工廠化食用菌生產(chǎn)溫度及氣流組織模型的建立與模擬研究

高菊玲，熊迎軍，孫昌權(quán)，徐榮麗，劉永華

(1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇句容212400;2.江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程中心，江蘇句容212400;3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科技學(xué)院，江蘇南京210095)

目前，由于工廠化能夠?qū)崿F(xiàn)食用菌的規(guī)模化、集約化、標(biāo)準(zhǔn)化和周年化生產(chǎn)，已經(jīng)成為食用菌栽培的發(fā)展方向［1－2］。所謂食用菌工廠化生產(chǎn)，是指通過工業(yè)化技術(shù)手段，為食用菌生長發(fā)育提供合適的條件，這些條件主要包括營養(yǎng)條件和環(huán)境條件［3］。其中營養(yǎng)條件一直是研究的重點(diǎn)，但是栽培環(huán)境也會直接影響食用菌的產(chǎn)量、質(zhì)量和栽培周期，尤其是在反季節(jié)生產(chǎn)中，調(diào)控小氣候環(huán)境更為重要［4］。目前，在溫室和菇房的環(huán)境控制方面，數(shù)值模擬技術(shù)計(jì)算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics，簡稱CFD)取代了以前的模糊控制、人工智能化控制等［5－7］，例如耑銳等將 CFD應(yīng)用于北方地區(qū)寒冷季節(jié)草菇菇房內(nèi)溫度、濕度、CO2氣體濃度和氣流組織形式等的模擬分析［8－10］;景亮等將CFD應(yīng)用于杏鮑菇菇房、金針菇菇房的氣流組織和溫度場的數(shù)值模擬與分析［11－12］;Han等利用顯熱平衡和三維計(jì)算流體動力學(xué)模擬分析了菇房內(nèi)的熱環(huán)境［13］。

本試驗(yàn)擬針對某食用菌工廠出菇房內(nèi)的氣流流場和溫度分布進(jìn)行研究。在空調(diào)風(fēng)機(jī)工作的條件下，對子實(shí)體發(fā)育階段的食用菌出菇房內(nèi)的氣流流場和溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬溫度值與實(shí)測溫度值進(jìn)行對比，以檢驗(yàn)所建立的CFD模型的準(zhǔn)確性與有效性。

1 菇房溫度系統(tǒng)模型的建立與分析

1.1 能量平衡方程

式中:ρa(bǔ)ir為出菇房空氣密度，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，空氣密度的單位為kg/m3;V為出菇房體積，m3;Cair為空氣中的熱容量，J/(kg·℃)，25℃時為1.012 J/(kg·℃);Ti為室內(nèi)空氣溫度，℃;t為時間，s;Qc為降溫?fù)p失的顯熱，W，令冷凝機(jī)組蒸發(fā)器外表面溫度為Te，傳熱系數(shù)為 φe，則有:Qc=φe·(Ti－Te);Qv為通風(fēng)熱交換量(W)，由于試驗(yàn)菇房中未進(jìn)行通風(fēng)，所以該項(xiàng)省略;Qlg為室內(nèi)縫隙所損失的顯熱(W);Qrf為室內(nèi)空氣通過菇房覆蓋層和圍護(hù)結(jié)構(gòu)與室外空氣之間的顯熱交換量(W);將 Qlg和 Qrf進(jìn)行合并處理，則有:Qlf=Qlg+Qrf= φlf·(To－ Ti)，其中，φlf為傳熱系數(shù);To為室外空氣溫度，℃;Qfa為室內(nèi)空氣與食用菌之間的顯熱交換量(W)，由于室內(nèi)空氣的溫度與食用菌溫度相差不大，熱傳導(dǎo)并不明顯，所以該項(xiàng)可省略;Qag為室內(nèi)空氣與菇房地面之間的顯熱交換量(W)，由于菇房為水泥地面，比熱容較小，所以該項(xiàng)可省略［15］;Qep為菇房地表蒸發(fā)所消耗的潛熱(W)，由于菇房空氣濕度較大，地表蒸發(fā)并不明顯，所以該項(xiàng)可省略;Qr為太陽光輻射顯熱(W/m2)，由于食用菌菇房沒有窗戶，所以該項(xiàng)可以省略;Qrs為食用菌呼吸作用釋放的顯熱(W)，令食用菌質(zhì)量為m(g)，Qrs與室內(nèi)溫度呈線性關(guān)系［13，16］，即:

