多間日光溫室溫濕度環境模擬與分析

五十六，塔　娜，馬文娟，陳　斌

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特　010018)

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多間日光溫室溫濕度環境模擬與分析

五十六，塔娜，馬文娟，陳斌

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特010018)

摘要：為了觀察中國北方地區多間日光溫室每個屋子的溫濕度分布和夜間散熱過程,利用Penmane-Monteith法土壤水分蒸發理論和計算流體動力學(CFD)方法進行環境溫濕度模擬分析。試驗時，在溫室內布置了溫濕度傳感器、熱通量傳感器和土壤溫度(水分)傳感器，并進行了多點測試。測試分析得出：多間日光溫室的室內最高溫度為37℃,夜間溫度為5℃，凌晨最低溫度為2℃左右。利用Penmane-Monteith蒸發公式算出溫室土壤的蒸發速率得出白天和夜間的蒸發率分別為6.07×10-5kg/m2·s和2.28×10-6kg/m2·s。通過模擬發現：室外平均風速0.5m/s時，室內最大流速能達0.33m/s(出現在屋子Ⅱ)。最終研究得出：該類型溫室需要加強保溫措施才能滿足中國北方地區溫室生產要求。

關鍵詞：多間溫室；微氣流；溫濕度環境；蒸發速率；模擬

0引言

多間日光溫室的溫濕度分布和夜間散熱過程研究對溫室生產有重大意義。為了保證溫室的保溫性，中國北方地區的大部分菜農用半拱形日光溫室，但這種溫室的植物成長層次不齊、土壤的隔離效果差，規模小且采光率低[1]。因此，一些菜農開始把大型連棟溫室隔離若干屋子進行種植。計算流體動力學(CFD)方法是使用數值方法求解非線性流體的動量、質量和能量計算解出流場內部的動力學參數的變化[2]。Fluent軟件是CFD計算工具之一，其模塊化設置和微分算法對溫室氣體的流動狀態、傳質、傳熱等的計算方面極為準確，并可用于流場預測、可視化和結構優化方面[3]。1989年，Okushima等初次采用計算流體動力學CFD技術對溫室內氣流流動模式進行了預測[4]。此后，在歐洲各國和美國,借助該數值模擬技術對溫室內微環境分布模式進行分析，當時這些技術已成為溫室研究的熱點。2012年，Davide Piscia等人利用CFD方法計算水蒸氣夜間冷凝過程并擬合出了冷凝曲線方程，夜間水分的冷凝有利于水分回收利用也能有效地避免高含水率下的植物病變[5]。2012年，R.Nebbali等人對種植番茄的半管道溫室的輻射與對流環境的動態模擬與研究，提出植物的輻射、對流熱交換模型和自然通風的邊界邊界條件及夜間溫室土壤與作物的熱輻射問題[6]。2013年，Limtrakarn等使用CFD方法模擬了種有植物的熱帶地區溫室內的空氣流，并且依據模擬氣流狀態建立了一個新的溫室模型，通過測量和比較發現新模型溫室的空氣流量比舊溫室大約高了39%[7]。在幼苗期作物個子小，太陽大面積輻照地面可以忽略作物的消光和作物蒸騰的影響；但土壤水的大量蒸發會使室內的水汽增多，中高濕很可能導致作物正常蒸騰，以及提高真菌病的發生率[8]。

在眾多研究中，國內外研究學者對多間日光溫室的模擬研究較少，尤為內蒙古寒冷干旱地區溫室生產中非常罕見。本文對寒冷干旱地區多間日光溫室進行MatLab面擬合法和計算流體動力學(CFD)方法分析溫濕度環境，并提供理論指導意見。

1材料與方法

1.1試驗溫室

試驗溫室選擇內蒙古呼和浩特市多間日光溫室，該地區位于北緯41°、東經111°，年日照時數長達2 863h[9]。溫室坐北朝南，后墻為磚墻，東西南墻有1.2m高的隔離墻，為塑料板圍成。試驗溫室的外形尺寸如圖1所示。溫室有3個隔離室，分別是屋子Ⅰ、屋子Ⅱ和屋子Ⅲ。室外3D 模型制定50m×32m×20m的長方體。

