典型天氣情況下含內拱棚的日光溫室溫濕度分析與穩態模擬

康宏源 塔娜 張海鑫

摘要：為研究內蒙古地區含有內拱棚的日光溫室內溫度、濕度在不同天氣條件下的變化分布規律，采用密集布點的方式采集溫室內一個豎直截面內的空氣、土壤的溫濕度數據，并采用計算流體動力學（CFD）的方法對試驗數據進行穩態模擬。數據分析及試驗模擬表明：（1）含有內拱棚的日光溫室在打開通風口后可以有效地降低溫室內空氣濕度且作物冠層區域的溫度仍然維持在作物生長所適宜的范圍內。（2）晴天時溫室內的熱量源于外界的日光輻射，雪天時溫室內的熱量源于內部土壤和黏土墻的輻射放熱。（3）模擬結果顯示，晴天正午在內拱棚下部區域和作物冠層跨度方向的中間位置濕度高于其他區域，說明在該區域有水分聚集。雪天正午日光溫室內的濕度分布均勻，不論在高度上還是在跨度上都沒有明顯差異。（4）模擬結果與實測數據對比誤差不超過5%，證明了本試驗所用溫室模型的可靠性。

關鍵詞：日光溫室;內拱棚;CFD（計算流體動力學）;溫度場;濕度場;穩態模擬

中圖分類號： S625.5+1 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）02-0215-06

農業設施的改良優化是我國農業現代化和高效化的重要方式。日光溫室因其能夠實現返季節蔬菜的大量種植，因此成為我國北方地區的重要農業設施，并得以推廣使用。農戶為保證夜間溫室內的氣溫會在傍晚時分關閉通風口并覆蓋棉被，由于植物的呼吸作用的影響，溫室內的濕度會逐漸增大。眾所周知，高濕度的環境會導致作物生理失調，蒸騰受限，影響根部對養分的吸收和利用[1]并引發病害。塑料薄膜上的水滴下落會引發白粉病及其他真菌病害[2-4]。同時溫室內的水分流動會引起溫室內的空氣溫度的變化，對溫室內的溫度保持產生影響。國內眾多學者針對日光溫室內的濕熱耦合問題展開了大量的研究[5-10]，主要研究從黃瓜、番茄等高植株作物的病害問題入手，而對含有內拱棚種植低矮葉菜作物的溫室研究較少。

內拱棚從溫室內地面起平行于外層保溫膜約50 cm設置一定高度。當外界冷空氣由通風口進入溫室時，由于有內拱棚的阻擋使得冷空氣不直接流向溫室內作物[11-13]，而是沿溫室外層膜向上運動，到達溫室頂部后沿后墻及表面繼續流動形成順時針方向的環流[14]，且溫度逐漸趨于適宜。因此，內拱棚在保持溫室內空氣流動的同時使溫室內溫度保持在適宜的區間。研究含有內拱棚的日光溫室有助于了解溫室內的溫濕度分布規律，為指導農戶日常生產中的除濕通風提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室

本試驗所選溫室位于內蒙古自治區呼和浩特市（40°29′N、111°47′E）賽罕區東郊西把柵鄉和林村，數據采集時間為2016年11月27日至2017年4月22日，共147 d。主要種植作物為油麥菜。日光溫室坐北朝南，方位角為0°;溫室東西長度為100 m，南北跨度為10 m;后墻為夯實土墻，沿南北截面為下底3.5 m、上底2.5 m、高2.8 m的正梯形;后坡仰角20°，前屋面為鋼架結構并覆蓋厚度為0.11 mm的聚乙烯薄膜;外部為草墊和棉被用以夜間保溫。溫室內部含有內拱棚平行于外層膜，底部距離外層膜0.5 m，高1.4 m。冬季于 09：00—10：00升起棉被與草墊，并打開薄膜通風口除濕通風;春季于08：30—09：00除濕通風。

1.2 試驗器材

選用傳感器主要用于收集室外和室內的環境參數。FLEX1000型溫濕度傳感器，大連哲勤科技有限公司生產，濕度測量范圍及精度：0～100% RH，±2% RH;溫度測量范圍及精度：-20～85 ℃，±0.3 ℃。溫室外選用JLC-QTF型自動氣象站，錦州利誠自動化設備公司生產，包括LC-WD1型空氣溫度傳感器，測量范圍-50～150 ℃，測量精度±0.1 ℃;TBQ-2LJ型總輻射傳感器，測量范圍0～2 000 W/m2，測量精度<±5%。MS-10土壤溫度水分傳感器，遼寧省大連市大連哲勤科技有限公司生產，測量范圍-40～85 ℃，測量精度±0.5 ℃。

