許紅軍，曹晏飛，李彥榮，阿拉帕提，高 杰，蔣衛(wèi)杰，鄒志榮

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基于CFD的日光溫室墻體蓄熱層厚度的確定

許紅軍1,2，曹晏飛1，李彥榮2，阿拉帕提2，高 杰2，蔣衛(wèi)杰2，鄒志榮1,2※

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100； 2. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院，烏魯木齊 830052）

日光溫室墻體蓄放熱能力的優(yōu)劣取決于墻體蓄放熱特性與蓄熱層厚度，確定日光溫室蓄熱層厚度，對(duì)于推進(jìn)日光溫室墻體改進(jìn)意義重大。該研究以溫室內(nèi)太陽(yáng)輻射與室外氣溫作為輸入條件，按照試驗(yàn)溫室實(shí)際尺寸和相關(guān)關(guān)系進(jìn)行參數(shù)化建模并模擬計(jì)算不同月份墻體蓄熱層厚度。選擇烏魯木齊地區(qū)2018年1月－4月典型晴天進(jìn)行測(cè)試，以溫室地面、墻體表面的太陽(yáng)輻射為輸入條件，室外空氣溫度為邊界條件，利用Autodesk CFD軟件對(duì)晴天9:00至次日9:00的溫室磚墻內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并通過對(duì)比墻體內(nèi)部0、10、20、30、40、50 cm處溫度測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與模擬值驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，溫室墻體模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合度較高，1月9日、2月9日、3月6日各層平均誤差均在1.5 ℃以下，4月6日實(shí)際值與模擬值誤差較大，模擬值較實(shí)際值滯后，趨勢(shì)隨著深度與墻體溫度的升高而更加明顯。在溫室墻體材料、結(jié)構(gòu)、室內(nèi)外的光溫環(huán)境的共同影響下，溫室墻體傳熱是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)過程。磚墻溫室與土墻溫室類似，墻體可劃分為“保溫層、穩(wěn)定層、蓄熱層”，各層的厚度與墻體蓄熱材料、保溫材料的熱物性有關(guān)。對(duì)墻體溫度場(chǎng)、各層的溫度衰減因子以及延遲時(shí)間分析可知，墻體厚度在0～30 cm范圍內(nèi)，墻體溫度波動(dòng)較為明顯，墻體厚度大于30 cm時(shí)，溫室墻體一天內(nèi)溫度波動(dòng)較為平緩，波幅較小。隨著氣溫回升，溫室墻體內(nèi)部溫度整體提高，各層溫度波動(dòng)相差不大。在溫室結(jié)構(gòu)、保溫性能不變的情況下，溫室蓄熱層厚度及波動(dòng)情況受外界光溫環(huán)境的綜合影響較小。綜上所述，采用CFD模擬溫室墻體溫度場(chǎng)的變化，并根據(jù)溫室墻體溫度場(chǎng)變化確定溫室墻體蓄熱層厚度是可行的，可靠性較高。該研究可為其他區(qū)域優(yōu)選溫室墻體結(jié)構(gòu)，推進(jìn)日光溫室墻體改進(jìn)提供依據(jù)和參考。

溫室；墻體；計(jì)算機(jī)仿真；流體力學(xué)；蓄熱層厚度；傳熱性能

0 引 言

日光溫室以其優(yōu)良的保溫節(jié)能特性，在中國(guó)北方得到廣泛應(yīng)用。墻體作為日光溫室中最重要的圍護(hù)結(jié)構(gòu)兼有承重、保溫和蓄熱的功能，對(duì)于保持溫室氣溫的穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用[1-2]。墻體蓄放熱能力的優(yōu)劣，一方面與墻體材料的儲(chǔ)熱特性有關(guān)，另一方面取決于蓄熱層厚度。因此，確定日光溫室蓄熱層厚度，對(duì)于推進(jìn)日光溫室墻體改進(jìn)，推動(dòng)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展意義重大。

陳端生[3]早期就提出日光溫室理想的墻體結(jié)構(gòu)是內(nèi)側(cè)以吸熱、蓄熱能力強(qiáng)的材料組成蓄熱層，外側(cè)以導(dǎo)熱、放熱能力差的材料組成保溫層。已有大量研究表明，測(cè)試墻體內(nèi)部溫度，分析溫室蓄放熱特性，可為各地日光溫室墻體建造提供合理依據(jù)[4-8]。

