夏季屋頂全開(kāi)型溫室遮陽(yáng)網(wǎng)降溫調(diào)控的CFD分析

張偉建　王新忠　李亮亮　洪亞杰

摘要：為研究遮陽(yáng)網(wǎng)對(duì)屋頂全開(kāi)型溫室夏季降溫的影響，建立屋頂全開(kāi)型溫室的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模型，在上海地區(qū)進(jìn)行夏季試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與模擬值驗(yàn)證了模型的有效性，并利用試驗(yàn)和CFD模型分析了遮陽(yáng)網(wǎng)對(duì)溫室降溫的影響，結(jié)果表明，遮陽(yáng)網(wǎng)的使用層數(shù)對(duì)溫室降溫影響明顯，2層遮陽(yáng)網(wǎng)下溫室室內(nèi)外溫差為4.5 ℃，1層遮陽(yáng)網(wǎng)下為3.7 ℃，無(wú)遮陽(yáng)網(wǎng)為1.3 ℃；利用CFD模擬分析了增加外遮陽(yáng)網(wǎng)后的溫室內(nèi)溫度場(chǎng)，在基本滿足植物生長(zhǎng)光照要求的情況下，溫室接收的太陽(yáng)總輻射降為176.3 W/m2，室內(nèi)平均溫度降為37.6 ℃，溫室內(nèi)局部高溫狀況也被大大緩解。

關(guān)鍵詞：遮陽(yáng)網(wǎng)；夏季降溫；屋頂全開(kāi)型溫室；CFD

中圖分類號(hào)： S625.5+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2017）19-0253-04

收稿日期：2016-04-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2014BAD08B03）；江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：BE2016323）；江蘇省昆山市科技計(jì)劃（編號(hào)：KN1504）。

作者簡(jiǎn)介：張偉建（1988—），男，江蘇連云港人，碩士研究生，主要從事溫室流場(chǎng)方向研究。E-mail：9492945497@qq.com。 夏季降溫一直是困擾玻璃溫室種植的一個(gè)重大問(wèn)題，采用機(jī)械通風(fēng)降溫，耗能較高，且易形成不均勻的溫度場(chǎng)，造成作物品質(zhì)下降。采用自然通風(fēng)時(shí)耗能少，溫度分布均勻，但傳統(tǒng)溫室的設(shè)計(jì)方式使溫室天窗通風(fēng)率低，難以實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)的有效降溫。屋頂全開(kāi)天窗型溫室增強(qiáng)了溫室自然通風(fēng)效果，配合遮陽(yáng)網(wǎng)的使用，在夏季高太陽(yáng)輻射弱風(fēng)天氣中達(dá)到很好的降溫效果。這種新型溫室在我國(guó)尚處在推廣期，有待進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其的試驗(yàn)分析和理論研究。

目前，溫室流場(chǎng)研究大多針對(duì)塑料大棚或普通文洛型溫室展開(kāi)[1-3]，表明計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，簡(jiǎn)稱CFD）方法是溫室流場(chǎng)研究中的有效手段。遮陽(yáng)網(wǎng)是重要的溫室調(diào)控設(shè)備，對(duì)溫室室內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)都起到了非常重要的作用。沈明衛(wèi)等利用布點(diǎn)測(cè)量的研究方法分別建立了遮陽(yáng)網(wǎng)對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境調(diào)控影響的光輻射模型，該模型可以在測(cè)得室外光照度和遮陽(yáng)網(wǎng)自身參數(shù)的情況下預(yù)測(cè)遮陽(yáng)溫室的室內(nèi)光照情況[4-6]。Abdel-Ghany等給出了不同遮陽(yáng)網(wǎng)布置下遮陽(yáng)溫室對(duì)室外輻射值的接收情況[5-6]，為使用CFD方法進(jìn)行遮陽(yáng)網(wǎng)對(duì)溫室調(diào)控影響的模擬提供了直接參考。Willits等利用布點(diǎn)測(cè)量的方法研究發(fā)現(xiàn)，遮陽(yáng)網(wǎng)的使用不僅有利于溫室的降溫，也有利溫室內(nèi)植物水分的保持[7]。李永欣等采用了輻射折算的方法成功地在CFD中模擬了遮陽(yáng)網(wǎng)對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境的影響[8]。遮陽(yáng)網(wǎng)對(duì)溫室的調(diào)控作用巨大，已有文獻(xiàn)主要針對(duì)溫室中的某幾個(gè)點(diǎn)分析遮陽(yáng)網(wǎng)的影響，利用CFD手段從整體溫室流場(chǎng)角度研究遮陽(yáng)網(wǎng)對(duì)溫室調(diào)控的影響?？傊?，前人的研究多針對(duì)大棚溫室、日光溫室等傳統(tǒng)溫室類型，針對(duì)屋頂全開(kāi)窗型溫室的研究較少，尤其是考慮遮陽(yáng)網(wǎng)后的屋頂全開(kāi)窗型溫室自然通風(fēng)調(diào)控的研究。

