側(cè)通風(fēng)口高度對(duì)塑料溫室氣流及溫濕度的影響

趙融盛 蔡澤林 楊 志 洪婷婷 張 智*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

塑料溫室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)成本低，經(jīng)濟(jì)效益良好，是我國(guó)應(yīng)用面積最大、適應(yīng)地域最廣的園藝設(shè)施[1]。溫室通風(fēng)是調(diào)控室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速環(huán)境因素的重要手段[2]。自然通風(fēng)系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)約能源，普遍適用性強(qiáng)，是通風(fēng)換氣的首選方式。自然通風(fēng)效果受溫室通風(fēng)結(jié)構(gòu)、通風(fēng)口開啟方式、開啟面積等多個(gè)因素的影響。其中，通風(fēng)口高度改變會(huì)直接導(dǎo)致室內(nèi)流場(chǎng)的變化，是影響自然通風(fēng)效果的主要因素之一。因此，合理確定通風(fēng)口高度，可以滿足降溫、除濕等不同通風(fēng)需求，對(duì)于精準(zhǔn)調(diào)控溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)意義重大[3]。

室內(nèi)環(huán)境因子在自身運(yùn)動(dòng)及與作物蒸騰與呼吸等交互過程中，遵循動(dòng)量、質(zhì)量、能量傳遞的相關(guān)定律，理論研究較為困難繁復(fù)，因此相關(guān)研究多采用數(shù)值模擬。在Okushima等[4]首次運(yùn)用CFD技術(shù)研究溫室自然通風(fēng)之后，出現(xiàn)了許多借助CFD技術(shù)對(duì)溫室內(nèi)溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)進(jìn)行的研究，CFD模擬結(jié)果能夠較為真實(shí)有效地反映溫室大棚自然通風(fēng)下的氣流特征及溫度流場(chǎng)特點(diǎn)[5]。已有研究包括：對(duì)單棟塑料溫室以及其他特殊結(jié)構(gòu)溫室內(nèi)環(huán)境的模擬與優(yōu)化[6-13]，對(duì)不同通風(fēng)方式和不同通風(fēng)設(shè)備下通風(fēng)效果的模擬[14-15]，對(duì)不同作物高度下溫室內(nèi)的氣流分布模擬[16]，得出了改善溫室內(nèi)部環(huán)境的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，提高通風(fēng)效果的通風(fēng)管理方式、通風(fēng)設(shè)備以及不同作物高度對(duì)溫室內(nèi)部氣流場(chǎng)分布的影響等研究結(jié)果。當(dāng)前，依舊缺乏通風(fēng)高度對(duì)溫室微氣候影響的相關(guān)研究，本研究擬采用試驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬方法解析側(cè)通風(fēng)口高度對(duì)塑料溫室內(nèi)流場(chǎng)、氣溫、相對(duì)濕度的影響規(guī)律，以期為溫室通風(fēng)設(shè)計(jì)及環(huán)境調(diào)控提供更有效的理論依據(jù)。

1 數(shù)值建模

1.1 溫室模型構(gòu)建

試驗(yàn)運(yùn)用Solid Works進(jìn)行了幾何模型的初步建立。將溫室空間及其周圍的一部分空間區(qū)域作為總計(jì)算域(12 m×16 m×6 m)，溫室作為子計(jì)算域位于總計(jì)算域中心，保證溫室內(nèi)部以及周圍的氣流運(yùn)動(dòng)充分發(fā)展。在幾何模型的基礎(chǔ)上，采用六面體單元進(jìn)行溫室網(wǎng)格劃分，外部網(wǎng)格間距設(shè)置為80 mm，溫室內(nèi)部網(wǎng)格間距設(shè)置為40 mm，為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，通風(fēng)口邊緣網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以便獲取這些重要區(qū)域的流場(chǎng)特征。網(wǎng)格劃分總數(shù)為1 151 996個(gè)，其中溫室網(wǎng)格劃分總數(shù)為583 641個(gè)，進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查和光順化處理，確認(rèn)網(wǎng)格劃分有效。