可以看出，式(1)可簡化為下式:

因此可見，菇房熱平衡主要受空調(diào)制冷量、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱及呼吸作用產(chǎn)熱的影響，從理論上看，如果三者平衡，溫度便維持恒定。由于不同食用菌往往對濕度有著較高要求，其適宜生長的濕度條件與溫度條件的相互作用較為明顯，對于某些種類的食用菌，在其實(shí)際種植過程中，往往采用人為加濕的方式來保證其最佳生長環(huán)境，在一定程度上，等焓加濕可以承擔(dān)菇房的一部分冷負(fù)荷，在室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)的相對濕度較高的情況下，菇房的空調(diào)系統(tǒng)往往通過實(shí)際調(diào)節(jié)所積累的經(jīng)驗(yàn)來對其進(jìn)行粗略設(shè)計(jì)，按照常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，具體送風(fēng)狀態(tài)與送風(fēng)量的確定具有一定的難度。

因此，本研究對于菇房內(nèi)部溫度場的模擬分析，需作出如下假設(shè):(1)對送風(fēng)狀態(tài)的空氣進(jìn)行加濕處理，并且與室內(nèi)狀態(tài)保持相同的絕對濕度條件，不考慮室內(nèi)絕對濕度增加帶來的影響，并不考慮室內(nèi)人為加濕所帶來的負(fù)荷變化;(2)忽略菇房室內(nèi)縫隙散失的熱量，在其室內(nèi)正壓作用下，回風(fēng)全部從回風(fēng)口排出。

1.2 主要冷負(fù)荷組成

菇房冷負(fù)荷主要組成包括(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱;(2)呼吸作用產(chǎn)熱。其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱指菇房覆蓋層和圍護(hù)結(jié)構(gòu)與室外空氣之間的顯熱交換量，主要由空氣對流、保溫外墻的熱傳導(dǎo)2種換熱方式組成。

本研究所探討的菇房屋頂及墻壁四周均與外界環(huán)境存在熱量交換，但因該菇房建在水泥建筑內(nèi)部，其輻射換熱較小，暫忽略不計(jì)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫層如圖1所示。

11月2日，在第七屆綠色農(nóng)藥博覽會開幕式上，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)藥檢定所黨委書記吳國強(qiáng)在致辭中說：“落實(shí)中央綠色發(fā)展的總體部署和發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)的要求，農(nóng)藥行業(yè)責(zé)任重大，必須順應(yīng)時代潮流，積極研發(fā)、生產(chǎn)、宣傳、推廣高效、低毒、低殘留的環(huán)境友好型農(nóng)藥和施藥機(jī)械，大力發(fā)展綠色農(nóng)藥。”

保溫層主要由聚合泡沫構(gòu)成，其厚度為8 cm，內(nèi)外層均有1 cm厚的鋼化板。將該冷負(fù)荷的計(jì)算轉(zhuǎn)換為簡單的換熱問題，則通過保溫外墻的冷負(fù)荷可由下式計(jì)算求得:

式中:A為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻包含屋頂?shù)目倱Q熱面積，m2;λ1、λ2、λ分別為內(nèi)、外層鋼化板和聚合泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);δ1、δ2、δ分別為內(nèi)、外層鋼化板和聚合泡沫的厚度，m;tf1為室外計(jì)算溫度;tf2為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度;K為總換熱系數(shù)，W/(m2·K);α1為室外空氣與外墻的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K);α2為室內(nèi)空氣與內(nèi)墻的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

鋼化板的對流換熱系數(shù)為22 W/(m2·K)，泡沫層的導(dǎo)熱系數(shù)為 0.033 9 W/(m·K)，總換熱系數(shù)為 0.408 W/(m2·K)。由于鋼化板的導(dǎo)熱系數(shù)較大，不具有明顯的保溫作用，其熱阻δ/λ可忽略不計(jì)，則有:

呼吸作用產(chǎn)熱指食用菌呼吸作用與室內(nèi)環(huán)境的熱量交換。食用菌通過呼吸作用獲得能量，并釋放二氧化碳和水，同時釋放出大量熱量，其反應(yīng)式如下:

按食用菌內(nèi)1 kg糖分呼吸作用產(chǎn)熱2 803(kJ/h)計(jì)算，對于某種特定含糖量(100 g/1 kg)的食用菌出菇初始階段，食用菌呼吸作用總冷負(fù)荷為816.72 W，其中通過保溫墻產(chǎn)生的冷負(fù)荷為661 W，食用菌呼吸作用產(chǎn)生的冷負(fù)荷為 155.72 W。

