温室蔬菜大棚生物质能火墙供暖系统

周斯阳， 李洪强*， 刘丽芳， 祝彪炳

(1.湖南大学土木工程学院， 长沙 410082； 2.湖南科技大学土木工程学院， 湘潭 411201)

随着社会经济的迅速发展，人民生活水平不断提高，反季节蔬菜成了消费市场的热销产品。温室大棚可以通过技术调控营造适宜反时令蔬菜生长的微气候，打破室外气候的限制，在寒冷季节实现农作物的全天候生长[1]。据第三次全国农业普查主要数据公报(第二号)称：截至2016年末，中国温室占地面积334 khm2，大棚占地面积981 khm2。中国温室大棚面积大，蔬菜产量高，温室蔬菜产业发展前景广阔[2]。但中国设施农业发展较美国、日本等发达国家发展晚，温室大棚的设施建设不完善，对温室微环境的控制水平有待提高[3]。其中，无法保障适合作物生长的温度是导致作物生长不良的重要原因之一。传统温室通过吸收太阳辐射产生温室效应从而提高室内温度，其受气候条件影响大，在光照不足、气候寒冷的地区无法满足作物正常生长的热环境需求[4-5]。因此，使用温室供暖系统实现温室控温和节能是温室产业进一步发展的方向。

温室供暖系统分为被动式温室供暖系统和主动式温室供暖系统。被动式温室供暖系统以太阳能为热源，在温室内部空气和蓄热介质之间进行热量交换[6]，蓄热介质包括水[7]、土壤[8-10]、岩床[11]和相变材料[12-14]等。在气候条件良好的情况下被动式温室供热系统能够为作物营造适宜的热环境，但在室外温度极低、太阳辐射不充足的条件下，被动式供暖系统的蓄热能力有限，不能持续保障作物生长需要。因此，被动式温室供暖系统通常适用于气候温和的小型温室。

在大型商业温室中，可以采用被动式与主动式温室供暖系统相结合或直接采用主动式温室供暖系统为温室供暖。在热源的选择上，主动式温室供暖系统主要分为不可再生能源和可再生能源。不可再生能源包括煤[15]、燃气[16]等化石能源。由于化石能源价格昂贵，易造成环境污染，在农业生产中过度使用化石燃料会导致气候环境恶化、温室效应加剧，并且农业生产成本会大大增加。事实上，有效利用可再生的自然资源就能够为温室提供足够的热量，满足农业生产的需求。可再生的自然资源主要有太阳能[17-18]、地热能[19-21]、生物质能[22]等，已经有较多学者探索将可再生能源应用于主动式温室供暖系统。

太阳能供热系统因其低排放、设备投资和运行成本低，适用性长等优势受到许多学者的青睐。Bazgaou等[23]研究分析了主动式太阳能供热系统(active solar heating system，ASHS)对温室中番茄品质和产量的影响。ASHS由两个装有太阳能平板收集器的太阳能热水器、两个储水箱和换热管网组成。实验结果表明，夜间温室内空气温度提高了6 ℃，土壤温度提高了2.5 ℃。ASHS改善了冬季温室番茄品质，增加番茄产量55%。Bouadila等[24]使用装配相变储热系统的太阳能空气加热器改善温室热环境。在日间，该加热器将多余的热量储存在相变胶囊床中；在夜间，利用风机带动温室内空气与相变胶囊进行热量交换，释放日间储存的热量。结果表明，在夜间，有加热系统的温室内空气温度比常规温室内空气温度高5 ℃，夜间补充的热量达到供热总需求的31%。Han等[25]建立了温室主动被动蓄热通风墙体的性能评价模型，并通过试验验证了模型的准确性。蓄热墙体在日间通过吸收太阳辐射、通入室内热空气将热量储存在相变材料中，储存的热量在夜间通过辐射和对流释放到室内环境中。结果表明，蓄热墙体可存储太阳能5.36 MJ/(m2·d)，温室夜间空气温度提高了0.8～1.4 ℃。宋磊等[26]设计一种太阳能空气集放热系统为温室供热，该系统利用太阳能平板空气集热器加热空气，在管道风机的作用下通将热空气输送到散热管道中释放热量。系统运行期间，系统集热量为6.0～9.3 MJ/m2，温室空气温度提高2.7 ℃。戴巧利等[27]研究了一套主动式太阳能塑料大盆增温系统，日间利用太阳能集热器加热温室中的空气，风机将热空气抽入地下与土壤进行热交换，将其储存在土壤中，夜间将室内空气抽入地下与土壤进行换热，将土壤中储存的热量释放到温室中。与自然辐照的对照温室相比，试验温室夜间空气温度提高3.8 ℃，土壤温度升高2.3 ℃，系统蓄热量为228.9～319.1 MJ。