1.2 本構(gòu)方程

CFD數(shù)值模擬基本控制方程包括連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程和能量方程。此外，溫室自然通風(fēng)過程中存在明顯的湍流特征，因此還要考慮湍流方程。在通風(fēng)過程中溫室內(nèi)氣體可視為不可壓縮流體，假設(shè)近壁處氣體流動(dòng)符合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，溫室自然通風(fēng)過程中，室內(nèi)氣流為湍流。本研究選擇RNGk-ε模型進(jìn)行湍流模擬，湍流運(yùn)輸方程[17-18]為：

(1)

(2)

式中：k為湍流動(dòng)能，m2/s2；ε為湍流能耗散率，m2/s3；μ為層流粘性系數(shù)，m2/s；μt為湍流粘性系數(shù)，m2/s；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，m2/s2；Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，m2/s2；C1ε，C2ε，C3ε，σk，σε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。激活組分模型，模型中空氣假設(shè)為水蒸氣和干空氣的混合物，彼此之間沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通風(fēng)過程中各組分傳輸滿足組分守恒定率。

1.3 邊界條件

設(shè)置室外長(zhǎng)方體計(jì)算域南面為速度進(jìn)口邊界，室外空氣溫濕度、風(fēng)速為實(shí)測(cè)值(表1)。計(jì)算時(shí)選擇室外空間區(qū)域的一個(gè)矩形面作為速度進(jìn)口，室外長(zhǎng)方體計(jì)算域北面為出風(fēng)口。加載DO輻射模型，采用Solar Ray Tracing計(jì)算方法。考慮自然通風(fēng)以及太陽輻射產(chǎn)生的熱量交換，溫室覆蓋層與室內(nèi)外空氣通過傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射進(jìn)行能量交換。CFD數(shù)值模擬中，溫室的覆蓋層及地表均按照壁面邊界條件處理，溫室覆蓋層與兩側(cè)空氣之間的能量傳遞設(shè)置為耦合傳熱[19]，溫室棚膜與土壤材料參數(shù)見表2。

表1 塑料溫室CFD模型邊界條件

表2 溫室薄膜和土壤的材料物性參數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算

求解器選擇ANSYS FLUENT16.0，采用分離式求解器對(duì)各守恒方程進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，采用有限體積法對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散化。控制算法采用SIMPLEC算法，求解器設(shè)為非穩(wěn)態(tài)分析。時(shí)間步長(zhǎng)0.5 s，模擬通風(fēng)口開啟之后20 min內(nèi)各溫室氣流場(chǎng)以及溫濕度場(chǎng)的變化。單座溫室模擬用時(shí)1.5 h，總模擬時(shí)長(zhǎng)為6 h。能量、動(dòng)量方程和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行計(jì)算，其他參數(shù)采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行計(jì)算。各松弛因子的設(shè)置見表3。求解時(shí)，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10-4。

表3 變量欠松弛因子

1.5 降溫除濕評(píng)估參數(shù)

采用溫濕度瞬時(shí)變化速率和溫濕度變異系數(shù)評(píng)估不同通風(fēng)高度下的降溫除濕效果。溫濕度瞬時(shí)變化速率用來評(píng)估降溫除濕快慢，溫度瞬時(shí)變化速率計(jì)算公式為[19]：

R=(Tt-i-Tt)/i

(3)

式中：R為溫度瞬時(shí)變化速率；Tt為t時(shí)刻室內(nèi)平均溫度，℃；Tt-i為(t-i)時(shí)刻室內(nèi)平均溫度，℃；i為時(shí)間步長(zhǎng)，s。溫濕度變異系數(shù)評(píng)估降溫除濕均勻性，變異系數(shù)越大，數(shù)據(jù)離散程度越大，溫濕度分布越不均勻。溫度變異系數(shù)計(jì)算公式為[20]：

(4)