1.3 送風(fēng)量的計(jì)算

空調(diào)送風(fēng)量根據(jù)室內(nèi)總冷負(fù)荷，通過下式計(jì)算:

式中:G為菇房送風(fēng)量，kg/s;Q為總冷負(fù)荷(詳見“1.2”節(jié))，kW;hN為室內(nèi)設(shè)計(jì)狀態(tài)空氣焓值(干空氣)，kJ/kg;h0為送風(fēng)狀態(tài)空氣焓值(干空氣)，kJ/kg。

室內(nèi)設(shè)計(jì)狀態(tài)需要根據(jù)食用菌適宜生長的環(huán)境溫度來確定，對于某種食用菌來說，其適宜生長的溫度為20～22℃，則擬定室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為21℃，相對濕度為67%，在該狀態(tài)下若保持絕對濕度恒定，需要對送風(fēng)狀態(tài)的空氣進(jìn)行加濕處理，取送風(fēng)溫差為5℃，則送風(fēng)狀態(tài)的空氣干球溫度為16%，相對濕度為91.7%。送風(fēng)、室內(nèi)設(shè)計(jì)狀態(tài)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 送風(fēng)、室內(nèi)設(shè)計(jì)狀態(tài)參數(shù)

1.4 結(jié)構(gòu)排布方式

食用菌栽培使用如圖2所示的不銹鋼架，每個菇房設(shè)置5個不銹鋼架，架高2.5 m、長5 m、寬30 cm，食用菌培養(yǎng)基分4層擺放，每6件1組，單架16組，共96件。

菇房計(jì)算域長6 m、寬5 m、高4 m，與實(shí)際菇房擺設(shè)相同，5個不銹鋼架板貼于后墻布置，空調(diào)送風(fēng)孔位于前墻中間位置并與不銹鋼架保持垂直，這樣使空調(diào)氣流平行于不銹鋼架進(jìn)行吹送。整個房間的氣流組織采用“上送上回”式，回風(fēng)采用自然排風(fēng)的方式，回風(fēng)口布置在與送風(fēng)孔同側(cè)的墻角，進(jìn)出風(fēng)口設(shè)置如圖3所示。

2 出菇階段溫度系統(tǒng)模型的模擬分析

2.1 網(wǎng)格劃分

菇房計(jì)算域整體采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分形式，為提高計(jì)算精度，對不銹鋼架表面進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，菇房整體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖4所示。總節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 870 045個，總網(wǎng)格數(shù)為14 820 998個。菇房監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置如圖5所示。

2.2 邊界條件設(shè)置

網(wǎng)格劃分完成后，對整個計(jì)算域進(jìn)行邊界條件設(shè)置，將整個計(jì)算域定義為流體域區(qū)域。對于送風(fēng)口采用質(zhì)量流量進(jìn)口邊界條件，質(zhì)量流量大小通過式(6)、表1求得，送風(fēng)溫度如表1所示，出風(fēng)口采用outflow邊界條件，相對壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。因?yàn)榉块g內(nèi)環(huán)境與外界環(huán)境對流換熱，所以將四周的墻壁和屋頂設(shè)為對流換熱邊界條件，其換熱系數(shù)取值同“1.2”節(jié)所示的總換熱系數(shù)。由于地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)非常小，將其設(shè)置為絕熱壁面。核心流動區(qū)選用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型方程，近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法來預(yù)測邊界層的流動。對房間空氣的溫度變化過程進(jìn)行模擬，采用非穩(wěn)態(tài)進(jìn)行分析，考慮到時間步長對解的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性的影響，將時間步長設(shè)置為2 s。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

由于菇房內(nèi)的自然微循環(huán)不能產(chǎn)生足夠均勻且適宜的氣溫，為了優(yōu)化菇房內(nèi)的氣溫，在菇房內(nèi)安裝空調(diào)調(diào)節(jié)氣流，以便在空調(diào)工作時形成良好的氣流組織(氣流組織是指對氣流流向和均勻度按照一定要求進(jìn)行組織，使得菇房的生產(chǎn)區(qū)形成比較均勻而穩(wěn)定的溫度和氣流流速)，以保證菇種的正常生長。本研究將在菇房室內(nèi)與菇架垂直豎直平面、與菇架平行豎直平面和水平面3個方向分別截取若干個平面來顯示和分析室內(nèi)的溫度場和速度場的分布情況。沿著與菇架垂直的豎直平面方向上－2.2、0、2.2 m 處設(shè)置1個截面;沿著與菇架平行豎直平面方向在 －1.2、0.1、1.4 m 處各取1個截面;沿著水平方向在 1.1、2.2、3.3 m 處各取 1 個截面。

