尉 瑩，邱天龍，杜以帥，陳福迪，徐建平，李 葉，孫建明

( 1.中國科學院 海洋研究所，實驗海洋生物學重點實驗室，山東 青島 266071； 2.中國科學院大學， 北京 100049； 3.中國科學院 海洋大科學研究中心，山東 青島 266071 )

我國的溫室類型主要以玻璃溫室、塑料大棚和日光溫室為主[1]，且多用在種植領(lǐng)域[2]。水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域溫室多照搬種植溫室的形式，沒有針對水產(chǎn)養(yǎng)殖的需要進行規(guī)劃設(shè)計，導(dǎo)致水產(chǎn)溫室內(nèi)部夏季溫度、濕度高，勞動生產(chǎn)環(huán)境差；冬季溫室熱量分布不均，太陽能利用率低。隨著國家節(jié)能減排工作的推進，燃煤鍋爐等傳統(tǒng)加溫設(shè)備被禁用，同時油、氣及電熱鍋爐加熱成本高，導(dǎo)致我國北方地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)冬季大多處于停產(chǎn)狀態(tài)。因此，提高太陽能利用效率，已成為我國北方發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的迫切需要。中空膜無小梁太陽能全光水產(chǎn)溫室是充分考慮了上述問題提出的全新設(shè)計，溫室采用大間距雙層膜全光結(jié)構(gòu)，兼顧高效蓄熱與保溫性能；溫室骨架由成套的標準化鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制件組建，具有組建規(guī)模靈活、安裝便捷、強度高、內(nèi)部空間開闊等優(yōu)點；氣/水換熱裝置可以將空氣熱量實時轉(zhuǎn)移到養(yǎng)殖水體當中，提高熱能利用效率和改善勞動環(huán)境。

筆者采用計算流體力學方法對溫室建模和小氣候模擬，通過實地測試與研究驗證，查明溫室內(nèi)部溫度場分布及變化規(guī)律，為溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化、保溫策略、高溫點熱量采收、熱能蓄積方法和車間環(huán)境降溫等提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗時間與地點

試驗時間為2019年3月31日—5月26日；試驗地點為遼寧省沈陽市蘇家屯區(qū)(N 41°38′，E 123°17′)，建筑四周開闊無遮擋物。

1.2 供試溫室

供試溫室(圖1，專利號：CN201810139468.7)長8.0 m，寬6.0 m，高3.5 m，南北走向。所有墻體均用聚氯乙烯雙層薄膜覆蓋，骨架為成套標準化鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制件(圖2)，預(yù)制件雙面C型槽間距146 mm，溫室內(nèi)部無承重柱和小梁。

1.3 測試儀器

HOBO U12-012 溫度、濕度、光照、外部通道記錄儀。溫度測量范圍：-20～70 ℃，精度：±0.35 ℃；相對濕度：5%～95%，精度：±2.5%；光照度：1～32 291 lx。

圖1 中空膜無小梁太陽能水產(chǎn)溫室Fig.1 Trabeculeless solar aquaculture greenhouse with hollow membrane

圖2 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制件斷面Fig.2 Section of prefabricated steel structure

1.4 測點布置

環(huán)境因子測量點共設(shè)置20個。0、1、2、3 m水平面上各設(shè)置1組，每組5個測量點，分別位于東南西北各邊線中點向中央偏離50 cm處和室內(nèi)中央。墻體環(huán)境因子測量點15個。5點為1組，每組位于同一墻體，分別置于室內(nèi)和室外、中空膜內(nèi)膜和外膜上以及中空膜中間。測點每15 min采集1次數(shù)據(jù)，采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理分析及圖表制作。

1.5 模型建立

通過Fluent 18.0對中空膜水產(chǎn)溫室進行48 h連續(xù)模擬，設(shè)置x軸正向為正東方向，y軸正向為正北方向，用太陽射線跟蹤算法加載太陽輻射模型，采用DO輻射模型[3]，初始值為溫室內(nèi)部的平均溫度，室外空氣溫度作為邊界條件，室內(nèi)空氣設(shè)定為溫差作用下的自然對流，湍流模式采用標準k-ε方程模型，其他供試溫室材料的物理特性參數(shù)及邊界條件參數(shù)見表1。

