應用于溫室大棚的空氣源熱泵優(yōu)化研究

施淳予 狄育慧 蔣 婧 鄭現(xiàn)昱

（西安工程大學城市規(guī)劃與市政工程學院 西安 710048）

0 引言

在我國提出的“雙碳”背景下，農(nóng)業(yè)中溫室氣體的排放不可忽略。我國設施農(nóng)業(yè)碳排放總量為21038.17 萬tCO2，塑料大棚、日光溫室、連棟溫室3 種類型設施農(nóng)業(yè)碳排放量分別占60.2%、37.4%和2.4%[1]。現(xiàn)代溫室大棚逐漸轉向清潔能源供能，文獻[2,3]提出了將太陽能、地熱能、空氣能等可再生能源的單一或復合能源系統(tǒng)應用于溫室大棚中。其中空氣源熱泵具有較大的溫度適用范圍和突出的節(jié)能效果，由于溫室大棚內(nèi)部空間有限，空氣源熱泵一般通過風機盤管進行送風[4]。因此空氣源熱泵-風機盤管系統(tǒng)在溫室大棚上的應用受到了廣大學者的關注。

蔬菜水果的生長過程當中，最重要的問題就是如何保證溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。目前，計算流體動力學（CFD）技術相對成熟，已有較多學者利用CFD 技術對溫室大棚內(nèi)部環(huán)境進行模擬分析。文獻[5]介紹了CFD 技術在溫室微環(huán)境模擬中的發(fā)展現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)以及未來的應用前景；文獻[6]通過與實測數(shù)據(jù)的對比從而驗證了數(shù)值模擬溫室通風前后的溫度以及濕度的準確性；文獻[7,8]模擬在自然通風條件下溫室大棚內(nèi)空氣溫度和相對濕度的分布情況；文獻[9-11]模擬在自然通風、不同通風情況以及改變通風形式等條件下，溫室大棚內(nèi)部空氣流速場、流動模式和熱量對換情況；文獻[12,13]模擬研究太陽輻射對日光溫室內(nèi)溫度分布的影響和模擬研究光伏組件布置方式對棚內(nèi)空氣層、土壤層的影響；文獻[14,15]模擬研究暖風扇、土壤-空氣換熱器等供暖設備對溫室大棚內(nèi)部環(huán)境的改善情況，分析得出將暖風扇置于離地0.7m 處的為最佳方案，換熱器在距地面0.5～2.5m 處，對棚內(nèi)空氣溫濕度處理有良好的效果。由于每個農(nóng)作物高度不同、適宜的溫度范圍不同，農(nóng)戶對于溫室大棚的具體空氣源熱泵-風機盤管系統(tǒng)的風口布置位置缺乏合理性，因此本次試驗以葡萄科作物為研究主體，研究具體的風口布置位置需要合理的優(yōu)化方案。

針對以上背景，在種植陽光玫瑰葡萄的溫室大棚中采用空氣源熱泵-風機盤管系統(tǒng)進行供暖，通過CFD 模擬技術對比不同的風機盤管風口布置位置，研究溫室大棚的內(nèi)部溫度場，提出合理的風口布置方案，為其提供合適的生長條件，對設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有促進意義。

1 溫室大棚模型構建

1.1 物理模型

該溫室大棚位于陜西省華陰市槐芽村，東西走向，長度為140m，跨度為12m，前墻高2m，后墻高4.8m。該大棚的通風口分別位于棚頂?shù)纳巷L口和前墻的下風口，開口尺寸寬度根據(jù)天氣條件而變化，日間晴天、日間陰天、日間雨雪天開口寬度分別為0.6m、0.4m、0.5m；夜間晴天、夜間陰天、夜間雨雪天開口寬度分別為0.7m、0.5m、0.4m，下風口距地面1m[16]，上風口開在后半部分靠近北墻附近[17]，其中雨雪天和夜間只開下風口，并且夜間溫室大棚頂部加蓋棉被，具體物理模型如圖1（a）所示。

