基于CFD 的兩連跨日光溫室熱環(huán)境模擬

于 威 ，劉文合 ，白義奎 ，丁小明

（1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學水利學院，沈陽 110866；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京，100125）

0 引言

日光溫室是中國特有的溫室結(jié)構(gòu)形式[1]，其圍護結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)與材料組成，決定了溫室內(nèi)的熱環(huán)境特性，合理的日光溫室構(gòu)造是日光溫室環(huán)境性能優(yōu)良的保證。相比傳統(tǒng)單跨日光溫室一個后墻、一個棚室，兩連跨日光溫室是由一個后墻、兩個棚室組成。構(gòu)成兩連跨日光溫室的雙棚室可同處于后墻南側(cè)或分建于后墻的南北兩側(cè)，其中，兩棚室分建于南北兩側(cè)的兩連跨日光溫室也有學者稱其為陰陽型溫室[2-4]和單坡雙向型日光溫室[5]，相比較單側(cè)（南側(cè)）兩棚室，這種南北兩側(cè)棚室的兩連跨日光溫室在中國歷史更久遠，應(yīng)用更廣泛。因此，下文討論的兩連跨日光溫室特指此種類型。

兩連跨增設(shè)了北側(cè)棚室，有效提高了土地利用效率，降低了單位面積日光溫室建設(shè)成本[2]，雙棚室的生產(chǎn)效益也顯著提升。同時，增設(shè)北側(cè)棚室也必將帶來南側(cè)棚室熱環(huán)境特性改變。楊文雅等[6]在兩連跨日光溫室的南、北側(cè)棚室做了對照試驗，測試了太陽輻射量、空氣溫濕度、土壤溫度及共用墻體熱通量，明確了南、北棚室的熱環(huán)境差異。周長吉等[7]對兩連跨日光溫室與單跨日光溫室進行對照試驗，指出測試期間兩連跨日光溫室南側(cè)棚室的平均溫度比對照單跨溫室提高5.9 ℃，北側(cè)棚室對南側(cè)棚室的保溫作用明顯。說明兩連跨日光溫室的雙棚室結(jié)構(gòu)，不僅是結(jié)構(gòu)上增加北側(cè)棚室，同時也帶來了南側(cè)溫室熱環(huán)境的改變。但是溫度場的瞬時變化還不清楚，特別是溫室圍護結(jié)構(gòu)熱流和土壤熱流變化規(guī)律還有待進一步明確。日光溫室墻體、土壤等圍護結(jié)構(gòu)的熱流規(guī)律和土壤、空氣溫度等因素不僅影響作物生長，也是分析熱環(huán)境成因的重要依據(jù)。因此，深入了解兩連跨日光溫室圍護結(jié)構(gòu)熱流規(guī)律，對溫室熱環(huán)境特性研究有重要意義。

隨著流體動力學、傳熱學和數(shù)值模擬計算方法的不斷發(fā)展，計算流體動力學（computational fluid dynamics CFD）技術(shù)和軟件得到普遍開發(fā)與應(yīng)用[8]。國外許多專家利用CFD 方法對大型聯(lián)棟溫室的溫濕度環(huán)境進行了研究，PISCIA 等[9]利用CFD 與能量平衡相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了不加溫聯(lián)棟式溫室的溫濕度控制，并驗證了該方法對溫室溫濕度研究的可靠性。SABERIAN 等[10]利用CFD 研究了動態(tài)太陽熱負荷對聯(lián)棟式溫室小氣候的影響，揭示了考慮太陽能熱負荷在CFD 方法模擬溫室熱環(huán)境時的處理方法。ESTEBAN 等[11-12]分別利用CFD 方法分析溫室浮力驅(qū)動的自然通風對夜間空氣冷凝模型的影響，驗證了CFD 方法研究溫室空氣通風和空氣模型方法的有效性。國內(nèi)學者佟國紅等[13-18]建立日光溫室熱環(huán)境的CFD 模型，并利用模型模擬分析了墻體材料、保溫被卷放位置、溫室跨度對日光溫室溫度環(huán)境的影響，在此過程中揭示日光溫室熱環(huán)境模擬的邊界條件并進行驗證。張芳等[19-22]針對大跨度保溫型溫室，在不同走向、自然通風等條件下，利用CFD 技術(shù)進行熱環(huán)境模擬，得到了溫室內(nèi)溫度場分布規(guī)律。張勇等[23-25]利用CFD 模擬研究了溫室墻體蓄放熱特性對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，模擬過程中利用試驗測試的方法得到了模型的初始條件。這些研究分別闡明了CFD 技術(shù)模擬溫室內(nèi)環(huán)境特性時的關(guān)鍵問題，包括太陽能動態(tài)熱負荷、空氣模型、邊界條件等，并且驗證了結(jié)果的可靠性。