表1 邊界參數(shù)取值Tab.1 Boundary parameter values

2 結(jié)果與分析

2.1 水平面溫度場

2.1.1 0 m水平面結(jié)果與分析

通過模擬結(jié)果(圖3)和試驗結(jié)果(圖4)可知，在6:00—13:00，東部升溫最快、南部升溫最慢。模擬結(jié)果東部邊界溫度最高，為主要熱量來源，南部顏色較淺，溫度最低；試驗結(jié)果在日出后，東部升溫最快、溫度最高，南部升溫最慢、溫度最低。試驗結(jié)果在約12:00時東部溫度出現(xiàn)峰值48.9 ℃，模擬結(jié)果峰值出現(xiàn)的時間略早于12:00，峰值偏低。13:00—19:00，模擬結(jié)果南部溫度最低，西部出現(xiàn)深色高溫圈，溫度高于中部；試驗結(jié)果13:00西部溫度開始高于中部，東部>西部>中部的溫度格局一直持續(xù)至20:00左右，北部溫度全天高于南部，溫差在13:00最大為6 ℃。19:00—翌日6:00，模擬結(jié)果顏色趨向均勻，邊界顏色深，溫室從邊界向四周散熱；試驗結(jié)果溫室內(nèi)部各點溫差逐漸減小至1 ℃以內(nèi)。

2.1.2 1 m水平面結(jié)果與分析

通過模擬結(jié)果(圖5)和試驗結(jié)果(圖6)可知，1 m水平面在6:00—13:00，東部升溫快：模擬結(jié)果中東部邊界顏色淺，為主要熱量來源，溫度場在南北向上呈波紋形，南部顏色較淺，溫度略低；試驗結(jié)果顯示，在日出后，東部、中部升溫最快、溫度最高，南部升溫最慢、溫度略低。14:00左右各試驗點溫度達到峰值，在47.7 ℃以上，而模擬結(jié)果峰值出現(xiàn)在13:00為47.8 ℃。13:00—19:00，外界溫度最先降低，模擬結(jié)果中溫室出現(xiàn)明顯邊界深色區(qū)域，內(nèi)部溫度場出現(xiàn)差異，西部、中部、北部降溫慢；試驗結(jié)果在14:00后溫度下降，西部、北部降溫較南部、東部慢，形成1～2 ℃的溫差。19:00—翌日6:00，模擬結(jié)果顏色趨向均勻，試驗結(jié)果折線趨向一致。

圖3 0 m水平面不同時刻模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of 0 m horizontal plane at different timea.6:00; b.13:00; c.19:00; d.0:00；a、b參考上方圖例，c、d參考下方圖例；下同.a.6:00; b.13:00; c.19:00; d.0:00; the upper legend for a and b; the below legend for c and d; et sequentia.

圖4 0 m水平面試驗結(jié)果Fig.4 Test results of 0 m horizontal plane

2.1.3 2 m水平面結(jié)果與分析

通過模擬結(jié)果(圖7)和試驗結(jié)果(圖8)可知，2 m水平面和1 m水平面結(jié)果相似。在6:00—13:00，東部升溫快：模擬結(jié)果中東部邊界顏色淺，為熱源，溫度場在南北向上呈波紋形，且較1 m水平面幅度大，南部顏色淺，溫度低；試驗結(jié)果顯示，日出后，東部升溫最快、溫度最高，8:00高于其他監(jiān)測點8 ℃。模擬結(jié)果和試驗結(jié)果均在13:00左右溫度出現(xiàn)峰值。13:00—19:00，模擬結(jié)果中也出現(xiàn)南北向波紋狀，溫度北高南低；試驗結(jié)果中，西部、北部溫度下降較南部、東部慢，15:00溫差最大達3 ℃。19:00—翌日6:00，模擬結(jié)果顏色趨向均勻，試驗結(jié)果折線趨向一致，模擬結(jié)果較試驗結(jié)果溫度偏低。

