基于有限元分析的日光温室土质墙体温度场模拟与验证

侯加林 王涛 蒋韬 王秀峰

摘 要：研究日光温室墙体中温度梯度及其变化规律对于日光温室墙体的蓄热保温性能分析评价、设计与建造有着重要的意义。2012年12月至2013年2月，采用自制多点温度测试仪，对山东泰安地区日光温室土质墙体的温度进行采集，并与ANSYS有限元模拟结果进行比较，发现温度场实测结果与模拟结果相吻合。进一步模拟结果表明，墙体蓄热/放热层一天中呈周期性变化，保温隔热层随外界温度变化较小，墙体下部温度较高，且在水平方向上温度梯度变化较小，在10～14℃持续时间长且稳定；距墙体内表面0.2 m处温度最高，并沿墙体厚度方向逐渐平缓降低，墙体外表面温度最低。基于模拟结果，对山东省泰安地区日光温室土质墙体进行结构优化，其最小厚度应为2.2 m，蓄热/放热层为0～0.5 m，保温隔热层为1.3～1.7 m。

关键词：日光温室；土质墙体；ANSYS模拟；温度场；泰安地区

中图分类号：S625.1 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2014）04-0007-06

Simulation and Verification of Greenhouse Soil Wall Temperature Field by FEM Analysis

Hou Jialin1，Wang Tao1，Jiang Tao1，Wang Xiufeng2*

（1.College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong Agricultural University， Taian 271018， China；

2. College of Horticulture Science and Engineering， Shandong Agricultural University， Taian 271018， China）

Abstract It was significant to study the temperature gradient and its change rule for evaluation of heat prevention performance， design and construction of greenhouse wall. The temperature data of greenhouse soil wall in Taian region were measured through multi-point temperature test instrument from December 2012 to February 2013. The measured results coincided with that obtained through ANSYS FEM simulation. The further simulation results showed that the temperature of heat release and absorption layer in the wall changed periodically in a day， while that of heat preservation and insulation layer changed smaller. The temperature at the wall bottom was higher， and changed a little in the horizontal direction， which was stable at 10～14℃ for long time. The temperature was the highest at the place 0.2 m away from the inner surface of wall， and reduced gently along the direction of wall thickness； the outer surface of the wall had the lowest temperature. Based on the simulated and measured results， the optimized soil wall of greenhouse in Taian area showed that the minimum thickness should be 2.2 m， including 0～0.5 m of heat release and absorption layer and 1.3～1.7 m of heat preservation and insulation layer.

Key words Greenhouse； Soil wall； ANSYS analysis； Temperature field； Taian area

日光温室具有结构简单、造价低、节约能源和经济效益良好等特点，在我国北方地区被广泛使用[1]。日光温室的围护结构具有隔热保温作用，白天蓄热，夜间将贮存的热能释放到温室中，以维持室内温度[2]。墙体作为日光温室围护结构中重要的组成部分，在日光温室中起着积极作用，不仅具有承重的功能，并且对温室内的热环境有直接的影响[3～6]。研究日光温室墙体中热流状况、温度梯度及其变化规律，对于日光温室墙体的蓄热保温性能分析评价、设计与建造有着重要的意义。佟国红等[7]对不同墙体结构的日光温室传热模型进行研究，另外，李小芳等[8]对复合材料墙体的厚度进行研究，而关于土质墙体为围护结构的日光温室研究较少，对日光温室土质墙体内部的温度分布及变化趋势不够系统和全面，因此本文对日光温室土质墙体的温度特性进行研究。土质墙体的传热属于非稳态综合传热问题[9，10]，为确保夜间温室的温度，就需要在墙体方面进行优化。本文建立了土质墙体的有限元分析模型，并进行ANSYS模拟，通过实际测试土质墙体的温度对ANSYS模拟进行可靠性验证，为土质墙体的日光温室结构优化提供科学依据。endprint

