不同通風方式下日光溫室微環境和番茄產量品質差異分析及氣流場模擬

關鍵詞：日光溫室；通風方式；微環境;CFD模擬；開張度；番茄；產量；品質；氣流場模擬中圖分類號： S625.5⁺3 文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2025）10-0239-09

通風作為日光溫室調節室內環境的主要手段之一，能有效調節日光溫室室內空氣溫度和濕度，提高 CO₂ 濃度，促進作物良好生長[1-3]。目前，常見的通風方式主要有頂部通風、底部通風和后墻通風等，通過不同的通風方式能有效改變室內環境。科學合理的通風能夠提高作物產量和經濟效益[4-6]。萬敏等研究不同通風方式對室內環境及作物蒸騰的影響，在原有的上、下通風口基礎上，增設后墻通風，并對室內環境進行模擬[7]。劉建榮等為了增強日光溫室的環境調控能力，在日光溫室后墻墻體上設置鼓風機進行強制通風[8]。嚴露露等認為，采用后坡整體開窗式通風，日光溫室內溫度、光照度、風速等環境更加適宜番茄生長[9]。隨著計算機技術的發展，使用計算流體力學（CFD）仿真技術對日光溫室內部環境進行模擬可以降低地域和時間對日光溫室的影響，減少溫室作物環境監測、通風測試、設備布點、數據采集等工作量，該技術已成為研究溫室微氣候的實用性工具[10]，主要應用于不同地區、不同通風方式、室內環境模擬等，且室內外環境條件的CFD數值模擬研究與試驗結果均吻合良好[1-16]。薄國魁利用CFD 模擬不同通風模式下番茄不同生育期的室內環境[17]。丁瑩瑩通過實測值與模擬值對比分析得到了風機盤管供熱的最佳送風方案，提出了一種基于虛擬介質的大型溫室相似模擬方法[18]。薛曉萍等模擬自然通風條件下日光溫室內空氣相對濕度分布，得出風向為溫室自然通風降濕的主要動力因素[19]。上述研究從不同角度闡述了多因素通風對溫室環境的影響，但關于翻蓋式通風方式及開張度的研究較少。為進一步研究不同通風方式及開張度對日光溫室內部環境的影響，本研究根據國內日光溫室通風發展現狀，結合課題組前人研究進展[20-24]，對頂部下翻蓋式通風口設計2種開張度方式與傳統卷膜式通風做對比，對溫室內環境因子展開分析，旨在為日光溫室通風方式的進一步設計提供參考。

1材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1供試溫室試驗地點位于寧夏銀川市賀蘭縣金貴鎮新起點現代農業設備有限公司（ 38.50^°N 106.42^°E ）。3座供試溫室均為寧夏第3代新型裝配式節能日光溫室，溫室坐北朝南，東西走向。東西長為 20m ，南北跨度 10m ，后墻為厚度 0.5m 高3.6m 異質復合保溫蓄熱墻體，脊高 5.3m ，種植區寬為 8.5m ，溫室覆蓋棚膜為單層PO膜，外覆蓋保溫被。采用頂部通風，試驗溫室上通風口均勻分布7個下翻蓋通風口，形狀為矩形，長 1.1m ，寬0.6m ，面積為 0.66m² ，相鄰下翻蓋通風口間距為1.1m ，開啟方式為安裝鏈條式開窗機推動（電流1.2A，推拉力 400N ，行程 800mm ）。在距地高度0.5m 處，設置寬 0.6m 長 60m 的前屋面底部卷膜式通風口，所有通風口處均有52目防蟲網。對照溫室除上通風口為卷膜式通風外，其余參數與試驗溫室一致。日光溫室南北方向剖面圖和側面東西方向三維簡圖如圖1和圖2所示。

以2023年10月28日13：00的日光溫室室內外實測數據作為邊界條件，當天的風向為東偏北10^° ，風速為 0.1m/s 。建立日光溫室CFD模型，采用標準 κ-ε 湍流模型、DO湍流模型進行計算[25]網格生成及邊界條件設置采用ANSYS

