日光溫室對流循環蓄熱墻體構造對室內氣流場的影響

王慶榮，程杰宇，崔文慧，夏楠，趙淑梅，馬承偉

(1. 中國農業大學水利與土木工程學院/農業設施農業工程重點實驗室，北京 100083；2. 北京派得偉業科技發展有限公司，北京 100097；3. 北京中農富通園藝有限公司，北京 100083)

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日光溫室對流循環蓄熱墻體構造對室內氣流場的影響

王慶榮1，程杰宇1，崔文慧2，夏楠3，趙淑梅1，馬承偉1

(1. 中國農業大學水利與土木工程學院/農業設施農業工程重點實驗室，北京 100083；2. 北京派得偉業科技發展有限公司，北京 100097；3. 北京中農富通園藝有限公司，北京 100083)

【目的】適當空氣流動對植物的生長非常重要，研究新型對流循環蓄熱墻體構造對日光溫室中所形成的氣流影響。【方法】通過現場試驗，在距離墻體0.3 m、0.6 m、0.9 m位置對上下兩排通氣孔高度處的氣流速度和溫度等進行了測試，并在測試的基礎上，通過FLUENT軟件，對包括作物在內空間的氣流分布進行模擬分析。【結果】該墻體構造所形成的循環氣流，可以在一定程度上擾動室內空氣，進而在溫室內走道和作物栽培行間等位置形成氣流，其中溫室跨中栽培行間的下部平均氣流速度可達0.25 m/s。【結論】對流循環蓄熱墻體自身的對流作用，可對日光溫室冬季封閉栽培條件下的氣流環境有一定的改善作用。