因此，本文利用CFD 技術(shù)對兩連跨日光溫室熱環(huán)境規(guī)律進行模擬研究。通過對比單跨日光溫室，分析兩連跨日光溫室墻體、前屋面、土壤等圍護結(jié)構(gòu)熱量流動規(guī)律，進一步明確兩連跨溫室熱環(huán)境特性，為兩連跨日光溫室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、耕種管理等提供參考。

1 熱環(huán)境CFD 模擬模型建立

1.1 物理模型

為明確兩連跨日光溫室熱環(huán)境特性，取單跨日光溫室為對照溫室，同時進行CFD 模擬分析。模擬溫室的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1 所示，兩連跨與單跨日光溫室圍護結(jié)構(gòu)（后墻、前屋面、東山墻、西山墻與土壤）材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)（跨度、脊高、后墻高、前屋面形狀等）均相同。

圖1 兩連跨日光溫室和單跨日光溫室剖面圖Fig.1 Sections of two-span solar greenhouse and single-span solar greenhouse

1.2 模型假設(shè)

模型所處地理位置設(shè)為遼寧省沈陽市，相關(guān)氣象條件根據(jù)該地理位置確定，為便于模擬分析，在不影響模擬真實性，滿足精度的條件下簡化模型，做以下假設(shè)：

1）不考慮棚室內(nèi)作物對環(huán)境的影響，模擬分析過程忽略作物；

2）筆者在前期研究中發(fā)現(xiàn)，土壤溫度傳播距離在15 cm 范圍內(nèi)，影響較大，超出1 m 距離，溫度梯度逐漸消失，即可忽略[26]。因此，設(shè)地面以下1 m 處土壤豎直換熱量為零；距離溫室外邊緣1 m 的豎直面處土壤水平換熱量為零；

3）假設(shè)模擬過程中，室內(nèi)無通風換氣。

1.3 控制方程

模擬空氣不可壓，同時遵守流體運動質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒規(guī)律基本物理守恒定律，聯(lián)立3 個守恒方程可以獲得計算域內(nèi)的各種熱環(huán)境參數(shù)。連續(xù)方程、動量方程、能量方程為[27]

式中 φB為通用變量，可以代表u、v、t等求解變量，u、v、t為三個方向的速度，m/s；ρ為材料密度，kg/m3；Γ為廣義擴散系數(shù)；S為廣義源項。式中各項依次為瞬態(tài)項、對流項、擴散項和源項。

1.4 幾何模型

基于Ansys fluent 下的Geometry 模塊，建立兩對照溫室3D 模型(圖2)，Z軸正方向為東，X軸正方向為北，溫室總長60 m，模型剖面尺寸如圖1，土壤體積取地表下1 m 厚，水平面尺寸為溫室輪廓四周外延1 m。采用fluent meshing 進行六面體網(wǎng)格劃分，整體域網(wǎng)格基本尺寸為50 mm，共計生成 1.913 5×106個網(wǎng)格單元。網(wǎng)格劃分采用畸變度檢驗標準，Skewness 最大值為0.53，小于0.85，滿足網(wǎng)格劃分標準。

