中空膜無小梁太陽能水產溫室溫度場研究與分析

尉 瑩，邱天龍，杜以帥，陳福迪，徐建平，李 葉，孫建明

( 1.中國科學院 海洋研究所，實驗海洋生物學重點實驗室，山東 青島 266071； 2.中國科學院大學， 北京 100049； 3.中國科學院 海洋大科學研究中心，山東 青島 266071 )

我國的溫室類型主要以玻璃溫室、塑料大棚和日光溫室為主[1]，且多用在種植領域[2]。水產養殖領域溫室多照搬種植溫室的形式，沒有針對水產養殖的需要進行規劃設計，導致水產溫室內部夏季溫度、濕度高，勞動生產環境差；冬季溫室熱量分布不均，太陽能利用率低。隨著國家節能減排工作的推進，燃煤鍋爐等傳統加溫設備被禁用，同時油、氣及電熱鍋爐加熱成本高，導致我國北方地區水產養殖企業冬季大多處于停產狀態。因此，提高太陽能利用效率，已成為我國北方發展水產養殖業的迫切需要。中空膜無小梁太陽能全光水產溫室是充分考慮了上述問題提出的全新設計，溫室采用大間距雙層膜全光結構，兼顧高效蓄熱與保溫性能；溫室骨架由成套的標準化鋼結構預制件組建，具有組建規模靈活、安裝便捷、強度高、內部空間開闊等優點；氣/水換熱裝置可以將空氣熱量實時轉移到養殖水體當中，提高熱能利用效率和改善勞動環境。

筆者采用計算流體力學方法對溫室建模和小氣候模擬，通過實地測試與研究驗證，查明溫室內部溫度場分布及變化規律，為溫室結構設計的優化、保溫策略、高溫點熱量采收、熱能蓄積方法和車間環境降溫等提供理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗時間與地點

試驗時間為2019年3月31日—5月26日；試驗地點為遼寧省沈陽市蘇家屯區(N 41°38′，E 123°17′)，建筑四周開闊無遮擋物。

1.2 供試溫室

供試溫室(圖1，專利號：CN201810139468.7)長8.0 m，寬6.0 m，高3.5 m，南北走向。所有墻體均用聚氯乙烯雙層薄膜覆蓋，骨架為成套標準化鋼結構預制件(圖2)，預制件雙面C型槽間距146 mm，溫室內部無承重柱和小梁。

1.3 測試儀器

HOBO U12-012 溫度、濕度、光照、外部通道記錄儀。溫度測量范圍：-20～70 ℃，精度：±0.35 ℃；相對濕度：5%～95%，精度：±2.5%；光照度：1～32 291 lx。

圖1 中空膜無小梁太陽能水產溫室Fig.1 Trabeculeless solar aquaculture greenhouse with hollow membrane

圖2 鋼結構預制件斷面Fig.2 Section of prefabricated steel structure

1.4 測點布置

環境因子測量點共設置20個。0、1、2、3 m水平面上各設置1組，每組5個測量點，分別位于東南西北各邊線中點向中央偏離50 cm處和室內中央。墻體環境因子測量點15個。5點為1組，每組位于同一墻體，分別置于室內和室外、中空膜內膜和外膜上以及中空膜中間。測點每15 min采集1次數據，采用Excel 2007進行數據整理分析及圖表制作。

1.5 模型建立

通過Fluent 18.0對中空膜水產溫室進行48 h連續模擬，設置x軸正向為正東方向，y軸正向為正北方向，用太陽射線跟蹤算法加載太陽輻射模型，采用DO輻射模型[3]，初始值為溫室內部的平均溫度，室外空氣溫度作為邊界條件，室內空氣設定為溫差作用下的自然對流，湍流模式采用標準k-ε方程模型，其他供試溫室材料的物理特性參數及邊界條件參數見表1。

