劉聯(lián)勝，孟 闊，王冬計(jì)，張曉宇，劉華民，劉東紅

（1.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401；2.天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，天津 300384；3.天津市金潤(rùn)天太陽(yáng)能科技有限公司，天津 300380）

日光溫室有助于打破季節(jié)限制，實(shí)現(xiàn)作物越冬生長(zhǎng)，近年來(lái)我國(guó)日光溫室種植技術(shù)發(fā)展迅速，溫室規(guī)模越來(lái)越大，培育作物種類越來(lái)越多[1-2]。日光溫室通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與環(huán)境進(jìn)行熱量交換，為了維持一定的室內(nèi)熱環(huán)境，合理設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)尤為重要[3-4]。后墻采用保溫材料、前屋面采用雙層薄膜結(jié)構(gòu)等措施可在一定程度上提高溫室夜間空氣溫度，促進(jìn)作物生長(zhǎng)[5-7]。但是，我國(guó)北方地區(qū)冬季環(huán)境溫度過(guò)低，僅依靠圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫仍無(wú)法滿足非耐寒作物生長(zhǎng)需求，為日光溫室配置必要的供暖設(shè)施將有助于保障作物的正常生長(zhǎng)。

低溫散熱器、地埋管、風(fēng)機(jī)盤管等散熱設(shè)備是日光溫室常用供暖末端設(shè)備[8]。其中，低溫散熱器、風(fēng)機(jī)盤管等以熱對(duì)流、熱輻射方式加熱室內(nèi)空氣，使其達(dá)到適宜作物生長(zhǎng)的溫度。但是，由于空氣與土壤之間的熱對(duì)流作用相對(duì)較弱，易造成土壤溫度偏低[9-12]。地埋熱水管可有效提高土壤溫度，并可在供暖期間維持土壤溫度基本恒定，有助于作物根系的正常生長(zhǎng)[13-14]。郭智勇等[15]研究的日光溫室地埋管供暖系統(tǒng)，在管間距0.3m、埋深0.4m 條件下，淺層土壤可維持在15～20℃。但是，單純的地埋熱水管供暖系統(tǒng)往往會(huì)出現(xiàn)室內(nèi)空氣溫度偏低的現(xiàn)象，為了保證作物生長(zhǎng)所適宜的土壤、空氣溫度，有必要基于作物生長(zhǎng)特性設(shè)計(jì)一種地埋管耦合鋼制柱形散熱器聯(lián)合供暖系統(tǒng)。

日光溫室供暖期間，散熱器安裝位置將對(duì)室內(nèi)空氣溫度均勻性產(chǎn)生較為顯著的影響，并進(jìn)一步影響供暖熱負(fù)荷的高低以及作物的生長(zhǎng)。常規(guī)的后墻散熱器方式往往因熱輻射作用使附近墻體形成局部高溫區(qū)，局部墻體散熱強(qiáng)化會(huì)增大供暖熱負(fù)荷[16]。同時(shí)因熱對(duì)流作用使溫室內(nèi)形成上熱下冷、靠近散熱器區(qū)域熱、遠(yuǎn)離散熱器區(qū)域冷的空氣溫度分布趨勢(shì)，處于局部高溫區(qū)的作物，其呼吸、蒸騰速率提高，養(yǎng)分、水分流失加快，易出現(xiàn)干枯死亡現(xiàn)象。長(zhǎng)期處于低溫區(qū)域的作物則會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)緩慢現(xiàn)象[17-18]，而溫室上層較高的空氣溫度只會(huì)增大頂棚散熱、增加供暖能耗，卻對(duì)地面作物生長(zhǎng)的作用輕微[19-20]。為滿足作物生長(zhǎng)的溫度需求，本研究將地埋管耦合鋼制柱形散熱器聯(lián)合供暖系統(tǒng)應(yīng)用于溫室供暖，并基于CFD 方法對(duì)供暖過(guò)程溫室內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探究散熱器安裝位置、室內(nèi)頂部保溫薄膜、散熱器供水溫度等因素對(duì)室內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)等的影響規(guī)律，以獲得改善溫度均勻性、降低供暖熱負(fù)荷的有效措施。