圖2 兩連跨和單跨日光溫室?guī)缀文Ｐ虵ig.2 Geometric model of two-span solar greenhouse and singlespan solar greenhouse

2 邊界條件和計算參數(shù)

2.1 試驗溫室

供試溫室位于沈陽市沈河區(qū)沈陽農(nóng)業(yè)大學水利試驗基地（41°48′11.75″N，123°25′31.18″E），溫室結(jié)構(gòu)幾何尺寸如圖3，溫室總長60 m，南北兩側(cè)棚室跨度均為7.6 m，后墻高2.2 m，墻厚0.6 m（0.24 m 厚紅磚+0.12 m厚苯板+0.24 m 厚紅磚）。試驗測試過程，棚室內(nèi)無栽培作物。

圖3 試驗測點布置示意圖Fig.3 Layout of experimental measuring point

2.2 試驗方法

試驗布置如圖3，測試數(shù)據(jù)點包括，溫度測試探頭28 個，熱流測試探頭24 個，室外氣象站1 個，室內(nèi)氣象站1 個。以上全部測點均布置于距東山墻內(nèi)表面30 m處的溫室斷面內(nèi)，即溫室東西向中間斷面。

溫度和熱流數(shù)據(jù)采集記錄儀為美國Campbell 公司生產(chǎn)的CR1000 數(shù)據(jù)采集器和CR3000 微數(shù)據(jù)采集器，工作溫度范圍均為-25～50 ℃。溫度傳感器采用德國賀利氏公司生產(chǎn)的探針式PT100 溫度傳感器，工作溫度范圍為-70～500 ℃。熱流探頭采用ukseflux 公司的HFP01 熱通量傳感器，量程為-2000～2000 W/m2，工作溫度為-30～70 ℃，測量精度為-15%～+5%。室內(nèi)、外氣象站均為德國ADCON 公司生產(chǎn)的自動氣象站，實時監(jiān)測室內(nèi)外溫度、太陽輻射強度、風速等數(shù)據(jù)。

試驗測試時段由2020 年12 月7 日至2021 年2 月23 日。每日揭保溫被時間為08:30，覆簾時間為15:30，北側(cè)棚室一直保持覆蓋保溫被。溫度計、熱流計與氣象站均設(shè)定每15 min 記錄一個數(shù)據(jù)。

2.3 邊界條件

邊界條件包括流動變量和熱變量在邊界處的值。根據(jù)假設(shè)條件4，冬季溫室無通風換熱，圍護結(jié)構(gòu)各面邊界設(shè)為壁面。圍護結(jié)構(gòu)表面對流換熱系數(shù)計算見式（2）～（3）[28]。

式中αci、αco分別為內(nèi)、外表面換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；V表示風速，m/s；（2.5～6.0）為常數(shù)范圍項，表示自然對流的作用，溫差越大，該常數(shù)項取值越大。當表面與周圍氣溫溫差在3 ℃以內(nèi)時，取常數(shù)項的低值2.5。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，墻體對流換熱表面與接觸空氣溫度在3 ℃以內(nèi)，故式（3）中的常數(shù)范圍項，取值2.5。

2.4 材料性質(zhì)

基于上述供試溫室的構(gòu)造，模型中涉及的建筑材料熱物理參數(shù)取值如表1。

表1 建筑材料性質(zhì)[29]Table 1 Properties of building materials[29]

2.5 初始條件

2.5.1 太陽輻射量

太陽輻射強度采用Fluent 內(nèi)置離散坐標DO 輻射模型，根據(jù)測試地點沈陽所在的經(jīng)、緯度和時間計算太陽輻射強度，并基于光線追蹤模塊，對太陽輻射瞬時變化進行仿真模擬，控制方程為

