基于CFD的日光溫室溫度與卷簾開度關系研究

張國祥 劉星星 張領先 傅澤田 張琛馳2, 李鑫星2,

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.食品質量與安全北京實驗室， 北京 100083；3.中國農業大學信息與電氣工程學院， 北京 100083； 4.農業部農業信息獲取技術重點實驗室, 北京 100083)

基于CFD的日光溫室溫度與卷簾開度關系研究

張國祥1,2劉星星1張領先3傅澤田2,4張琛馳2,3李鑫星2,3

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.食品質量與安全北京實驗室， 北京 100083；3.中國農業大學信息與電氣工程學院， 北京 100083； 4.農業部農業信息獲取技術重點實驗室, 北京 100083)

日光溫室通過在棚面上覆蓋卷簾保溫材料的方式，可以有效地減少日光溫室在外界環境溫度較低情況下的熱量散失，在前期研究的改進型日光溫室后置固定式卷簾裝置基礎上進一步研究不同卷簾開度對于日光溫室內部溫度變化的影響。選擇保溫性質較好的保溫被作為卷簾材料、簡化北方地區較為典型的遼沈Ⅳ型日光溫室結構，通過對日光溫室的散熱情況分析，得到日光溫室內部溫度的變化與其卷簾開度導致的保溫材料與卷膜的覆蓋面積變化存在著一定的線性關系。并通過CFD-Fluent仿真軟件和驗證性試驗進行研究驗證，結果表明：覆蓋卷簾可以有效地減少日光溫室的熱量散失，維持室內適宜溫度及其均勻性，在較為理想的環境條件下，日光溫室內部溫度變化與卷簾開度存在一定的線性關系，且日光溫室內部溫度由于棚面散熱速率的差異所呈現的區域性差異也進一步驗證了該結論。

日光溫室； 溫度； 卷簾開度； CFD-Fluent仿真； 試驗

引言

日光溫室通過在棚面上覆蓋卷簾保溫材料的方式，有效地減少日光溫室在外界環境溫度較低情況下的熱量散失，將日光溫室棚室內部溫度維持在作物生長發育所需的適宜范圍內，滿足室內作物的生長發育需要[1-3]。

在寒冷夜間，通常會使用日光溫室卷簾機在棚面上鋪放覆蓋卷簾用以保溫，在晝間外界溫度適宜時打開卷簾，使得日光溫室內部的作物接受光照，且在外界光照條件較好的情況下，使得卷簾處于較大開度，有益于作物接受更多光照，但在晝間外界溫度較低或光照不強的情況下，卷簾完全打開會造成日光溫室的室內溫度迅速降低，凍傷作物，造成嚴重損失，另一方面若卷簾完全覆蓋棚面又會造成光照不足，影響作物生長。為解決這一問題，可通過僅打開部分卷簾，維持一定的卷簾開度，使得日光溫室在滿足必要的光照需求下，減少日光溫室內部熱量散失，維持室內適宜溫度[4—5]。但對于日光溫室卷簾機的使用，目前多只停留在將卷簾完全打開或是完全封閉，不對卷簾開度進行高精度控制，其操作方式過于粗糙和簡單。因此，開展卷簾開度對日光溫室溫度的影響研究，實現日光溫室卷簾機的精準化控制，具有重要的研究意義[6-7]。

在前期“改進型日光溫室后置固定式卷簾裝置”的研究基礎上，基于計算流體動力學(CFD)的建模方法，本文提出日光溫室內部溫度的變化與其卷簾開度存在著一定的線性關系。并通過CFD-Fluent模型仿真的方法，選擇特征平面進行針對性分析究，最后進行試驗驗證。

1 卷簾開度對日光溫室溫度的影響

1.1 日光溫室保溫覆蓋材料

日光溫室所采用的棚面保溫覆蓋材料，目前多為人造纖維材料的保溫被或是簡單的溫室草簾，草簾屬于比較傳統的日光溫室保溫材料，因為取材方便，價格低廉，在日光溫室普及之初就已被廣泛使用，但因為草簾的質量較差，壽命短，而且隨著保溫被生產成本的降低，且保溫被具有防水、防風、壽命長、適用于卷簾機械等特點，保溫被已經得到普遍的使用。目前市場上保溫效果較好的保溫被主要有防水布、化纖噴膠棉、薄膜等材料組成，且在使用時通常會在日光溫室棚面內層覆蓋一層卷膜，以加強其保溫效果[8-9]。因為材料性質的差異，草簾和保溫被在保溫性質上也存在著較大的差異，如表1所示[9]。

