溫室蔬菜大棚生物質(zhì)能火墻供暖系統(tǒng)

周斯陽(yáng)， 李洪強(qiáng)*， 劉麗芳， 祝彪炳

(1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410082； 2.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 湘潭 411201)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，反季節(jié)蔬菜成了消費(fèi)市場(chǎng)的熱銷產(chǎn)品。溫室大棚可以通過技術(shù)調(diào)控營(yíng)造適宜反時(shí)令蔬菜生長(zhǎng)的微氣候，打破室外氣候的限制，在寒冷季節(jié)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的全天候生長(zhǎng)[1]。據(jù)第三次全國(guó)農(nóng)業(yè)普查主要數(shù)據(jù)公報(bào)(第二號(hào))稱：截至2016年末，中國(guó)溫室占地面積334 khm2，大棚占地面積981 khm2。中國(guó)溫室大棚面積大，蔬菜產(chǎn)量高，溫室蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊[2]。但中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展較美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展晚，溫室大棚的設(shè)施建設(shè)不完善，對(duì)溫室微環(huán)境的控制水平有待提高[3]。其中，無(wú)法保障適合作物生長(zhǎng)的溫度是導(dǎo)致作物生長(zhǎng)不良的重要原因之一。傳統(tǒng)溫室通過吸收太陽(yáng)輻射產(chǎn)生溫室效應(yīng)從而提高室內(nèi)溫度，其受氣候條件影響大，在光照不足、氣候寒冷的地區(qū)無(wú)法滿足作物正常生長(zhǎng)的熱環(huán)境需求[4-5]。因此，使用溫室供暖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫室控溫和節(jié)能是溫室產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的方向。

溫室供暖系統(tǒng)分為被動(dòng)式溫室供暖系統(tǒng)和主動(dòng)式溫室供暖系統(tǒng)。被動(dòng)式溫室供暖系統(tǒng)以太陽(yáng)能為熱源，在溫室內(nèi)部空氣和蓄熱介質(zhì)之間進(jìn)行熱量交換[6]，蓄熱介質(zhì)包括水[7]、土壤[8-10]、巖床[11]和相變材料[12-14]等。在氣候條件良好的情況下被動(dòng)式溫室供熱系統(tǒng)能夠?yàn)樽魑餇I(yíng)造適宜的熱環(huán)境，但在室外溫度極低、太陽(yáng)輻射不充足的條件下，被動(dòng)式供暖系統(tǒng)的蓄熱能力有限，不能持續(xù)保障作物生長(zhǎng)需要。因此，被動(dòng)式溫室供暖系統(tǒng)通常適用于氣候溫和的小型溫室。

在大型商業(yè)溫室中，可以采用被動(dòng)式與主動(dòng)式溫室供暖系統(tǒng)相結(jié)合或直接采用主動(dòng)式溫室供暖系統(tǒng)為溫室供暖。在熱源的選擇上，主動(dòng)式溫室供暖系統(tǒng)主要分為不可再生能源和可再生能源。不可再生能源包括煤[15]、燃?xì)鈁16]等化石能源。由于化石能源價(jià)格昂貴，易造成環(huán)境污染，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過度使用化石燃料會(huì)導(dǎo)致氣候環(huán)境惡化、溫室效應(yīng)加劇，并且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本會(huì)大大增加。事實(shí)上，有效利用可再生的自然資源就能夠?yàn)闇厥姨峁┳銐虻臒崃?，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求?？稍偕淖匀毁Y源主要有太陽(yáng)能[17-18]、地?zé)崮躘19-21]、生物質(zhì)能[22]等，已經(jīng)有較多學(xué)者探索將可再生能源應(yīng)用于主動(dòng)式溫室供暖系統(tǒng)。

