溫室蔬菜大棚生物質能火墻供暖系統

周斯陽， 李洪強*， 劉麗芳， 祝彪炳

(1.湖南大學土木工程學院， 長沙 410082； 2.湖南科技大學土木工程學院， 湘潭 411201)

隨著社會經濟的迅速發展，人民生活水平不斷提高，反季節蔬菜成了消費市場的熱銷產品。溫室大棚可以通過技術調控營造適宜反時令蔬菜生長的微氣候，打破室外氣候的限制，在寒冷季節實現農作物的全天候生長[1]。據第三次全國農業普查主要數據公報(第二號)稱：截至2016年末，中國溫室占地面積334 khm2，大棚占地面積981 khm2。中國溫室大棚面積大，蔬菜產量高，溫室蔬菜產業發展前景廣闊[2]。但中國設施農業發展較美國、日本等發達國家發展晚，溫室大棚的設施建設不完善，對溫室微環境的控制水平有待提高[3]。其中，無法保障適合作物生長的溫度是導致作物生長不良的重要原因之一。傳統溫室通過吸收太陽輻射產生溫室效應從而提高室內溫度，其受氣候條件影響大，在光照不足、氣候寒冷的地區無法滿足作物正常生長的熱環境需求[4-5]。因此，使用溫室供暖系統實現溫室控溫和節能是溫室產業進一步發展的方向。

溫室供暖系統分為被動式溫室供暖系統和主動式溫室供暖系統。被動式溫室供暖系統以太陽能為熱源，在溫室內部空氣和蓄熱介質之間進行熱量交換[6]，蓄熱介質包括水[7]、土壤[8-10]、巖床[11]和相變材料[12-14]等。在氣候條件良好的情況下被動式溫室供熱系統能夠為作物營造適宜的熱環境，但在室外溫度極低、太陽輻射不充足的條件下，被動式供暖系統的蓄熱能力有限，不能持續保障作物生長需要。因此，被動式溫室供暖系統通常適用于氣候溫和的小型溫室。

在大型商業溫室中，可以采用被動式與主動式溫室供暖系統相結合或直接采用主動式溫室供暖系統為溫室供暖。在熱源的選擇上，主動式溫室供暖系統主要分為不可再生能源和可再生能源。不可再生能源包括煤[15]、燃氣[16]等化石能源。由于化石能源價格昂貴，易造成環境污染，在農業生產中過度使用化石燃料會導致氣候環境惡化、溫室效應加劇，并且農業生產成本會大大增加。事實上，有效利用可再生的自然資源就能夠為溫室提供足夠的熱量，滿足農業生產的需求。可再生的自然資源主要有太陽能[17-18]、地熱能[19-21]、生物質能[22]等，已經有較多學者探索將可再生能源應用于主動式溫室供暖系統。

太陽能供熱系統因其低排放、設備投資和運行成本低，適用性長等優勢受到許多學者的青睞。Bazgaou等[23]研究分析了主動式太陽能供熱系統(active solar heating system，ASHS)對溫室中番茄品質和產量的影響。ASHS由兩個裝有太陽能平板收集器的太陽能熱水器、兩個儲水箱和換熱管網組成。實驗結果表明，夜間溫室內空氣溫度提高了6 ℃，土壤溫度提高了2.5 ℃。ASHS改善了冬季溫室番茄品質，增加番茄產量55%。Bouadila等[24]使用裝配相變儲熱系統的太陽能空氣加熱器改善溫室熱環境。在日間，該加熱器將多余的熱量儲存在相變膠囊床中；在夜間，利用風機帶動溫室內空氣與相變膠囊進行熱量交換，釋放日間儲存的熱量。結果表明，在夜間，有加熱系統的溫室內空氣溫度比常規溫室內空氣溫度高5 ℃，夜間補充的熱量達到供熱總需求的31%。Han等[25]建立了溫室主動被動蓄熱通風墻體的性能評價模型，并通過試驗驗證了模型的準確性。蓄熱墻體在日間通過吸收太陽輻射、通入室內熱空氣將熱量儲存在相變材料中，儲存的熱量在夜間通過輻射和對流釋放到室內環境中。結果表明，蓄熱墻體可存儲太陽能5.36 MJ/(m2·d)，溫室夜間空氣溫度提高了0.8～1.4 ℃。宋磊等[26]設計一種太陽能空氣集放熱系統為溫室供熱，該系統利用太陽能平板空氣集熱器加熱空氣，在管道風機的作用下通將熱空氣輸送到散熱管道中釋放熱量。系統運行期間，系統集熱量為6.0～9.3 MJ/m2，溫室空氣溫度提高2.7 ℃。戴巧利等[27]研究了一套主動式太陽能塑料大盆增溫系統，日間利用太陽能集熱器加熱溫室中的空氣，風機將熱空氣抽入地下與土壤進行熱交換，將其儲存在土壤中，夜間將室內空氣抽入地下與土壤進行換熱，將土壤中儲存的熱量釋放到溫室中。與自然輻照的對照溫室相比，試驗溫室夜間空氣溫度提高3.8 ℃，土壤溫度升高2.3 ℃，系統蓄熱量為228.9～319.1 MJ。

