苦豆子堆腐产热对温室大棚内温度场的影响

李 涛 陈维铅 陈祥玉

（1酒泉职业技术学院/甘肃省太阳能光伏发电系统工程重点实验室，甘肃酒泉 735000；2兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州 730050）

设施农业是运用工程技术手段进行高效生产的一种现代农业方式[1]，现阶段已发展成为技术密集型产业，以高产出、高效益而被广泛应用于北方严寒地区[2-3]。由于温室大棚系统复杂多变，影响因素除环境温度外，还有水分、CO2以及温室内其他散热物[4]，多因素耦合给温室内温度场调控带来许多难度[5]。在北方寒冷地区，秋、冬季节室外温度较低，露天堆腐苦豆子秸秆耗时较长且腐熟程度不高，无法达到预期的肥力效果[6]。将苦豆子秸秆置于温室大棚内的基质槽中进行堆腐发酵，可以有效提高发酵效率，且能够获得腐熟程度较高、肥力均匀的堆肥。对温室大棚内堆肥热物理学特性进行研究，掌握堆腐传热、温度场变化可以提高堆肥的产出效益[7]。

苦豆子是豆科槐属多年生草本植物，基部呈木质化，其秸秆堆腐有机肥在设施瓜果上应用效果比较明显[8-9]。苦豆子秸秆高温堆腐，发酵产热对温室流场和温度有较大影响。目前，国内对日光温室环境的研究主要是集中在日光温室环境要素（光照、温度、湿度等）分布和变化规律方面[10-11]，如孙鑫[12]在大跨度塑料大棚热环境及有限元模拟分析中指出，塑料大棚夏季典型天气下气温变化相对稳定，土壤温度在相同深度下也表现出相同规律。李清明等[13]认为，日光温室内南北方向上的地温梯度明显，中部区域地温最高，并由此向南北方向递减。Mistriotis等[14]应用CFD知识对不同结构温室的通风效果进行分析和预测，并对温室内部的能量平衡进行计算。Baille[15]对四跨连栋Venlo型温室的流场进行了自然对流稳态计算，并与试验测量结果高度一致证明了CFD方法对温室内气流场计算的可行性。于 洋等[16]发现，夜间室内地面附近的位置温度相对较高，室内地面土体蓄放热对于维持室内温度也很重要。这些研究都对温室大棚的环境因子模拟模型进行了研究，结果均与日光温室所处地区和温室结构形式有关。科学把握温室大棚内温度场变化对确保苦豆子秸秆堆肥的产出效率和品质至关重要，日光温室的光热环境因子的不均匀性是日光温室内生产有机肥所面临的主要问题。但是，苦豆子堆腐散热对室内温光因子分布差异性、相关性研究较少。在温室大棚基质槽内进行堆腐发酵，可以有效缩短堆肥的腐熟周期，最大限度减少养料损耗。本文拟对温室大棚内基质槽中苦豆子秸秆堆腐散热进行稳态模拟分析和试验，旨在了解和掌握堆腐散热条件下温室内温度场变化特点，从而提高苦豆子秸秆堆腐的调控水平。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本试验温室大棚位于酒泉职业技术学院农业高科技示范园内，地理坐标为北纬 39°24'、东经 98°31'。试验温室大棚为冬暖式温室大棚，尺寸（长×宽×高）为50.0 m×10.0 m×3.1 m，温室呈东西走向，北墙采用空心砖砌成，宽度为1.2 m，东、西墙宽度为1.4 m。屋脊与水平呈56°，温室覆盖材料为LDPE，厚度为0.15 mm。室内由西向东平行排布7个基质槽（图1、图 2、图 3），依次标记为 a、b、c、d、e、f、g，基质槽尺寸（长×宽×高）均为 9.0 m×4.0 m×0.8 m，槽间距均为 2 m。

图1 温室大棚内基质槽排布三维结构

图2 温室大棚外景

图3 温室大棚内基质槽实景

1.2 堆肥试验

将苦豆子秸秆粉碎至2～3 cm，通过加拌羊粪、尿素来调节碳氮比，含水量控制在60%左右，促进堆腐发酵。反复人工翻堆，混合均匀后转入基质槽内，一层一层踩实，堆体高度与基质槽高度基本持平。基质槽内发酵堆肥测温布点示意图如图4所示，温度测量采用日本林电工PT100温度传感器 （型号CRZ-1632-Pd）。在基质槽侧壁面、顶面对角线交点处安放温度传感器，每天 11：00、13：00、15：00 进行测定，堆腐发酵期内不进行翻堆操作。发酵完成时，堆肥颜色表现为黑褐色，堆体温度与大棚内温度基本一致。