1 试验设计及模拟条件

1.1 试验用温室

试验选址在山东省泰安市山东农业大学日光温室。温室结构采用下沉式，跨度11 m，长50 m，该温室坐北朝南，后墙剖面图为梯形，材质为土，上宽1.5 m，下宽5.2 m，高3 m，下沉0.7 m，墙体外表面覆盖有草帘和覆盖层，日光温室前采用钢架结构，聚乙烯薄膜覆盖。试验期间，日光温室内种植西红柿、黄瓜和芹菜等作物。

1.2 试验方法及仪器

试验时间为2012年12月至2013年2月，在8∶30至16∶30打开保温被，在10∶00至14∶00打开通风口。

试验采用自制多点温度测试仪对土质墙体的温度进行采集。多点温度测试仪以STM32单片机为核心，DS18B20温度传感器将采集到的温度通过单总线传送至STM32单片机[11～13]，单片机接收并处理数据，处理后的数据保存在SD卡（Secure Digital Memory Card）中，以便日后数据的分析，同时将数据通过IIC总线传入至EEPROM中保存，用于温度的实时显示。

试验开始前对DS18B20温度传感器进行精度调节，将精度调整到0.125℃，设计温度采集时间间隔为10 min。

温室室内和室外不同部位均设有温度传感器，日光温室自西至东分为三个部分：左部0～15 m、中部15～35 m和右部35～50 m。将已划分好的三个部分在垂直方向把温室等分为三段，在温室内墙三个部分每段中间各设一个温度传感器，分别用来采集土质墙体上表面、中表面和下表面温度；在墙体外表面和覆盖层表面三个部分上各设一个温度传感器；室内和室外的三个部分的中间位置各设一个温度传感器，用来采集室温和外温；在墙体内部距顶部和内表面0.4 m，距底部和内表面0.4 m处各安放一个温度传感器，用来采集墙体内部温度，试验共计27个温度采集点。温室内温度测试点安放位置如图1所示。

1.3 模拟条件及过程

日光温室土质墙体的工作环境为动态变化的环境，其传热过程属于非稳态传热。根据传热学理论可知[14]，日光温室土质墙体的长度远大于其厚度，近似认为沿墙体长度方向没有热量传递；对日光温室土质墙体温度的实际测试表明，墙体在垂直方向上存在着温差。综上所述：日光温室土质墙体传热模型采用二维非稳态传热模型，墙体的二维非稳态传热物理过程由以下微分方程描述[15]：

采用Thermal Solid中的Quad 4node 55单元[17]，时间步长为600 s，时间总长为86 400 s，其中蓄热时间28 800 s，放热时间为57 600 s，单元格面积为m。墙体温度场的模拟模型如图2所示。

2012年12月至2013年2月时间段内，山东泰安地区温室温度一天内的变化情况约为8∶30至12∶30为温度上升阶段，12∶30至14∶30为均温阶段，而14∶30以后为降温阶段。在模拟8∶30至14∶30温室内温度变化情况时，由于墙体外表面及顶部有毛毡覆盖，温度变化不大，设参考温度为6℃，仅施加对流载荷；而由于内表面温差加大，且在垂直方向上温度梯度不同，则将内表面在垂直方向等分为三段，在每段上施加一个不同的温度变化函数载荷。在模拟放热阶段过程中，删除内表面的温度载荷，仅施加对流载荷。

图2 墙体温度场模拟模型网格划分

2 结果与分析

2.1 日光温室墙体放热阶段瞬态有限元模拟与验证

对墙体放热阶段（14∶30至次日8∶20）的温度场进行ANSYS瞬态分析，同时利用温度测试仪对墙体表面和墙体内部温度进行采集，与模拟结果进行比较，结果如图3和图4所示。