表1 邊界參數取值Tab.1 Boundary parameter values

2 結果與分析

2.1 水平面溫度場

2.1.1 0 m水平面結果與分析

通過模擬結果(圖3)和試驗結果(圖4)可知，在6:00—13:00，東部升溫最快、南部升溫最慢。模擬結果東部邊界溫度最高，為主要熱量來源，南部顏色較淺，溫度最低；試驗結果在日出后，東部升溫最快、溫度最高，南部升溫最慢、溫度最低。試驗結果在約12:00時東部溫度出現峰值48.9 ℃，模擬結果峰值出現的時間略早于12:00，峰值偏低。13:00—19:00，模擬結果南部溫度最低，西部出現深色高溫圈，溫度高于中部；試驗結果13:00西部溫度開始高于中部，東部>西部>中部的溫度格局一直持續至20:00左右，北部溫度全天高于南部，溫差在13:00最大為6 ℃。19:00—翌日6:00，模擬結果顏色趨向均勻，邊界顏色深，溫室從邊界向四周散熱；試驗結果溫室內部各點溫差逐漸減小至1 ℃以內。

2.1.2 1 m水平面結果與分析

通過模擬結果(圖5)和試驗結果(圖6)可知，1 m水平面在6:00—13:00，東部升溫快：模擬結果中東部邊界顏色淺，為主要熱量來源，溫度場在南北向上呈波紋形，南部顏色較淺，溫度略低；試驗結果顯示，在日出后，東部、中部升溫最快、溫度最高，南部升溫最慢、溫度略低。14:00左右各試驗點溫度達到峰值，在47.7 ℃以上，而模擬結果峰值出現在13:00為47.8 ℃。13:00—19:00，外界溫度最先降低，模擬結果中溫室出現明顯邊界深色區域，內部溫度場出現差異，西部、中部、北部降溫慢；試驗結果在14:00后溫度下降，西部、北部降溫較南部、東部慢，形成1～2 ℃的溫差。19:00—翌日6:00，模擬結果顏色趨向均勻，試驗結果折線趨向一致。

圖3 0 m水平面不同時刻模擬結果Fig.3 Simulation results of 0 m horizontal plane at different timea.6:00; b.13:00; c.19:00; d.0:00；a、b參考上方圖例，c、d參考下方圖例；下同.a.6:00; b.13:00; c.19:00; d.0:00; the upper legend for a and b; the below legend for c and d; et sequentia.

圖4 0 m水平面試驗結果Fig.4 Test results of 0 m horizontal plane

2.1.3 2 m水平面結果與分析

通過模擬結果(圖7)和試驗結果(圖8)可知，2 m水平面和1 m水平面結果相似。在6:00—13:00，東部升溫快：模擬結果中東部邊界顏色淺，為熱源，溫度場在南北向上呈波紋形，且較1 m水平面幅度大，南部顏色淺，溫度低；試驗結果顯示，日出后，東部升溫最快、溫度最高，8:00高于其他監測點8 ℃。模擬結果和試驗結果均在13:00左右溫度出現峰值。13:00—19:00，模擬結果中也出現南北向波紋狀，溫度北高南低；試驗結果中，西部、北部溫度下降較南部、東部慢，15:00溫差最大達3 ℃。19:00—翌日6:00，模擬結果顏色趨向均勻，試驗結果折線趨向一致，模擬結果較試驗結果溫度偏低。

2.1.4 3 m水平面結果與分析

通過模擬結果(圖9)和試驗結果(圖10)可知，3 m水平面相較于1、2 m水平面整體各點溫差增大。模擬結果與試驗結果一致。在6:00—13:00，東部升溫快：模擬結果中東部邊界顏色淺，為熱源，北部顏色深，溫度高；試驗結果顯示，日出后，東部升溫最快、溫度最高，13:00左右溫度出現峰值為54.4 ℃。13:00—19:00，模擬結果中北部有高溫淺色區域，南部有低溫深色區域；試驗結果中，西部、北部溫度下降較南部、東部慢，北部溫度略高于南部。19:00—翌日6:00，模擬結果顏色趨向均勻，試驗結果各點溫差縮小至1 ℃內。

圖5 1 m水平面不同時刻模擬結果Fig.5 Simulation results of 1 m horizontal plane at different time

圖6 1 m水平面試驗結果Fig.6 Test results of 1 m horizontal plane

圖7 2 m水平面不同時刻模擬結果Fig.7 Simulation results of 2 m horizontal plane at different time

圖8 2 m水平面試驗結果Fig.8 Test results of 2 m horizontal plane

圖9 3 m水平面不同時刻模擬結果Fig.9 Simulation results of 3 m horizontal plane at different time

