冬季日光温室温度场优化研究

王润涛，段明辉，杨 方*，姚 阳，张 薇，李友泽

（1.东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030；2.天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072）

随着计算机技术发展，数值模拟水平不断提高，CFD（Computational fluid dynamics）是可数值计算和图像显示工具，广泛应用于温室园艺领域。目前，高效节能型日光温室在我国北方较为普及[1]，但在我国寒冷地区（如哈尔滨）冬季，需依靠辅助加热设备才能保证室内温度。为保暖冬季温室中不进行通风，而温室中加热设备热量无空气流通，单靠热辐射作用不能有效扩散，出现温度场分布不均匀、多区域不能达到植物生长适宜温度等问题，温室作物生长环境不理想。

利用CFD模拟温室气流组织分布，根据模拟结果研究分析各影响因素情况，优化温室内环境。本文针对温室内温度场问题，利用CFD技术建立温室数值模拟模型，与试验测量值比较验证模型准确性，利用CFD软件模拟分析温室内温度场均匀性优化情况，验证优化效果良好，可为冬季温室内环境的优化提供参考。

1 模型及计算条件

1.1 温室几何模型

实验温室采用东北农业大学园艺学院温室，温室全长58 m，中部被pc板隔开，形成两个温室环境，试验选取其中一个。实验温室长27.5 m，跨度7 m，脊高3.5 m，后墙高2.5 m，后坡水平投影1.5 m，日光温室几何模型如图1所示。

图1 温室几何模型Fig.1 Geometric model of the greenhouse

1.2 温室CFD模型

1.2.1 湍流模型

湍流流动是一种边界条件保持不变，速度等流动特性均随机变化的不稳定流动状态，通常用Reynolds数（用Re表示）作为判断依据，当Re（雷诺数）大于临界值时为湍流流动。加热条件下温室内气流可看成湍流流动[2-8]。根据温室的情况选取标准模型进行数值模拟计算。标准模型的输运方程为：

式中，Gk为平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；Gb为浮力引起的湍动能k的产生项；YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献；C1ε、C2ε、C3ε为经验常数；σk、σε分别是与湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl数；Sk、Sε是用户定义的源项。

高Re数的湍流模型针对充分发展的湍流才有效，对近壁区内的流动，湍流发展并不充分，目前一般采用壁面函数法或低Re数k-ε模型求解。壁面函数法为软件默认处理办法，对各种壁面流动有效，计算效率较高，工程实用性强，因此采用壁面函数法处理近壁面区域[9-10]。

1.2.2 基本控制方程

由于哈尔滨地区冬季室外气温很低，冬季温室不会开窗通风，室内主要是由于温度变化引起的自然对流，根据温室内气流特点，为便于处理温差带来的浮升力项，采用Boussinesq假设简化加热空气产生的自然对流[11]，即假设流体密度的变化并不明显改变流体性质，即除密度外流体的其他物性不变；密度变化对惯性力项、压力差项和粘性力项影响可忽略不计；对密度仅考虑动量方程中与质量力有关项，其余各项中密度作为常数。

由于流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程[12]。控制方程通用形式：

式中，φ为通用变量，可代表u、v、w、T等求解变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

1.2.3 辐射模型

CFD为用户提供5种辐射模型，参考文献[13-16]及试验温室实际情况，选取DO模型计算辐射影响。辐射方程为：

2 网格的划分及边界条件选择

2.1 计算域网格划分

网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体。网格质量对CFD的计算精度和计算效率具有重要影响[17]。根据温室情况，选取温室内空气作为计算区域，采用混合网格形式划分，并对热水管道进行网格加密。

2.2 边界条件的选择

冬季温室不与外界进行通风，只存在内部流固耦合传热，因此边界条件全部设置为Wall（壁面边界条件）；地面给定实际测量的固定温度；由于散热器为螺旋翅片管型，直接计算复杂，参考文献[18-19]对散热器进行化简；墙体及覆盖材料为对流与外部辐射相结合边界类型；一般采用空气有效温度作为外部辐射温度，用以反映空气辐射背景对覆盖材料传热影响，利用公式Tsky=0.0552T01.5对外部辐射温度进行计算[20]；温室模型中未考虑植物影响。主要边界条件设置如表1所示。

