高大空間展覽溫室自然通風(fēng)數(shù)值模擬與開窗優(yōu)化

繆智昕

高大空間展覽溫室自然通風(fēng)數(shù)值模擬與開窗優(yōu)化

繆智昕

（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200434）

為研究自然通風(fēng)對(duì)高大空間展覽溫室微氣候的影響，以華東地區(qū)某高大空間展覽溫室為例，結(jié)合植物多孔介質(zhì)模型，建立了展覽溫室的全尺度三維自然通風(fēng)CFD模型，將該模型的溫濕度模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，平均溫度的模擬值與實(shí)測(cè)值誤差在11.17%以內(nèi)，平均相對(duì)濕度的模擬值與實(shí)測(cè)值誤差在14.29%以內(nèi)。隨后，利用該模型進(jìn)行了不同開窗面積對(duì)夏季自然通風(fēng)通風(fēng)量影響的分析以及夏季設(shè)計(jì)工況下溫室自然通風(fēng)微氣候預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：底部開窗面積越大，增加同樣的天窗面積增加的通風(fēng)量越多，底部開窗占地面面積百分比為6%時(shí)，增加同樣的天窗面積增加的通風(fēng)量最多；天窗面積對(duì)通風(fēng)量的影響比底部開窗面積對(duì)通風(fēng)量的影響更為顯著，增加天窗面積對(duì)熱壓通風(fēng)更為有利；底部開窗占地面面積比和天窗占地面面積比均應(yīng)大于3%；夏季設(shè)計(jì)工況下溫度約為29.5℃-31℃，滿足熱帶植物生長(zhǎng)環(huán)境溫度不大于35℃的要求。

展覽溫室；自然通風(fēng)；數(shù)值模擬；多孔介質(zhì)；開窗面積

0 引言

CFD是解析建筑環(huán)境工學(xué)中的各種問(wèn)題和環(huán)境設(shè)計(jì)的強(qiáng)有力的工具[1]。近幾年CFD技術(shù)在設(shè)施園藝領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在溫室微氣候模擬方面。它以流體質(zhì)量、動(dòng)量和能量三大守恒方程為數(shù)值計(jì)算的理論依據(jù)，結(jié)合流體湍流模型對(duì)溫室內(nèi)氣流模式和溫濕度、濃度等因子的空間分布進(jìn)行二維或三維模擬和預(yù)測(cè)，并將結(jié)果可視化；可以靈活地設(shè)定模擬因素的可變及不變；對(duì)一些可變因素，如外界氣候條件，溫室類型及尺寸等，可以任意進(jìn)行變換。其他的研究方法需要完美的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，精密的儀器及準(zhǔn)確的測(cè)量才能得到可信的結(jié)果，CFD方法則能節(jié)省時(shí)間、勞動(dòng)力及花費(fèi)[2]。

自然通風(fēng)是利用溫室內(nèi)外溫差與風(fēng)力作用造成室內(nèi)外空氣壓差，而進(jìn)行室內(nèi)外空氣交換以排除室內(nèi)余熱余濕以及提供植物生長(zhǎng)所需的二氧化碳的技術(shù)措施。這種通風(fēng)方式基本上不消耗或很少消耗動(dòng)力能源。盡管利用自然通風(fēng)改善建筑熱濕環(huán)境多年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用，但如何通過(guò)合理設(shè)計(jì)進(jìn)出風(fēng)口的位置、面積來(lái)改善高大空間熱濕環(huán)境等方面仍存在許多問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究，而CFD方法是解決這一問(wèn)題的有效方法，利用CFD方法可以預(yù)測(cè)高大空間的溫濕度場(chǎng)從而進(jìn)一步優(yōu)化改善其熱濕環(huán)境。本文擬采用CFD方法數(shù)值模擬某高大空間展覽溫室自然通風(fēng)的溫濕度場(chǎng)，并采集了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，隨后，利用該模型進(jìn)行了夏季不同開窗面積對(duì)自然通風(fēng)通風(fēng)量影響的分析以及進(jìn)行了夏季設(shè)計(jì)工況下溫室自然通風(fēng)微氣候預(yù)測(cè)。