該地屬于暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫為13.7℃，最冷月為1 月，其最高氣溫為11℃，最低氣溫為-5℃。溫室大棚內(nèi)常年種植陽光玫瑰葡萄，本次以冬季進行模擬，其間種植物處于萌芽期，白天溫度保持在20～25℃左右，夜間控制在15℃左右，陽光玫瑰葡萄在萌芽期高度在距土壤1.3～1.7m左右[18]。

1.2 網(wǎng)格劃分

溫室大棚內(nèi)部空氣作為三維計算流體域，使用補丁適形法生成四面體網(wǎng)格進行離散。全局網(wǎng)格最大尺寸為0.5m，對溫室大棚棚頂、上下出風口和空氣源熱泵送風口進行網(wǎng)格加密，溫室大棚棚頂網(wǎng)格尺寸為0.4m，上下出風口和送風口網(wǎng)格尺寸為0.25m。對劃分后的網(wǎng)格進行質量檢查，網(wǎng)格的平均質量為0.84，網(wǎng)格質量在0.9 以上的網(wǎng)格占比為27.6%，其余網(wǎng)格質量均在0.4～0.8 之間，不存在負網(wǎng)格情況，網(wǎng)格質量較好，具體如圖1（b）所示。

圖1 溫室大棚物理模型及網(wǎng)格劃分情況Fig.1 Physical model and grid division of greenhouse

1.3 控制方程

溫室大棚仿真模型采用有限體積法FVM 進行求解，其基本原理是以流體連續(xù)性、動量和能量三大守恒方程作為基本控制方程，設定一系列計算模型以構成最終的仿真控制微分方程[19]。

連續(xù)性方程為：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；為流體速度矢量，m/s；Sm為用戶自定義源項。

動量方程為：

2 邊界條件和求解模型的確定

2.1 材料物理性質參數(shù)

對于空氣的參數(shù)設置，本文利用Boussinesq假設，在冬季溫室大棚內(nèi)部光照分布有差異，導致內(nèi)部的溫度存在差異，溫差會引起室內(nèi)的浮升力項，同時也會導致室內(nèi)的氣流組織和諸多參數(shù)發(fā)生變化，利用Boussinesq 假設可使問題的解決簡單化[20,21]。

大棚前墻和頂棚材質為塑料膜，墻面材質為普通磚，本文假設材料為各向同性材料，并且各材料的物理參數(shù)選取如表1 所示。

表1 材料熱物性參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of materials

2.2 邊界條件

空氣源熱泵-風機盤管系統(tǒng)溫室大棚涉及的換熱方式為熱傳導、熱對流和熱輻射。本文選用所有的邊界條件均為壁面wall 形式，大棚的前墻和頂棚的換熱方式為輻射換熱和對流換熱為主；大棚磚墻的換熱方式為對流換熱為主；大棚內(nèi)部的土壤層的換熱為內(nèi)部空氣的對流換熱和太陽輻射換熱。

溫室大棚的入口設置為速度入口，額定風速為4.5m/s，日間額定溫度為338.15K，夜間額定溫度為310.15K；出口設置為壓力出口，回流總溫度為室外溫度。

其中天空輻射溫度Tsky和室外空氣溫度T0的關系以及室外對流換熱系數(shù)可表示為[22]：

室外對流換熱系數(shù)為：

現(xiàn)選擇冬季日間晴天進行模擬分析，此時室外平均溫度為9℃，邊界條件的參數(shù)設置如表2 所示。

表2 邊界條件參數(shù)Table 2 Boundary condition parameters

2.3 數(shù)值方法

本文選擇1 月的晴天、陰天以及雨雪天的不同天氣情況下的不同風口布置位置進行溫度場模擬，對棚外溫度采用平均溫度，棚內(nèi)空氣源熱泵設備風口出風溫度采用額定溫度，因此仿真采用CFD 穩(wěn)態(tài)模型。

