日光温室对流循环蓄热墙体构造对室内气流场的影响

王庆荣，程杰宇，崔文慧，夏楠，赵淑梅，马承伟

(1. 中国农业大学水利与土木工程学院/农业设施农业工程重点实验室，北京 100083；2. 北京派得伟业科技发展有限公司，北京 100097；3. 北京中农富通园艺有限公司，北京 100083)



日光温室对流循环蓄热墙体构造对室内气流场的影响

王庆荣1，程杰宇1，崔文慧2，夏楠3，赵淑梅1，马承伟1

(1. 中国农业大学水利与土木工程学院/农业设施农业工程重点实验室，北京 100083；2. 北京派得伟业科技发展有限公司，北京 100097；3. 北京中农富通园艺有限公司，北京 100083)

【目的】适当空气流动对植物的生长非常重要，研究新型对流循环蓄热墙体构造对日光温室中所形成的气流影响。【方法】通过现场试验，在距离墙体0.3 m、0.6 m、0.9 m位置对上下两排通气孔高度处的气流速度和温度等进行了测试，并在测试的基础上，通过FLUENT软件，对包括作物在内空间的气流分布进行模拟分析。【结果】该墙体构造所形成的循环气流，可以在一定程度上扰动室内空气，进而在温室内走道和作物栽培行间等位置形成气流，其中温室跨中栽培行间的下部平均气流速度可达0.25 m/s。【结论】对流循环蓄热墙体自身的对流作用，可对日光温室冬季封闭栽培条件下的气流环境有一定的改善作用。