1 材料與方法

該展覽溫室為江蘇連云港薔薇湖生態(tài)保護(hù)區(qū)展覽溫室，位于東經(jīng)118.24，北緯33.59。溫室面積為5225.6m2。溫室左側(cè)圓頂?shù)孛姘霃綖?0m，高22m；中間圓頂?shù)孛姘霃綖?0m，高16m；右側(cè)圓頂?shù)孛姘霃綖?2m，高19m；中間圓頂?shù)孛鎴A心與左側(cè)圓頂?shù)孛鎴A心相距37.992m，兩圓心連線與正南方向夾角為25.18°，右側(cè)圓頂?shù)孛鎴A心與中間圓頂?shù)孛鎴A心相距34.61m，與正南方向夾角為87.97°。植物區(qū)面積約有3900m2，建模時(shí)植物區(qū)簡(jiǎn)化處理，植物區(qū)邊緣距溫室地面圓弧約為4m，高度取植物平均高度3m。溫室頂部開有三個(gè)天窗，天窗面積從左至右分別為131.4m2、61.8m2、72.7m2，測(cè)試時(shí)溫室下部未開窗，自然進(jìn)風(fēng)口為西南方向的三個(gè)門，門的面積從左至右分別為12.5m2、12.2m2、22m2，溫室左側(cè)圓頂北部門未開啟，面積為34.42m2。展覽溫室詳見(jiàn)圖1。該展覽溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)為雙層ETFE膜，ETFE膜厚度0.25mm，空氣間層50mm。

圖1 展覽溫室

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分別于2018年5月23號(hào)14:30至16:00、2018年5月24號(hào)9:30至11:00及2018年8月2號(hào)13:15-14:45進(jìn)行。春季測(cè)試溫室天窗和西南方向的三個(gè)門全開，2018年5月23號(hào)測(cè)試時(shí)天氣晴好無(wú)云，風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，2018年5月24號(hào)天氣為陰，風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)。夏季測(cè)試時(shí)溫室天窗和門全開，天氣晴朗，測(cè)試時(shí)外界風(fēng)速很小，模擬時(shí)按純熱壓通風(fēng)進(jìn)行模擬。測(cè)試參數(shù)為室內(nèi)外氣象參數(shù)。測(cè)試儀器見(jiàn)表1。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2，植物區(qū)平面坐標(biāo)以左側(cè)圓頂?shù)孛鎴A心為坐標(biāo)原點(diǎn)，植物區(qū)所有測(cè)點(diǎn)離地面約為1m。測(cè)試數(shù)據(jù)每半個(gè)小時(shí)采集一次，測(cè)試期間氣象參數(shù)比較穩(wěn)定；植物區(qū)測(cè)點(diǎn)溫濕度由干濕球溫度計(jì)采集，同時(shí)采集該處測(cè)點(diǎn)的土壤溫度以及溫室膜表面溫度，土壤溫度以及溫室膜溫度由手持式紅外測(cè)溫儀測(cè)量；豎向測(cè)點(diǎn)由溫濕度記錄儀采集，溫濕度記錄儀置于防輻射罩內(nèi)；采樣結(jié)束后，所有測(cè)試數(shù)據(jù)均取均值處理。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置

表1 測(cè)試儀器

2 數(shù)值建模

2.1 基本控制方程及湍流模型

自然對(duì)流的計(jì)算中，通常采用瑞利數(shù)R作為湍流或?qū)恿鞯呐袛嘁罁?jù)。由于溫室尺度很大（高度達(dá)22m），使得瑞利數(shù)R遠(yuǎn)大于1010，參考相關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)亦可以發(fā)現(xiàn)，自然對(duì)流情況下溫室內(nèi)氣流場(chǎng)瑞利數(shù)R遠(yuǎn)大于1010，室內(nèi)氣流通常可認(rèn)為是湍流流動(dòng)[2-7]。自然通風(fēng)情況下溫室內(nèi)空氣為不可壓縮理想氣體，溫室內(nèi)空氣流動(dòng)同時(shí)滿足能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、質(zhì)量守恒方程，上述方程可用通用形式描述[3,6,8-15]：

式中：為通用變量；為廣義源項(xiàng)；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；為流體速度矢量；、為散度和梯度算子。