表1 日光溫室卷鋪介質的保溫性質差異Tab.1 Insulation property differences between straw curtains and insulation pads

由表1可知，保溫被的傳熱系數遠小于草簾，且其傳熱阻較大，反映保溫被的保溫效果明顯優于草簾，且單位面積的保溫被的質量小于草簾，能夠減輕日光溫室棚面負載，也更適合于日光溫室的機械卷簾作業。基于以上考慮，選擇保溫被作為模型仿真及試驗中的日光溫室保溫覆蓋材料。

1.2 日光溫室溫度與卷簾開度關系

選擇北方地區較為典型的遼沈Ⅳ型日光溫室作為仿真研究對象[10]，為方便研究計算，將其日光溫室棚面簡化成一段圓弧，整體結構被簡化為簡單的幾何模型，如圖1所示[10]。

圖1 遼沈Ⅳ型日光溫室的圖形簡化Fig.1 Graphic simplification of “Liaoshen Ⅳ” solar greenhouse

選擇0、20%、40%、60%、80%、100% 6個開度作為仿真驗證試驗中日光溫室的卷簾開度測量位置，棚室長度設定為60 m，通過計算可以得到日光溫室內部的空間體積Va為2 593.85 m3，假設室內外空氣溫度分別分布均勻，卷膜處于完全關閉狀態，忽略自然通風對室內外溫度的影響，日光溫室的覆蓋材料表面溫度分布均勻，則此時日光溫室內部熱量的散失主要為室內空氣與覆蓋材料接觸(卷膜+卷簾、卷膜)的對流熱換能量，如圖2所示。

圖2 日光溫室室內空氣與覆蓋材料的對流換熱Fig.2 Convective heat transfer of indoor air and covering materials in solar greenhouse

基于所簡化的遼沈Ⅳ型日光溫室模型，通過計算得到不同卷簾開度K所對應的圓心角度和材料覆蓋面積如表2所示。

表2 不同卷簾開度對應的圓心角度和卷鋪材料覆蓋面積Tab.2 Central angle and covering area at different roller openings

由表2可知覆蓋材料(卷膜+卷簾，卷膜)面積A1、A2與卷簾開度呈線性比例關系。假設在一個標準大氣壓下，日光溫室內、外部溫度分布均勻，基于研究實驗條件需要，將日光溫室內部空氣溫度ti設定為27℃(300 K)，日光溫室棚面覆蓋材料的溫度設定為0℃(273 K)。由此可以得到的熱平衡微分方程為

(1)

其中

Q1=A1α1(ti-T1)

(2)

Q2=A2α2(ti-T2)

(3)

式中Va——日光溫室內部的空間體積，m3C——空氣比熱容，取1 006.43 J/(kg·K)

ρa——日光溫室內空氣密度，取1.225 kg/m3

Q——單位時間內除去室內空氣與棚面覆蓋材料對流換熱能量外的日光溫室其他能量變化，包括室內空氣與墻體的對流換熱能量等，W

Q1——單位時間內日光溫室內部通過與覆蓋材料(卷膜+卷簾)的自然對流換熱能量，W

Q2——單位時間內日光溫室內部通過與覆蓋材料(卷膜)自然對流換熱能量，W

α1、α2——覆蓋材料(卷膜+卷簾，卷膜)與室內空氣之間對流換熱系數，W/(m2·K)

T1、T2——覆蓋材料(卷膜+卷簾，卷膜)與室內空氣接觸的表面溫度，K

由以上理論研究分析得到，日光溫室內部溫度的變化與其卷簾開度導致的覆蓋材料(卷膜+卷簾，卷膜)面積A1、A2變化存在著一定的線性關系，基于以上考慮，本文將通過CFD-Fluent模型仿真的方法進一步研究驗證[11-15]。