太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)因其低排放、設(shè)備投資和運(yùn)行成本低，適用性長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)受到許多學(xué)者的青睞。Bazgaou等[23]研究分析了主動(dòng)式太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)(active solar heating system，ASHS)對(duì)溫室中番茄品質(zhì)和產(chǎn)量的影響。ASHS由兩個(gè)裝有太陽(yáng)能平板收集器的太陽(yáng)能熱水器、兩個(gè)儲(chǔ)水箱和換熱管網(wǎng)組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，夜間溫室內(nèi)空氣溫度提高了6 ℃，土壤溫度提高了2.5 ℃。ASHS改善了冬季溫室番茄品質(zhì)，增加番茄產(chǎn)量55%。Bouadila等[24]使用裝配相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)的太陽(yáng)能空氣加熱器改善溫室熱環(huán)境。在日間，該加熱器將多余的熱量?jī)?chǔ)存在相變膠囊床中；在夜間，利用風(fēng)機(jī)帶動(dòng)溫室內(nèi)空氣與相變膠囊進(jìn)行熱量交換，釋放日間儲(chǔ)存的熱量。結(jié)果表明，在夜間，有加熱系統(tǒng)的溫室內(nèi)空氣溫度比常規(guī)溫室內(nèi)空氣溫度高5 ℃，夜間補(bǔ)充的熱量達(dá)到供熱總需求的31%。Han等[25]建立了溫室主動(dòng)被動(dòng)蓄熱通風(fēng)墻體的性能評(píng)價(jià)模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。蓄熱墻體在日間通過吸收太陽(yáng)輻射、通入室內(nèi)熱空氣將熱量?jī)?chǔ)存在相變材料中，儲(chǔ)存的熱量在夜間通過輻射和對(duì)流釋放到室內(nèi)環(huán)境中。結(jié)果表明，蓄熱墻體可存儲(chǔ)太陽(yáng)能5.36 MJ/(m2·d)，溫室夜間空氣溫度提高了0.8～1.4 ℃。宋磊等[26]設(shè)計(jì)一種太陽(yáng)能空氣集放熱系統(tǒng)為溫室供熱，該系統(tǒng)利用太陽(yáng)能平板空氣集熱器加熱空氣，在管道風(fēng)機(jī)的作用下通將熱空氣輸送到散熱管道中釋放熱量。系統(tǒng)運(yùn)行期間，系統(tǒng)集熱量為6.0～9.3 MJ/m2，溫室空氣溫度提高2.7 ℃。戴巧利等[27]研究了一套主動(dòng)式太陽(yáng)能塑料大盆增溫系統(tǒng)，日間利用太陽(yáng)能集熱器加熱溫室中的空氣，風(fēng)機(jī)將熱空氣抽入地下與土壤進(jìn)行熱交換，將其儲(chǔ)存在土壤中，夜間將室內(nèi)空氣抽入地下與土壤進(jìn)行換熱，將土壤中儲(chǔ)存的熱量釋放到溫室中。與自然輻照的對(duì)照溫室相比，試驗(yàn)溫室夜間空氣溫度提高3.8 ℃，土壤溫度升高2.3 ℃，系統(tǒng)蓄熱量為228.9～319.1 MJ。

太陽(yáng)能是重要可再生能源之一，但主動(dòng)式太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)仍然缺乏穩(wěn)定性，追本溯源，仍然受限于地域與天氣因素。與太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)相比，地源熱泵系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、加熱和冷卻雙重功能的優(yōu)點(diǎn)。Boughanmin等[28]采用一種新型圓錐螺旋地?zé)釗Q熱器為溫室供暖。結(jié)果表明，該換熱系統(tǒng)為溫室提供了692.208 kW熱量，這部分熱量能夠使溫室內(nèi)空氣溫度升高3 ℃。Yang等[29]利用土壤-空氣熱交換器系統(tǒng)將地?zé)崮茏鳛闊嵩礊闇厥掖笈锕?。在不同天氣條件下，該換熱系統(tǒng)夏季可提供1.5～4.5 kW的冷量，冬季可提供0.7～2.8 kW的熱量，保障溫室溫度在適宜的范圍內(nèi)。

地源熱泵系統(tǒng)需要較大的前期資金投入，回收期較長(zhǎng)，不適合經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的中國(guó)農(nóng)村地區(qū)使用，而生物質(zhì)供暖系統(tǒng)在此領(lǐng)域擁有一定優(yōu)勢(shì)。Chau等[30]對(duì)一個(gè)中等規(guī)模的溫室產(chǎn)生熱量的典型木屑顆粒和木渣鍋爐進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。凈現(xiàn)值表明，安裝木屑顆粒或木渣鍋爐提供40%的年需求熱量比使用天然氣鍋爐提供所有年需求熱量更經(jīng)濟(jì)。此外，使用木質(zhì)生物質(zhì)鍋爐還可以減少溫室氣體排放。Zhang等[31]以獨(dú)特的燃池燃燒復(fù)合生物質(zhì)燃料對(duì)某日光溫室進(jìn)行供暖，實(shí)驗(yàn)顯示，該供暖系統(tǒng)供暖效果明顯，比無(wú)供暖設(shè)施的日光溫室室溫提高3～8 ℃，其費(fèi)用現(xiàn)值和費(fèi)用年值分別是58.71元/m2和9.56元/m2，均低于熱風(fēng)采暖系統(tǒng)、熱水供暖系統(tǒng)和電供暖系統(tǒng)。Singh等[32]提出一種以稻草秸稈為主要燃料通過熱水散熱管網(wǎng)和煙氣散熱管網(wǎng)為溫室供熱的溫室供暖系統(tǒng)。數(shù)學(xué)模型表明，該系統(tǒng)能夠提供12.98 kW熱量，每天可節(jié)省80 kW·h，5年內(nèi)可回收50%的安裝成本和運(yùn)營(yíng)成本。白義奎等[21]、王鐵良等[33]使用燃池-地中熱交換系統(tǒng)加熱溫室。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫室內(nèi)空氣溫度提高了2.6 ℃，土壤溫度提高了1.9 ℃，其費(fèi)用現(xiàn)值和費(fèi)用年值分別是10.89 元/m2和1.28 元/m2，遠(yuǎn)低于熱風(fēng)加熱系統(tǒng)和熱水加熱系統(tǒng)。整體而言，生物質(zhì)能在溫室供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用前景大，滿足農(nóng)村地區(qū)溫室供暖低費(fèi)用、碳中和、就近處理農(nóng)業(yè)廢棄物的要求。