本研究對(duì)屋頂全開(kāi)窗型溫室進(jìn)行了夏季高溫天氣下的實(shí)測(cè)試驗(yàn)，對(duì)比不同遮陽(yáng)網(wǎng)層數(shù)工況下室溫的變化情況，分析遮陽(yáng)網(wǎng)使用層數(shù)對(duì)溫室降溫的影響。利用溫室CFD模型描述溫室內(nèi)的溫度分布，模擬分析在增加外遮陽(yáng)網(wǎng)后溫室的流場(chǎng)分布情況，為使用遮陽(yáng)網(wǎng)降溫調(diào)控提供參考。

1 試驗(yàn)方案與CFD建模

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)屋頂全開(kāi)型溫室是位于上海金山區(qū)的連棟溫室，溫室南北走向，共3跨，溫室整體長(zhǎng)41.10 m，寬28.80 m，檐高 4.32 m，脊高5.30 m，天窗可開(kāi)至水平傾角52°，選取溫室中間1跨進(jìn)行室內(nèi)溫度測(cè)量。溫室配備2層室內(nèi)遮陽(yáng)網(wǎng)，分別位于距地4.0、4.5 m的高度上。溫室東西2面玻璃墻無(wú)通風(fēng)設(shè)備，北墻有風(fēng)機(jī)，尺寸為1.38 m×1.38 m，距地0.32 m，每跨2臺(tái)，均勻分布在跨間寬度上，南墻有濕簾，距地0.4 m，濕簾寬1.5 m（圖1）。在CFD建模分析時(shí)，以正東向?yàn)閤軸正向，以向上高度方向?yàn)閥軸正向，以正南向?yàn)閦軸正向，溫室西北角立柱和地面交點(diǎn)為坐標(biāo)軸原點(diǎn)。

1.2 試驗(yàn)方法

使用ZDR-3WIS型溫度自動(dòng)記錄儀對(duì)溫室內(nèi)溫度進(jìn)行測(cè)量，設(shè)置記錄時(shí)間間隔為5 min，每個(gè)溫度記錄儀有3個(gè)溫度測(cè)量探頭，測(cè)量時(shí)，3個(gè)探頭分別分布在0.7、1.3、2.2 m等3個(gè)不同的高度上，將記錄儀布置成2個(gè)成十字交叉的豎直面（圖2）。

使用TYD-ZS2型環(huán)境數(shù)據(jù)記錄儀記錄外部環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)置記錄時(shí)間間隔為1 min，該氣象站可測(cè)量室外的太陽(yáng)總輻射、光照度、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境指標(biāo)。2015年8月1日13：50—15：20對(duì)屋頂全開(kāi)型溫室進(jìn)行室內(nèi)外參數(shù)的測(cè)量，氣象站位于距溫室20 m的室外空曠處，溫室2層室內(nèi)遮陽(yáng)網(wǎng)都打開(kāi)，東西2跨中僅中間小屋頂（指每跨屋頂中有3個(gè)小屋頂）的天窗打開(kāi)，居中1跨的3個(gè)小屋頂全部打開(kāi)，將北山墻的風(fēng)機(jī)后蓋打開(kāi)，溫室北端外部氣流從風(fēng)機(jī)口的位置進(jìn)入溫室，溫室南端以南山墻干濕簾透氣孔為通風(fēng)口。試驗(yàn)中，使用FLUKE Infrared Thermometers 568紅外點(diǎn)溫儀進(jìn)行溫室內(nèi)外地面和玻璃溫度的測(cè)量，每15 min測(cè)量1次。