當(dāng)1時(shí)，該方程為連續(xù)方程；為速度分量時(shí)，該方程為動(dòng)量方程；為溫度時(shí)，該方程為能量方程。利用式（1）直接計(jì)算求解湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)內(nèi)存空間和計(jì)算要求非常高，在目前還不可能在實(shí)際工程中采用此方法，通常引入湍流模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[16]。本文選取標(biāo)準(zhǔn)湍流模型進(jìn)行模擬計(jì)算，在溫室通風(fēng)研究中，該模型收斂性較好，且計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的吻合度[5,6,10,12,17-23]。近壁區(qū)湍流未充分發(fā)展，需加入標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。激活不可壓縮理想氣體模型描述熱浮力的影響。激活組分輸運(yùn)模型，模型中空氣假設(shè)為水蒸氣和干空氣的混合物，彼此之間沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通風(fēng)過(guò)程中各組分傳輸滿足組分守恒定律。采用DO輻射模型計(jì)算室外太陽(yáng)輻射對(duì)室內(nèi)微環(huán)境的影響，采用solar ray tracing算法計(jì)算太陽(yáng)輻射。

2.2 多孔介質(zhì)模型

參考國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，采用多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬植物的影響。為了反映植物對(duì)空氣有拖動(dòng)效應(yīng)，通過(guò)基本控制方程的動(dòng)量方程源項(xiàng)來(lái)體現(xiàn)，這個(gè)源項(xiàng)有兩部分構(gòu)成，一部分是粘性損失即Darcy定律，另一部分是內(nèi)部阻力損失。假設(shè)植物為各向同性，對(duì)于同質(zhì)多孔介質(zhì)來(lái)說(shuō)[24]：

考慮到植物冠狀層內(nèi)空氣速率很小，因此粘滯阻力通常可以忽略，所以只需要計(jì)算慣性阻力，即：

動(dòng)量方程中單位體積植物冠層阻力引起的源項(xiàng)可轉(zhuǎn)化為：

式中，I為葉面積密度（定義為葉面積指數(shù)與植物高度的比值），C為單位體積植物冠層的慣性損失系數(shù)，C通常由風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得，對(duì)于不同的形狀和大小的植物差別很小[25]，這里C取=0.32，根據(jù)文獻(xiàn)葉面積指數(shù)取6m2/m2，葉面積密度取2m2/m3，可得慣性阻力系數(shù)為1.28m-1。

室內(nèi)空氣與植物之間除了質(zhì)量交換之外還有能量交換。為了反映植物與空氣之間的能量交換，通過(guò)基本控制方程的能量方程源項(xiàng)來(lái)體現(xiàn)，能量交換包括顯熱和潛熱，可表示為：

式中：R為輻射量；為蒸發(fā)潛熱；Q、Q為顯熱和潛熱交換量；r、r為葉片空氣動(dòng)力學(xué)阻力和氣孔阻力；T、T為植物葉片表溫和植物附近溫度；w、w為植物和附近空氣的絕對(duì)濕度；I為葉面積密度；為空氣密度；C為固定大氣壓下空氣比熱。

其中，內(nèi)部氣流速度小于0.1ms-1，取：

采用多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬植物對(duì)空氣流動(dòng)的拖動(dòng)效應(yīng)通過(guò)源項(xiàng)加載到動(dòng)量方程中體現(xiàn)。溫室內(nèi)植物在自然通風(fēng)條件下將截獲的太陽(yáng)輻射以顯熱和潛熱的形式與周圍空氣進(jìn)行質(zhì)熱交換，溫室中植物冠層與室內(nèi)空氣存在溫差，植物-環(huán)境之間顯熱交換量主要由植物冠層的空氣動(dòng)力學(xué)特性決定，植物和環(huán)境之間的顯熱和潛熱交換是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，顯熱交換以能量的形式進(jìn)行，計(jì)算所得的顯熱能量在能量控制方程中以源項(xiàng)的形式進(jìn)行自定義。植物吸收太陽(yáng)輻射通過(guò)蒸騰作用轉(zhuǎn)化成汽化潛熱，并影響溫室內(nèi)相對(duì)濕度的分布，以自定義源項(xiàng)的形式增加到組分方程中求解。