Workbench2022R1的Spaceclaim軟件進行幾何建模。網格采用ANSYSWorkbench2022R1中的Mesh軟件進行網格劃分，并對進出風口進行加密處理。1.1.2室內作物寧夏天緣種業提供品種為伊亞的粉色中熟球型番茄，南北縱向種植，株距 0.25m ，行距 0.3m 。每壟種植2行，壟寬 0.7m ，溝寬 0.6m 。定植日期為2023年9月20日，緩苗期 15d3 座溫室管理模式統一，每座溫室的基肥為高濃度通用復合肥 10kg 、鋅腐酸磷酸二銨 10kg 微生物菌劑30kg ，追肥采用滴灌水溶肥，水肥一體機進行滴灌。該茬試驗時間為2023年10月5日至2024年2月16日。

1.2 試驗方法

1.2.1室內外環境測點溫室內部共設14個采集點，均勻分布，主要集中于作物生長區，監測點布置如圖3所示。監測點 A₁～A₉ 為兆泰盛電子科技的溫濕度傳感器，距地面 1.8m ，數據每 10min 自動上傳1次。監測點 B₁～B₃ 通過浙江托普云農科技的土壤溫度傳感器監測土壤溫度、水分，位于地下

20cm ，每 10min 上傳1次數據。監測點 C₁，C₂ 位于風口正下方，距地面 4.5m ，可監測風速和風向。M_r 為紫藤氣象站采集系統，位于溫室中部距地面1.7m ，通過收集室內其他監測點位傳感器上傳的數據并提供數據下載，同時可監測該點位的空氣溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度。 M₂ 為戴維斯氣象站，可用于測定室外空氣溫度、濕度，光照度。規定溫室正西方向為 x 軸正向，豎直向上方向為 z 軸正向，正南方向為 y 軸正向，以溫室后墻和東墻的交點為原點。溫濕度測點坐標分別為： A₁ （5，2.5，1.8）， ?A₂（5，5，1.8） ！ A₃ （5，7.5，1.8）， A₄ （10，2.5，1.8）， A₅（10，5，1.8） .A₆ （10，7.5，1.8）， A₇ （15，2.5，1.8）， A₈（10，5，1.8） ， A₉ （15，7.5，1.8）。各監測點儀器詳細參數如表1所示。

1.2.2生理指標測定盛果期測定番茄果實的品質，可溶性固形物含量用手持式數顯糖度計測定（TD-45）；可溶性總糖含量用 H₂SO₄ -蒽酮比色法測定；有機酸含量用酸堿滴定法；維生素C含量用鉬藍比色法測定；硝酸鹽用硫酸-水楊酸法測定[26]，同時記錄采收重量、單株總果數、單株產量，并計算平均單果重和平均單株產量，最后折合成總產量。

1.3 數據處理

試驗數據采用Excel2019進行整理，Origin2022繪圖，SPSS27.0進行分析，ANSYS2022R1對日光溫室進行環境模擬。

2 結果與分析

2.1典型天氣條件下不同通風方式室內外空氣溫度差異

選取2023年10月23日（圖4-a）典型晴天和2023年10月26日（圖4-b）典型陰天的室內空氣溫度對比分析，在相同天氣條件下，各溫室溫度變化趨勢一致，呈單峰曲線，在14：00溫度達到最高。在典型晴天白天（07：00—19：00），T1、T2、CK溫室增溫迅速，最高溫分別為 30.31，32.34，33.82‰ ，CK最高氣溫比T1、T2高 3.51，1.48^°C 。T1、T2、CK與室外的白天平均空氣溫度分別為22.28、24.28、25.21.10.15°C 。晴天夜間（19：00—23：00）與凌晨（00：00-07：00）3座溫室平均空氣溫度分別為16. 78、17.59、17.91 C 和12.55、13.84、14.23 ℃，均為 T19C 。T1、T2、CK 溫室與室外白天的平均氣溫分別為 15.10，15.86，16.68，0.04^°C 。夜間（19：00—23：00）與凌晨 （00：00-07：00）3 座溫室平均空氣溫度分別為 14.00，14.35，14.26‰ 和10.01、10.23、10.05^°C 均為 T1°C ，差異不顯著。綜上分析，無論白天還是陰天，頂部下翻蓋式通風方式的T1和T2溫室通風效果均優于卷膜式通風方式的CK溫室。選取2023年10月28—30日3d典型晴天下溫度（圖4-c）數據進行分析可知，連續3d日光溫室中最高溫均出現在14：00，T1、T2、CK溫室與室外連續3d中最高溫度依次是35、35.6、36.2，24.79° ，CK溫室每天的最高溫度與試驗溫室對比是最高的，連續3d為 35.96、36、36.2‰ ，比每天溫室外最高空氣溫度多10.99、14、12.58。3d內T1、T2、CK溫室室內平均溫度19.24、20.73、21.5^qC ，CK溫室室內氣溫明顯高于T1溫室。

