張偉建　王新忠　李亮亮　洪亞杰

摘要：為研究遮陽網(wǎng)對屋頂全開型溫室夏季降溫的影響，建立屋頂全開型溫室的計算流體動力學(xué)（CFD）模型，在上海地區(qū)進行夏季試驗。通過對比試驗實測值與模擬值驗證了模型的有效性，并利用試驗和CFD模型分析了遮陽網(wǎng)對溫室降溫的影響，結(jié)果表明，遮陽網(wǎng)的使用層數(shù)對溫室降溫影響明顯，2層遮陽網(wǎng)下溫室室內(nèi)外溫差為4.5 ℃，1層遮陽網(wǎng)下為3.7 ℃，無遮陽網(wǎng)為1.3 ℃；利用CFD模擬分析了增加外遮陽網(wǎng)后的溫室內(nèi)溫度場，在基本滿足植物生長光照要求的情況下，溫室接收的太陽總輻射降為176.3 W/m2，室內(nèi)平均溫度降為37.6 ℃，溫室內(nèi)局部高溫狀況也被大大緩解。

關(guān)鍵詞：遮陽網(wǎng)；夏季降溫；屋頂全開型溫室；CFD

中圖分類號： S625.5+1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）19-0253-04

收稿日期：2016-04-27

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2014BAD08B03）；江蘇省重點研發(fā)計劃（編號：BE2016323）；江蘇省昆山市科技計劃（編號：KN1504）。

作者簡介：張偉建（1988—），男，江蘇連云港人，碩士研究生，主要從事溫室流場方向研究。E-mail：9492945497@qq.com。 夏季降溫一直是困擾玻璃溫室種植的一個重大問題，采用機械通風(fēng)降溫，耗能較高，且易形成不均勻的溫度場，造成作物品質(zhì)下降。采用自然通風(fēng)時耗能少，溫度分布均勻，但傳統(tǒng)溫室的設(shè)計方式使溫室天窗通風(fēng)率低，難以實現(xiàn)自然通風(fēng)的有效降溫。屋頂全開天窗型溫室增強了溫室自然通風(fēng)效果，配合遮陽網(wǎng)的使用，在夏季高太陽輻射弱風(fēng)天氣中達到很好的降溫效果。這種新型溫室在我國尚處在推廣期，有待進一步加強對其的試驗分析和理論研究。

目前，溫室流場研究大多針對塑料大棚或普通文洛型溫室展開[1-3]，表明計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，簡稱CFD）方法是溫室流場研究中的有效手段。遮陽網(wǎng)是重要的溫室調(diào)控設(shè)備，對溫室室內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)都起到了非常重要的作用。沈明衛(wèi)等利用布點測量的研究方法分別建立了遮陽網(wǎng)對溫室內(nèi)環(huán)境調(diào)控影響的光輻射模型，該模型可以在測得室外光照度和遮陽網(wǎng)自身參數(shù)的情況下預(yù)測遮陽溫室的室內(nèi)光照情況[4-6]。Abdel-Ghany等給出了不同遮陽網(wǎng)布置下遮陽溫室對室外輻射值的接收情況[5-6]，為使用CFD方法進行遮陽網(wǎng)對溫室調(diào)控影響的模擬提供了直接參考。Willits等利用布點測量的方法研究發(fā)現(xiàn)，遮陽網(wǎng)的使用不僅有利于溫室的降溫，也有利溫室內(nèi)植物水分的保持[7]。李永欣等采用了輻射折算的方法成功地在CFD中模擬了遮陽網(wǎng)對溫室內(nèi)環(huán)境的影響[8]。遮陽網(wǎng)對溫室的調(diào)控作用巨大，已有文獻主要針對溫室中的某幾個點分析遮陽網(wǎng)的影響，利用CFD手段從整體溫室流場角度研究遮陽網(wǎng)對溫室調(diào)控的影響?？傊?，前人的研究多針對大棚溫室、日光溫室等傳統(tǒng)溫室類型，針對屋頂全開窗型溫室的研究較少，尤其是考慮遮陽網(wǎng)后的屋頂全開窗型溫室自然通風(fēng)調(diào)控的研究。