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量大、分布廣、種類多。據(jù)調(diào)查估算，2015年中國(guó)主要農(nóng)作物秸稈資源量約為7.19億t[34]。改革開放以來(lái)，在中國(guó)政府的發(fā)展新農(nóng)村、鄉(xiāng)村振興等政策下，農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量逐年增加，秸稈區(qū)域性、季節(jié)性、結(jié)構(gòu)性過?，F(xiàn)象不斷顯現(xiàn)。在農(nóng)村，秸稈隨意丟棄、焚燒的現(xiàn)象屢禁不止，其帶來(lái)的資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重。自1997年后，中國(guó)能源消費(fèi)總量超過能源生產(chǎn)總量，其中煤炭資源占比較大，煤炭資源為不可再生資源，其資源量有限，因此提高生物質(zhì)能等可再生能源的利用率[35]，科學(xué)應(yīng)用秸稈等生物質(zhì)，對(duì)于維護(hù)生態(tài)平衡、減緩不可再生能源消耗、減少碳排放都具有十分重要的意義。針對(duì)當(dāng)下農(nóng)村農(nóng)業(yè)廢棄物綜合處理、食品安全、植物生長(zhǎng)環(huán)境惡劣等問題，現(xiàn)展開以生物質(zhì)秸稈為一次能源的溫室大棚火墻供暖系統(tǒng)理論與實(shí)驗(yàn)研究，使農(nóng)業(yè)廢棄物變廢為寶，改善溫室大棚作物生長(zhǎng)環(huán)境，為中國(guó)農(nóng)村地區(qū)的溫室大棚供暖系統(tǒng)提供新思路和研究方向，研究所得到的示范系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)可以直接用于實(shí)踐，為其他類似系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有效參考。

圖1 溫室大棚生物質(zhì)供暖系統(tǒng)運(yùn)行流程圖Fig.1 Flow chart of greenhouse biomass heating system operation

1 溫室大棚生物質(zhì)能火墻供暖系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成及原理

溫室大棚生物質(zhì)供暖系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖1所示。溫室大棚生物質(zhì)能供暖系統(tǒng)由煙氣發(fā)生裝置、煙氣處理裝置、末端換熱裝置、煙氣輸送管網(wǎng)與動(dòng)力機(jī)組成。

煙氣發(fā)生裝置為生物質(zhì)顆粒燃燒爐，將以生物質(zhì)顆粒作為燃料制備不高于200 ℃的煙氣送入煙氣處理裝置。

煙氣處理裝置分為緩沖凈化段、空氣調(diào)溫段和送煙段。煙氣發(fā)生裝置產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入煙氣緩沖段，煙氣經(jīng)由緩沖段的過濾網(wǎng)將灰分和固體顆粒過濾后進(jìn)入噴淋冷卻段，噴淋冷卻段的煙氣與引入的室外冷空氣混合后噴淋降溫，最后低溫?zé)煔膺M(jìn)入送煙段進(jìn)一步混合均勻后流入末端換熱裝置。

末端換熱裝置為供熱火墻，由紅磚、黏土砌筑而成。

煙氣輸送管網(wǎng)與動(dòng)力機(jī)使用軸流風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力裝置安裝在末端換熱裝置后，采用負(fù)壓抽吸方式為煙氣提供動(dòng)力。運(yùn)輸管道使用聚乙烯管。

在夜間，啟動(dòng)溫室大棚生物質(zhì)供暖系統(tǒng)，生物質(zhì)燃爐燃燒生物質(zhì)顆粒產(chǎn)生高溫?zé)煔猓奢S流風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力，依次經(jīng)過煙氣處理裝置、供熱火墻，最后排入室外。生物質(zhì)燃爐供熱一段時(shí)間后關(guān)閉，由于火墻內(nèi)黏土的蓄熱能力，火墻繼續(xù)向溫室釋放熱量，直到墻體溫度冷卻至與溫室內(nèi)環(huán)境溫度相同。

