智能溫室室內溫濕度控制模擬

孫菁 包向忠

東南大學建筑設計研究院有限公司 江蘇 南京 210096

1 緒論

近年來，隨著中國農業的快速發展，設施農業的比重也在不斷提高。目前，中國設施農業面積達到140萬hm2，已成為世界上最大的設施栽培國家。大棚保證了淡季蔬菜和水果的生長，為植物提供了適合一年四季生長的環境，打破了時間和氣候的限制。隨著經濟水平的不斷提高，對反季節蔬菜水果的需求也在不斷增加。大棚面積已達500hm2以上，大型大棚每年增長數百公頃[1]。但是，中國溫室氣體生產管理水平與發達國家仍有差距[2-3]。智能溫室環境系統是一項低能耗、高產的現代農業技術。通過智能控制技術來調節溫度、濕度和CO2，從而影響溫室環境中作物的生長，使作物在適宜的生長空間中生長，提高作物產量[4]。智能溫室中作物的生長受多種環境因素的影響，其中溫度和濕度對作物的影響最為顯著。

溫度直接而迅速地影響著作物的產量和品質[5]。溫室環境是一個復雜的分布參數系統，具有非線性時變、多變量強相關性、大時滯等特點[6]。因此，除了研究其空調方式外，溫濕度范圍和均勻性也是重要的研究對象[7]。溫室內氣流組織的分布可以使溫室內空氣的溫度、濕度和速度分布更加合理，更好地滿足溫室內作物的生長需要[8]。

本文主要以農作物溫室溫度、濕度控制為研究對象，根據溫室展廳溫度、濕度要求和負荷，建立相應的物理模型和傳熱模型，對不同工況下的室內溫濕度控制進行了模擬和優化。通過仿真，對原方案中存在的溫度、濕度均勻性不達標的問題，提出了兩種不同的控制方案。

2 模型和方法

2.1 模型假設

在研究溫室室內流場分布情況時，為簡化數值模擬計算過程，作以下假設，并簡化溫室傳熱模型如圖一所示。

1）溫室外覆蓋的玻璃層溫度分布均勻；

2）不考慮溫室各覆蓋材料的蓄熱作用；

3）各固體壁面對輻射的吸收率視為常數；

4）參與熱輻射的表面全部作為漫灰表面處理；

5）溫室圍護結構的傳熱按照固定的傳熱系數進行計算；

6）室內空氣流動符合Boussinesq假設。

圖1 溫室展廳傳熱模型

2.2 湍流及輻射模型選擇

本模擬中，溫室湍流模型選擇標準 k-ε湍流模型，在處理近壁面氣流流動中發生的質能傳輸時常采用壁面函數法；使用了非灰度（即考慮輻射的顏色特征——波長范圍）的DO模型來計算輻射傳播路徑和過程，用于描述墻壁、屋頂和地面相互耦合的對流熱傳遞和長波輻射能量交換。

2.3 邊界條件

本模擬中，以室內空氣為模擬主體，邊界包括屋頂、外墻、地面等，具體邊界條件設置如表1所示。

表1 圍護結構邊界條件設置

2.4 模擬工況

溫室室內設計參數如表2所示。

表2 溫室室內設計參數

表3 模擬工況設置（夏季）

表4 模擬工況設置（冬季）

表5 優化工況設置（夏季）

表6 優化工況設置（冬季）

考慮到溫室展廳溫濕度設計均勻性要求，優化工況調整送風口和回風口的個數、尺寸和分布方式。布置15個旋流風口，送風口直徑為500mm；布置4個單層百葉回風口，回風口長×高尺寸為1m×0.5m，距離地面0.5m。風口位置分布更改如圖2所示。

圖2 風口位置更改前后分布圖

圖3 室內溫度整體分布

圖4 0.3m和1.5m截面溫度分布

圖5 室內相對濕度整體分布

圖6 距地面0.3m和1.5m截面相對濕度分布

圖7 室內溫度整體分布

圖8 距地面0.3m 和1.5m截面溫度分布

圖10 距地面0.3m 和0.9m截面相對濕度分布

圖11 室內溫度整體分布

圖12 0.3m截面溫度分布

圖14 室內相對濕度整體分布

圖15 0.3m和1.5m截面相對濕度分布

圖16 室內溫度整體分布

圖17 0.3m截面溫度分布

圖18 1.5m截面溫度分布

圖19 室內相對濕度整體分布

圖20 0.3m和1.5m截面相對濕度分布

3 模擬分析及總結

3.1 夏季初始工況模擬

3.1.1 工況設置

3.1.2 結果與分析

溫度分布

（1）整個溫室的整體溫度分布處于16～34℃之間，送風口向下垂直區域溫度較低，最低為送風溫度16℃，最高溫度出現在屋頂附近，約為34℃左右。2m以下區域滿足夏季溫室室內設計溫度要求。

