日光溫室對重慶地區春冬季煙苗生長溫度調控的數值研究

閆云飛張承華高偉申開明李建波李鈉鉀江厚龍汪代斌

(1.重慶大學能源與動力工程學院，重慶 400044；2.重慶煙草科學研究所，重慶 400715)

日光溫室作為我國一項基礎的農業設施，為農作物生長提供優良環境，尤其在春冬季煙苗培育方面得到廣泛的應用[1-4]。但日光溫室內熱濕環境比較復雜，室外氣象條件、圍護結構、土壤物性參數、作物的生長等都會影響室內溫濕度的調控，從而影響室內作物的產量[5,6]。溫度作為日光溫室的關鍵指標，對調控作物生長條件具有重要作用，因此有必要對日光溫室內溫度的分布規律展開研究，為溫室的調控和管理提供指導依據。為此，國外學者在這方面做出了大量研究，Okushima等[7]初次采用CFD方法對溫室內氣流流動的模式進行了預測；Mistriotis等[8]利用3種不同的湍流模型進行模擬，發現雙尺度的湍流模型較標準的k-ε模型和試驗數據吻合得更好；Boulard等[9]提出采用太陽輻射模擬溫室棚內的熱交換過程，與實驗結果吻合良好；Teitel等[10]以天為單位，對溫室內部溫度和濕度分布進行全天候模擬，并以此建立預測模型。國內學者張艷等[11]建立了淺層土壤溫度場的三維非穩態數值模型，模擬日光溫室內淺層土壤溫濕度的動態分布；李潔等[12]提出一種適用于冬季的溫室棚，通過數值模擬發現比傳統的溫室大棚保溫性能更好；王向軍等[13]通過建模和數值仿真模擬對真實環境的尺寸以及外形進行數值建模，模擬真實環境的溫度、壓力以及速度場等參數，并將模擬結果進行二維和三維立體呈現；高潔等[14]模擬冬季晴朗天氣日光溫室內溫濕度分布規律，發現日光溫室8∶00左右溫度最低，而14∶00左右溫度最高；陳斌[15]選取冬季晴天和小雪天氣進行模擬，以此來分析日光溫室的調控作用。盡管日光溫室數值模擬得到了大量的研究，但是對于冬季高海拔地區日光溫室的溫度分布規律的掌握，仍然存在很多不足之處。本文以重慶地區春冬季小型日光溫室為研究對象，探究了冬季晴朗天氣和雨天溫室內溫度分布規律，從而為作物生長環境的調控提供理論依據。

1 田間試驗

1.1 試驗作物及地點

日光溫室試驗建立在重慶市北碚區西南大學(E106°25′45″，N29°49′18″)，重慶市北碚區春冬季由于日照較少，全年太陽總輻射也很少，2019—2020年冬季，全市平均氣溫為8.8℃，較常年(7.9℃)和2018—2019年同期(7.6℃)分別偏高0.9℃和1.2℃；降水量為92.4mm，較常年(63.9mm)和2018—2019年同期(51.1mm)分別偏多40%和80%；日照時數為113.2h，接近常年同期。季內出現一段區域連陰雨和一次區域強降溫天氣過程，主城區冬季體感以寒冷為主。

試驗選取早期煙苗作為田間作物，由于煙苗是一種喜溫農作物，其生長和發育對環境溫度的依賴非常敏感，溫度條件對煙苗的生長速度、產量質量有很大影響，尤其是生育期的煙草對環境溫度要求極高。溫度過低會導致煙苗凍死凍傷，溫度過高則會抑制煙苗的生長，同時導致煙葉變粗、變硬，煙堿含量過高不利于大田的種植，在適宜的溫度可以促進煙苗的早期發育。因此，采用小型日光溫室進行煙苗早期培育，為煙苗的生長和發育提供優良環境。

1.2 溫度傳感器布置及測試

本次田間試驗選在春冬季節進行，試驗時間為2020年12月—2021年2月，試驗期間重慶地區溫度相對較低(平均5～10℃)。因此，對早期煙苗生長發育開展小型溫棚保溫保濕試驗。如圖1所示，為了準確得出溫室棚內的溫度變化情況，選擇棚內土壤表面下5cm作為檢測面，在土壤表面均勻布置多個溫度監測點，將所測溫度的平均值作為最終土壤表面的溫度。試驗保持全天候溫度監控，采用智能傳感器進行棚內溫度的無人監控和數據自動儲存。設備包括硬件和軟件2方面，硬件由溫度傳感器探頭、電源和無線傳輸模塊等組成；軟件端采用“彭云物聯”進行數據輸出，為確保數據實時采集，選擇每10min記錄1次棚內溫度。