2.2典型天氣條件下不同通風方式室內外相對濕度差異

選取典型晴天2023年10月23日（圖5-a）和典型陰天2023年10月26日（圖5-b）的室內相對濕度數據對比分析。在相同天氣條件下，各溫室相對濕度的變化趨勢基本一致，總體呈“U”形曲線，無論晴天還是陰天，室外相對濕度總是高于室內。典型晴天在保溫被揭開后室內相對濕度達到最大并開始下降，T1、T2、CK溫室與室外的相對濕度最大值分別為 71.25%.71.37%.73%.75% ，全天T1、T2和CK溫室室內平均相對濕度為 49.63%.51.01% ！53.08% ，CK溫室的平均相對濕度最高，分別比 ΔT1 ！T2高 3.45% .2.07% 。晴天夜間（19：00—23：00）與凌晨（00：00—07：00）3座溫室平均相對濕度分別為 54.21%.57.10%.58.59% 和 67.17% 65.68% 、68.76% ，CK溫室的平均相對濕度最大，最高相差

4.39% 。典型陰天全天T1、T2和CK溫室與室外平均相對濕度分別為 66.65%.68.90%.70.15% 。晴天夜間（19：00—23：00）與凌晨（00：00—07：00）3座溫室平均相對濕度分別為 72.11%.73.92% 、77.19% 和 86.57%.86.65%.87.23% ，整體CK溫室濕度偏高。選取2023年10月28—30日3天典型晴天下濕度（圖5-c）數據進行分析可知，室內外相對濕度變化在14：00左右達到最小，在連續3d的典型晴天白天（07：00—19：00），T1、T2和CK溫室的平均相對濕度為 51.46%.53.16%.52.7% ，T1溫室分別比T2和CK溫室的平均相對濕度低1.7%.1.24% 。結合10月溫度變化綜合分析可以看出，T1溫室白天室內降溫除濕效果優于T2。

2.3典型天氣條件下不同通風方式室內 CO₂ 濃度差異

選取典型晴天2023年10月23日（圖6-a）、典型陰天2023年10月26日（圖6-b）數據進行分析。各溫室 CO₂ 濃度變化趨勢基本一致，呈“U”形曲線，白天揭被前達到最大值，后隨著番茄進行光合作用 CO₂ 濃度逐漸減少至最小值，在通風口關閉后開始遞增。在典型晴天， ^T1，T2 和CK溫室最大CO₂ 濃度分別為 1 385.1 273.1 235μmol/mol ；平均CO₂ 濃度分別為 1 012，933.2，858.5μmol/mol ；最小 CO₂ 濃度分別為 450、415、394ppm 。在典型陰天，T1、T2、CK溫室平均 CO₂ 濃度分別為970、936、900.6μmol/mol ，最大值分別為1680、1605、1584μmol/mol ；最小值分別為460、410、 。綜上分析， CO₂ 濃度總體 T1gt;T2gt; CK，說明采用頂部下翻蓋式通風方式的溫室可以更好地補充 CO₂ ，使番茄更好地生長。

2.4典型天氣條件下不同通風方式室內外光照度差異

選取典型晴天2023年10月23日（圖7-a）和典型陰天2023年10月26日（圖7-b）溫室內環境數據進行分析。在相同的天氣條件下，各溫室光照度變化趨勢與室外保持一致，在典型晴天，光照度不斷增強，在14：00時達最大值，T1、T2、CK、室外最大光照度依次為 60015.47000.45630.65124lx， 室外光照度在14：00分別比T1、T2、CK高5109、18124、19494。T1、T2、CK溫室室內及室外平均光照度為 35885、27452、24417、41755 。在典型陰天，T1、T2、CK溫室和室外光照度最大為24516、22345，21843，36485k，T1 溫室光照度最大值分別僅比T2、CK溫室高 2171.2673lx 。T1、T2、CK溫室室內及室外平均光照度為10839、9337、9151、19502lx，T1溫室平均光照度分別比T2、CK溫室平均光照度高 ¹502，1688lx ，光照度差異較小。總體來說，T1和T2溫室的光照度優于CK溫室，通過以上數據分析，不同典型天氣3棟溫室光照度的差異可能是由不同通風方式帶來的影響，也有可能是方位角和PO 薄膜老化的原因[27]