圖10 3 m水平面試驗結果Fig.10 Test results of 3 m horizontal plane

2.2 垂直面溫度場

2.2.1 東西垂直面結果與分析

通過模擬結果(圖11)和試驗結果(圖12)可知，東西垂直面在6:00—19:00，頂部溫度高：模擬結果中頂部邊界顏色變淺，為主要熱源；試驗結果顯示，3 m監測點溫度折線高于其他高度監測點溫度折線。13:00左右溫度出現峰值：模擬結果中部溫度場顏色均勻，頂部和底部溫差大；試驗結果也顯示頂部與底部在13:00溫差最大可達10 ℃以上。夜晚底部溫度最高：模擬結果中底部顏色更暖為熱源；試驗結果中底部溫度最高，4:00與頂部最大溫差

圖11 東西垂直面不同時刻模擬結果Fig.11 Simulation results of east-west vertical planes at different time

圖12 東西垂直面試驗結果Fig.12 Test results of east-west vertical planea.東部垂直試驗溫度圖; b.西部垂直試驗溫度圖; c.中部垂直試驗溫度圖.a.east vertical test temperature chart; b.west vertical test temperature chart; c.middle vertical test temperature chart.

可達7 ℃。溫室東西向跨度大，試驗結果顯示上午東部溫度高，下午西部溫度高，且0 m水平面東西向溫度場分布最不均，1、2、3 m水平面溫度場在東西方向上分布的不均性隨高度的增加而增加；模擬結果中，6:00—13:00，東部邊界顏色先變淺，為主要熱源，溫度場中部有低溫區域，13:00—19:00底部溫度下降慢，頂部溫度下降快，內部溫度場出現波紋形狀。夜晚模擬結果顏色趨向均勻，試驗結果各點溫差縮小。

2.2.2 南北垂直面結果與分析

通過模擬結果(圖13)和試驗結果(圖14)可知，南北垂直面在6:00—19:00，頂部溫度高：模擬結果中頂部邊界顏色變淺，為主要熱源；試驗結果顯示，3 m監測點溫度折線高于其他高度監測點溫度折線。13:00左右溫度出現峰值：模擬結果中部溫度場顏色均勻，頂部和底部溫差大；試驗結果顯示，頂部與底部在13:00溫差最大可達14 ℃以上。夜晚底部溫度最高：模擬結果中底部顏色更暖為熱源；試驗結果中底部溫度最高，4:00與頂部最大溫差可達7 ℃。溫室南北向跨度較小，試驗結果顯示，1、2、3 m水平面南北溫差不大，<2 ℃，0 m水平面在13:00時溫差最大，北部比南部高6 ℃；模擬結果中熱量自北向南呈半圓型擴散，中午北部有小范圍高溫圈，南部有小范圍低溫圈。夜晚模擬結果顏色趨向均勻，試驗結果各點溫差縮小。

圖13 南北垂直面不同時刻模擬結果Fig.13 Simulation results of north-south vertical plane at different time

圖14 南北垂直面試驗結果Fig.14 Test results of north-south vertical planea.中部垂直試驗溫度圖; b.南部垂直試驗溫度圖; c.北部垂直試驗溫度圖.a.vertical test temperature chart in the middle; b.vertical test temperature chart in the south; c.vertical test temperature chart in the north.

2.3 典型墻體溫度場

為更好地研究新型水產溫室內部溫度場形成原因，參考日光溫室墻體厚度與墻體材料對內部環境的重要影響[6]，對水產溫室雙層膜墻體進行預試驗，結果顯示，南部雙層膜墻體內外溫差最大，北部雙層膜墻體內外溫差最小，東西部墻體溫度變化小，且規律與南北部墻體相同。故針對新型水產溫室的南部、頂部和北部中空膜墻體進行深入研究，試驗結果如下：

2.3.1 南墻

南墻1 d內的溫度變化整體呈單峰型，最高溫度出現在13:00左右，中空膜間溫度可高達52.7 ℃。日出后，各點溫度上升，10:00前，室內溫度最高，南墻非熱源；10:00—16:00膜間溫度最高，11:00可高出內側膜14 ℃。16:00后，內側膜溫度開始高于室內溫度2～3 ℃，南墻成為熱源。因溫度存在滯后性的特征，不同材料的熱性質也不同，13:00—14:00內側膜溫度略高于室內，溫度3 ℃，溫室也處于從南墻吸熱狀態。18:00—翌日6:00，內側膜溫度最高，比內部高約1 ℃，熱量從南墻流失(圖15)。