1.3 試驗方案

試驗選取帶有內拱棚的日光溫室，溫室內種植油麥菜，收獲時植株高度在30～40 cm范圍內[4]。考慮到油麥菜作物冠層的高度，故在溫室內選取一個垂直于地面的截面布置傳感器，傳感器測得的數據每30 min記錄1次。數據采集從2016年11月29日至2017年4月20日，共143 d。溫室日常管理按照正常農業生產需要進行通風、灌水。溫室內傳感器分布見圖1。將采集到的數據進行篩選后導入數據應用軟件Origin中，研究內拱棚作用下不同高度上溫濕度分布規律;之后使用Fluent軟件進行模擬分析，掌握溫室內的溫度分布規律。

1.4 數據分析

內蒙古地處中國北方，四季明顯，冬季主要種植耐寒作物，如矮油菜、白菜等。為研究溫室內的溫濕度垂直分布規律，在溫室內密集設置了由南向北的4列空氣溫濕度監測點，對作物冠層及其上方的溫室空間進行監測，著重對冠層底層和冠層頂層的空氣溫濕度進行分析。

2 結果與分析

2.1 典型天氣試驗數據的選取

選擇同一月內的典型天氣——晴天和雪天的數據，對比其在溫室跨度上的不同距離溫濕度的垂直分布規律，以2017年1月3日、2017年1月6日的典型天氣數據進行對比分析。室外氣候參數見表1。溫室內油麥菜高度為30～35 cm，比較這2 d內的溫室內部的溫濕度狀況。

2.2 晴天拱棚內溫濕度變化

2.2.1 溫度變化 2017年1月3日08：00至20：00冠層頂層和底層的溫濕度分布變化規律，溫度總體上隨時間變化先升高后降低;濕度總體上隨時間變化先降低后升高。從圖2可以看出，在啟簾之前，冠層底層和頂層的溫度相差不大，普遍在5～6 ℃。啟簾后受到太陽照射溫度快速升高，底層的最高溫度與頂層的最高溫度相差約7 ℃。隨后由于通風口打開冷空氣進入溫室內底層溫度下降4～5 ℃，頂層溫度下降8～12 ℃。至12：00時，由于太陽直射室外氣溫上升，因此進入溫室的空氣溫度也隨之升高，底層溫度升高3～4 ℃，頂層溫度升高5～7 ℃，并一直保持在該溫度區間內直到關閉通風口和閉簾。

2.2.2 濕度變化 從圖3可以看出，在啟簾之前，溫室內處于高濕狀態，冠層底層與頂層濕度均在90%。啟簾后溫室內的濕度開始迅速下降，由于頂層首先接收到太陽輻射且輻射量高于底層，因此頂層空氣濕度下降的速度明顯高于底層的濕度下降速度。11：00時頂層空氣濕度下降的速度明顯減慢，底層空氣濕度下降的速度明顯提高，至12：00后下降速度也開始放緩。最終頂層濕度保持在40%～50%，而底層除3號測點濕度浮動外，其他測點保持在50%～65%。結果表明，在上午啟簾后冠層頂層的溫度升高、濕度降低的速度較底層的更快更多。打開薄膜通風口通風后， 溫度靠近后墻體的較高而其他3點相近，底層中部（3號測點附近）濕度較高，其他3點相近， 頂層濕度大致相同。 在關閉通風口覆蓋棉被后

溫濕度逐漸趨于穩定。

2.3 雪天拱棚內溫濕度變化

2017年1月6日08：00至20：00冠層頂層和底層的溫濕度分布變化規律，溫度總體上隨時間變化先升高后降低;濕度總體上隨時間變化先降低后升高。

2.3.1 溫度變化 從圖4可以看出，在啟簾之前，溫室內的溫度較低，底層溫度在5.25～6.5 ℃內分布，靠近后墻的2個測點的溫度接近;頂層溫度在5～6 ℃內分布，頂層4點的溫度差比底層的大。啟簾后溫度小幅上升，底層溫度上升約 1.5 ℃，頂層溫度上升約2 ℃，稍高于底層。之后由于通風口打開，冷空氣開始進入溫室，底層空氣的溫度降低約 0.5 ℃，頂層空氣溫度降低1.0～1.5 ℃。關閉通風口后，溫室內溫度繼續降低，而由于南側靠近溫室薄膜北側靠近溫室后墻，北側溫度始終高于南側溫度。16：00后閉簾，溫室內溫度繼續降低至最低4 ℃，最終保持穩定。

2.3.2 濕度變化 從圖5可以看出，在啟簾之前，溫室內底層濕度維持在91%左右，而頂層靠近外層膜濕度最高為 93.14%，靠近后墻最低為89.14%，中間2點濕度接近。啟簾后頂層空間受到太陽輻射，溫度升高、濕度略微下降，下層由于植物冠層遮擋濕度沒有變化。開啟通風口后底層濕度下降1.5%，頂層只有靠近后墻的2個測點濕度下降3%，靠近外層膜的2個測點濕度變化不明顯。關閉通風口后濕度上升，并在閉簾后逐漸保持穩定。