表1 边界类型及取值Table 1 Main boundary types and their values

3 CFD模拟及分析

首先模拟并分析夜间供暖情况下温室热环境分布。室外温度为-28.4℃（244.75 K），分别取Z=5 m，Z=12 m，Z=20 m三个剖面，经分析发现沿Z轴方向上，温度分布基本相同。给出Z=12 m温度线分布图2。由图2可见，在靠近散热器附近1 m，温度线分布密集，温度较高；但是仅靠热源的热辐射作用，大部分热量并不能传递到温室内部，靠近温室中部区域的温度较低；远离热源区域，受外部低温影响，越靠近温室上方，温度越低。温度分布梯度很大，作物生长所处大部分区域的温度状况都不理想，温度场分布均匀性很差。

图2 Z=12 m截面的温度线分布Fig.2 Distribution of temperature about the cross section of Z=12 m

温室沿Y方向（沿温室高度方向）剖面温度分布见图3。在靠近热源附近，温度分布梯度较大，远离热源区域，温度下降梯度明显，在0.25 m处大部分温度处于283 K，在0.5 m处大部分的温度在280 K及以下。温度分布在越靠近温室上方的区域温度越低，仅0.25 m已相差3 K（3℃），显然温室内部分区域温度偏低，温度场分布不均匀，植物生长环境不理想。

图3 Y=0.25 m，Y=0.5 m温度布云Fig.3 Distribution of temperature in cloud about the two cross sections that Y=0.25 m and Y=0.5 m

对温室白天室外温度为-14.85℃的情况进行模拟计算。选取与上面相同的截面进行分析，计算结果如下图4。可见，由于白天阳光的影响，温室内的气温比夜间高，但温度场分布的均匀性仍不理想。白天温室内Y=0.25 m截面层上气温可以到达285 K，Y=0.5 m截面层大部分区域气温在282 K。依旧是靠近温室顶棚区域温度低，靠近温室热源附近的温度分布密集，温度较高，温度偏低且分布梯度较大。综合模拟结果以及温室的实际情况，可以得出，相对与冬季的外部温度，温室内较温暖。室内温度受阳光照射的影响很大，白天温度较高，夜间由于供暖设备及白天储存热量的原因，温度也不会很低。但是温室内温度分布梯度很大，分层明显，靠近热源部分的温度较高，温室中部温度偏低，散热器热量不能有效充分扩散。温室上部受外界干扰影响较为明显，尤其是在较冷的时间，供热容量没有相应提升，会对温室内温度影响较大。温室内温度整体上可以满足植物生命活动的基本需求，但是温度偏低且温度场的均匀性并不理想，不能为植物提供良好的温度环境，影响温室作物的质量及产量。

图4 Y=0.25 m，Y=0.5 m截面温度分布云Fig.4 Distribution of temperature in cloud about the two cross sections that Y=0.25 m and Y=0.5 m

4 模型准确性验证

为验证模拟的准确性，将模拟所得温室温度与试验测量温度进行比较，一共选择9个测量点，测量点的具体选取情况见下表2。其中，沿温室的宽度方向定义X，沿温室的高度方向定义Y，沿温室的长度方向定义Z（参照图2所示）。选取温室内一个立方体区域及其中心点作为测点进行测量。

表2 温室内测点分布Table 2 Distribution of measure points of the greenhouse

试验选取较为寒冷的天气状况，选取的夜间室外温度为-28.4℃（244.75 K），与试验测量室外为-28.4℃时相对应的温室内部温度加以比较，如表3所示。由表3可见，由于温室上部距离热源较远，受外界的影响较大，温室中靠近上部顶棚的温度相对较低，如测点B、D、F、H，在靠近温室下部的温度相对较高，如测点A、C、E、G，虽然测点在高度上相差仅有0.5 m，但相差最多有5℃，温度分布梯度很大，温度场均匀性很不理想。经比较可以看出，模拟结果与试验测量的数据之间最大误差为0.5℃（B点），最大误差百分比为10%，证明模型建立基本准确，模拟结果证明，虽然模拟结果与温室的实际情况存在一定误差，但是所建CFD模型及边界条件的设定可行，能够较为准确地反应温室内温度场的变化情况。