（2）綜合多個截面溫度分布，均處于24℃±2℃，每一截面都有明顯的溫度分層，溫度梯度約為4℃，溫度分布均勻性不好，不符合均勻性設計要求。

（3）綜合多個截面溫度分布，得熱量較高的墻體和回風口附近的溫度值達到最高，具體為西外墻（熱流密度最高墻體，靠近輔房）附近約5m范圍內和回風口附近約6m范圍內溫度值最高，其余位置溫度分布較為均勻，垂直送風口位置附近很小范圍內溫度最低。

相對濕度分布

（1）整個溫室的濕度分布處于40%-95%之間，垂直送風口位置相對濕度最高，為送風濕度95%，屋頂向下約5m范圍內相對濕度最小，在40%-50%之間，2m以下大部分區域滿足夏季溫室室內設計濕度要求。

（2）選取的多個截面相對濕度值基本在55%-74%之間，其中回風口附近約5m區域內相對濕度稍低于60%，此區域不滿足夏季溫室室內設計相對濕度要求。

（3）綜合多個截面相對濕度分布，東墻附近約3m區域內相對濕度達到最大，回風口附近約5m區域內相對濕度最小，相對濕度分布較為均勻。

3.2 冬季初始工況模擬

3.2.1 工況設置

3.2.2 結果與分析

溫度分布

（1）整個溫室的整體溫度分布處于16～34℃之間，2m以下區域溫度有低于設計溫度下限值，不滿足冬季溫室室內設計溫度要求；

（2）選取的多個截面溫度值基本在18℃±2℃之間，不滿足冬季溫室室內設計溫度要求；

（3）綜合多個截面溫度分布，平均溫度由0.3m至2m逐漸升高，受送風溫度和墻體（東墻）熱流密度影響，溫度最高區域均出現在東墻和其距離最近的送風口交叉區域內以及各墻體附近， 多個截面的溫度梯度均約為4℃，溫度分布均勻性不好，不符合均勻性要求。

相對濕度分布

（1）整個溫室的濕度分布處于50%-95%之間，不滿足冬季溫室室內設計濕度要求。

（2）選取的多個截面相對濕度值基本在70%-95%之間，墻體附近相對濕度達到最低，其余位置均在90%以上，不滿足冬季溫室室內設計相對濕度要求。

（3）綜合多個截面相對濕度分布，中間植株周圍區域相對濕度達到最大，由0.3m至2m，平均相對濕度逐漸減小，東墻和其距離最近的送風口交叉區域內以及各墻體附近相對濕度最小；綜合多個截面溫度分布，各截面相對濕度分層明顯，相對濕度分布較不均勻，不符合均勻性設計要求。

3.3 夏季優化工況模擬及分析

初始工況下，室內2m以下植株分布區域均滿足室內溫濕度設計要求，但溫濕度分布均勻性不滿足設計要求。考慮溫濕度分布均勻性受送回風口分布方式、送風溫度和送風速度影響，設計僅改變送回風口分布方式、僅改變送風溫度、僅改變送風速度和同時改變送回風口分布方式、送風溫度和速度四種改進方案，通過模擬結果對比，僅改變送回風口分布方式、送風溫度和送風速度可以一定程度上調整截面的溫濕度均勻性，但不能將截面溫度梯度控制在2℃以內，而在改變送回風口分布方式的前提下，同時提高送風溫度、降低送風量可以將截面溫度梯度控制在2℃以內，并且相對濕度梯度可控制在10%以內，具體描述如下。

3.3.1 工況設置

3.3.2 溫度分布

（1）整個溫室的整體溫度分布處于16～35℃之間，送風口向下垂直區域溫度較低，最低為送風溫度16℃，最高溫度出現在屋頂附近，約為35℃左右，2m以下區域滿足夏季溫室室內設計溫度要求。

（2）對比0.3m并選取各截面23.5-25℃和24-26℃的溫度分布云圖對照，可以發現：截面溫度分布云圖中，送風口下方區域溫度稍低于24℃，其余區域溫度均在25±1℃范圍內，滿足溫度均勻性設計要求。

（3）對比1.5m截面溫度分布，并選取各截面23-28℃和24.5-26.5℃的溫度分布云圖對照，可以發現：截面溫度分布云圖中，送風口下方及其周圍區域溫度稍低于24.5℃，由西至東第二排和第四排送風口周圍溫度稍高于26.5℃，其余區域溫度均在25.5±1℃范圍內，滿足溫度均勻性設計要求。

3.3.3 相對濕度分布

（1）整個溫室的濕度分布處于28%-74%之間，垂直送風口位置相對濕度最高，屋頂向下約5m范圍內相對濕度最小，在50%-60%之間，2m以下區域滿足夏季溫室室內設計濕度要求。