本研究對屋頂全開窗型溫室進行了夏季高溫天氣下的實測試驗，對比不同遮陽網(wǎng)層數(shù)工況下室溫的變化情況，分析遮陽網(wǎng)使用層數(shù)對溫室降溫的影響。利用溫室CFD模型描述溫室內(nèi)的溫度分布，模擬分析在增加外遮陽網(wǎng)后溫室的流場分布情況，為使用遮陽網(wǎng)降溫調(diào)控提供參考。

1 試驗方案與CFD建模

1.1 試驗對象

試驗屋頂全開型溫室是位于上海金山區(qū)的連棟溫室，溫室南北走向，共3跨，溫室整體長41.10 m，寬28.80 m，檐高 4.32 m，脊高5.30 m，天窗可開至水平傾角52°，選取溫室中間1跨進行室內(nèi)溫度測量。溫室配備2層室內(nèi)遮陽網(wǎng)，分別位于距地4.0、4.5 m的高度上。溫室東西2面玻璃墻無通風(fēng)設(shè)備，北墻有風(fēng)機，尺寸為1.38 m×1.38 m，距地0.32 m，每跨2臺，均勻分布在跨間寬度上，南墻有濕簾，距地0.4 m，濕簾寬1.5 m（圖1）。在CFD建模分析時，以正東向為x軸正向，以向上高度方向為y軸正向，以正南向為z軸正向，溫室西北角立柱和地面交點為坐標軸原點。

1.2 試驗方法

使用ZDR-3WIS型溫度自動記錄儀對溫室內(nèi)溫度進行測量，設(shè)置記錄時間間隔為5 min，每個溫度記錄儀有3個溫度測量探頭，測量時，3個探頭分別分布在0.7、1.3、2.2 m等3個不同的高度上，將記錄儀布置成2個成十字交叉的豎直面（圖2）。

使用TYD-ZS2型環(huán)境數(shù)據(jù)記錄儀記錄外部環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)置記錄時間間隔為1 min，該氣象站可測量室外的太陽總輻射、光照度、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境指標。2015年8月1日13：50—15：20對屋頂全開型溫室進行室內(nèi)外參數(shù)的測量，氣象站位于距溫室20 m的室外空曠處，溫室2層室內(nèi)遮陽網(wǎng)都打開，東西2跨中僅中間小屋頂（指每跨屋頂中有3個小屋頂）的天窗打開，居中1跨的3個小屋頂全部打開，將北山墻的風(fēng)機后蓋打開，溫室北端外部氣流從風(fēng)機口的位置進入溫室，溫室南端以南山墻干濕簾透氣孔為通風(fēng)口。試驗中，使用FLUKE Infrared Thermometers 568紅外點溫儀進行溫室內(nèi)外地面和玻璃溫度的測量，每15 min測量1次。

1.3 模型設(shè)置

1.3.1 模型邊界條件和材料屬性設(shè)置 本研究在ICEM軟件中建立了幾何模型，該模型設(shè)立10倍于溫室長寬高尺寸的計算域。對模型進行網(wǎng)格劃分，整體劃為343萬個網(wǎng)格，其中溫室網(wǎng)格92萬個。根據(jù)溫室的空氣流動特征[9]，在Fluent中選取標準k-ε湍流方程，選取DO輻射模型進行計算。仿真中，將實測風(fēng)向、風(fēng)速進行矢量分解，設(shè)置西側(cè)和南側(cè)計算域為進風(fēng)口，風(fēng)速都設(shè)置為0.566 m/s，東側(cè)和北側(cè)為出風(fēng)口。

選取13：50時的環(huán)境參數(shù)驗證模型。按照實際測量的溫度值設(shè)置內(nèi)外地面及覆蓋材料模型中的溫度，模型中空氣、地面和玻璃等材料的屬性設(shè)置如表1所示。endprint

1.3.2 遮陽網(wǎng)和干濕簾在數(shù)字模型中的設(shè)置 本研究根據(jù)已有的關(guān)于遮陽網(wǎng)的研究文獻[5-6]，結(jié)合試驗屋頂全開型溫室所用遮陽網(wǎng)具體材料的物性參數(shù)，通過輻射折減的方式實現(xiàn)溫室遮陽的模擬。模擬設(shè)置中，將輻射值由 821.000 W/m2 的室外太陽輻射折減為2層遮陽網(wǎng)下的 341.257 W/m2。