2.1.4 3 m水平面結(jié)果與分析

通過模擬結(jié)果(圖9)和試驗結(jié)果(圖10)可知，3 m水平面相較于1、2 m水平面整體各點溫差增大。模擬結(jié)果與試驗結(jié)果一致。在6:00—13:00，東部升溫快：模擬結(jié)果中東部邊界顏色淺，為熱源，北部顏色深，溫度高；試驗結(jié)果顯示，日出后，東部升溫最快、溫度最高，13:00左右溫度出現(xiàn)峰值為54.4 ℃。13:00—19:00，模擬結(jié)果中北部有高溫淺色區(qū)域，南部有低溫深色區(qū)域；試驗結(jié)果中，西部、北部溫度下降較南部、東部慢，北部溫度略高于南部。19:00—翌日6:00，模擬結(jié)果顏色趨向均勻，試驗結(jié)果各點溫差縮小至1 ℃內(nèi)。

圖5 1 m水平面不同時刻模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of 1 m horizontal plane at different time

圖6 1 m水平面試驗結(jié)果Fig.6 Test results of 1 m horizontal plane

圖7 2 m水平面不同時刻模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results of 2 m horizontal plane at different time

圖8 2 m水平面試驗結(jié)果Fig.8 Test results of 2 m horizontal plane

圖9 3 m水平面不同時刻模擬結(jié)果Fig.9 Simulation results of 3 m horizontal plane at different time

圖10 3 m水平面試驗結(jié)果Fig.10 Test results of 3 m horizontal plane

2.2 垂直面溫度場

2.2.1 東西垂直面結(jié)果與分析

通過模擬結(jié)果(圖11)和試驗結(jié)果(圖12)可知，東西垂直面在6:00—19:00，頂部溫度高：模擬結(jié)果中頂部邊界顏色變淺，為主要熱源；試驗結(jié)果顯示，3 m監(jiān)測點溫度折線高于其他高度監(jiān)測點溫度折線。13:00左右溫度出現(xiàn)峰值：模擬結(jié)果中部溫度場顏色均勻，頂部和底部溫差大；試驗結(jié)果也顯示頂部與底部在13:00溫差最大可達10 ℃以上。夜晚底部溫度最高：模擬結(jié)果中底部顏色更暖為熱源；試驗結(jié)果中底部溫度最高，4:00與頂部最大溫差

圖11 東西垂直面不同時刻模擬結(jié)果Fig.11 Simulation results of east-west vertical planes at different time

圖12 東西垂直面試驗結(jié)果Fig.12 Test results of east-west vertical planea.東部垂直試驗溫度圖; b.西部垂直試驗溫度圖; c.中部垂直試驗溫度圖.a.east vertical test temperature chart; b.west vertical test temperature chart; c.middle vertical test temperature chart.

可達7 ℃。溫室東西向跨度大，試驗結(jié)果顯示上午東部溫度高，下午西部溫度高，且0 m水平面東西向溫度場分布最不均，1、2、3 m水平面溫度場在東西方向上分布的不均性隨高度的增加而增加；模擬結(jié)果中，6:00—13:00，東部邊界顏色先變淺，為主要熱源，溫度場中部有低溫區(qū)域，13:00—19:00底部溫度下降慢，頂部溫度下降快，內(nèi)部溫度場出現(xiàn)波紋形狀。夜晚模擬結(jié)果顏色趨向均勻，試驗結(jié)果各點溫差縮小。

2.2.2 南北垂直面結(jié)果與分析

通過模擬結(jié)果(圖13)和試驗結(jié)果(圖14)可知，南北垂直面在6:00—19:00，頂部溫度高：模擬結(jié)果中頂部邊界顏色變淺，為主要熱源；試驗結(jié)果顯示，3 m監(jiān)測點溫度折線高于其他高度監(jiān)測點溫度折線。13:00左右溫度出現(xiàn)峰值：模擬結(jié)果中部溫度場顏色均勻，頂部和底部溫差大；試驗結(jié)果顯示，頂部與底部在13:00溫差最大可達14 ℃以上。夜晚底部溫度最高：模擬結(jié)果中底部顏色更暖為熱源；試驗結(jié)果中底部溫度最高，4:00與頂部最大溫差可達7 ℃。溫室南北向跨度較小，試驗結(jié)果顯示，1、2、3 m水平面南北溫差不大，<2 ℃，0 m水平面在13:00時溫差最大，北部比南部高6 ℃；模擬結(jié)果中熱量自北向南呈半圓型擴散，中午北部有小范圍高溫圈，南部有小范圍低溫圈。夜晚模擬結(jié)果顏色趨向均勻，試驗結(jié)果各點溫差縮小。