2 數值模擬

2.1 物理模型

本文選擇溫室分布區域進行模擬，在考慮到主要影響因素的條件下，對模型進行了適當簡化，不考慮煙苗對溫度場的影響。幾何結構建立如圖2所示，棚為拱圓型，高度為60cm，土壤厚度為30cm，棚的長與寬分別為100cm×100cm。選擇ICEM-CFD進行結構化網格劃分，以保證模擬計算精度。

2.2 控制方程

溫室在日光的照射下內部條件會發生微小變化，涉及到空氣的低速流動，能量的交換與傳遞。本文借助Fluent對溫室進行了三維數值模擬，模擬計算過程采用有限體積法進行分析，其過程涉及的相關控制方程如下。

連續性方程：

(1)

式中，Sm為分散相到連續相的質量；ρ表示密度；ui表示i方向上的速度；xi為i方向上的微元體長度。

質量守恒方程：

(2)

式中，p表示靜壓；τij表示應力張量；gi表示在i方向上的體積力；Fi表示在i方向上的外部體積力。

能量守恒方程：

(3)

式中，T表示熱力學溫度；cp代表比熱容；u表示速度；k為傳熱系數。

2.3 計算方法

采用Fluent的太陽輻射模型進行數值模擬，為減少模型計算的誤差，通過采用兩整點之間的太陽輻射參數平均值作為數值模擬數據，瞬態模擬步長360步、時間步長10s。晴天和雨天分別連續模型2d，取第2天0∶00—24∶00時間段作為結果。根據試驗選用薄膜的厚度為12um、太陽光吸收系數為0.25、透射系數為0.75、密度為1360kg·m-3、比熱容為1050J·(kg-1·K-1)、熱導率為0.15W·(m-1·K-1)。土壤密度為2000kg·m-3，比熱容為1800J·(kg-1·K-1)，熱導率為1518W·(m-1·K-1)[11,16-18]。地面表面吸收系數為0.5，邊界條件設置周圍環境及棚內空氣溫度為276K，土壤四周及大棚外側對流換熱系數20W·(m-2·K-1)，發射率0.8，土壤初始溫度為276K，土壤底部熱流密度為1W·m-2[19]。太陽輻射強度及方位角如表1所示。

表1 重慶地區12月27日白天太陽輻射參數[20]

2.4 數值模型驗證

試驗溫度為棚內土壤表面下5cm(即-5cm)位置所測平均溫度，模擬溫度表示通過數值模擬得到的棚內土壤內部-5cm平面的平均溫度，試驗溫度和模擬溫度均選取整點進行觀測，為了驗證模型的準確性，選擇典型天氣(晴天、雨天)分別進行試驗和模擬。圖2為晴天和雨天棚內試驗溫度和模擬溫度對比，從整體上看，溫室棚內土壤溫度的試驗值與模擬值保持相同的趨勢，晴天最大誤差ΔTmax1控制在3.5K(1.25%)以內；雨天最大誤差ΔTmax2控制在2K(0.7)以內。由此可見，模擬與試驗結果誤差均在可接受范圍內，建立的數值模型的準確性和可信度可以用于棚內溫度分布的分析。

在8∶00—15∶00時，晴天和雨天溫度變化趨勢相同，室內溫度急劇升高并達到峰值，并在15∶00—20∶00時急劇降低。這是由于上午太陽輻射增強，進入溫室的熱流密度增加，下午太陽輻射強度急劇減弱，溫室內熱流密度減弱，溫度下降較快。在0∶00—24∶00時，晴天的溫度總是高于雨天的溫度，同樣也是受太陽輻射強度的影響，晴天太陽輻射強，地表接收的輻射傳熱更多，土壤溫度更高。此外，可以發現在半夜到第2天凌晨(24∶00—8∶00)，室內溫度下降較為緩慢并在8∶00達到溫度最低值，這是由于沒有太陽輻射，溫室周圍通過對流和輻射進行熱量擴散、土壤底部通過導熱進行熱量擴散，此時段土壤與周圍環境的溫差在逐漸降低，因此土壤溫度緩慢降低。

