不同遮阳工况下温室作物冠层辐射场与温度场的CFD分析

李亮亮，王新忠，洪亚杰， 卢 青，陈 健

(江苏大学 a.农业装备工程学院；b.农业装备与智能化高技术研究重点实验室，江苏 镇江 212013)

0 引言

遮阳网是温室有效的降温调温设施，合理的遮阳组合不仅可以降低温度，也可以改善室内光照以适合作物生长[1]。但在夏末秋初，长期使用高遮阳率的遮阳网不能满足作物的光温需求[2]，且不同类型的遮阳网对温室内部辐射与温度也有显著的影响。因此，根据室外环境，选择适宜的遮阳调控方案，可为作物提供合适的光温环境，有利于提高作物产量。

国内外学者研究了内外遮阳网对温室光温环境的影响。沈明卫等[3]和ABDEL-GHANY A M[4-6]研究了不同遮阳率遮阳网和内、外遮阳网材料对温室内部辐射或光环境的变化影响，建立了在内外遮阳网条件下温室内光环境的预测模型，发现使用外遮阳网室内光环境较好，此研究为进一步研究不同遮阳网组合对室内光环境、辐射的影响提供了参考。Chen等[7]分析了遮阳网对温室的降温的影响,发现在室外温度35℃、太阳辐射为850W/m2时,有遮阳网下的温室比无遮阳下的温室室内温度低3.3℃。Willits和Peet[8]研究了遮光率为55%的遮阳网对温室内温度的影响。结果表明：与无遮阳网的温室相比，有遮阳网的温室内温度梯度减少18%。Bailey[9]研究了外遮阳网对作物冠层温度的影响，发现与无作物的温室相比，有作物温室的温度梯度减小50%。D.K. Fidaros[10]和 Baxevanou[11]使用CFD技术模拟了圆拱形温室内部辐射场和温度场的变化，用DO模型求解辐射传递方程，得到温室内部温度场和辐射场。文献[10-11]研究表明：采用CFD技术进行温室辐射与温度场分析是可行的。从以上文献可看出，国内外关于遮阳网对温室环境的影响的研究多在温度场方面，很少兼顾考虑遮阳网对辐射场的影响。因此，为了满足作物光温需求，需要研究遮阳网对温室作物冠层辐射场与温度场的影响。

为此，本文利用DO模型和标准k-ε湍流，建立基于辐射对流换热的CFD模型，分析不同遮阳率的遮阳网对作物冠层辐射与温度场的变化，给出不同遮阳率遮阳网的降温和调光能力，为基于作物光温需求的遮阳网的优化调控提供理论基础。

1 试验方案与CFD构建

1.1 试验对象

试验地点位于南通如皋市，北纬32.23°，东经120.33°，属于亚热带季风气候区。温室肩高为6m，长和宽为40m，每跨12/16m，室内配有散射遮阳幕，采用斯文森XLS16网，晴天遮阳率为55%，室外设有外遮阳网，遮阳率可达70%。试验与建模时，选择正西为X轴正方向，正南为Z轴正方向，向上为Y轴正方向，建立坐标系。

1.2 试验方法

试验在2017年8-9月进行，每天的测量时段为8：30-16：30。测试期间天气晴好或多云，室内种有作物，作物高度约0.8m，作物较矮，忽略作物对环境的影响。试验工况为9：00开启天窗，9：30开启外遮阳网，11：00开启侧窗与外翻窗，13：00开启内遮阳网。采用ZDR-3WIS型温湿度自动记录仪测量温室内温湿度，布置温度传感器在距地面1m高处，此处离作物冠层较近。温湿度布置坐标位置如表1所示。

表1 温湿度传感器布置位置Table 1 The position of temperature and humidity sensors

室内中心布置一个总辐射计，距温室北墙20m，西墙20m，距地高1m；室外环境辐射使用TYD-ZS2进行数据记录，每5s记录1次辐射值。使用FLUKE Infrared Thermometers568测量温室覆盖材料各表面的温度值，每15min测量1次。选择8月28日10:00的数值进行一层遮阳网温室模型验证，此时室外太阳辐射802W/m2，外界气温35.4℃；选择14:00的数值进行两层遮阳网温室模型验证，此时室外辐射强度为536W/m2，外界温度为36.9℃。

1.3 温室CFD模型的构建

1.3.1 计算域与网格划分

使用ICEM进行几何模型的建立，创建点线面后，然后生成body。由于本文研究的是在遮阳通风状态下温室内部的温度场和辐射场，温室内部与外界环境的能量交换是很重要因素，因此需要在温室外部设置一个计算区域。考虑到计算时间和速率，将计算域大小设定为长、宽各为200m、高为40m。划分网格后，检查网格问题与质量，进行网格的光顺滑，得到的网格质量高于0.3，生成的网格数为1 422 896个。