2 不同卷簾開度下日光溫室溫度變化的CFD-Fluent仿真

2.1 網格劃分和邊界條件

基于ANSYS Workbench CFD仿真分析軟件，模擬冬季夜間日光溫室的熱量散失情況，建立不同卷簾開度的日光溫室三維仿真模型，為日光溫室的構造面進行命名，設置合適的網格單元尺寸(0.3～0.5 m)，采用Tetrahedrons模式進行模型網格劃分，得到的網格劃分結果如圖3所示。

圖3 日光溫室模型的Tetrahedrons網格劃分結果Fig.3 Results of Tetrahedrons mesh generation about solar greenhouse model

由圖3網格劃分結果可看出，網格質量評估參數Skewness(不能高于0.95，最好在0.90以下；其值越小表示劃分的網格質量越好)的最大值僅為0.8左右，且超過90%的網格的Skewness值小于0.5，網格劃分質量較為良好，不同卷簾開度的日光溫室模型劃分的網格數量均達到360 000左右，精度較高，且未出現“負網格”等錯誤情況，能夠滿足Fluent模擬仿真實驗的需要。由于所需仿真結果為單位時間后的瞬態環境狀態值，所以選擇瞬態模型Transient，啟動能量模型Energy，選擇湍流模型為Realizablek-ε模型，進入邊界條件設置。對日光溫室的建筑材料及其覆蓋材料的邊界類型、厚度、對流系數、邊界溫度進行了設定[16-19]，其設定參數如表3所示[9,13]。

表3 Fluent日光溫室仿真模型的邊界條件Tab.3 Boundary conditions for solar greenhouse simulation model of Fluent

2.2 Fluent仿真結果

初始化設定完成后，在Patch設定中將日光溫室內部的初始溫度設定為300 K，將仿真模擬的時間步長設定為60 s，總的時間步數設定為10，兩者乘積即可得到仿真時間，為10 min。基于以上所設定的相同邊界條件、初始條件和仿真時間，對不同卷簾開度下日光溫室模型的溫度變化情況進行模擬仿真，得到的仿真結果如圖4所示。

圖4 不同卷簾開度CFD-Fluent整體溫度云圖對比Fig.4 CFD-Fluent contrast testing of whole temperature clouds with K=0 and K=100%

由圖4可得在棚面上鋪放卷簾和未鋪放卷簾(僅覆蓋卷膜)對日光溫室內部整體溫度變化的影響，從整體溫度變化來看，卷簾的保溫效果明顯。為研究鋪放卷簾開度對于日光溫室內部溫度分布影響情況，通過Plane Surface的“三點建面”方法在日光溫室模型內部建立Y=1 m平面與Z=30 m平面，對其在卷簾開度K=20%時的平面溫度分布情況進行比較，如圖5所示[20]。

圖5 卷簾開度K=20%的Y=1 m平面與Z=30 m平面溫度云圖對比Fig.5 CFD-Fluent contrast of temperature clouds of plane Y=1 m and Z=30 m with 20% opening

由圖5可知其日光溫室內部的溫度分布存在一定的層次性，且在Z軸方向和Y軸方向上都有所體現，但在Y軸方向上層次感和規律性較強，且考慮到Z=30 m的平面更多反映溫室內部整體情況，且日光溫室內部種植作物一般處于溫室下部區域，所以選擇Y=1 m平面作為研究特征平面，觀察其溫度云圖變化，更能反映不同卷簾開度對于日光溫室種植作物所處環境溫度的直接影響，不同卷簾開度對應的Y=1 m平面溫度云圖如圖6所示。

圖6 不同卷簾開度日光溫室內Y=1 m等高面的溫度云圖Fig.6 Temperature clouds based on Y=1 m contour plane with different openings

3 CFD-Fluent仿真結果分析

3.1 日光溫室卷簾保溫效果和分析

通過圖4中在棚面上完全鋪放卷簾(K=0)和未鋪放卷簾(僅覆蓋卷膜，K=100%)的日光溫室整體溫度云圖變化對比可以發現，在棚面上鋪放卷簾可以有效地減小日光溫室棚面的熱量散失速率，卷簾對于日光溫室具有良好的保溫效果。且由圖6中具體的日光溫室內1 m等高面(Y=1 m平面)溫度云圖來看，在棚面上完全鋪放卷簾(K=0%)和未鋪放卷簾(僅覆蓋卷膜，K=100%)的日光溫室室內溫度在相同區域內提升近10℃左右。