張志錄等[9]在溫室測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，墻體內(nèi)部一定區(qū)域測(cè)點(diǎn)間溫度相同或很接近，日變化幅度很小，并將其定義為“穩(wěn)定層”?！胺€(wěn)定層”厚度與墻體厚度有關(guān)，位置及厚度隨季節(jié)而變化。黃雪等[10]根據(jù)溫室墻體受外界環(huán)境影響的大小，將墻體由內(nèi)到外劃分為“蓄熱層、過渡層、御冷層”，并提出確定各層的合理厚度即可確定溫室墻體的厚度。彭東玲等[11]通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，根據(jù)墻體內(nèi)熱流方向，將能向室內(nèi)方向放熱的薄壁為定義為“有效蓄熱層”，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果說明其厚度與墻體材料與天氣狀況有關(guān)。李明等[12]認(rèn)為蓄熱層厚度可根據(jù)墻體溫度波幅來(lái)確定，定義為溫波法。將蓄熱層定義為溫室室內(nèi)側(cè)墻體溫度波幅大于1 ℃的部分，并開發(fā)了基于一維差分法蓄熱層計(jì)算方法。白青等[13]將溫室墻體分為“波動(dòng)層、穩(wěn)定層、保溫層”，提出了一種利用溫波傳播速度計(jì)算墻體厚度的方法。

上述對(duì)于確定蓄熱層厚度的方法，多是基于單一土質(zhì)墻體，在試驗(yàn)測(cè)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行歸納總結(jié)得出蓄熱層的厚度。由于蓄熱層的厚度受材料、溫室熱環(huán)境的影響，要全面掌握各類日光溫室墻體的蓄熱性能與蓄熱層厚度，還需要通過其他方法進(jìn)行墻體導(dǎo)熱的理論研究與分析。

隨著計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）與數(shù)值傳熱學(xué)的不斷發(fā)展，多種CFD分析計(jì)算軟件被開發(fā)出來(lái)。佟國(guó)紅等[14-17]利用CFD技術(shù)分析溫室內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化，測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果吻合度較高，并討論了不同模擬條件對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確度的影響。張林華等[18-19]通過對(duì)于下沉式日光溫室溫度場(chǎng)及保溫性進(jìn)行了分析。張勇等[20-21]分析了主動(dòng)蓄熱結(jié)構(gòu)與不同厚度方式下溫室內(nèi)部的溫度變化，指出采用CFD技術(shù)分析溫室溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，準(zhǔn)確度較高，對(duì)于溫室設(shè)計(jì)及溫度環(huán)境控制具有理論指導(dǎo)意義。

綜上所述，中國(guó)對(duì)于溫室墻體蓄熱層厚度確定的研究較少。對(duì)于蓄熱層的定義、測(cè)試、分析方法研究結(jié)果也不盡相同。中國(guó)幅員遼闊，受室外環(huán)境和季節(jié)的影響，通過不同地區(qū)試驗(yàn)得出的蓄熱層厚度，難以為其他區(qū)域、不同類型溫室建設(shè)提供設(shè)計(jì)參考。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出根據(jù)不同地區(qū)氣候環(huán)境、不同材料與溫室結(jié)構(gòu)類型，利用CFD技術(shù)模擬溫室墻體溫度場(chǎng)，確定蓄熱層厚度的方法，對(duì)豐富日光溫室墻體蓄熱層厚度確定方法和理論具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)溫室

試驗(yàn)溫室位于新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)三坪教學(xué)實(shí)習(xí)基地（N43.92，E87.35）。日光溫室坐北朝南，南偏西8°，東西方向長(zhǎng)60 m，跨度為8 m，脊高3.8 m，后墻高2.8 m，后屋面仰角40°。日光溫室示意圖如圖1所示。溫室前屋面使用PO塑料薄膜，后屋面由0.1 m聚苯乙烯彩鋼板構(gòu)成，日光溫室后墻采用了0.01 m水泥砂漿抹面+0.5 m實(shí)心黏土磚砌體+0.1 m聚苯乙烯彩鋼板的復(fù)合墻體。環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)時(shí)間為2018年1月至2018年4月，監(jiān)測(cè)參數(shù)為溫度和太陽(yáng)輻射。