1 CFD建模

1.1 物理建模

日光溫室位于天津市，東西走向，長(zhǎng)度40m，跨度8m，脊高3.7m，后墻高度2.9m，墻體結(jié)構(gòu)為0.37m 空心磚外貼0.12m的聚苯板。溫室東西方向距地面0.15m處均勻布置10組鋼制柱形散熱器，根據(jù)溫室熱負(fù)荷，選擇型號(hào)為Gz3-1.2/3-10 的散熱器，高度0.4m，寬度0.12m，長(zhǎng)度0.5m，中心距0.3m，每片散熱器容量0.826L，重量2.1kg[21]。前屋面鋪設(shè)保溫覆蓋物，覆蓋物材料為草苫，厚度0.1m。室內(nèi)種植作物為茄子，高0.8m，行距0.6m，株距0.4m，夜間生長(zhǎng)溫度為16～18℃。

圖1 日光溫室物理模型Figure 1 Physical model of vegetable greenhouse

在供暖過(guò)程中，保溫采暖設(shè)計(jì)方案對(duì)溫室內(nèi)部環(huán)境有很大影響。本研究通過(guò)改變保溫采暖設(shè)施布局和散熱器供水溫度，研究其對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境的影響，對(duì)比方案見(jiàn)表1。其中，散熱器位置的改變和室內(nèi)頂部保溫薄膜的布置需要通過(guò)改變物理模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，故根據(jù)表1方案建立了3個(gè)物理模型，并分別開(kāi)展模擬研究。

表1 溫室保溫系統(tǒng)與散熱器的設(shè)計(jì)方案Table 1 Greenhouse heat preservation system and radiator design scheme

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 網(wǎng)格模型 本研究以整個(gè)溫室作為計(jì)算域，利用Meshing 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算速度生成六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，最大網(wǎng)格尺寸分別設(shè)為0.03，0.05，0.07m，為避免網(wǎng)格數(shù)量影響模擬結(jié)果，對(duì)散熱器周圍、草簾、聚苯板等熱量交換強(qiáng)烈區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，加密后3 組網(wǎng)格劃分總數(shù)分別為2.307×107，4.98×106，1.81×106。當(dāng)物理模型改變時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量有所變化。3 個(gè)物理模型網(wǎng)格質(zhì)量高于0.9 的網(wǎng)格數(shù)占網(wǎng)格總數(shù)的87%以上。1.2.2 控制方程 本研究構(gòu)建了由連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和組分輸運(yùn)方程組成的數(shù)學(xué)模型，采用有限容積法進(jìn)行求解。控制方程基本形式為[22]：

式中：Ψ為通用變量，代表u、v、w、T等求解變量。當(dāng)Ψ為1時(shí)，方程為連續(xù)性方程；當(dāng)Ψ為u、v、w時(shí)（u、v、w分別代表X、Y、Z 方向速度），方程為動(dòng)量方程；當(dāng)Ψ為cs時(shí)（cs為組分s的體積濃度），方程為組分輸運(yùn)方程；當(dāng)Ψ為T（溫度）時(shí)，方程為能量方程。ρ為密度；t為時(shí)間；U為速度矢量；ГΨ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；SΨ為源項(xiàng)。

1.2.3 邊界條件

1.2.3.1 溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu) 溫室前屋面由兩部分組成，內(nèi)部為塑料薄膜，外部為草苫，后屋面采用聚苯板，東西山墻采用空心磚，后墻內(nèi)部為空心磚，外部敷設(shè)聚苯板。材料物性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 材料物性參數(shù)Table 2 Material property parameters

1.2.3.2 熱源的確定 為簡(jiǎn)化模型，將溫室設(shè)為封閉結(jié)構(gòu)，忽略供暖過(guò)程中溫室與外界的氣體交換。供暖過(guò)程中，鋼制柱形散熱器、地埋管和作物為內(nèi)部熱源，外界環(huán)境為外部熱源。

地埋管長(zhǎng)期供暖可保證土壤溫度恒定，地面設(shè)為恒溫壁面。散熱器簡(jiǎn)化為長(zhǎng)1m、寬0.12m、高0.4m 的長(zhǎng)方體，表面材料設(shè)為鋼材，以熱對(duì)流和熱輻射的方式向溫室中傳遞熱量，設(shè)置為恒定熱流表面。溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面采用對(duì)流—輻射混合邊界，環(huán)境溫度采用天津市氣象臺(tái)公布的2022 年1 月15 日北辰區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，溫度逐時(shí)變化通過(guò)UDF進(jìn)行實(shí)現(xiàn)（圖2）。