圖7 卷簾開度K=0時Z=30 m平面與Y=1 m平面溫度XYplot圖對比Fig.7 Contrast of temperature XYplot of plane Y=1 m and Z=30 m with 0 opening

由圖4、圖6中的溫度分布情況可以發現，日光溫室的建造及覆蓋材料保溫性質的差異會導致其內部空間區域散熱速率出現明顯的不同，由此會導致日光溫室內部溫度的區域性差異，且這種差異性存在一定的規律性，散熱速率較快的材料周圍區域溫度降低速度較快。這反映到日光溫室溫度變化，在圖4中有所體現，日光溫室后墻體和卷簾相比較其他材料具有較好的保溫性質，東西墻體次之，卷膜的保溫性質最差，也由此導致在卷簾未打開(K=0%)時，在日光溫室內1 m等高面上，溫度從溫室中間區域往兩邊墻體基本呈由高到低的階梯狀分布；當卷簾打開后，也基本呈現由溫室后墻體向外的擴散式階梯狀分布。

這種分布規律對于日光溫室作物種植具有極其重要的指導作用，卷簾未打開(K=0%)時，室內1 m等高面溫度云圖中的高溫區域集中于日光溫室中間的大部分區域，這部分也多為日光溫室種植作物區域，區域溫度分布也較為均勻，而卷簾打開后，室內1 m等高面溫度云圖的溫度則呈現由墻體向外的擴散式階梯狀分布，這對于種植區域內作物影響明顯，會導致種植區域尤其是其外圍區域內的種植作物出現嚴重凍傷、凍死等災害，影響作物產量與品質。由此可知，在棚面上鋪放卷簾能夠有效地保證日光溫室內部種植區域的溫度均勻性，有益于種植作物的生長和發育[21]。

3.2 不同卷簾開度下溫度變化結果與分析

針對于卷簾開度對于日光溫室內部整體溫度影響的分析，將各個卷簾開度下的Z=30 m平面和Y=1 m平面的溫度分布情況以XYplot圖的方式展現，如圖7所示。

將plot圖中的溫度數據導出后，處理后得到各個卷簾開度下Z=30 m平面和Y=1 m平面的溫度平均值，這也可以被視為不同卷簾開度下，整個日光溫室內部的平均溫度的反映，對其結果進行統計，如圖8所示。

圖8 平面Z=30 m和Y=1 m平均溫度與卷簾開度關系曲線Fig.8 Relationship curves of average temperature on Z=30 m and Y=1 m planes and opening

由圖8可以看出，Z=30 m平面和Y=1 m平面的溫度平均值隨著卷簾開度的增大基本呈線性遞減，其最大非線性誤差分別小于0.5%和小于0.35%。

圖6中，卷簾開度40%～100%時，在日光溫室內1 m等高面溫度云圖的溫度分布在不考慮其所代表的溫度的情況下，具有極高的相似度，基于這種共性，將其溫度云圖進行分區和標注處理，其結果如圖9所示。

圖9 溫度云圖的分區處理Fig.9 Partitioned processing of temperature cloud

圖10 區域溫度與卷簾開度關系曲線Fig.10 Relationship curves of zone temperature and opening

如圖9所示，從A區到E區其溫度遞減，繪制各區域溫度變化與卷簾開度關系曲線如圖10所示。

由圖10區域溫度與卷簾開度關系曲線可以發現，在相同的溫度分區內，其溫度隨著卷簾開度的增大而逐漸減小，且這種遞減趨勢與卷簾開度存在一定的線性關系，其最大非線性誤差小于0.45%，由此可以進一步驗證日光溫室其內部溫度變化與其卷簾開度存在一定的線性關系。

