食用菌培養室通風氣流組織改造設計研究

段文利 楊洪海 劉宇宏

食用菌培養室通風氣流組織改造設計研究

段文利 楊洪海 劉宇宏

（東華大學 上海 201620）

為食用菌培養室提供適宜的生長環境，運用暖通空調專用數值模擬軟件Airpak，對食用菌培養室室內溫度場、速度場和速度矢量場進行數值模擬計算，對比分析改造前后兩種方案的效果。模擬結果論證了改造后溫度場分布更加均勻，高度方向上溫差只有1℃左右，整個空間溫度保持在15℃，解決了改造前熱量積聚的問題。速度場和速度矢量場表明改造后的氣流組織形式更加合理，一定程度上說明節能性更好。模擬結果為農業中食用菌培養室環境的設計優化提供了研究依據。

食用菌培養室；Airpak；溫度場；速度場；優化

0 引言

近些年，隨著我國經濟和社會的發展，人們的生活水平不斷地提高，同時這也給我國帶來一定的不利影響，如能源短缺，環境污染等問題。而環境與能源是現代技術與經濟得以發展的基礎。在這樣的背景下，為了更好地緩解我國的能源短缺與環境問題，黃凱霖[1]提出了針對工業建筑提出多能互補制冷的建議，陳攀[2]針對公共建筑對淺層地溫能進行了相關研究，但無論人員所在場所還是工業、農業中所用到的制冷技術應該以節能為前提去設計，要在節能的前提下達到所要求的制冷效果。

食用菌生成需要適宜的環境，食用菌是好氧型真菌，與綠色植物不同，需要在有氧環境中生長。食用菌在呼吸作用產生的二氧化碳容易積累，使培養室二氧化碳相對濃度過高，造成氧氣相對濃度降低，缺氧不利于蘑菇的生長，而且影響菌絲和子實體的發育，若通風不良，會造成菌絲缺氧，逐漸萎縮退化；引起子實體色澤變黃、生長緩慢，嚴重會導致子實體死亡；二氧化碳濃度過高會導致蘑菇孢子不能萌發。蘑菇栽培的過程中，應注意在蘑菇各個生長階段保持良好通風[3]。食用菌除了需要氧氣外，還需要在適宜的溫度下生成，所以要為食用菌的生長創造適宜的環境。

由于模擬計算優勢，很多暖通研究設計都采用Airpak進行計算[4-8]，所以本文采用本文采用CFD軟件Airpak[9]對食用菌培養室的空氣流動、傳熱等物理現象進行模擬研究，準確地模擬了改造前和改造后培養室的溫度場、速度場及速度向量場的情況，從理論上論證了改造后節能效果更好。通過模擬這種方法減少了設計成本，降低了設計風險，縮短了設計周期[10]。

1 食用菌培養室概況

此食用菌培養室為一個相對密閉空間，培養室內無窗戶，只設置有4排8列8層放置食用菌培養皿的支架，培養室和培養皿的基本尺寸如表1。由于食用菌生成過程中會產生大量熱和二氧化碳，需要制冷系統降低溫度并保證良好循環通風，該食用菌生長最佳溫度15℃左右，所以培養室內需要保持15℃氣溫。培養室實物圖如圖1。

表1 培養室和培養皿基本信息

圖1 食用菌培養室實物圖

Fig.1 Physical map of edible fungus culture room

2 物理和數學模型建立

2.1 方案一和方案二物理模型建立

由于空間較大，需要保證溫度分布的均勻性，速度分布合理性，使得每層食用菌生長溫度達到生成要求溫度，流經培養皿處風速適宜。為了創造食用菌生長的適宜環境，原先方案（后稱為方案一）采用兩臺制冷機，每臺風量為8000m3/h，送風口在房間頂部，送風溫度取10℃，冷空氣貼附房頂以射流的形式吹出，采用單側上送風、單側上回風氣流組織方式，冷空氣繞著整個房間完成一個循環。改造后的方案（后稱為方案二）仍然使用原先的兩臺制冷機，但是改變氣流組織方式，采用類似于工位送風的方式，將10℃冷空氣通過管道送到每個培養皿附近，在末端管道上開一定數量的小孔作為出風口，達到降溫效果，完成循環，由于方案二增加管路較多，導致在培養皿的間隔有微小的區別，不影響模擬對比。方案一和方案二送風口基本信息如表2所示。