式中：N為溫度變異系數(shù)；n為室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)總數(shù)；Tk為各測(cè)點(diǎn)溫度，℃；Tave為室內(nèi)平均溫度，℃。溫度變異系數(shù)通常采用熱力學(xué)溫度進(jìn)行計(jì)算。將溫度瞬時(shí)變化速率(式(3))和溫度變異系數(shù)(式(4))中的溫度參數(shù)換以相對(duì)濕度，計(jì)算相對(duì)濕度瞬時(shí)變化速率及變異系數(shù)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 塑料溫室概況

塑料溫室位于陜西省楊凌區(qū)(東經(jīng)108°，北緯34°)，為無肩高拱形塑料溫室，東西朝向。溫室長(zhǎng)8 m、跨度4 m、脊高2.1 m，覆蓋材料為聚乙烯塑料薄膜。4座塑料溫室水平分布呈一字排開，間距4 m。分別設(shè)置側(cè)通風(fēng)口距地面40、60、80和100 cm 4個(gè)高度，側(cè)通風(fēng)口全程開啟寬度均為0.4 m，通風(fēng)面積相同。側(cè)通風(fēng)口上卷開啟，開啟速度3.6 r/min，完全開啟需80 s。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)采集

塑料溫室內(nèi)的測(cè)點(diǎn)布置見圖1：在距離地面0.5、1.0和1.5 m高度處選擇3個(gè)與地面平行的水平面，每個(gè)水平面選擇9個(gè)點(diǎn)，共計(jì)27個(gè)測(cè)量點(diǎn)。溫室內(nèi)外溫濕度采用HOBO U12記憶式溫濕度記錄儀(測(cè)量范圍：溫度-20～70 ℃;相對(duì)濕度0～95%)及TES-1360型便攜式溫濕度計(jì)(測(cè)量范圍：溫度-20～60 ℃;相對(duì)濕度10%～95%)。光照數(shù)據(jù)采用HOBO UA-002-64光照記錄儀(測(cè)量范圍：0～320 000 lx，每5 min記錄1次數(shù)據(jù))，記錄溫室內(nèi)外不同測(cè)點(diǎn)風(fēng)速測(cè)量采用Testo425風(fēng)速儀測(cè)量(測(cè)量范圍0～20 m/s，精度±0.03 m/s)。膜外表面溫度測(cè)量采用Raytek紅外溫度測(cè)量?jī)x(測(cè)量范圍：-32～535 ℃，精度±0.3 ℃)，溫室內(nèi)土壤溫度測(cè)量采用HA2002土壤溫度傳感器(測(cè)量范圍：-40～120 ℃，精度±0.2 ℃)。試驗(yàn)日期為2019年4月14日、4月18日和4月22日，試驗(yàn)期間，外界氣候穩(wěn)定。

圖1 塑料溫室環(huán)境參數(shù)測(cè)點(diǎn)布置圖

3 結(jié)果與討論

3.1 CFD模型驗(yàn)證

圖2為側(cè)通風(fēng)口距地面60 cm溫室內(nèi)的溫濕度在通風(fēng)口開啟之后不同時(shí)間段內(nèi)的模擬值和實(shí)測(cè)值。選擇陰天(2019-04-14)、晴天(2019-04-18)、晴天大風(fēng)(2019-04-22)3種典型天氣進(jìn)行實(shí)測(cè)，模擬值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)相近。3天中，各測(cè)點(diǎn)氣溫的模擬值與實(shí)測(cè)值的最大偏差為0.6 ℃，平均相對(duì)誤差為1.2%，相對(duì)濕度的最大偏差為2.3%，平均相對(duì)誤差為2.0%，所建三維CFD塑料溫室模型采用邊界條件有效。