日光温室；对流循环墙体；气流场；CFD模拟

0 引 言

【研究意义】气流是植物生长的重要环境因子之一，它会影响到作物的光合作用、蒸腾作用以及叶面温度等。日光温室生产条件下，冬季栽培基于保温需要，除了晴天中午短暂的自然通风之外，大多数时间处于密闭状态，导致室内空气基本处于无风的停滞状态。这种现象会使作物冠层空间温度、湿度以及CO2浓度等环境因子分布不均，无法为作物生长提供良好的生长环境[1]。有研究表明，在作物栽培环境中，冠层保持微风状态对作物生长相当有利，一定的气流流动能够使热量、水汽、CO2等在作物层以及空气之间的传递、输送作用增强，使作物层内的温湿度分布得到调节，避免了在某个层次上出现过高或过低的温度、过大的湿度等现象，以利于作物的正常生长[2]。【前人研究进展】一般情况下，气流速度在0～0.5 m/s，作物的净光合速率会随着气流速度的增大而增加；当空气湿度增加到80%时，黄瓜净光合速率甚至在气流速度0～1.2 m/s下都会随着气流速度的增大而增加。主要是因为适当的空气流动可以减小叶面边界层阻力，促进叶面和周围空气之间能量及相关气体的交换[3]。也有研究认为气流对叶外CO2的扩散有影响，对作物最重要的影响是晃动作用，在气流的作用下作物群体叶片不停的摆动，群体中形成时间间隔极短的明暗交替，这种闪光的光合效应比连续光的更为有效和明显。对于同化CO2来说，闪光可以将光合作用的量子效率提高一倍。有试验研究表明，在周期为6～7 s的闪光条件下，萝卜可增产200%，黄瓜增产50%，番茄增产10%[4]。部分学者研究了不同气流速度对作物栽培的影响。孔云等[5]在室内气流对培育甜瓜壮苗的实际效果研究中，使用机械送风对“伊丽莎白”厚皮甜瓜壮苗进行处理，结果表明，处理后的茎粗、叶片厚度等相对于无空气流动状态均有所增加，并筛选出0.5 m/s的气流速度适宜在生产上使用。杨振超等[6]研究了气流对厚皮甜瓜开花坐果期生长发育和生理效应的影响，结果表明，增大气流速度至1.0 m/s时，较无风状态单叶叶面积、叶面积指数等均有大幅度增加。Jun Gu Lee等[7]对叶用莴苣品种进行了温度、气流速度和光照强度研究，表明0.28 m/s稳定气流下能有效降低tipburn症状。T Nishikawa[8]对植物工厂内使用电动转盘研究气流对莴苣生长的影响，试验结果表明，与对照组相比对气流控制结果大莴苣产量提高20%。李霞等[9-10]通过温室盆栽试验分别对苋菜和甜椒进行了研究，研究了不通气流速度下对蒸腾及生长的影响，试验结果表明，对苋菜蒸腾速率和蒸腾量差异不显著，但气流速度处理对温室盆栽的地上部鲜重、地下部鲜重以及根冠比增加均有显著的影响，并认为对盆栽甜椒温室最适宜的气流速度为0.8 m/s左右。N.E.Andersson[11]研究了气流速度对水仙花生长的影响，结果表明，气流速度会影响植株高度的变化，高于0.1 m/s的气流速度对植株干重有显著影响，高于0.8 m/s的气流速度对植株鲜重有显著影响。张建光等[12]研究了苹果果面日最高温与主要气象因子的关系，结果表明，气流速度与果实表面温度呈高度相关。谢贵水等[13]研究了影响甘蔗株高生长的气象因子，经过分析发现平均气流速度本身对株高生长有一定的正效应。针对日光温室通风对调控气流环境的影响，部分学者对日光温室通风方式进行了相关研究。余亚军[14]对温室内部分区域提出了一种新的通风模式—局部置换通风方式，并对局部通风模式效果进行了模拟和现场实测。鉴于局部置换通风方式的特殊性，对温室冬季的遮阳网封闭不严的情况进行了试验研究，得出华北型温室冬季平均综合传热系数为4.21 W/(·K)。张志臣等[15]对蔬菜日光温室在生产上通风运用存在的一些误区进行了纠正。Takeshi kuroyanagi[16]通过大量试验测试对室内循环风机的性能进行了测定，得出虽然循环风机大量应用，但很难去评测日本循环风机的实际效果。其还通过在作物层上部添加循环风机的状态进行了CFD模拟，结果表明，在没有作物时，气流速度大于0.15 m/s的网格空间为73.4%，有作物存在时该百分比下降至53.5%～61.2%，作物会对气流产生阻碍作用。【本研究切入点】气流的存在对栽培环境极为重要。但是日光温室中针对气流的调控措施还不是很多。目前最为常用的自然通风主要以排除余热和湿气为目的，循环风机的应用主要用于连栋温室，鉴于成本等问题在日光温室中还比较少见。研究开发一种经济有效的日光温室气流调控措施。【拟解决的关键问题】研究针对新开发的对流循环蓄热墙体构造，在研究其蓄热放热效果的基础上，进一步研究其循环气流对室内空气的扰动效果，全面评价该新型墙体构造，日光温室的环境调控提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验日光温室位于北京通州区(116.6°E ，39.9°N)，东西长度60 m，南北跨度8 m,墙体高度2.8 m。前坡面和后坡面为钢结构半拱形焊接桁架结构，前屋面采用0.08 mm厚的PO薄膜作为覆盖材料，后屋面采用100 mm厚彩钢板。墙体为新型对流循环蓄热墙体，采用填满水泥砂浆的混凝土空心砌块砌筑的通体中空构造，其由内至外为400 mm厚空心砌块、600 mm厚中空、200 mm厚空心砌块、100 mm厚聚苯板保温层。墙体上下部设置有150 mm×150 mm的通气孔，上下通气孔中心间距2.04 m。为了增强对流效果，在墙体上部通气孔处安装了部分小风扇，其他上部通气孔进行了密封处理。

作为对比试验，对同时建造的另一栋完全相同的温室上下部通气孔，全部进行密封处理。测试期间种植的作物为樱桃番茄，基质栽培。试验温室及墙体中空部分构造。图1，图2

该温室设计的对流循环蓄热墙体构造是为了增加墙体蓄热和放热效果而开发的，其原理及初步蓄放热效果参见文献[17]。研究其上下通气孔形成的循环气流对室内空间的影响。

图1 温室构造

1.2 方 法

1.2.1 测试项目

从关注气流的角度出发，试验中测试室内气流速度和空气温度。在北侧走道，沿东西方向共选取9个测试断面，断面间距6.0 m；测点分别位于各断面距离墙体表面0.3、0.6和0.9 m处的上下通气孔中心处。在温室栽培区，作物冠层的影响会形成湍流，很难测试，因此主要在温室下部设置了测点。即在温室中部设置了7个测试断面，断面间隔5.5 m(间隔5个栽培行)，在每个断面的温室跨中(距墙体表面4.1 m处)和南部边界处(距墙体表面7.4 m)各设置1个测点，高度与下部通气孔中部水平高度一致。绘测点布置方案。图2，图3

