中空膜无小梁太阳能水产温室温度场研究与分析

尉 莹，邱天龙，杜以帅，陈福迪，徐建平，李 叶，孙建明

( 1.中国科学院 海洋研究所，实验海洋生物学重点实验室，山东 青岛 266071； 2.中国科学院大学， 北京 100049； 3.中国科学院 海洋大科学研究中心，山东 青岛 266071 )

我国的温室类型主要以玻璃温室、塑料大棚和日光温室为主[1]，且多用在种植领域[2]。水产养殖领域温室多照搬种植温室的形式，没有针对水产养殖的需要进行规划设计，导致水产温室内部夏季温度、湿度高，劳动生产环境差；冬季温室热量分布不均，太阳能利用率低。随着国家节能减排工作的推进，燃煤锅炉等传统加温设备被禁用，同时油、气及电热锅炉加热成本高，导致我国北方地区水产养殖企业冬季大多处于停产状态。因此，提高太阳能利用效率，已成为我国北方发展水产养殖业的迫切需要。中空膜无小梁太阳能全光水产温室是充分考虑了上述问题提出的全新设计，温室采用大间距双层膜全光结构，兼顾高效蓄热与保温性能；温室骨架由成套的标准化钢结构预制件组建，具有组建规模灵活、安装便捷、强度高、内部空间开阔等优点；气/水换热装置可以将空气热量实时转移到养殖水体当中，提高热能利用效率和改善劳动环境。

笔者采用计算流体力学方法对温室建模和小气候模拟，通过实地测试与研究验证，查明温室内部温度场分布及变化规律，为温室结构设计的优化、保温策略、高温点热量采收、热能蓄积方法和车间环境降温等提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验时间与地点

试验时间为2019年3月31日—5月26日；试验地点为辽宁省沈阳市苏家屯区(N 41°38′，E 123°17′)，建筑四周开阔无遮挡物。

1.2 供试温室

供试温室(图1，专利号：CN201810139468.7)长8.0 m，宽6.0 m，高3.5 m，南北走向。所有墙体均用聚氯乙烯双层薄膜覆盖，骨架为成套标准化钢结构预制件(图2)，预制件双面C型槽间距146 mm，温室内部无承重柱和小梁。

1.3 测试仪器

HOBO U12-012 温度、湿度、光照、外部通道记录仪。温度测量范围：-20～70 ℃，精度：±0.35 ℃；相对湿度：5%～95%，精度：±2.5%；光照度：1～32 291 lx。

图1 中空膜无小梁太阳能水产温室Fig.1 Trabeculeless solar aquaculture greenhouse with hollow membrane

图2 钢结构预制件断面Fig.2 Section of prefabricated steel structure

1.4 测点布置

环境因子测量点共设置20个。0、1、2、3 m水平面上各设置1组，每组5个测量点，分别位于东南西北各边线中点向中央偏离50 cm处和室内中央。墙体环境因子测量点15个。5点为1组，每组位于同一墙体，分别置于室内和室外、中空膜内膜和外膜上以及中空膜中间。测点每15 min采集1次数据，采用Excel 2007进行数据整理分析及图表制作。

1.5 模型建立

通过Fluent 18.0对中空膜水产温室进行48 h连续模拟，设置x轴正向为正东方向，y轴正向为正北方向，用太阳射线跟踪算法加载太阳辐射模型，采用DO辐射模型[3]，初始值为温室内部的平均温度，室外空气温度作为边界条件，室内空气设定为温差作用下的自然对流，湍流模式采用标准k-ε方程模型，其他供试温室材料的物理特性参数及边界条件参数见表1。