圖2 環(huán)境溫度Figure 2 The environment temperature

1.2.3.3 溫室作物 本研究重點(diǎn)對(duì)茄子掛果期日光溫室內(nèi)小氣候進(jìn)行模擬研究，掛果期茄子植株葉片面積較大，會(huì)在一定程度上阻礙室內(nèi)空氣流動(dòng)。將SONNENWALD 等[23]提出的植株阻力計(jì)算式（2）作為動(dòng)量源項(xiàng)添加到動(dòng)量方程中。

式中：?為固體體積分?jǐn)?shù)；ρ為空氣密度；CD為阻力系數(shù)；a為垂直于流動(dòng)方向的面積；ui為i方向速度。

以外文期刊為例，嘗試構(gòu)建一個(gè)基于學(xué)科與用戶行為的外文期刊的資源導(dǎo)航，該模型如何搭建？需要從資源保障和績(jī)效評(píng)估兩方面構(gòu)建各種指標(biāo)體系。

茄子生長(zhǎng)過(guò)程中，蒸騰作用是造成溫室內(nèi)部濕度變化的主要原因。彭致功[24]提供的茄子植株蒸騰速率與環(huán)境因子之間的關(guān)系見(jiàn)式（3），根據(jù)該式建立茄子蒸騰與室內(nèi)小氣候之間的數(shù)學(xué)模型，并將其作為質(zhì)量源項(xiàng)加到組分輸運(yùn)方程中。

式中：R為輻射強(qiáng)度（W·m-2）；Ta為空氣溫度（℃）；RH為空氣相對(duì)濕度（%）；θν為0～60cm 土層土壤體積含水量（%）；Ts為15cm深處土壤溫度（℃）。

其中土壤體積含水率夜間變化很小，而由于地埋管的存在土壤溫度基本不變，所以可設(shè)θν和Ts為定值。

夜間植物的蒸騰和呼吸作用與自身熱量吸收/散失密切相關(guān)，吸熱量計(jì)算見(jiàn)式（4），將其作為能量源項(xiàng)加到能量方程中。

式中：R為呼吸速率（μmol·s-1）；q為單位呼吸量所散發(fā)的熱量（kJ·μmol-1）；h"為一定溫度下飽和蒸汽比焓值（kJ·kg-1）；h'為相同溫度下飽和水比焓值（kJ·kg-1）；c為比熱容（kJ·kg-1·K-1）；T"為水蒸氣溫度（K）；T'為土壤中液態(tài)水溫（K）；Tr為蒸騰速率（kg·s-1）。

1.2.4 初始條件 綜合考慮能源節(jié)約和室內(nèi)濕度控制，在夜間供暖前對(duì)溫室進(jìn)行通風(fēng)。由此設(shè)置模擬初始條件為通風(fēng)后溫室內(nèi)環(huán)境，空氣溫度為-3℃，水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.00256kg·kg-1，墻體溫度為-3～18℃由內(nèi)而外遞減。

1.2.5 數(shù)值方法 本研究重點(diǎn)模擬分析夜間室內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)隨時(shí)間的變化，溫差作用下的氣體流動(dòng)采用RNG k-?模型進(jìn)行計(jì)算，并考慮氣體密度隨溫度的變化。輻射換熱過(guò)程基于DO輻射模型計(jì)算[25]，壓力/速度耦合采用SIMPLE方法，能量方程和動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)格式，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為30s，每步迭代50次。本研究以方案2進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)最大網(wǎng)格尺寸為0.05m時(shí)，繼續(xù)減小網(wǎng)格尺寸模擬結(jié)果基本不變。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同保溫供暖工況下的室內(nèi)空氣溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)

室內(nèi)Z=0～0.8m 區(qū)域平均溫度如圖4，散熱器、高溫墻體及土壤的共同作用使溫室內(nèi)部迅速升溫，1h 后即可達(dá)到適宜作物生長(zhǎng)的溫度。圖5 為環(huán)境溫度最低時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的X=-18.0m、X=-30.0m、Z=0.4m 截面上的溫度分布對(duì)比，熱浮力作用導(dǎo)致室內(nèi)空氣溫度分布呈明顯的上熱下冷趨勢(shì)，作物植株所在的Z=0.4m 區(qū)域溫度在16℃以上，適合作物生長(zhǎng)；但在溫室頂部卻形成了明顯的高溫區(qū)，這將在一定程度上增大頂棚散熱量。