太阳能是重要可再生能源之一，但主动式太阳能供暖系统仍然缺乏稳定性，追本溯源，仍然受限于地域与天气因素。与太阳能供热系统相比，地源热泵系统具有运行稳定、加热和冷却双重功能的优点。Boughanmin等[28]采用一种新型圆锥螺旋地热换热器为温室供暖。结果表明，该换热系统为温室提供了692.208 kW热量，这部分热量能够使温室内空气温度升高3 ℃。Yang等[29]利用土壤-空气热交换器系统将地热能作为热源为温室大棚供热。在不同天气条件下，该换热系统夏季可提供1.5～4.5 kW的冷量，冬季可提供0.7～2.8 kW的热量，保障温室温度在适宜的范围内。

地源热泵系统需要较大的前期资金投入，回收期较长，不适合经济欠发达的中国农村地区使用，而生物质供暖系统在此领域拥有一定优势。Chau等[30]对一个中等规模的温室产生热量的典型木屑颗粒和木渣锅炉进行技术经济分析。净现值表明，安装木屑颗粒或木渣锅炉提供40%的年需求热量比使用天然气锅炉提供所有年需求热量更经济。此外，使用木质生物质锅炉还可以减少温室气体排放。Zhang等[31]以独特的燃池燃烧复合生物质燃料对某日光温室进行供暖，实验显示，该供暖系统供暖效果明显，比无供暖设施的日光温室室温提高3～8 ℃，其费用现值和费用年值分别是58.71元/m2和9.56元/m2，均低于热风采暖系统、热水供暖系统和电供暖系统。Singh等[32]提出一种以稻草秸秆为主要燃料通过热水散热管网和烟气散热管网为温室供热的温室供暖系统。数学模型表明，该系统能够提供12.98 kW热量，每天可节省80 kW·h，5年内可回收50%的安装成本和运营成本。白义奎等[21]、王铁良等[33]使用燃池-地中热交换系统加热温室。实验结果表明，温室内空气温度提高了2.6 ℃，土壤温度提高了1.9 ℃，其费用现值和费用年值分别是10.89 元/m2和1.28 元/m2，远低于热风加热系统和热水加热系统。整体而言，生物质能在温室供暖系统中的应用前景大，满足农村地区温室供暖低费用、碳中和、就近处理农业废弃物的要求。

中国是农业大国，农作物秸秆产量大、分布广、种类多。据调查估算，2015年中国主要农作物秸秆资源量约为7.19亿t[34]。改革开放以来，在中国政府的发展新农村、乡村振兴等政策下，农业发展迅速，农作物秸秆产量逐年增加，秸秆区域性、季节性、结构性过剩现象不断显现。在农村，秸秆随意丢弃、焚烧的现象屡禁不止，其带来的资源浪费、环境污染等问题日益严重。自1997年后，中国能源消费总量超过能源生产总量，其中煤炭资源占比较大，煤炭资源为不可再生资源，其资源量有限，因此提高生物质能等可再生能源的利用率[35]，科学应用秸秆等生物质，对于维护生态平衡、减缓不可再生能源消耗、减少碳排放都具有十分重要的意义。针对当下农村农业废弃物综合处理、食品安全、植物生长环境恶劣等问题，现展开以生物质秸秆为一次能源的温室大棚火墙供暖系统理论与实验研究，使农业废弃物变废为宝，改善温室大棚作物生长环境，为中国农村地区的温室大棚供暖系统提供新思路和研究方向，研究所得到的示范系统设计参数可以直接用于实践，为其他类似系统设计提供有效参考。