太陽能是重要可再生能源之一，但主動式太陽能供暖系統仍然缺乏穩定性，追本溯源，仍然受限于地域與天氣因素。與太陽能供熱系統相比，地源熱泵系統具有運行穩定、加熱和冷卻雙重功能的優點。Boughanmin等[28]采用一種新型圓錐螺旋地熱換熱器為溫室供暖。結果表明，該換熱系統為溫室提供了692.208 kW熱量，這部分熱量能夠使溫室內空氣溫度升高3 ℃。Yang等[29]利用土壤-空氣熱交換器系統將地熱能作為熱源為溫室大棚供熱。在不同天氣條件下，該換熱系統夏季可提供1.5～4.5 kW的冷量，冬季可提供0.7～2.8 kW的熱量，保障溫室溫度在適宜的范圍內。

地源熱泵系統需要較大的前期資金投入，回收期較長，不適合經濟欠發達的中國農村地區使用，而生物質供暖系統在此領域擁有一定優勢。Chau等[30]對一個中等規模的溫室產生熱量的典型木屑顆粒和木渣鍋爐進行技術經濟分析。凈現值表明，安裝木屑顆粒或木渣鍋爐提供40%的年需求熱量比使用天然氣鍋爐提供所有年需求熱量更經濟。此外，使用木質生物質鍋爐還可以減少溫室氣體排放。Zhang等[31]以獨特的燃池燃燒復合生物質燃料對某日光溫室進行供暖，實驗顯示，該供暖系統供暖效果明顯，比無供暖設施的日光溫室室溫提高3～8 ℃，其費用現值和費用年值分別是58.71元/m2和9.56元/m2，均低于熱風采暖系統、熱水供暖系統和電供暖系統。Singh等[32]提出一種以稻草秸稈為主要燃料通過熱水散熱管網和煙氣散熱管網為溫室供熱的溫室供暖系統。數學模型表明，該系統能夠提供12.98 kW熱量，每天可節省80 kW·h，5年內可回收50%的安裝成本和運營成本。白義奎等[21]、王鐵良等[33]使用燃池-地中熱交換系統加熱溫室。實驗結果表明，溫室內空氣溫度提高了2.6 ℃，土壤溫度提高了1.9 ℃，其費用現值和費用年值分別是10.89 元/m2和1.28 元/m2，遠低于熱風加熱系統和熱水加熱系統。整體而言，生物質能在溫室供暖系統中的應用前景大，滿足農村地區溫室供暖低費用、碳中和、就近處理農業廢棄物的要求。

中國是農業大國，農作物秸稈產量大、分布廣、種類多。據調查估算，2015年中國主要農作物秸稈資源量約為7.19億t[34]。改革開放以來，在中國政府的發展新農村、鄉村振興等政策下，農業發展迅速，農作物秸稈產量逐年增加，秸稈區域性、季節性、結構性過剩現象不斷顯現。在農村，秸稈隨意丟棄、焚燒的現象屢禁不止，其帶來的資源浪費、環境污染等問題日益嚴重。自1997年后，中國能源消費總量超過能源生產總量，其中煤炭資源占比較大，煤炭資源為不可再生資源，其資源量有限，因此提高生物質能等可再生能源的利用率[35]，科學應用秸稈等生物質，對于維護生態平衡、減緩不可再生能源消耗、減少碳排放都具有十分重要的意義。針對當下農村農業廢棄物綜合處理、食品安全、植物生長環境惡劣等問題，現展開以生物質秸稈為一次能源的溫室大棚火墻供暖系統理論與實驗研究，使農業廢棄物變廢為寶，改善溫室大棚作物生長環境，為中國農村地區的溫室大棚供暖系統提供新思路和研究方向，研究所得到的示范系統設計參數可以直接用于實踐，為其他類似系統設計提供有效參考。