4 驗證性試驗結果與分析

為研究卷簾開度對日光溫室的影響，通過建立日光溫室等比例1∶40模型(圖11)，內部均勻布置溫度傳感器，共計15個，采集其內部溫度參數，模型內部兩邊山墻放置暖風機(額定電壓12 V，額定功率150 W)，在其后墻安裝散熱片(額定電壓12 V，額定功率100 W)，以提高模型內部空氣溫度，借助暖風機氣流，加強空氣流動與能量交換，提高其內部空氣溫度均勻性，使其接近與仿真理想環境。

圖11 日光溫室等比例1∶40模型Fig.11 1∶40 equal proportion model of solar greenhouse

模型外側共有5組溫度計顯示屏，每組示數分別代表模型內部由內向外的3個位置點溫度，試驗時的室外環境為15℃，封閉卷膜、卷簾，將模型內溫度升高至40℃左右，將暖風機和散熱片元件斷電，將試驗時間設定為10 min，在不同卷簾開度下觀察溫室模型的內部溫度變化情況，以此研究相同時間內，卷簾開度對于日光溫室溫度的影響。其結果如表4所示。

表4 在相同試驗時間后的不同卷簾開度模型內部溫度變化Tab.4 Temperature variation of different roller openings after the same test time

由表4可以看出，相同試驗時間內，日光溫室模型內部平均溫度隨著卷簾開度的增大而減小，且其降幅基本呈現線性遞增變化，且其最大非線性誤差小于4.00%。對于卷簾開度對日光溫室內部溫度分布的影響，以100%為例，試驗時間(10 min)后模型內部溫度分布如圖12所示。

圖12 100%卷簾開度模型內部溫度分布Fig.12 Temperature distribution of 100% model opening

由圖12可看出日光溫室不同卷簾開度下的溫度分布基本呈現由內向外的階梯狀分布，與所得到的CFD-Fluent模型仿真結果相似，圖中因受暖風機的余溫影響，溫室模型兩端的分布溫度略高。

由以上驗證性試驗結果可以進一步確定日光溫室的溫度變化與卷簾開度存在線性關系，由此驗證本文的研究結果。

5 結論

(1)以遼沈Ⅳ型日光溫室作為研究對象，進行了結構簡化，選擇保溫被作為模型仿真及試驗中的日光溫室保溫覆蓋材料，通過分析提出日光溫室內部溫度的變化與其卷簾開度導致的保溫材料與卷膜的覆蓋面積變化存在著一定的線性比例關系的理論分析結果，并通過CFD-Fluent軟件進一步研究驗證，選擇特征平面進行針對性的研究與分析。

(2)通過CFD-Fluent仿真模擬得到：日光溫室通過在棚面上覆蓋卷簾保溫材料的方式，可以有效地減少日光溫室在外界環境溫度較低情況下的熱量散失，維持室內適宜溫度及其均勻性，且在較為理想的環境條件下，日光溫室卷簾開度的不同，棚面保溫材料和卷膜的覆蓋面積變化會導致日光溫室棚面散熱速率的差異，由此導致日光溫室內部溫度呈現區域性差異。且這種差異存在一定的規律性，反映日光溫室內的溫度變化與卷簾開度存在一定的線性關系，并通過模型驗證性試驗進一步驗證該研究結論。

1 丁小明．我國日光溫室卷簾機技術現狀分析[J]. 農機化研究，2011(12)：217-222. DING Xiaoming. Research and development on exterior cover-rolling machine of solar greenhouse in China[J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2011(12):217-222. (in Chinese)

2 劉晨霞，馬承偉，王平智，等．日光溫室保溫被傳熱的理論解析及驗證[J]．農業工程學報，2015，31(2)：170-176． LIU Chenxia, MA Chengwei, WANG Pingzhi, et al. Theoretical analysis and experimental verification of heat transfer through thick covering materials of solar greenhouse[J].Transactions of the CSAE, 2015,31(2): 170-176. (in Chinese)

3 劉明國，王玉華，葉秋楠．卷簾機在遼寧設施農業中的應用研究[J]．農業科技與裝備，2012(4)：66-67． LIU Mingguo,WANG Yuhua,YE Qiunan. Research on the application of rolling machine in installation agriculture in Liaoning[J]. Agricultural Science & Technology and Equipment,2012(4):66-67. (in Chinese)