式中r為位置向量；s為方向向量；α為吸收系數(shù)；σs為散射系數(shù)；I為輻射強度（W/m2）；n為折射系數(shù)；T為溫度（℃）；φ為相位函數(shù)；s′為散射方向向量；為空間立體角(1802/π2)。

2.5.2 環(huán)境初始溫度

根據(jù)試驗布置測點，實測溫室熱環(huán)境參數(shù)作為日光溫室CFD 三維瞬態(tài)熱環(huán)境模擬的初始條件和驗證數(shù)據(jù)。選取冬至時段的試驗測試結(jié)果，2020 年12 月22 日（陰）和2020 年12 月23 日(晴)的室外實測氣象數(shù)據(jù)，作為模擬的初始條件，模擬2020 年12 月22 日至23 日00:00至24:00 的日光溫室熱環(huán)境。

3 模型驗證與模擬分析

3.1 模型驗證

以2021 年12 月23 日00:00 為起始時刻，模擬日光溫室三維瞬態(tài)熱環(huán)境，并提取試驗測點的熱流和溫度值，對模型進行驗證。此處以室內(nèi)空氣溫度為例，說明模擬驗證過程。利用南側(cè)棚室內(nèi)氣象站的空氣溫度實測值，對比CFD 模擬的溫室內(nèi)氣溫，如圖4，計算CFD 模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的平均相對誤差為±1.67 ℃，極差值為3.12 ℃，顯示模型精度滿足要求。經(jīng)過驗證其余測點的實測值與模擬值，均不存在顯著差異，相對誤差和極差值均小于空氣溫度誤差和極差值，說明CFD 模擬與試驗測試吻合較好。

圖4 兩連跨日光溫室室內(nèi)氣溫模擬值與實測值對比Fig.4 Comparison between simulated and measured indoor temperature values of two-span solar greenhouse

3.2 圍護結(jié)構(gòu)熱流模擬分析

日光溫室圍護結(jié)構(gòu)與棚室內(nèi)、外空氣的熱交換量是影響溫室熱環(huán)境的主要因素。以2020 年12 月23 日氣象條件為初始參數(shù)，模擬對比單跨日光溫室和兩連跨日光溫室各圍護結(jié)構(gòu)表面瞬時熱流變化（圖5），負值代表圍護結(jié)構(gòu)吸收熱量，即熱量向棚室外流動，正值為圍護結(jié)構(gòu)向棚室內(nèi)散發(fā)熱量，即熱流向棚室內(nèi)流動。下文分析中出現(xiàn)的圍護結(jié)構(gòu)即指代圖5 所示的后墻、前屋面、后坡、土壤和山墻。由圖5 可知，全天時間，兩溫室內(nèi)的熱量通過前屋面、后坡和山墻持續(xù)散出，但兩連跨日光溫室比單跨日光溫室熱流密度分別高0.66～2.11、0.31～1.21、1.11～5.55 W/m2。

圖5 單跨日光溫室和兩連跨日光溫室圍護結(jié)構(gòu)熱流密度變化Fig.5 Heat flux changes in the enclosure structure of single-span and two-span solar greenhouse

揭起保溫被時段（08:30—15:30）：兩溫室圍護結(jié)構(gòu)均吸收室內(nèi)熱量，熱流通過圍護結(jié)構(gòu)向室外流出，其中單跨日光溫室前屋面散熱通量最大，為210.52 W/m2；兩連跨日光溫室的土壤和墻體，持續(xù)向南側(cè)棚室放熱，熱流密度分別為7.11～8.59、12.65～15.19 W/m2，均高于單跨日光溫室，分別高0.76～2.42，9.71～14.36 W/m2。

