王鵬飛 李安桂 黃琳

西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

0 引言

溫室微氣候環(huán)境的調控對于高效生產有重要意義，而通風是溫室環(huán)境調節(jié)的關鍵措施[1]。作物的茁壯生長離不開適宜的溫濕度，CO2濃度和光照度等影響因素，通風不僅可以滿足溫室內作物“呼吸”的需要，還可以用來調節(jié)溫室內的空氣溫濕度等,從而有利于作物的生長[2]。溫室的高效生產有賴于適宜的溫室微氣候環(huán)境，對溫室進行通風可以為作物提供最佳的生長環(huán)境。

本文對陜西省大荔縣的圓拱形冬棗大棚進行了測試，通過測試初步了解了該縣冬棗大棚的微氣候環(huán)境特點，得出了冬棗大棚內的溫濕度分布特點，以及太陽輻射，地面溫度等的變化規(guī)律。在測試所得參數(shù)的基礎上，對大棚的自然通風過程做出了合理的假設與簡化，建立了大棚的熱平衡模型，給出了適合的控制方程和邊界條件，建立了大棚通風的CFD 模型，并對試驗進行了驗證和誤差分析。最后針對不同時刻的溫濕度分布情況，選取合適的通風措施。

1 測試大棚及方案

1.1 測試大棚結構

試驗大棚位于大荔縣馮村鎮(zhèn)仁莊村，大棚為圓拱型，東西走向，坐北朝南，整體結構由鋼架及采光面（聚乙烯膜）組成。東西長106 m，南北跨度13.3 m，脊高3.8 m，兩肩高為1.85 m，大棚覆蓋面為聚乙烯膜，膜厚為0.3 mm，透光系數(shù)為80%，脊頂部設有一個106 m×0.5 m 的扒縫式通風口，兩肩各設有106 m×1.75 m 的可卷動通風口，前棚面兩側設有1.85 m×1.75 m 的雙扇門，后棚面設有1.7 m×0.8 m 的單扇門，種植的果樹為冬棗，高度為2.2 m 左右，夏季的適宜溫度[3]不超過35 ℃，相對濕度不超過85%。大棚內部結構和外貌圖及大棚軸測圖，正視圖如圖1 所示：

圖1 測試大棚結構示意圖及正視圖

1.2 測試方案

測試于2018 年8 月10 日-8 月11 日進行，天氣以晴天為主，自然通風條件為天窗及側窗全開。主要測試了冬棗大棚內不同高度的溫濕度，大棚內水平方向的溫濕度，各圍護結構及地面的溫度，棚外風速等。

對棚內溫濕度測試的測點布置示意圖如圖2，圖中黑點代表布置的27 個溫濕度測點，在各測點位置均設置一個溫濕度模塊，測試時間為8:00-19:00，測試的時間間隔為每0.5 h。采用型號為RR002 的溫濕度記錄儀TR，溫度測量范圍為-10～50 ℃，精度為±0.5 ℃，分辨率為0.1 ℃。濕度測量范圍為0～95%RH，精度為±3%RH，分辨率為0.1%RH。棚內地面溫度采用手持式紅外線壁溫儀測得，每小時測一次。棚外地表溫度主要采用型號為TA8202 的手持式紅外線壁溫儀測得，測量范圍為-50～580 ℃，測量物距比為12:1，精度為±1 ℃，分辨率為±0.1 ℃，響應時間為8～14 μm&500 ms。室外風速采用型號為TSI9565 的熱式風速測試儀測得，測量范圍為0～50 m/s，精度為±0.015 m/s，分辨率為0.01 m/s。用TSI 風速儀每1 h 測一次室外和各通風口距地面1 m 處的風速。棚內外太陽輻射采用型號為SM206 的手持式高精度太陽能功率計測試范圍為1～3999 W/m2，精度為測量值±5%、±10 W/m2，分辨率為0.1 W/m2、0.1 Btu/(ft2·h)。

