段文利 楊洪海 劉宇宏

食用菌培養(yǎng)室通風(fēng)氣流組織改造設(shè)計(jì)研究

段文利 楊洪海 劉宇宏

（東華大學(xué) 上海 201620）

為食用菌培養(yǎng)室提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，運(yùn)用暖通空調(diào)專用數(shù)值模擬軟件Airpak，對(duì)食用菌培養(yǎng)室室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和速度矢量場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)比分析改造前后兩種方案的效果。模擬結(jié)果論證了改造后溫度場(chǎng)分布更加均勻，高度方向上溫差只有1℃左右，整個(gè)空間溫度保持在15℃，解決了改造前熱量積聚的問題。速度場(chǎng)和速度矢量場(chǎng)表明改造后的氣流組織形式更加合理，一定程度上說明節(jié)能性更好。模擬結(jié)果為農(nóng)業(yè)中食用菌培養(yǎng)室環(huán)境的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了研究依據(jù)。

食用菌培養(yǎng)室；Airpak；溫度場(chǎng)；速度場(chǎng)；優(yōu)化

0 引言

近些年，隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，人們的生活水平不斷地提高，同時(shí)這也給我國帶來一定的不利影響，如能源短缺，環(huán)境污染等問題。而環(huán)境與能源是現(xiàn)代技術(shù)與經(jīng)濟(jì)得以發(fā)展的基礎(chǔ)。在這樣的背景下，為了更好地緩解我國的能源短缺與環(huán)境問題，黃凱霖[1]提出了針對(duì)工業(yè)建筑提出多能互補(bǔ)制冷的建議，陳攀[2]針對(duì)公共建筑對(duì)淺層地溫能進(jìn)行了相關(guān)研究，但無論人員所在場(chǎng)所還是工業(yè)、農(nóng)業(yè)中所用到的制冷技術(shù)應(yīng)該以節(jié)能為前提去設(shè)計(jì)，要在節(jié)能的前提下達(dá)到所要求的制冷效果。

食用菌生成需要適宜的環(huán)境，食用菌是好氧型真菌，與綠色植物不同，需要在有氧環(huán)境中生長(zhǎng)。食用菌在呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳容易積累，使培養(yǎng)室二氧化碳相對(duì)濃度過高，造成氧氣相對(duì)濃度降低，缺氧不利于蘑菇的生長(zhǎng)，而且影響菌絲和子實(shí)體的發(fā)育，若通風(fēng)不良，會(huì)造成菌絲缺氧，逐漸萎縮退化；引起子實(shí)體色澤變黃、生長(zhǎng)緩慢，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致子實(shí)體死亡；二氧化碳濃度過高會(huì)導(dǎo)致蘑菇孢子不能萌發(fā)。蘑菇栽培的過程中，應(yīng)注意在蘑菇各個(gè)生長(zhǎng)階段保持良好通風(fēng)[3]。食用菌除了需要氧氣外，還需要在適宜的溫度下生成，所以要為食用菌的生長(zhǎng)創(chuàng)造適宜的環(huán)境。

由于模擬計(jì)算優(yōu)勢(shì)，很多暖通研究設(shè)計(jì)都采用Airpak進(jìn)行計(jì)算[4-8]，所以本文采用本文采用CFD軟件Airpak[9]對(duì)食用菌培養(yǎng)室的空氣流動(dòng)、傳熱等物理現(xiàn)象進(jìn)行模擬研究，準(zhǔn)確地模擬了改造前和改造后培養(yǎng)室的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及速度向量場(chǎng)的情況，從理論上論證了改造后節(jié)能效果更好。通過模擬這種方法減少了設(shè)計(jì)成本，降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，縮短了設(shè)計(jì)周期[10]。

1 食用菌培養(yǎng)室概況

此食用菌培養(yǎng)室為一個(gè)相對(duì)密閉空間，培養(yǎng)室內(nèi)無窗戶，只設(shè)置有4排8列8層放置食用菌培養(yǎng)皿的支架，培養(yǎng)室和培養(yǎng)皿的基本尺寸如表1。由于食用菌生成過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱和二氧化碳，需要制冷系統(tǒng)降低溫度并保證良好循環(huán)通風(fēng)，該食用菌生長(zhǎng)最佳溫度15℃左右，所以培養(yǎng)室內(nèi)需要保持15℃氣溫。培養(yǎng)室實(shí)物圖如圖1。