覆蓋保溫被時段（00:00—08:30 和15:30—24:00）：只有土壤和后墻熱量流向溫室內(nèi)，其余圍護結(jié)構(gòu)均持續(xù)吸收室內(nèi)熱量，流向室外；其中，單跨日光溫室的后墻僅在15:30—24:00 時段放熱，而在00:00—08:30 時段吸收室內(nèi)熱量，兩連跨日光溫室的后墻在上述兩個時段均向溫室內(nèi)放熱，即兩連跨日光溫室后墻放熱時長比單跨日光溫室后墻多8h，且熱量密度高于單跨日光溫室后墻19.52W/m2?？梢钥闯觯瑑蛇B跨日光溫室后墻蓄放熱能力明顯強于單跨日光溫室。

由此可見，圍護結(jié)構(gòu)各部分的熱流方向和大小，會隨時間和圍護結(jié)構(gòu)的不同而改變。為明確各圍護結(jié)構(gòu)對溫室熱負荷的影響，研究比較各部分圍護結(jié)構(gòu)總熱流量。如圖6 所示為覆蓋保溫被時段，兩溫室圍護結(jié)構(gòu)總熱流量，正值為向室內(nèi)放熱量，負值為向室外散熱量。設(shè)日光溫室圍護結(jié)構(gòu)總放、散熱量為單位1，經(jīng)計算，單跨日光溫室92.3%的得熱量來自于土壤，剩余熱量來自于墻體，54.6%的熱量通過前屋面散失；兩連跨日光溫室南側(cè)棚室73.6%的得熱量來自于土壤，其余來自于后墻，63.3%的熱量通過前屋面散失。兩連跨日光溫室通過各圍護結(jié)構(gòu)總散熱量比單跨日光溫室多8.15 kW·h。由此可見，單跨日光溫室熱負荷低于兩連跨日光溫室。

圖6 覆蓋保溫被時段圍護結(jié)構(gòu)的得散熱量Fig.6 Heat quantity of the enclosure structure during the period of covering the insulation blanket

3.3 后墻溫度模擬分析

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，夜間，單跨日光溫室后墻向外散失熱量，而兩連跨日光溫室后墻向室內(nèi)放熱。圍護結(jié)構(gòu)中，后墻對溫室熱環(huán)境影響差異最大。因此，對兩日光溫室后墻表面溫度變化（圖7）和墻體內(nèi)溫度分布（圖8）進行分析。

圖7 單跨和兩連跨日光溫室后墻測點溫度對比曲線Fig.7 Temperature contrast curve of measuring point at the back wall of single-span and two-span solar greenhouse

圖8 日光溫室后墻溫度場CFD 模擬Fig.8 CFD simulation of temperature on the back wall of solar greenhouses

分別選取南側(cè)T09、北側(cè)T23 墻體溫度測點（圖3）進行模擬，由圖7 所示。可以看出，不覆蓋保溫被時段，兩溫室后墻南側(cè)表面T09 測點溫度無明顯差異；覆蓋保溫被時段，兩連跨日光溫室的T09 測點溫度明顯高于單跨日光溫室，溫差為2.9～7.9 ℃；單跨日光溫室后墻北側(cè)表面T23 測點溫度，全天無明顯波動，近似直線；不覆蓋保溫被時，兩連跨日光溫室T23 測點溫度明顯高于覆蓋保溫被時，且呈拋物線形，極值出現(xiàn)在13:00 左右，顯示其受外界環(huán)境影響明顯；兩連跨日光溫室T23 測點溫度始終高于單跨日光溫室，平均溫差為6.45 ℃。

墻體內(nèi)部的溫度分布直接決定熱量流動方向，因此，選取覆蓋保溫被時刻15:30 和室外溫度較低的深夜24:00，模擬墻體橫截面溫度分布，提取距離兩溫室東側(cè)山墻0 m的E 截面、30 m 的M 截面和60 m 的W 截面，顯示后墻南北和東西方向溫度的變化趨勢。

如圖8a 所示，15:30 時兩溫室后墻均出現(xiàn)東部溫度高于西側(cè)、南側(cè)溫度高于北側(cè)；兩連跨日光溫室墻體內(nèi)溫度高于單跨日光溫室。如圖8b 所示，24:00 時，溫室后墻自身的東西部溫度差異已不明顯，兩溫室墻體內(nèi)熱量儲存差異明顯增大，兩連跨日光溫室墻體儲熱量更多。

