典型天氣情況下含內(nèi)拱棚的日光溫室溫濕度分析與穩(wěn)態(tài)模擬

康宏源 塔娜 張海鑫

摘要：為研究內(nèi)蒙古地區(qū)含有內(nèi)拱棚的日光溫室內(nèi)溫度、濕度在不同天氣條件下的變化分布規(guī)律，采用密集布點的方式采集溫室內(nèi)一個豎直截面內(nèi)的空氣、土壤的溫濕度數(shù)據(jù)，并采用計算流體動力學(xué)（CFD）的方法對試驗數(shù)據(jù)進行穩(wěn)態(tài)模擬。數(shù)據(jù)分析及試驗?zāi)M表明：（1）含有內(nèi)拱棚的日光溫室在打開通風(fēng)口后可以有效地降低溫室內(nèi)空氣濕度且作物冠層區(qū)域的溫度仍然維持在作物生長所適宜的范圍內(nèi)。（2）晴天時溫室內(nèi)的熱量源于外界的日光輻射，雪天時溫室內(nèi)的熱量源于內(nèi)部土壤和黏土墻的輻射放熱。（3）模擬結(jié)果顯示，晴天正午在內(nèi)拱棚下部區(qū)域和作物冠層跨度方向的中間位置濕度高于其他區(qū)域，說明在該區(qū)域有水分聚集。雪天正午日光溫室內(nèi)的濕度分布均勻，不論在高度上還是在跨度上都沒有明顯差異。（4）模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比誤差不超過5%，證明了本試驗所用溫室模型的可靠性。

關(guān)鍵詞：日光溫室;內(nèi)拱棚;CFD（計算流體動力學(xué)）;溫度場;濕度場;穩(wěn)態(tài)模擬

中圖分類號： S625.5+1 ?文獻標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）02-0215-06

農(nóng)業(yè)設(shè)施的改良優(yōu)化是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和高效化的重要方式。日光溫室因其能夠?qū)崿F(xiàn)返季節(jié)蔬菜的大量種植，因此成為我國北方地區(qū)的重要農(nóng)業(yè)設(shè)施，并得以推廣使用。農(nóng)戶為保證夜間溫室內(nèi)的氣溫會在傍晚時分關(guān)閉通風(fēng)口并覆蓋棉被，由于植物的呼吸作用的影響，溫室內(nèi)的濕度會逐漸增大。眾所周知，高濕度的環(huán)境會導(dǎo)致作物生理失調(diào)，蒸騰受限，影響根部對養(yǎng)分的吸收和利用[1]并引發(fā)病害。塑料薄膜上的水滴下落會引發(fā)白粉病及其他真菌病害[2-4]。同時溫室內(nèi)的水分流動會引起溫室內(nèi)的空氣溫度的變化，對溫室內(nèi)的溫度保持產(chǎn)生影響。國內(nèi)眾多學(xué)者針對日光溫室內(nèi)的濕熱耦合問題展開了大量的研究[5-10]，主要研究從黃瓜、番茄等高植株作物的病害問題入手，而對含有內(nèi)拱棚種植低矮葉菜作物的溫室研究較少。

內(nèi)拱棚從溫室內(nèi)地面起平行于外層保溫膜約50 cm設(shè)置一定高度。當(dāng)外界冷空氣由通風(fēng)口進入溫室時，由于有內(nèi)拱棚的阻擋使得冷空氣不直接流向溫室內(nèi)作物[11-13]，而是沿溫室外層膜向上運動，到達溫室頂部后沿后墻及表面繼續(xù)流動形成順時針方向的環(huán)流[14]，且溫度逐漸趨于適宜。因此，內(nèi)拱棚在保持溫室內(nèi)空氣流動的同時使溫室內(nèi)溫度保持在適宜的區(qū)間。研究含有內(nèi)拱棚的日光溫室有助于了解溫室內(nèi)的溫濕度分布規(guī)律，為指導(dǎo)農(nóng)戶日常生產(chǎn)中的除濕通風(fēng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室

本試驗所選溫室位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市（40°29′N、111°47′E）賽罕區(qū)東郊西把柵鄉(xiāng)和林村，數(shù)據(jù)采集時間為2016年11月27日至2017年4月22日，共147 d。主要種植作物為油麥菜。日光溫室坐北朝南，方位角為0°;溫室東西長度為100 m，南北跨度為10 m;后墻為夯實土墻，沿南北截面為下底3.5 m、上底2.5 m、高2.8 m的正梯形;后坡仰角20°，前屋面為鋼架結(jié)構(gòu)并覆蓋厚度為0.11 mm的聚乙烯薄膜;外部為草墊和棉被用以夜間保溫。溫室內(nèi)部含有內(nèi)拱棚平行于外層膜，底部距離外層膜0.5 m，高1.4 m。冬季于 09：00—10：00升起棉被與草墊，并打開薄膜通風(fēng)口除濕通風(fēng);春季于08：30—09：00除濕通風(fēng)。