表3 温室实测值与预测值对比Table 3 Measured date compared with experimental date

5 气流组织优化及分析

由于温室内的自然微循环不能产生足够均匀且适宜的气温，为优化温室内的环境，提出在温室内加入内循环风扇。内循环风扇并不引入外界空气，并不会影响温室整体温度，并且合理的风扇安装，可以在风扇工作时形成良好的气流组织（气流组织是指对气流流向和均匀度按一定要求进行组织，使工作区形成比较均匀而稳定的温度、湿度及气流速度），不仅使温室的温度均匀，空气流通可保持植物叶面干燥，抑制病虫害的发生。

根据实验温室的实际情况，经计算温室所需通风量为7500 m3·h-1，初步选择在温室的对角线安置两台内循环风扇进行试验。对夜间供暖情况下的温室进行数值计算分析，模型选择与前文夜间供暖相同的室内外条件。

选取与前文相同的界面进行分析。如图5所示，加入内循环风扇后，受风力的影响，虽然三个截面的温度线分布各不相同，但比较与图2温度分布，温室内温度场有了很大的改善。温室主体部分温度最大浮动在285～282 K之间，比较之前温室内温度分布状况，温度分布均匀性有改善，温度提升。

图5 3个Z截面的温度线分布Fig.5 Distribution of temperature about the three cross sections of Z

温室沿Y方向剖面温度分布见图6，对比图3可见，两个界面层的温度均匀性都有很大提升，两个截面的大部分区域都在284 K以上，温室内温度场的均匀性得到显著改善。为验证加入内循环风扇后，温室内温度及温度场均匀性改善状况，各测点温度为A 11.45℃，B 11.15℃，C 11.95℃，D 11.65℃，E 10.95℃，F 10.75℃，G 11.35℃，H 11.15℃，I 11.15℃。可见各测点的温度均有提升，尤其是靠近温室上部的各点，温度提升幅度很大，温室内温度场的均匀性有改善。

对模型的模拟结果做显著性检验，如表4所示，置信水平为5%。可见，放置风扇后，由于热量得到有效扩散，温室内的温度较之前平均提升3.35℃，大约为42%左右，有明显提升。放置风扇前，温度的平均值与期望值存在显著性差异；放置内循环风扇对温室的温度场做优化后， 可以证明优化后的温度平均值较期望值无显著差异，结合优化后温室内各测点温度可见，试验温室的温度有显著提升，温度场的均匀性得到改善，达到预期结果。

表4 优化前后的显著性检验Table 4 Measured date compared with experimental date

6 结论

由于温室环境复杂，模拟过程中并不能设置精确的边界条件，因此数值模拟结果与温室的实际状况存在差距，通过验证可知，温室模型基本准确，可反映温室内温度变化状况。

从模拟结果可见，温室内总体温度分布不均匀，在两侧靠近热源附近的温度分布梯度较大，温度较高；在中间区域温度相对较低。虽然热水供热系统相对于其他供热方式优势大，但存在温度分布不均匀，不能产生植物生长适宜的温度场。尤其是在哈尔滨地区，不仅冬季温度很低，而且温度浮动很大，如果不能及时调节锅炉的供热状况，热量不能有效扩散到离供热设备较远的区域，这些区域会受外界影响较大，容易对温室内温度场产生较大影响，不利于植物生长，内循环风扇引入促进热量有效扩散，可优化温室温度场，适当减小外部温度对温室的影响。

本试验表明，在温室内部增加内循环风扇，优化温室气流组织形式，有效促使温室内部热源热量扩散，虽然与期望温度有差异，但已得到相对均匀和适宜温度场，不仅提高温室适用范围，产生空气流通还可在一定程度上优化作物生长环境，防止由于空气不流通造成的叶面结露等问题。为在最佳位置安置合适的可调控风源，建立合理的温室内的气流组织形式，优化温室内温度场及速度场环境，建立适宜的温室内微气候环境提供科学依据。

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