集裝箱菇房氣流組織設計與模擬

摘要 為了提高小型集裝箱菇房氣流組織均勻性，以上海冬季作為氣象條件，將型號20FT的冷藏集裝箱改造成的菇房作為研究對象，經設計機械送風方式并模擬驗證送風合理性。經計算得到菇房總送風量為0.83 kg/s，送風方式為上送下回并利用孔板均流原理在送回風口布設孔板。孔板模型采用N點送風模型，通過CFD模擬技術模擬送風溫度分別為10、11、12 ℃下菇房內氣流速度場和溫度場的分布情況。結果表明，采用孔板送回風的氣流組織設計可使菇房溫度場、速度場分布均勻，可使食用菌生長區域氣流速度均在0.14 m/s以下；隨著送風溫度的增大，菇房溫度均勻性逐漸提升，當送風溫度為12 ℃時菇房各區域溫差最小，此時菇房環境溫度為12.09～13.69 ℃。CFD模擬可為優化菇房內部的氣流分布、提高種植環境的穩定性和生產效益提供技術支持。

關鍵詞 集裝箱菇房；孔板送風；N點送風模型；氣流組織

中圖分類號 S26 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2025）06-0190-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.06.044

Design and Simulation of Air Distribution in Container Mushroom House

QIN Yi-nuo，LIANG Zhen

（Donghua University，Shanghai 201620）

Abstract In order to improve the uniformity of air distribution in small-size container mushroom house，20FT national standard refrigerated container was transformed into mushroom house as the research object in Shanghai in winter，the mechanical air supply mode was designed and the rationality of air supply was simulated.The total air supply volume of mushroom house was 0.83 kg/s，the ventilation method was down-return，the orifice plate was arranged in the return tuyere by using the orifice plate flow sharing principle.N-point air supply model was adopted in the the orifice model，CFD simulation technology was used to simulate the distribution of air velocity and temperature in the mushroom house with the delivery air temperature of 10，11 and 12 ℃ respectively.The results showed that the temperature and velocity of mushroom house could be evenly distributed by using this air supply methods，and the air velocity in the growing area of edible fungi could be below 0.14 m/s.With the increase of the supply air temperature， the temperature uniformity of the mushroom house gradually increased.When the supply air temperature was 12 ℃，the temperature difference of the mushroom house was the smallest，and the temperature of the mushroom house was in the range of 12.09-13.69 ℃.CFD simulation could provide technical supports for optimizing the air flow distribution，improving the stability of planting environment and production efficiency.

Key words Container mushroom house;Air distribution from perforated ceiling;N-point air supply model;Air distribution

食用菌亦稱為蘑菇，常見的有雙孢菇、杏鮑菇、香菇、冬蟲夏草、猴頭菇等。由于食用菌的氨基酸組成與動物蛋白相似，食用蘑菇的營養價值與肉、蛋和奶相當［1］。同時，因其具有低熱量、高脂質、富含礦物質和維生素的特點，長期以來一直被視為功能性食品和營養價值高的食品［2-4］。食用菌可以在農村地區使用傳統耕作技術進行種植，也可以在城市和城郊社區使用高度工業化的技術進行種植。對于很多交通不便、工業化程度不高的地區，傳統的家庭式耕作模式依然是當地種植食用菌的主要方式。但是，這種家庭式的生產模式規模小、生產方式粗放、產量有限，無法滿足大規模市場需求。研究表明，食用菌種植產業要實現可持續發展，要在引進先進的種植技術、菌種研發和生產管理方法的同時，提高食用菌種植的技術水平和生產效益，促進食用菌生產的產業化發展［5-6］。

集裝箱種植模式的概念最早起源于以色列，即將廢棄的集裝箱改造成用于蘑菇種植的設施。這種做法的初衷是為了提供更穩定、可控的種植環境，并減少對土地的依賴［7］。由于食用菌生長過程中對環境氣流速度、溫度穩定性的要求較高，如果忽視氣流組織，室內冷熱溫度分布不均，容易形成過熱或過冷區域，不利于農業安全生產。另外，合理的氣流組織可使進入室內的空氣充分發揮作用，減少換氣頻率，降低空調的能耗［8］。孔板送風的原理是將供出的空氣通過多孔天花板擴散到壓力較低的房間中，由于增壓室和通風室之間的壓力差，空氣通過整個多孔天花板擴散到通風室。這種通風模式可以形成相對均勻的流場分布，使送入建筑物的空氣形成均勻穩定的溫度、濕度和氣流速度等，既能滿足生產的需要，又能節約能源［9-10］。