圖3 實(shí)驗(yàn)溫室夜間空氣溫度Figure 3 Experimental air temperature greenhouse over night

為評(píng)價(jià)室內(nèi)溫度均勻性，可根據(jù)式（5）計(jì)算溫度標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差越小表示溫度均勻性越好。

式中：σ為室內(nèi)空氣溫度標(biāo)準(zhǔn)差（℃）；Tt為室內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度（℃）；T0為室內(nèi)平均溫度（℃）；n為監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

圖4 作物生長(zhǎng)區(qū)（Z=0～0.8m）平均溫度Figure 4 Average temperature at plant growing area(Z=0-0.8m)

圖5 溫室X=-18.0m、X=-30.0m和Z=0.4m截面溫度分布Figure 5 Temperature distribution of sections X=-18.0m,X=-30.0m and Z=0.4m in greenhouse

4種方案室內(nèi)平均溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差如表3。相對(duì)于方案1 而言，方案2 將散熱器安裝于溫室中部，可在一定程度上減小散熱器對(duì)后墻的輻射換熱量，從而降低墻體散熱。同時(shí)，高溫區(qū)所在高度明顯下降，室內(nèi)空氣溫度標(biāo)準(zhǔn)差降低5.64%。相對(duì)于方案2 而言，方案3利用保溫薄膜在棚頂形成隔熱層，減少棚頂散熱，使室內(nèi)空氣溫度提高1.46℃。在方案3 基礎(chǔ)上，方案4 供水溫度降低至46℃，以維持與方案2 相近的室內(nèi)溫度，在維持地埋管散熱量不變的前提下，散熱器散熱量降低35.59%、溫度標(biāo)準(zhǔn)差降低1.66%，具有顯著的節(jié)能效果。

表3 室內(nèi)溫度均勻性Figure 3 Uniformity of temperature inside greenhouse

高濕環(huán)境會(huì)導(dǎo)致茄子病蟲(chóng)害的發(fā)生，進(jìn)而影響茄子生長(zhǎng)，因此室內(nèi)相對(duì)濕度應(yīng)保持在80%以下。圖6和圖7分別為Z=0～0.8m 處水蒸氣的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)和平均相對(duì)濕度。作物蒸騰作用使水蒸氣含量不斷增加，但增長(zhǎng)速率呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)；供暖初期，室內(nèi)溫度增加迅速，但水蒸氣絕對(duì)量的增量較小，導(dǎo)致空氣相對(duì)濕度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；待室內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定后，空氣相對(duì)濕度會(huì)隨水蒸氣絕對(duì)含量的增加而呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

上午8∶00 溫室內(nèi)X=-18.0m、X=-30.0m、Z=0.4m 截面的空氣相對(duì)濕度分布如圖8，此時(shí)室內(nèi)空氣相對(duì)濕度最高，由于作物蒸騰/呼吸作用主要發(fā)生于近地表區(qū)域，導(dǎo)致溫度下部冷空氣相對(duì)濕度明顯高于頂棚區(qū)域熱空氣的相對(duì)濕度。圖6、圖7、圖8 對(duì)比結(jié)果顯示，散熱器位置對(duì)室內(nèi)空氣相對(duì)濕度的分布趨勢(shì)影響不大，但因室內(nèi)頂部保溫薄膜的存在使室內(nèi)空氣總體積有所減小，進(jìn)而造成空氣相對(duì)適度濕度有所增加，其幅值在3.0%。4種方案下作物生長(zhǎng)區(qū)的平均相對(duì)濕度均可維持在80%以下，適合作物生長(zhǎng)。

圖6 作物生長(zhǎng)區(qū)（Z=0～0.8m）蒸汽平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 6 Mean mass fraction of vapor at plant growing area(Z=0-0.8m)

圖7 作物生長(zhǎng)區(qū)（Z=0～0.8m）平均相對(duì)濕度Figure 7 Average relative humidity at plant growing area(Z=0-0.8m)

圖8 溫室X=-18.0m、X=-30.0m和Z=0.4m截面相對(duì)濕度分布Figure 8 Relative humidity distribution of sections X=-18.0m,X=-30.0m and Z=0.4m in greenhouse