表1 培養(yǎng)室和培養(yǎng)皿基本信息

圖1 食用菌培養(yǎng)室實(shí)物圖

Fig.1 Physical map of edible fungus culture room

2 物理和數(shù)學(xué)模型建立

2.1 方案一和方案二物理模型建立

由于空間較大，需要保證溫度分布的均勻性，速度分布合理性，使得每層食用菌生長(zhǎng)溫度達(dá)到生成要求溫度，流經(jīng)培養(yǎng)皿處風(fēng)速適宜。為了創(chuàng)造食用菌生長(zhǎng)的適宜環(huán)境，原先方案（后稱為方案一）采用兩臺(tái)制冷機(jī)，每臺(tái)風(fēng)量為8000m3/h，送風(fēng)口在房間頂部，送風(fēng)溫度取10℃，冷空氣貼附房頂以射流的形式吹出，采用單側(cè)上送風(fēng)、單側(cè)上回風(fēng)氣流組織方式，冷空氣繞著整個(gè)房間完成一個(gè)循環(huán)。改造后的方案（后稱為方案二）仍然使用原先的兩臺(tái)制冷機(jī)，但是改變氣流組織方式，采用類似于工位送風(fēng)的方式，將10℃冷空氣通過管道送到每個(gè)培養(yǎng)皿附近，在末端管道上開一定數(shù)量的小孔作為出風(fēng)口，達(dá)到降溫效果，完成循環(huán)，由于方案二增加管路較多，導(dǎo)致在培養(yǎng)皿的間隔有微小的區(qū)別，不影響模擬對(duì)比。方案一和方案二送風(fēng)口基本信息如表2所示。

表2 方案一和方案二送風(fēng)口基本信息

根據(jù)方案一和方案二概述情況以及食用菌培養(yǎng)室情況說明，將整個(gè)培養(yǎng)室簡(jiǎn)化為一封閉立方體，房間內(nèi)的發(fā)熱體主要為食用菌培養(yǎng)皿，忽略培養(yǎng)室內(nèi)的支架，所有尺寸按照實(shí)際物體尺寸所畫。方案二中由于末端開口小孔數(shù)量較多，在建立物理模型時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)化，每個(gè)末端管道上開4個(gè)0.05m×0.05m的小孔作為出風(fēng)口，兩種方案的總風(fēng)量相等。簡(jiǎn)化模型如圖2和圖3，圖4和圖5分別取兩種方案的俯視圖和側(cè)視圖說明送風(fēng)口和回風(fēng)口位置。

圖2 方案一簡(jiǎn)化物理模型圖

Fig.2 The simplified physical model about program 1

圖3 方案二簡(jiǎn)化物理模型圖

Fig.3 The simplified physical model about program 2

圖4 方案一簡(jiǎn)化物理模型俯視圖

Fig.4 Top view of the simplified physical model about program 1

圖5 方案二簡(jiǎn)化物理模型側(cè)視圖

Fig.5 Top view of the simplified physical model about program 2

2.2 數(shù)學(xué)模型建立及數(shù)值計(jì)算方法

（1）食用菌培養(yǎng)室的室內(nèi)流場(chǎng)是一個(gè)三維、非穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的湍流流動(dòng)傳熱傳質(zhì)過程。方案一和方案二都屬于強(qiáng)制對(duì)流，由于方案一風(fēng)口位置及風(fēng)速較大，送風(fēng)方式類似于射流，-湍流模型能比較好地用于某些復(fù)雜的流動(dòng)，例如環(huán)流、渠道流、邊壁射流和自由湍射流,甚至某些復(fù)雜的三維流等[11]。所以本文選擇標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型進(jìn)行模擬[12]，對(duì)室內(nèi)空氣場(chǎng)建立標(biāo)準(zhǔn)-控制方程組[10]。

（2）為簡(jiǎn)化模擬，作出以下假設(shè)：①食用培養(yǎng)室內(nèi)的空氣為連續(xù)性介質(zhì)且不可壓縮，即認(rèn)為流體密度僅對(duì)浮力產(chǎn)生影響；②食用菌培養(yǎng)室內(nèi)空氣流為定常流動(dòng)；③忽略四周墻壁的輻射熱，并不考慮漏風(fēng)的影響。