每天14∶30至16∶40，随着室外温度的降低，室内温度也会随之下降，此时土质墙体处于放热状态，墙体释放大量热量，可以保证室内温度不会快速下降；在16∶40至次日8∶20之间土质墙体放热量减小，此时墙体作为日光温室的热源，持续向室内放热，维持室内温度，当墙体的温度与室内温度达到平衡时，墙体不再向室内释放热量。图中还显示，墙体中表面的实测值与模拟值吻合最好，最大温差为0.7℃，最小温差为 0.67℃；墙体内部的实测值与模拟值的最大温差为1.54℃，最小温差为0.22℃；而对于上、下两表面，模拟值与实测值有一定误差，原因是：①土壤的物性参数和实际参数有偏差；②在模拟过程中施加的对流载荷与实际对流有偏差；③忽略了室内植物的放热对模拟结果造成偏差导致ANSYS模拟下表面结果比实测结果温度低；④覆盖层与墙体之间有间隙导致ANSYS模拟上表面结果比实测结果高。但最大的模拟误差仅为4.94%，仍满足工程需要，说明利用该方法获得的结果具有较高的可靠性。

2.2 日光温室放热阶段墙体内部温度场变化

进一步研究墙体内部一天内温度场变化情况，ANSYS模拟时间为2012年12月21日，结果如图5所示，图中a、b分别为墙体在22∶30（即模拟时间为28 800 s时）及次日8∶30（模拟时间为57 600 s时）温度场的分布情况。

图3 墙体表面实测温度与ANSYS模拟温度拟合曲线

图4 墙体内部实测温度与ANSYS模拟温度拟合曲线

图5 放热28 800 s及57 600 s时温度场分布模拟结果

由图5可以看出：墙体的下底部温度较高，且在水平方向上温度梯度变化较小，在10～14℃持续时间长且稳定。在日光温室土质墙体内部温度变化过程中，靠近墙体下底部的温度高于墙体表面温度，向墙体厚度方向推进，温度变化缓和。通过ANSYS模拟结果得出墙体的蓄热/放热层最小厚度约为0.3～0.5 m。

2.3 基于ANSYS模拟结果日光温室土质墙体保温隔热层结构优化

在冬季日光温室土质墙体存在着保温隔热层，保温隔热层的厚度和位置不仅与墙体的厚度有关，而且与墙体表面接触环境有关。对2012年12月至2013年2月温室内每天实际采集到的最高温度求取平均值，为32℃。在ANSYS模拟过程中，对不同厚度墙体模拟模型的内表面加载恒温32℃，施加对流载荷，采用瞬态分析，单元格面积为0.1 m×0.1 m，设置仿真时间步长为600 s，时间总长为28 800 s，土质墙体内部温度场变化如图6所示。

在理想状态下通过持续的恒温传热确定保温隔热层的最大厚度，在实际过程中保温隔热层的厚度应小于ANSYS模拟结果得出的厚度。由图6可知，在墙体内部温度变化过程中，存在着保温隔热层。墙体下部的厚度大于上部厚度，但其保温效果并没有增加。在距内表面0～0.5 m处温度变化活跃，0.5～2.0 m处温度变化缓和，且温度梯度距离增加。通过ANSYS模拟结果表明墙体的保温隔热层厚度约为1.3～1.7 m，位置为距离墙体内表面0.5～0.6 m处。

图6 不同墙体厚度ANSYS模拟温度场

3 结论

（1）利用ANSYS10.0软件对日光温室土质墙体进行温度场模拟，并通过实际测试温度对仿真结果进行验证，结果表明：模拟值与实测值的最大温差为2.96℃，最小温差为0.07℃，相对误差为6.49%，模拟结果与实测值基本一致。墙体在高度与厚度方向上均存在着温差，在高度方向上，温度由下而上递减；在厚度方向上，温度由内表面到外表面递减；墙体下底部温度高且变化慢。

（2）ANSYS模拟结果表明，当墙体超过最适厚度后，保温效果不再随墙体厚度的增加而增加。山东省泰安地区日光温室土质墙体的最小厚度应为 2.2 m，其中0～0.5 m为蓄热/放热层，0.5～2.2 m为保温隔热层，蓄热/放热层随室温呈周期性变化，保温隔热层处于相对平衡状态，随外界温度变化较小。