2.3 離散化及邊界條件

計(jì)算域的選取和網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度會(huì)對(duì)計(jì)算精度產(chǎn)生直接影響。考慮到展覽溫室尺寸較大以及計(jì)算機(jī)的實(shí)際計(jì)算能力，以溫室實(shí)際空間為計(jì)算域建立模型。本文利用ICEM CFD 18.0劃分非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，并在天窗及入口處進(jìn)行加密處理，以適應(yīng)流場(chǎng)梯度變化大的要求，經(jīng)反復(fù)嘗試，最終生成4486075個(gè)網(wǎng)格。

表2 邊界條件

邊界條件依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置，見(jiàn)表2。春季測(cè)試時(shí)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，溫室入口位于西南方向，夏季測(cè)試時(shí)無(wú)風(fēng)。因此本文并未采用多數(shù)文獻(xiàn)直接給出入口處風(fēng)速的做法，而是將入口處風(fēng)速轉(zhuǎn)換成風(fēng)壓，嘗試采用以通風(fēng)口入口（vent-inlet）設(shè)定風(fēng)壓給定邊界條件的方法來(lái)對(duì)通風(fēng)狀況下溫室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行模擬[26]，避免擴(kuò)大計(jì)算域?qū)е碌倪\(yùn)算量較大的問(wèn)題，天窗邊界條件設(shè)置為通風(fēng)口出口（vent-outlet）邊界。風(fēng)速轉(zhuǎn)換成風(fēng)壓的公式為：

0=p+0.52

式中，0為總壓，為靜壓，為空氣密度，為風(fēng)速。0和p都是表壓。

材料的熱學(xué)和光學(xué)屬性如表3所示。

表3 材料光學(xué)和熱學(xué)屬性

2.4 求解方法

求解過(guò)程是利用分離求解器以求解壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE）進(jìn)行迭代計(jì)算求解。選擇體積力加權(quán)法進(jìn)行壓力離散。求解時(shí)，求解器設(shè)為穩(wěn)態(tài)分析，以一階迎風(fēng)格式計(jì)算，能量殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為10-6，其他變量殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為10-3。數(shù)值仿真以ANSYS Fluent 18.0作為通用CFD求解器。

3 結(jié)果與討論

3.1 CFD模型驗(yàn)證

圖3給出了春季測(cè)試溫室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的溫度實(shí)驗(yàn)值和模擬值。從圖3可以看出第一次時(shí)溫度模擬值與實(shí)測(cè)值偏差在0.1℃～2.1℃之間，最大誤差為7.95%，平均誤差2.64%；相對(duì)濕度模擬值與實(shí)測(cè)值偏差在0～9%之間，最大誤差為14.7%，平均誤差9.81%。第二次測(cè)試時(shí)溫度模擬值與實(shí)測(cè)值偏差在0℃～2.3℃之間，最大誤差11.17%，平均誤差3.04%；相對(duì)濕度模擬值與實(shí)測(cè)值偏差在0%～10%之間，最大誤差14.29%，平均誤差為6.58%。距地面1m的平面測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)20的溫度模擬值較實(shí)測(cè)值大，其原因在于數(shù)值模型中忽略了溫室地面蒸發(fā)作用和溫室景觀水池水面蒸發(fā)作用，豎向測(cè)點(diǎn)21～測(cè)點(diǎn)29溫度模擬值較實(shí)測(cè)小，可能的原因是儀器懸掛在高空，無(wú)樹木遮擋，受到太陽(yáng)輻射作用使測(cè)量值升高；因溫濕度的耦合作用，相對(duì)濕度的情況相反。數(shù)值模擬結(jié)果能夠較真實(shí)有效地反映實(shí)際溫室內(nèi)溫、濕度情況。

3.2 夏季溫室熱濕環(huán)境模擬

溫室內(nèi)距地1m處水平面溫濕度、速度分布見(jiàn)圖4。由圖4可知，室內(nèi)溫濕度高于室外溫濕度，進(jìn)風(fēng)口附近溫度較低，相對(duì)濕度較低。植物區(qū)東北區(qū)域溫度比自然進(jìn)風(fēng)口附近高2℃～3℃，該區(qū)域相對(duì)濕度比自然進(jìn)風(fēng)口附近約高10%～20%，表明展覽溫室夏季自然通風(fēng)有明顯的降溫除濕效果。進(jìn)風(fēng)口至植物區(qū)附近速度梯度明顯，整個(gè)植物區(qū)速度較小，約為0.5m/s，表明熱壓通風(fēng)情況下植物的阻力作用對(duì)溫室內(nèi)氣流有明顯影響。