1.2 供熱火墻結(jié)構(gòu)及原理

圖2 供熱火墻結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Sectional view of heating fire wall

圖3 火墻供熱機(jī)理圖Fig.3 Mechanism diagram of fire wall heat heating

供熱火墻是溫室大棚供暖系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。綜合考慮試驗(yàn)大棚規(guī)模、工程實(shí)踐，并根據(jù)多次試驗(yàn)，最終得到較優(yōu)供熱火墻墻體設(shè)計(jì)尺寸為：長(zhǎng)10 m，寬0.6 m，高1 m。火墻結(jié)構(gòu)包括外層磚墻、內(nèi)部填土和煙氣流通孔道，如圖2所示。磚墻使用普通實(shí)心黏土磚砌筑，厚度為100 mm，內(nèi)部使用黏土填充，厚度為400 mm，煙氣流通孔道設(shè)置在黏土層中，煙氣流通孔道直徑為63 mm?？椎滥┒搜b有排煙機(jī)，作為引風(fēng)動(dòng)力，滿足煙氣流通需求。如圖3所示，在軸流風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)入煙氣流通孔道的低溫?zé)煔馀c孔道壁進(jìn)行熱量交換，火墻受熱后，通過輻射與自然對(duì)流向溫室內(nèi)釋放熱量，達(dá)到為溫室供暖的目的。關(guān)閉生物質(zhì)燃爐后，土壤釋放自身儲(chǔ)存的熱量，延長(zhǎng)供暖系統(tǒng)供熱時(shí)間。

圖4 實(shí)驗(yàn)溫室大棚二維物理模型Fig.4 2D model of experimental greenhouse

2 溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值建模分析

溫室大棚生物質(zhì)供暖系統(tǒng)換熱末端通過輻射、對(duì)流換熱為溫室大棚供暖，蓄熱火墻對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響是重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。因此，從兩方面對(duì)溫室大棚生物質(zhì)供暖系統(tǒng)進(jìn)行分析討論，一是使用ANSYS16.0軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值建模分析；二是基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)數(shù)值建模進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境建模

2.1.1 物理模型

計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)平臺(tái)融合了流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)，是分析溫室內(nèi)熱環(huán)境的重要方式。基于實(shí)驗(yàn)的全尺寸溫室大棚，建立了原尺寸二維模型用于CFD模擬計(jì)算分析，如圖4所示。該模型主要由兩部分組成：地上部分和地下部分。地上部分包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)(塑料薄膜)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)包裹的室內(nèi)空氣及供熱火墻；地下部分為土壤。各個(gè)部分通過火墻表面、土壤表面與溫室內(nèi)部空氣構(gòu)成的耦合傳熱面相互關(guān)聯(lián)，進(jìn)行能量傳遞。

2.1.2 建模假定條件

在此模擬中，影響室內(nèi)溫度因素復(fù)雜，在保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確合理的條件下，忽略次要影響因素，重點(diǎn)研究主要影響因素，做出如下假設(shè)。

(1)蓄熱黏土各向同性材料，密度、熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等物性參數(shù)為常數(shù)。

(2)忽略蓄熱黏土內(nèi)孔隙水流體滲透導(dǎo)致的熱量傳遞，忽略磚墻孔隙導(dǎo)致的熱量散失。

(3)溫室大棚密閉性較好，忽略室內(nèi)外氣體交換帶來(lái)的能量損失，即忽略冷風(fēng)滲透。

(4)忽略大棚內(nèi)植物對(duì)大棚室內(nèi)氣流組織的影響。

(5)忽略大棚內(nèi)植物的呼吸作用，不考慮植物與空氣與土壤的質(zhì)量與熱量傳遞。

(6)溫室內(nèi)水蒸氣蒸發(fā)和冷凝熱平衡，忽略土壤與空氣交界面的質(zhì)量傳遞。

(7)忽略大棚朝向?qū)Υ笈飪?nèi)熱環(huán)境的影響。

2.1.3 網(wǎng)格劃分

使用ANSYS中Fluent集成板塊建立溫室大棚物理模型，并劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。模型包括空氣和土壤兩個(gè)計(jì)算域，總共有145 101個(gè)四邊形網(wǎng)格和145 877個(gè)節(jié)點(diǎn)，火墻內(nèi)黏土區(qū)域網(wǎng)格尺寸設(shè)置0.005 m，磚墻區(qū)域網(wǎng)格尺寸設(shè)置0.01 m，溫室大棚空氣和土壤區(qū)域網(wǎng)格尺寸設(shè)置0.015 m。并對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行了檢查，網(wǎng)格質(zhì)量平均值為0.96，滿足計(jì)算要求。