图1 温室大棚生物质供暖系统运行流程图Fig.1 Flow chart of greenhouse biomass heating system operation

1 温室大棚生物质能火墙供暖系统

1.1 系统组成及原理

温室大棚生物质供暖系统运行流程如图1所示。温室大棚生物质能供暖系统由烟气发生装置、烟气处理装置、末端换热装置、烟气输送管网与动力机组成。

烟气发生装置为生物质颗粒燃烧炉，将以生物质颗粒作为燃料制备不高于200 ℃的烟气送入烟气处理装置。

烟气处理装置分为缓冲净化段、空气调温段和送烟段。烟气发生装置产生的烟气进入烟气缓冲段，烟气经由缓冲段的过滤网将灰分和固体颗粒过滤后进入喷淋冷却段，喷淋冷却段的烟气与引入的室外冷空气混合后喷淋降温，最后低温烟气进入送烟段进一步混合均匀后流入末端换热装置。

末端换热装置为供热火墙，由红砖、黏土砌筑而成。

烟气输送管网与动力机使用轴流风机作为动力装置安装在末端换热装置后，采用负压抽吸方式为烟气提供动力。运输管道使用聚乙烯管。

在夜间，启动温室大棚生物质供暖系统，生物质燃炉燃烧生物质颗粒产生高温烟气，由轴流风机提供动力，依次经过烟气处理装置、供热火墙，最后排入室外。生物质燃炉供热一段时间后关闭，由于火墙内黏土的蓄热能力，火墙继续向温室释放热量，直到墙体温度冷却至与温室内环境温度相同。

1.2 供热火墙结构及原理

图2 供热火墙结构图Fig.2 Sectional view of heating fire wall

图3 火墙供热机理图Fig.3 Mechanism diagram of fire wall heat heating

供热火墙是温室大棚供暖系统的关键组成部分。综合考虑试验大棚规模、工程实践，并根据多次试验，最终得到较优供热火墙墙体设计尺寸为：长10 m，宽0.6 m，高1 m。火墙结构包括外层砖墙、内部填土和烟气流通孔道，如图2所示。砖墙使用普通实心黏土砖砌筑，厚度为100 mm，内部使用黏土填充，厚度为400 mm，烟气流通孔道设置在黏土层中，烟气流通孔道直径为63 mm。孔道末端装有排烟机，作为引风动力，满足烟气流通需求。如图3所示，在轴流风机的驱动下，进入烟气流通孔道的低温烟气与孔道壁进行热量交换，火墙受热后，通过辐射与自然对流向温室内释放热量，达到为温室供暖的目的。关闭生物质燃炉后，土壤释放自身储存的热量，延长供暖系统供热时间。

图4 实验温室大棚二维物理模型Fig.4 2D model of experimental greenhouse

2 温室大棚室内热环境数值建模分析

温室大棚生物质供暖系统换热末端通过辐射、对流换热为温室大棚供暖，蓄热火墙对室内热环境的影响是重点研究内容。因此，从两方面对温室大棚生物质供暖系统进行分析讨论，一是使用ANSYS16.0软件平台进行数值建模分析；二是基于实验平台对数值建模进行优化。

2.1 温室大棚室内热环境建模

2.1.1 物理模型

计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)平台融合了流体力学和计算机科学，是分析温室内热环境的重要方式。基于实验的全尺寸温室大棚，建立了原尺寸二维模型用于CFD模拟计算分析，如图4所示。该模型主要由两部分组成：地上部分和地下部分。地上部分包括围护结构(塑料薄膜)、围护结构包裹的室内空气及供热火墙；地下部分为土壤。各个部分通过火墙表面、土壤表面与温室内部空气构成的耦合传热面相互关联，进行能量传递。