2.5不同通風方式下室內外土壤溫度的差異

由圖8可知，T1、T2、CK溫室土壤溫度隨室外溫度升降而同步變化，3座溫室內土壤溫度均高于12.7°C ，滿足番茄生長發育的要求，T1、T2、CK溫室平均土壤溫度最高值分別是14.15、14.35、14.55℃，差距不大。溫室外的平均土壤溫度最高值為4.56C，2 座試驗溫室的平均土壤溫度最高值比室外分別高 9.59，9.79^°C ，CK溫室的平均土壤溫度最高值比室外高 9.99C，3 座日光溫室平均土壤溫度最高值溫差相差 0.2°C～0.4°C ，說明下翻蓋通風口開張度的不同對日光溫室平均土壤溫度的影響相對較小，沒有顯著性差異。

2.6不同通風方式對溫室內番茄品質和產量的影響

由表2可知，T2溫室番茄的可溶性固形物含量為 6.61% ，顯著高于其他溫室，與T1和CK溫室相比分別增加了 20.6% （204 ，23.8% 。T2溫室番茄的維生素C含量最高，CK溫室番茄維生素C含量最低，分別為 17.35，15.94mg/100g，T1.T2 和CK溫室的硝酸鹽、可溶性糖和有機酸含量沒有顯著性差異。由表3可知，T1和T2處理的平均單果重與CK有顯著差異，橫縱徑與單株總果數無顯著性差異，各處理番茄產量表現為 T2gt;T1gt;CK 。

2.7日光溫室室內氣流場模擬結果分析試驗日光溫室的CFD數值模擬選取2023年10月28日（典型晴天）13：00的實測室內外環境數據，圖9為試驗溫室和對照溫室室內實測值和模擬值的驗證，模擬值與實測值變化趨勢基本一致。各測點氣溫的模擬值與實測值的最大偏差為 1.2°C ，平均相對誤差為 1.4% ，相對濕度的最大偏差為 2.5% ，平均相對誤差為 2.3% ，這說明日光溫室內的模擬值和實測值之間差異小。模擬結果是有效的，該計算模型能夠用于本試驗。

規定 x 軸為正西方向， y 軸為正南方向， z 軸為日光溫室高度，圖10是日光溫室模型沿 x 軸截面的氣流場分布云圖， 和CK這3座溫室日光溫室東西方向各截面為 x=3，6，9m 。T1溫室從東西方向的3個截面分析，溫室底部、中部、頂部存在明顯的氣流風速梯度差，中部風速最低，中心位置的氣流速度為 0.04ms 。溫室氣流在沿溫室防護結構流動過程中由于速度相對較大，所以使周圍的溫度降低，如果日光溫室內種植的是葉菜，可能會造成一定的凍害。T2溫室中心位置的氣流速度為0.02m/s ，中部截面空氣氣流運動較平緩，其余2個截面氣流運動相對活躍。CK溫室氣流速度大小呈現梯度分布。在垂直地面 2.5m 處的平面上氣流速度較小，而且在東西方向上氣流速度整體分布較為對稱。穩定的氣流速度能夠讓室內溫度變化較為平穩，能讓室內作物不因溫度的差異對整個溫室內作物品質產生差異，但這種溫室通風方式降溫除濕效果不明顯，可以通過加大風口面積來進一步降溫除濕。由于風口垂直于作物冠層，為避免冷空氣直吹，冬季開口很小或不開，冬季的除濕效果進一步降低。