本文的湍流模型采用RNGK-ε模型的非平衡壁面函數(shù)法[23]；太陽輻射模型采用DO 輻射模型，并在模型中選擇Solar Ray Tracing 模型[24]，設置地理信息為華陰市華山鎮(zhèn)地理參數(shù)：經(jīng)度110.09°，緯度34.58°，時區(qū)為東八區(qū)；求解方法選用SIMPLEC 進行計算[25]。

2.4 實測數(shù)據(jù)驗證

利用現(xiàn)場溫室大棚，采用內(nèi)部無熱源的方案，在冬季對大棚中心位置進行實測，分別以距北墻1m 為單位共12 組測點組成。以2021 年12 月12日為例，圖2 為測點布點和12 月12 日實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比情況。

圖2 測量布點圖及實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比圖Fig.2 Survey point layout and comparison between measured data and simulated data

實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比后，證明溫度場分布情況與本模型模擬情況結果保持一致，室內(nèi)溫度最高溫度出現(xiàn)在溫室南側靠近PVC 膜的位置，最低溫度出現(xiàn)在溫室東西墻和北墻交界處附近。綜合分析，溫度場模型的模擬值和實測數(shù)據(jù)誤差在2℃以內(nèi)，滿足精度需求。

3 模擬結果及分析

本文按空氣源熱泵風口布置高度分別位于后墻側和前墻側進行模擬，其中北墻側取距地面0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m；南墻側取距地面0.5m、1m、1.5m 一共12組分別建立仿真模型，模擬晴天、陰天和雨雪天三種典型氣象條件的日間和夜間的溫度場變化。在考慮作物溫度條件的基礎上，比選布置方案。

由于陽光玫瑰葡萄在萌芽期高度在距土壤1.3～1.7m 左右，故本文選取大棚距土壤層1.0m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.5m、1.6m、1.7m、1.8m、1.9m、2.0m 共11 組不同高度平面的溫度平均值作為參考值，進行對比分析不同空氣源熱泵風口布置方案的差異。

3.1 晴天棚內(nèi)溫度場變化和分析

晴天日間和夜間溫室大棚1.0m～2.0m 高度間的空氣溫度隨風機盤管風口布置高度的變化如圖3所示。選取溫室大棚側截面進行溫度場分析，溫度分布云圖如圖4 所示。

圖3 晴天溫室大棚各高度橫截面溫度變化Fig.3 Temperature change of cross section at each height of greenhouse in sunny days

圖4 晴天溫室大棚側截面溫度分布云圖Fig.4 Cloud diagram of temperature distribution on the side section of greenhouse in sunny days

由圖3 和圖4 可知，風機盤管安裝于北墻和南墻距地面0.5m、1m、1.5m 是最佳安裝位置。晴天日間最佳安裝位置處的溫室大棚平均溫度為23.9℃，其余位置處的溫室大棚平均溫度為14.4℃，隨著高度的增加溫室大棚平均溫度下降7.0～11.4℃，設備安裝于南墻的溫室大棚平均溫度高1.3℃；晴天夜間最佳安裝位置處的溫室大棚平均溫度為16.5℃，其余位置處的溫室大棚平均溫度為11.0℃，隨著高度的增加溫室大棚平均溫度下降2.6～10.7℃，設備安裝于南墻的溫室大棚平均溫度高1.8℃。

3.2 陰天棚內(nèi)溫度場變化和分析

陰天日間和夜間溫室大棚1.0m～2.0m 高度間的空氣溫度隨風機盤管風口布置高度的變化如圖5所示。選取溫室大棚側截面進行溫度場分析，溫度分布云圖如圖6 所示。

圖5 陰天溫室大棚各高度橫截面溫度變化Fig.5 temperature change of cross section at each height of greenhouse in cloudy days

圖6 陰天溫室大棚側截面溫度分布云圖Fig.6 cloud diagram of temperature distribution on the side section of greenhouse in cloudy days