2.1.2 建模假定条件

在此模拟中，影响室内温度因素复杂，在保证模拟结果准确合理的条件下，忽略次要影响因素，重点研究主要影响因素，做出如下假设。

(1)蓄热黏土各向同性材料，密度、热容、导热系数等物性参数为常数。

(2)忽略蓄热黏土内孔隙水流体渗透导致的热量传递，忽略砖墙孔隙导致的热量散失。

(3)温室大棚密闭性较好，忽略室内外气体交换带来的能量损失，即忽略冷风渗透。

(4)忽略大棚内植物对大棚室内气流组织的影响。

(5)忽略大棚内植物的呼吸作用，不考虑植物与空气与土壤的质量与热量传递。

(6)温室内水蒸气蒸发和冷凝热平衡，忽略土壤与空气交界面的质量传递。

(7)忽略大棚朝向对大棚内热环境的影响。

2.1.3 网格划分

使用ANSYS中Fluent集成板块建立温室大棚物理模型，并划分结构网格。模型包括空气和土壤两个计算域，总共有145 101个四边形网格和145 877个节点，火墙内黏土区域网格尺寸设置0.005 m，砖墙区域网格尺寸设置0.01 m，温室大棚空气和土壤区域网格尺寸设置0.015 m。并对网格质量进行了检查，网格质量平均值为0.96，满足计算要求。

2.1.4 控制方程

Fluent软件的主体就是基于有限体积法(finite volume method，FVM)的求解器，提供了从不可压、层流、湍流等很大范围模拟能力。流体流动受物理守恒定律的支配，能量平衡分析、质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律数学描述如下。

温室大棚能量平衡分析包括室内空气、砖墙、黏土3个部分。由于夜间室外温度低且无太阳辐射，是热负荷高峰期，因此选取夜间最不利工况进行分析。

(1)

式(1)中：Qht-a为温室内空气与砖墙表面的换热量，J；Qs-a为温室内空气与土壤表面的换热量，J;Qa-w为温室从围护结构(塑料薄膜和保温覆盖层)损失的能量，J;Qother为冷风渗透热损失能量和蒸发冷凝热(在此项研究中，暂时认为此项可以忽略不计，不予考虑，其值为0)，J；ρa为温室室内空气密度，kg/m3；ca为温室室内空气比热，J/(kg·K)；va为温室室内空气体积，m3；Ta为温室室内空气温度，K；τ为时间变量，s。

(2)

式(2)中：Qc-ht为砖墙与黏土的换热量，J；Qht-w为砖墙外表面与大棚外围护结构的换热量，J;Qht-s为砖墙与温室土壤的换热量，J;ρht为砖墙密度，kg/m3；cht为砖墙比热，J/(kg·K)；vht为砖墙体积，m3；Tht为砖墙温度，K；τ为时间变量，s。

(3)

式(3)中：Qpipe为烟气与黏土的换热量，J；Qc-s为黏土与温室土壤的换热量，J;ρc为砖墙密度，kg/m3；cc为黏土比热，J/(kg·K)；vc为黏土体积，m3；Tc为黏土温度，K；τ为时间变量，s。

连续性、能量、动量方程为

(4)

模型使用压力求解基模拟温室大棚室内热环境，使用标准k-ε湍流模型进行计算；考虑到室内空气局部温度差改变引起的气流组织，模拟使用Boussinesq模型模拟温室内空气的自然对流；由于在最不利工况条件下模拟，即夜间太阳辐射微弱的情况，因此仅考虑维护结构对天空的辐射和温室内部的热辐射，并且忽略室内热空气辐射，采用面对面辐射模型用于辐射计算。

2.1.5 边界条件设置

边界条件类型设置和各部分材料的物性参数如表1～表3所示。边界条件相关参数包括室外空气温度(Tout)、天空辐射温度(Tsky)、对流换热系数(H)、土壤边界温度(Tsoil)。

温室大棚外表面边界条件为混合边界，包括对流换热和辐射换热。塑料薄膜与室外空气为强制对流换热，对流换热系数H1取决于室外风速，由式(5)～式(7)求得[36]。塑料薄膜与天空的辐射换热强度取决于天空温度Tsky，用式(8)计算[37]。