1.2溫濕度傳感器布置

溫濕度測試傳感器采用A2301溫濕度傳感器，溫度測量范圍為-40～80℃(測量精度±0.5℃)，相對濕度測量范圍為0～100%(測量精度±3%)，布置方式如圖2所示。土壤表面溫度和含水率測試傳感器采用1個MS10土壤水分(溫度)傳感器，并布置在屋子Ⅱ地面的正中間，溫度測量范圍為-40～80℃(測量精度±0.5℃)，土壤含水率測量范圍：0～53%(測量精度±3%)、53%～100%(測量精度±5%)。墻體和土壤一般白天吸熱夜間放熱，為了觀察圍護結構的熱通量試驗選用PC-2R熱流檢測儀對溫室南面塑料板、后墻體、土壤表面進行熱流量測試。

圖1　試驗溫室結構

圖2　溫濕度傳感器的布置

1.3試驗進展

試驗日期為2012年12月20-2013年2月20日，分析日期為2013年2月12日，天氣晴朗，夜間平均風速為0.5m/s。光照的測試儀器為TES-1333R手持式光照強度測試儀，13:30時室外內向太陽光照測試值為1 250W/m2和650W/m2，估算出溫室塑料板的透射率a=0.52。

2建立溫室數值模型

2.1網格劃分邊界條件

為了解多間溫室每個屋子內的溫濕度分布和夜間散熱過程，在Gambit中進行網格劃分，再導入計算流體動力學軟件Fluent中進行計算溫室內流場。Gambit中的網格劃分方法選擇了四面體非結構化網格，且兩個交接塑料壁面設置為熱耦合壁面。網格劃分結果如圖1所示。

2.2邊界條件與初始條件

在模擬時把網格文件先導在Fluent中進行材料的定義和邊界條件的設置，材料的定義和邊界條件的設置如表1所示。2014年2月12號的天氣報告與模擬初始條件如表2所示。

2.3數值模型

數學模型主要由控制方程下的RNGk-ε湍流模型、DO輻射模型、土壤蒸發模型和水分輸運模型等組成，并調用了自帶的太陽計算器(呼和浩特：北緯41°，東經111°，時間區域8)。本模擬利用Fluent軟件中直接調用模型計算[10]，該文不再強調。

2.4水分運輸模型

把溫室內氣體視為水蒸汽和干空氣的混合。由于太陽光束在覆蓋層的入射角度不同反射率也不同，導致溫室氣體的不均勻加熱產生自然對流。在Fluent中打開水分輸運模型，組分材料定義為H2O和air；激活體積分數Volumetic選項。迭代中按公式(1)空氣組分的守恒定律計算：溫室內水組分質量對時間的變化率等于對外的凈擴散量與通過蒸發蒸騰作用產生的氣態水分生產率之和，則組分i的質量守恒方程表示為[11-12]

(1)

其中，ci為混合物中組分i的體積濃度；ρci為組分i的質量濃度；Di為組分i的質量擴散率；Si為離散相及用戶定義的廣義源項導致的額外產生速率。

表1　材料屬性

表2　2014年2月12氣象參數表

3測試結果與蒸發速率的計算

3.1溫室環境因子測試結果與討論

從圖2(a)測試數據看出：白天地面和1.2m高處的溫度差比較明顯，而夜間的溫度差較小；白天上層的溫度高于地面附近的溫度，夜間靠近地面的溫度大于1.2m高處的溫度。在圖2(b)中，由相對濕度1天內的變化可以看出，靠近地面的相對濕度遠高于1.2m的相對濕度，尤其是夜間地面附近的相對濕度接近空氣飽和含水率。圖2(a)出現現象的原因在于：白天太陽輻射穿過PE薄膜是多次折射，因此進入溫室的擴散光彌漫薄膜附近使上層空氣首先升溫，再被土壤吸收；而夜間溫室最薄的壁面開始降溫，土壤開始散發熱量，所以土壤溫度高于1.2m高處的溫度。圖2(b)出現現象的原因在于：土壤是散發水汽的源項，是在太陽輻射溫度的驅動下把水分蒸入空氣中，所以相對濕度大于1.2m高處的相對濕度。土壤蒸發是一個耦合過程，其由溫度的驅動下蒸發水分也會降低周圍空氣的溫度，有時會影響土壤的升溫。太陽落山后地面上方空氣溫度開始降低，剛離開土壤表面的水汽受到冷空氣的影響，低溫空氣的水汽飽和壓差降低，相對濕度接近滿值或重新變成液態水。

