溫室內(nèi)溫度無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)及溫度場(chǎng)模擬

塔 娜，張 馳，朱英開(kāi)，蘇佳佳

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018）

隨著日光溫室的廣泛使用，我國(guó)溫室主要采用人工干預(yù)監(jiān)控，由于受到人為因素制約，所能達(dá)到的精度有限，自動(dòng)化是必然趨勢(shì)。溫室屬于大空間場(chǎng)的物理模型，其內(nèi)部良好的氣流組織來(lái)自于合理的溫度分布[1]。對(duì)于溫度環(huán)境的合理監(jiān)控，也是對(duì)內(nèi)部作物生長(zhǎng)條件監(jiān)測(cè)和改善的過(guò)程。本文通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT，獲得貼近實(shí)際溫度分布的等溫云圖，確定溫度梯度的方向和氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為溫室種植業(yè)實(shí)現(xiàn)高效、自動(dòng)管理提供理論依據(jù)。

1 條件與方法

1.1 試驗(yàn)溫室

本文所選試驗(yàn)地點(diǎn)位于呼和浩特市，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)西區(qū)農(nóng)學(xué)種植基地。日光溫室為單棟單坡面，東西走向，采光面法線為南偏西8°，長(zhǎng)60 m，寬8 m，矢高2.9 m，后墻高2.5 m，前屋頂為鋼條桁架構(gòu)造，室外周邊無(wú)防寒溝且地面經(jīng)過(guò)硬化處理。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

1.2.1 硬件組成

下位機(jī)部分即單片機(jī)帶13測(cè)點(diǎn)傳感器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]，數(shù)據(jù)能經(jīng)由UTC1212模塊無(wú)線發(fā)送回上位機(jī)（PC機(jī)：處理器為I7-2 600，內(nèi)存4 GB，硬盤1 TB僅為流場(chǎng)模擬計(jì)算需要），并能對(duì)接收到的命令做出響應(yīng)（如休眠節(jié)能、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、反饋信息等等）。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的王福祿等在設(shè)計(jì)硬件模塊工作中強(qiáng)調(diào)尺寸小、功耗低以及適應(yīng)性強(qiáng)[3]。

圖1 Proteus中下位機(jī)模塊仿真Fig.1 Hardware simulation of the lower part in Proteus

1.2.2 軟件組成

圖2 上位機(jī)LabVIEW的vi程序Fig.2 Upper part's VI LabView program

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，軟件部分分為上位機(jī)Lab?VIEW（v8.20）軟件程序及下位機(jī)單片機(jī)keil-C（uv2）語(yǔ)言程序兩大部分。具體流程如圖2、3，其實(shí)現(xiàn)功能為按上位機(jī)設(shè)定時(shí)間（間隔）讀取并以表格文件保存各組模塊上13個(gè)測(cè)點(diǎn)傳感器的溫度值。

圖3 第i組下位機(jī)模塊MCU的hex程序Fig.3 No.i lower part's C program for MCU

由以上兩大部分組成測(cè)試系統(tǒng)，安置在溫室中部的任一平面（下稱：試驗(yàn)平面1）上進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，此為“切片”過(guò)程；并在其中間位置處截選一矩形，因?yàn)樵摬糠譃橹参锔⒅晁趨^(qū)域（下稱：“感興趣的區(qū)域”1），此為“切塊”過(guò)程。傳感器的布設(shè)借鑒于劉雁征、滕光輝采用CFD模擬的方法，以最少傳感器監(jiān)測(cè)貼近實(shí)際的環(huán)境溫度的思想[4]。Carne等指出傳感器布設(shè)使模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果具有良好的可視性和魯棒性原則[5]。程序?qū)崿F(xiàn)下位機(jī)的休眠節(jié)能、每半小時(shí)轉(zhuǎn)換溫度和通信上位機(jī)等功能，并在PC上位機(jī)自動(dòng)生成測(cè)量文件保存在硬盤上。