（2）選取多個截面60-72%的相對濕度分布云圖對照，可以發現：各截面相對濕度分布規律相似，植株周圍相對濕度稍高，在70%左右，其余區域濕度梯度較小，且約在63%-68%之間，符合相對濕度設計要求；濕度梯度均控制在10%以內，小于夏季初始工況的20%左右，此種方案下相對濕度分布均勻性良好，符合均勻性設計要求。

3.3.4 速度分布

分析植物區域速度變化情況，各截面速度較小，基本在0-1m/s范圍內，送風口附近速度最大，處于人體接受范圍內，滿足植物生長風速需求。

3.4 冬季優化工況模擬及分析

3.4.1 工況設置

3.4.2 溫度分布

（1）整個溫室的整體溫度分布處于20～35℃之間，送風口向下垂直區域溫度較高，2m以下區域滿足冬季溫室室內設計溫度要求。

（2）針對0.3m截面，分別設置溫度變化范圍為19-20℃、20-23℃，經對比分析，0.3m截面溫度變化范圍為20-22℃；針對1.5m截面，分別設置溫度變化范圍為21.3-22.8℃、21-23℃，經對比分析，1.5m截面溫度變化范圍為21.5-23℃。其溫度梯度均為1.5℃，滿足溫度均勻性設計要求。

3.4.3 相對濕度分布

（1）整個溫室的濕度分布處于27%-95%之間，植株周圍濕度達到最大，屋頂向下約5m范圍內相對濕度最小，在27%-66%之間，2m以下大部分區域滿足冬季溫室室內設計濕度要求。

（2）選取的多個截面相對濕度值基本在60%-80%之間，其中中間區域內相對濕度達到最高，送風口附近相對濕度最低，為送風濕度，符合相對濕度設計要求； 除中間小范圍植物附近濕度較大，其余區域隨著高度增加，相對濕度分布越均勻。

3.4.4 速度分布

分析植物區域速度變化情況，各截面速度較小，基本在0-0.5m/s范圍內，回風口附近速度最高，處于人體接受范圍內，滿足植物生長風速需求。

3.5 優化工況分析總結

表7，表8列出了冬夏季溫室展廳2m高度以下的溫濕度整體設計要求和均勻性要求最終是否滿足。

表7 夏季優化工況總結表

表8 冬季優化工況總結表

表9 冬夏季優化模擬工況設置

在原始設計方案中，夏季溫度均勻性和濕度不符合設計要求，冬季溫濕度均不符合設計要求。由于四面墻體熱流密度不均勻、送回風口紊流現象明顯等原因，風口位置應在原有對稱基礎上加以改變，使溫室內2m以下區域冬夏季的溫濕度均能達到設計要求且基本符合均勻性要求。

針對原有方案的不足進行調整，通過改變送回風口數目、尺寸和位置，同時相應改變送風溫度和速度，使2m以下區域室內溫差控制在2℃左右，相對濕度基本維持60%-80%之間。

3.6 系統優化方案

考慮溫室展廳的溫濕度分布均勻性受送回風口分布方式、送風溫度和送風速度影響，本文通過多次模擬，篩選出滿足冬季溫濕度設計要求及溫濕度均勻性設計要求的風口布置方式，同時考慮冬夏季共用一套送風系統，在冬季優化方案下，同步夏季送風參數，仍可滿足溫濕度設計要求和均勻性要求。

以2m范圍內截面溫度梯度控制在2℃以內、相對濕度梯度控制在10%以內為優化目標，具體通過改變送風口布置方式（3×5和3×6）、送風口直徑（Φ315、Φ400、Φ500、Φ630）、送風溫度和送風濕度實現，得出：

送風口數量及布置會對影響底部區域溫濕度均勻性。通過增加風口數量，調整風口位置，調整送風參數，從而達到控制要求。因此優化工況布置15個送風口直徑為500mm的旋流風口和4個1m×0.5m單層百葉風口。冬夏季優化工況如下：

4 結論

（1）通過對溫室展廳溫濕度控制的數值模擬，發現在原設計方案中，夏季的溫度均勻性和濕度不符合設計要求，冬季的溫度和濕度不符合設計要求。針對原有方案的不足進行調整，通過改變送回風口數目、尺寸和位置，同時相應改變送風溫度和速度，使2m以下區域室內溫差控制在2℃左右，相對濕度基本維持60%-80%之間。

（2）送風口數量及布置會對影響底部區域溫濕度均勻性。通過增加風口數量，調整風口位置，調整送風參數，從而達到控制要求。因此優化工況布置15個送風口直徑為500mm的旋流風口和4個1m×0.5m單層百葉風口。能夠溫濕度滿足要求且施工可行。