計算流體動力學（CFD）已被證實是一種有效的工具，可以以合理的精度模擬物理復雜現象并分析受控環境中的環境均勻性［11］。Hou等［12］采用數值模擬方法對孔板送風條件下的氣流流動情況進行了模擬優化。Zhang等［8］、Han等［13］利用CFD模擬植物生長環境，分別預測多層作物生產系統的室內氣流流動情況和菇房內部環境條件，CFD技術可用于受控環境農業，分析空氣動力學、氣候和復雜流體現象。

筆者采用型號20FT的冷藏集裝箱改造成的菇房作為食用菌出菇艙，為滿足食用菌生長對溫度和氣流速度的均勻性要求，借鑒潔凈室氣流組織原理，采用上送下回的通風方式，并在送回風口處采用全面孔板設計。對小型菇房出菇艙進行CFD仿真模擬，分析探究不同送回風條件下出菇艙內部的氣流溫度、速度的變化情況，以期為建成集裝箱食用菌出菇艙、提高食用菌產量、改善菌類品質等提供新的方案。

1 集裝箱出菇艙氣流組織設計

1.1 集裝箱菇房設計

出菇艙由型號20FT的冷藏集裝箱改造而成，分為出菇艙和環控設備艙兩部分。其出菇艙由可移動立體培養架、LED補光系統、環境控制系統、加濕系統等構成。環控設備艙主要用于放置加濕控制裝置及其他裝置。集裝箱內部長、寬、高分別為5.456、2.294、2.273 m，內部容積約28.4 m3。

集裝箱菇房結構如圖1所示。出菇艙內放置長0.9 m、高2.0 m的菇架共18組，上面放有13層菌包，每層擺放7個。菌包外徑110 mm，長度 250 mm。艙內栽培架布置方式為左右兩排分別設5列，中間部分考慮到艙門開合設4列。左右兩排菇架距墻壁約0.1 m，兩側菇架與中間菇架分別相隔2個過道，過道寬度約0.5 m。

集裝箱菇房空調系統的制冷量取決于集裝箱圍護結構傳熱以及食用菌呼吸作用。由于不同的食用菌對溫濕度的要求不同，且生長期間溫濕度波動范圍較小，所以在菇房通風設計中空調送風僅承擔艙內熱負荷，濕負荷則由額外的加濕系統進行控制。該文研究內容為菇房內氣流速度及溫度分布情況，濕度暫不作為研究對象。

1.2 送風量計算

集裝箱菇房的屋頂及四周的圍護結構均由3層材料構成。內壁與外壁材料為建筑鋼材，厚度約2 mm；內外鋼板中間使用隔熱保溫性能較好的聚苯乙烯泡沫塑料，厚度為104 mm。內側鋼板與艙內氣流進行對流換熱，外側鋼板與外部空氣進行對流換熱。由于室內外溫差的存在，3層材料之間進行熱傳導。

圍護結構耗熱量（Qw）計算公式如下：

式中：Qw為圍護結構耗熱量，單位W；T0為外界環境空氣溫度，單位K;Ta為菇房設計溫度；h1為外界空氣與圍護結構外表面的對流換熱系數，單位W/（m2·K）;h2為菇房內部空氣與圍護結構內表面的對流換熱系數，單位W/（m2·K）;d0、d1、d2分別為聚苯乙烯泡沫塑料、內鋼板和外鋼板的厚度，單位m;k0、k1、k2分別為聚苯乙烯泡沫塑料、內鋼板和外鋼板的導熱系數。

鋼板的對流換熱系數為22 W/（m2·K），聚苯乙烯泡沫塑料的導熱系數為0.042 W/（m2·K），鋼板導熱系數為58.2 W/（m2·K），則總換熱系數為0.39 W/（m2·K）。經計算，可得夏季艙體傳熱冷負荷約1.0 kW，冬季艙體傳熱冷負荷約0.5 kW。

菌包內裝有培養料，食用菌接種于培養料后在出菇艙進行生長活動，其主要生理活動包含呼吸作用和蒸騰作用。忽略食用菌與周圍環境的潛熱交換，根據經驗食用菌菌包的散熱冷負荷約3 kW；艙內均勻布設LED燈帶作為補光系統，燈光冷負荷約0.5 kW。

茹房送風量通過下式計算：

式中：G為菇房送風量，單位kg/s；Q為總冷負荷，單位kW；hx為室內設計狀態空氣焓值（干空氣），單位kJ/kg；h0為送風狀態空氣焓值（干空氣），單位kJ/kg。