表1 边界参数取值Tab.1 Boundary parameter values

2 结果与分析

2.1 水平面温度场

2.1.1 0 m水平面结果与分析

通过模拟结果(图3)和试验结果(图4)可知，在6:00—13:00，东部升温最快、南部升温最慢。模拟结果东部边界温度最高，为主要热量来源，南部颜色较浅，温度最低；试验结果在日出后，东部升温最快、温度最高，南部升温最慢、温度最低。试验结果在约12:00时东部温度出现峰值48.9 ℃，模拟结果峰值出现的时间略早于12:00，峰值偏低。13:00—19:00，模拟结果南部温度最低，西部出现深色高温圈，温度高于中部；试验结果13:00西部温度开始高于中部，东部>西部>中部的温度格局一直持续至20:00左右，北部温度全天高于南部，温差在13:00最大为6 ℃。19:00—翌日6:00，模拟结果颜色趋向均匀，边界颜色深，温室从边界向四周散热；试验结果温室内部各点温差逐渐减小至1 ℃以内。

2.1.2 1 m水平面结果与分析

通过模拟结果(图5)和试验结果(图6)可知，1 m水平面在6:00—13:00，东部升温快：模拟结果中东部边界颜色浅，为主要热量来源，温度场在南北向上呈波纹形，南部颜色较浅，温度略低；试验结果显示，在日出后，东部、中部升温最快、温度最高，南部升温最慢、温度略低。14:00左右各试验点温度达到峰值，在47.7 ℃以上，而模拟结果峰值出现在13:00为47.8 ℃。13:00—19:00，外界温度最先降低，模拟结果中温室出现明显边界深色区域，内部温度场出现差异，西部、中部、北部降温慢；试验结果在14:00后温度下降，西部、北部降温较南部、东部慢，形成1～2 ℃的温差。19:00—翌日6:00，模拟结果颜色趋向均匀，试验结果折线趋向一致。

图3 0 m水平面不同时刻模拟结果Fig.3 Simulation results of 0 m horizontal plane at different timea.6:00; b.13:00; c.19:00; d.0:00；a、b参考上方图例，c、d参考下方图例；下同.a.6:00; b.13:00; c.19:00; d.0:00; the upper legend for a and b; the below legend for c and d; et sequentia.

图4 0 m水平面试验结果Fig.4 Test results of 0 m horizontal plane

2.1.3 2 m水平面结果与分析

通过模拟结果(图7)和试验结果(图8)可知，2 m水平面和1 m水平面结果相似。在6:00—13:00，东部升温快：模拟结果中东部边界颜色浅，为热源，温度场在南北向上呈波纹形，且较1 m水平面幅度大，南部颜色浅，温度低；试验结果显示，日出后，东部升温最快、温度最高，8:00高于其他监测点8 ℃。模拟结果和试验结果均在13:00左右温度出现峰值。13:00—19:00，模拟结果中也出现南北向波纹状，温度北高南低；试验结果中，西部、北部温度下降较南部、东部慢，15:00温差最大达3 ℃。19:00—翌日6:00，模拟结果颜色趋向均匀，试验结果折线趋向一致，模拟结果较试验结果温度偏低。

2.1.4 3 m水平面结果与分析

通过模拟结果(图9)和试验结果(图10)可知，3 m水平面相较于1、2 m水平面整体各点温差增大。模拟结果与试验结果一致。在6:00—13:00，东部升温快：模拟结果中东部边界颜色浅，为热源，北部颜色深，温度高；试验结果显示，日出后，东部升温最快、温度最高，13:00左右温度出现峰值为54.4 ℃。13:00—19:00，模拟结果中北部有高温浅色区域，南部有低温深色区域；试验结果中，西部、北部温度下降较南部、东部慢，北部温度略高于南部。19:00—翌日6:00，模拟结果颜色趋向均匀，试验结果各点温差缩小至1 ℃内。

图5 1 m水平面不同时刻模拟结果Fig.5 Simulation results of 1 m horizontal plane at different time

图6 1 m水平面试验结果Fig.6 Test results of 1 m horizontal plane

图7 2 m水平面不同时刻模拟结果Fig.7 Simulation results of 2 m horizontal plane at different time

图8 2 m水平面试验结果Fig.8 Test results of 2 m horizontal plane

图9 3 m水平面不同时刻模拟结果Fig.9 Simulation results of 3 m horizontal plane at different time