圖1 溫室大棚生物質供暖系統運行流程圖Fig.1 Flow chart of greenhouse biomass heating system operation

1 溫室大棚生物質能火墻供暖系統

1.1 系統組成及原理

溫室大棚生物質供暖系統運行流程如圖1所示。溫室大棚生物質能供暖系統由煙氣發生裝置、煙氣處理裝置、末端換熱裝置、煙氣輸送管網與動力機組成。

煙氣發生裝置為生物質顆粒燃燒爐，將以生物質顆粒作為燃料制備不高于200 ℃的煙氣送入煙氣處理裝置。

煙氣處理裝置分為緩沖凈化段、空氣調溫段和送煙段。煙氣發生裝置產生的煙氣進入煙氣緩沖段，煙氣經由緩沖段的過濾網將灰分和固體顆粒過濾后進入噴淋冷卻段，噴淋冷卻段的煙氣與引入的室外冷空氣混合后噴淋降溫，最后低溫煙氣進入送煙段進一步混合均勻后流入末端換熱裝置。

末端換熱裝置為供熱火墻，由紅磚、黏土砌筑而成。

煙氣輸送管網與動力機使用軸流風機作為動力裝置安裝在末端換熱裝置后，采用負壓抽吸方式為煙氣提供動力。運輸管道使用聚乙烯管。

在夜間，啟動溫室大棚生物質供暖系統，生物質燃爐燃燒生物質顆粒產生高溫煙氣，由軸流風機提供動力，依次經過煙氣處理裝置、供熱火墻，最后排入室外。生物質燃爐供熱一段時間后關閉，由于火墻內黏土的蓄熱能力，火墻繼續向溫室釋放熱量，直到墻體溫度冷卻至與溫室內環境溫度相同。

1.2 供熱火墻結構及原理

圖2 供熱火墻結構圖Fig.2 Sectional view of heating fire wall

圖3 火墻供熱機理圖Fig.3 Mechanism diagram of fire wall heat heating

供熱火墻是溫室大棚供暖系統的關鍵組成部分。綜合考慮試驗大棚規模、工程實踐，并根據多次試驗，最終得到較優供熱火墻墻體設計尺寸為：長10 m，寬0.6 m，高1 m。火墻結構包括外層磚墻、內部填土和煙氣流通孔道，如圖2所示。磚墻使用普通實心黏土磚砌筑，厚度為100 mm，內部使用黏土填充，厚度為400 mm，煙氣流通孔道設置在黏土層中，煙氣流通孔道直徑為63 mm。孔道末端裝有排煙機，作為引風動力，滿足煙氣流通需求。如圖3所示，在軸流風機的驅動下，進入煙氣流通孔道的低溫煙氣與孔道壁進行熱量交換，火墻受熱后，通過輻射與自然對流向溫室內釋放熱量，達到為溫室供暖的目的。關閉生物質燃爐后，土壤釋放自身儲存的熱量，延長供暖系統供熱時間。

圖4 實驗溫室大棚二維物理模型Fig.4 2D model of experimental greenhouse

2 溫室大棚室內熱環境數值建模分析

溫室大棚生物質供暖系統換熱末端通過輻射、對流換熱為溫室大棚供暖，蓄熱火墻對室內熱環境的影響是重點研究內容。因此，從兩方面對溫室大棚生物質供暖系統進行分析討論，一是使用ANSYS16.0軟件平臺進行數值建模分析；二是基于實驗平臺對數值建模進行優化。

2.1 溫室大棚室內熱環境建模

2.1.1 物理模型

計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)平臺融合了流體力學和計算機科學，是分析溫室內熱環境的重要方式。基于實驗的全尺寸溫室大棚，建立了原尺寸二維模型用于CFD模擬計算分析，如圖4所示。該模型主要由兩部分組成：地上部分和地下部分。地上部分包括圍護結構(塑料薄膜)、圍護結構包裹的室內空氣及供熱火墻；地下部分為土壤。各個部分通過火墻表面、土壤表面與溫室內部空氣構成的耦合傳熱面相互關聯，進行能量傳遞。