室內狀態點的確定取決于食用菌的生長要求，對于此次研究的食用菌，假定室內設計溫度為15 ℃，考慮到部分余量，菇房總送風量為0.83 kg/s。

1.3 孔板設計

由于集裝箱菇房層高較低、單位面積送風量較大，且食用菌生長區域既對溫度有著嚴格的要求，又要保持較低的風速，因此此次設計采用上送下回的通風方式并在風口處鋪設均流孔板。同時，菌包作為艙內熱源，在整個艙體中密度較大且其與艙壁間距較小，為使其與熱源分布相適應，在孔板設計時采用全面孔板送風和全面孔板回風設計。孔板長5 m、寬2.29 m，孔板厚度2 mm；孔眼直徑6 mm，孔與孔的間距為35 mm。孔板孔眼排列布置如圖2所示。

穩壓層高度按下式計算：

式中：Ld為空調房間單位面積送風量，單位m3/（m2·h）；S為穩壓層內有孔板部分氣流最大流程，單位m；VS為送風出口風速，單位m/s。

孔板送風出口風速按下式估算：

式中：dS為孔口直徑，單位m；γ為空氣運動黏度，對于標準空氣其運動黏度為15.06×10-6，單位m2/s。經計算得出，孔眼平均氣流速度約3.77 m/s。

空調房間單位面積送風量（Ld）計算公式如下：

式中：Ld為空調房間單位面積送風量，單位m3/（m2·h）;LS為空調房間送風量，單位m3/h;F為孔板面積，單位m2。

經計算得出，LS為2 500 m3/h，穩壓層凈高h為0.299 m。按照國標規定，為了安裝和使用方便，穩壓層凈高不應低于0.2 m，說明此次孔板設計符合國家規范。

2 菇房CFD模擬模型的建立

2.1 菇房模型與網格劃分

此次模擬采用三維模型，對計算區域做如下簡化：①集裝箱菇房內流體為空氣，艙內流體為不可壓、輻射透明介質，且符合Bossinesq假設。②集裝箱菇房無窗戶等自然通風設施，艙內僅進行機械通風。模擬區域僅為上下孔板所包含的流體流動區域。③為使菇房內部布置情況符合實際，食用菌培養方式為將菌包插入鋼架中。由于鋼架體積較小、結構復雜且傳熱系數較大，其對艙內氣流速度場和溫度場的影響很小，在建模時不對菌架進行建模。

模型網格劃分如圖3所示。該研究中的網格劃分由ANSTS FLUENT軟件中的Meshing程序完成，將模型處理為非機構化網格。LED燈帶、菌包作為菇房熱源，其周圍溫度變化較大；上下孔板作為多孔介質區域，精度要求較高，故對這幾種區域進行網格局部調整。經網格獨立性檢驗，確定網格數量為2 187 766，節點數為427 835。

2.2 孔板模型的建立

送回風孔板均為5 000 mm×2 294 mm，每塊孔板上有9 363個孔洞。若對每個孔眼進行網格劃分，總網格數超過數千萬，因此采用N點送風模型將多孔板簡化為一個矩形開口［14］，簡化后的矩形開口面積與原多孔板外形的面積相當。李春芳［15］研究了孔直徑6 mm、孔間距32 mm 的孔板前后壓差隨送風面速度的變化，孔板阻力與面速度的關系如圖4所示。孔板阻力與速度關系式如下：

式中：Δp為通風板壓力損失，單位Pa；C2為慣性阻力系數，單位m-1；ρ為空氣密度，取1.225 kg/m3；

Δn為通風板厚度，取3 mm；μ為空氣動力黏度，取1.8×10-5Pa；α為面滲透率，單位m2；v為面速度，單位m/s。

孔板壓力損失曲線方程：

Δp=301.27v2+108.48v（7）

孔板阻力與面速度的關系如圖4所示。經計算得出，慣性阻力系數為163 956.5 m-1，滲透率為2 008 888 889 m-2。

2.3 邊界條件設置

模擬區域采用realized K-ε湍流模型，進風口設置為質量入口，具體風量參照上文；進風口溫度分別設定為10、11、12 ℃，通過不同送風溫差來模擬冬季菇房溫度的變化。回風口連接空調箱，艙內保持5 Pa的微正壓，采用壓力出口。自由流溫度為室外空氣溫度，參照GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》可知，上海冬季空調室外計算溫度為4.2 ℃。地面傳熱系數較小，設定為絕熱壁面。菇房內外環境通過四周壁面進行對流換熱，設定其為對流換熱邊界。孔板區域設置為多孔區域。此次模擬研究穩定狀態下菇房內部的溫度場和速度場，采用穩態模擬的方式。