圖4 夏季溫室內(nèi)距地1m處水平面溫濕度、速度分布

圖5 夏季溫室溫濕度、速度垂直分布

分別選取溫室入口中點(diǎn)處過(guò)對(duì)應(yīng)圓頂?shù)孛鎴A心垂直截面，各截面溫濕度、壓強(qiáng)、速度矢量分布見(jiàn)圖5。由圖5可知，夏季晴天工況下溫室內(nèi)熱壓作用明顯，出現(xiàn)明顯的垂直壓力梯度。由于溫室高度達(dá)22m，而自然通風(fēng)進(jìn)風(fēng)口位于底部且開口不大，因而中和面位置接近天窗；中部圓頂天窗以下均為負(fù)壓，導(dǎo)致中部圓頂天窗出現(xiàn)回流，受回流影響中部圓頂室內(nèi)空氣溫度較其他區(qū)域低，相對(duì)濕度較其他區(qū)域低。室外空氣溫度低于室內(nèi)空氣溫度，進(jìn)風(fēng)氣流在溫室內(nèi)受熱后受熱浮力作用攀升進(jìn)而由天窗排出，溫升大約為1.5℃～2℃。左邊圓頂熱壓作用最為明顯，因此該處天窗排風(fēng)速度較右邊圓頂天窗大。底部負(fù)壓最低為-8Pa，與過(guò)渡季晴天工況底部負(fù)壓最低為-11Pa相比，熱壓作用有所減弱。

夏季自然通風(fēng)熱濕環(huán)境數(shù)值模擬表明，植物區(qū)東北區(qū)域溫度比自然進(jìn)風(fēng)口附近高2℃～3℃，該區(qū)域相對(duì)濕度比自然進(jìn)風(fēng)口附近約高10%～20%，表明展覽溫室夏季自然通風(fēng)有明顯的降溫除濕效果。熱壓通風(fēng)情況下植物的阻力作用對(duì)溫室內(nèi)氣流有明顯影響。室外空氣溫度低于室內(nèi)空氣溫度，進(jìn)風(fēng)氣流在溫室內(nèi)受熱后攀升進(jìn)而由天窗排出，溫升大約為1.5℃～2℃。與過(guò)渡季晴天工況相比，夏季晴天工況下熱壓作用有所減弱。

3.3 自然通風(fēng)開窗優(yōu)化分析

圖5 溫室底部開窗

圖6 溫室天窗

如前所述，展覽溫室夏季自然通風(fēng)有明顯的降溫除濕效果，開窗配置亦會(huì)影響自然通風(fēng)效果。根據(jù)GB/T 18621-2002《溫室通風(fēng)降溫設(shè)計(jì)規(guī)范》：自然通風(fēng)溫室在側(cè)墻開有側(cè)窗，在屋面開有天窗。側(cè)窗面積通常為側(cè)墻面積的一半以上；天窗面積不應(yīng)小于溫室覆蓋地面面積的15%～20%，有時(shí)可用半個(gè)屋面開窗。GB/T 18621-2002《溫室通風(fēng)降溫設(shè)計(jì)規(guī)范》更適用于農(nóng)業(yè)設(shè)施，顯然，簡(jiǎn)單套用該規(guī)范會(huì)使展覽溫室開窗面積過(guò)大，影響景觀效果；此外，若是按照民用建筑設(shè)計(jì)中的通常做法開窗面積取地面面積的2%～5%，通風(fēng)量是否能保證降溫效果存在疑問(wèn)。因此如何合理的設(shè)置開窗就顯得非常有必要。下面就不同的開窗面積對(duì)自然通風(fēng)的影響進(jìn)行研究。溫室底部開窗方案見(jiàn)圖5，開窗面積分別為占地面面積的2%、3%、4%、5%、6%。溫室天窗開窗方案見(jiàn)圖6，開窗面積分別為占地面面積的2%、3%、4%、5%、6%。溫室底部開窗和天窗共有25種開窗面積組合，分別進(jìn)行模擬。模擬時(shí)邊界條件與夏季測(cè)試時(shí)相同。