2.1.4 控制方程

Fluent軟件的主體就是基于有限體積法(finite volume method，F(xiàn)VM)的求解器，提供了從不可壓、層流、湍流等很大范圍模擬能力。流體流動(dòng)受物理守恒定律的支配，能量平衡分析、質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律數(shù)學(xué)描述如下。

溫室大棚能量平衡分析包括室內(nèi)空氣、磚墻、黏土3個(gè)部分。由于夜間室外溫度低且無(wú)太陽(yáng)輻射，是熱負(fù)荷高峰期，因此選取夜間最不利工況進(jìn)行分析。

(1)

式(1)中：Qht-a為溫室內(nèi)空氣與磚墻表面的換熱量，J；Qs-a為溫室內(nèi)空氣與土壤表面的換熱量，J;Qa-w為溫室從圍護(hù)結(jié)構(gòu)(塑料薄膜和保溫覆蓋層)損失的能量，J;Qother為冷風(fēng)滲透熱損失能量和蒸發(fā)冷凝熱(在此項(xiàng)研究中，暫時(shí)認(rèn)為此項(xiàng)可以忽略不計(jì)，不予考慮，其值為0)，J；ρa(bǔ)為溫室室內(nèi)空氣密度，kg/m3；ca為溫室室內(nèi)空氣比熱，J/(kg·K)；va為溫室室內(nèi)空氣體積，m3；Ta為溫室室內(nèi)空氣溫度，K；τ為時(shí)間變量，s。

(2)

式(2)中：Qc-ht為磚墻與黏土的換熱量，J；Qht-w為磚墻外表面與大棚外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的換熱量，J;Qht-s為磚墻與溫室土壤的換熱量，J;ρht為磚墻密度，kg/m3；cht為磚墻比熱，J/(kg·K)；vht為磚墻體積，m3；Tht為磚墻溫度，K；τ為時(shí)間變量，s。

(3)

式(3)中：Qpipe為煙氣與黏土的換熱量，J；Qc-s為黏土與溫室土壤的換熱量，J;ρc為磚墻密度，kg/m3；cc為黏土比熱，J/(kg·K)；vc為黏土體積，m3；Tc為黏土溫度，K；τ為時(shí)間變量，s。

連續(xù)性、能量、動(dòng)量方程為

(4)

模型使用壓力求解基模擬溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境，使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算；考慮到室內(nèi)空氣局部溫度差改變引起的氣流組織，模擬使用Boussinesq模型模擬溫室內(nèi)空氣的自然對(duì)流；由于在最不利工況條件下模擬，即夜間太陽(yáng)輻射微弱的情況，因此僅考慮維護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)天空的輻射和溫室內(nèi)部的熱輻射，并且忽略室內(nèi)熱空氣輻射，采用面對(duì)面輻射模型用于輻射計(jì)算。

2.1.5 邊界條件設(shè)置

邊界條件類型設(shè)置和各部分材料的物性參數(shù)如表1～表3所示。邊界條件相關(guān)參數(shù)包括室外空氣溫度(Tout)、天空輻射溫度(Tsky)、對(duì)流換熱系數(shù)(H)、土壤邊界溫度(Tsoil)。

溫室大棚外表面邊界條件為混合邊界，包括對(duì)流換熱和輻射換熱。塑料薄膜與室外空氣為強(qiáng)制對(duì)流換熱，對(duì)流換熱系數(shù)H1取決于室外風(fēng)速，由式(5)～式(7)求得[36]。塑料薄膜與天空的輻射換熱強(qiáng)度取決于天空溫度Tsky，用式(8)計(jì)算[37]。

煙氣流通孔道內(nèi)表面邊界(P)條件為第三類邊界條件，煙氣與煙氣流通孔道為管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱。對(duì)流換熱系數(shù)H2用努塞爾數(shù)計(jì)算公式和Gnielinski實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式求得。

定義地下1 m深土壤邊界溫度恒定，取Tsoil=13 ℃。

H1=18.63V0.605

(5)

背風(fēng)面：V=0.3+0.05v1

(6)

(7)

式中：H1為表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；V為溫室頂棚表面風(fēng)速，m/s；v1為溫室外環(huán)境實(shí)際測(cè)量風(fēng)速，m/s。

(8)

式(8)中：Tsky為天空溫度，K；Fcn為云層系數(shù)，0表示晴天無(wú)云狀態(tài)，1表示陰天厚云層狀態(tài)；Tout為溫室外環(huán)境溫度，K。