圖11是日光溫室模型沿 y 軸截面的氣流場分布云圖，T1 ?^T2 和CK3個溫室日光溫室東西方向各截面為 y=5，10，15m 。T1溫室頂部通風口附近氣流速度最大，速度為 0.06ms ，溫室氣流沿著后墻至土壤的途徑中速度范圍在 0.026～0.06m/s ，日光溫室在室外冷空氣進人后，產生了多個大小不一的循環氣流。雖然中部土壤部分氣流速度較大，但是其余2個截面有多個循環氣流，氣流運動更加活躍，能夠讓日光溫室內部的空氣得到混合，有利于日光溫室降溫除濕。T2溫室頂部通風口附近渦流數量較少，并且產生了氣流停滯區域，不過氣流速度依舊為整個溫室內部最大，速度為 0.05m/s 。溫室氣流沿著后墻至土壤的途徑中速度范圍在 0.015～ 0.059m/s ，與T1溫室底通風口位置處相比，T2溫室在室外冷空氣進人后在溫室產生的循環氣流較少，循環氣流數量少意味著該溫室區域氣流不能得到很好混合；氣流速度較T1溫室氣流速度運行速度過低，而且氣流運動方式單一。CK溫室中氣流的最大值在通風口處可以達到最高點為 0.2m/s ，試驗時風向為正北，日光溫室氣流在通風口處產生多個渦流，氣流沿著溫室后墻運動至地面土壤處，且氣流速度呈現的規律為逐漸降低。在日光溫室中心位置內的氣流速度最小值為 0.02m/s 。

3討論

針對傳統通風方式在不同季節和氣候條件下對作物需求的局限性，日光溫室通風方式的研究日益受到關注，并出現了多種有效提高作物品質和產量的通風方式[7，9，28]。然而，尚未發現對頂部下翻蓋式通風方式的研究。本研究旨在探究頂部下翻蓋式通風對溫室內環境的調控效果，解決作物生長過程中的諸多問題，進而推動農業生產的現代化和可持續發展，具有理論和實際意義。為了探究自然通風模式下不同通風方式對室內環境數值的差異，采用頂部下翻蓋通風口開張度為 75^° 的T1溫室和頂部通風口開張度為 45^° 的T2溫室，同時以日光溫室頂部卷膜通風為CK溫室，根據實測值發現不同的通風方式可以影響室內環境因子，同一通風方式下的不同開張度也會對室內環境產生較大的差異，這與胡萬玲等的研究結果[28]一致。頂部下翻蓋式通風相對于傳統的卷膜式通風，在室內微環境調節和番茄生長方面表現更優異。利用CFD數值模擬技術對日光溫室內氣流場進行分析，模擬結果具有較好的擬合性，證明與對照溫室相比，試驗溫室頂部下翻蓋式通風開張度 75^° 和 45^° 是合理的。總體而言，頂部下翻蓋式通風方式為溫室種植提供了一種更有效的選擇，尤其是在提高番茄產量和品質方面具有顯著優勢。本試驗未對風口進行精細化調控，依賴于傳統經驗對于風口的開合，只設計了2種開張度方式，在實際應用中，溫室內的微環境變化受到多種因素的影響，如上下風口不同開張度的組合、開合時間、棉被的揭放時間、后墻的蓄熱性能以及人工管理模式等。因此，為了進一步提高溫室環境的調控效果，未來的研究可以進一步優化通風方式和參數，并結合傳統管理經驗，同時加入下風口和棉被的調控策略，以實現更精準的環境控制，更好地滿足不同季節和氣候條件下番茄生長的需求。

4結論

典型晴天白天T1、T2、CK的平均空氣溫度分別為22.28、24.28、25.21 C ，全天平均濕度分別為

49.63% 51. 01% 、53. 08% ，平均 CO₂ 濃度T1、T2相較于CK分別提高了 17.88% 和 8.7% ，平均光照度為 10839、9337、9151lx ，土壤溫度無顯著差異，綜合來看，T1和T2的光照度、降溫除濕 CO₂ 的補充要優于CK，可以為植物提供更加適宜的生長環境，番茄果實品質和產量綜合表現 T2gt;T1gt;CK 。

通過CFD仿真技術對2種通風方式室內氣流場分布的模擬結果可知，采用頂部下翻蓋通風口的T1和T2溫室氣流運動相較于CK溫室來說更加活躍，外部空氣從頂部下翻蓋式風口進人室內，氣流經后墻至土壤進行運動，一定程度上會減少傳統卷膜式通風在冬季因頂部冷空氣直吹作物冠層所帶來的負面影響，溫室內降溫除濕與補充 CO₂ 效果優異，能保證番茄在生長的過程中不會因為溫度問題產生影響，這與實測值基本保持一致。從不同開張度來對比，頂部下翻蓋通風口開張度為 75^° 的T1降溫效果最佳，適用于夏季的高溫天氣；開張度為 45^° 的T2更適合秋冬茬番茄，能夠滿足西北地區冬季和極端天氣下的通風換氣需求。

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