表2 方案一和方案二送風口基本信息

根據方案一和方案二概述情況以及食用菌培養室情況說明，將整個培養室簡化為一封閉立方體，房間內的發熱體主要為食用菌培養皿，忽略培養室內的支架，所有尺寸按照實際物體尺寸所畫。方案二中由于末端開口小孔數量較多，在建立物理模型時進行簡化，每個末端管道上開4個0.05m×0.05m的小孔作為出風口，兩種方案的總風量相等。簡化模型如圖2和圖3，圖4和圖5分別取兩種方案的俯視圖和側視圖說明送風口和回風口位置。

圖2 方案一簡化物理模型圖

Fig.2 The simplified physical model about program 1

圖3 方案二簡化物理模型圖

Fig.3 The simplified physical model about program 2

圖4 方案一簡化物理模型俯視圖

Fig.4 Top view of the simplified physical model about program 1

圖5 方案二簡化物理模型側視圖

Fig.5 Top view of the simplified physical model about program 2

2.2 數學模型建立及數值計算方法

（1）食用菌培養室的室內流場是一個三維、非穩態、不可壓縮的湍流流動傳熱傳質過程。方案一和方案二都屬于強制對流，由于方案一風口位置及風速較大，送風方式類似于射流，-湍流模型能比較好地用于某些復雜的流動，例如環流、渠道流、邊壁射流和自由湍射流,甚至某些復雜的三維流等[11]。所以本文選擇標準-湍流模型進行模擬[12]，對室內空氣場建立標準-控制方程組[10]。

（2）為簡化模擬，作出以下假設：①食用培養室內的空氣為連續性介質且不可壓縮，即認為流體密度僅對浮力產生影響；②食用菌培養室內空氣流為定常流動；③忽略四周墻壁的輻射熱，并不考慮漏風的影響。

（3）網格劃分：采用六面體網格進行劃分，網格單元最大尺寸為0.2m×0.1m×0.2m，對于風口處等梯度較大的地方進行加密，網格質量接近1，網格數量為125萬。

（4）對偏微分方程可采用不同的離散方法，如有限差分法、有限元法、渦方法等，本文采用有限體積法。

（5）收斂標準為能量方程殘差小于10-6，其余方程的殘差小于10-4，認為計算結果達到要求。

3 結果分析比較

3.1 溫度場分析

圖6～圖10顯示了改造前后兩種氣流組織方式下培養室的溫度分布云圖。由于培養室的空間較大，長和高都較大，所以長度和高度方向上的溫度分布更能反應降溫效果的好壞。對于原方案，由于在培養室的一端有兩個送風口。所以要截取特征截面，對于方案一要截取在長度方向的1/4a-a截面，3/4c-c截面和寬度方向的1/4b-b截面來分析溫度分布即可。對于方案二，送風口在培養皿上方，選取在長度和寬度的1/4d-d截面、e-e截面說明效果，所取截面如圖2和圖3。

方案一和方案二在高度上的溫差只有2℃左右，整體上溫度為15℃，滿足食用菌的生長需求。但是方案一的熱量積聚在不同層支架的間隔，溫度很難降低。而方案二是將冷空氣直接送到培養皿上，所有不會存在熱量積聚難以降溫的問題。

圖6 方案一a-a截面處溫度場云圖

Fig.6 Temperature field cloud map at a-a section about program 1

圖7 方案一c-c截面處溫度場云圖

Fig.7 Temperature field cloud map at c-c section about program 1

圖8 方案二d-d截面處溫度場云圖

Fig.8 Temperature field cloud map at d-d section about program 2

在培養室長度方向，對比圖9和圖10。方案一相比方案二，在長度上的溫差相差較大，最大溫差達到10℃左右，如果要滿足溫度較高地方的降溫，就要降低送風溫度，或者在培養室的另一端增加送風口，如此就增加了電力消耗；而方案二所有的培養皿所在的位置溫度保持在15℃左右，分布非常均勻，溫差只有1℃左右，對于食用菌的生長提高良好的溫度環境。從溫度上分析來看，改造后的方案二使得空間溫度分布更加均勻，相比方案一無需增加制冷量，相當于達到了節能的效果。

圖9 方案一b-b截面處溫度場云圖

Fig.9 Temperature field cloud map at b-b section about program 1

圖10 方案二e-e截面處溫度場云圖

Fig.10 Temperature field cloud map at e-e section about program 2

3.2 速度場分析

圖11～圖15顯示了方案一和方案二兩種氣流組織方式下培養室的速度分布云圖，方案一截取a-a，c-c和b-b截面，對于方案二，選取d-d和e-e截面來分析對比兩種方案的培養室速度場。