日光溫室；對流循環墻體；氣流場；CFD模擬

0 引 言

【研究意義】氣流是植物生長的重要環境因子之一，它會影響到作物的光合作用、蒸騰作用以及葉面溫度等。日光溫室生產條件下，冬季栽培基于保溫需要，除了晴天中午短暫的自然通風之外，大多數時間處于密閉狀態，導致室內空氣基本處于無風的停滯狀態。這種現象會使作物冠層空間溫度、濕度以及CO2濃度等環境因子分布不均，無法為作物生長提供良好的生長環境[1]。有研究表明，在作物栽培環境中，冠層保持微風狀態對作物生長相當有利，一定的氣流流動能夠使熱量、水汽、CO2等在作物層以及空氣之間的傳遞、輸送作用增強，使作物層內的溫濕度分布得到調節，避免了在某個層次上出現過高或過低的溫度、過大的濕度等現象，以利于作物的正常生長[2]。【前人研究進展】一般情況下，氣流速度在0～0.5 m/s，作物的凈光合速率會隨著氣流速度的增大而增加；當空氣濕度增加到80%時，黃瓜凈光合速率甚至在氣流速度0～1.2 m/s下都會隨著氣流速度的增大而增加。主要是因為適當的空氣流動可以減小葉面邊界層阻力，促進葉面和周圍空氣之間能量及相關氣體的交換[3]。也有研究認為氣流對葉外CO2的擴散有影響，對作物最重要的影響是晃動作用，在氣流的作用下作物群體葉片不停的擺動，群體中形成時間間隔極短的明暗交替，這種閃光的光合效應比連續光的更為有效和明顯。對于同化CO2來說，閃光可以將光合作用的量子效率提高一倍。有試驗研究表明，在周期為6～7 s的閃光條件下，蘿卜可增產200%，黃瓜增產50%，番茄增產10%[4]。部分學者研究了不同氣流速度對作物栽培的影響。孔云等[5]在室內氣流對培育甜瓜壯苗的實際效果研究中，使用機械送風對“伊麗莎白”厚皮甜瓜壯苗進行處理，結果表明，處理后的莖粗、葉片厚度等相對于無空氣流動狀態均有所增加，并篩選出0.5 m/s的氣流速度適宜在生產上使用。楊振超等[6]研究了氣流對厚皮甜瓜開花坐果期生長發育和生理效應的影響，結果表明，增大氣流速度至1.0 m/s時，較無風狀態單葉葉面積、葉面積指數等均有大幅度增加。Jun Gu Lee等[7]對葉用萵苣品種進行了溫度、氣流速度和光照強度研究，表明0.28 m/s穩定氣流下能有效降低tipburn癥狀。T Nishikawa[8]對植物工廠內使用電動轉盤研究氣流對萵苣生長的影響，試驗結果表明，與對照組相比對氣流控制結果大萵苣產量提高20%。李霞等[9-10]通過溫室盆栽試驗分別對莧菜和甜椒進行了研究，研究了不通氣流速度下對蒸騰及生長的影響，試驗結果表明，對莧菜蒸騰速率和蒸騰量差異不顯著，但氣流速度處理對溫室盆栽的地上部鮮重、地下部鮮重以及根冠比增加均有顯著的影響，并認為對盆栽甜椒溫室最適宜的氣流速度為0.8 m/s左右。N.E.Andersson[11]研究了氣流速度對水仙花生長的影響，結果表明，氣流速度會影響植株高度的變化，高于0.1 m/s的氣流速度對植株干重有顯著影響，高于0.8 m/s的氣流速度對植株鮮重有顯著影響。張建光等[12]研究了蘋果果面日最高溫與主要氣象因子的關系，結果表明，氣流速度與果實表面溫度呈高度相關。謝貴水等[13]研究了影響甘蔗株高生長的氣象因子，經過分析發現平均氣流速度本身對株高生長有一定的正效應。針對日光溫室通風對調控氣流環境的影響，部分學者對日光溫室通風方式進行了相關研究。余亞軍[14]對溫室內部分區域提出了一種新的通風模式—局部置換通風方式，并對局部通風模式效果進行了模擬和現場實測。鑒于局部置換通風方式的特殊性，對溫室冬季的遮陽網封閉不嚴的情況進行了試驗研究，得出華北型溫室冬季平均綜合傳熱系數為4.21 W/(·K)。張志臣等[15]對蔬菜日光溫室在生產上通風運用存在的一些誤區進行了糾正。Takeshi kuroyanagi[16]通過大量試驗測試對室內循環風機的性能進行了測定，得出雖然循環風機大量應用，但很難去評測日本循環風機的實際效果。其還通過在作物層上部添加循環風機的狀態進行了CFD模擬，結果表明，在沒有作物時，氣流速度大于0.15 m/s的網格空間為73.4%，有作物存在時該百分比下降至53.5%～61.2%，作物會對氣流產生阻礙作用。【本研究切入點】氣流的存在對栽培環境極為重要。但是日光溫室中針對氣流的調控措施還不是很多。目前最為常用的自然通風主要以排除余熱和濕氣為目的，循環風機的應用主要用于連棟溫室，鑒于成本等問題在日光溫室中還比較少見。研究開發一種經濟有效的日光溫室氣流調控措施。【擬解決的關鍵問題】研究針對新開發的對流循環蓄熱墻體構造，在研究其蓄熱放熱效果的基礎上，進一步研究其循環氣流對室內空氣的擾動效果，全面評價該新型墻體構造，日光溫室的環境調控提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗日光溫室位于北京通州區(116.6°E ，39.9°N)，東西長度60 m，南北跨度8 m,墻體高度2.8 m。前坡面和后坡面為鋼結構半拱形焊接桁架結構，前屋面采用0.08 mm厚的PO薄膜作為覆蓋材料，后屋面采用100 mm厚彩鋼板。墻體為新型對流循環蓄熱墻體，采用填滿水泥砂漿的混凝土空心砌塊砌筑的通體中空構造，其由內至外為400 mm厚空心砌塊、600 mm厚中空、200 mm厚空心砌塊、100 mm厚聚苯板保溫層。墻體上下部設置有150 mm×150 mm的通氣孔，上下通氣孔中心間距2.04 m。為了增強對流效果，在墻體上部通氣孔處安裝了部分小風扇，其他上部通氣孔進行了密封處理。