表1 主要邊界條件及參數(shù)Table 1 Main boundary conditions and parameters

表2 固體材料物性參數(shù)表Table 2 Physical parameters of solid materials

表3 流體材料物性參數(shù)表Table 3 Physical parameters of fluid materials

2.2 溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境CFD模擬分析

2.2.1 埋管排列形式對(duì)溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境的影響

在煙氣溫度、流速確定的條件下，煙道排列決定了蓄熱火墻內(nèi)溫度分布，進(jìn)而影響火墻供熱效果。

在管徑De63，管內(nèi)流速3 m/s，溫度130 ℃煙氣的條件下，研究了不同排管形式對(duì)溫室室內(nèi)環(huán)境的影響，如圖5所示，結(jié)果如圖6所示。

如圖6所示，以《溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JB/T 10297—2014)中溫室蔬菜、瓜果類植物夜間空氣溫度最低10 ℃的要求作為供暖評(píng)價(jià)指標(biāo)，在0.5 m水平高度處，b、d兩種方案不滿足供暖要求。方案a在各個(gè)水平高度處空氣平均溫度均為最高，在2.5 m高度處，空氣平均溫度達(dá)到12.5 ℃。考慮到降低室內(nèi)外溫差，減小溫室熱負(fù)荷，選擇方案c進(jìn)行埋管排列。

圖5 四種埋管定位方案Fig.5 Four types of pipe arrangements

圖6 不同埋管定位方案室內(nèi)空氣溫度分布Fig.6 Indoor air temperature distribution of different buried pipe positions

2.2.2 埋管管徑對(duì)溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境的影響

輸入換熱末端的熱量取決于煙氣流量，在流速確定的情況下，煙氣流量由煙道管徑?jīng)Q定，因此管徑是換熱末端設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。

在管內(nèi)流速3 m/s，以及流速130 ℃煙氣的條件下，研究了不同管徑對(duì)溫室室內(nèi)空氣平均溫度的影響。如圖7所示，隨著管徑增大，溫室大棚空氣溫度呈上升趨勢(shì)，地上0.5 m處和地上2.5 m處空氣溫度增加幅度分別為3.7 ℃和4.2 ℃，增幅分別達(dá)到48.1%和47.9%，增幅明顯。在距地面高度1～2.5 m高度范圍內(nèi)，溫度上升幅度小，室內(nèi)空氣溫度分布均勻。

圖7 不同埋管管徑對(duì)空氣溫度的影響Fig.7 Effects of different pipe diameter on air temperature

以《溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JB/T 10297—2014)中溫室蔬菜、瓜果類植物夜間空氣溫度最低10 ℃的要求作為供暖評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益，推薦使用De63的聚乙烯管材為埋管。

2.2.3 地下隔熱保溫層鋪設(shè)對(duì)溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境的影響

土壤溫度過高會(huì)阻礙植物生長(zhǎng)，甚至造成作物根部壞死?；饓釙?huì)導(dǎo)致墻體下局部區(qū)域土壤溫度過高，對(duì)作物生長(zhǎng)造成不利影響。因此，通過鋪設(shè)隔熱保溫層削弱火墻向周邊土壤的熱量傳遞。保溫層材料選擇具有較大熱阻的膨脹珍珠巖，同時(shí)具有透水透氣的特性，不會(huì)影響植物的生長(zhǎng)。

圖8 隔熱層鋪設(shè)深度對(duì)土壤溫度的影響Fig.8 Influence of laying depth of insulation on soil temperature

在埋管De63，管內(nèi)煙氣130 ℃、流速3 m/s及保溫層厚度3 cm條件下，由圖8可知，對(duì)比無(wú)保溫層的工況，隨著保溫層鋪設(shè)深度的增加，地下0.1 m處深度隔熱層左右兩側(cè)局部溫度均逐漸降低，以《溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JB/T 10297—2014)中土壤最高溫度25 ℃為上限指標(biāo)，鋪設(shè)深度為20 cm的珍珠巖保溫層滿足作物生長(zhǎng)要求。

2.2.4 煙氣溫度對(duì)溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境的影響

在管徑63 mm、煙氣流速3 m/s的條件下，隨著煙氣溫度的改變，溫室室內(nèi)空氣溫度的變化規(guī)律如圖9所示。隨著煙氣溫度的增加，溫室大棚室內(nèi)空氣溫度逐漸上升，地上不同水平高度范圍溫度上升速率相同。

以夜間空氣溫度最低10 ℃的要求作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合考慮煙氣流通量，130 ℃的煙氣能滿足供暖需求。

圖9 不同煙氣溫度對(duì)空氣溫度的影響Fig.9 Effects of different gas temperature on air temperature