圖13 南北垂直面不同時刻模擬結(jié)果Fig.13 Simulation results of north-south vertical plane at different time

圖14 南北垂直面試驗結(jié)果Fig.14 Test results of north-south vertical planea.中部垂直試驗溫度圖; b.南部垂直試驗溫度圖; c.北部垂直試驗溫度圖.a.vertical test temperature chart in the middle; b.vertical test temperature chart in the south; c.vertical test temperature chart in the north.

2.3 典型墻體溫度場

為更好地研究新型水產(chǎn)溫室內(nèi)部溫度場形成原因，參考日光溫室墻體厚度與墻體材料對內(nèi)部環(huán)境的重要影響[6]，對水產(chǎn)溫室雙層膜墻體進行預(yù)試驗，結(jié)果顯示，南部雙層膜墻體內(nèi)外溫差最大，北部雙層膜墻體內(nèi)外溫差最小，東西部墻體溫度變化小，且規(guī)律與南北部墻體相同。故針對新型水產(chǎn)溫室的南部、頂部和北部中空膜墻體進行深入研究，試驗結(jié)果如下：

2.3.1 南墻

南墻1 d內(nèi)的溫度變化整體呈單峰型，最高溫度出現(xiàn)在13:00左右，中空膜間溫度可高達52.7 ℃。日出后，各點溫度上升，10:00前，室內(nèi)溫度最高，南墻非熱源；10:00—16:00膜間溫度最高，11:00可高出內(nèi)側(cè)膜14 ℃。16:00后，內(nèi)側(cè)膜溫度開始高于室內(nèi)溫度2～3 ℃，南墻成為熱源。因溫度存在滯后性的特征，不同材料的熱性質(zhì)也不同，13:00—14:00內(nèi)側(cè)膜溫度略高于室內(nèi)，溫度3 ℃，溫室也處于從南墻吸熱狀態(tài)。18:00—翌日6:00，內(nèi)側(cè)膜溫度最高，比內(nèi)部高約1 ℃，熱量從南墻流失(圖15)。

2.3.2 頂棚

頂棚1 d內(nèi)的溫度變化整體呈單峰型(圖16)，最高溫度出現(xiàn)在11:00左右，為53.4 ℃。日出后，內(nèi)側(cè)膜溫度上升最快，8:00高于室內(nèi)4 ℃，高于膜中間10 ℃，溫室自頂棚吸收熱量。夜間18:00—翌日5:30，內(nèi)側(cè)膜溫度最高，比內(nèi)部高約1 ℃，比膜中間高2～7 ℃，熱量流失。

問卷調(diào)查抽樣方法 采用多階段隨機抽樣的方法，在舉行過“校園行”活動的38所高校中，整群隨機抽取8所高校，在抽中的每所高校中，按照大一、大二、大三、大四(包括大五)的年級劃分，每年級整群抽取1個班級，每所學校共4個班級的學生作為研究對象。

圖15 南墻試驗溫度變化Fig.15 Temperature change in the south wall test

圖16 頂棚試驗溫度變化Fig.16 Temperature change in ceiling test

2.3.3 北墻

北墻1 d內(nèi)溫度變化整體呈單峰型，最高溫度出現(xiàn)在中午12:00左右。內(nèi)部溫度全天高于內(nèi)側(cè)膜，8:00溫差最大為6 ℃，13:00膜中間與外側(cè)膜溫差最大為17 ℃，全天放熱(圖17)。

3 討 論

水溫是影響動物繁殖與生長的主要環(huán)境因子[7]，在養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中，水體升溫所需的能源費用占生產(chǎn)成本的比例很大。因此，提高水產(chǎn)溫室的有效采光面積、保溫性能和掌握溫室內(nèi)部溫度場分布規(guī)律，對合理設(shè)計溫室結(jié)構(gòu)和太陽能的高效利用至關(guān)重要。