1.3 模型設(shè)置

1.3.1 模型邊界條件和材料屬性設(shè)置 本研究在ICEM軟件中建立了幾何模型，該模型設(shè)立10倍于溫室長(zhǎng)寬高尺寸的計(jì)算域。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體劃為343萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，其中溫室網(wǎng)格92萬(wàn)個(gè)。根據(jù)溫室的空氣流動(dòng)特征[9]，在Fluent中選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流方程，選取DO輻射模型進(jìn)行計(jì)算。仿真中，將實(shí)測(cè)風(fēng)向、風(fēng)速進(jìn)行矢量分解，設(shè)置西側(cè)和南側(cè)計(jì)算域?yàn)檫M(jìn)風(fēng)口，風(fēng)速都設(shè)置為0.566 m/s，東側(cè)和北側(cè)為出風(fēng)口。

選取13：50時(shí)的環(huán)境參數(shù)驗(yàn)證模型。按照實(shí)際測(cè)量的溫度值設(shè)置內(nèi)外地面及覆蓋材料模型中的溫度，模型中空氣、地面和玻璃等材料的屬性設(shè)置如表1所示。endprint

1.3.2 遮陽(yáng)網(wǎng)和干濕簾在數(shù)字模型中的設(shè)置 本研究根據(jù)已有的關(guān)于遮陽(yáng)網(wǎng)的研究文獻(xiàn)[5-6]，結(jié)合試驗(yàn)屋頂全開(kāi)型溫室所用遮陽(yáng)網(wǎng)具體材料的物性參數(shù)，通過(guò)輻射折減的方式實(shí)現(xiàn)溫室遮陽(yáng)的模擬。模擬設(shè)置中，將輻射值由 821.000 W/m2 的室外太陽(yáng)輻射折減為2層遮陽(yáng)網(wǎng)下的 341.257 W/m2。

在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)濕簾通風(fēng)口在夏季高溫條件下對(duì)溫室山墻通風(fēng)有很大影響，在模型中應(yīng)反映干濕簾的影響。通過(guò)分析干濕簾對(duì)空氣的阻礙特性，本研究在模型中將干濕簾視作多孔介質(zhì)，并且忽略流體的非線性慣性損失量，由基本滲流定律[10]得出：

ΔP=-μvαΔm。（1）

其中：ΔP為流體在材料兩側(cè)的壓力差，N/m2；μ為流質(zhì)黏度，取18.6 μPa·s；v為流質(zhì)到達(dá)材料表面的速度，取實(shí)測(cè)值 1.3 m/s；α為材料的滲透率，m2；Δm為材料的厚度，測(cè)得為0.1 m。

忽略溫室內(nèi)外熱壓的影響，利用實(shí)際測(cè)量的干濕簾兩側(cè)風(fēng)速值，通過(guò)伯努力風(fēng)-壓普遍應(yīng)用關(guān)系[11]求得：

P=0.5ρv2。（2）

其中：P為風(fēng)壓；ρ為空氣密度，取1.25 kg/m3；v為風(fēng)速?？衫迷囼?yàn)中實(shí)測(cè)的濕簾兩側(cè)風(fēng)速通過(guò)公式（2）求出氣壓差。一側(cè)風(fēng)速為1.3 m/s，另一側(cè)為0.3 m/s，所以，求得氣壓差ΔP=-1 N/m2。在取得ΔP、μ、v、Δm值的情況下，可通過(guò)公式（1）求得濕簾材料的滲透率α=2.4 mm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同的遮陽(yáng)網(wǎng)工況下溫室降溫效果分析