圖2 2019年塑料溫室內(nèi)溫濕度隨通風(fēng)口開啟時(shí)間(t)的變化

3.2 CFD仿真模擬結(jié)果分析

圖3為典型晴天室外常規(guī)風(fēng)速0.8 m/s時(shí)不同側(cè)通風(fēng)口距地高度下塑料溫室內(nèi)的溫度場(chǎng)分布云圖。可以看出，由于側(cè)通風(fēng)口距地高度不同，各溫室在開啟通風(fēng)口之后各個(gè)時(shí)間段的溫度場(chǎng)分布有著較為明顯的差異。在通風(fēng)口開啟4～20 min這段時(shí)間，側(cè)通風(fēng)口距地面40 cm的溫室由于室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)形式單一，溫度分布均勻性較低，室內(nèi)平均氣溫要高于60 cm的溫室。側(cè)通風(fēng)口距地面60 cm的溫室內(nèi)平均氣溫始終最低，在通風(fēng)口開啟10～20 min 的室內(nèi)局部區(qū)域的溫度比距地面40 cm的溫室低 0.8 ℃ 左右。側(cè)通風(fēng)口距地面80 cm的溫室在通風(fēng)口開啟的初始階段降溫效果明顯，但是隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，溫室下方存在部分氣流停滯區(qū)域，影響了整個(gè)溫室的通風(fēng)降溫效果。側(cè)通風(fēng)口距地面 100 cm 的溫室由于側(cè)通風(fēng)口距地距離過高，溫室下方氣流停滯區(qū)域過大，通風(fēng)降溫速度緩慢。

H為側(cè)通風(fēng)口距地面高度；t為通風(fēng)口開啟時(shí)間。下圖同。

由于側(cè)通風(fēng)口距地面高度不同，室內(nèi)風(fēng)速分布存在明顯差異(圖4)。側(cè)通風(fēng)口距地面80 和100 cm 的溫室在外界冷空氣進(jìn)入溫室時(shí)，在冷空氣運(yùn)行路徑的下方產(chǎn)生了較大的氣流停滯區(qū)域，這部分區(qū)域內(nèi)氣流運(yùn)行速度過低，停滯現(xiàn)象明顯，氣流混合度差，熱交換作用效率極低。側(cè)通風(fēng)口距地面 40 cm 的溫室在外界冷空氣進(jìn)入溫室時(shí)，溫室上半部分區(qū)域形成了一個(gè)較大的逆時(shí)針循環(huán)氣流，室內(nèi)大部分區(qū)域的氣流得到了混合，較好的進(jìn)行了熱交換作用。側(cè)通風(fēng)口距地面60 cm的溫室在外界冷空氣進(jìn)入溫室時(shí)，溫室內(nèi)產(chǎn)生了多個(gè)大小不一的循環(huán)氣流，氣流運(yùn)動(dòng)更加活躍，整個(gè)溫室的空氣得到了充分的混合，熱交換效率明顯得到了提升，室內(nèi)風(fēng)速以及溫度分布均勻性顯著提高。

圖4 通風(fēng)口開啟10 min不同通風(fēng)口高度溫室內(nèi)風(fēng)速分布

3.3 溫濕度變化特征

圖5示出4種不同側(cè)通風(fēng)口高度的塑料溫室在相同初始邊界條件下，通過CFD模擬得到的室內(nèi)平均溫濕度。在CFD模型中抓取測(cè)點(diǎn)的位置和數(shù)量與實(shí)際測(cè)量所用測(cè)點(diǎn)相同，在不同時(shí)間段抓取27個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫濕度模擬值，計(jì)算出各溫室在不同時(shí)間段的平均溫濕度數(shù)值。在通風(fēng)過程的初始階段，側(cè)通風(fēng)口距地面40 cm的溫室溫濕度明顯高于其他側(cè)通風(fēng)口高度的溫室；在通風(fēng)過程的中期以及后期階段，側(cè)通風(fēng)口距地面100 cm的溫室溫濕度下降幅度越來越小，在通風(fēng)20 min時(shí)室內(nèi)溫濕度最高。而側(cè)通風(fēng)口距地面60 cm的溫室在通風(fēng)的整個(gè)過程中溫濕度始終保持較低水平。