作為對比試驗，對同時建造的另一棟完全相同的溫室上下部通氣孔，全部進行密封處理。測試期間種植的作物為櫻桃番茄，基質栽培。試驗溫室及墻體中空部分構造。圖1，圖2

該溫室設計的對流循環蓄熱墻體構造是為了增加墻體蓄熱和放熱效果而開發的，其原理及初步蓄放熱效果參見文獻[17]。研究其上下通氣孔形成的循環氣流對室內空間的影響。

圖1 溫室構造

1.2 方 法

1.2.1 測試項目

從關注氣流的角度出發，試驗中測試室內氣流速度和空氣溫度。在北側走道，沿東西方向共選取9個測試斷面，斷面間距6.0 m；測點分別位于各斷面距離墻體表面0.3、0.6和0.9 m處的上下通氣孔中心處。在溫室栽培區，作物冠層的影響會形成湍流，很難測試，因此主要在溫室下部設置了測點。即在溫室中部設置了7個測試斷面，斷面間隔5.5 m(間隔5個栽培行)，在每個斷面的溫室跨中(距墻體表面4.1 m處)和南部邊界處(距墻體表面7.4 m)各設置1個測點，高度與下部通氣孔中部水平高度一致。繪測點布置方案。圖2，圖3

圖2 室內測點布置斷面示意

圖3 室內測點布置平面示意

試驗選用Model KA32/41智能型風速風量計(KANOMAX，日本)，可同時采集氣流速度、風溫、風量、風壓等環境指標。其主要技術參數：氣流速度測試范圍0.10～30.0 m/s，精度±(3%測量值±0.1 m/s)；風溫測試范圍-20.0～60.0℃，精度±0.5℃。因為氣流速度測量時受人為走動影響較大，所以在測量之前保證室內無人走動，選擇氣流速度較平穩的天氣和時間段進行測量。測量時適當遠離測量位置，使用儀器伸長桿上的探頭放在測量位置處。每個測點交替重復測試3次，每一次記錄儀器測量10次的平均值，取3次測量結果的平均值。

選取2016年1月25日(晴，無持續風向微風)下午為測試和驗證時間。另外，作為相關邊界條件，采用Testo175-H1溫濕度計(德國)測量室內空氣溫度，采用Onset S-LIB-M003太陽總輻射傳感器(美國)測試室內太陽總輻射，采用Onset H21-002室外氣象站(美國)測試了室外空氣溫度和太陽總輻射，采用HFP01-15熱通量板(荷蘭)測量圍護結構表面熱通量。

室外氣象數據通過室外氣象站獲得，氣流速度和風溫采用人工測試、記錄，其他全部自動記錄并采集，數據采集時間間隔為10 min。

對照溫室的測試方案與上述試驗溫室完全相同。

1.2.2 可視化模擬方法

1.2.2.1 模型構建及網格劃分

日光溫室因其東西狹長的構造特點，氣流場的變化主要體現在跨度方向斷面上，模型采用與實體建筑等比例構建。一般而言，三維模型能夠更加準確地描述實際情況[18]，因此，使用Gambit軟件構建日光溫室及其內部栽培區域的三維模型，采用非結構網格對其進行網格劃分，在上部通氣孔和下部通氣孔處作網格加密處理；采用多孔介質模型對日光溫室內具體部位的栽培作物進行建模以及網格劃分。模擬時選取室內空間及整個墻體作為計算域。同時模擬時需要作以下假設，即忽略日光溫室上下通風孔建造偏差等對氣流的影響，忽略栽培槽形狀的影響，忽略室外氣流速度對室內氣流的影響。圖4

圖4 日光溫室網格劃分

1.2.2.2 CFD物理模型控制方程

日光溫室內的氣體流動受物理守恒定律的支配，包括質量守恒定律、動量守恒定律，因為要考慮到栽培作物的影響，還要考慮能量守恒定律[19]。研究主要使用守恒型控制方程來建立基于有限體積法的離散方程。通用控制方程如下：