图10 3 m水平面试验结果Fig.10 Test results of 3 m horizontal plane

2.2 垂直面温度场

2.2.1 东西垂直面结果与分析

通过模拟结果(图11)和试验结果(图12)可知，东西垂直面在6:00—19:00，顶部温度高：模拟结果中顶部边界颜色变浅，为主要热源；试验结果显示，3 m监测点温度折线高于其他高度监测点温度折线。13:00左右温度出现峰值：模拟结果中部温度场颜色均匀，顶部和底部温差大；试验结果也显示顶部与底部在13:00温差最大可达10 ℃以上。夜晚底部温度最高：模拟结果中底部颜色更暖为热源；试验结果中底部温度最高，4:00与顶部最大温差

图11 东西垂直面不同时刻模拟结果Fig.11 Simulation results of east-west vertical planes at different time

图12 东西垂直面试验结果Fig.12 Test results of east-west vertical planea.东部垂直试验温度图; b.西部垂直试验温度图; c.中部垂直试验温度图.a.east vertical test temperature chart; b.west vertical test temperature chart; c.middle vertical test temperature chart.

可达7 ℃。温室东西向跨度大，试验结果显示上午东部温度高，下午西部温度高，且0 m水平面东西向温度场分布最不均，1、2、3 m水平面温度场在东西方向上分布的不均性随高度的增加而增加；模拟结果中，6:00—13:00，东部边界颜色先变浅，为主要热源，温度场中部有低温区域，13:00—19:00底部温度下降慢，顶部温度下降快，内部温度场出现波纹形状。夜晚模拟结果颜色趋向均匀，试验结果各点温差缩小。

2.2.2 南北垂直面结果与分析

通过模拟结果(图13)和试验结果(图14)可知，南北垂直面在6:00—19:00，顶部温度高：模拟结果中顶部边界颜色变浅，为主要热源；试验结果显示，3 m监测点温度折线高于其他高度监测点温度折线。13:00左右温度出现峰值：模拟结果中部温度场颜色均匀，顶部和底部温差大；试验结果显示，顶部与底部在13:00温差最大可达14 ℃以上。夜晚底部温度最高：模拟结果中底部颜色更暖为热源；试验结果中底部温度最高，4:00与顶部最大温差可达7 ℃。温室南北向跨度较小，试验结果显示，1、2、3 m水平面南北温差不大，<2 ℃，0 m水平面在13:00时温差最大，北部比南部高6 ℃；模拟结果中热量自北向南呈半圆型扩散，中午北部有小范围高温圈，南部有小范围低温圈。夜晚模拟结果颜色趋向均匀，试验结果各点温差缩小。

图13 南北垂直面不同时刻模拟结果Fig.13 Simulation results of north-south vertical plane at different time

图14 南北垂直面试验结果Fig.14 Test results of north-south vertical planea.中部垂直试验温度图; b.南部垂直试验温度图; c.北部垂直试验温度图.a.vertical test temperature chart in the middle; b.vertical test temperature chart in the south; c.vertical test temperature chart in the north.

2.3 典型墙体温度场

为更好地研究新型水产温室内部温度场形成原因，参考日光温室墙体厚度与墙体材料对内部环境的重要影响[6]，对水产温室双层膜墙体进行预试验，结果显示，南部双层膜墙体内外温差最大，北部双层膜墙体内外温差最小，东西部墙体温度变化小，且规律与南北部墙体相同。故针对新型水产温室的南部、顶部和北部中空膜墙体进行深入研究，试验结果如下：

2.3.1 南墙

南墙1 d内的温度变化整体呈单峰型，最高温度出现在13:00左右，中空膜间温度可高达52.7 ℃。日出后，各点温度上升，10:00前，室内温度最高，南墙非热源；10:00—16:00膜间温度最高，11:00可高出内侧膜14 ℃。16:00后，内侧膜温度开始高于室内温度2～3 ℃，南墙成为热源。因温度存在滞后性的特征，不同材料的热性质也不同，13:00—14:00内侧膜温度略高于室内，温度3 ℃，温室也处于从南墙吸热状态。18:00—翌日6:00，内侧膜温度最高，比内部高约1 ℃，热量从南墙流失(图15)。