1.2 試驗器材

選用傳感器主要用于收集室外和室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。FLEX1000型溫濕度傳感器，大連哲勤科技有限公司生產(chǎn)，濕度測量范圍及精度：0～100% RH，±2% RH;溫度測量范圍及精度：-20～85 ℃，±0.3 ℃。溫室外選用JLC-QTF型自動氣象站，錦州利誠自動化設(shè)備公司生產(chǎn)，包括LC-WD1型空氣溫度傳感器，測量范圍-50～150 ℃，測量精度±0.1 ℃;TBQ-2LJ型總輻射傳感器，測量范圍0～2 000 W/m2，測量精度<±5%。MS-10土壤溫度水分傳感器，遼寧省大連市大連哲勤科技有限公司生產(chǎn)，測量范圍-40～85 ℃，測量精度±0.5 ℃。

1.3 試驗方案

試驗選取帶有內(nèi)拱棚的日光溫室，溫室內(nèi)種植油麥菜，收獲時植株高度在30～40 cm范圍內(nèi)[4]?？紤]到油麥菜作物冠層的高度，故在溫室內(nèi)選取一個垂直于地面的截面布置傳感器，傳感器測得的數(shù)據(jù)每30 min記錄1次。數(shù)據(jù)采集從2016年11月29日至2017年4月20日，共143 d。溫室日常管理按照正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要進行通風(fēng)、灌水。溫室內(nèi)傳感器分布見圖1。將采集到的數(shù)據(jù)進行篩選后導(dǎo)入數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件Origin中，研究內(nèi)拱棚作用下不同高度上溫濕度分布規(guī)律;之后使用Fluent軟件進行模擬分析，掌握溫室內(nèi)的溫度分布規(guī)律。

1.4 數(shù)據(jù)分析

內(nèi)蒙古地處中國北方，四季明顯，冬季主要種植耐寒作物，如矮油菜、白菜等。為研究溫室內(nèi)的溫濕度垂直分布規(guī)律，在溫室內(nèi)密集設(shè)置了由南向北的4列空氣溫濕度監(jiān)測點，對作物冠層及其上方的溫室空間進行監(jiān)測，著重對冠層底層和冠層頂層的空氣溫濕度進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型天氣試驗數(shù)據(jù)的選取

選擇同一月內(nèi)的典型天氣——晴天和雪天的數(shù)據(jù)，對比其在溫室跨度上的不同距離溫濕度的垂直分布規(guī)律，以2017年1月3日、2017年1月6日的典型天氣數(shù)據(jù)進行對比分析。室外氣候參數(shù)見表1。溫室內(nèi)油麥菜高度為30～35 cm，比較這2 d內(nèi)的溫室內(nèi)部的溫濕度狀況。

2.2 晴天拱棚內(nèi)溫濕度變化

2.2.1 溫度變化 2017年1月3日08：00至20：00冠層頂層和底層的溫濕度分布變化規(guī)律，溫度總體上隨時間變化先升高后降低;濕度總體上隨時間變化先降低后升高。從圖2可以看出，在啟簾之前，冠層底層和頂層的溫度相差不大，普遍在5～6 ℃。啟簾后受到太陽照射溫度快速升高，底層的最高溫度與頂層的最高溫度相差約7 ℃。隨后由于通風(fēng)口打開冷空氣進入溫室內(nèi)底層溫度下降4～5 ℃，頂層溫度下降8～12 ℃。至12：00時，由于太陽直射室外氣溫上升，因此進入溫室的空氣溫度也隨之升高，底層溫度升高3～4 ℃，頂層溫度升高5～7 ℃，并一直保持在該溫度區(qū)間內(nèi)直到關(guān)閉通風(fēng)口和閉簾。