其展開形式為：

考慮到日光溫室內氣流流動呈現無序的混亂狀態，模擬采用標準k-ε模型來模擬室內氣體的湍流輸送過程，此模型在日光溫室環境模擬中獲得了較高精度。標準k-ε模型中的k和ε是兩個未知量，不考慮自定義源項時其方程表達式為[20]：

番茄作物層對室內空氣流速有很大影響。作物層的蒸騰作用及與周圍空氣間的相互作用直接影響邊界層處的空氣流動，因此對作物做多孔介質處理，根據Darcy-Forchheimer定律建立邊界層與室內氣流速度之間的數學模型，作為方程(1)的源項添加到動量方程中。

式中Sφ為動量源項；KP為多孔介質的滲透率，KP=0.395；CF為非線性動量損失因子；μ為空氣動力度[21]。考慮到栽培形狀對氣流的影響，將室內距東側山墻9 m以西36.7 m范圍內，種植的34列番茄栽培行按照室內實際栽培行形狀、吊蔓植株高度、行間距等對其進行近似建模處理。栽培行寬度為0.4 m、行間距為0.7 m，栽培行北側植株高度為1.75 m，南側位置受前屋面影響按照實際生長高度趨勢設置為弧形降低曲線，栽培行前端距離室內前端位置0.6 m，并使用Cooper方式對栽培行進行網格劃分。圖4

1.2.2.3 邊界、初始條件與模型計算

將墻內中空部分與室內空氣聯通起來考慮，將根據實際情況需要開啟的小風扇入口設置為風機邊界(Fan)，風機的物理模型是一個無限薄的面，壓強在經過這個面時出現躍升，而躍升的值是速度的函數[22]。由小風扇做功等于氣流所增加的動能，實測的小風扇對應通氣孔內氣流速度計算得上部單個通氣孔小風扇處壓力差為3.5 Pa；其他未開啟的通氣孔做不透風處理，與墻體一同考慮為壁面邊界(Wall)；下部出通氣孔設置為內部界面(Interior)邊界條件；圍護結構以及地面設為壁面條件(Wall)。

考慮到空氣溫度差會對室內氣流產生影響，啟用能量方程，并考慮重力影響。選用DO輻射模型，Sun Direction Vector選用Fluent軟件自帶Solar Calculator計算結果，Sunshine Factor 選擇1。考慮到圍護結構、地面等與室內氣流進行對流換熱，將前屋面熱條件設置為輻射情況，圍護結構設置為對流換熱情況，各部分材料參數和尺寸等屬性按照實際值設置。北墻熱條件根據測試熱通量設置為熱流情況，后屋面設置為溫度情況，邊界均設為不可產熱情況。

采用Fluent軟件進行數值求解，近壁區的模擬采用壁面函數法，不考慮濕度影響采用Boussinesq假設[23]，控制方程采用基于有限體積法的離散方法，動量、湍動能、湍流耗散率選用空間離散高階離散格式中的二級迎風格式，基于SIMPLE算法進行流場數值計算與求解。壓力、密度、體積力、動量、能量、DO、κ、ε、μ等欠松弛因子為默認設置。

2 結果與分析

2.1 測試結果

在兩棟溫室完全沒有放風條件下開始觀測。當室內溫度達到設定溫度時，試驗溫室開啟通氣孔的小風扇，進行墻體內外空氣的強制對流。在此條件下，測得的對照溫室與試驗溫室內的氣流速度統計。表1，表2

由表1的對照溫室測試結果可以看出，封閉狀態下室內最大氣流速度僅為0.05 m/s，近似于靜止狀態。而表2的試驗溫室中，所有測點的氣流速度明顯高于對照溫室，其中在墻體附近，最大氣流速度可達1.04 m/s，說明在該溫室中，墻體的對流循環蓄熱作用同時給室內空間帶來了一定的氣流擾動；并且下部通氣孔位置處的氣流速度明顯高于上部通氣孔。另外，從表2的結果還可以看出，試驗溫室墻體對流循環氣流的影響使得溫室跨中及溫室南側栽培行間的下部可以分別獲得0.25 m/s和0.07 m/s的氣流速度。