2.3.2 頂棚

頂棚1 d內的溫度變化整體呈單峰型(圖16)，最高溫度出現在11:00左右，為53.4 ℃。日出后，內側膜溫度上升最快，8:00高于室內4 ℃，高于膜中間10 ℃，溫室自頂棚吸收熱量。夜間18:00—翌日5:30，內側膜溫度最高，比內部高約1 ℃，比膜中間高2～7 ℃，熱量流失。

問卷調查抽樣方法 采用多階段隨機抽樣的方法，在舉行過“校園行”活動的38所高校中，整群隨機抽取8所高校，在抽中的每所高校中，按照大一、大二、大三、大四(包括大五)的年級劃分，每年級整群抽取1個班級，每所學校共4個班級的學生作為研究對象。

圖15 南墻試驗溫度變化Fig.15 Temperature change in the south wall test

圖16 頂棚試驗溫度變化Fig.16 Temperature change in ceiling test

2.3.3 北墻

北墻1 d內溫度變化整體呈單峰型，最高溫度出現在中午12:00左右。內部溫度全天高于內側膜，8:00溫差最大為6 ℃，13:00膜中間與外側膜溫差最大為17 ℃，全天放熱(圖17)。

3 討 論

水溫是影響動物繁殖與生長的主要環境因子[7]，在養殖生產過程中，水體升溫所需的能源費用占生產成本的比例很大。因此，提高水產溫室的有效采光面積、保溫性能和掌握溫室內部溫度場分布規律，對合理設計溫室結構和太陽能的高效利用至關重要。

圖17 北墻試驗溫度變化Fig.17 Temperature change in the north wall test

3.1 溫室對太陽光的采集

長期以來如何提高溫室的光照時長和光照量一直是國內外專家研究的重要課題。目前研究多集中于改變采光面弧度和采光面材料的透光性上，研究表明，在相同的高差范圍下，采用不同曲線的溫室采光面，其采光效果差異很小[8]。因此，單純通過改變溫室采光面的曲率，不能從根本上解決日光溫室現存的采光不足、保溫困難等問題。而透光材料的透光率通常為80%～90%[9]，93%以上透光率的材料價格又很高[10]，絕大多數溫室難以采用。齊振宇等[11]對Venlo式溫室展開研究發現，晴天條件下，屋頂全開啟型Venlo式溫室(A溫室)的平均透光率為53.7%，而屋頂通風窗型Venlo式溫室(B溫室)為45.7%，陰天條件下A溫室的平均透光率為52.1%， B溫室為44.8%。新型水產溫室通過頂部無小梁全光構造，增大了主動采光的面積，有效減少了頂部小梁和墻體影子對太陽光的遮擋，延長了溫室對太陽光的采集時長，從而提高溫室的太陽能利用率。

3.2 溫室對養殖水體溫度的調節

在冬季養殖生產時，需對養殖水體進行加熱，傳統水產溫室加熱養殖水體通常采用燃煤、燃氣、燃油或生物質鍋爐，增加了生產成本和環境保護壓力[12]。新型水產溫室以太陽能為熱源，養殖水體為蓄能介質。溫室白天南墻膜間溫度最高可達52.7 ℃，膜間溫度與室溫存有15 ℃溫差，頂棚膜間溫度最高為50.8 ℃，膜間溫度與室溫有13.1 ℃的溫差。風道在園藝設施中應用較為廣泛，通常作為土壤及墻體熱量傳遞的載體，利用空氣進行熱交換操作簡便、效果明顯[13]。在本試驗中利用養殖水體高比熱、大體積的特點，可在南墻、棚頂、東墻和西墻高處設置多個熱量采集口，將膜間熱量導出，并通過氣(水)換熱設備將溫室中的空氣熱量收集和儲存于養殖水體中，在這個過程中不僅能提高養殖水體的溫度，同時也降低了養殖車間的環境溫度；夜間則通過溫室內的養殖水自然放熱來維持溫室溫度。達到提高太陽能利用率和增加養殖水體溫度的目的。