圖7 不同進(jìn)排風(fēng)窗面積相對(duì)大小與通風(fēng)量的關(guān)系

底部開窗占地面面積比以down表示，天窗占地面面積比以u(píng)p表示。25種開窗方案模擬結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可知，當(dāng)溫室底部開窗占地面面積為2%時(shí)，增大天窗面積，溫室通風(fēng)量基本無(wú)增加。溫室天窗占地面積面積比為2%時(shí)，增大底部開窗面積，溫室通風(fēng)量基本無(wú)增加。當(dāng)溫室底部開窗占地面面積為3%時(shí)，天窗面積占地面面積比在4%～6%變化時(shí)，溫室通風(fēng)量變化梯度很小。溫室天窗占地面積面積比為3%時(shí)，底部開窗面積占地面面積比在4%～6%變化時(shí)，溫室通風(fēng)量變化梯度很小。設(shè)計(jì)時(shí)底部開窗占地面面積比和天窗占地面面積比均應(yīng)大于3%。圖中曲線斜率隨底部開窗占地面面積百分比的增大而增大，底部開窗占地面面積百分比為6%時(shí)斜率最大，即底部開窗占地面面積百分比為6%時(shí)，增加同樣的天窗面積增加的通風(fēng)量最多。

比較同樣的開窗總面積的通風(fēng)量，如圖8所示，相同顏色標(biāo)注的即為相同的總開窗面積，可以看數(shù)值總體上是沿斜線上升的（向右上方），說(shuō)明天窗開窗面積對(duì)通風(fēng)量的影響比底部開窗面積對(duì)通風(fēng)量的影響更為顯著。

參與本次研究的133例乳腺癌患者中，人均切除淋巴結(jié)(32.3±14.7)枚，共1995枚。每例檢出前哨淋巴結(jié)1～5枚，平均3枚，共399枚；每例檢出非前哨淋巴結(jié)5～20枚，平均(12.5±2.4)枚，共1596枚。

圖8 相同開窗總面積下的通風(fēng)量（kg/s）

3.4 設(shè)計(jì)工況下溫室熱濕環(huán)境模擬

以連云港夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度為29.1℃、夏季通風(fēng)室外計(jì)算相對(duì)濕度75%的設(shè)計(jì)工況，針對(duì)底部開窗面積占地面面積的6%，天窗面積占地面面積的5%的開窗方案進(jìn)行熱壓通風(fēng)模擬，其他邊界條件不變并忽略植物產(chǎn)濕，其余邊界條件與夏季測(cè)試時(shí)相同。設(shè)計(jì)工況下，植物區(qū)夏季最高溫度應(yīng)控制在35℃以下。

圖9 夏季設(shè)計(jì)工況下溫室內(nèi)距地1m處水平面溫濕度、速度分布

溫室內(nèi)距地1m處水平面溫濕度、速度分布見(jiàn)圖9。由圖9可知，設(shè)計(jì)工況下溫室距地1m處的溫度大致在29.5～31℃，溫度分布呈現(xiàn)中間高周圍低的規(guī)律；設(shè)計(jì)工況下溫室距地1m處的相對(duì)濕度大致在74%～68%，相對(duì)濕度分布呈現(xiàn)中間低周圍高的規(guī)律。進(jìn)風(fēng)口至植物區(qū)附近速度梯度明顯，整個(gè)植物區(qū)速度較小約為0.1～0.2m/s。

圖10 夏季設(shè)計(jì)工況下溫室各截面溫度分布

分別選取溫室=-5m、=15m、=35m、=55m截面，各截面溫濕度、壓強(qiáng)、速度矢量分布見(jiàn)圖10、圖11、圖12、圖13。由圖10可知，溫度內(nèi)部溫度約為29.5～31℃，溫室中下部溫度較高；由圖11可知，溫室內(nèi)部相對(duì)濕度約為70%；溫室中下部相對(duì)濕度較低；由圖12可知，溫室最低負(fù)壓為-2Pa，最大正壓為3.9Pa，與測(cè)試工況（負(fù)壓最低為-11Pa，正壓最高約為2Pa）相比，增加溫室進(jìn)風(fēng)口面積，溫室熱壓作用減弱；由圖13可知，溫室內(nèi)部大部分氣流速度較小，約為0.2m/s，進(jìn)排風(fēng)口速度較大，進(jìn)排風(fēng)口附近呈現(xiàn)較大的速度梯度。