圖2 溫濕度測點示意圖

2 基于CFD 的大棚溫濕度模型的建立

2.1 大棚物理模型的建立

大棚環(huán)境中涉及的主要物理過程的熱量平衡是一個相當復雜的問題。整體來看，大棚內外主要涉及的熱平衡包括棚內空氣熱平衡、透光薄膜熱平衡和地面熱平衡。在本文中，在不影響模擬精確度的前提下，針對所測試的圓拱形冬棗大棚做了一些簡化和假設：棚膜溫度分布均勻，忽略土壤的蒸發(fā)作用，棚膜傳熱采用固定傳熱系數(shù)計算。

簡化后的物理模型如圖3 所示。

圖3 大棚熱平衡物理模型

2.2 基本控制方程及湍流模型

在大棚溫度場的數(shù)值計算過程中，大棚內氣體當作由水蒸氣和干空氣組成的混合氣體?；旌蠚怏w在流動的過程中遵循質量、動量、能量守恒方程，通用的形式為[4]：

式中：φ 為通用傳輸量；ρ 為流體密度；t 為時間；u 為流體速度矢量；Jφ為擴散通量；Sφ為廣義源項；Гφ為通用變量φ 的有效交換系數(shù)。

壁面使用無滑移壁面條件，近壁處氣流流動采用標準壁面函數(shù)法，采用Fluent 軟件對以上方程求解獲得大棚內外溫濕度場和氣流場的分布狀態(tài)。

2.3 輻射模型

由于DO 模型適用性比較廣，可計算非灰度輻射,僅有DO 輻射模型可對接收太陽輻射的半透明材質進行設定[5]，故而選取DO 模型進行模擬。方程如下：

2.4 組分輸運模型

自然通風過程中，室內濕空氣的流動過程可用組分傳輸守恒方程描述：

式中：Yi為混合物中第i 種組分的質量分數(shù)；Ri為化學反應的凈產生速率，本文為零；Si為離散相及用戶定義的源項引起的額外產生速率；Ji為第i 種組分的擴散通量；Di,m為第i 種組分的質量擴散數(shù)。

濕空氣中水蒸氣的質量濃度Yw滿足了質量守恒方程[6]：

2.5 多孔介質模型

采用動量源項來描述作物的拖動效應，作物動量的源項可用式[7]：

式中：ILA為葉面積密度，m2/m3；Cd為作物冠層阻力系數(shù)；u 為冠層高度空氣的平均速度，m/s。

大棚內作物與環(huán)境之間存在溫度差，作物與環(huán)境之間的顯熱交換主要由作物冠層的空氣動力學特性決定，其表達式為[8]：

式中：cp為空氣的比熱容；LAI 為冬棗葉面積指數(shù)；Tcanopy為棗樹冠層溫度；ra為作物葉片空氣動力學阻力。根據(jù)前人研究得[8]：

式中：dleaf為作物葉片特征長度。

在模擬計算中忽略作物的潛熱影響。

3 數(shù)值模擬

3.1 離散化

本文選取整個冬棗大棚為計算域，采用笛卡爾坐標系，以大棚正北、正西、高度方向分別位為X 軸、Y軸、Z 軸正方向。根據(jù)原型尺寸，對大棚進行三維幾何建模。由于大棚結構不規(guī)則且復雜，因此在本研究中大棚內部采用非結構化四面體網格單元進行網格劃分。將作物設定為，截面為寬1.5 m，高1 m 的等腰三角形，長為100 m 的三棱柱，作物冠層區(qū)域為1～2.2 m。網格質量按照Equi Angle Skew 標準進行控制。另外，大棚通風口進行加密處理。如圖4，大棚內部網格尺度設為0.5 m×0.5 m，總共劃分了1199295 個網格單元。