圖1 日光溫室示意圖

1.2 溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)

以溫室長(zhǎng)度方向1/2處（距離山墻30 m）日光溫室剖面為主要測(cè)量平面。溫室內(nèi)部太陽(yáng)輻射由PDE-KI環(huán)境數(shù)據(jù)記錄儀（哈爾濱物格電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)，測(cè)量范圍：0～2 000 W/m2，準(zhǔn)確度±3%，分辨率1 W/m2）采集，分別監(jiān)測(cè)溫室長(zhǎng)度方向1/2剖面，墻體內(nèi)表面1.5m高度處太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與跨度1/2處地面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。溫室墻體內(nèi)部溫度與室內(nèi)外空氣溫度由PDE-R4溫度數(shù)據(jù)記錄儀（哈爾濱物格電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)，溫度測(cè)量范圍?30～70 ℃，準(zhǔn)確度±0.5 ℃，分辨率0.1 ℃）采集。在溫室長(zhǎng)度方向1/2剖面處，在溫室后墻內(nèi)表面1.5 m高度處，在墻體厚度方向由內(nèi)至外均勻布置11個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距5 cm，在溫室長(zhǎng)度方向1/2處，跨度1/2處，由溫室地面至1 m深度土壤中均勻布置11個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距10 cm測(cè)定溫室內(nèi)土壤溫度變化，并測(cè)試該位置1.5 m高度處測(cè)試室內(nèi)空氣溫度變化，在溫室外1.5 m高度距溫室 2 m處測(cè)試室外空氣變化，所有測(cè)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔均為10 min。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用origin 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及圖表的制作。

2 日光溫室墻體溫度場(chǎng)CFD模擬

為了更直觀地了解溫室墻體的溫度場(chǎng)情況，本文通過Autodesk Simulation CFD軟件進(jìn)行CFD模擬。該軟件是Autodesk公司開發(fā)的一款進(jìn)行傳熱和流體流動(dòng)分析的計(jì)算流體力學(xué)工具軟件，它可以進(jìn)行高速湍流與不可壓縮流，以及導(dǎo)熱與對(duì)流傳熱的仿真分析，國(guó)內(nèi)外研究[22]中均有應(yīng)用。

2.1 溫室墻體傳熱過程

墻體獲得太陽(yáng)輻射后，內(nèi)表面溫度迅速升高，在太陽(yáng)輻射的作用下，溫度將高于其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)。在溫差的驅(qū)動(dòng)下，墻體內(nèi)表面一方面與溫室內(nèi)空氣對(duì)流換熱，使溫室環(huán)境溫度升高，同時(shí)也通過導(dǎo)熱方式向墻體外表面散熱，進(jìn)一步通過輻射傳熱方式向溫室內(nèi)部結(jié)構(gòu)散熱。

2.2 控制方程

假設(shè)溫室內(nèi)濕空氣為理想氣體，墻體、土壤密度均勻，氣密性良好。模擬遵循基本的物理守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律及組分守恒定律[23]。連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程可寫成下列形式

2.3 幾何模型

該研究中日光溫室的長(zhǎng)度尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高度及跨度尺寸，中間截面?zhèn)鳠徇^程能夠反映除兩側(cè)山墻外內(nèi)部的傳熱過程，故將跨度方向溫室截面作為模擬區(qū)域。模型采用Autodesk SimStudio Tools 2016 R2按照試驗(yàn)溫室實(shí)際尺寸和相關(guān)關(guān)系進(jìn)行參數(shù)化建模。采用TRIM網(wǎng)格，整體域網(wǎng)格基本尺寸為50 mm，共計(jì)生成20 300個(gè)節(jié)點(diǎn)與38 879網(wǎng)格單元。圖2為日光溫室模型及網(wǎng)格劃分。

2.4 邊界條件與初始條件

尺寸精確的幾何模型，準(zhǔn)確的邊界條件與初始條件是獲取準(zhǔn)確的蓄熱層厚度結(jié)果的保證。一方面為保證在一天內(nèi)CFD幾何模型的一致，另一方面保證溫室墻體熱量夜間充分釋放，測(cè)試溫室試驗(yàn)期間，未進(jìn)行覆蓋保溫被。為減小溫室內(nèi)夜間溫度低對(duì)結(jié)果造成的影響，本文選擇本研究分別選擇1月9日、2月9日、3月6日、4月6日作為典型晴天，在不同的室內(nèi)空氣溫度下模擬，測(cè)試墻體溫度變化。圖3為CFD模擬邊界條件的測(cè)定。