2 數(shù)據(jù)采集及分析研究

2.1 測(cè)試試驗(yàn)期間室外氣候信息

測(cè)試試驗(yàn)時(shí)間為2011年12月20～30日，溫室內(nèi)種苜蓿，為葉期，植株高20 cm。天氣數(shù)據(jù)由氣象預(yù)報(bào)獲得，日出日落時(shí)間平均為上午8時(shí)和下午4點(diǎn)，最高氣溫3℃，最低氣溫-13℃，紫外線強(qiáng)度等級(jí)為最弱。室外平均風(fēng)速為1.35 m·s-1。

2.2 作物生長(zhǎng)理想溫度問(wèn)題

由相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，喜光作物生長(zhǎng)的最佳溫度范圍是15℃及以上，溫度過(guò)低會(huì)對(duì)植物造成傷害，據(jù)其原因可分冷害、霜害及凍害3種，冷害是指溫度在零度以上仍能使喜溫植物停止生長(zhǎng)甚至死亡、霜害及凍害分別指伴隨霜層及冰凍對(duì)植物造成的低溫傷害[6]。

試驗(yàn)溫室內(nèi)作物植株高度不超過(guò)1.5米，作物所處區(qū)域溫度值保證在10℃以上即可有效防止冷害發(fā)生。選取溫室中部（距東西墻距離相等處）確定一豎直截面，后稱試驗(yàn)平面，于該平面固定13個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)后截面圖如1所示。

圖4 截面內(nèi)布點(diǎn)圖Fig.4 Locations of the test point on cross-section

為期10 d的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，選取每日日出前與日落前兩個(gè)時(shí)刻（依次對(duì)應(yīng)為整個(gè)試驗(yàn)平面上所有測(cè)點(diǎn)溫度值之和最小、最大這兩個(gè)時(shí)刻）的溫度平均值信息，見(jiàn)表1。

表1 截面上測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results on cross-section (℃)

由表1可知，植株所在區(qū)域測(cè)得溫度均高于出現(xiàn)冷害的溫度值，即在室外環(huán)境溫度低至-13℃夜間，仍可在不人為加溫前提下，保證溫室內(nèi)作物存活及生長(zhǎng)，日光溫室的保溫能力得以體現(xiàn)。從另一方面分析，測(cè)試結(jié)果也說(shuō)明試驗(yàn)平面上不同位置溫度高低確實(shí)相差懸殊，溫度梯度較大，且棚膜接縫附近的測(cè)點(diǎn)13記錄到全天全試驗(yàn)平面的最低溫度值。

3 溫度場(chǎng)的計(jì)算與模擬

3.1 傳熱理論基礎(chǔ)

根據(jù)傳熱學(xué)理論分析，本文所研究問(wèn)題屬于自然對(duì)流換熱與固體導(dǎo)熱[7]共同作用的問(wèn)題，所以其熱模型應(yīng)滿足3個(gè)通用方程即連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。

計(jì)算時(shí)考慮平面上的空氣與固體間自然對(duì)流換熱；土壤、蓋簾的導(dǎo)熱傳熱；及非加熱表面（墻體）間的輻射換熱。

3.2 軟件中的參數(shù)設(shè)置及邊界條件

根據(jù)“感興趣區(qū)域”1外圍點(diǎn)群的值設(shè)定Fluent所需參數(shù)，完成計(jì)算模擬，得到完整流場(chǎng)圖后與“感興趣區(qū)域”1上對(duì)應(yīng)位置的點(diǎn)進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證試驗(yàn)方法的可靠性。完成24 h的溫室監(jiān)測(cè)過(guò)程后，根據(jù)此組外圍點(diǎn)群數(shù)據(jù)、氣象參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)作為Fluent（v6.3.26）模擬的邊界條件。