（3）網(wǎng)格劃分：采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格單元最大尺寸為0.2m×0.1m×0.2m，對(duì)于風(fēng)口處等梯度較大的地方進(jìn)行加密，網(wǎng)格質(zhì)量接近1，網(wǎng)格數(shù)量為125萬。

（4）對(duì)偏微分方程可采用不同的離散方法，如有限差分法、有限元法、渦方法等，本文采用有限體積法。

（5）收斂標(biāo)準(zhǔn)為能量方程殘差小于10-6，其余方程的殘差小于10-4，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果達(dá)到要求。

3 結(jié)果分析比較

3.1 溫度場(chǎng)分析

圖6～圖10顯示了改造前后兩種氣流組織方式下培養(yǎng)室的溫度分布云圖。由于培養(yǎng)室的空間較大，長(zhǎng)和高都較大，所以長(zhǎng)度和高度方向上的溫度分布更能反應(yīng)降溫效果的好壞。對(duì)于原方案，由于在培養(yǎng)室的一端有兩個(gè)送風(fēng)口。所以要截取特征截面，對(duì)于方案一要截取在長(zhǎng)度方向的1/4a-a截面，3/4c-c截面和寬度方向的1/4b-b截面來分析溫度分布即可。對(duì)于方案二，送風(fēng)口在培養(yǎng)皿上方，選取在長(zhǎng)度和寬度的1/4d-d截面、e-e截面說明效果，所取截面如圖2和圖3。

方案一和方案二在高度上的溫差只有2℃左右，整體上溫度為15℃，滿足食用菌的生長(zhǎng)需求。但是方案一的熱量積聚在不同層支架的間隔，溫度很難降低。而方案二是將冷空氣直接送到培養(yǎng)皿上，所有不會(huì)存在熱量積聚難以降溫的問題。

圖6 方案一a-a截面處溫度場(chǎng)云圖

Fig.6 Temperature field cloud map at a-a section about program 1

圖7 方案一c-c截面處溫度場(chǎng)云圖

Fig.7 Temperature field cloud map at c-c section about program 1

圖8 方案二d-d截面處溫度場(chǎng)云圖

Fig.8 Temperature field cloud map at d-d section about program 2

在培養(yǎng)室長(zhǎng)度方向，對(duì)比圖9和圖10。方案一相比方案二，在長(zhǎng)度上的溫差相差較大，最大溫差達(dá)到10℃左右，如果要滿足溫度較高地方的降溫，就要降低送風(fēng)溫度，或者在培養(yǎng)室的另一端增加送風(fēng)口，如此就增加了電力消耗；而方案二所有的培養(yǎng)皿所在的位置溫度保持在15℃左右，分布非常均勻，溫差只有1℃左右，對(duì)于食用菌的生長(zhǎng)提高良好的溫度環(huán)境。從溫度上分析來看，改造后的方案二使得空間溫度分布更加均勻，相比方案一無需增加制冷量，相當(dāng)于達(dá)到了節(jié)能的效果。

圖9 方案一b-b截面處溫度場(chǎng)云圖

Fig.9 Temperature field cloud map at b-b section about program 1

圖10 方案二e-e截面處溫度場(chǎng)云圖

Fig.10 Temperature field cloud map at e-e section about program 2

3.2 速度場(chǎng)分析

圖11～圖15顯示了方案一和方案二兩種氣流組織方式下培養(yǎng)室的速度分布云圖，方案一截取a-a，c-c和b-b截面，對(duì)于方案二，選取d-d和e-e截面來分析對(duì)比兩種方案的培養(yǎng)室速度場(chǎng)。

方案一在高度方向上速度整體相差3m/s左右，空氣的流動(dòng)方向取決于阻力的大小，所有冷空氣更多地在過道間流動(dòng)，在支架間的間隙沒有基本沒有流動(dòng)，與該處的溫度場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，此處容易有熱量積聚而無法降溫；方案二中速度場(chǎng)更加均勻，大部分風(fēng)速在0.4m/s左右，在支架間的間隙流動(dòng)情況好，解決了此處溫度積聚的問題。