測(cè)試以溫室地面、墻體表面的太陽(yáng)輻射為輸入條件，室外空氣溫度為邊界條件，以9:00溫室內(nèi)部各圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度為初始條件。此時(shí)溫室墻體、地面不同深度處溫度相差不大，故墻體、地面與空氣均采用各自內(nèi)部溫度的平均值作為該部分的整體溫度。表1為溫室內(nèi)部各部分模擬初始溫度取值，模擬當(dāng)天9:00至次日9:00的溫室墻體內(nèi)部溫度場(chǎng)。溫室墻體表面（素灰水泥砂漿抹面）、地面太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)[24]為0.74，前屋面換熱系數(shù)[25]為8.99 W/(m2·K)，后屋面與后墻換熱系數(shù)為12.25 W/(m2·K)。表2為溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)從材料的熱物性參數(shù)。

圖2 日光溫室模型及網(wǎng)格劃分

圖3 CFD模擬邊界條件的測(cè)定

表1 溫室內(nèi)部各部分模擬初始溫度

表2 溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)從材料的熱物性參數(shù)

注：表2為材料在27 ℃時(shí)的熱物性參數(shù)。

Note: Table 2 shows the thermal property parameters at 27 ℃.

2.5 數(shù)值計(jì)算方法

為準(zhǔn)確計(jì)算溫室墻體與空氣的換熱，溫室空氣設(shè)定為溫度作用下的自然對(duì)流，湍流模式采用標(biāo)準(zhǔn)方程模型，計(jì)算機(jī)采用聯(lián)想ThinkPad E450 Microsoft Windows 10 (Build 9200)，Intel(R) Core(TM) i5-5200U CPU @ 2.20 GHz，物理內(nèi)存16 GB，Intel 64 位。模擬時(shí)間為步長(zhǎng)為60 s，步數(shù)為1 440步，共計(jì)86 400s。

2.6 模擬結(jié)果驗(yàn)證

通過對(duì)比墻體內(nèi)部0、10、20、30、40、50 cm位置處溫度測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)值與模擬值來(lái)驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，溫室模擬的墻體溫度變化與實(shí)際測(cè)試結(jié)果變化規(guī)律相同。整體而言，墻體表面溫度及內(nèi)部溫度的測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果吻合度較高，尤其是1月9日、2月9日、3月6日各層平均誤差均在1.5 ℃以下，4月6日實(shí)際值與模擬值誤差較大，各層誤差詳見表3。由圖4可知，模擬值較實(shí)際值滯后，趨勢(shì)隨著深度與墻體溫度的升高而更加明顯（圖4d）。各層間誤差也不盡相同。分析造成該現(xiàn)象的原因與所設(shè)定的初始條件、材料屬性以及邊界條件有關(guān)。首先，本文模擬所使用的初始條件是溫室墻體各層測(cè)定值的平均值，各層溫度初始值與實(shí)際初始值存在差異，但該差異較小，對(duì)溫室測(cè)定誤差影響不大。其次，邊界條件的設(shè)定與材料參數(shù)的取值對(duì)溫室模擬的準(zhǔn)確性的影響較大。受試驗(yàn)條件的限制，本文中材料熱物性參數(shù)均參考自相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[24]和文獻(xiàn)[26]在27 ℃下的測(cè)試值。難以反映溫室內(nèi)部材料熱物性參數(shù)隨溫度而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。模擬邊界條件也會(huì)因溫室溫度的變化而變化，從本文測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果的差異來(lái)看，溫室墻體溫度越高變化越劇烈，模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的差異也就越大。

圖4 墻體內(nèi)部不同深度處溫度模擬值及實(shí)測(cè)值

表3 墻體不同深度處溫度模擬值與實(shí)測(cè)值誤差

2.7 墻體內(nèi)部溫度場(chǎng)分析

溫室墻體模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合度較高，表明該計(jì)算模型得出的溫室內(nèi)部溫度場(chǎng)變化較為準(zhǔn)確。本文給出了1月9日、2月9日、3月6日、4月6日溫室墻體內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化與溫室墻體不同深度的溫度波動(dòng)情況，如圖5所示。