2.1.2 建模假定條件

在此模擬中，影響室內溫度因素復雜，在保證模擬結果準確合理的條件下，忽略次要影響因素，重點研究主要影響因素，做出如下假設。

(1)蓄熱黏土各向同性材料，密度、熱容、導熱系數等物性參數為常數。

(2)忽略蓄熱黏土內孔隙水流體滲透導致的熱量傳遞，忽略磚墻孔隙導致的熱量散失。

(3)溫室大棚密閉性較好，忽略室內外氣體交換帶來的能量損失，即忽略冷風滲透。

(4)忽略大棚內植物對大棚室內氣流組織的影響。

(5)忽略大棚內植物的呼吸作用，不考慮植物與空氣與土壤的質量與熱量傳遞。

(6)溫室內水蒸氣蒸發和冷凝熱平衡，忽略土壤與空氣交界面的質量傳遞。

(7)忽略大棚朝向對大棚內熱環境的影響。

2.1.3 網格劃分

使用ANSYS中Fluent集成板塊建立溫室大棚物理模型，并劃分結構網格。模型包括空氣和土壤兩個計算域，總共有145 101個四邊形網格和145 877個節點，火墻內黏土區域網格尺寸設置0.005 m，磚墻區域網格尺寸設置0.01 m，溫室大棚空氣和土壤區域網格尺寸設置0.015 m。并對網格質量進行了檢查，網格質量平均值為0.96，滿足計算要求。

2.1.4 控制方程

Fluent軟件的主體就是基于有限體積法(finite volume method，FVM)的求解器，提供了從不可壓、層流、湍流等很大范圍模擬能力。流體流動受物理守恒定律的支配，能量平衡分析、質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律數學描述如下。

溫室大棚能量平衡分析包括室內空氣、磚墻、黏土3個部分。由于夜間室外溫度低且無太陽輻射，是熱負荷高峰期，因此選取夜間最不利工況進行分析。

(1)

式(1)中：Qht-a為溫室內空氣與磚墻表面的換熱量，J；Qs-a為溫室內空氣與土壤表面的換熱量，J;Qa-w為溫室從圍護結構(塑料薄膜和保溫覆蓋層)損失的能量，J;Qother為冷風滲透熱損失能量和蒸發冷凝熱(在此項研究中，暫時認為此項可以忽略不計，不予考慮，其值為0)，J；ρa為溫室室內空氣密度，kg/m3；ca為溫室室內空氣比熱，J/(kg·K)；va為溫室室內空氣體積，m3；Ta為溫室室內空氣溫度，K；τ為時間變量，s。

(2)

式(2)中：Qc-ht為磚墻與黏土的換熱量，J；Qht-w為磚墻外表面與大棚外圍護結構的換熱量，J;Qht-s為磚墻與溫室土壤的換熱量，J;ρht為磚墻密度，kg/m3；cht為磚墻比熱，J/(kg·K)；vht為磚墻體積，m3；Tht為磚墻溫度，K；τ為時間變量，s。

(3)

式(3)中：Qpipe為煙氣與黏土的換熱量，J；Qc-s為黏土與溫室土壤的換熱量，J;ρc為磚墻密度，kg/m3；cc為黏土比熱，J/(kg·K)；vc為黏土體積，m3；Tc為黏土溫度，K；τ為時間變量，s。

連續性、能量、動量方程為

(4)

模型使用壓力求解基模擬溫室大棚室內熱環境，使用標準k-ε湍流模型進行計算；考慮到室內空氣局部溫度差改變引起的氣流組織，模擬使用Boussinesq模型模擬溫室內空氣的自然對流；由于在最不利工況條件下模擬，即夜間太陽輻射微弱的情況，因此僅考慮維護結構對天空的輻射和溫室內部的熱輻射，并且忽略室內熱空氣輻射，采用面對面輻射模型用于輻射計算。

2.1.5 邊界條件設置

邊界條件類型設置和各部分材料的物性參數如表1～表3所示。邊界條件相關參數包括室外空氣溫度(Tout)、天空輻射溫度(Tsky)、對流換熱系數(H)、土壤邊界溫度(Tsoil)。

溫室大棚外表面邊界條件為混合邊界，包括對流換熱和輻射換熱。塑料薄膜與室外空氣為強制對流換熱，對流換熱系數H1取決于室外風速，由式(5)～式(7)求得[36]。塑料薄膜與天空的輻射換熱強度取決于天空溫度Tsky，用式(8)計算[37]。