圖17 北墻試驗溫度變化Fig.17 Temperature change in the north wall test

3.1 溫室對太陽光的采集

長期以來如何提高溫室的光照時長和光照量一直是國內(nèi)外專家研究的重要課題。目前研究多集中于改變采光面弧度和采光面材料的透光性上，研究表明，在相同的高差范圍下，采用不同曲線的溫室采光面，其采光效果差異很小[8]。因此，單純通過改變溫室采光面的曲率，不能從根本上解決日光溫室現(xiàn)存的采光不足、保溫困難等問題。而透光材料的透光率通常為80%～90%[9]，93%以上透光率的材料價格又很高[10]，絕大多數(shù)溫室難以采用。齊振宇等[11]對Venlo式溫室展開研究發(fā)現(xiàn)，晴天條件下，屋頂全開啟型Venlo式溫室(A溫室)的平均透光率為53.7%，而屋頂通風窗型Venlo式溫室(B溫室)為45.7%，陰天條件下A溫室的平均透光率為52.1%， B溫室為44.8%。新型水產(chǎn)溫室通過頂部無小梁全光構(gòu)造，增大了主動采光的面積，有效減少了頂部小梁和墻體影子對太陽光的遮擋，延長了溫室對太陽光的采集時長，從而提高溫室的太陽能利用率。

3.2 溫室對養(yǎng)殖水體溫度的調(diào)節(jié)

在冬季養(yǎng)殖生產(chǎn)時，需對養(yǎng)殖水體進行加熱，傳統(tǒng)水產(chǎn)溫室加熱養(yǎng)殖水體通常采用燃煤、燃氣、燃油或生物質(zhì)鍋爐，增加了生產(chǎn)成本和環(huán)境保護壓力[12]。新型水產(chǎn)溫室以太陽能為熱源，養(yǎng)殖水體為蓄能介質(zhì)。溫室白天南墻膜間溫度最高可達52.7 ℃，膜間溫度與室溫存有15 ℃溫差，頂棚膜間溫度最高為50.8 ℃，膜間溫度與室溫有13.1 ℃的溫差。風道在園藝設(shè)施中應(yīng)用較為廣泛，通常作為土壤及墻體熱量傳遞的載體，利用空氣進行熱交換操作簡便、效果明顯[13]。在本試驗中利用養(yǎng)殖水體高比熱、大體積的特點，可在南墻、棚頂、東墻和西墻高處設(shè)置多個熱量采集口，將膜間熱量導(dǎo)出，并通過氣(水)換熱設(shè)備將溫室中的空氣熱量收集和儲存于養(yǎng)殖水體中，在這個過程中不僅能提高養(yǎng)殖水體的溫度，同時也降低了養(yǎng)殖車間的環(huán)境溫度；夜間則通過溫室內(nèi)的養(yǎng)殖水自然放熱來維持溫室溫度。達到提高太陽能利用率和增加養(yǎng)殖水體溫度的目的。

3.3 溫室保溫性能改進策略

保溫覆蓋材料的熱傳遞是導(dǎo)熱、對流和輻射3種基本傳熱方式的復(fù)合過程，傳熱系數(shù)是從總體上反映保溫覆蓋材料保溫性能的綜合性指標，目前多采用NY/T 1831-2009《溫室覆蓋材料保溫性能測定方法》[14]在實驗室或在使用中的溫室現(xiàn)場進行試驗直接測定，傳熱系數(shù)越低則傳熱阻及熱節(jié)省率越高，其保溫性能越好[15]，傳熱系數(shù)按下式計算：

式中，K為傳熱系數(shù)[W/(m2·℃)]；Φ為單位時間通過覆蓋材料的熱流量(W)；A為覆蓋材料的熱面積(m2)；Δt為覆蓋材料兩側(cè)空氣溫度差(℃)。