圖11 夏季設(shè)計(jì)工況下溫室各截面相對(duì)濕度分布

圖12 夏季設(shè)計(jì)工況下溫室各截面壓強(qiáng)分布

圖13 夏季設(shè)計(jì)工況下溫室各截面速度分布

4 結(jié)論

（1）構(gòu)建了高大空間展覽溫室自然通風(fēng)CFD模型，通過(guò)過(guò)渡季現(xiàn)場(chǎng)2組實(shí)驗(yàn)表明了CFD計(jì)算值與各測(cè)點(diǎn)平均溫濕度實(shí)測(cè)值基本吻合，平均溫度的模擬值與實(shí)測(cè)值誤差在11.17%以內(nèi)，平均相對(duì)濕度的模擬值與實(shí)測(cè)值誤差在14.7%以內(nèi)。采用多孔介質(zhì)模型和組分傳輸模型所建立的CFD數(shù)值模型有效。

（2）夏季自然通風(fēng)熱濕環(huán)境數(shù)值模擬表明，植物區(qū)東北區(qū)域溫度比自然進(jìn)風(fēng)口附近高2～3℃，該區(qū)域相對(duì)濕度比自然進(jìn)風(fēng)口附近約高10%～20%，表明展覽溫室夏季自然通風(fēng)有明顯的降溫除濕效果。

（3）熱壓通風(fēng)情況下植物的阻力作用對(duì)溫室內(nèi)氣流有明顯影響。室外空氣溫度低于室內(nèi)空氣溫度，進(jìn)風(fēng)氣流在溫室內(nèi)受熱后攀升進(jìn)而由天窗排出，溫升大約為1.5～2℃。與過(guò)渡季晴天工況相比，夏季晴天工況下熱壓作用有所減弱。

（5）天窗面積對(duì)通風(fēng)量的影響比底部開窗面積對(duì)通風(fēng)量的影響更為顯著，增加天窗面積對(duì)熱壓通風(fēng)更為有利，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量增大天窗面積。

（6）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證底部開窗占地面面積比大于3%和天窗占地面面積比大于3%。

（7）推薦底部開窗面積占地面面積的6%，天窗面積占地面面積的5%。

（8）夏季設(shè)計(jì)工況下溫度約為29.5～31℃，滿足熱帶植物生長(zhǎng)環(huán)境溫度不大于35℃的要求。

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Numerical Simulation and Optimization of Vent Configuration for Natural Ventilation of The Large Space Exhibition Greenhouse

Miao Zhixin

( Shanghai investigation and design research institute Co., Ltd, Shanghai, 200434 )

In order to understand the climatic characteristics under natural ventilation in a large space exhibition greenhouse, a three-dimensional natural ventilation CFD model was established for a large space exhibition greenhouse in East China, the numerical simulation of temperature and humidity field is basically in agreement with the measured value. The error between simulated and measured values of average temperature is less than 11.17%, and the error between simulated and measured values of average relative humidity is less than 14.29%. The CFD model of large space exhibition greenhouse established in this paper is feasible.It was then employed to: investigate the influence of different window area on natural ventilation under the design condition in summer; evaluate greenhouse microclimate with natural ventilation in summer. The results show that the larger the area of the bottom opening window is, the more ventilation the same area of the skylight increases. When the proportion of the bottom opening window to the ground area is 6%, the more ventilation the same area of the skylight increases. The influence of the skylight area on the ventilation is more significant than that of the bottom opening window area, and the increase of the skylight area is more beneficial to the thermal pressure ventilation. The bottom opening window The ratio of the floor area to the ground area and the ratio of the skylight to the ground area shall be greater than 3%; the temperature under the design condition in summer shall be about 29.5℃-31℃, meeting the requirement that the temperature of the tropical plant growth environment shall not be greater than 35 ℃

Exhibition Greenhouse; Natural Ventilation; Numerical simulation; Porous media; Window area

TU831

A

1671-6612（2020）01-029-10

繆智昕（1990-），男，碩士研究生，工程師，E-mail：znmiaozhixin@qq.com

2019-12-04