参 考 文 献：

[1] 孟力力. 基于 VB 和 MATLAB 的日光温室热环境模型构建与结构优化[D]. 北京： 中国农业科学院， 2008.endprint

1 试验设计及模拟条件

1.1 试验用温室

试验选址在山东省泰安市山东农业大学日光温室。温室结构采用下沉式，跨度11 m，长50 m，该温室坐北朝南，后墙剖面图为梯形，材质为土，上宽1.5 m，下宽5.2 m，高3 m，下沉0.7 m，墙体外表面覆盖有草帘和覆盖层，日光温室前采用钢架结构，聚乙烯薄膜覆盖。试验期间，日光温室内种植西红柿、黄瓜和芹菜等作物。

1.2 试验方法及仪器

试验时间为2012年12月至2013年2月，在8∶30至16∶30打开保温被，在10∶00至14∶00打开通风口。

试验采用自制多点温度测试仪对土质墙体的温度进行采集。多点温度测试仪以STM32单片机为核心，DS18B20温度传感器将采集到的温度通过单总线传送至STM32单片机[11～13]，单片机接收并处理数据，处理后的数据保存在SD卡（Secure Digital Memory Card）中，以便日后数据的分析，同时将数据通过IIC总线传入至EEPROM中保存，用于温度的实时显示。

试验开始前对DS18B20温度传感器进行精度调节，将精度调整到0.125℃，设计温度采集时间间隔为10 min。

温室室内和室外不同部位均设有温度传感器，日光温室自西至东分为三个部分：左部0～15 m、中部15～35 m和右部35～50 m。将已划分好的三个部分在垂直方向把温室等分为三段，在温室内墙三个部分每段中间各设一个温度传感器，分别用来采集土质墙体上表面、中表面和下表面温度；在墙体外表面和覆盖层表面三个部分上各设一个温度传感器；室内和室外的三个部分的中间位置各设一个温度传感器，用来采集室温和外温；在墙体内部距顶部和内表面0.4 m，距底部和内表面0.4 m处各安放一个温度传感器，用来采集墙体内部温度，试验共计27个温度采集点。温室内温度测试点安放位置如图1所示。

1.3 模拟条件及过程

日光温室土质墙体的工作环境为动态变化的环境，其传热过程属于非稳态传热。根据传热学理论可知[14]，日光温室土质墙体的长度远大于其厚度，近似认为沿墙体长度方向没有热量传递；对日光温室土质墙体温度的实际测试表明，墙体在垂直方向上存在着温差。综上所述：日光温室土质墙体传热模型采用二维非稳态传热模型，墙体的二维非稳态传热物理过程由以下微分方程描述[15]：

采用Thermal Solid中的Quad 4node 55单元[17]，时间步长为600 s，时间总长为86 400 s，其中蓄热时间28 800 s，放热时间为57 600 s，单元格面积为m。墙体温度场的模拟模型如图2所示。

2012年12月至2013年2月时间段内，山东泰安地区温室温度一天内的变化情况约为8∶30至12∶30为温度上升阶段，12∶30至14∶30为均温阶段，而14∶30以后为降温阶段。在模拟8∶30至14∶30温室内温度变化情况时，由于墙体外表面及顶部有毛毡覆盖，温度变化不大，设参考温度为6℃，仅施加对流载荷；而由于内表面温差加大，且在垂直方向上温度梯度不同，则将内表面在垂直方向等分为三段，在每段上施加一个不同的温度变化函数载荷。在模拟放热阶段过程中，删除内表面的温度载荷，仅施加对流载荷。

图2 墙体温度场模拟模型网格划分

2 结果与分析

2.1 日光温室墙体放热阶段瞬态有限元模拟与验证

对墙体放热阶段（14∶30至次日8∶20）的温度场进行ANSYS瞬态分析，同时利用温度测试仪对墙体表面和墙体内部温度进行采集，与模拟结果进行比较，结果如图3和图4所示。