2.2.5 煙氣流速對(duì)溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境的影響

在De63、煙氣130 ℃的條件下，隨著煙氣流速的改變，溫室室內(nèi)各高度空氣溫度的變化規(guī)律如圖10所示。當(dāng)流速?gòu)? m/s增加到6 m/s時(shí)，地上不同水平高度處空氣平均溫度都逐漸增加，0.5 m和2.5 m高度處溫度分別升高3.6 ℃和4.1 ℃，增幅分別達(dá)到48.1%和32.4%。

圖10 不同煙氣流速對(duì)空氣溫度的影響Fig.10 Effects of different gas velocity on air temperature

溫室大棚供暖系統(tǒng)效果以溫室內(nèi)空氣溫度和土壤溫度高低作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JB/T 10297—2014)對(duì)供暖溫室夜間植物生長(zhǎng)的空氣溫度參考范圍。以最低有效供暖溫度，即地上1 m處空氣溫度達(dá)到10 ℃作為該系統(tǒng)供暖效能評(píng)價(jià)的指標(biāo)。由圖10中數(shù)據(jù)可知，3、4、5、6 m/s的煙氣速度是合理的。當(dāng)速度超過3 m/s時(shí)，溫度變化趨于平緩，考慮輸配能耗和煙氣流通量，對(duì)于De63的PE換熱管，推薦流速為3 m/s。

2.2.6 火墻對(duì)溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境的影響

在夜間室外環(huán)境溫度2 ℃，天空輻射溫度-2.4 ℃、室外平均風(fēng)速2.3 m/s、煙氣流通孔道直徑63 mm、煙氣流速3 m/s、煙氣130 ℃的條件下，模擬溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境。

溫室大棚室內(nèi)溫度場(chǎng)如圖11所示。在生物質(zhì)能火墻供暖作用下，溫室內(nèi)空氣平均溫度達(dá)到10.7 ℃，滿足《溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JB/T 10297—2014)中作物生長(zhǎng)環(huán)境溫度10 ℃的需求。橫向跨度上，火墻左側(cè)區(qū)域空氣溫度低于火墻右側(cè)部分區(qū)域；縱向高度上，在靠近土壤表面區(qū)域，溫度較低，隨著水平高度的增加，溫度逐漸上升，在靠近大棚頂部區(qū)域，溫度較高。這是由于火墻左側(cè)空間大，右側(cè)空間小，在火墻供暖的情況下，溫室內(nèi)空氣由于溫度差，出現(xiàn)了較為強(qiáng)烈的自然對(duì)流，導(dǎo)致冷空氣回流。溫室大棚室內(nèi)空氣速度場(chǎng)和流線圖如圖12所示，溫室中部和頂部區(qū)域流速較大，溫室上半部分出現(xiàn)空氣環(huán)流，這與溫度分布情況相符合。

圖11 溫室大棚溫度場(chǎng)Fig.11 Cloud map of temperature distribution in greenhouse

圖12 溫室大棚室內(nèi)空氣流線圖Fig.12 Streamline diagram of indoor air in greenhouse

3 溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)溫室大棚

試驗(yàn)溫室位于中國(guó)湖南省湘潭市雨湖區(qū)某村(N：27°55′；E：112°55′)，圓拱形鋼架結(jié)構(gòu)，面積192 m2，南北長(zhǎng)22 m,東西寬8 m，脊高3.1 m，采用0.2 mm厚聚乙烯棚膜覆蓋。

在溫室南北縱向中間位置用塑料薄膜將溫室大棚分割為兩個(gè)棚(南北縱向跨度11.0 m)，第一個(gè)大棚裝有生物質(zhì)溫室供暖系統(tǒng)，作為實(shí)驗(yàn)溫室；第二個(gè)大棚是無(wú)供暖系統(tǒng)的傳統(tǒng)溫室大棚，作為對(duì)照溫室進(jìn)行對(duì)比研究。對(duì)照組除無(wú)地埋管供暖系統(tǒng)外，其他與實(shí)驗(yàn)組完全相同。試驗(yàn)使用兩臺(tái)生物質(zhì)爐燃燒玉米秸稈顆粒燃料產(chǎn)生煙氣，煙氣在軸流風(fēng)機(jī)作用下依次流經(jīng)煙氣處理裝置、火墻散熱末端后排到室外。試驗(yàn)溫室大棚和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖13所示。

圖13 溫室大棚外觀和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建Fig.13 Greenhouse appearance and experimental platform construction