注：左側(cè)為墻體外側(cè)。

由圖5可知，在溫室墻體材料、結(jié)構(gòu)、室內(nèi)外的光溫環(huán)境的共同影響下，溫室墻體傳熱是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)過程。溫室墻體在外保溫的作用下，磚墻本身受外界溫度直接影響較小。一天中，溫室墻體溫度通過太陽(yáng)輻射進(jìn)行熱量蓄積迅速升溫，墻體內(nèi)表面溫度＞墻體中部溫度＞墻體外表面溫度；夜間，墻體中部溫度＞墻體內(nèi)表面溫度＞墻體外表面溫度。溫室墻體溫度主要是受溫室內(nèi)太陽(yáng)輻射與空氣溫度的影響，溫度波沿著墻體厚度方向振動(dòng)幅度逐漸減小，滯后時(shí)間增長(zhǎng)。測(cè)試期間，墻體厚度在0～30 cm范圍內(nèi)，墻體溫度波動(dòng)較為明顯，墻體表面的溫度波動(dòng)分別為24.5、29.10、32.2、30.1 ℃；在30 cm處最大溫度波動(dòng)分別為3.4，4.1，5，3.7 ℃；在50 cm處最大溫度波動(dòng)分別為1.1，1.1，2.2，1.2 ℃。墻體厚度大于30 cm時(shí)，溫室墻體一天內(nèi)溫度波動(dòng)較為平緩，波幅較小。隨著氣溫回升，溫室墻體內(nèi)部溫度整體提高，各層溫度波動(dòng)相差不大。由此可見，在溫室結(jié)構(gòu)、保溫性能不變的情況下，溫室蓄熱層厚度及波動(dòng)情況受外界光溫環(huán)境的綜合影響較小。

2.8 墻體蓄熱層厚度的確定

溫室墻體蓄熱特性可通過墻體溫度的衰減與延遲展開評(píng)價(jià)。如圖6所示，隨著太陽(yáng)輻射周期性變化，溫室墻體溫度也隨之做周期性變化，變化幅度會(huì)隨著墻體的厚度方向逐漸衰減。本文使用衰減因子與延遲時(shí)間分析墻體內(nèi)部不同厚度處溫度隨時(shí)間的變化。本文通過測(cè)試采用衰減因子與延遲時(shí)間來(lái)表示。定義溫室墻體厚度方向某一位置溫度的波幅與墻體內(nèi)表面溫度波幅的差值與溫室內(nèi)表面的比值定義為衰減因子。延遲時(shí)間為在以24 h為1個(gè)周期內(nèi)溫度波由墻體內(nèi)表面?zhèn)髦翂w內(nèi)部某點(diǎn)所需的時(shí)間。延遲時(shí)間和衰減因子的計(jì)算公式分別為

0,max?t,max（2）

(0?A)/0（3）

式中t,max為墻體內(nèi)表面溫度達(dá)到最大值的時(shí)刻，min；t,max為墻體內(nèi)某點(diǎn)溫度達(dá)到最大值的時(shí)時(shí)刻，min；0為墻體內(nèi)表面溫度的波幅，℃；A為墻體內(nèi)某點(diǎn)溫度的波幅，℃。