每天14∶30至16∶40，随着室外温度的降低，室内温度也会随之下降，此时土质墙体处于放热状态，墙体释放大量热量，可以保证室内温度不会快速下降；在16∶40至次日8∶20之间土质墙体放热量减小，此时墙体作为日光温室的热源，持续向室内放热，维持室内温度，当墙体的温度与室内温度达到平衡时，墙体不再向室内释放热量。图中还显示，墙体中表面的实测值与模拟值吻合最好，最大温差为0.7℃，最小温差为 0.67℃；墙体内部的实测值与模拟值的最大温差为1.54℃，最小温差为0.22℃；而对于上、下两表面，模拟值与实测值有一定误差，原因是：①土壤的物性参数和实际参数有偏差；②在模拟过程中施加的对流载荷与实际对流有偏差；③忽略了室内植物的放热对模拟结果造成偏差导致ANSYS模拟下表面结果比实测结果温度低；④覆盖层与墙体之间有间隙导致ANSYS模拟上表面结果比实测结果高。但最大的模拟误差仅为4.94%，仍满足工程需要，说明利用该方法获得的结果具有较高的可靠性。

2.2 日光温室放热阶段墙体内部温度场变化

进一步研究墙体内部一天内温度场变化情况，ANSYS模拟时间为2012年12月21日，结果如图5所示，图中a、b分别为墙体在22∶30（即模拟时间为28 800 s时）及次日8∶30（模拟时间为57 600 s时）温度场的分布情况。

图3 墙体表面实测温度与ANSYS模拟温度拟合曲线

图4 墙体内部实测温度与ANSYS模拟温度拟合曲线

图5 放热28 800 s及57 600 s时温度场分布模拟结果

由图5可以看出：墙体的下底部温度较高，且在水平方向上温度梯度变化较小，在10～14℃持续时间长且稳定。在日光温室土质墙体内部温度变化过程中，靠近墙体下底部的温度高于墙体表面温度，向墙体厚度方向推进，温度变化缓和。通过ANSYS模拟结果得出墙体的蓄热/放热层最小厚度约为0.3～0.5 m。

2.3 基于ANSYS模拟结果日光温室土质墙体保温隔热层结构优化

在冬季日光温室土质墙体存在着保温隔热层，保温隔热层的厚度和位置不仅与墙体的厚度有关，而且与墙体表面接触环境有关。对2012年12月至2013年2月温室内每天实际采集到的最高温度求取平均值，为32℃。在ANSYS模拟过程中，对不同厚度墙体模拟模型的内表面加载恒温32℃，施加对流载荷，采用瞬态分析，单元格面积为0.1 m×0.1 m，设置仿真时间步长为600 s，时间总长为28 800 s，土质墙体内部温度场变化如图6所示。

在理想状态下通过持续的恒温传热确定保温隔热层的最大厚度，在实际过程中保温隔热层的厚度应小于ANSYS模拟结果得出的厚度。由图6可知，在墙体内部温度变化过程中，存在着保温隔热层。墙体下部的厚度大于上部厚度，但其保温效果并没有增加。在距内表面0～0.5 m处温度变化活跃，0.5～2.0 m处温度变化缓和，且温度梯度距离增加。通过ANSYS模拟结果表明墙体的保温隔热层厚度约为1.3～1.7 m，位置为距离墙体内表面0.5～0.6 m处。

图6 不同墙体厚度ANSYS模拟温度场

3 结论

（1）利用ANSYS10.0软件对日光温室土质墙体进行温度场模拟，并通过实际测试温度对仿真结果进行验证，结果表明：模拟值与实测值的最大温差为2.96℃，最小温差为0.07℃，相对误差为6.49%，模拟结果与实测值基本一致。墙体在高度与厚度方向上均存在着温差，在高度方向上，温度由下而上递减；在厚度方向上，温度由内表面到外表面递减；墙体下底部温度高且变化慢。

（2）ANSYS模拟结果表明，当墙体超过最适厚度后，保温效果不再随墙体厚度的增加而增加。山东省泰安地区日光温室土质墙体的最小厚度应为 2.2 m，其中0～0.5 m为蓄热/放热层，0.5～2.2 m为保温隔热层，蓄热/放热层随室温呈周期性变化，保温隔热层处于相对平衡状态，随外界温度变化较小。