图2 室内测点布置断面示意

图3 室内测点布置平面示意

试验选用Model KA32/41智能型风速风量计(KANOMAX，日本)，可同时采集气流速度、风温、风量、风压等环境指标。其主要技术参数：气流速度测试范围0.10～30.0 m/s，精度±(3%测量值±0.1 m/s)；风温测试范围-20.0～60.0℃，精度±0.5℃。因为气流速度测量时受人为走动影响较大，所以在测量之前保证室内无人走动，选择气流速度较平稳的天气和时间段进行测量。测量时适当远离测量位置，使用仪器伸长杆上的探头放在测量位置处。每个测点交替重复测试3次，每一次记录仪器测量10次的平均值，取3次测量结果的平均值。

选取2016年1月25日(晴，无持续风向微风)下午为测试和验证时间。另外，作为相关边界条件，采用Testo175-H1温湿度计(德国)测量室内空气温度，采用Onset S-LIB-M003太阳总辐射传感器(美国)测试室内太阳总辐射，采用Onset H21-002室外气象站(美国)测试了室外空气温度和太阳总辐射，采用HFP01-15热通量板(荷兰)测量围护结构表面热通量。

室外气象数据通过室外气象站获得，气流速度和风温采用人工测试、记录，其他全部自动记录并采集，数据采集时间间隔为10 min。

对照温室的测试方案与上述试验温室完全相同。

1.2.2 可视化模拟方法

1.2.2.1 模型构建及网格划分

日光温室因其东西狭长的构造特点，气流场的变化主要体现在跨度方向断面上，模型采用与实体建筑等比例构建。一般而言，三维模型能够更加准确地描述实际情况[18]，因此，使用Gambit软件构建日光温室及其内部栽培区域的三维模型，采用非结构网格对其进行网格划分，在上部通气孔和下部通气孔处作网格加密处理；采用多孔介质模型对日光温室内具体部位的栽培作物进行建模以及网格划分。模拟时选取室内空间及整个墙体作为计算域。同时模拟时需要作以下假设，即忽略日光温室上下通风孔建造偏差等对气流的影响，忽略栽培槽形状的影响，忽略室外气流速度对室内气流的影响。图4

图4 日光温室网格划分

1.2.2.2 CFD物理模型控制方程

日光温室内的气体流动受物理守恒定律的支配，包括质量守恒定律、动量守恒定律，因为要考虑到栽培作物的影响，还要考虑能量守恒定律[19]。研究主要使用守恒型控制方程来建立基于有限体积法的离散方程。通用控制方程如下：

其展开形式为：

考虑到日光温室内气流流动呈现无序的混乱状态，模拟采用标准k-ε模型来模拟室内气体的湍流输送过程，此模型在日光温室环境模拟中获得了较高精度。标准k-ε模型中的k和ε是两个未知量，不考虑自定义源项时其方程表达式为[20]：

番茄作物层对室内空气流速有很大影响。作物层的蒸腾作用及与周围空气间的相互作用直接影响边界层处的空气流动，因此对作物做多孔介质处理，根据Darcy-Forchheimer定律建立边界层与室内气流速度之间的数学模型，作为方程(1)的源项添加到动量方程中。

式中Sφ为动量源项；KP为多孔介质的渗透率，KP=0.395；CF为非线性动量损失因子；μ为空气动力度[21]。考虑到栽培形状对气流的影响，将室内距东侧山墙9 m以西36.7 m范围内，种植的34列番茄栽培行按照室内实际栽培行形状、吊蔓植株高度、行间距等对其进行近似建模处理。栽培行宽度为0.4 m、行间距为0.7 m，栽培行北侧植株高度为1.75 m，南侧位置受前屋面影响按照实际生长高度趋势设置为弧形降低曲线，栽培行前端距离室内前端位置0.6 m，并使用Cooper方式对栽培行进行网格划分。图4

1.2.2.3 边界、初始条件与模型计算

将墙内中空部分与室内空气联通起来考虑，将根据实际情况需要开启的小风扇入口设置为风机边界(Fan)，风机的物理模型是一个无限薄的面，压强在经过这个面时出现跃升，而跃升的值是速度的函数[22]。由小风扇做功等于气流所增加的动能，实测的小风扇对应通气孔内气流速度计算得上部单个通气孔小风扇处压力差为3.5 Pa；其他未开启的通气孔做不透风处理，与墙体一同考虑为壁面边界(Wall)；下部出通气孔设置为内部界面(Interior)边界条件；围护结构以及地面设为壁面条件(Wall)。