由圖2(c)熱通量的測試可看出：白天采光面放熱通量能達到48W/m2，土壤的吸熱通量可達47W/m2；而夜間薄膜的吸熱通量為15W/m2時，土壤的放熱通量為14W/m2。這種溫室的采光性好，傳到溫室內的熱量幾乎等于土壤接受的熱量；但夜間薄膜板傳出的熱量也幾乎等于土壤釋放的熱量，因此保溫性差。從試驗也能得出：土壤是溫室內最好的蓄放熱體。

3.2土壤蒸發潛熱計算

在Fluent計算中，組分源項的質量分數和組分產生速率是按實際情況定義的，質量分數一般介入壁面邊界的水分含量。下面利用已測得的太陽輻射輻射、熱通量、濕度和溫度的數據估算土壤的蒸發潛熱及蒸發速率。本論文蒸發潛熱的計算選用了Penmane-Monteith公式[13-16]，計算裸土表面的熱交換過程，則有

(2)

其中，λ為水的蒸發潛熱(J/g)；E為蒸發速率(g/m2·s)；Δ為飽和水汽壓隨溫度變化曲線的斜率(kPa/℃)；Rn為透射到溫室土壤表面上的凈輻射[J/(m2·s)]；G為土壤熱通量(W/m2)；ρ為溫室氣體的密度(g/m3)；cp為空氣的定壓比熱(J/℃·m3)；es為空氣飽和水汽壓(kPa)；ea為空氣實際水汽壓, (kPa)；γ為干濕表常數(kPa/℃)；ra為空氣動力學阻抗(s/m)；rs為已干燥土壤土壤表面阻抗(s/m)。再根據Goudriaan公式有

(3)

ea=esRH

(4)

(5)

其中，Ta為空氣溫度(℃);RH為空氣相對濕度(%)。

通過測試分析發現：在13:30時的溫室內溫度最高，土壤的蒸發速率也很高。而0:00時溫室散熱進入平穩散熱過程。因此，選擇白天13:30和夜間0:00的土壤蒸發熱交換進行詳細分析。通過式(4)計算得出的飽和水汽壓隨溫度變化曲線的斜率如表3所示。

(a)　溫度的變化

(c)　熱通量的變化

Ta/℃RH/%es/kPaea/kPaΔs/kPa·℃-113:0025.6493.2881.6115.0000:007.597.81.0371.0140.532

根據Jensen( 1990),可得室內的凈輻射量Rn為

(6)

其中,Rgs為溫室內的太陽輻射(J/m2·s)(在13：30時的地面Rgs為223W/m2)；α是地表反照率(平均波長1.62μm，含水率為18%，太陽入射角度24.40°時土壤的反射率為17.63%)；Rgl為投射到溫室內的凈長波輻射(J/m2·s)。再根據Weiss (1982)和Burman(1983)提出的Rgl的計算公式進行計算凈長波輻射量，有

(7)

其中,Rgso是晴天溫室內太陽輻射量(W/m2)(在13：30時的地面Rgso為230W/m2)，εa是大氣放射率(白天：0.82；夜間：0.72)；εs是地表放射率(干土：0.9，濕土：0.95，本文取0.925)；σ是斯特藩-玻爾茲曼常數(5.67×10-8J/m2·s·K4)。計算結果如表4所示。最后代入Penmane-Monteith蒸散得

(8)