1.3.2 边界条件与材料属性的设置

由于温室尺寸较大，瑞利数也较大，温室内气流流动状态为湍流流动状态，选择标准k-ε模型；选择DO辐射模型模拟不同遮阳网工况下的温室辐射场。材料的特性设置如表2所示。

表2 试验温室CFD模型中材料特性Table 2 Material characteristics in the CFD model of experimental greenhouse

1.3.3 内外遮阳网在模型中的设置

在FLUENT中太阳计算器中进行辐射折减，考虑外遮阳对室内环境的影响[12]。由于内遮阳网对空气流动有影响，对内遮阳进行建模。参考文献[13]设定内遮阳为多孔介质模型，把内遮阳网作为耦合热边界条件，依据达西定律可给出不可压缩流体流过多孔介质的压力降ΔP为0.372Pa,内外遮阳网的特性如表3所示。

表3 试验温室使用的遮阳特性参数Table 3 Shading characteristic parameters used in experimental greenhouse

2 结果与讨论

2.1 模型验证

针对构建的温室CFD模型，将不同遮阳层数下作物冠层的实测值与模拟值对比，如图1所示。

由图1(a)知:在一层遮阳网下，温室温度模拟值略高于实测值，两者相差1.3℃，这是由于作物使得室内作物蒸腾降低了冠层温度，其平均误差为3.3%。由图1(b)知：两层遮阳网下，温室温度模拟值与实测值的平均误差为4.5%，表明CFD模型模拟精度较高，可以用于分析不同遮阳工况温度场。

(a) 一层遮阳网温室温度实测值与模拟值对比

(b) 两层遮阳网温室温度实测值与模拟值对比图1 不同遮阳层数下温度实测值与模拟值对比Fig.1 Comparison of measured and simulated temperature values under different sunshade layers

由于温室辐射分布相对均匀性，可选择室内一点对辐射值进行验证。试验时，测量了距地1m高处室内外太阳总辐射。对比不同遮阳工况下，试验的辐射值与模拟值，结果如表4所示。

由于模拟的遮阳网辐射特性与实际遮阳网特性有一定的误差，因此模拟值与实测值误差为19%和18.7%，在合理的误差范围内，可以用于分析不同遮阳工况辐射场分析。

表4 不同遮阳网层数下温室内辐射实测值与模拟值的对比Table 4 Comparison between measured values and simulated values of radiation intensity under different shading net layers

2.2 试验工况温室作物冠层辐射与温度分布分析

为对比不同遮阳网对温室的辐射与温度的影响，首先在室外太阳辐射802W/m2、外界气温35.4℃下，利用模型计算了遮阳网未开启时，作物冠层辐射与温度的平均值，计算得冠层平均温度为40.2℃，冠层平均辐射为612W/m2.

图2为1层遮阳率为70%的外遮阳下冠层辐射场与温度场的分布。依据试验值，设定室外太阳辐射802W/m2,外界气温35.4℃，模拟发现在冠层(y=1m)截面最大太阳辐射为276.7W/m2，最小辐射强度不到200W/m2，计算得冠层(y=1m)截面处平均太阳辐射约为248.9W/m2。此时，温室内南部出现高温，最高温度可达40℃，这是由于此处受太阳辐射影响较大，且南部区域没有侧窗，导致此处温度较高。在10:00时刻，计算温室在冠层(y=1m)截面处平均温度为37.9℃，与遮阳网未开启相比，作物冠层温度降低了2.3℃，与试验测量结果基本一致。由此看出：在1层遮阳率为70%的外遮阳下，降温效果较好，但室内辐射分布相对不均，需要研究不同类型遮阳网对辐射分布的影响。

(a) 辐射分布

(b) 温度分布图2 1层遮阳网下(y=1m)截面处辐射分布与温度分布Fig.2 Radiation distribution and temperature distribution under a layer of shading net (y=1m)

试验在10:00时刻，温室南门和西门开启，因此仿真验证时，设定南门为入风口，西门为出风口，导致在x=20m处温度降低明显，与周围温差较大；而实际生产过程中温室门是不开启的，应当在接下来的模拟分析中应关闭南门和西门。

图3为两层遮阳下冠层辐射场与温度场的分布，模拟时刻为14：00，依据试验值室外辐射强度为536W/m2，外界温度为36.9℃。在两层遮阳网下，温室冠层(y=1m)截面处太阳辐射平均值仅为32W/m2，显然辐射量不能满足作物生长的需求。与无遮阳相比，两层遮阳网下，降低温度为3.8℃，比1层遮阳网下多降低1.5℃，说明两层遮阳网降温并不明显，这是因为内遮阳网阻挡室内热空气上升，使得室外空气通过天窗与室内空气交换受阻。此时，在两层遮阳网下温室内部辐射偏低，不能满足作物生长的需求，应进一步探究遮阳网对内部辐射与温度的影响。