圖11 方案一a-a截面處速度場(chǎng)云圖

Fig.11 Velocity field cloud map at a-a section about program 1

圖12 方案一c-c截面處速度場(chǎng)云圖

Fig.12 Velocity field cloud map at c-c section about program 1

圖13 方案二d-d截面處速度場(chǎng)云圖

Fig.13 Velocity field cloud map at a-a section about program 2

對(duì)比圖14和圖15，在13.9m長(zhǎng)度方向上，方案一的前后速度差有3m/s，在培養(yǎng)室一端有一部分培養(yǎng)皿處風(fēng)速達(dá)到3m/s多，對(duì)于食用菌的生長(zhǎng)不利。從速度場(chǎng)的分布來看，方案二相比方案一風(fēng)速較低，氣流組織更加合理，滿足食用菌的生長(zhǎng)需要。

圖14 方案一b-b截面處速度場(chǎng)云圖

Fig.14 Velocity field cloud map at b-b section about program 1

圖15 方案二e-e截面處速度場(chǎng)云圖

Fig.15 Velocity field cloud map at e-e section about program 2

3.3 速度矢量場(chǎng)分析

圖16～圖20顯示了方案一和方案二空氣流動(dòng)方向，與溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)相同，選取相同截面來分析對(duì)比兩種方案的培養(yǎng)室速度矢量場(chǎng)。速度矢量場(chǎng)分布圖可以和速度場(chǎng)分布云圖對(duì)應(yīng)，證明方案二相對(duì)于方案一氣流組織方式更好，既能滿足食用菌的生長(zhǎng)需要，也在一定程度上達(dá)到節(jié)能的效果。

圖16 方案一a-a截面處速度向量云圖

Fig.16 Speed vector cloud diagram at a-a section about program 1

圖17 方案一c-c截面處速度向量云圖

Fig.17 Speed vector cloud diagram at c-c section about program 1

圖18 方案二d-d截面處速度向量云圖

Fig.18 Speed vector cloud diagram at d-d section about program 2

圖19 方案一b-b截面處速度向量云圖

Fig.19 Speed vector cloud diagram at b-b section about program 1

圖20 方案二e-e截面處速度向量云圖

Fig.20 Speed vector cloud diagram at b-b section about program 2

4 結(jié)論與展望

（1）采用工位送風(fēng)方式的方案二相比大空間上送上回方式的方案一，溫度場(chǎng)更加均勻，解決了方案一熱量積聚在不同層支架間隔的問題。食用菌培養(yǎng)室整體溫度保持在15℃，高度方向最大溫差為2℃，長(zhǎng)度方向最大溫差為1℃，很好地滿足了食用菌的生長(zhǎng)需要。

（2）方案二送風(fēng)方式相比于方案一送風(fēng)方式，氣流組織方式更加合理，培養(yǎng)皿上方的風(fēng)口首先流經(jīng)支架間隔，將間隙處熱量帶走，解決熱量積聚而無法降溫的問題。

（3）為了優(yōu)化食用菌生長(zhǎng)環(huán)境，可以在培養(yǎng)室一些特征位置放置溫度感應(yīng)裝置，聯(lián)控制冷送風(fēng)系統(tǒng)，減少不必要能源的浪費(fèi)及提高培養(yǎng)室的智能性。

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Study on the Design of Ventilation Airflow Organization in Edible Fungus Culture Room

Duan Wenli Yang Honghai Liu Yuhong

( Donghua University, Shanghai, 201620 )

To provide a suitable growth environment for the edible fungus culture room, used the special numerical simulation software Airpak in HVAC to carry out numerical simulation calculation of the indoor temperature field, velocity field and velocity vector field of the edible fungus culture room, and compare and analyze the effects of the two schemes before and after the transformation. The simulation results demonstrated that the temperature field distribution was more uniform after the transformation, the temperature difference in the height direction is only about 1 °C now, and the whole space temperature is maintained at 15 °C, which solved the problem of heat accumulation before the transformation. The velocity field and the velocity vector field indicated that the airflow organization after the transformation is more reasonable, which indicates that the energy conservation is better to some extent. The simulation results provide a research basis for the design optimization of the environment of the edible fungus culture room in agriculture.

edible fungus culture room; Airpark; temperature field; velocity field; optimization

1671-6612（2019）06-635-06

TU831.6

A

段文利（1995-），男，碩士研究生，E-mail：18334793367@163.com

楊洪海（1968-），女，副教授，E-mail：yhh@dhu.edu.cn

2019-03-19