流固交接邊界：流動(dòng)邊界條件取無(wú)滑移邊界條件，即所有固體表面上流體的速度等于固體表面的速度，因此有u=v=w=0；

在地面處計(jì)算土壤導(dǎo)熱過(guò)程[8]中傳遞熱流通量：

式中，ΣR為傳熱總熱阻，單位為m2·℃/W，ΣR=Σ（δ/λ）。

土壤導(dǎo)熱系數(shù)λ1=1.28W/（m·℃），厚度δ1=1 m；棚膜及覆蓋草簾的導(dǎo)熱系數(shù)λ2=0.93 W（m·℃）-1，厚度δ2=0.2 m；溫室內(nèi)部空間為自然對(duì)流換熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（Convective Heat Transfer coefficient）取經(jīng)驗(yàn)值10 W/（m2·k-1）；后墻在夜間作為發(fā)熱源，發(fā)熱功率（Heat Generating Rate）為0.8 W·m-3，這一參數(shù)值為長(zhǎng)期測(cè)試所得結(jié)果的一個(gè)平均數(shù)，由最高溫到最低溫后墻內(nèi)表面所流失的熱量Q，再除以夜間的總時(shí)間得到發(fā)熱功率的平均值。

地下1米處作為恒溫邊界[9]，溫度值為測(cè)量得到的13.00℃；在前坡面與地面相交處有1個(gè)極小的漏風(fēng)口，定義為Pressure-Inlet類型的壁面邊界，且回流流體的溫度（Backflow total temperature）設(shè)為-13℃（即當(dāng)日露天最低溫度）。

模擬結(jié)果如圖5所示。

3.2 模擬結(jié)果的試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，需按圖2中設(shè)計(jì)的布點(diǎn)方式，進(jìn)行1次實(shí)測(cè)試驗(yàn)，具體過(guò)程如圖6所示。

圖5 日光溫室內(nèi)溫度場(chǎng)分布Fig.5 Temperature distribution in greenhouse

圖6 日光溫室內(nèi)溫度實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)Fig.6 Temperature measurement in greenhouse

對(duì)應(yīng)位置的模擬溫度值與實(shí)測(cè)數(shù)值的比較結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算模擬結(jié)果分布規(guī)律趨同，在溫室頂棚處即兩種結(jié)果差異最大，但仍保持在1℃以內(nèi)。局部出現(xiàn)誤差的原因主要有：①忽略了工作間和門，沒(méi)有考慮其產(chǎn)生的熱量散失[10-11]；②邊界條件的設(shè)定與客觀實(shí)際仍存在差異，軟件中設(shè)定參數(shù)時(shí)忽略了對(duì)溫度場(chǎng)分布影響微小的因素；③由于儀器在后墻、后屋面、前屋面等物體表面的測(cè)量不能完全貼近表面，無(wú)法測(cè)量其真實(shí)溫度。

表2 五個(gè)特定點(diǎn)的試驗(yàn)測(cè)量值和數(shù)值計(jì)算值Table 2 Measured results and computing values of the five given points (℃)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)等溫度線圖進(jìn)行分析，揭示了日光溫室內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布特點(diǎn)：靠近墻體部分的空間溫度在豎直方向上分布具有顯著層次感；靠近前坡面棚膜部位的空間溫度梯度主要方向?yàn)榕c地面呈45～60度角方向；由場(chǎng)的協(xié)同原理可知，在梯度方向上施加強(qiáng)制流動(dòng)，能最有效實(shí)現(xiàn)溫度分布的均勻化。對(duì)速度矢量圖進(jìn)行分析，揭示在溫室內(nèi)存在的兩個(gè)主要?dú)饬鳒u旋，分別發(fā)生在后墻與頂跨、前坡面與地面之間，頂跨周圍冷空氣下降，移動(dòng)至后墻附近升高溫度，變熱上升，在頂跨處再次降溫向下運(yùn)動(dòng)；前坡面與地面間同理，兩過(guò)程不斷重復(fù)形成動(dòng)態(tài)平衡。本研究可為后續(xù)溫室溫度環(huán)境控制奠定基礎(chǔ)。

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