圖4 大棚網格劃分

3.2 邊界條件

模型邊界條件包括棚外氣象條件、大棚圍護結構、太陽輻射、棚內地面、棚內作物等。其中，棚內地面設為溫度邊界條件，給定實測地面溫度。大棚各薄膜主要通過對流換熱、輻射換熱的方式與棚內外發(fā)生熱量交換，設為混合傳熱類型，同時設置為半透明材料，太陽輻射由DO 模型根據(jù)設置的經緯度及實測太陽輻射強度、日期等加載得到。進口為正北向一個入口與正東向兩個入口，風速為實測得到，設置為速度入口條件。出口為頂部通風口和正南向通風口，設為自由出口條件。棚內作物設置為多孔介質。

3.3 具體參數(shù)設置

模型的具體參數(shù)設置主要根據(jù)測試數(shù)據(jù)，大棚材料屬性如表1 所示。

表1 主要材料物性參數(shù)

3.4 運行環(huán)境

本文建模和網格劃分選擇軟件ANSYS ICEM CFD19.2，方程求解選用Fluent19.2。以測試日期2018年8 月10 日14:00 實測值為初始值。其中棚外風速為0.96 m/s，風向為東北風，平行于地面，入口空氣溫度為38 ℃，相對濕度為59%。棚內地面溫度為57.5 ℃。棚膜的對流換熱系數(shù)為10.89 W/(m2·K)，太空輻射溫度為16.5 ℃。采用SECOND UPWIND 格式進行離散化處理，壓力一速度耦合求解。采用SIMPIEC 半隱式算法求解，應用分離式求解器對各守恒方程進行3D 穩(wěn)態(tài)數(shù)值求解。

4 測試結果分析與模型驗證

模擬值和實測值之間的符合度采用均方根誤差（RMSE）、最大相對誤差（MRE）、平均相對誤差（ARE）來量化表示[9-10]。

4.1 測試結果分析

從圖5 棚內外氣溫的對比圖中我們可以看到：從6:00 開始，隨著太陽輻射的增強和棚外溫度的升高，棚內溫度一直在上升，維持在25～47 ℃之間。棚內溫度比棚外溫度高，最大溫差在10 ℃左右，說明大棚增溫效果顯著。棚內溫度在9:00-12:00 升高最快，每小時升高5 ℃左右，其后漸緩。13:00 時左右棚內溫度達到最高，隨后逐漸下降，在14:00 左右氣溫達到最高值，大棚內外溫差可達15 ℃以上，隨后逐漸下降。大棚內溫度上升時間與太陽輻射變化相比有一定的延遲，約為1 h，由此可見太陽輻射是大棚內增溫的主要原因。14:00-19:00 平均每1 h 下降3 ℃左右。20:00 之后溫度變化范圍不超過5 ℃，夜晚溫度較為平緩。

圖5 不同時刻大棚內外平均氣溫

由圖6 可看出，棚內外濕度的變化趨勢正好相反。晴天時，凌晨和晚上的濕度值較高，最大值超過90%，甚至接近100%。在中午時段，由于通風使得水汽被帶走，濕度曲線明顯下降，在15:00 時降到最低值43%，之后漸漸升高，中午時段溫室內外濕度相差較小，約為5%。超過85%的時間段為21:00 至第二天9:00，對棗樹生長不利?？梢钥闯?，大棚內溫濕度變化與棚外溫濕度變化密切相關。

圖6 不同時刻大棚內外相對濕度

4.2 模型驗證與誤差分析

為驗證預測模型的準確性和有效性，將大棚內內各測點溫濕度模擬值與實測值進行比較，結果如圖7所示。從圖7a 可以看出，溫度模擬值與實測值較為吻合，絕對偏差在0.1～1.7 ℃之間，RMSE 為1.0745 ℃，MRE 為3.53%，ARE 為2.25%。圖6b 顯示自然通風條件下相對濕度度模擬值與實測值吻合較好，絕對偏差在0.3%～5.3%之 間，RMSE 為3.2726%，MRE 為11.04%，ARE 為5.96%。從誤差分析結果看出，雖然模擬值與實測值存在一定偏差，但整體分布較一致，因此所建立的模型能夠可靠準確地體現(xiàn)了大棚的溫濕度分布。