参 考 文 献：

[1] 孟力力. 基于 VB 和 MATLAB 的日光温室热环境模型构建与结构优化[D]. 北京： 中国农业科学院， 2008.endprint

1 试验设计及模拟条件

1.1 试验用温室

试验选址在山东省泰安市山东农业大学日光温室。温室结构采用下沉式，跨度11 m，长50 m，该温室坐北朝南，后墙剖面图为梯形，材质为土，上宽1.5 m，下宽5.2 m，高3 m，下沉0.7 m，墙体外表面覆盖有草帘和覆盖层，日光温室前采用钢架结构，聚乙烯薄膜覆盖。试验期间，日光温室内种植西红柿、黄瓜和芹菜等作物。

1.2 试验方法及仪器

试验时间为2012年12月至2013年2月，在8∶30至16∶30打开保温被，在10∶00至14∶00打开通风口。

试验采用自制多点温度测试仪对土质墙体的温度进行采集。多点温度测试仪以STM32单片机为核心，DS18B20温度传感器将采集到的温度通过单总线传送至STM32单片机[11～13]，单片机接收并处理数据，处理后的数据保存在SD卡（Secure Digital Memory Card）中，以便日后数据的分析，同时将数据通过IIC总线传入至EEPROM中保存，用于温度的实时显示。

试验开始前对DS18B20温度传感器进行精度调节，将精度调整到0.125℃，设计温度采集时间间隔为10 min。

温室室内和室外不同部位均设有温度传感器，日光温室自西至东分为三个部分：左部0～15 m、中部15～35 m和右部35～50 m。将已划分好的三个部分在垂直方向把温室等分为三段，在温室内墙三个部分每段中间各设一个温度传感器，分别用来采集土质墙体上表面、中表面和下表面温度；在墙体外表面和覆盖层表面三个部分上各设一个温度传感器；室内和室外的三个部分的中间位置各设一个温度传感器，用来采集室温和外温；在墙体内部距顶部和内表面0.4 m，距底部和内表面0.4 m处各安放一个温度传感器，用来采集墙体内部温度，试验共计27个温度采集点。温室内温度测试点安放位置如图1所示。

1.3 模拟条件及过程

日光温室土质墙体的工作环境为动态变化的环境，其传热过程属于非稳态传热。根据传热学理论可知[14]，日光温室土质墙体的长度远大于其厚度，近似认为沿墙体长度方向没有热量传递；对日光温室土质墙体温度的实际测试表明，墙体在垂直方向上存在着温差。综上所述：日光温室土质墙体传热模型采用二维非稳态传热模型，墙体的二维非稳态传热物理过程由以下微分方程描述[15]：

采用Thermal Solid中的Quad 4node 55单元[17]，时间步长为600 s，时间总长为86 400 s，其中蓄热时间28 800 s，放热时间为57 600 s，单元格面积为m。墙体温度场的模拟模型如图2所示。

2012年12月至2013年2月时间段内，山东泰安地区温室温度一天内的变化情况约为8∶30至12∶30为温度上升阶段，12∶30至14∶30为均温阶段，而14∶30以后为降温阶段。在模拟8∶30至14∶30温室内温度变化情况时，由于墙体外表面及顶部有毛毡覆盖，温度变化不大，设参考温度为6℃，仅施加对流载荷；而由于内表面温差加大，且在垂直方向上温度梯度不同，则将内表面在垂直方向等分为三段，在每段上施加一个不同的温度变化函数载荷。在模拟放热阶段过程中，删除内表面的温度载荷，仅施加对流载荷。

图2 墙体温度场模拟模型网格划分

2 结果与分析

2.1 日光温室墙体放热阶段瞬态有限元模拟与验证

对墙体放热阶段（14∶30至次日8∶20）的温度场进行ANSYS瞬态分析，同时利用温度测试仪对墙体表面和墙体内部温度进行采集，与模拟结果进行比较，结果如图3和图4所示。