方案一在高度方向上速度整體相差3m/s左右，空氣的流動方向取決于阻力的大小，所有冷空氣更多地在過道間流動，在支架間的間隙沒有基本沒有流動，與該處的溫度場相對應，此處容易有熱量積聚而無法降溫；方案二中速度場更加均勻，大部分風速在0.4m/s左右，在支架間的間隙流動情況好，解決了此處溫度積聚的問題。

圖11 方案一a-a截面處速度場云圖

Fig.11 Velocity field cloud map at a-a section about program 1

圖12 方案一c-c截面處速度場云圖

Fig.12 Velocity field cloud map at c-c section about program 1

圖13 方案二d-d截面處速度場云圖

Fig.13 Velocity field cloud map at a-a section about program 2

對比圖14和圖15，在13.9m長度方向上，方案一的前后速度差有3m/s，在培養室一端有一部分培養皿處風速達到3m/s多，對于食用菌的生長不利。從速度場的分布來看，方案二相比方案一風速較低，氣流組織更加合理，滿足食用菌的生長需要。

圖14 方案一b-b截面處速度場云圖

Fig.14 Velocity field cloud map at b-b section about program 1

圖15 方案二e-e截面處速度場云圖

Fig.15 Velocity field cloud map at e-e section about program 2

3.3 速度矢量場分析

圖16～圖20顯示了方案一和方案二空氣流動方向，與溫度場和速度場相同，選取相同截面來分析對比兩種方案的培養室速度矢量場。速度矢量場分布圖可以和速度場分布云圖對應，證明方案二相對于方案一氣流組織方式更好，既能滿足食用菌的生長需要，也在一定程度上達到節能的效果。

圖16 方案一a-a截面處速度向量云圖

Fig.16 Speed vector cloud diagram at a-a section about program 1

圖17 方案一c-c截面處速度向量云圖

Fig.17 Speed vector cloud diagram at c-c section about program 1

圖18 方案二d-d截面處速度向量云圖

Fig.18 Speed vector cloud diagram at d-d section about program 2

圖19 方案一b-b截面處速度向量云圖

Fig.19 Speed vector cloud diagram at b-b section about program 1

圖20 方案二e-e截面處速度向量云圖

Fig.20 Speed vector cloud diagram at b-b section about program 2

4 結論與展望

（1）采用工位送風方式的方案二相比大空間上送上回方式的方案一，溫度場更加均勻，解決了方案一熱量積聚在不同層支架間隔的問題。食用菌培養室整體溫度保持在15℃，高度方向最大溫差為2℃，長度方向最大溫差為1℃，很好地滿足了食用菌的生長需要。

（2）方案二送風方式相比于方案一送風方式，氣流組織方式更加合理，培養皿上方的風口首先流經支架間隔，將間隙處熱量帶走，解決熱量積聚而無法降溫的問題。

（3）為了優化食用菌生長環境，可以在培養室一些特征位置放置溫度感應裝置，聯控制冷送風系統，減少不必要能源的浪費及提高培養室的智能性。

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Study on the Design of Ventilation Airflow Organization in Edible Fungus Culture Room

Duan Wenli Yang Honghai Liu Yuhong

( Donghua University, Shanghai, 201620 )

To provide a suitable growth environment for the edible fungus culture room, used the special numerical simulation software Airpak in HVAC to carry out numerical simulation calculation of the indoor temperature field, velocity field and velocity vector field of the edible fungus culture room, and compare and analyze the effects of the two schemes before and after the transformation. The simulation results demonstrated that the temperature field distribution was more uniform after the transformation, the temperature difference in the height direction is only about 1 °C now, and the whole space temperature is maintained at 15 °C, which solved the problem of heat accumulation before the transformation. The velocity field and the velocity vector field indicated that the airflow organization after the transformation is more reasonable, which indicates that the energy conservation is better to some extent. The simulation results provide a research basis for the design optimization of the environment of the edible fungus culture room in agriculture.

edible fungus culture room; Airpark; temperature field; velocity field; optimization

1671-6612（2019）06-635-06

TU831.6

A

段文利（1995-），男，碩士研究生，E-mail：18334793367@163.com

楊洪海（1968-），女，副教授，E-mail：yhh@dhu.edu.cn

2019-03-19