由表2可知，上述材料的保溫性能依次為：保溫被>磚墻>中空膜>塑料板>草簾>單層玻璃>塑料薄膜。

表2 覆蓋材料傳熱系數(shù)表Tab.2 Heat transfer coefficient of cover materials

本試驗通過模型模擬和實地測量，發(fā)現(xiàn)溫室內(nèi)北部溫度略高于南部，造成溫度場北高南低的原因可能有：試驗溫室位于N 41°38′，E 123°17′，緯度高，根據(jù)太陽高度角按下式計算：

sinh=(sinφ·sinσ+cosφ·cosσ)·cost

式中，h表示太陽高度角，σ表示太陽赤緯，φ表示地理緯度，t表示地方時。

試驗時，太陽赤緯從南回歸線向赤道移動，試驗溫室所在地太陽高度角不斷減小，北部接收到頂部的太陽能較多。另外根據(jù)氣流模擬結(jié)果顯示，南部空氣受熱后上升，沿頂部往北部運動，到達北墻后受冷下降，又往南部運動，形成內(nèi)部氣流環(huán)流，也幫助了內(nèi)部北部熱量的積累。而試驗結(jié)果表明，北部墻體溫度全天低于北部室內(nèi)溫度，根據(jù)熱力學第二定律，熱量不能自發(fā)地由低溫物體傳導(dǎo)到高溫物體，所以北墻一直在流失熱量。因此需要對北墻加強保溫措施。從熱工方面分析，溫室較理想的墻體內(nèi)側(cè)應(yīng)由吸熱蓄熱能力較強的材料組成蓄熱層，外側(cè)由導(dǎo)熱、放熱能力較差的材料組成保溫層，中間應(yīng)為隔熱層[18-19]。異質(zhì)復(fù)合墻體比單一材料的夜間保溫效果好，且尤以外層為苯板的保溫效果最好[20]。而墻體內(nèi)填充的隔熱層，保溫性的優(yōu)劣為：珍珠巖>煤渣>鋸末>空氣[21]。佟國紅等[22-23]在對日光溫室墻體傳熱特性的研究中發(fā)現(xiàn)，聚苯板可作為墻體的保溫材料，磚可作為墻體的蓄熱材料。所以新型中空膜水產(chǎn)溫室可以選用聚苯板和磚墻對北面墻體進行改進，以提高新型中空膜無小梁水產(chǎn)溫室保溫效果。

4 結(jié) 論

本試驗以中空膜無小梁全光太陽能水產(chǎn)溫室為研究對象，利用計算流體力學軟件對溫室內(nèi)部溫度場變化進行模擬及現(xiàn)場測試驗證，得出以下結(jié)論：

(1)以溫室中空膜墻體、地面太陽輻射強度與室外的空氣溫度為輸入條件，綜合考慮溫室墻體導(dǎo)熱，室內(nèi)外空氣對流換熱、輻射換熱等因素，利用計算流體力學軟件模擬溫室內(nèi)部溫度場變化，經(jīng)與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)對比，結(jié)果吻合較好，說明采用計算流體力學模擬溫室內(nèi)部溫度場的變化是可行的，可靠性較高。

(2)溫室內(nèi)不同高度水平面，東西向、南北向垂直面以及墻體膜間溫度場分布不均。水平方向：南北向溫度場呈波紋狀，北高南低，頂部為其提供主要熱源；東西向溫度場日出后東部升溫快、溫度高，為主要熱源，0、1、2、3 m水平面分別在12:00、14:00、13:00、13:00溫度達到最高值，為48.9、49.7、45.8、56.2 ℃，之后西部熱量輸入增多，溫度下降較東部慢，西部成為主要熱源。夜晚各點溫差減小到1 ℃以內(nèi)。垂直方向：白天頂部升溫最快、溫度最高，為主要熱源，夜晚底部溫度最高，土壤熱輻射為主要熱源，溫度場趨向均勻。

(3)溫室墻體存在膜間熱量大，且難以輸出的問題，可采用氣(水)換熱的方法將膜間熱空氣導(dǎo)出，把熱量轉(zhuǎn)移到養(yǎng)殖水體。北部墻體熱量散失量遠大于吸收量，需進行保溫優(yōu)化，考慮選用聚苯板和磚墻復(fù)合結(jié)構(gòu)替代北面中空膜全光墻體。