圖3為溫室在2層內(nèi)遮陽(yáng)網(wǎng)、1層內(nèi)遮陽(yáng)網(wǎng)和無(wú)遮陽(yáng)網(wǎng)3種遮陽(yáng)工況下溫室室內(nèi)溫度和室外溫度的數(shù)據(jù)對(duì)比，數(shù)據(jù)記錄時(shí)溫室都處在自然通風(fēng)狀態(tài)。分析可見(jiàn)，遮陽(yáng)網(wǎng)的使用層數(shù)對(duì)溫室降溫調(diào)控的影響明顯，在2層遮陽(yáng)網(wǎng)下，溫室內(nèi)外溫度平均相差4.5 ℃；當(dāng)變?yōu)?層遮陽(yáng)網(wǎng)時(shí)，室內(nèi)外溫度平均相差3.7 ℃；當(dāng)無(wú)遮陽(yáng)網(wǎng)時(shí)，室內(nèi)外溫度平均僅相差13 ℃。

2.2 CFD模型的驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)模擬，將室內(nèi)相同位置的模擬值和試驗(yàn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。以1～7的排列順序?qū)?.3 m高度溫度傳感器的探頭位置記為P1～P7，1.3 m高度記為P8～P14，0.7 m高度記為P15～P21，將各位置上的模擬值和試驗(yàn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比情況如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，在各個(gè)高度上，模擬值與實(shí)測(cè)值的變化的趨勢(shì)基本一致，兩者最大相對(duì)誤差為6.1%，最小相對(duì)誤差為03%，實(shí)測(cè)值與模擬值的平均相對(duì)誤差為1.1%，驗(yàn)證模型有效。

2.3 溫室溫度場(chǎng)的CFD分析

由圖5可以看出，溫室溫度分布整體的均勻情況較差，尤其在溫室西北方向形成一大片的高溫區(qū)域，不利于作物種植。

由圖6可知，距地面1 m處沿溫度長(zhǎng)度方向上的最高溫度為39.8 ℃，最低溫度為38.7 ℃，平均溫度為39.3 ℃。結(jié)果表明，在距地面1 m高度處溫室不同位置的溫差較大，并且溫度整體偏高。

2.4 基于CFD的屋頂全開(kāi)型溫室的遮陽(yáng)網(wǎng)降溫調(diào)控

為模擬溫室加設(shè)外遮陽(yáng)網(wǎng)的工況，在CFD模型中需要對(duì)遮陽(yáng)網(wǎng)遮蓋區(qū)域進(jìn)行輻射折減。通過(guò)文獻(xiàn)資料[5-6，12]分析，如模擬溫室使用2層內(nèi)遮陽(yáng)和1層外遮陽(yáng)的工況，須要將模型中室外太陽(yáng)總輻射在原始值824.0 W/m2的基礎(chǔ)上折減為1763 W/m2。根據(jù)文獻(xiàn)[13]的光照模型，并結(jié)合遮陽(yáng)網(wǎng)材料參數(shù)，此狀態(tài)下溫室的室內(nèi)光照度為31.5 klx，光照度值處在大多數(shù)花卉的光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)之間，滿足植物對(duì)光照度的要求。

3 結(jié)論

遮陽(yáng)網(wǎng)使用層數(shù)對(duì)溫室的降溫影響明顯，在2層遮陽(yáng)網(wǎng)下，屋頂全開(kāi)型溫室室內(nèi)溫度與室外溫度平均相差 4.5 ℃；1層遮陽(yáng)網(wǎng)下，室內(nèi)外溫度平均相差 3.7 ℃；當(dāng)無(wú)遮陽(yáng)網(wǎng)時(shí)，室內(nèi)外溫度平均僅相差1.3 ℃。

假設(shè)溫室的空氣流動(dòng)符合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流方程做溫室湍流模擬，選取DO輻射模型作為輻射計(jì)算方法，建立并實(shí)測(cè)驗(yàn)證了屋頂全開(kāi)型溫室CFD模型的有效性。利用CFD模擬加設(shè)外遮陽(yáng)網(wǎng)后溫室的溫度場(chǎng)情況，在調(diào)控溫室接收的輻射值折減為176.3 W/m2后，室內(nèi)光照度基本滿足植物生長(zhǎng)要求，溫室內(nèi)的平均溫度變?yōu)?7.6 ℃，比現(xiàn)行工況降低了0.8 ℃，且溫室內(nèi)局部高溫的情況被大大緩解。

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