2.3.2 顶棚

顶棚1 d内的温度变化整体呈单峰型(图16)，最高温度出现在11:00左右，为53.4 ℃。日出后，内侧膜温度上升最快，8:00高于室内4 ℃，高于膜中间10 ℃，温室自顶棚吸收热量。夜间18:00—翌日5:30，内侧膜温度最高，比内部高约1 ℃，比膜中间高2～7 ℃，热量流失。

问卷调查抽样方法 采用多阶段随机抽样的方法，在举行过“校园行”活动的38所高校中，整群随机抽取8所高校，在抽中的每所高校中，按照大一、大二、大三、大四(包括大五)的年级划分，每年级整群抽取1个班级，每所学校共4个班级的学生作为研究对象。

图15 南墙试验温度变化Fig.15 Temperature change in the south wall test

图16 顶棚试验温度变化Fig.16 Temperature change in ceiling test

2.3.3 北墙

北墙1 d内温度变化整体呈单峰型，最高温度出现在中午12:00左右。内部温度全天高于内侧膜，8:00温差最大为6 ℃，13:00膜中间与外侧膜温差最大为17 ℃，全天放热(图17)。

3 讨 论

水温是影响动物繁殖与生长的主要环境因子[7]，在养殖生产过程中，水体升温所需的能源费用占生产成本的比例很大。因此，提高水产温室的有效采光面积、保温性能和掌握温室内部温度场分布规律，对合理设计温室结构和太阳能的高效利用至关重要。

图17 北墙试验温度变化Fig.17 Temperature change in the north wall test

3.1 温室对太阳光的采集

长期以来如何提高温室的光照时长和光照量一直是国内外专家研究的重要课题。目前研究多集中于改变采光面弧度和采光面材料的透光性上，研究表明，在相同的高差范围下，采用不同曲线的温室采光面，其采光效果差异很小[8]。因此，单纯通过改变温室采光面的曲率，不能从根本上解决日光温室现存的采光不足、保温困难等问题。而透光材料的透光率通常为80%～90%[9]，93%以上透光率的材料价格又很高[10]，绝大多数温室难以采用。齐振宇等[11]对Venlo式温室展开研究发现，晴天条件下，屋顶全开启型Venlo式温室(A温室)的平均透光率为53.7%，而屋顶通风窗型Venlo式温室(B温室)为45.7%，阴天条件下A温室的平均透光率为52.1%， B温室为44.8%。新型水产温室通过顶部无小梁全光构造，增大了主动采光的面积，有效减少了顶部小梁和墙体影子对太阳光的遮挡，延长了温室对太阳光的采集时长，从而提高温室的太阳能利用率。

3.2 温室对养殖水体温度的调节

在冬季养殖生产时，需对养殖水体进行加热，传统水产温室加热养殖水体通常采用燃煤、燃气、燃油或生物质锅炉，增加了生产成本和环境保护压力[12]。新型水产温室以太阳能为热源，养殖水体为蓄能介质。温室白天南墙膜间温度最高可达52.7 ℃，膜间温度与室温存有15 ℃温差，顶棚膜间温度最高为50.8 ℃，膜间温度与室温有13.1 ℃的温差。风道在园艺设施中应用较为广泛，通常作为土壤及墙体热量传递的载体，利用空气进行热交换操作简便、效果明显[13]。在本试验中利用养殖水体高比热、大体积的特点，可在南墙、棚顶、东墙和西墙高处设置多个热量采集口，将膜间热量导出，并通过气(水)换热设备将温室中的空气热量收集和储存于养殖水体中，在这个过程中不仅能提高养殖水体的温度，同时也降低了养殖车间的环境温度；夜间则通过温室内的养殖水自然放热来维持温室温度。达到提高太阳能利用率和增加养殖水体温度的目的。