由菇房的氣流組織模擬結(jié)果可以看出，這種送風(fēng)方案基本合理，溫度和速度分布較均勻。當(dāng)空調(diào)送風(fēng)口于16℃進(jìn)行空氣吹送時，菇房模擬得到的3個截面速度與溫度云圖分布如圖6～圖8所示。從3個方向的截面速度分布云圖看出，送風(fēng)口附近的空氣流速達(dá)到0.7～1.06 m/s，且速度梯度變化較大。送風(fēng)口以1個射流角向菇房內(nèi)送風(fēng)，冷氣流由于重力作用的影響而沉降，中間1排菇架處于迎風(fēng)面，因此冷氣流對中間1排菇架的影響較大;氣流在擴(kuò)散的過程中速度逐漸降低，且在3個方向不同截面的流速大部分為低速區(qū)域，流速在0.2 m/s左右。從圖6～圖8還可以看出，送風(fēng)口的氣流對菇房有很大影響，在安裝送風(fēng)口的這一側(cè)(即背風(fēng)面)的氣流流速明顯低于沒有安裝送風(fēng)口的一側(cè)(迎風(fēng)面);墻壁處的氣流流速均高于遠(yuǎn)離墻壁區(qū)域的氣流速度。

由圖6～圖8可以看出，菇房內(nèi)的溫度總體分布在20～24℃之間，基本達(dá)到了菇苗生長的適宜溫度。菇房溫度在整體上分布比較均勻，距離地面的高度越低，溫度的梯度越明顯，且隨著高度的降低，溫度也隨之減小。從菇架3種不同截面溫度、速度場分布可以看出，由于菇架采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，且排列比較規(guī)整，使得菇架層與層之間溫度分布均勻，溫度梯度變化較小;菇架上方的溫度相對較高，菇架下平面溫度最低，上平面在出風(fēng)口處的溫度較同一高度上其他位置的溫度低;在架子的中間各層平面上，氣流由于受到架子與地面的阻擋作用而改變方向后在各層架板之間穿流，因此達(dá)到菇苗附近空氣更換的目的，而地面附近的溫度場較為復(fù)雜，流線分布密集。

從圖9可以看出，菇房氣流流場送出的冷射流呈直線狀，擴(kuò)散角度很小;送風(fēng)口和出風(fēng)口的流速最大，送風(fēng)口氣流在中間的1排和地面的流速較大，流速在0.7～1.2 m/s;由于菇架和地面對室內(nèi)氣流有阻礙作用，氣流流速從中間1排向兩側(cè)依次減小;靠近出風(fēng)口一側(cè)墻壁的風(fēng)速明顯比另一側(cè)墻壁的氣流流速大，且靠近墻壁兩排架子之間的氣流分布均勻，速度變化梯度相對較小，流速在0.1～0.3 m/s之間，隨著距離地面高度的增加，氣流流速平緩地減小。

由圖10可以看出，沿著菇房的中軸線，整個氣流流場具有很強(qiáng)的對稱性，各對稱面的氣流流型幾乎相同;射入的冷射流在菇房內(nèi)擴(kuò)散開來，擴(kuò)散的氣流受到架子和墻壁表面的阻擋而改變流向;當(dāng)冷氣流遇到中間的架子后分為2股氣流，冷氣流由于菇架的阻礙，使得大部分氣流不能通過菇苗之間的間隙繼續(xù)前進(jìn)，而在空氣重力的作用下不斷向菇房地面方向移動，碰到地面后向四周擴(kuò)散開來;另有一部分氣流在下沉的過程中穿過菇架，最終氣流通過出風(fēng)口流出菇房。由圖10還可以看出，離送風(fēng)口較遠(yuǎn)的氣流流速和靠近送風(fēng)口的氣流速度差距較大，是由于氣流穿過架子和碰到地面之后速度明顯減小，最終穩(wěn)定后的氣流速度變化梯度相對較小;在每排菇架之間，氣流形成明顯的漩渦。