其中，λ為2 450J/g，ρcp為1 240。白天ra值為98s/m[17]，rs值為210s/m[18],G為47W/m2，γ為0.66(計算公式為0.645 5+0.000 64Ta[19])。λE為148.67J/m2·s，E為6.07×10-5kg/m2·s。夜間γ為0.65，λE為5.59 J/m2·s，E為2.28×10-6kg/m2·s。

表4　溫室內凈輻射計算參數表

通過Penmane-Monteith蒸散公式計算的土壤水分蒸發所需的潛熱量發現，白天室內凈輻射最高時水分蒸發所用潛熱量為148.67J/m2·s，而夜間凈輻射最低時的水分蒸發所用潛熱量為5.59J/m2·s。因此，白天水分蒸發所用熱量占溫室內總凈輻射量的50%左右。

4模擬結果與討論

4.1MatLab仿真測試數據與討論

測試發現，白天屋子Ⅱ的溫度高于屋子Ⅰ和Ⅲ。為了觀察多間溫室的最高溫屋子的溫濕度分布，根據傳感器1、2、3、4、5、6、7、8、9的實測數據運用MatLab軟件擬合分析了白天屋子Ⅱ13:30時的溫濕度分布。MatLab溫濕度面擬合結果如圖3所示。

采訪是電視新聞記者的工作之一，通過合理使用采訪技巧，可以提高采訪效率，并減少采訪過程中存在的問題。因此，記者必須提高采訪技巧的使用水平，提高采訪質量。

(a)　13:30時Matlab溫度擬合

(b)　13:30時Matlab相對濕度擬合

圖3為13:30時刻溫室屋子Ⅱ內的1.2m高處溫濕度面擬合圖，面擬合度為97.3%。從圖3看出：多間日光溫室屋子Ⅱ的白天南面溫度最大，能達37℃。這是因為太陽光線穿過采光面塑料板的時部分變成反射光，部分變成透射光；冬天太陽離地面的高度較低，只有溫室南面采光壁面的光反射角最小，透射輻射最大；隨著溫度的升高，空氣飽和水汽壓變大，密度減小，相對濕度降低。測試發現屋子Ⅱ內的1.2m高處最低相對濕度為18%。隨著太陽的偏西，溫室內東墻附近的直射輻射增強，輻射溫度高于西墻。

4.2隔離溫室夜間溫濕度的分析與討論

下面分析0:00時刻溫室各屋子內的1.2m高處溫濕度分布和中間跨度垂直面微氣流分布。模擬的初始條件由表2所示，考慮重力場、室外風速為0.5m/s，模擬結果如圖4和圖5所示。模擬與實測值對比發現，最大絕對溫度差為0.7℃，最大相對濕度差為4.7%,模擬與實測的對比如表5和表6所示。

表5　模擬與實測溫度對比

表6　模擬與實測相對濕度對比

4.2.10:00時溫室橫截面溫濕度分布

從圖4看出：在夜間0:00時溫室各屋子溫度大大下降，濕度上升，每個屋子同一水平面的溫濕度差非常小。從圖4(a)看出，屋子Ⅱ的平均溫度最高，其次是屋子Ⅰ和屋子Ⅲ。從降溫趨勢來看，屋子Ⅲ的東南角的降溫最大，而其他屋子降溫較大位置在西南角。原因在于：這種溫室的兩側屋子的左右兩端直接與外面接觸，從東南角和西南角熱損失最多，尤其是屋子Ⅲ由于下午吸收的熱量低，夜間整體溫度低。屋子Ⅱ處于兩個屋子的中間熱損失最少，溫度也高。這說明溫室的隔離式生產中應多加幾件中間屋子，并應格外地保護兩側屋子。