雪天情況下溫室通風時間較短，太陽輻射較晴天弱，因此溫室內的溫度和濕度變化幅度都比晴天時的變化幅度小， 溫室內總體維持在低溫高濕的狀態。

2.4 溫度場模型的建立與分析

計算流體動力學（CFD）方法在日光溫室的研究中已經得到了廣泛應用， 而Fluent軟件因其強大的流暢計算功能且在

分離環境或非線性耦合計算中有較高的計算精度。考慮到溫室的結構和內外部環境的影響，以豎直方向的截面為模擬對象。試驗重點針對13：00時的數據進行分析，故選取以壓力為基礎的平面穩態模型，并考慮重力的作用，同時打開能量模型求解器和DO輻射模型求解器[14]。相關研究表明，溫室內的氣體流動適用于標準k-ε湍流模型，其計算精度符合工程計算的要求[15-17]。

2.4.1 網格劃分 本試驗利用前處理軟件Gambit建立試驗溫室及內拱棚的二維截面模型和溫室內作物冠層區域的模型，之后進行網格劃分。為保證計算精度，日光溫室網格結構采用四邊形非結構性網格，最終網格單元尺寸為0.03，數量為19 050個（圖6），網格質量良好，符合計算要求。

2.4.2 邊界條件 本試驗的預測模型以溫室內空氣為研究對象，其邊界條件包括室外氣候、溫室內地面土壤、溫室后墻體、木質后坡和聚乙烯塑料薄膜等。在自然通風的條件下，將0.3 m開口的下部0.27 m部分作為速度進口，將0.3 m開口的上部0.03 m部分作為出口，其他邊界均設置為Wall。溫室內的各種材料的熱學性能參數見表2，試驗溫室模型的邊界條件見表3、表4。

2.4.3.1 溫度變化 2種天氣情況下溫室內溫度有明顯的差異，且熱量來源不同。在晴天時溫室內空氣溫度普遍維持在26 ℃左右，土壤表面溫度較低，由于溫室內南側土壤的邊際效應的影響[18-19]，溫室內雙層膜間土壤溫度最低為 4.75 ℃，內拱棚北側土壤溫度為10.49 ℃，而北側靠近后墻的土壤溫度最高為11.5 ℃，呈現出明顯的溫度梯度且內拱棚兩側空氣和土壤溫度值有明顯突變;由于太陽輻射穿透外層膜，高溫區域位于外層膜頂部，使溫室內溫度保持在一個較高水平。溫度從地面到溫室頂部逐漸升高，溫度分布有明顯梯度，且頂部溫度最高達31 ℃（圖7）。在雪天時溫室內空氣溫度普遍維持于5～6 ℃，不同于晴天情況的是，溫室內最高溫度區域位于北側地面區域而非溫室頂部區域。此時溫室外溫度低且日光輻射量小，溫室內的熱量主要源于地面土壤輻射放熱，在此情況下，溫室內的垂直溫度梯度方向與晴天時的梯度方向相反，而土壤水平方向溫度梯度仍有體現。雙層膜中間的土壤溫度最低為2.68 ℃，內拱棚到北墻體溫度從 6.15 ℃ 逐漸升高至10.15 ℃，有明顯溫度梯度且內拱棚兩側有明顯的溫度突變;由于雪天太陽輻射和氣溫較低，白天無法迅速提高溫室內氣溫，雪天溫室平均氣溫5.53 ℃，顯著低于晴天時溫室內平均氣溫21.98 ℃（圖8）。

2.4.3.2 濕度變化 2017年1月3日晴天和2017年1月6日雪天的空氣濕度分布云圖見圖9、圖10。

由于通風方式的差異，導致2種天氣情況下溫室內的濕度差異明顯。在晴天時溫室內的濕度分布有顯著的區域劃分，在溫室頂部的相對濕度為28%左右，為整個溫室內的濕度最低的區域，沿溫室薄膜和后墻的近壁面區域逐漸向下，空氣的濕度開始上升。同時當到達通風口附近時，相對濕度迅速上升超過100%，空氣中的水分開始凝結，在內拱棚與外層膜之間的空間內濕度最高，并且有大量水蒸氣凝結。而在溫室中部區域，空氣的相對濕度從南北兩側向中間逐漸升高且近地面附近的空氣相對濕度最高達到90%左右。同時在溫室的內拱棚底部和后墻體底部2處的濕度也相對較高，由于內拱棚與地面之間的夾角空間小，使得灌水后水分在狹小的空間內聚集，同時溫室內空氣流動在該區域產生渦流，因此使得空氣中的水分難以迅速擴散至空氣中，導致該區域的空氣相對濕度較其他區域大。后墻底部由于有灌水渠存在導致后墻底濕度較高。在位于地面中部上方小范圍內空氣的相對濕度達到80%（圖9）。在雪天時由于通風效果較差，溫室內空氣相對濕度區分不明顯，溫室內空氣的相對濕度普遍維持在90%以上。靠近地面處的濕度略低于高處空間的相對濕度。同樣在內拱棚與外層膜之間的空間內濕度最高并且有大量水蒸氣凝結（圖10）。