烟气流通孔道内表面边界(P)条件为第三类边界条件，烟气与烟气流通孔道为管内强迫对流换热。对流换热系数H2用努塞尔数计算公式和Gnielinski实验关联公式求得。

定义地下1 m深土壤边界温度恒定，取Tsoil=13 ℃。

H1=18.63V0.605

(5)

背风面：V=0.3+0.05v1

(6)

(7)

式中：H1为表面对流换热系数，W/(m2·K)；V为温室顶棚表面风速，m/s；v1为温室外环境实际测量风速，m/s。

(8)

式(8)中：Tsky为天空温度，K；Fcn为云层系数，0表示晴天无云状态，1表示阴天厚云层状态；Tout为温室外环境温度，K。

表1 主要边界条件及参数Table 1 Main boundary conditions and parameters

表2 固体材料物性参数表Table 2 Physical parameters of solid materials

表3 流体材料物性参数表Table 3 Physical parameters of fluid materials

2.2 温室大棚室内热环境CFD模拟分析

2.2.1 埋管排列形式对温室大棚室内热环境的影响

在烟气温度、流速确定的条件下，烟道排列决定了蓄热火墙内温度分布，进而影响火墙供热效果。

在管径De63，管内流速3 m/s，温度130 ℃烟气的条件下，研究了不同排管形式对温室室内环境的影响，如图5所示，结果如图6所示。

如图6所示，以《温室加热系统设计规范》(JB/T 10297—2014)中温室蔬菜、瓜果类植物夜间空气温度最低10 ℃的要求作为供暖评价指标，在0.5 m水平高度处，b、d两种方案不满足供暖要求。方案a在各个水平高度处空气平均温度均为最高，在2.5 m高度处，空气平均温度达到12.5 ℃。考虑到降低室内外温差，减小温室热负荷，选择方案c进行埋管排列。

图5 四种埋管定位方案Fig.5 Four types of pipe arrangements

图6 不同埋管定位方案室内空气温度分布Fig.6 Indoor air temperature distribution of different buried pipe positions

2.2.2 埋管管径对温室大棚室内热环境的影响

输入换热末端的热量取决于烟气流量，在流速确定的情况下，烟气流量由烟道管径决定，因此管径是换热末端设计的重要参数之一。

在管内流速3 m/s，以及流速130 ℃烟气的条件下，研究了不同管径对温室室内空气平均温度的影响。如图7所示，随着管径增大，温室大棚空气温度呈上升趋势，地上0.5 m处和地上2.5 m处空气温度增加幅度分别为3.7 ℃和4.2 ℃，增幅分别达到48.1%和47.9%，增幅明显。在距地面高度1～2.5 m高度范围内，温度上升幅度小，室内空气温度分布均匀。

图7 不同埋管管径对空气温度的影响Fig.7 Effects of different pipe diameter on air temperature

以《温室加热系统设计规范》(JB/T 10297—2014)中温室蔬菜、瓜果类植物夜间空气温度最低10 ℃的要求作为供暖评价指标，综合考虑经济效益，推荐使用De63的聚乙烯管材为埋管。

2.2.3 地下隔热保温层铺设对温室大棚室内热环境的影响

土壤温度过高会阻碍植物生长，甚至造成作物根部坏死。火墙供热会导致墙体下局部区域土壤温度过高，对作物生长造成不利影响。因此，通过铺设隔热保温层削弱火墙向周边土壤的热量传递。保温层材料选择具有较大热阻的膨胀珍珠岩，同时具有透水透气的特性，不会影响植物的生长。

图8 隔热层铺设深度对土壤温度的影响Fig.8 Influence of laying depth of insulation on soil temperature