圖7 溫濕度模擬值與實測值對比

分析實測值與模擬值之間產生誤差的原因是：大棚內的溫濕度模塊在進行測量時吸收太陽輻射造成本身溫度升高，對實測值有一定的影響。太陽輻射不能完全按照DO 輻射模型的規(guī)律進行變化。由于薄膜的比熱容較小，將整個薄膜的溫度視為均勻的，使得局部溫度出現(xiàn)偏差。作物與空氣及圍護結構的熱交換過程較為復雜，所作模型做了一定程度的簡化，同時也忽略了作物與空氣之間的潛熱交換。

4.3 模型結果分析

對大棚東、中、西3 個分別距大棚東側23 m、53 m、83 m 處的垂直剖面的溫度分布進行模擬，如圖8所示。從圖8a 中可以看出，三個垂直剖面沿著南北方向均存在明顯的溫度梯度，大棚西、中、東部的溫度范圍分別為40～49 ℃、40～51 ℃、40～49 ℃。0～1 m 區(qū)域為相對低溫區(qū)域，溫度分布相對較均勻。在1～2.2 m 區(qū)域內，由于植物劇烈的蒸騰作用以及對氣流的阻滯作用，導致這一區(qū)域溫度出現(xiàn)明顯的南北差異，越往南側溫度越高。2.2～3.8 m 區(qū)域內，頂部通風口的“抽吸”作用及熱空氣的急劇上升，使得南北溫度差異減小，沿高度方向差異較明顯。在作物生長的區(qū)域內，溫度范圍為40～46 ℃，不利于棗樹生長。由圖8b 可以看出，大棚內前、中、后三個垂直截面處相對濕度分布趨勢大體相同，均為北側高與南側，底部高于頂部。無作物區(qū)域相對濕度變化趨勢與溫度分布趨勢大致相反，冬棗生長區(qū)域平均相對濕度為45%，冠層區(qū)域相對濕度較高，這與植物蒸騰作用密切相關。

圖8 大棚橫向垂直面溫濕度及速度分布云圖

5 基于CFD 模型的大棚通風策略

1）白天通風降溫。白天時的通風驅動力僅為大棚內部熱源造成的熱壓，不能很好地達到通風換氣效果，故引入太陽能煙囪＋濕簾風機，利用“煙囪效應”和濕簾風機的降溫增濕原理來加強通風效果。

2）夜間通風降溫排濕。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，夜間溫度底，并且無太陽輻射，水分蒸發(fā)量少，棚內外濕度都接近飽和。需要借助機械通風使得相對濕度降低至85%以下，如采用除濕機除濕。

3）通風策略。經過對實測數(shù)據(jù)和CFD 模擬結果分析可以得到：9:00-18:00 棚內溫度超過35 ℃，利用太陽能煙囪＋濕簾風機進行降溫。18:00-21:00，進行自然通風。21:00-9:00 棚內相對濕度超過85%，利用除濕機除濕。

6 結論

1）針對模擬結果做了分析，發(fā)現(xiàn)沿著南北方向均存在明顯的溫度梯度。作物冠層區(qū)域風速較低，沿中心向四周風速逐漸增大，其中，底部風速高于頂部風速。不同截面相對濕度分布趨勢大體相同，均為北側高與南側，底部高于頂部。無作物區(qū)域相對濕度變化趨勢與溫度分布趨勢大致相反，然而冠層區(qū)域相對濕度較高，這與植物蒸騰作用密切相關。

2）經過對實測數(shù)據(jù)和CFD 模擬結果分析可以得到：9:00-18:00 棚內溫度超過35 ℃，利用太陽能煙囪＋濕簾風機進行降溫。18:00-21:00，進行自然通風。21:00-9:00 棚內相對濕度超過85%，可利用除濕機濕。

3）后續(xù)將針對誤差分析的每一項進行完善，使誤差盡可能減小。對不同氣象條件下大棚的溫濕度分布進行模擬，使模型更加完整。嘗試與智能化控制相結合，應對不同天氣狀況能夠自動調節(jié)至合適溫濕度。