注：A0為墻體內(nèi)表面溫度的波幅；An為墻體內(nèi)某點(diǎn)溫度的波幅。

根據(jù)不同月份室外環(huán)境條件測(cè)試墻體內(nèi)部不同位置的溫度變化，可計(jì)算墻體的衰減因子和延遲時(shí)間，如圖7所示。

圖7 日光溫室墻體蓄熱層厚度的確定

由圖7可知，隨著厚度的增加，衰減因子與延遲時(shí)間不斷增大。墻體溫度衰減因子在0~20 cm增加較為明顯，1月9日、2月9日、3月6日、4月6日20 cm處的衰減因子分為0.66、0.65、0.64、0.67，延遲時(shí)間為90、120、100、130 min；在20～30 cm衰減因子增長(zhǎng)增加緩慢，30cm處的衰減因子分為0.86、0.86、0.85、0.88，延遲時(shí)間分別為350、370、340、320 min；30～50 cm變化不明顯，50 cm處的衰減因子分為0.96、0.96、0.93、0.96，延遲時(shí)間分別為1 050、1 010、980、1 010 min。延遲時(shí)間越長(zhǎng)，墻體內(nèi)部溫度受室內(nèi)外影響越小，只起到保溫維持墻體溫度的作用，難以起到溫室蓄熱作用。衰減因子越小，溫度波動(dòng)振幅就越大，蓄熱能量就越強(qiáng)，相反，衰減因子越大，溫度越穩(wěn)定，對(duì)溫室環(huán)境影響就越小。通過對(duì)衰減因子進(jìn)行方差分析可知（表4），溫室墻體厚度0～35 cm各層溫度衰減因子間存在顯著差異，35～50 cm處各層溫度衰減因子趨于平緩，無(wú)顯著差異。溫室墻體厚度25與30 cm處存極顯著差異，30～50 cm處無(wú)極顯著差異。因此，本文認(rèn)為在溫室墻體外保溫的作用下，溫室墻體厚度在0～30 cm范圍內(nèi)為墻體蓄熱層，30～50 cm為熱穩(wěn)定層。蓄熱層厚度可確定在30～35 cm之間。

根據(jù)1－4月份測(cè)試結(jié)果來(lái)看，墻體內(nèi)部溫度隨氣溫回升而整體提高，各層衰減因子與延遲時(shí)間變化不大，說明蓄熱層與穩(wěn)定層厚度在外界光溫環(huán)境的影響下隨環(huán)境的變化不大。

通過對(duì)上述衰減因子進(jìn)行Logistic回歸分析，可得衰減因子與厚度的關(guān)系為

以1 cm厚度為單位計(jì)算溫室墻體厚度各處溫度衰減因子變化發(fā)現(xiàn)，溫室墻體厚度超過32 cm，相鄰各單位厚度溫度衰減因子變化率小于0.01。因此可定義溫室墻體內(nèi)部厚度相鄰1 cm處溫度衰減因子變化不超過0.01時(shí)即為溫室蓄熱層厚度。

表4 溫室墻體各層的溫度衰減因子

注：a~h表示差異顯著（＜0.05）；A~F表示差異極顯著（＜0.01）。

Note: a-h indicates significant difference (<0.05); A-F indicates that the difference is extremely significant (<0.01).

3 討 論

由于中國(guó)日光溫室墻體類型多數(shù)為土墻溫室，墻體厚薄差異大且各地標(biāo)準(zhǔn)不一，為實(shí)現(xiàn)土墻溫室的輕簡(jiǎn)化，目前溫室墻體的蓄放熱特性及與厚度相關(guān)的研究主要集中于土墻溫室。近年來(lái)，隨著墻體保溫技術(shù)的不斷發(fā)展，墻體外保溫以其有效的保護(hù)墻體維持墻體的熱穩(wěn)定性，已成為保溫技術(shù)的新方向。研究墻體外保溫作用下蓄熱層厚度，可對(duì)溫室改革起到推動(dòng)作用。圖8為日光溫室墻體內(nèi)部溫度變化實(shí)測(cè)值。

1）由圖4、圖8可知，在對(duì)溫室墻體CFD模擬中，受材料與初始條件、邊界條件的影響，模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在誤差。本研究墻體、土壤、空氣所采用的初始溫度為各自內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的平均溫度，與實(shí)際情況存在一定差異。如果通過測(cè)試加載各測(cè)點(diǎn)的實(shí)際初始溫度，模擬準(zhǔn)確度可再提高，但就失去做模擬的意義。因此，如何確定較為準(zhǔn)確的模擬初始值，是后續(xù)研究進(jìn)行CFD模擬時(shí)需進(jìn)一步深化的內(nèi)容。是否可將墻體劃分為若干層，每層設(shè)定不同的初始溫度？或者，先通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算獲取墻體內(nèi)部的溫度場(chǎng)變化，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的模擬？需要進(jìn)一步探索。