圖5 不同通風(fēng)口高度(H)室內(nèi)平均溫濕度

3.4 溫濕度瞬時(shí)變化速率

整體看，通風(fēng)口剛開啟后的2 min內(nèi)，不同側(cè)通風(fēng)口高度的塑料溫室降溫速率相差較大(圖6)。側(cè)通風(fēng)口距地面40 cm的溫室溫濕度瞬時(shí)變化速率明顯低于其他3種溫室，溫度瞬時(shí)變化速率和濕度瞬時(shí)變化速率與同時(shí)段其他溫室的最大差值分別為0.76 ℃/min和1.18%/min。在通風(fēng)口開啟后的6～20 min，側(cè)通風(fēng)口距地面 40 cm 的溫室相比其他溫室降溫速率較高，但是由于初始降溫速率過低，整體降溫效果依然低于其他溫室。側(cè)通風(fēng)口距地面60 cm的溫室溫濕度瞬時(shí)變化速率略高于側(cè)通風(fēng)口距地面80和100 cm的溫室。

圖6 不同側(cè)通風(fēng)口高度(H)室內(nèi)溫濕度瞬時(shí)變化速率

3.5 降溫除濕均勻性

不同側(cè)通風(fēng)口距地面高度下，室內(nèi)的溫濕度差值隨著側(cè)通風(fēng)口開啟時(shí)間的增加而減小，室內(nèi)溫濕度分布越來越均勻，溫濕度變異系數(shù)逐漸減小(圖7)。對(duì)比4種不同側(cè)通風(fēng)口高度塑料溫室的降溫除濕過程，側(cè)通風(fēng)口距地面100 cm的溫室在側(cè)通風(fēng)口開啟后的各個(gè)時(shí)間段的溫濕度均勻性最優(yōu)，距地面60 cm的次之，27個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫濕度變異系數(shù)較同時(shí)刻100 cm高度的僅高出1.1%和3.0%，優(yōu)于側(cè)通風(fēng)口距地面40和80 cm的溫室。可以看出，在距地面60 cm基礎(chǔ)上增加側(cè)通風(fēng)口的距地高度可以有效促進(jìn)空氣的熱交換作用，減小室內(nèi)溫濕度差異。

TCV為溫度變異系數(shù)；HCV為濕度變異系數(shù)。

4 結(jié) 論

本研究以陜西省楊凌地區(qū)的塑料溫室為研究對(duì)象，采用試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬方法對(duì)不同通風(fēng)口高度下塑料溫室內(nèi)的氣溫、濕度以及氣流分布進(jìn)行仿真模擬，并對(duì)溫濕度瞬時(shí)變化率，溫濕度變異系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。充分考慮外界環(huán)境各個(gè)因素的影響，得到以下結(jié)論：

1)利用RNG k-ε 湍流模型構(gòu)建了塑料溫室三維CFD模型，室內(nèi)氣溫和相對(duì)濕度的模擬值均與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本吻合，采用邊界條件有效，能夠準(zhǔn)確模擬塑料溫室內(nèi)的溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)的分布規(guī)律。

2)側(cè)通風(fēng)口高度對(duì)室內(nèi)流場(chǎng)、氣溫、相對(duì)濕度的變化及分布有顯著影響，側(cè)通風(fēng)口距離地面過高或過低，都會(huì)降低通風(fēng)過程中的降溫除濕效果。適當(dāng)增加側(cè)通風(fēng)口的距地高度可以有效促進(jìn)空氣的熱交換作用，減小室內(nèi)溫濕度差異。

3)側(cè)通風(fēng)口距地面60 cm的溫室在通風(fēng)過程中室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)活躍，降溫除濕均勻性高，適合夏季降溫排濕和換氣補(bǔ)氣。在距地面60 cm基礎(chǔ)上提升側(cè)通風(fēng)口高度，可在保證除濕效果時(shí)減緩降溫速度，適合冬季保溫排濕；降低側(cè)通風(fēng)口距地高度可減緩室內(nèi)環(huán)境變化速率，適合極端天氣下的通風(fēng)換氣需求。