3 模擬結果分析

菇房送回風設置和菌架擺放位置均沿中心縱截面左右對稱。為研究流體區域不同截面位置速度、溫度的變化，從菇房長度上選取3個縱截面以及寬度上選取2個縱截面。3個長度上縱截面與前部內壁距離分別為0.475、2.267、4.259 m，2個寬度上縱截面與內壁距離分別為0.227和0.987 m。

3.1 速度場

當冬季送風溫度為12 ℃、送風質量流率為0.83 kg/s時，模擬得到菇房氣流在穩定狀態下各截面速度。

從圖5、6可以看出，此次設計中菇架周圍各區域內氣流速度相差較小，菇房內速度場分布較為均勻。從不同截面速度場分布圖可以看出，食用菌位于孔板射流主體段，此時氣流經過疊加以低流速向下流動。其中菌架與墻壁間、菌架與菌架間氣流速度為0.098～0.120 m/s，氣流經風口流出后在孔板下方形成單向流，因而可以穿過菌架與墻壁、菌架與菌架間的狹窄縫隙，減少了送風死角。過道上方安裝了加濕管道，氣流流經圓形管道后產生圓柱形擾流，由于雷諾數較小，繞柱流動后尾流在后側無分離。圓形管道后側氣流速度相對于圓形管道前側略有增大，過道兩側5列菌架區平均氣流速度增至0.12 m/s，4列菌架區平均氣流速度增至0.14 m/s。近地面處氣流分布受多重因素的影響，冷空氣在菇架下側拐角處受垂直面的影響，氣流向菇架中心略有轉動，并在地面和菇架之間形成渦旋。

3.2 溫度場

食用菌工業化生產流程中，裝袋碼盤后的食用菌菌包在進入出菇艙之前，需要經過高溫滅菌、冷卻室冷卻、接種區接種環節。移至出菇艙培養時，菌包溫度為17 ℃。為更精確探究不同送風溫度下各區域溫度分布情況，在其中3列菌架處布置測點，測點位置如圖7所示。圖中從右向左分別為第1、2、3列，從前到后為1～5排，從下到上為1～4點，則第1列第1排第1點命名為111，以此類推。當冬季送風溫度為12 ℃時，模擬結果如圖8～9所示。

從圖8、9可以看出，整體來看此次設計的送回風方案合理，菇房內溫度分布基本符合要求。

送風口質量流率保持不變，送風溫度分別為10、11、12 ℃。圖10為各測點測量結果，其中橫坐標為測點位置，縱坐標為溫度。由于菌架擺放位置、送風孔板的孔口位置不同，各測點溫度變化情況也略有不同。

從圖10可以看出，不同送風溫差下測點溫度變化基本一致，但各列測點溫度變化的響應速度略有不同。送風口溫度每降低1 ℃，近壁面側菌架溫度平均下降0.89 ℃，加濕管右側溫度平均下降0.77 ℃，加濕管左側溫度平均下降0.76 ℃。當送風溫度由10 ℃升至12 ℃時，第1列最大溫差由0.97 ℃降為0.77 ℃，第2列、第3列最大溫差則分別降低了0.31 和0.27 ℃。當送風溫度為12 ℃時，第1列菇架周圍溫度為12.09～12.86 ℃，單排菌架上下溫差最小值為0.16 ℃，最大溫差僅0.63 ℃。得益于加濕管道對局部氣流的加速作用，第2列、第3列菌架分別位于加濕管道的右側和左側，第2列菌架溫度變化范圍為12.78～13.56 ℃。由于中間2列菌架放在菇房中部，受周邊菌架散熱的影響較大，第3列菌架溫度變化范圍為13.02～13.69 ℃。

4 結論

（1）通過在型號20FT集裝箱內合理布置菌架位置，并設計了孔板送回風的機械通風方式，為將集裝箱改造成食用菌出菇室提供了新的思路。

（2）此次CFD模擬試驗驗證了N點模型與多孔介質模型用于孔板簡化的合理性。通過設定送風口質量流率、改變送風溫差，發現冬季集裝箱菇房內食用菌生長區域氣流速度均小于0.14 m/s，基本無送風死角。

（3）生長區域溫度分布均勻，上下區域無明顯分層且各區域溫差較小。此次模擬結果表明，隨著送風溫度的升高，各列菇架溫差減小。當送風溫度為12 ℃時，第1、2、3列最大溫差分別為0.77、0.77、0.67 ℃，滿足食用菌生長過程對氣流速度、溫度的要求。

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作者簡介 秦伊諾（2001—），女，山東聊城人，碩士研究生，研究方向：菇房內環境控制。*通信作者，副教授，博士，碩士生導師，從事建筑節能和工業大氣污染控制研究。

收稿日期 2024-06-09