3 結果與討論

3.1 典型時刻溫室溫度分布規律

溫室溫度對農作物生長和發育具有重要影響，適宜的溫度有利于農作物的生長和繁殖，溫室溫度過高或者過低均會造成植物的生長和發育不良，因此有必要對溫室的峰值溫度進行分析，從而更加全面地探究全天的溫度變化規律。由前文可以得出，8∶00和15∶00是一天中溫室溫度的典型時刻，圖4為晴天8∶00和15∶00時土壤表面的溫度分布圖。整體而言，溫室內部中心溫度較高，四周溫度分布明顯低于中心溫度，在8∶00和15∶00時刻中心溫度分別為284K和304K，這是由于棚的周圍存在對流換熱，使得熱量從溫室棚向土壤四圍進行擴散，中心溫度向周圍傳遞較慢。圖5為晴天8∶00和15∶00時整個溫室的溫度分布云圖，對比8∶00和15∶00時刻的溫度分布得出，15∶00時溫室的整體溫度分布明顯高于8∶00時的溫度，這同樣也是由于白天有太陽輻射存在，為溫室溫度升高提供能量。相同的是8∶00和15∶00棚內溫度場相似，溫度由溫室棚的中心向四周遞減，土壤溫度相對棚內溫度更高，這時土壤的比熱容遠遠高于空氣的比熱容，具有更好的蓄熱能力，為農作物生長提供了良好的溫室環境。

圖6為雨天8∶00和15∶00時土壤表面的溫度分布圖，8∶00時刻溫室內土壤表面溫度變化保持在1K以內，而15∶00時刻的整體溫度明顯升高，棚內最高溫度可以達到284K。由圖7可以得出，不管是8∶00和15∶00時刻，溫室在水平方向上，棚內溫度均由中心向四周遞減，在四周邊緣處溫度分布最低，這是由于棚及土壤四周存在對流換熱和導熱的作用，使得熱量擴散。在豎直方向上，棚內溫度由土壤表面向上下兩端遞減，棚頂的溫度保持最低，隨著土壤深度的變化，溫室溫度逐漸遞減；當深度達到20cm時，土壤的溫度達到最低且保持不變，這同樣是因為棚頂部存在較大對流換熱，而土壤內部熱量通過導熱和對流換熱方式進行擴散。與晴天相比，雨天的溫度明顯降低，這是因為雨天太陽輻射強度明顯太弱，但是雨天溫室溫差相對于晴天更小，展現了溫室良好的保溫和蓄熱能力，在低溫條件下為煙苗的生長提供了更好的環境。

3.2 不同位置溫度分布規律

圖8為不同土壤深度溫室內溫度的動態變化曲線，晴天和雨天變化趨勢相同，均在土壤表面(0cm)的溫度達到最高，在0～10cm的溫度逐漸降低，晴天在0cm、5cm、10cm位置最高溫度分別為296K、294K、292.5K，雨天對應溫度分別為282.5K、281K、280K。這是因為向棚頂靠近的同時，棚四周與外界環境接觸的相對表面積越大，對流換熱增強，使得熱擴散加劇導致溫度的快速降低。在溫室的土壤內部，隨著土壤深度的增加，溫室溫度同樣也逐漸降低，晴天在0cm、-5cm、-10cm、-15cm、-20cm、-25cm、-30cm位置最高溫度分別為296K、292.5K、289K、286K、283.5K、282.1K、281.9K，雨天對應的最高溫度分別為282.5K、281.8K、279.5K、278.6K、278.1K、277.7K、277.5K。同時隨著土壤深度的增加，溫度波動的幅度也隨之降低，時間延遲也會增加，晴天和雨天的溫度波動幅度均表現為0cm>-5cm>-10cm>-15cm>-20cm>-25cm>-30cm，即靠近土壤表層的日溫差較大。晴天的土壤溫度波動比雨天大，晴天0cm處溫度波動為15K左右，而雨天在相同位置溫度波動保持在6K以內。隨著土壤深度的增加，溫度波動逐漸減小，溫度在土壤深度為0～-10cm范圍內的波動幅度很大，而在-10～-20cm范圍內的變化幅度較緩慢，在低于-20cm溫度變化幅度趨于平穩。因此，根據不同土壤層的溫度波動大致可以分為3層，即多變層、緩變層和平穩層，為植物的栽培提供了參考。