圖8 日光溫室墻體內(nèi)部溫度變化實(shí)測(cè)值

2）由于墻體具有蓄放熱的特性，因而墻體夜間的自然冷量可降低白天的高溫，白天蓄積的熱量提高夜間的低溫。理論上講，蓄放熱能力越強(qiáng)，蓄放熱速率越快，則室溫相對(duì)越穩(wěn)定。從目前研究現(xiàn)狀可以看出，墻體傳熱是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)過程，墻體材料、尺寸、地域氣候、保溫形式（內(nèi)保溫、夾心保溫和外保溫）、結(jié)構(gòu)類型對(duì)墻體蓄放熱都會(huì)產(chǎn)生影響[5]。因此，單純?cè)囼?yàn)測(cè)試某地溫室墻體蓄熱層厚度，是絕對(duì)的，只對(duì)同區(qū)域、同類型、同材料溫室有一定借鑒意義，難以推而廣之。本文嘗試通過本研究所提出的CFD模擬方法，對(duì)于不同區(qū)域、不同溫室類型的墻體蓄熱進(jìn)行分析，從溫室墻體溫度的相對(duì)變化的角度來(lái)確定溫室蓄熱層厚度，適應(yīng)范圍廣，可為溫室設(shè)計(jì)建設(shè)提供參考。

3）由圖5可知，溫室墻體內(nèi)部存在一個(gè)溫度相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域，與張志錄等[9,13]提到的土墻溫室內(nèi)部的“穩(wěn)定層”較為相似，外墻保溫板相當(dāng)于黃雪等提出的土墻溫室的“御冷層”。不同月份，溫室墻體內(nèi)部不同位置溫室的波動(dòng)程度相差不大，這與張志錄等提出的“熱穩(wěn)定層位置及厚度隨季節(jié)而變化”研究結(jié)果不相符，蓄熱層厚度的變化與白青等得出“隨著外界氣溫回暖，蓄熱層厚度逐步變薄?！毖芯拷Y(jié)果不一致。分析造成該現(xiàn)象的原因一方面是磚墻溫室保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于土墻溫室“御冷層”導(dǎo)熱系數(shù)，保溫層保溫隔熱能力強(qiáng)，使墻體內(nèi)部溫度波動(dòng)??；另一方面，隨著外界氣溫回暖，室外空氣溫度不斷提高，但是受太陽(yáng)方位的影響，墻體表面所接受到的太陽(yáng)輻射逐漸降低（圖3），在光溫的綜合作用下，磚墻溫室內(nèi)部“穩(wěn)定層”、“蓄熱層”厚度變化不大。本文認(rèn)為溫室墻體內(nèi)部溫度穩(wěn)定區(qū)域的形成是由保溫板減少與外界的傳熱形成的。保溫板保溫能力與墻體蓄熱層、穩(wěn)定層厚度的關(guān)系，需進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

本文以磚墻溫室為研究對(duì)象，利用CFD軟件對(duì)溫室墻體溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行模擬及驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1）以溫室墻體、地面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與室外的空氣溫度為輸入條件，綜合考慮溫室墻體內(nèi)部導(dǎo)熱，與室內(nèi)外空氣對(duì)流換熱、輻射換熱，利用CFD軟件模擬溫室墻體內(nèi)部溫度場(chǎng)變化，結(jié)果吻合較好，說明了采用CFD模擬溫室墻體溫度場(chǎng)的變化是可行的，可靠性較高。

2）溫室墻體厚度在0～30 cm范圍內(nèi)，墻體溫度波動(dòng)較為明顯，墻體厚度大于30 cm時(shí)，溫室墻體溫度波動(dòng)平緩，根據(jù)1－4月份測(cè)試結(jié)果來(lái)看，磚墻溫室內(nèi)部溫度隨氣溫回升而整體提高，不同深度處溫度波動(dòng)幅度相差不大。本文通過分析墻體內(nèi)部溫度衰減，通過對(duì)衰減因子進(jìn)行Logistic回歸分析，定義溫室墻體蓄熱層厚度，并測(cè)得磚墻外保溫墻體在烏魯木齊的蓄熱層厚度為32 cm。

3）磚墻溫室與土墻溫室類似，墻體可劃分為“保溫層、穩(wěn)定層、蓄熱層”，各層的厚度與墻體蓄熱材料、保溫材料的熱物性有關(guān)。從本文模擬與測(cè)試的結(jié)果來(lái)看，在墻體材料熱物性不變的情況下，各層受外界環(huán)境的綜合影響厚度變化不大。

其他區(qū)域或其他溫室結(jié)構(gòu)類型可利用本文提供的方法，通過氣象部門獲取太陽(yáng)輻射與氣溫的動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，根據(jù)溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)與環(huán)境參數(shù)建立日光溫室溫度環(huán)境動(dòng)態(tài)模擬模型，模擬溫室墻體內(nèi)部溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，可起到優(yōu)選溫室墻體結(jié)構(gòu)，推進(jìn)日光溫室墻體改進(jìn)的作用。