由圖5 和圖6 可知，風機盤管安裝于北墻和南墻距地面0.5m、1m、1.5m 是最佳安裝位置。陰天日間最佳安裝位置處的溫室大棚平均溫度為22.2℃，其余位置處的溫室大棚平均溫度為13.4℃，隨著高度的增加溫室大棚平均溫度下降4.6～11.5℃，設備安裝于南墻的溫室大棚平均溫度高2.2℃；陰天夜間最佳安裝位置處的溫室大棚平均溫度為18.3℃，其余位置處的溫室大棚平均溫度為10.8℃，隨著高度的增加溫室大棚平均溫度下降4.0～11.0℃，設備安裝于南墻的溫室大棚平均溫度高4.3℃。

3.3 雨雪天棚內(nèi)溫度場變化和分析

雨雪天日間和夜間溫室大棚1.0m～2.0m 高度間的空氣溫度隨風機盤管風口布置高度的變化如圖7 所示。選取溫室大棚側截面進行溫度場分析，溫度分布云圖如圖8 所示。

圖7 雨雪天溫室大棚各高度橫截面溫度變化Fig.7 Temperature change of cross section at each height of greenhouse in rainy and snowy days

圖8 雨雪天溫室大棚側截面溫度分布云圖Fig.8 Cloud diagram of temperature distribution on the side section of greenhouse in rainy and snowy days

由圖7 和圖8 可知，風機盤管安裝于北墻和南墻距地面0.5m、1m、1.5m 是最佳安裝位置。雨雪天日間最佳安裝位置處的溫室大棚平均溫度為24.0℃，其余位置處的溫室大棚平均溫度為14.1℃，隨著高度的增加溫室大棚平均溫度下降6.5～14.0℃，設備安裝于南墻的溫室大棚平均溫度高1.5℃；陰天夜間最佳安裝位置處的溫室大棚平均溫度為18.2℃，其余位置處的溫室大棚平均溫度為9.8℃，隨著高度的增加溫室大棚平均溫度下降4.2～13.1℃，設備安裝于南墻的溫室大棚平均溫度高5.4℃。

4 結論

通過Fluent 軟件針對不同天氣條件下的空氣源熱泵-風機盤管系統(tǒng)溫室大棚進行模擬得到以下結論：

（1）將風機盤管風口安裝于北墻和南墻距地面0.5m、1m、1.5m 均能滿足陽光玫瑰葡萄對于溫度的要求，且大棚整體溫度分布較為均勻。在晴天日間夜間、陰天日間夜間和雨雪天日間夜間中，其安裝位置處的溫室大棚的平均溫度分別為23.9℃、16.5℃、22.2℃、18.3℃、24.0℃、18.2℃。

（2）隨著風機盤管安裝高度的增加，溫室大棚逐漸出現(xiàn)溫度垂直失調(diào)，熱空氣和冷空氣出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，導致大棚整體溫度分布不平衡。在晴天日間夜間、陰天日間夜間和雨雪天日間夜間中，其安裝位置處的溫室大棚的平均溫度分別為14.4℃、11.0℃、13.4℃、10.8℃、14.1℃、9.8℃。前三組高度與后六組高度相比，日間溫室大棚的平均溫度降幅在4.4℃～7.5℃；夜間溫室大棚的平均溫度降幅在7℃～8.9℃。

（3）在同樣的供熱溫度下，將風機盤管安裝于南墻位置時大棚整體平均溫度最高；由于夜間大棚只開下風口通風，南墻側安裝風機盤管時夜間大棚整體溫度高于日間。南墻與北墻安裝風機盤管相比，日間溫室大棚的平均溫度增幅在1.3℃～2.2℃；夜間溫室大棚的平均溫度增幅在1.8℃～5.4℃。故可通過安裝于南墻來節(jié)約空氣源設備能耗，并且夜間可適當降低送風口溫度。