3.4 土壤溫度模擬分析

土壤溫度與室內(nèi)氣溫是影響作物生長的重要環(huán)境條件，取距離土壤表面深0、0.1、0.3、0.5、0.8 m 的測點T10、T11、T12、T13、T14 土壤溫度模擬值結(jié)果進行分析，如圖9。發(fā)現(xiàn)兩溫室土壤溫度日變化具有相同點：距離土壤表面越近，土壤溫度變化越劇烈；土壤深度大于0.5 m 的溫度日波動變化量小于1.0 ℃。

圖9 日光溫室土壤溫度變化曲線Fig.9 Soil temperature change in solar greenhouses

對比溫室相同測點溫度差值（圖9c），發(fā)現(xiàn)兩日光溫室土壤溫度不同點：兩溫室土壤深度大于0.5 m 處的溫度變化波動趨于直線，但兩連跨比單跨日光溫室土壤溫度均值高2.9～3.0 ℃；16:00～24:00 時，距地表0.1 m深處的單跨日光溫室土壤溫度比兩連跨日光溫室低 2.9～3.0 ℃。由此看出，兩溫室土壤深度相同處溫度變化趨勢一致，但越接近地表，單跨日光溫室較兩連跨日光溫室土壤溫度越高，土壤深度越深，單跨日光溫室較兩連跨日光溫室土壤溫度越低。

3.5 室內(nèi)氣溫模擬分析

溫度測點T5 位于東西走向，距東西山墻表面均為30 m 的溫室中間剖面上（圖3），研究提取模擬結(jié)果中兩類溫室于測點T5 的溫度，為室內(nèi)氣溫，如圖10，對比分析發(fā)現(xiàn)：單跨日光溫室室內(nèi)氣溫的白天極高值和夜晚溫度極低值，均超出了兩連跨日光溫室的溫度極值范圍；夜間，兩連跨日光溫室室內(nèi)氣溫比單跨日光溫室高1.7～3.8 ℃，室內(nèi)溫度波動相對更小，溫度調(diào)節(jié)能力相對更強。

圖10 日光溫室T5 測點溫度變化Fig.10 Temperature changes at T5 measuring point in a solar greenhouse

4 結(jié)論

本文利用CFD 軟件模擬兩連跨和單跨日光溫室的圍護結(jié)構(gòu)熱流、表面溫度和室內(nèi)溫度變化，通過對比分析得到以下結(jié)論：

1）基于Fluent 內(nèi)置太陽輻射模型，通過輸入實測室外風速、氣溫、太陽輻射強度為初始條件和邊界條件，對日光溫室熱環(huán)境建模，驗證模型吻合較好；

2）兩連跨和單跨日光溫室的室內(nèi)熱量通過后墻、后坡、山墻全天24 h 持續(xù)向室外流出；土壤和后墻，白天吸收室內(nèi)熱量，夜晚向室內(nèi)放熱；對比單跨溫室，兩連跨日光溫室夜晚放熱時長多8 h，后墻蓄熱能力更強，且流向室內(nèi)的熱流密度平均高19.52 W/m2；

3）兩連跨日光溫室0.3 至0.8 m 深土壤溫度比單跨日光溫室高2.9～3.0 ℃；兩連跨日光溫室室內(nèi)氣溫全天變化幅度更小，溫差波動范圍比單跨日光溫室小1.7～3.8 ℃。

本研究的CFD 模型建立過程忽略了室內(nèi)栽種植物的影響，驗證試驗也在無作物栽培條件下進行。由于實際耕種條件下，作物將影響土壤、墻體等蓄熱體的蓄放熱和室內(nèi)對流換熱。因此，這部分誤差對模型精準度的影響，還有待進一步研究明確。