煙氣流通孔道內表面邊界(P)條件為第三類邊界條件，煙氣與煙氣流通孔道為管內強迫對流換熱。對流換熱系數H2用努塞爾數計算公式和Gnielinski實驗關聯公式求得。

定義地下1 m深土壤邊界溫度恒定，取Tsoil=13 ℃。

H1=18.63V0.605

(5)

背風面：V=0.3+0.05v1

(6)

(7)

式中：H1為表面對流換熱系數，W/(m2·K)；V為溫室頂棚表面風速，m/s；v1為溫室外環境實際測量風速，m/s。

(8)

式(8)中：Tsky為天空溫度，K；Fcn為云層系數，0表示晴天無云狀態，1表示陰天厚云層狀態；Tout為溫室外環境溫度，K。

表1 主要邊界條件及參數Table 1 Main boundary conditions and parameters

表2 固體材料物性參數表Table 2 Physical parameters of solid materials

表3 流體材料物性參數表Table 3 Physical parameters of fluid materials

2.2 溫室大棚室內熱環境CFD模擬分析

2.2.1 埋管排列形式對溫室大棚室內熱環境的影響

在煙氣溫度、流速確定的條件下，煙道排列決定了蓄熱火墻內溫度分布，進而影響火墻供熱效果。

在管徑De63，管內流速3 m/s，溫度130 ℃煙氣的條件下，研究了不同排管形式對溫室室內環境的影響，如圖5所示，結果如圖6所示。

如圖6所示，以《溫室加熱系統設計規范》(JB/T 10297—2014)中溫室蔬菜、瓜果類植物夜間空氣溫度最低10 ℃的要求作為供暖評價指標，在0.5 m水平高度處，b、d兩種方案不滿足供暖要求。方案a在各個水平高度處空氣平均溫度均為最高，在2.5 m高度處，空氣平均溫度達到12.5 ℃。考慮到降低室內外溫差，減小溫室熱負荷，選擇方案c進行埋管排列。

圖5 四種埋管定位方案Fig.5 Four types of pipe arrangements

圖6 不同埋管定位方案室內空氣溫度分布Fig.6 Indoor air temperature distribution of different buried pipe positions

2.2.2 埋管管徑對溫室大棚室內熱環境的影響

輸入換熱末端的熱量取決于煙氣流量，在流速確定的情況下，煙氣流量由煙道管徑決定，因此管徑是換熱末端設計的重要參數之一。

在管內流速3 m/s，以及流速130 ℃煙氣的條件下，研究了不同管徑對溫室室內空氣平均溫度的影響。如圖7所示，隨著管徑增大，溫室大棚空氣溫度呈上升趨勢，地上0.5 m處和地上2.5 m處空氣溫度增加幅度分別為3.7 ℃和4.2 ℃，增幅分別達到48.1%和47.9%，增幅明顯。在距地面高度1～2.5 m高度范圍內，溫度上升幅度小，室內空氣溫度分布均勻。

圖7 不同埋管管徑對空氣溫度的影響Fig.7 Effects of different pipe diameter on air temperature

以《溫室加熱系統設計規范》(JB/T 10297—2014)中溫室蔬菜、瓜果類植物夜間空氣溫度最低10 ℃的要求作為供暖評價指標，綜合考慮經濟效益，推薦使用De63的聚乙烯管材為埋管。

2.2.3 地下隔熱保溫層鋪設對溫室大棚室內熱環境的影響

土壤溫度過高會阻礙植物生長，甚至造成作物根部壞死。火墻供熱會導致墻體下局部區域土壤溫度過高，對作物生長造成不利影響。因此，通過鋪設隔熱保溫層削弱火墻向周邊土壤的熱量傳遞。保溫層材料選擇具有較大熱阻的膨脹珍珠巖，同時具有透水透氣的特性，不會影響植物的生長。

圖8 隔熱層鋪設深度對土壤溫度的影響Fig.8 Influence of laying depth of insulation on soil temperature

在埋管De63，管內煙氣130 ℃、流速3 m/s及保溫層厚度3 cm條件下，由圖8可知，對比無保溫層的工況，隨著保溫層鋪設深度的增加，地下0.1 m處深度隔熱層左右兩側局部溫度均逐漸降低，以《溫室加熱系統設計規范》(JB/T 10297—2014)中土壤最高溫度25 ℃為上限指標，鋪設深度為20 cm的珍珠巖保溫層滿足作物生長要求。

