兩種傳熱方式，熱量通過輻射傳遞到周圍環(huán)境中，同時溫室各圍護結(jié)構(gòu)、空氣、和植物之間也通過輻射進(jìn)行著能量交換。對于輻射模型，采用離散坐標(biāo)輻射(DO)模型進(jìn)行求解。求解模型選擇非耦合求解器以適應(yīng)計算機性能和速度。

2.物理模型

本文以呼和浩特市典型的生產(chǎn)用溫室為模型，坐北朝南，東西走向。溫室的長度為80m，跨度為10m，脊高5.6m，后墻高4.9米，后墻的材料為紅磚，厚度為0.37m，后坡長2.3m，材料為木板，后坡仰角20°。采光面采用PVC塑料膜，厚度0.005m。分別以溫室的長、寬、高三個方向為X軸，Z軸和Y軸，用Gambit軟件建立三維模型。

3.邊界條件

取呼和浩特市12月3日為例，室外溫度為-9℃～4℃，以室外的瞬時溫度作為外部自由溫度。

溫室外表面與室外空氣進(jìn)行對流換熱，對流換熱系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗公式求得，與室外風(fēng)速和風(fēng)向有關(guān)，計算公式[2]

式中，為溫室外表面對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；為邊界表面實際風(fēng)速，m/s；為實際風(fēng)速，m/s。

模擬日期呼和浩特市西北風(fēng)，室外風(fēng)速為4m/s，因溫室坐北朝南，后墻位于北方，屬于迎風(fēng)面，其對流換熱系數(shù)取值為18.6 W/(m2·K)。

二、不同時刻溫室內(nèi)溫度場的模擬

冬季一天內(nèi)的溫度在短時間內(nèi)的變化較小，因此以4個小時為間隔，分別取一天內(nèi)0時、4時、8時、12時、16時、20時及24時作為模擬時刻，對溫室內(nèi)溫度場進(jìn)行數(shù)值計算。得到的溫室內(nèi)部平均溫度變化趨勢如圖1所示：

圖1 一天內(nèi)溫室內(nèi)部平均溫度

可以看出，隨著室外溫度的變化，溫室內(nèi)的平均溫度先升高后降低，最高出現(xiàn)在中午12時，約為286K，16時至次日8時，由于陽光不足，室內(nèi)溫度已經(jīng)降低至約為280K，需要采光面覆蓋棉被保溫。

在夜間0點時，室內(nèi)的溫度分布如圖2所示：

圖2 夜間0時溫室內(nèi)部溫度分布

由于地面土壤的蓄熱能力較強，溫室靠近地面的溫度最高，植物生長區(qū)域約為264K，采光面沒有太陽輻射，材料較薄，溫度最低。

三、優(yōu)化后的室內(nèi)溫度場模擬

為了在夜間獲得更高的溫度，在傳統(tǒng)后墻的情況下，夜間對溫室地下進(jìn)行供熱。在地面加入80W/m2的熱流密度，得到的溫度場分布趨勢與不加溫時相似。但整體溫度有了較大提高，靠近地面的溫度約為294K，剛好能滿足一般蔬菜作物20至22℃的生長需求。

結(jié)語

傳統(tǒng)日光溫室由于墻體結(jié)構(gòu)簡單，保溫能力差，白天溫室內(nèi)溫度偏低，16點以后急速降低，對植物生長影響很大。通過夜間對溫室地下進(jìn)行供熱能有效提高溫室內(nèi)整體溫度，且分布均勻。模擬結(jié)果表明，地面80W/m2的熱流密度約能提升室內(nèi)溫度30℃。

[1]吳菲菲,塔娜,畢玉革,王艷麗,周妤婕.北墻體結(jié)構(gòu)對日光溫室內(nèi)溫度場影響的研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,(04)：100-104.

[2]蔣國振,胡耀華,劉玉鳳,鄒志榮.基于CFD的下沉式日光溫室保溫性能分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,(12)：275-281.

[3]路文淵,賈蕾.日光溫室穩(wěn)態(tài)溫度場的數(shù)值模擬[J].山西建筑,2012, (02)：126 - 128.