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Determination of thickness of thermal storage layer of solar greenhouse wall based on CFD

Xu Hongjun1,2, Cao Yanfei1, Li Yanrong2, Alapati2, Gao Jie2, Jiang Weijie2, Zou Zhirong1,2※

(1.712100; 2.,,830052)

The performance of greenhouse wall thermal storage and release capacity depends on the characteristics of the wall material and the thickness of the thermal storage layer. Determining the thickness of the solar greenhouse thermal storage layer is of great significance for promoting the improvement of the solar greenhouse wall. Parametric model according to the actual size and correlation of the test greenhouse was created based on the solar radiation and air temperature. Thickness of the wall thermal storage layer in different months was simulated in this study. In this paper, January 9th, February 9th, March 6th, and April 6th, 2018 in Urumqi was selected as typical sunny days. The solar radiation on the greenhouse floor and wall surface were used as the input condition, and the outdoor air temperature was the boundary conditions. The internal temperature field including each depth of 0, 10, 20, 30, 40, 50 cm of the greenhouse wall from 9:00 to next day 9:00 were simulated by using Autodesk CFD software. In order to ensure the consistency of CFD geometric models within one day and full release of heat from the greenhouse wall at night, no covering insulation quilt was carried out during the greenhouse test. The accuracy of simulated values was verified by comparing with the measured values. The results showed that the simulation results of the greenhouse wall were agreed well with the test results. The average error of each layer on January 9th, February 9th and March 6th was below 1.5 °C. The error and simulated results lags between the test results and the simulated results on April 6th is large. The trend becomes more pronounced as the depth and wall temperature increased. Under the combined influence of greenhouse wall materials, structures, and light and temperature environments, greenhouse wall heat transfer is a complex unsteady process. The brick wall greenhouse was similar to the soil wall greenhouse. The wall could be divided into “insulation layer, stable layer and heat storage layer”. The thickness of each layer was related to the thermal properties of the wall heat storage material and insulation material. The wall temperature fluctuation was more obvious in the depth range of 0-30 cm according to the temperature field of the wall, the temperature attenuation factor of each layer and the delay time. When the wall depth was more than 30 cm, the greenhouse wall temperature fluctuations was relatively flat and the amplitude is small. As the temperature rose, the internal temperature of the greenhouse wall increased overall, and the temperature fluctuations of the various layers were small. The thickness and fluctuation of the greenhouse heat storage layer were less affected by the external light and temperature environment in the case of the greenhouse structure and insulation performance unchanged. In summary, it was feasible to simulate the change of greenhouse wall temperature field. It was reliable that the thickness of greenhouse wall thermal storage layer determined according to the temperature field variation of greenhouse wall. Solar greenhouse temperature environment dynamic simulation model based on greenhouse structure parameters and environmental parameters also could be established in other regions through the methods provided in this paper. It can provide basis and reference for the improvement and optimization of greenhouse wall structure.

greenhouse; walls; computer simulation; fluid mechanics; thickness of heat storage layer; heat transfer performance

許紅軍，曹晏飛，李彥榮，阿拉帕提，高 杰，蔣衛(wèi)杰，鄒志榮. 基于CFD的日光溫室墻體蓄熱層厚度的確定[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(4)：175－184. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.022 http://www.tcsae.org

Xu Hongjun, Cao Yanfei, Li Yanrong, Alapati, Gao Jie, Jiang Weijie, Zou Zhirong. Determination of thickness of thermal storage layer of solar greenhouse wall based on CFD[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 175－184. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.022 http://www.tcsae.org

2018-08-13

2019-01-24

新疆維吾爾自治區(qū)科技廳“科技援疆”項(xiàng)目(2016E02006)；新疆維吾爾自治區(qū)園藝學(xué)重點(diǎn)學(xué)科基金(2016-10758-3)；新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金（2016D01B028）

許紅軍，博士生，講師，主要從事設(shè)施園藝工程方面的研究。Email： xuhongjun01@163.com

鄒志榮，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事設(shè)施園藝方面的研究。Email:zouzhirong2005@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.022

S625.1

A

1002-6819(2019)-04-0175-10