考虑到空气温度差会对室内气流产生影响，启用能量方程，并考虑重力影响。选用DO辐射模型，Sun Direction Vector选用Fluent软件自带Solar Calculator计算结果，Sunshine Factor 选择1。考虑到围护结构、地面等与室内气流进行对流换热，将前屋面热条件设置为辐射情况，围护结构设置为对流换热情况，各部分材料参数和尺寸等属性按照实际值设置。北墙热条件根据测试热通量设置为热流情况，后屋面设置为温度情况，边界均设为不可产热情况。

采用Fluent软件进行数值求解，近壁区的模拟采用壁面函数法，不考虑湿度影响采用Boussinesq假设[23]，控制方程采用基于有限体积法的离散方法，动量、湍动能、湍流耗散率选用空间离散高阶离散格式中的二级迎风格式，基于SIMPLE算法进行流场数值计算与求解。压力、密度、体积力、动量、能量、DO、κ、ε、μ等欠松弛因子为默认设置。

2 结果与分析

2.1 测试结果

在两栋温室完全没有放风条件下开始观测。当室内温度达到设定温度时，试验温室开启通气孔的小风扇，进行墙体内外空气的强制对流。在此条件下，测得的对照温室与试验温室内的气流速度统计。表1，表2

由表1的对照温室测试结果可以看出，封闭状态下室内最大气流速度仅为0.05 m/s，近似于静止状态。而表2的试验温室中，所有测点的气流速度明显高于对照温室，其中在墙体附近，最大气流速度可达1.04 m/s，说明在该温室中，墙体的对流循环蓄热作用同时给室内空间带来了一定的气流扰动；并且下部通气孔位置处的气流速度明显高于上部通气孔。另外，从表2的结果还可以看出，试验温室墙体对流循环气流的影响使得温室跨中及温室南侧栽培行间的下部可以分别获得0.25 m/s和0.07 m/s的气流速度。

2.2 模拟模型验证

选取模拟气流速度与同一时刻、同一位置的实测结果进行比对来验证模型，结果表明，模拟值与各测点实测值吻合较好，除距离墙体小风扇较远位置数值较小的个别点外，模拟值和实测值趋势基本一致。二者平均相对误差为10.1%，最大相对误差为21.1%，数值模拟与现场实测有较好的吻合度，CFD模型可靠性高。图5，图6

模拟值在东西测点方向上波动幅度小，实测值在东侧略微大于西侧，分析其原因可能是由于温室开门位置在东侧墙上，致使冷风渗透及小风扇微小供电功率差距所导致的。上下部通气孔所有数据随着远离墙体呈现降低趋势。

表2 试验温室内上下部通气孔高度测点气流速度(m/s)

图5 上部通气孔截面气流速度模拟值与实测值比较

图6 下部通气孔截面气流速度模拟值与实测值比较

3 讨 论

在对照温室中，封闭状态下室内空气基本处于停滞状态，而在试验温室中，虽然该墙体构造的主要作用在于蓄热和放热，但是其上下通气孔形成的内外循环气流是可以在一定程度上扰动室内空气，形成室内气流的。距离墙体0.3、0.6和0.9 m处上、下部通气孔前方的平均气流速度，上部分别为0.12、0.07和0.06 m/s；下部分别为1.01、0.65和0.41 m/s。其中，在下部通气孔附近的气流大于上部，这可能是由于上部进风口气流范围大，而下部风口气流射流集中，形成了较高速度的射流，对空气扰动较大所致。该气流在温室下部空间，还能影响到温室中部，在跨中位置，仍然有0.25 m/s的气流速度，甚至在温室的南侧也会有微弱的气流存在。

由于现场测试的局限性，不能很全面、很直观地了解墙体循环气流对温室其他区域的影响，因此借助CFD模拟结果进行分析。在对模型验证的基础上，模拟分析了这一墙体对流循环气流对室内栽培空间的影响，从温室空间气流分布的三维矢量图中可以看出，接近上、下部通气孔附近气流速度较快，其中下部通气孔前方温室内位置气流速度明显，且气流复杂。室内栽培行区域远离墙体位置处气流速度较小，但可以在植物栽培行区域上部空间形成环形分布的气流场，且较为均匀。说明采用对流循环墙体对实现室内气流循环流动有一定的影响。图7