图4 基质槽内堆肥测温布点示意图

1.3 边界条件

在基质槽中选取4个侧壁面以及顶面为导热边界，基质槽5个面边界与空气对流换热，属于第三类边界。

式中：h为温室内空气和堆腐基质的对流换热系数；Tn为大棚内空气温度；T为基质槽侧壁面和顶面温度；n为外法线方向，不考虑其他换热。

温室和基质槽三维CFD模型计算域网格图如图5所示。网格的划分采用非结构化四面体网格，根据其传热效果的计算进行网格无关性检测。当网格数＞429 687时，再增大网格数量，其计算效果不会发生明显的变化。然而，过多的网格数会占用大量的计算资源。综合考虑，此次模拟采用网格数为429 687、网格质量为0.35的计算域网格进行数值模拟。

图5 温室和基质槽三维CFD模型计算域网格

苦豆子堆腐散热处在封闭的环境中，温室内传热主要包括室内空气与棚膜、基质槽与热空气的热量交换等。堆腐基质与热空气的能量交换以传导方式进行，可以通过设置传导系数来实现。温室大棚内平均温度为32℃、相对湿度为71%。温室内空气密度 ρ=1.225 kg/m3， 导热系数 λ=0.022 5 W/（m·K），热膨胀系数 β=3.356×10-3，比热容 cp=1.005 kJ/（kg·K），动力黏度 μ=1.83×10-5Pa·s。

1.4 数值计算方法

1.4.1 能量方程。

式中：H为混合气体的焓，单位为J；P为混合气体压力，单位为Pa；λ为混合气体的热传导率，单位为 W/（m·K）；T 为混合气体的温度， 单位为 K；Γi为组分的分子扩散系数，单位为 kg/（m·K）；hi为组分的焓，单位为 J；μt为气体的湍流黏度，单位为 Pa·s；Prt为气体的湍流普朗特数；SE为能量源，单位为W/s。以流体及流体控制方程为基础，分析温室环境各部分的能量输入输出过程，补充相应方程，构建温室环境温度模型[10]。

1.4.2 采用同属涡流黏度模型类的剪应力输运模型（shear stress transport，SST），该模型是 k-ω 和 k-ε 紊流模型的结合和改进，在预测流体与壁面的分离和低雷诺数近壁面流动方面有明显的优势[12]。

式中：k为紊流动能；ω为紊流频率；μt为紊流动力黏度；μ 为层流动力黏度；σk3、β'、σω2、α3、 β3为模型混合常数，取值与F1有关；Pk为由黏性力产生的紊流动能；Pkb、Pωb为浮力对紊流的影响因子；F1为混合函数；Uj为j方向的流体速度。

1.5 数据处理

试验数据采用Origin 2017软件进行分析、绘图，数值计算模拟采用Fluent 15.0软件。

2 结果与分析

2.1 堆肥试验不同基质槽侧壁面温度变化

由图6（a）可知，苦豆子秸秆与羊粪混合堆腐散热是一个缓慢过程，7个基质槽侧壁面温度整体呈先上升、后下降趋势，温度变化曲线近似抛物线。各基质槽侧壁面温度均在1～8 d上升到最高，温度值为61.3℃。从物料堆腐1 d后起，在3个时刻对7个基质槽侧壁面进行测温。结果表明，标号为a、b、c、d、e、f、g的基质槽侧壁面起始平均温度分别为 33.9、33.6、35.6、36.1、34.6、33.4、32.8 ℃， 经过 1～8 d 的堆腐 发 酵 缓 慢 升 至 59.8、60.3、61.3、60.6、59.0、60.6、59.9℃，其中基质槽b的侧壁面温度在第7天到达最高值（60.3℃），这可能与该基质槽内物料水分、孔隙度等因素有关。随着堆肥逐渐腐熟，9 d后基质槽侧壁面温度逐渐回落；到 14 d，基质槽 a、b、c、d、e、f、g 侧壁面温度分别降为 40.2、40.8、40.6、40.6、41.2、40.6、40.7℃。由于温室大棚保温效果较好，基质槽侧壁面温度保持在40℃左右。在整个发酵周期，基质槽c、d、e侧壁面平均温度较其他基质槽高约1.5℃。

2.2 堆肥试验不同基质槽顶面温度变化

由图 6（b）可知，基质槽 a、b、c、d、e、f、g 的顶面起 始 平 均 温 度 分 别 为 39.0、39.6、38.5、41.0、40.6、39.4、40.2℃，高于侧壁面5～6℃，这可能因为顶面直接与温室内空气接触，介质的传热效率高于侧壁面。但是，基质槽顶面温度的上升、下降趋势与侧壁面一致。 堆腐 7～8 d 后，基质槽 a、b、c、d、e、f、g 的顶面均达到最高温度，分别为 64.5、65.8、66.8、65.1、65.4、65.5、64.6℃。其中，最高温度出现在第7天，温度值达到66.8℃，高于侧壁面温度。 堆腐 14 d，基质槽a、b、c、d、e、f、g 的顶面温度分别降至 44.9、45.0、44.9、45.0、45.0、44.2、44.1℃。与基质槽侧壁面温度相比，基质槽顶面平均温度高出4.5℃左右。