圖9和圖10分別為晴天和雨天1d不同時刻溫室內部溫度分布云圖。圖9為溫室在晴天4∶00、8∶00、12∶00、16∶00、20∶00、24∶00時刻XY平面的溫度分布情況，根據溫度可以分為2個階段，分別是蓄熱和放熱時間。由9可知，12∶00和16∶00時刻內部溫度明顯較高，其中土壤表面溫度最高，這是由于晴天具有較高的太陽輻射強度，透過薄膜進入到溫室內部，將熱量儲存在土壤內部。另外，發現溫度分布出現了偏移，在12∶00時刻右半側溫度明顯高于左半側，這是由于在此時居于偏左側位置；相反在16∶00時刻溫室左側溫度高于右半側溫度，這是由于到了下午太陽位置發生變化，太陽輻射更加集中在左半側。因此在8∶00—20∶00太陽輻射傳熱始終存在，這個階段認為是蓄熱階段，土壤將太陽輻射能量儲存起來。晴天4∶00、8∶00、20∶00、24∶00時刻溫度分布大致相似，棚內溫度可以分為2個區域，即棚內上部的低溫區和土壤高溫區。上部棚內的溫度梯度較大，相對而言土壤內溫度梯度較小，這是由于棚周圍與空氣接觸通過對流換熱，熱量擴散較快，土壤內部通過導熱和對流換熱，同時土壤比熱容很小，熱量的傳遞相對較慢。20∶00—8∶00范圍內土壤溫度高于棚內溫度，熱量從土壤向空氣中傳遞。圖10為雨天4∶00、8∶00、12∶00、16∶00、20∶00、24∶00時刻XY平面的溫度分布情況，與晴天的溫度分布相似，同樣是白天通過太陽輻射進行蓄熱，晚上進行熱量的釋放，為煙苗的生長提供適宜的溫室環境。

溫差表示一天中最高溫度和最低溫度的差值，如圖11所示為不同土壤深度層次的溫差圖。由圖11可知，伴隨棚內向上高度增加，棚內氣溫差降低，晴天在高度為10cm、5cm的溫差分別為12.84K和14.26K，雨天分別為4.56K和5.17K；隨著土壤深度的增加，土壤溫差逐漸降低，晴天在土壤深度為0cm、-5cm、-10cm、-15cm、-20cm、-25cm、-30cm的溫差分別為16.69K、14.41K、7.51K、5.06K、3.7K、3.19K、3.08K，雨天對應的溫差分別為6.1K、4.35K、3.01K、2.19K、1.74K、1.65K、1.55K。就整體而言，晴天的溫度波動遠大于雨天，這主要是晴天獲得的太陽輻射遠遠大于雨天，導致晴天溫室棚內的溫差較大。不管是晴天還是雨天，土壤上部氣溫的溫差總是大于土壤的溫差，這是因為與空氣相比，土壤具有更大的熱容量，能夠緩沖上部傳遞的熱量。另外，隨著土壤深度的增加，土壤溫差遞減且具有明顯的層次感，在0～-10cm范圍內溫差急劇下降，在-10～-20cm范圍內緩慢下降，在-20～-30cm范圍內保持穩定。因此，可以大致分為3層，即多變層、緩變層和平穩層。

4 結論

本文建立了三維瞬態模型對晴天和雨天條件日光溫室進行數值模擬，結合相關試驗對模型進行了驗證，探究了典型時刻溫室日光溫室溫度場分布和不同土壤深度的溫度變化情況，得到相關結論如下。

晴天和雨天的日溫度變化趨勢保持一致，但晴天受到太陽輻射的影響，其溫差大于雨天溫差，晴天溫度波動幅度可達到20K，雨天可保持在8K以內，8∶00和12∶00分別為1d內溫度的最低值和最高值。

不管是晴天還是雨天，溫室內溫度從土壤表面向上下遞減，從中心向四周遞減，不同深度土壤處溫度變化趨勢相同，隨時間呈現出周期性變化，隨著土壤深度的增加，溫度的波動幅度減小，當深度達到30cm后，土壤溫度基本保持穩定。

根據不同土壤深度的溫度變化規律，可以把土壤分為3個特征區域，多變層(0～10cm，波動：晴天16～7.51K，雨天6～3.01K)，緩變層(10～20cm，波動：晴天7.51～3.7K，雨天3.01～1.74K)，平穩層(20～30cm，波動：晴天3.7～3.08K，雨天1.74～1.55K)。

溫室棚劃分為2個階段，白天蓄熱階段和晚上放熱階段，白天溫室棚內溫度分布情況受太陽方位影響，土壤晚上進行熱量釋放，為煙苗的生長提供適宜的溫室環境。