在埋管De63，管内烟气130 ℃、流速3 m/s及保温层厚度3 cm条件下，由图8可知，对比无保温层的工况，随着保温层铺设深度的增加，地下0.1 m处深度隔热层左右两侧局部温度均逐渐降低，以《温室加热系统设计规范》(JB/T 10297—2014)中土壤最高温度25 ℃为上限指标，铺设深度为20 cm的珍珠岩保温层满足作物生长要求。

2.2.4 烟气温度对温室大棚室内热环境的影响

在管径63 mm、烟气流速3 m/s的条件下，随着烟气温度的改变，温室室内空气温度的变化规律如图9所示。随着烟气温度的增加，温室大棚室内空气温度逐渐上升，地上不同水平高度范围温度上升速率相同。

以夜间空气温度最低10 ℃的要求作为评价指标，综合考虑烟气流通量，130 ℃的烟气能满足供暖需求。

图9 不同烟气温度对空气温度的影响Fig.9 Effects of different gas temperature on air temperature

2.2.5 烟气流速对温室大棚室内热环境的影响

在De63、烟气130 ℃的条件下，随着烟气流速的改变，温室室内各高度空气温度的变化规律如图10所示。当流速从1 m/s增加到6 m/s时，地上不同水平高度处空气平均温度都逐渐增加，0.5 m和2.5 m高度处温度分别升高3.6 ℃和4.1 ℃，增幅分别达到48.1%和32.4%。

图10 不同烟气流速对空气温度的影响Fig.10 Effects of different gas velocity on air temperature

温室大棚供暖系统效果以温室内空气温度和土壤温度高低作为评价标准，根据《温室加热系统设计规范》(JB/T 10297—2014)对供暖温室夜间植物生长的空气温度参考范围。以最低有效供暖温度，即地上1 m处空气温度达到10 ℃作为该系统供暖效能评价的指标。由图10中数据可知，3、4、5、6 m/s的烟气速度是合理的。当速度超过3 m/s时，温度变化趋于平缓，考虑输配能耗和烟气流通量，对于De63的PE换热管，推荐流速为3 m/s。

2.2.6 火墙对温室大棚室内热环境的影响

在夜间室外环境温度2 ℃，天空辐射温度-2.4 ℃、室外平均风速2.3 m/s、烟气流通孔道直径63 mm、烟气流速3 m/s、烟气130 ℃的条件下，模拟温室大棚室内热环境。

温室大棚室内温度场如图11所示。在生物质能火墙供暖作用下，温室内空气平均温度达到10.7 ℃，满足《温室加热系统设计规范》(JB/T 10297—2014)中作物生长环境温度10 ℃的需求。横向跨度上，火墙左侧区域空气温度低于火墙右侧部分区域；纵向高度上，在靠近土壤表面区域，温度较低，随着水平高度的增加，温度逐渐上升，在靠近大棚顶部区域，温度较高。这是由于火墙左侧空间大，右侧空间小，在火墙供暖的情况下，温室内空气由于温度差，出现了较为强烈的自然对流，导致冷空气回流。温室大棚室内空气速度场和流线图如图12所示，温室中部和顶部区域流速较大，温室上半部分出现空气环流，这与温度分布情况相符合。

图11 温室大棚温度场Fig.11 Cloud map of temperature distribution in greenhouse

图12 温室大棚室内空气流线图Fig.12 Streamline diagram of indoor air in greenhouse

3 温室大棚室内热环境试验分析

3.1 试验温室大棚

试验温室位于中国湖南省湘潭市雨湖区某村(N：27°55′；E：112°55′)，圆拱形钢架结构，面积192 m2，南北长22 m,东西宽8 m，脊高3.1 m，采用0.2 mm厚聚乙烯棚膜覆盖。

在温室南北纵向中间位置用塑料薄膜将温室大棚分割为两个棚(南北纵向跨度11.0 m)，第一个大棚装有生物质温室供暖系统，作为实验温室；第二个大棚是无供暖系统的传统温室大棚，作为对照温室进行对比研究。对照组除无地埋管供暖系统外，其他与实验组完全相同。试验使用两台生物质炉燃烧玉米秸秆颗粒燃料产生烟气，烟气在轴流风机作用下依次流经烟气处理装置、火墙散热末端后排到室外。试验温室大棚和实验平台如图13所示。