每天14∶30至16∶40，随着室外温度的降低，室内温度也会随之下降，此时土质墙体处于放热状态，墙体释放大量热量，可以保证室内温度不会快速下降；在16∶40至次日8∶20之间土质墙体放热量减小，此时墙体作为日光温室的热源，持续向室内放热，维持室内温度，当墙体的温度与室内温度达到平衡时，墙体不再向室内释放热量。图中还显示，墙体中表面的实测值与模拟值吻合最好，最大温差为0.7℃，最小温差为 0.67℃；墙体内部的实测值与模拟值的最大温差为1.54℃，最小温差为0.22℃；而对于上、下两表面，模拟值与实测值有一定误差，原因是：①土壤的物性参数和实际参数有偏差；②在模拟过程中施加的对流载荷与实际对流有偏差；③忽略了室内植物的放热对模拟结果造成偏差导致ANSYS模拟下表面结果比实测结果温度低；④覆盖层与墙体之间有间隙导致ANSYS模拟上表面结果比实测结果高。但最大的模拟误差仅为4.94%，仍满足工程需要，说明利用该方法获得的结果具有较高的可靠性。

2.2 日光温室放热阶段墙体内部温度场变化

进一步研究墙体内部一天内温度场变化情况，ANSYS模拟时间为2012年12月21日，结果如图5所示，图中a、b分别为墙体在22∶30（即模拟时间为28 800 s时）及次日8∶30（模拟时间为57 600 s时）温度场的分布情况。

图3 墙体表面实测温度与ANSYS模拟温度拟合曲线

图4 墙体内部实测温度与ANSYS模拟温度拟合曲线

图5 放热28 800 s及57 600 s时温度场分布模拟结果

由图5可以看出：墙体的下底部温度较高，且在水平方向上温度梯度变化较小，在10～14℃持续时间长且稳定。在日光温室土质墙体内部温度变化过程中，靠近墙体下底部的温度高于墙体表面温度，向墙体厚度方向推进，温度变化缓和。通过ANSYS模拟结果得出墙体的蓄热/放热层最小厚度约为0.3～0.5 m。

2.3 基于ANSYS模拟结果日光温室土质墙体保温隔热层结构优化

在冬季日光温室土质墙体存在着保温隔热层，保温隔热层的厚度和位置不仅与墙体的厚度有关，而且与墙体表面接触环境有关。对2012年12月至2013年2月温室内每天实际采集到的最高温度求取平均值，为32℃。在ANSYS模拟过程中，对不同厚度墙体模拟模型的内表面加载恒温32℃，施加对流载荷，采用瞬态分析，单元格面积为0.1 m×0.1 m，设置仿真时间步长为600 s，时间总长为28 800 s，土质墙体内部温度场变化如图6所示。

在理想状态下通过持续的恒温传热确定保温隔热层的最大厚度，在实际过程中保温隔热层的厚度应小于ANSYS模拟结果得出的厚度。由图6可知，在墙体内部温度变化过程中，存在着保温隔热层。墙体下部的厚度大于上部厚度，但其保温效果并没有增加。在距内表面0～0.5 m处温度变化活跃，0.5～2.0 m处温度变化缓和，且温度梯度距离增加。通过ANSYS模拟结果表明墙体的保温隔热层厚度约为1.3～1.7 m，位置为距离墙体内表面0.5～0.6 m处。

图6 不同墙体厚度ANSYS模拟温度场

3 结论

（1）利用ANSYS10.0软件对日光温室土质墙体进行温度场模拟，并通过实际测试温度对仿真结果进行验证，结果表明：模拟值与实测值的最大温差为2.96℃，最小温差为0.07℃，相对误差为6.49%，模拟结果与实测值基本一致。墙体在高度与厚度方向上均存在着温差，在高度方向上，温度由下而上递减；在厚度方向上，温度由内表面到外表面递减；墙体下底部温度高且变化慢。

（2）ANSYS模拟结果表明，当墙体超过最适厚度后，保温效果不再随墙体厚度的增加而增加。山东省泰安地区日光温室土质墙体的最小厚度应为 2.2 m，其中0～0.5 m为蓄热/放热层，0.5～2.2 m为保温隔热层，蓄热/放热层随室温呈周期性变化，保温隔热层处于相对平衡状态，随外界温度变化较小。

参 考 文 献：

[1] 孟力力. 基于 VB 和 MATLAB 的日光温室热环境模型构建与结构优化[D]. 北京： 中国农业科学院， 2008.endprint