为了更好地研究墙体构造导致的气流对室内空气流动特性及对室内栽培作物的影响，分别对温室中部栽培行所处断面和栽培行间所处温室横断面进行分析，其模拟结果分别如下：

在墙体位置，室内空气从上部通气孔吸入墙体内部，再从下部通气孔排出，如此循环往复形成气流。这个过程可以间接地看出室内空气与墙体进行热交换的过程，但是这个气流同时也会扰动室内空气，在作物冠层顶部形成一定的气流，这对改善冠层顶部的环境、促进作物的光合作用具有一定的意义，但在作物中间由于植株密度较高，几乎没有气流。图8(a)

在作物栽培行间所处的断面，整个断面均有一定的气流，并且有涡流出现，使得温室内部气流变化幅度较大。气流绕涡流中心位置运动，有利于栽培行内的空气与栽培行间进行物质和能量交换，对室内温度等环境因子的均匀有一定的促进作用，提高环境的均匀性。图8(b)

图7 新型蓄热日光温室内部气流流速矢量分布

图8 试验温室横断面(X轴方向)气流速度矢量分布

在温室地面附近气流速度明显高于上部空间，为进一步分析底部的气流情况，在作物栽培基质表面以上0.1 m高度处选取一个水平面进行分析表明，在下部通气孔高度处的水平面上，整个温室分布特征比较明显。其中在温室中间34列栽培行内以及中部墙体留有门位置，气流很微弱；在温室东西两端未看到栽培行影响，这是因为温室两端的种植密度很低，并未进行正常栽培。但是在中间大部分正常区域内(距东侧山墙9.0 m以西36.7 m范围内)，可以看出栽培行的影响，行间存在较为明显的气流速度。由于断面位于栽培基质表面以上0.1 m位置处，表明作物根部附近气流较为明显，有利于作物根部附近空气环境的改善。图9

图9 下部通气孔高度处温室水平气流场分布

4 结 论

日光温室新型对流循环蓄热墙体构造，其所形成的墙体内外循环气流，除了具有提高温室蓄热放热效果的性能外，也会对温室内部空间的气流场产生影响。

通常日光温室在封闭条件下，很利于保温，但是室内空气基本处于停滞状态，缺乏空气流流动。与之相比，对流循环蓄热墙体构造自身蓄热放热过程中所形成的气流，会对室内空气产生扰动作用，形成室内气流。

通过实测数据对所构建的CFD模型进行了验证，在验证的基础上利用实测边界条件对温室气流场进行了模拟分析。对流循环蓄热墙体所导致的室内气流，主要集中在靠近墙体的走道位置以及作物行间位置，对扰动室内空气，改善室内环境的均匀性具有一定的作用；作物冠层以上空间也会形成一定的气流，但是作物栽培区域影响效果不大。

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WANG Qing-rong1, CHENG Jie-yu1, CUI Wen-hui2, XIA Nan3,ZHAO Shu-mei1, MA Cheng-wei1

(1. College of Water Conservancy and Civil Engineering, China Agriculture University/KeyLaboratoryofAgriculturalEngineeringinStructureandEnvironment,Beijing100083,China;2.BeijingPAIDEScienceandTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.Beijing100097,China;3BeijingZhongnongFutongHorticultureCo.,Ltd.Beijing100083,China)

【Objective】 Proper airflow is very important for the plant growth; this study aims to explore the airflow effect caused by the new convective circulation thermal storage wall structure in Chinese solar greenhouse.【Method】Based on field experiment method, points of wind speed and temperature were tests from the back wall 0.3 m, 0.6 m and 0.9 m on the bottom two rows vent holes height. And on a test basis, the air distribution simulation analysis including crop space was carried out by the Fluent software.【Result】The result of measurement and simulation analysis showed that recycle stream，which was formed by wall structure，could be disturbing indoor airflow to some extents, thereby forming airflow in the aisles between drop cultivation rows and other locations. The measuring points average wind speed at the bottom cultivated rows middle position was of up to 0.25 m/s.【Conclusion】The self-convection of the new convective circulation and thermal storage wall have some improvement action for the solar greenhouse airflow environment in the winter closed cultivation conditions.

Chinese solar greenhouse; convective circulation wall; airflow field;CFD simulation

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.07.020

2016-03-09

公益性行业(农业)科研专项(201203002)；现代农业产业技术体系建设(CARS-25-D-04)；“十二五”农村领域国家科技计划课题(2013AA102407)

王庆荣(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为设施园艺工程，(E-mail)cau_wqr@126.com

赵淑梅(1967-)，女，博士，硕士生导师，研究方向为设施园艺工程，(E-mail)zhaoshum@cau.edu.cn

S625.5+3

A

1001-4330(2016)07-1319-10