2.2 保溫供暖工況對(duì)室內(nèi)空氣流動(dòng)的影響

4 種方案下X=-18.0m 截面上的流場(chǎng)分布如圖9，在低溫散熱器附近存在明顯的局部高溫區(qū)，在溫度梯度作用下，Y-Z截面上形成一個(gè)大尺度漩渦?？諝饬鲃?dòng)對(duì)作物生長(zhǎng)具有一定的影響，流速過(guò)大易導(dǎo)致葉片脫落。掛果期茄子植株高度為0.8m，因此，本研究?jī)H對(duì)近地面附近的空氣流速進(jìn)行分析。當(dāng)散熱器安裝于溫室中部時(shí)，近地面區(qū)域的空氣流速相對(duì)較小，但室內(nèi)頂部保溫薄膜的存在會(huì)導(dǎo)致漩渦渦心下移，近地面區(qū)域的空氣流速提高，進(jìn)一步降低供水溫度使空氣流速減小。4 種方案下近地面處空氣流速皆小于0.2m·s-1，對(duì)植株生長(zhǎng)的負(fù)面影響微乎其微。

圖10 為室內(nèi)空氣渦量分布云圖，與后墻布置散熱器的方案1 相比，方案2 將散熱器置于溫室中部時(shí)，近墻區(qū)域漩渦強(qiáng)度有所降低，這將有助于減小墻體與外界的熱量交換，其頂棚平均散熱通量約為15.0W·m-2。相對(duì)方案2 而言，方案3 敷設(shè)室內(nèi)頂部保溫薄膜情況下的平均散熱通量降低至13.5W·m-2，可見(jiàn)室內(nèi)頂部保溫薄膜具有明顯的隔熱作用，有助于降低供暖能耗和供暖熱負(fù)荷。

圖9 溫室X=-18m 截面流場(chǎng)分布Figure 9 Flow field distribution of section X=-18m in greenhouse

圖10 溫室X=-18.0m，X=-30.0m和Z=0.4m截面渦量分布Figure 10 Vorticity distribution of sections X=-18.0m,X=-30.0m and Z=0.4m in greenhouse

3 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明，采用散熱器對(duì)日光溫室進(jìn)行供暖，可有效提高室內(nèi)溫度，有助于冬季非耐寒作物的正常生長(zhǎng)。但供暖過(guò)程中，室內(nèi)空氣溫度分布不均，在一定程度上增加了供暖熱負(fù)荷，與劉文合等[27]的研究結(jié)果較為一致。為改善室內(nèi)空氣溫度均勻性，減小供暖熱負(fù)荷，本研究采用CFD 構(gòu)建了不同保溫供暖工況下的日光溫室環(huán)境模擬模型。模擬結(jié)果表明，常規(guī)的后墻散熱器安裝方式，會(huì)導(dǎo)致附近墻體形成高溫區(qū)，增加墻體散熱，這與王冬計(jì)等[16]研究結(jié)果一致。將散熱器安裝于溫室中部可使這一現(xiàn)象得到有效改善，室內(nèi)頂部保溫薄膜與雙層塑料薄膜[6-7]相似，可以在棚頂形成隔熱層，減少棚頂散熱，進(jìn)而提高室內(nèi)空氣溫度。

將散熱器安裝于溫室中部，可在一定程度上減小散熱器對(duì)后墻的輻射換熱量，從而降低墻體散熱。同時(shí)，使室內(nèi)空氣溫度標(biāo)準(zhǔn)差降低5.64%，空氣溫度均勻性得到改善。當(dāng)室內(nèi)頂部敷設(shè)保溫薄膜時(shí)，在維持地埋管散熱量不變的前提下，可進(jìn)一步降低散熱器供水溫度，使散熱器散熱量降低35.59%，溫度標(biāo)準(zhǔn)差降低1.66%，具有顯著的節(jié)能效果。室內(nèi)頂部保溫薄膜的存在使溫室內(nèi)空氣濕度有所增加，但是由于供暖系統(tǒng)提高了空氣溫度，夜間作物生長(zhǎng)區(qū)的相對(duì)濕度仍維持在80%以下。將散熱器安裝于溫室中部，可在一定程度上減小近地面區(qū)域的空氣流速，室內(nèi)頂部保溫薄膜的存在會(huì)導(dǎo)致漩渦渦心下移，增大近地面區(qū)域流速，但進(jìn)一步降低供水溫度后近地表空氣流速會(huì)略有降低。4 種方案下，室內(nèi)近地面區(qū)域的空氣流速皆小于0.2m·s-1，對(duì)植株生長(zhǎng)的負(fù)面影響較小。