(a)　夜間0：00 時1.2m水平面上的溫度分布

(b)　夜間0：00 時1.2m水平面上的相對濕度分布

夜間多間日光溫室受到室外低溫的影響溫度很快的流失。圖5描述Fluent軟件計算的室外風速0.5m/s、塑料板熱流量為-15W/m2時的溫度流矢量和跡線圖。

在夜間，溫室圍護結構冷卻速度的不一致導致溫濕度分布不均勻，借助熱浮力和高壓氣體運動室內產生了自然對流。圖5為3個屋子Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的z為4.8、14.4、24m的垂直面上的氣流組織圖。從圖5看出：3個屋子的最低溫度都出現在塑料板附近，最高溫度出現在地面和后墻的交界處角處；3個屋子空氣運動都從后墻體和土壤交界處上升，在塑料板附近冷卻后向下運動，形成了有1個大渦心旋轉的對流氣流，氣流的最大速度為0.33m/s(出現在屋子Ⅱ)。出現該現象的原因是：溫室內的空氣在土壤和墻體交界處吸收足夠的熱量在熱浮力作用下上升，而塑料板附近的低溫高壓空氣向下運動形成對流，室內圍護結構的溫差越大產生的對流速度越大。從跡線圖看出：3個屋子里出現的氣流渦心的位置也有所不一，屋子Ⅱ的氣流渦心最靠中部，屋子Ⅲ為偏南部。原因是對流空氣組織的散熱速率和吸熱速率相等時渦心正處于中間位置，而吸熱速率大于散熱速率時對流渦心向散熱壁面移動。因此，在寒冷干旱地區的實際生產中應在室內安裝氣流擋板阻礙對流氣流，降低散熱速率。

(a)　屋子Ⅰ　　　　　　　　　　　　 (b)　屋子Ⅱ　　　　　　　　　　　　　　　(c)　屋子Ⅲ

5結論

1)對寒冷干旱地區多間日光溫室的測試分析發現：室內最高溫度37℃,夜間溫度為5℃，凌晨最低溫度為2℃左右，因此該類型的溫室需要加強保溫措施才能滿足該地區的生產要求。

2)在1天內靠近地面的濕度遠高于上層空氣的濕度，尤其是夜間地面附近和薄膜附近的相對濕度能達到空氣飽和含水率值。

3)利用Penmane-Monteith蒸散公式對溫室土壤水分某一時刻蒸發速率計算得出：白天13:00時的蒸發速率為6.07×10-5kg/m2·s，夜間的蒸發率為2.28×10-6kg/m2·s。

4)室外平均風速0.5m/s時室內最大流速能達0.33m/s(出現在屋子Ⅱ)。這說明了溫室夜間主要是室內形成自然對流散熱，因此在實際生產中應當室內安裝擋板阻礙對流氣流，降低散熱速率。

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Temperature and Humidity Environment Simulation and Analysis in Multi Building Greenhouse

Wushiliu, Tana, Ma Wenjuan, Chen Bin

(College of Electromechanical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：In order to observe temperature and humidity distribution for each room of multi-room solar greenhouse in northern China and indoor cooling process in night, penmane-monteith method of soil moisture evaporation theory and computational fluid dynamics (CFD) method was used to analyze the temperature and humidity field. When the test we arranged the temperature and humidity sensors , heat flux sensors and soil temperature (moisture) sensor in the greenhouse conducted a multi-site testing.Test and analysis result shows，the multi-room solar greenhouse indoor maximum temperature is 37 ℃, the night temperature is 5 ℃, the early morning minimum temperature is about 2 ℃.The evaporation rate of top soil during the 13:30 and 0:00 is respectively 6.07×10-5kg/m2·s和2.28×10-6kg/m2·s. The simulation shows that the maximum velocity of indoor airflow reaches 0.33m / s(appears in the room Ⅱ) when the average speed of outdoor wind is 0.5m/s at night. Finally, it is concluded that thermal insulation should be enhanced in order to meet requirements of greenhouse production in northern China.

Key words：multi-room greenhouse; micro air flow; temperature and humidity; evaporation rate; simulation

文章編號：1003-188X(2016)05-0192-07

中圖分類號：S152.8；S625.5

文獻標識碼：A

作者簡介：五十六(1990-),男(蒙古族)，呼和浩特人，碩士研究生, (E-mail)zhangxiangdong103@163.com。通訊作者：塔娜(1967-)，女(蒙古族)，呼和浩特人，教授，博士生導師，(E-mail)jdtana@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(61364021)

收稿日期：2015-04-23