图13 温室大棚外观和实验平台搭建Fig.13 Greenhouse appearance and experimental platform construction

3.2 试验测点设置

采用手持式智能农业气象环境监测仪HM-QX13、红外成像仪Ti160A。为保证实验测量结果的客观性，在实验大棚、对照大棚中各布置16个测点测量室内空气温度，两个大棚中测点位置完全相同。温室大棚外距地面1.5 m高度处设置一个测点，测量室外空气温度、室外风速，测点位置如图14所示。试验中手动记录数据，间隔时间为1 h。

3.3 试验数据分析

在2020年12月2—8日进行温室大棚供暖试验，试验时间为下午18：00至次日上午8：00，共持续7 d。选取每天最不利工况下试验结果进行分析，试验工况为烟气130 ℃、烟气流速3 m/s，试验结果如图15所示。由图15可知，当夜间空气最低温度为2 ℃时，供暖温室大棚室内空气平均温度为10.12 ℃(测点A1～A16温度平均值)，比无供暖温室大棚室内空气平均温度(测点B1～B16温度平均值)高4.3 ℃，在其他工况下，温度提升幅度最大为5.8 ℃，最小为3.3 ℃。由此可知，该供暖系统供暖效果明显。

图14 温室大棚测点分布图Fig.14 Distribution of measuring points in greenhouse

图15 试验温室与传统温室室内空气温度对比Fig.15 Comparison of indoor air temperature between experimental greenhouse and traditional greenhouse

3.4 模拟与试验误差分析

采用相对均方根误差(relative root mean square error，RRMSE)对模型性能进行可靠性评价[38]，公式为

(9)

式(9)中：yData为实际测量数据平均值；n为数据数量；yModel,i为模拟值；yData,i为实际测量值。对于温室气候模型，认定RRMSE≤10%时，模型具有较高可靠性。

选择12月4日夜间最不利工况(夜间最低气温2 ℃、风速2.3 m/s)下模拟结果与试验结果进行验证，试验温室空气温度与模拟温室空气温度如图16所示，在0.5 m和1 m水平高度、东西4.5～5.4 m跨度区域为火墙，无空气温度数据。由图16可知，在各个水平高度上，空气温度实际测量值与模拟值变化趋势相同，实际测量值均略低于模拟值，这主要是因为温室大棚模型忽略了冷风渗透等因素的影响，实际热负荷高于模拟热负荷，这与实际情况相符。经计算，0.5、1、2.5 m水平高度处模拟值与测量值相对均方根误差(RRMSE)分别为8.7%、7.7%、8.3%，说明该温室大棚模型能够较为准确地反映实际情况。

图16 试验数据与模拟数据对比图Fig.16 Comparison of test data and simulated data

4 结论

针对当下农村农业废弃物综合处理、食品安全、植物生长环境恶劣等问题，提出一种以生物质秸秆为一次能源的温室大棚火墙供暖系统理论与实验研究。利用CFD模拟分析确定换热末端设计参数和供暖系统运行工况。通过试验验证了温室大棚火墙供暖系统供热效果和CFD模型的可靠性，得出以下结论。

(1)利用流体模拟计算软件ANSYS Fluent 16.0对在火墙供暖系统作用下温室大棚室内热环境进行模拟分析。分析结果表明，以作物生长空气温度下限10 ℃为标准，生物质能供热火墙最优设计参数为：烟气流通孔道左右两侧对称排布、管径为63 mm、隔热层铺设深度为20 cm、烟气温度为130 ℃、烟气流速为3 m/s。

(2)在冬季不利工况条件下进行试验，与无供暖系统的传统温室进行对比，由生物质能火墙供暖的温室空气温度有明显提高。在试验期间夜间最不利工况(夜间最低室外气温2 ℃)下，生物质能供暖火墙系统作用下的温室空气平均温度提高了4.3 ℃。在其他工况下，温度提升幅度最大为5.8 ℃，最小为3.3 ℃。