4 董向輝，樊禹銘．設施農業中卷簾機的發展應用研究[J]．農業科技與裝備，2012(10)：84-86． DONG Xianghui, FAN Yuming. Research on the development and application of shutter machine in installation agriculture[J]. Agricultural Science & Technology and Equipment,2012(10):84-86. (in Chinese)

5 王俊衡，李莉，穆永航，等．日光溫室光照強度測量系統研究[J/OL]．農業機械學報，2015，46(增刊)：194-200．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=2015S032&journal_id=jcsam. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2015.S0.032 WANG Junheng, LI Li, MU Yonghang, et al. Measurement system of light intensity in solar greenhouse[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(Supp.):194-200. (in Chinese)

6 佟國紅，CHRISTOPHER D M，李天來，等．日光溫室保溫被卷放位置對溫度環境的影響[J]．農業工程學報，2010，26(10)：253-258． TONG Guohong，CHRISTOPHER D M, LI Tianlai, et al. Influence of thermal blanket position on solar greenhouse temperature distributions[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(10): 253-258. (in Chinese)

7 張國祥，傅澤田，李鑫星，等．改進型日光溫室后置固定式卷簾裝置設計與試驗[J/OL].農業機械學報，2016，47(12)：299-308．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20161237&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.12.037. ZHANG Guoxiang,FU Zetian,LI Xinxing, et al. Design and experiment of rear fixed type rolling shutter device in solar greenhouse[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016, 47(12):299-308. (in Chinese)

8 王云冰，鄒志榮，楊建軍，等．高效保溫材料在日光溫室后屋面中的應用研究[J]．西北農林科技大學學報：自然科學版，2010，38(1)：173-180． WANG Yunbing, ZOU Zhirong, YANG Jianjun, et al. Application research of highly effective thermal insulation materials on solar greenhouse back—roof [J]. Journal of Northwest A&F University: Natural Science Edition, 2010,38(1):173-180. (in Chinese)

9 姜魯艷，馬艷，吐爾遜娜依·熱依木江，等．幾種溫室覆蓋材料的保溫性能測試與分析[J]．中國農機化學報，2015，36(1)：119-123． JIANG Luyan, MA Yan, TUERXUNNAYI·Reyimujiang, et al. Testing and analysis of several heat preservation prop-erty of greenhouse covering materials [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2015, 36(1): 119-123. (in Chinese)

10 魏曉明，周長吉，曹楠，等．中國日光溫室結構及性能的演變[J]．江蘇農業學報，2012，28(4)：:855-860． WEI Xiaoming, ZHOU Changji, CAO Nan, et al. Evolution of structure and performance of Chinese solar greenhouse[J]. Jiangsu Journal of Agricultural Sciences,2012，28(4):855-860. (in Chinese)

11 畢玉革．北方干寒地區日光溫室小氣候環境預測模型與數字化研究[D]．呼和浩特：內蒙古農業大學，2010．

12 周偉，李永博，汪小旵．基于CFD非穩態模型的溫室溫度預測控制[J/OL]．農業機械學報，2014，45(12)：335-340．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20141248&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.12.048. ZHOU Wei，LI Yongbo, WANG Xiaochan. Model predictive control of air temperature in greenhouse transactions of the based on CFD unsteady model[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014,45(12):335-340. (in Chinese)

13 TONG G, CHRISTOPHER D M, LI B. Numerical modelling of temperature variations in a Chinese solar greenhouse[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2009, 68(1):129-139.

14 ZHANG X, WANG H, ZOU Z, et al. CFD and weighted entropy based simulation and optimisation of Chinese solar greenhouse temperature distribution[J]. Biosystems Engineering, 2016, 142:12-26.

15 LIU Y, CHEN J, TENG G, et al. 3D-CFD method driven with the dynamic data using real-time online monitoring for temperature simulation of greenhouse[J]. Sensor Letters, 2011, 9(3):947-957.