图6 基质槽侧壁面和顶面温度变化

2.3 同一天不同基质槽顶面、侧壁面温度变化

堆腐发酵第8天时，对7个基质槽的顶面、侧壁面分别进行测温，结果如图7所示。基质槽a、b、c、d、e、f、g 的顶面平均温度分别为 61.70、63.00、64.78、62.50、63.40、62.54、62.57 ℃， 侧 壁 面 温 度 分 别 为61.33、62.30、62.57、61.46、60.45、60.85、60.18 ℃。 同一天同一时刻基质槽a、b的顶面温度与侧壁面温度差距较小，基质槽 c、d、e、f、g 的顶面温度较侧壁面温度平均高出1.5℃左右。这与堆腐发酵14 d内顶面温度高于侧壁面温度的结果一致。

图7 同一天不同基质槽顶面、侧壁面温度变化

2.4 CFD模拟基质槽顶面散热变化

在模拟堆体产热时，本文选取了35℃、50℃和65℃几个典型的温度点。由图8可知，堆体温度从35℃上升到65℃左右，又逐渐回落至起始温度。当堆体即热源向周围散热以顶面散热为主导且堆体温度为35℃时，温室内堆体两侧的气流组织基本对称，热源的中间发热不明显。当堆体温度达到50℃左右时，堆体中间发热明显，7个基质槽顶面散热以弧形向外发散，发热集中在基质槽顶面5～10 cm处。当热源温度上升到65℃时，基质槽顶面散热区域明显变大，尤其是标号为d、e、f、g的基质槽散热量较大。之后，随着堆肥逐渐腐熟，散热量随堆体温度降低而回落，这与堆腐试验顶面散热的数据一致。

图8 温室内同一位置基质槽顶面温度云图

2.5 CFD模拟基质槽侧壁面和顶面散热变化

由图9可知，当堆体侧壁面、顶面同时向周围散热时，35℃温室内热源散热不明显，空气对流传热无明显变化。当堆体温度为50℃左右时，在温差产生浮力的驱动下热空气上升，来自纵向的热气流冲击会激发出现边界层内非定常流动的现象，温室内上下层的流体会形成清晰的分界面。当堆体温度达到65℃时，温室内上层热空气明显变厚。随着温度回落，堆肥发热量逐渐降低，基质槽向四周辐射的热量逐渐回落至初始状态。

图9 同一位置基质槽侧壁面和顶面温度云图

3 结论与讨论

温度是苦豆子秸秆堆肥发酵的一个关键控制指标，其变化反映了堆腐过程中微生物活动和堆肥的腐熟进程[17]。无论何种原料的堆肥，其温度通常从开始的环境温度迅速上升到65℃左右，并持续一段时间回落至环境温度。本研究中，7个基质槽的堆肥在7～8 d都达到了最高，平均温度65.6℃，但温室内中间基质槽堆体升温速度略快，这与赵江龙[18]揭示的温室大棚内靠近薄膜处温度低、中间后墙处温度高的结论相吻合。本研究中，基质槽顶面平均温度要比侧壁面高4.5℃左右，基质槽顶面与空气的换热以对流换热为主，而侧壁面受到介质阻碍，因而顶面热交换速度比侧壁面比快。

在数值模拟中，本文围绕苦豆子秸秆堆腐的产热性能建立了温室基质槽内堆腐散热的CFD模型，苦豆子堆肥与基质槽散热模拟值表现出了良好的一致性。当以基质槽顶面散热为主导时，在相同工况下越靠近温室内西侧的基质槽散热量越小，这可能与温室内西墙内侧的气流运动快慢有关[19]。随着堆体温度升高，散热区域的颜色反映了对流传热的强弱。涌入低温气流以弧形向外传导，总体上气流对称结构完整，未出现多团聚集现象[20-21]。当基质槽侧壁面、顶面同时散热时，温室大棚中间以东的基质槽散热区域较西侧基质槽要小，温室内西侧气流运动速度较快，因而对流传热效率较东侧基质槽高。堆体全方位辐射散热会影响整个温室区域，对称结构已遭到破坏，对流传热区域随堆体温度升高而变大[22]。但是，堆肥腐熟温度回落后，温室内散热渐趋均匀，分层现象依然存在。综合考虑，苦豆子秸秆堆腐发酵对温室温度场的影响比较明显，但是否对温室内的湿度、气流速度、CO2浓度也有影响仍需进一步研究证实。

温室大棚内基质槽中堆腐发酵苦豆子秸秆，7～8 d达到最高温度，顶面、侧壁面温度较高的基质槽为d、e、f、g。堆腐温度发酵期内基质槽顶面平均温度要比侧壁面高4.5℃左右，同一天同一时刻顶面温度较侧壁面温度高1.5℃左右。数值模拟表明，在相同工况下基质槽d、e、f、g的顶面、侧壁面散热量变化明显，对周边的温度场影响较大。