3.2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

采用手持式智能農(nóng)業(yè)氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)儀HM-QX13、紅外成像儀Ti160A。為保證實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的客觀性，在實(shí)驗(yàn)大棚、對(duì)照大棚中各布置16個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量室內(nèi)空氣溫度，兩個(gè)大棚中測(cè)點(diǎn)位置完全相同。溫室大棚外距地面1.5 m高度處設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量室外空氣溫度、室外風(fēng)速，測(cè)點(diǎn)位置如圖14所示。試驗(yàn)中手動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，間隔時(shí)間為1 h。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在2020年12月2—8日進(jìn)行溫室大棚供暖試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為下午18：00至次日上午8：00，共持續(xù)7 d。選取每天最不利工況下試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，試驗(yàn)工況為煙氣130 ℃、煙氣流速3 m/s，試驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。由圖15可知，當(dāng)夜間空氣最低溫度為2 ℃時(shí)，供暖溫室大棚室內(nèi)空氣平均溫度為10.12 ℃(測(cè)點(diǎn)A1～A16溫度平均值)，比無(wú)供暖溫室大棚室內(nèi)空氣平均溫度(測(cè)點(diǎn)B1～B16溫度平均值)高4.3 ℃，在其他工況下，溫度提升幅度最大為5.8 ℃，最小為3.3 ℃。由此可知，該供暖系統(tǒng)供暖效果明顯。

圖14 溫室大棚測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.14 Distribution of measuring points in greenhouse

圖15 試驗(yàn)溫室與傳統(tǒng)溫室室內(nèi)空氣溫度對(duì)比Fig.15 Comparison of indoor air temperature between experimental greenhouse and traditional greenhouse

3.4 模擬與試驗(yàn)誤差分析

采用相對(duì)均方根誤差(relative root mean square error，RRMSE)對(duì)模型性能進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)[38]，公式為

(9)

式(9)中：yData為實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)平均值；n為數(shù)據(jù)數(shù)量；yModel,i為模擬值；yData,i為實(shí)際測(cè)量值。對(duì)于溫室氣候模型，認(rèn)定RRMSE≤10%時(shí)，模型具有較高可靠性。

選擇12月4日夜間最不利工況(夜間最低氣溫2 ℃、風(fēng)速2.3 m/s)下模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)溫室空氣溫度與模擬溫室空氣溫度如圖16所示，在0.5 m和1 m水平高度、東西4.5～5.4 m跨度區(qū)域?yàn)榛饓?，無(wú)空氣溫度數(shù)據(jù)。由圖16可知，在各個(gè)水平高度上，空氣溫度實(shí)際測(cè)量值與模擬值變化趨勢(shì)相同，實(shí)際測(cè)量值均略低于模擬值，這主要是因?yàn)闇厥掖笈锬Ｐ秃雎粤死滹L(fēng)滲透等因素的影響，實(shí)際熱負(fù)荷高于模擬熱負(fù)荷，這與實(shí)際情況相符。經(jīng)計(jì)算，0.5、1、2.5 m水平高度處模擬值與測(cè)量值相對(duì)均方根誤差(RRMSE)分別為8.7%、7.7%、8.3%，說(shuō)明該溫室大棚模型能夠較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況。

圖16 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.16 Comparison of test data and simulated data

4 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)下農(nóng)村農(nóng)業(yè)廢棄物綜合處理、食品安全、植物生長(zhǎng)環(huán)境惡劣等問題，提出一種以生物質(zhì)秸稈為一次能源的溫室大棚火墻供暖系統(tǒng)理論與實(shí)驗(yàn)研究。利用CFD模擬分析確定換熱末端設(shè)計(jì)參數(shù)和供暖系統(tǒng)運(yùn)行工況。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了溫室大棚火墻供暖系統(tǒng)供熱效果和CFD模型的可靠性，得出以下結(jié)論。

(1)利用流體模擬計(jì)算軟件ANSYS Fluent 16.0對(duì)在火墻供暖系統(tǒng)作用下溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行模擬分析。分析結(jié)果表明，以作物生長(zhǎng)空氣溫度下限10 ℃為標(biāo)準(zhǔn)，生物質(zhì)能供熱火墻最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)為：煙氣流通孔道左右兩側(cè)對(duì)稱排布、管徑為63 mm、隔熱層鋪設(shè)深度為20 cm、煙氣溫度為130 ℃、煙氣流速為3 m/s。

(2)在冬季不利工況條件下進(jìn)行試驗(yàn)，與無(wú)供暖系統(tǒng)的傳統(tǒng)溫室進(jìn)行對(duì)比，由生物質(zhì)能火墻供暖的溫室空氣溫度有明顯提高。在試驗(yàn)期間夜間最不利工況(夜間最低室外氣溫2 ℃)下，生物質(zhì)能供暖火墻系統(tǒng)作用下的溫室空氣平均溫度提高了4.3 ℃。在其他工況下，溫度提升幅度最大為5.8 ℃，最小為3.3 ℃。