2.2.4 煙氣溫度對溫室大棚室內熱環境的影響

在管徑63 mm、煙氣流速3 m/s的條件下，隨著煙氣溫度的改變，溫室室內空氣溫度的變化規律如圖9所示。隨著煙氣溫度的增加，溫室大棚室內空氣溫度逐漸上升，地上不同水平高度范圍溫度上升速率相同。

以夜間空氣溫度最低10 ℃的要求作為評價指標，綜合考慮煙氣流通量，130 ℃的煙氣能滿足供暖需求。

圖9 不同煙氣溫度對空氣溫度的影響Fig.9 Effects of different gas temperature on air temperature

2.2.5 煙氣流速對溫室大棚室內熱環境的影響

在De63、煙氣130 ℃的條件下，隨著煙氣流速的改變，溫室室內各高度空氣溫度的變化規律如圖10所示。當流速從1 m/s增加到6 m/s時，地上不同水平高度處空氣平均溫度都逐漸增加，0.5 m和2.5 m高度處溫度分別升高3.6 ℃和4.1 ℃，增幅分別達到48.1%和32.4%。

圖10 不同煙氣流速對空氣溫度的影響Fig.10 Effects of different gas velocity on air temperature

溫室大棚供暖系統效果以溫室內空氣溫度和土壤溫度高低作為評價標準，根據《溫室加熱系統設計規范》(JB/T 10297—2014)對供暖溫室夜間植物生長的空氣溫度參考范圍。以最低有效供暖溫度，即地上1 m處空氣溫度達到10 ℃作為該系統供暖效能評價的指標。由圖10中數據可知，3、4、5、6 m/s的煙氣速度是合理的。當速度超過3 m/s時，溫度變化趨于平緩，考慮輸配能耗和煙氣流通量，對于De63的PE換熱管，推薦流速為3 m/s。

2.2.6 火墻對溫室大棚室內熱環境的影響

在夜間室外環境溫度2 ℃，天空輻射溫度-2.4 ℃、室外平均風速2.3 m/s、煙氣流通孔道直徑63 mm、煙氣流速3 m/s、煙氣130 ℃的條件下，模擬溫室大棚室內熱環境。

溫室大棚室內溫度場如圖11所示。在生物質能火墻供暖作用下，溫室內空氣平均溫度達到10.7 ℃，滿足《溫室加熱系統設計規范》(JB/T 10297—2014)中作物生長環境溫度10 ℃的需求。橫向跨度上，火墻左側區域空氣溫度低于火墻右側部分區域；縱向高度上，在靠近土壤表面區域，溫度較低，隨著水平高度的增加，溫度逐漸上升，在靠近大棚頂部區域，溫度較高。這是由于火墻左側空間大，右側空間小，在火墻供暖的情況下，溫室內空氣由于溫度差，出現了較為強烈的自然對流，導致冷空氣回流。溫室大棚室內空氣速度場和流線圖如圖12所示，溫室中部和頂部區域流速較大，溫室上半部分出現空氣環流，這與溫度分布情況相符合。

圖11 溫室大棚溫度場Fig.11 Cloud map of temperature distribution in greenhouse

圖12 溫室大棚室內空氣流線圖Fig.12 Streamline diagram of indoor air in greenhouse

3 溫室大棚室內熱環境試驗分析

3.1 試驗溫室大棚

試驗溫室位于中國湖南省湘潭市雨湖區某村(N：27°55′；E：112°55′)，圓拱形鋼架結構，面積192 m2，南北長22 m,東西寬8 m，脊高3.1 m，采用0.2 mm厚聚乙烯棚膜覆蓋。

在溫室南北縱向中間位置用塑料薄膜將溫室大棚分割為兩個棚(南北縱向跨度11.0 m)，第一個大棚裝有生物質溫室供暖系統，作為實驗溫室；第二個大棚是無供暖系統的傳統溫室大棚，作為對照溫室進行對比研究。對照組除無地埋管供暖系統外，其他與實驗組完全相同。試驗使用兩臺生物質爐燃燒玉米秸稈顆粒燃料產生煙氣，煙氣在軸流風機作用下依次流經煙氣處理裝置、火墻散熱末端后排到室外。試驗溫室大棚和實驗平臺如圖13所示。