2.2.2 濕度變化 從圖3可以看出，在啟簾之前，溫室內(nèi)處于高濕狀態(tài)，冠層底層與頂層濕度均在90%。啟簾后溫室內(nèi)的濕度開始迅速下降，由于頂層首先接收到太陽輻射且輻射量高于底層，因此頂層空氣濕度下降的速度明顯高于底層的濕度下降速度。11：00時頂層空氣濕度下降的速度明顯減慢，底層空氣濕度下降的速度明顯提高，至12：00后下降速度也開始放緩。最終頂層濕度保持在40%～50%，而底層除3號測點濕度浮動外，其他測點保持在50%～65%。結(jié)果表明，在上午啟簾后冠層頂層的溫度升高、濕度降低的速度較底層的更快更多。打開薄膜通風(fēng)口通風(fēng)后， 溫度靠近后墻體的較高而其他3點相近，底層中部（3號測點附近）濕度較高，其他3點相近， 頂層濕度大致相同。 在關(guān)閉通風(fēng)口覆蓋棉被后

溫濕度逐漸趨于穩(wěn)定。

2.3 雪天拱棚內(nèi)溫濕度變化

2017年1月6日08：00至20：00冠層頂層和底層的溫濕度分布變化規(guī)律，溫度總體上隨時間變化先升高后降低;濕度總體上隨時間變化先降低后升高。

2.3.1 溫度變化 從圖4可以看出，在啟簾之前，溫室內(nèi)的溫度較低，底層溫度在5.25～6.5 ℃內(nèi)分布，靠近后墻的2個測點的溫度接近;頂層溫度在5～6 ℃內(nèi)分布，頂層4點的溫度差比底層的大。啟簾后溫度小幅上升，底層溫度上升約 1.5 ℃，頂層溫度上升約2 ℃，稍高于底層。之后由于通風(fēng)口打開，冷空氣開始進入溫室，底層空氣的溫度降低約 0.5 ℃，頂層空氣溫度降低1.0～1.5 ℃。關(guān)閉通風(fēng)口后，溫室內(nèi)溫度繼續(xù)降低，而由于南側(cè)靠近溫室薄膜北側(cè)靠近溫室后墻，北側(cè)溫度始終高于南側(cè)溫度。16：00后閉簾，溫室內(nèi)溫度繼續(xù)降低至最低4 ℃，最終保持穩(wěn)定。

2.3.2 濕度變化 從圖5可以看出，在啟簾之前，溫室內(nèi)底層濕度維持在91%左右，而頂層靠近外層膜濕度最高為 93.14%，靠近后墻最低為89.14%，中間2點濕度接近。啟簾后頂層空間受到太陽輻射，溫度升高、濕度略微下降，下層由于植物冠層遮擋濕度沒有變化。開啟通風(fēng)口后底層濕度下降1.5%，頂層只有靠近后墻的2個測點濕度下降3%，靠近外層膜的2個測點濕度變化不明顯。關(guān)閉通風(fēng)口后濕度上升，并在閉簾后逐漸保持穩(wěn)定。

雪天情況下溫室通風(fēng)時間較短，太陽輻射較晴天弱，因此溫室內(nèi)的溫度和濕度變化幅度都比晴天時的變化幅度小， 溫室內(nèi)總體維持在低溫高濕的狀態(tài)。

2.4 溫度場模型的建立與分析

計算流體動力學(xué)（CFD）方法在日光溫室的研究中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用， 而Fluent軟件因其強大的流暢計算功能且在

分離環(huán)境或非線性耦合計算中有較高的計算精度?？紤]到溫室的結(jié)構(gòu)和內(nèi)外部環(huán)境的影響，以豎直方向的截面為模擬對象。試驗重點針對13：00時的數(shù)據(jù)進行分析，故選取以壓力為基礎(chǔ)的平面穩(wěn)態(tài)模型，并考慮重力的作用，同時打開能量模型求解器和DO輻射模型求解器[14]。相關(guān)研究表明，溫室內(nèi)的氣體流動適用于標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，其計算精度符合工程計算的要求[15-17]。

2.4.1 網(wǎng)格劃分 本試驗利用前處理軟件Gambit建立試驗溫室及內(nèi)拱棚的二維截面模型和溫室內(nèi)作物冠層區(qū)域的模型，之后進行網(wǎng)格劃分。為保證計算精度，日光溫室網(wǎng)格結(jié)構(gòu)采用四邊形非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，最終網(wǎng)格單元尺寸為0.03，數(shù)量為19 050個（圖6），網(wǎng)格質(zhì)量良好，符合計算要求。