(a) 辐射分布

(b) 温度分布图3 两层遮阳网下(y=1m)截面处辐射分布与温度分布Fig.3 Radiation distribution and temperature distribution at the cross section of two layers of shading net

2.3 不同遮阳率的遮阳网下作物冠层辐射与温度分布分析

为了改善温室内辐射分布不均，分析不同遮阳网对辐射场与温度场的影响，本文拟选用两种不同功能的外遮阳网进行研究。在天窗与侧窗同时开启的状态下，室外风速为1.7m/s、太阳辐射强度为802W/m2条件下，分析使用不同遮阳率的遮阳网时室内温度分布与辐射分布。从厂家获取设遮阳网辐射特性参数，如表5所示。

表5 试验温室遮阳网辐射特性基本参数Table 5 Basic parameters of the radiation characteristics of the sunshade net

由图4(a)可以看出:在遮阳率为65%的遮阳网下，冠层(y=1m)截面处辐射对称均匀分布，具有一定的梯度，这与遮阳率为70%的遮阳下辐射场类似;在x=20m、z=20m处室内最大太阳辐射为320W/m2；在x=0和x=40m的截面上辐射值较小，约为160W/m2，最大值与最小值辐射差值为160W/m2，计算得，在y=1m截面处其平均值为265W/m2。

由4(b)图可知：在遮阳率为45%的遮阳网下，冠层(y=1m)截面处辐射分布相对均匀。在x=20m、z=20m处，太阳辐射强度最大，辐射值为330W/m2；在x=0m、z=40m等温室边角处，最小值约为240W/m2，最大值与最小值相差为90W/m2。计算得y=1m截面处，平均太阳辐射为305W/m2，除遮阳率外其它条件均相同状况下，使用遮阳率43%的遮阳网比遮阳率65%的遮阳网室内辐射强度增大约5%，且最大与最小辐射差值减小70W/m2，说明使用43%遮阳率的散射遮阳网可以提高温室辐射分布的均匀性。

(a) 65%遮阳率遮阳网下辐射分布

(b) 43%遮阳率遮阳网下辐射分布图4 不同遮阳率遮阳网下(y=1m)截面处辐射分布Fig.4 Radiation distribution at cross section under different shading rates under shading net

由图5(a)可以知：在温室南部温度大部分区域高于40℃，平均温度在38.4℃。

(a) 65%遮阳率遮阳网下温度分布

(b) 43%遮阳率遮阳网下温度分布图5 不同遮阳率遮阳网下(y=1m)截面处温度分布Fig.5 Radiation distribution at cross section under different shading rates under shading net

对比图5(a)和图5(b)可以看出：随着遮阳网的透光率变高，温室内部高温区域(T>40℃)有所增加，平均温度为39.2℃。因此，除遮阳率不同，其他条件都相同条件下，相比于遮阳率为65%的遮阳网，遮阳率为43%的遮阳网使得室内平均温度增大0.8℃，在两种遮阳网下，室内平均温度都高于38℃，不适宜作物生长；当室外风速小于1.7m/s，建议选择机械通风加遮阳网的降温方式。

3 结论

1)选择标准k-ε模型、DO辐射模型作为温室CFD模型构建方法，采用辐射折算的方法模拟外遮阳对室内环境的影响，并对内遮阳网进行数值建模，将试验值与模拟值进行了对比。结果表明：开启一层和两层遮阳网两种工况下，温室温度场模拟值与实测值的误差分别为3.3%和4.5%，辐射场模拟值与实测值分别为19%和18.7%，误差在容许的范围内，表明了CFD辐射场与温度场模型的有效性，可利用此模型针对不同工况分析其辐射场与温度场的变化。

2)当室外辐射为802W/m2时,使用1层遮阳率为70%遮阳网,室内平均太阳辐射248.9W/m2，降温幅度为2.3℃。当室外太阳辐射为536W/m2,开启两层遮阳网时，温室内部太阳辐射平均值仅为32W/m2，降低温度幅度为3.8℃，相比开启1层遮阳网，开启两层遮阳网工况下，温室降温幅度增加并不显著，且室内辐射值偏低。

3)当室外辐射为802W/m2时，使用遮阳率为65%的遮阳网时，温室内平均太阳辐射强度为265W/m2,平均温度为38.4℃；使用遮阳率43%的散射遮阳网时温室内太阳平均辐射强度为305W/m2，平均温度为39.3℃，开启遮阳率为65%的遮阳网相比遮阳率43%的遮阳网温室内辐射减少40W/m2，室内温度相对降低0.8℃，可依据此模型优化遮阳网调控方案。