當(dāng)菇房內(nèi)的初始溫度為30.04℃、目標(biāo)溫度為21℃、空調(diào)送風(fēng)質(zhì)量流為0.159 kg/m3時，室內(nèi)平均溫度的變化如圖11所示。可以看出，在開啟空調(diào)后的約23 min，室內(nèi)的溫度趨于穩(wěn)定，基本達(dá)到目標(biāo)溫度;在通風(fēng)的前10 min，室內(nèi)溫度下降較快，這主要是通過空調(diào)不斷吹入冷空氣與室內(nèi)較熱的溫度進(jìn)行交換傳遞熱量的過程。在整個菇房的預(yù)冷過程中，菇房內(nèi)平均溫度曲線主要分為2個階段:迅速下降期(前10 min)和緩慢下降趨于平緩期。迅速下降期主要是冷風(fēng)和室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行傳遞的過程;平緩下降趨于平緩期主要是室內(nèi)環(huán)境和外界環(huán)境進(jìn)行交換，最終達(dá)到一個與外界平衡的狀態(tài)，在這個階段溫度不再隨時間的變化而出現(xiàn)大的波動。

如圖12所示，菇房出風(fēng)口的溫度呈現(xiàn)先升高然后迅速下降，最后慢慢趨于平緩的趨勢。在空調(diào)開啟的前3 min，內(nèi)出口溫度稍微有所上升，是由于菇房內(nèi)的初始平均溫度為30.04℃，在運(yùn)行空調(diào)的一段時間內(nèi)，冷射流與熱空氣相混合交換，冷空氣不斷向下移動，而熱空氣逐漸上移，室內(nèi)的部分熱氣流會從出風(fēng)口流到外界。在接下來的20 min內(nèi)，出口溫度下降迅速，由于室內(nèi)的熱氣流和冷氣流產(chǎn)生了明顯的熱傳遞的過程。最后，出口溫度下降趨于平緩，這是室內(nèi)溫度和外界溫度達(dá)到一個平衡的狀態(tài)。

菇架監(jiān)測點(diǎn)的溫度變化曲線如圖13所示，其中橫坐標(biāo)代表時間，縱坐標(biāo)表示熱力學(xué)溫度，用CFD模擬菇房的3個不同監(jiān)測點(diǎn)在預(yù)冷23 min過程中的溫度曲線。實(shí)測菇房的平均溫度為30.04℃，分別取靠近出風(fēng)口一側(cè)的前3排的第2層、第2列的菇苗為監(jiān)測點(diǎn)。從圖13可以看出，這3個菇苗監(jiān)測點(diǎn)的溫度下降趨勢整體上呈現(xiàn)一致性，溫度先迅速下降然后趨于緩慢。中間1排溫度在前10 min相比另外2排的溫度要低，且在開始階段溫度陡降，是因?yàn)橹虚g1排靠近空調(diào)進(jìn)風(fēng)口，冷氣流最先到達(dá)中間1排并發(fā)生熱傳遞，此時溫度場分布不夠均勻，但是隨著空調(diào)開啟時間的增加，中間1排溫度與其他2排的差距縮小，菇房的溫度場分布逐漸變得均勻。

從表2可以看出，整個溫度的分布相對比較均勻，溫度總體分布在20～21℃之間，最高溫度出現(xiàn)在靠近出風(fēng)口第1排的第1層、第2列，為21.09℃;最低溫度出現(xiàn)在第3排(即中間1排)的第1層、第4列。由于出風(fēng)口冷射流最先與中間1排的菇苗接觸，而第1層、第4列的菇苗正好處在迎風(fēng)面。由表2還可以看出，這3排的溫度從上層到下層依次下降，且第1排各層的溫度高于對應(yīng)其他2排的溫度。

表2 菇苗檢測點(diǎn)的溫度對照

3 結(jié)論

通過對比設(shè)計(jì)溫度與穩(wěn)態(tài)模擬溫度可以看出，在已確定的熱平衡條件下，設(shè)計(jì)溫度(21℃)與模擬溫度基本保持一致，對于采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料具有相當(dāng)?shù)母魺嵝裕杀ＷC菇房溫度在25 min內(nèi)即可下降到目標(biāo)值。

對于采用的菇架排布方式，使氣流組織合理而且高效，各監(jiān)測點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定后并不會隨時間出現(xiàn)較大波動，且不同監(jiān)測點(diǎn)間也不會出現(xiàn)較大溫差。