2.4.2 邊界條件 本試驗的預(yù)測模型以溫室內(nèi)空氣為研究對象，其邊界條件包括室外氣候、溫室內(nèi)地面土壤、溫室后墻體、木質(zhì)后坡和聚乙烯塑料薄膜等。在自然通風(fēng)的條件下，將0.3 m開口的下部0.27 m部分作為速度進口，將0.3 m開口的上部0.03 m部分作為出口，其他邊界均設(shè)置為Wall。溫室內(nèi)的各種材料的熱學(xué)性能參數(shù)見表2，試驗溫室模型的邊界條件見表3、表4。

2.4.3.1 溫度變化 2種天氣情況下溫室內(nèi)溫度有明顯的差異，且熱量來源不同。在晴天時溫室內(nèi)空氣溫度普遍維持在26 ℃左右，土壤表面溫度較低，由于溫室內(nèi)南側(cè)土壤的邊際效應(yīng)的影響[18-19]，溫室內(nèi)雙層膜間土壤溫度最低為 4.75 ℃，內(nèi)拱棚北側(cè)土壤溫度為10.49 ℃，而北側(cè)靠近后墻的土壤溫度最高為11.5 ℃，呈現(xiàn)出明顯的溫度梯度且內(nèi)拱棚兩側(cè)空氣和土壤溫度值有明顯突變;由于太陽輻射穿透外層膜，高溫區(qū)域位于外層膜頂部，使溫室內(nèi)溫度保持在一個較高水平。溫度從地面到溫室頂部逐漸升高，溫度分布有明顯梯度，且頂部溫度最高達31 ℃（圖7）。在雪天時溫室內(nèi)空氣溫度普遍維持于5～6 ℃，不同于晴天情況的是，溫室內(nèi)最高溫度區(qū)域位于北側(cè)地面區(qū)域而非溫室頂部區(qū)域。此時溫室外溫度低且日光輻射量小，溫室內(nèi)的熱量主要源于地面土壤輻射放熱，在此情況下，溫室內(nèi)的垂直溫度梯度方向與晴天時的梯度方向相反，而土壤水平方向溫度梯度仍有體現(xiàn)。雙層膜中間的土壤溫度最低為2.68 ℃，內(nèi)拱棚到北墻體溫度從 6.15 ℃ 逐漸升高至10.15 ℃，有明顯溫度梯度且內(nèi)拱棚兩側(cè)有明顯的溫度突變;由于雪天太陽輻射和氣溫較低，白天無法迅速提高溫室內(nèi)氣溫，雪天溫室平均氣溫5.53 ℃，顯著低于晴天時溫室內(nèi)平均氣溫21.98 ℃（圖8）。

2.4.3.2 濕度變化 2017年1月3日晴天和2017年1月6日雪天的空氣濕度分布云圖見圖9、圖10。

由于通風(fēng)方式的差異，導(dǎo)致2種天氣情況下溫室內(nèi)的濕度差異明顯。在晴天時溫室內(nèi)的濕度分布有顯著的區(qū)域劃分，在溫室頂部的相對濕度為28%左右，為整個溫室內(nèi)的濕度最低的區(qū)域，沿溫室薄膜和后墻的近壁面區(qū)域逐漸向下，空氣的濕度開始上升。同時當(dāng)?shù)竭_通風(fēng)口附近時，相對濕度迅速上升超過100%，空氣中的水分開始凝結(jié)，在內(nèi)拱棚與外層膜之間的空間內(nèi)濕度最高，并且有大量水蒸氣凝結(jié)。而在溫室中部區(qū)域，空氣的相對濕度從南北兩側(cè)向中間逐漸升高且近地面附近的空氣相對濕度最高達到90%左右。同時在溫室的內(nèi)拱棚底部和后墻體底部2處的濕度也相對較高，由于內(nèi)拱棚與地面之間的夾角空間小，使得灌水后水分在狹小的空間內(nèi)聚集，同時溫室內(nèi)空氣流動在該區(qū)域產(chǎn)生渦流，因此使得空氣中的水分難以迅速擴散至空氣中，導(dǎo)致該區(qū)域的空氣相對濕度較其他區(qū)域大。后墻底部由于有灌水渠存在導(dǎo)致后墻底濕度較高。在位于地面中部上方小范圍內(nèi)空氣的相對濕度達到80%（圖9）。在雪天時由于通風(fēng)效果較差，溫室內(nèi)空氣相對濕度區(qū)分不明顯，溫室內(nèi)空氣的相對濕度普遍維持在90%以上?？拷孛嫣幍臐穸嚷缘陀诟咛幙臻g的相對濕度。同樣在內(nèi)拱棚與外層膜之間的空間內(nèi)濕度最高并且有大量水蒸氣凝結(jié)（圖10）。