3.3 溫室保溫性能改進策略

保溫覆蓋材料的熱傳遞是導熱、對流和輻射3種基本傳熱方式的復合過程，傳熱系數是從總體上反映保溫覆蓋材料保溫性能的綜合性指標，目前多采用NY/T 1831-2009《溫室覆蓋材料保溫性能測定方法》[14]在實驗室或在使用中的溫室現場進行試驗直接測定，傳熱系數越低則傳熱阻及熱節省率越高，其保溫性能越好[15]，傳熱系數按下式計算：

式中，K為傳熱系數[W/(m2·℃)]；Φ為單位時間通過覆蓋材料的熱流量(W)；A為覆蓋材料的熱面積(m2)；Δt為覆蓋材料兩側空氣溫度差(℃)。

由表2可知，上述材料的保溫性能依次為：保溫被>磚墻>中空膜>塑料板>草簾>單層玻璃>塑料薄膜。

表2 覆蓋材料傳熱系數表Tab.2 Heat transfer coefficient of cover materials

本試驗通過模型模擬和實地測量，發現溫室內北部溫度略高于南部，造成溫度場北高南低的原因可能有：試驗溫室位于N 41°38′，E 123°17′，緯度高，根據太陽高度角按下式計算：

sinh=(sinφ·sinσ+cosφ·cosσ)·cost

式中，h表示太陽高度角，σ表示太陽赤緯，φ表示地理緯度，t表示地方時。

試驗時，太陽赤緯從南回歸線向赤道移動，試驗溫室所在地太陽高度角不斷減小，北部接收到頂部的太陽能較多。另外根據氣流模擬結果顯示，南部空氣受熱后上升，沿頂部往北部運動，到達北墻后受冷下降，又往南部運動，形成內部氣流環流，也幫助了內部北部熱量的積累。而試驗結果表明，北部墻體溫度全天低于北部室內溫度，根據熱力學第二定律，熱量不能自發地由低溫物體傳導到高溫物體，所以北墻一直在流失熱量。因此需要對北墻加強保溫措施。從熱工方面分析，溫室較理想的墻體內側應由吸熱蓄熱能力較強的材料組成蓄熱層，外側由導熱、放熱能力較差的材料組成保溫層，中間應為隔熱層[18-19]。異質復合墻體比單一材料的夜間保溫效果好，且尤以外層為苯板的保溫效果最好[20]。而墻體內填充的隔熱層，保溫性的優劣為：珍珠巖>煤渣>鋸末>空氣[21]。佟國紅等[22-23]在對日光溫室墻體傳熱特性的研究中發現，聚苯板可作為墻體的保溫材料，磚可作為墻體的蓄熱材料。所以新型中空膜水產溫室可以選用聚苯板和磚墻對北面墻體進行改進，以提高新型中空膜無小梁水產溫室保溫效果。

4 結 論

本試驗以中空膜無小梁全光太陽能水產溫室為研究對象，利用計算流體力學軟件對溫室內部溫度場變化進行模擬及現場測試驗證，得出以下結論：

(1)以溫室中空膜墻體、地面太陽輻射強度與室外的空氣溫度為輸入條件，綜合考慮溫室墻體導熱，室內外空氣對流換熱、輻射換熱等因素，利用計算流體力學軟件模擬溫室內部溫度場變化，經與現場測量數據對比，結果吻合較好，說明采用計算流體力學模擬溫室內部溫度場的變化是可行的，可靠性較高。

(2)溫室內不同高度水平面，東西向、南北向垂直面以及墻體膜間溫度場分布不均。水平方向：南北向溫度場呈波紋狀，北高南低，頂部為其提供主要熱源；東西向溫度場日出后東部升溫快、溫度高，為主要熱源，0、1、2、3 m水平面分別在12:00、14:00、13:00、13:00溫度達到最高值，為48.9、49.7、45.8、56.2 ℃，之后西部熱量輸入增多，溫度下降較東部慢，西部成為主要熱源。夜晚各點溫差減小到1 ℃以內。垂直方向：白天頂部升溫最快、溫度最高，為主要熱源，夜晚底部溫度最高，土壤熱輻射為主要熱源，溫度場趨向均勻。

(3)溫室墻體存在膜間熱量大，且難以輸出的問題，可采用氣(水)換熱的方法將膜間熱空氣導出，把熱量轉移到養殖水體。北部墻體熱量散失量遠大于吸收量，需進行保溫優化，考慮選用聚苯板和磚墻復合結構替代北面中空膜全光墻體。