在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)濕簾通風(fēng)口在夏季高溫條件下對溫室山墻通風(fēng)有很大影響，在模型中應(yīng)反映干濕簾的影響。通過分析干濕簾對空氣的阻礙特性，本研究在模型中將干濕簾視作多孔介質(zhì)，并且忽略流體的非線性慣性損失量，由基本滲流定律[10]得出：

ΔP=-μvαΔm。（1）

其中：ΔP為流體在材料兩側(cè)的壓力差，N/m2；μ為流質(zhì)黏度，取18.6 μPa·s；v為流質(zhì)到達材料表面的速度，取實測值 1.3 m/s；α為材料的滲透率，m2；Δm為材料的厚度，測得為0.1 m。

忽略溫室內(nèi)外熱壓的影響，利用實際測量的干濕簾兩側(cè)風(fēng)速值，通過伯努力風(fēng)-壓普遍應(yīng)用關(guān)系[11]求得：

P=0.5ρv2。（2）

其中：P為風(fēng)壓；ρ為空氣密度，取1.25 kg/m3；v為風(fēng)速?？衫迷囼炛袑崪y的濕簾兩側(cè)風(fēng)速通過公式（2）求出氣壓差。一側(cè)風(fēng)速為1.3 m/s，另一側(cè)為0.3 m/s，所以，求得氣壓差ΔP=-1 N/m2。在取得ΔP、μ、v、Δm值的情況下，可通過公式（1）求得濕簾材料的滲透率α=2.4 mm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同的遮陽網(wǎng)工況下溫室降溫效果分析

圖3為溫室在2層內(nèi)遮陽網(wǎng)、1層內(nèi)遮陽網(wǎng)和無遮陽網(wǎng)3種遮陽工況下溫室室內(nèi)溫度和室外溫度的數(shù)據(jù)對比，數(shù)據(jù)記錄時溫室都處在自然通風(fēng)狀態(tài)。分析可見，遮陽網(wǎng)的使用層數(shù)對溫室降溫調(diào)控的影響明顯，在2層遮陽網(wǎng)下，溫室內(nèi)外溫度平均相差4.5 ℃；當變?yōu)?層遮陽網(wǎng)時，室內(nèi)外溫度平均相差3.7 ℃；當無遮陽網(wǎng)時，室內(nèi)外溫度平均僅相差13 ℃。

2.2 CFD模型的驗證

經(jīng)過模擬，將室內(nèi)相同位置的模擬值和試驗實測值進行對比。以1～7的排列順序?qū)?.3 m高度溫度傳感器的探頭位置記為P1～P7，1.3 m高度記為P8～P14，0.7 m高度記為P15～P21，將各位置上的模擬值和試驗實測值進行對比，對比情況如圖4所示。

由圖4可見，在各個高度上，模擬值與實測值的變化的趨勢基本一致，兩者最大相對誤差為6.1%，最小相對誤差為03%，實測值與模擬值的平均相對誤差為1.1%，驗證模型有效。

2.3 溫室溫度場的CFD分析

由圖5可以看出，溫室溫度分布整體的均勻情況較差，尤其在溫室西北方向形成一大片的高溫區(qū)域，不利于作物種植。

由圖6可知，距地面1 m處沿溫度長度方向上的最高溫度為39.8 ℃，最低溫度為38.7 ℃，平均溫度為39.3 ℃。結(jié)果表明，在距地面1 m高度處溫室不同位置的溫差較大，并且溫度整體偏高。

2.4 基于CFD的屋頂全開型溫室的遮陽網(wǎng)降溫調(diào)控

為模擬溫室加設(shè)外遮陽網(wǎng)的工況，在CFD模型中需要對遮陽網(wǎng)遮蓋區(qū)域進行輻射折減。通過文獻資料[5-6，12]分析，如模擬溫室使用2層內(nèi)遮陽和1層外遮陽的工況，須要將模型中室外太陽總輻射在原始值824.0 W/m2的基礎(chǔ)上折減為1763 W/m2。根據(jù)文獻[13]的光照模型，并結(jié)合遮陽網(wǎng)材料參數(shù)，此狀態(tài)下溫室的室內(nèi)光照度為31.5 klx，光照度值處在大多數(shù)花卉的光補償點和光飽和點之間，滿足植物對光照度的要求。