16 塔娜，陳斌，五十六，等．基于CFD的寒冷干旱地區日光溫室溫度場模擬分析[J]．內蒙古農業大學學報：自然科學版，2015，36(1)：77-81． TA Na,CHEN Bin,WU Shiliu. The simulation analysis of solar greenhouse in cold arid area base on CFD [J]. Journal of Inner Mongolia Agricultural University: Natural Science Edition,2015,36(1):77-81. (in Chinese)

17 蔣國振，胡耀華，劉玉鳳，等．基于 CFD 的下沉式日光溫室保溫性能分析[J]. 農業工程學報，2011，27(12)：275-281． JIANG Guozhen, HU Yaohua, LIU Yufeng, et al. Analysis on insulation performance of sunken solar greenhouse based on CFD[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(12): 275-281. (in Chinese)

18 GB/T 19561—2004 寒地節能日光溫室建造規程[S].2004.

19 NY/T 1451—2007 溫室通風設計規范[S].2007.

20 王新忠，張偉建，張良，等．基于CFD 的夏季屋頂全開型玻璃溫室自然通風流場分析[J/OL]．農業機械學報，2016，47(10)：332-337．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20161042&journal_id=jcsam. DOI: 10.6041 /j.issn.1000-1298.2016.10.042. WANG Xinzhong, ZHANG Weijian, ZHANG Liang, et al. Analysis of flow field for full open-roof glass greenhouse with nature ventilation in summer based on CFD [J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016,47(10):332-337. (in Chinese)

21 李永博，周偉，李鵬飛，等．基于CFD模擬模型的溫室溫度場均勻性控制[J/OL]．農業機械學報，2012，43(4)：156-161．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20120429&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2012.04.029. LI Yongbo, ZHOU Wei, LI Pengfei, et al. Temperature homogeneity control of greenhouse based on CFD simulation model[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012,43(4):156-161. (in Chinese)

RelationshipbetweenIndoorTemperatureandRollingShutterOpeningofSolarGreenhouseBasedonCFD

ZHANG Guoxiang1,2LIU Xingxing1ZHANG Lingxian3FU Zetian2,4ZHANG Chenchi2,3LI Xinxing2,3

(1.CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.BeijingLaboratoryofFoodQualityandSafety,Beijing100083,China3.CollegeofInformationandElectricalEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China4.KeyLaboratoryofAgriculturalInformationAcquisitionTechnology,MinistryofAgriculture,Beijing100083,China)

The solar greenhouse can effectively reduce the heat loss under the outdoor condition at low temperature by covering insulation materials. Based on the previous study of design and experiment of the rear fixed type rolling shutter device in solar greenhouse, in order to study the influence of rolling shutter opening on the temperature change in solar greenhouse, aimed at the insulation pads, the typical “Liaoshen Ⅳ” solar greenhouse structure was simplified. The result suggested that the indoor temperature of solar greenhouse can be affected by the rolling shutter opening, which changed the covering area of insulation materials and heat dissipation rate of solar greenhouse. There was a linear proportional relationship between indoor temperature of solar greenhouse and rolling shutter opening. And then this theory was verified by CFD-Fluent. The following conclusion was drawn: covering the shutter can effectively reduce the heat loss and maintain appropriate indoor temperature and its uniformity for solar greenhouse. Under ideal conditions, the rolling shutter opening would change the covering area of insulation materials and lead to the differences of heat dissipation rate for solar greenhouse, at last, lead to the regional difference of inner temperature. And the relationship between changes of inner temperature and the value of rolling shutter opening was almost linear. The study intuitively reflected the relationship between indoor temperature and roller shutter opening of solar greenhouse, and provided a theoretical basis for further strengthening the precision control of rolling shutter machines, besides it would provide effective reference for greenhouse production practice in China, and it had an important theoretical and practical significance.

solar greenhouse; temperature; rolling shutter opening; CFD-Fluent simulation; experiment

S625

A

1000-1298(2017)09-0279-08

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.035

2016-11-22

2017-02-18

國家自然科學基金青年科學基金項目(51705520)

張國祥(1994—)，男，博士生，主要從事農業裝備與機械化工程研究，E-mail: zhangguoxiang@cau.edu.cn

李鑫星(1983—)，男，副教授，主要從事農業系統與知識工程研究，E-mail: lxxcau@cau.edu.cn