3.3 温室保温性能改进策略

保温覆盖材料的热传递是导热、对流和辐射3种基本传热方式的复合过程，传热系数是从总体上反映保温覆盖材料保温性能的综合性指标，目前多采用NY/T 1831-2009《温室覆盖材料保温性能测定方法》[14]在实验室或在使用中的温室现场进行试验直接测定，传热系数越低则传热阻及热节省率越高，其保温性能越好[15]，传热系数按下式计算：

式中，K为传热系数[W/(m2·℃)]；Φ为单位时间通过覆盖材料的热流量(W)；A为覆盖材料的热面积(m2)；Δt为覆盖材料两侧空气温度差(℃)。

由表2可知，上述材料的保温性能依次为：保温被>砖墙>中空膜>塑料板>草帘>单层玻璃>塑料薄膜。

表2 覆盖材料传热系数表Tab.2 Heat transfer coefficient of cover materials

本试验通过模型模拟和实地测量，发现温室内北部温度略高于南部，造成温度场北高南低的原因可能有：试验温室位于N 41°38′，E 123°17′，纬度高，根据太阳高度角按下式计算：

sinh=(sinφ·sinσ+cosφ·cosσ)·cost

式中，h表示太阳高度角，σ表示太阳赤纬，φ表示地理纬度，t表示地方时。

试验时，太阳赤纬从南回归线向赤道移动，试验温室所在地太阳高度角不断减小，北部接收到顶部的太阳能较多。另外根据气流模拟结果显示，南部空气受热后上升，沿顶部往北部运动，到达北墙后受冷下降，又往南部运动，形成内部气流环流，也帮助了内部北部热量的积累。而试验结果表明，北部墙体温度全天低于北部室内温度，根据热力学第二定律，热量不能自发地由低温物体传导到高温物体，所以北墙一直在流失热量。因此需要对北墙加强保温措施。从热工方面分析，温室较理想的墙体内侧应由吸热蓄热能力较强的材料组成蓄热层，外侧由导热、放热能力较差的材料组成保温层，中间应为隔热层[18-19]。异质复合墙体比单一材料的夜间保温效果好，且尤以外层为苯板的保温效果最好[20]。而墙体内填充的隔热层，保温性的优劣为：珍珠岩>煤渣>锯末>空气[21]。佟国红等[22-23]在对日光温室墙体传热特性的研究中发现，聚苯板可作为墙体的保温材料，砖可作为墙体的蓄热材料。所以新型中空膜水产温室可以选用聚苯板和砖墙对北面墙体进行改进，以提高新型中空膜无小梁水产温室保温效果。

4 结 论

本试验以中空膜无小梁全光太阳能水产温室为研究对象，利用计算流体力学软件对温室内部温度场变化进行模拟及现场测试验证，得出以下结论：

(1)以温室中空膜墙体、地面太阳辐射强度与室外的空气温度为输入条件，综合考虑温室墙体导热，室内外空气对流换热、辐射换热等因素，利用计算流体力学软件模拟温室内部温度场变化，经与现场测量数据对比，结果吻合较好，说明采用计算流体力学模拟温室内部温度场的变化是可行的，可靠性较高。

(2)温室内不同高度水平面，东西向、南北向垂直面以及墙体膜间温度场分布不均。水平方向：南北向温度场呈波纹状，北高南低，顶部为其提供主要热源；东西向温度场日出后东部升温快、温度高，为主要热源，0、1、2、3 m水平面分别在12:00、14:00、13:00、13:00温度达到最高值，为48.9、49.7、45.8、56.2 ℃，之后西部热量输入增多，温度下降较东部慢，西部成为主要热源。夜晚各点温差减小到1 ℃以内。垂直方向：白天顶部升温最快、温度最高，为主要热源，夜晚底部温度最高，土壤热辐射为主要热源，温度场趋向均匀。

(3)温室墙体存在膜间热量大，且难以输出的问题，可采用气(水)换热的方法将膜间热空气导出，把热量转移到养殖水体。北部墙体热量散失量远大于吸收量，需进行保温优化，考虑选用聚苯板和砖墙复合结构替代北面中空膜全光墙体。