3 結(jié)論

遮陽網(wǎng)使用層數(shù)對溫室的降溫影響明顯，在2層遮陽網(wǎng)下，屋頂全開型溫室室內(nèi)溫度與室外溫度平均相差 4.5 ℃；1層遮陽網(wǎng)下，室內(nèi)外溫度平均相差 3.7 ℃；當無遮陽網(wǎng)時，室內(nèi)外溫度平均僅相差1.3 ℃。

假設(shè)溫室的空氣流動符合標準壁面函數(shù)，選取標準k-ε湍流方程做溫室湍流模擬，選取DO輻射模型作為輻射計算方法，建立并實測驗證了屋頂全開型溫室CFD模型的有效性。利用CFD模擬加設(shè)外遮陽網(wǎng)后溫室的溫度場情況，在調(diào)控溫室接收的輻射值折減為176.3 W/m2后，室內(nèi)光照度基本滿足植物生長要求，溫室內(nèi)的平均溫度變?yōu)?7.6 ℃，比現(xiàn)行工況降低了0.8 ℃，且溫室內(nèi)局部高溫的情況被大大緩解。

參考文獻：

[1]Teitel M，Wenger E. Air exchange and ventilation efficiencies of a monospan greenhouse with one inflow and one outflow through longitudinal side openings[J]. Biosystems Engineering，2014，119（4）：98-107.

[2]張起勛，于海業(yè)，張忠元，等. 利用CFD模型研究日光溫室內(nèi)的空氣流動[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（16）：166-171.

[3]Zhang X，Wang H L，Zou Z R，et al. CFD and weighted entropy based simulation and optimisation of Chinese solar greenhouse temperature distribution[J]. Biosystems Engineering，2016，142：12-26.

[4]沈明衛(wèi)，郝飛麟. 內(nèi)外遮陽對連棟塑料溫室內(nèi)光環(huán)境的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2004，35（5）：110-116.

[5]Abdel-Ghany A M，Al-Helal I M. Analysis of solar radiation transfer：a method to estimate the porosity of a plastic shading net[J]. Energy Conversion and Management，2011，52（3）：1755-1762.endprint

[6]Abdel-Ghany A M，Picuno P，Al-Helal I，et al. Radiometric characterization，solar and thermal radiation in a greenhouse as affected by shading configuration in an arid climate[J]. Energies，2015，8（12）：13928-13937.

[7]Willits D H，Peet M M. Intermittent application of water to an externally mounted，greenhouse shade cloth to modify cooling performance[J]. Transactions of the Asae，2000，43（5）：1247-1252.

[8]李永欣，李保明，李 真，等. Venlo型溫室夏季自然通風(fēng)降溫的CFD數(shù)值模擬[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，9（6）：44-48.

[9]Sase S，Takakura T，Nara M. Wind tunnel testing on airflow and temperature distribution of a naturally ventilated greenhouse[J]. Acta Horticulturae，1984，148：329-336.

[10]Chevalier T，Chevalier C，Clain X，et al. Darcys law for yield stress fluid flowing through a porous medium[J]. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics，2013，195：57-66.

[11]王篤利，陳青云，曲 梅. 溫室基本風(fēng)壓取值方法探討[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2005，21（11）：171-174.

[12]Abdel-Ghany A M，Kozai T. On the determination of the overall heat transmission coefficient and soil heat flux for a fog cooled，naturally ventilated greenhouse：Analysis of radiation and convection heat transfer[J]. Energy Conversion & Management，2006，47（15/16）：2612-2628.

[13]沈明衛(wèi)，郝飛麟. 內(nèi)外遮陽對連棟塑料溫室內(nèi)光環(huán)境的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2004，35（5）：110-116. 胡桂萍，石旭平，管幫富，等. 降解聯(lián)苯菊酯微生物菌劑的制備及其穩(wěn)定性測定[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（19）：257-260.endprint