2.2 模擬模型驗證

選取模擬氣流速度與同一時刻、同一位置的實測結果進行比對來驗證模型，結果表明，模擬值與各測點實測值吻合較好，除距離墻體小風扇較遠位置數值較小的個別點外，模擬值和實測值趨勢基本一致。二者平均相對誤差為10.1%，最大相對誤差為21.1%，數值模擬與現場實測有較好的吻合度，CFD模型可靠性高。圖5，圖6

模擬值在東西測點方向上波動幅度小，實測值在東側略微大于西側，分析其原因可能是由于溫室開門位置在東側墻上，致使冷風滲透及小風扇微小供電功率差距所導致的。上下部通氣孔所有數據隨著遠離墻體呈現降低趨勢。

表2 試驗溫室內上下部通氣孔高度測點氣流速度(m/s)

圖5 上部通氣孔截面氣流速度模擬值與實測值比較

圖6 下部通氣孔截面氣流速度模擬值與實測值比較

3 討 論

在對照溫室中，封閉狀態下室內空氣基本處于停滯狀態，而在試驗溫室中，雖然該墻體構造的主要作用在于蓄熱和放熱，但是其上下通氣孔形成的內外循環氣流是可以在一定程度上擾動室內空氣，形成室內氣流的。距離墻體0.3、0.6和0.9 m處上、下部通氣孔前方的平均氣流速度，上部分別為0.12、0.07和0.06 m/s；下部分別為1.01、0.65和0.41 m/s。其中，在下部通氣孔附近的氣流大于上部，這可能是由于上部進風口氣流范圍大，而下部風口氣流射流集中，形成了較高速度的射流，對空氣擾動較大所致。該氣流在溫室下部空間，還能影響到溫室中部，在跨中位置，仍然有0.25 m/s的氣流速度，甚至在溫室的南側也會有微弱的氣流存在。

由于現場測試的局限性，不能很全面、很直觀地了解墻體循環氣流對溫室其他區域的影響，因此借助CFD模擬結果進行分析。在對模型驗證的基礎上，模擬分析了這一墻體對流循環氣流對室內栽培空間的影響，從溫室空間氣流分布的三維矢量圖中可以看出，接近上、下部通氣孔附近氣流速度較快，其中下部通氣孔前方溫室內位置氣流速度明顯，且氣流復雜。室內栽培行區域遠離墻體位置處氣流速度較小，但可以在植物栽培行區域上部空間形成環形分布的氣流場，且較為均勻。說明采用對流循環墻體對實現室內氣流循環流動有一定的影響。圖7

為了更好地研究墻體構造導致的氣流對室內空氣流動特性及對室內栽培作物的影響，分別對溫室中部栽培行所處斷面和栽培行間所處溫室橫斷面進行分析，其模擬結果分別如下：

在墻體位置，室內空氣從上部通氣孔吸入墻體內部，再從下部通氣孔排出，如此循環往復形成氣流。這個過程可以間接地看出室內空氣與墻體進行熱交換的過程，但是這個氣流同時也會擾動室內空氣，在作物冠層頂部形成一定的氣流，這對改善冠層頂部的環境、促進作物的光合作用具有一定的意義，但在作物中間由于植株密度較高，幾乎沒有氣流。圖8(a)

在作物栽培行間所處的斷面，整個斷面均有一定的氣流，并且有渦流出現，使得溫室內部氣流變化幅度較大。氣流繞渦流中心位置運動，有利于栽培行內的空氣與栽培行間進行物質和能量交換，對室內溫度等環境因子的均勻有一定的促進作用，提高環境的均勻性。圖8(b)