圖13 溫室大棚外觀和實驗平臺搭建Fig.13 Greenhouse appearance and experimental platform construction

3.2 試驗測點設置

采用手持式智能農業氣象環境監測儀HM-QX13、紅外成像儀Ti160A。為保證實驗測量結果的客觀性，在實驗大棚、對照大棚中各布置16個測點測量室內空氣溫度，兩個大棚中測點位置完全相同。溫室大棚外距地面1.5 m高度處設置一個測點，測量室外空氣溫度、室外風速，測點位置如圖14所示。試驗中手動記錄數據，間隔時間為1 h。

3.3 試驗數據分析

在2020年12月2—8日進行溫室大棚供暖試驗，試驗時間為下午18：00至次日上午8：00，共持續7 d。選取每天最不利工況下試驗結果進行分析，試驗工況為煙氣130 ℃、煙氣流速3 m/s，試驗結果如圖15所示。由圖15可知，當夜間空氣最低溫度為2 ℃時，供暖溫室大棚室內空氣平均溫度為10.12 ℃(測點A1～A16溫度平均值)，比無供暖溫室大棚室內空氣平均溫度(測點B1～B16溫度平均值)高4.3 ℃，在其他工況下，溫度提升幅度最大為5.8 ℃，最小為3.3 ℃。由此可知，該供暖系統供暖效果明顯。

圖14 溫室大棚測點分布圖Fig.14 Distribution of measuring points in greenhouse

圖15 試驗溫室與傳統溫室室內空氣溫度對比Fig.15 Comparison of indoor air temperature between experimental greenhouse and traditional greenhouse

3.4 模擬與試驗誤差分析

采用相對均方根誤差(relative root mean square error，RRMSE)對模型性能進行可靠性評價[38]，公式為

(9)

式(9)中：yData為實際測量數據平均值；n為數據數量；yModel,i為模擬值；yData,i為實際測量值。對于溫室氣候模型，認定RRMSE≤10%時，模型具有較高可靠性。

選擇12月4日夜間最不利工況(夜間最低氣溫2 ℃、風速2.3 m/s)下模擬結果與試驗結果進行驗證，試驗溫室空氣溫度與模擬溫室空氣溫度如圖16所示，在0.5 m和1 m水平高度、東西4.5～5.4 m跨度區域為火墻，無空氣溫度數據。由圖16可知，在各個水平高度上，空氣溫度實際測量值與模擬值變化趨勢相同，實際測量值均略低于模擬值，這主要是因為溫室大棚模型忽略了冷風滲透等因素的影響，實際熱負荷高于模擬熱負荷，這與實際情況相符。經計算，0.5、1、2.5 m水平高度處模擬值與測量值相對均方根誤差(RRMSE)分別為8.7%、7.7%、8.3%，說明該溫室大棚模型能夠較為準確地反映實際情況。

圖16 試驗數據與模擬數據對比圖Fig.16 Comparison of test data and simulated data

4 結論

針對當下農村農業廢棄物綜合處理、食品安全、植物生長環境惡劣等問題，提出一種以生物質秸稈為一次能源的溫室大棚火墻供暖系統理論與實驗研究。利用CFD模擬分析確定換熱末端設計參數和供暖系統運行工況。通過試驗驗證了溫室大棚火墻供暖系統供熱效果和CFD模型的可靠性，得出以下結論。

(1)利用流體模擬計算軟件ANSYS Fluent 16.0對在火墻供暖系統作用下溫室大棚室內熱環境進行模擬分析。分析結果表明，以作物生長空氣溫度下限10 ℃為標準，生物質能供熱火墻最優設計參數為：煙氣流通孔道左右兩側對稱排布、管徑為63 mm、隔熱層鋪設深度為20 cm、煙氣溫度為130 ℃、煙氣流速為3 m/s。

(2)在冬季不利工況條件下進行試驗，與無供暖系統的傳統溫室進行對比，由生物質能火墻供暖的溫室空氣溫度有明顯提高。在試驗期間夜間最不利工況(夜間最低室外氣溫2 ℃)下，生物質能供暖火墻系統作用下的溫室空氣平均溫度提高了4.3 ℃。在其他工況下，溫度提升幅度最大為5.8 ℃，最小為3.3 ℃。