圖7 新型蓄熱日光溫室內部氣流流速矢量分布

圖8 試驗溫室橫斷面(X軸方向)氣流速度矢量分布

在溫室地面附近氣流速度明顯高于上部空間，為進一步分析底部的氣流情況，在作物栽培基質表面以上0.1 m高度處選取一個水平面進行分析表明，在下部通氣孔高度處的水平面上，整個溫室分布特征比較明顯。其中在溫室中間34列栽培行內以及中部墻體留有門位置，氣流很微弱；在溫室東西兩端未看到栽培行影響，這是因為溫室兩端的種植密度很低，并未進行正常栽培。但是在中間大部分正常區域內(距東側山墻9.0 m以西36.7 m范圍內)，可以看出栽培行的影響，行間存在較為明顯的氣流速度。由于斷面位于栽培基質表面以上0.1 m位置處，表明作物根部附近氣流較為明顯，有利于作物根部附近空氣環境的改善。圖9

圖9 下部通氣孔高度處溫室水平氣流場分布

4 結 論

日光溫室新型對流循環蓄熱墻體構造，其所形成的墻體內外循環氣流，除了具有提高溫室蓄熱放熱效果的性能外，也會對溫室內部空間的氣流場產生影響。

通常日光溫室在封閉條件下，很利于保溫，但是室內空氣基本處于停滯狀態，缺乏空氣流流動。與之相比，對流循環蓄熱墻體構造自身蓄熱放熱過程中所形成的氣流，會對室內空氣產生擾動作用，形成室內氣流。

通過實測數據對所構建的CFD模型進行了驗證，在驗證的基礎上利用實測邊界條件對溫室氣流場進行了模擬分析。對流循環蓄熱墻體所導致的室內氣流，主要集中在靠近墻體的走道位置以及作物行間位置，對擾動室內空氣，改善室內環境的均勻性具有一定的作用；作物冠層以上空間也會形成一定的氣流，但是作物栽培區域影響效果不大。

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Fund project:Supported by the special funds for public welfare industry (agriculture) research (201203002), Construction of modern agricultural industry technology system (CARS-25-D-04)and national science and technology planning project of "12th Five-year" in rural areas(2013AA102407)

Impact on Indoor Air Distribution with the Convective Circulation Thermal Storage Wall of Chinese Solar Greenhouse

WANG Qing-rong1, CHENG Jie-yu1, CUI Wen-hui2, XIA Nan3,ZHAO Shu-mei1, MA Cheng-wei1

(1. College of Water Conservancy and Civil Engineering, China Agriculture University/KeyLaboratoryofAgriculturalEngineeringinStructureandEnvironment,Beijing100083,China;2.BeijingPAIDEScienceandTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.Beijing100097,China;3BeijingZhongnongFutongHorticultureCo.,Ltd.Beijing100083,China)

【Objective】 Proper airflow is very important for the plant growth; this study aims to explore the airflow effect caused by the new convective circulation thermal storage wall structure in Chinese solar greenhouse.【Method】Based on field experiment method, points of wind speed and temperature were tests from the back wall 0.3 m, 0.6 m and 0.9 m on the bottom two rows vent holes height. And on a test basis, the air distribution simulation analysis including crop space was carried out by the Fluent software.【Result】The result of measurement and simulation analysis showed that recycle stream，which was formed by wall structure，could be disturbing indoor airflow to some extents, thereby forming airflow in the aisles between drop cultivation rows and other locations. The measuring points average wind speed at the bottom cultivated rows middle position was of up to 0.25 m/s.【Conclusion】The self-convection of the new convective circulation and thermal storage wall have some improvement action for the solar greenhouse airflow environment in the winter closed cultivation conditions.

Chinese solar greenhouse; convective circulation wall; airflow field;CFD simulation

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.07.020

2016-03-09

公益性行業(農業)科研專項(201203002)；現代農業產業技術體系建設(CARS-25-D-04)；“十二五”農村領域國家科技計劃課題(2013AA102407)

王慶榮(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為設施園藝工程，(E-mail)cau_wqr@126.com

趙淑梅(1967-)，女，博士，碩士生導師，研究方向為設施園藝工程，(E-mail)zhaoshum@cau.edu.cn

S625.5+3

A

1001-4330(2016)07-1319-10