温室内温度无线测试系统及温度场模拟

塔 娜，张 驰，朱英开，苏佳佳

（内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特 010018）

随着日光温室的广泛使用，我国温室主要采用人工干预监控，由于受到人为因素制约，所能达到的精度有限，自动化是必然趋势。温室属于大空间场的物理模型，其内部良好的气流组织来自于合理的温度分布[1]。对于温度环境的合理监控，也是对内部作物生长条件监测和改善的过程。本文通过计算流体力学软件FLUENT，获得贴近实际温度分布的等温云图，确定温度梯度的方向和气流运动规律，为温室种植业实现高效、自动管理提供理论依据。

1 条件与方法

1.1 试验温室

本文所选试验地点位于呼和浩特市，内蒙古农业大学西区农学种植基地。日光温室为单栋单坡面，东西走向，采光面法线为南偏西8°，长60 m，宽8 m，矢高2.9 m，后墙高2.5 m，前屋顶为钢条桁架构造，室外周边无防寒沟且地面经过硬化处理。

1.2 测试系统

1.2.1 硬件组成

下位机部分即单片机带13测点传感器的硬件结构如图1所示[2]，数据能经由UTC1212模块无线发送回上位机（PC机：处理器为I7-2 600，内存4 GB，硬盘1 TB仅为流场模拟计算需要），并能对接收到的命令做出响应（如休眠节能、启动转换、反馈信息等等）。东北农业大学的王福禄等在设计硬件模块工作中强调尺寸小、功耗低以及适应性强[3]。

图1 Proteus中下位机模块仿真Fig.1 Hardware simulation of the lower part in Proteus

1.2.2 软件组成

图2 上位机LabVIEW的vi程序Fig.2 Upper part's VI LabView program

设计的系统中，软件部分分为上位机Lab⁃VIEW（v8.20）软件程序及下位机单片机keil-C（uv2）语言程序两大部分。具体流程如图2、3，其实现功能为按上位机设定时间（间隔）读取并以表格文件保存各组模块上13个测点传感器的温度值。

图3 第i组下位机模块MCU的hex程序Fig.3 No.i lower part's C program for MCU

由以上两大部分组成测试系统，安置在温室中部的任一平面（下称：试验平面1）上进行测试试验，此为“切片”过程；并在其中间位置处截选一矩形，因为该部分为植物根、株所在区域（下称：“感兴趣的区域”1），此为“切块”过程。传感器的布设借鉴于刘雁征、滕光辉采用CFD模拟的方法，以最少传感器监测贴近实际的环境温度的思想[4]。Carne等指出传感器布设使模态试验结果具有良好的可视性和鲁棒性原则[5]。程序实现下位机的休眠节能、每半小时转换温度和通信上位机等功能，并在PC上位机自动生成测量文件保存在硬盘上。

2 数据采集及分析研究

2.1 测试试验期间室外气候信息

测试试验时间为2011年12月20～30日，温室内种苜蓿，为叶期，植株高20 cm。天气数据由气象预报获得，日出日落时间平均为上午8时和下午4点，最高气温3℃，最低气温-13℃，紫外线强度等级为最弱。室外平均风速为1.35 m·s-1。

2.2 作物生长理想温度问题

由相关文献资料可知，喜光作物生长的最佳温度范围是15℃及以上，温度过低会对植物造成伤害，据其原因可分冷害、霜害及冻害3种，冷害是指温度在零度以上仍能使喜温植物停止生长甚至死亡、霜害及冻害分别指伴随霜层及冰冻对植物造成的低温伤害[6]。

试验温室内作物植株高度不超过1.5米，作物所处区域温度值保证在10℃以上即可有效防止冷害发生。选取温室中部（距东西墙距离相等处）确定一竖直截面，后称试验平面，于该平面固定13个温度测点后截面图如1所示。

图4 截面内布点图Fig.4 Locations of the test point on cross-section

为期10 d的测试时间内，选取每日日出前与日落前两个时刻（依次对应为整个试验平面上所有测点温度值之和最小、最大这两个时刻）的温度平均值信息，见表1。

表1 截面上测试结果Table 1 Test results on cross-section (℃)

由表1可知，植株所在区域测得温度均高于出现冷害的温度值，即在室外环境温度低至-13℃夜间，仍可在不人为加温前提下，保证温室内作物存活及生长，日光温室的保温能力得以体现。从另一方面分析，测试结果也说明试验平面上不同位置温度高低确实相差悬殊，温度梯度较大，且棚膜接缝附近的测点13记录到全天全试验平面的最低温度值。

3 温度场的计算与模拟

3.1 传热理论基础

根据传热学理论分析，本文所研究问题属于自然对流换热与固体导热[7]共同作用的问题，所以其热模型应满足3个通用方程即连续性方程、动量方程和能量方程。

计算时考虑平面上的空气与固体间自然对流换热；土壤、盖帘的导热传热；及非加热表面（墙体）间的辐射换热。

3.2 软件中的参数设置及边界条件

根据“感兴趣区域”1外围点群的值设定Fluent所需参数，完成计算模拟，得到完整流场图后与“感兴趣区域”1上对应位置的点进行比较，从而验证试验方法的可靠性。完成24 h的温室监测过程后，根据此组外围点群数据、气象参数及经验作为Fluent（v6.3.26）模拟的边界条件。

流固交接边界：流动边界条件取无滑移边界条件，即所有固体表面上流体的速度等于固体表面的速度，因此有u=v=w=0；

在地面处计算土壤导热过程[8]中传递热流通量：

式中，ΣR为传热总热阻，单位为m2·℃/W，ΣR=Σ（δ/λ）。

土壤导热系数λ1=1.28W/（m·℃），厚度δ1=1 m；棚膜及覆盖草帘的导热系数λ2=0.93 W（m·℃）-1，厚度δ2=0.2 m；温室内部空间为自然对流换热，表面传热系数（Convective Heat Transfer coefficient）取经验值10 W/（m2·k-1）；后墙在夜间作为发热源，发热功率（Heat Generating Rate）为0.8 W·m-3，这一参数值为长期测试所得结果的一个平均数，由最高温到最低温后墙内表面所流失的热量Q，再除以夜间的总时间得到发热功率的平均值。

地下1米处作为恒温边界[9]，温度值为测量得到的13.00℃；在前坡面与地面相交处有1个极小的漏风口，定义为Pressure-Inlet类型的壁面边界，且回流流体的温度（Backflow total temperature）设为-13℃（即当日露天最低温度）。

模拟结果如图5所示。

3.2 模拟结果的试验验证

为验证模拟结果的可靠性，需按图2中设计的布点方式，进行1次实测试验，具体过程如图6所示。

图5 日光温室内温度场分布Fig.5 Temperature distribution in greenhouse

图6 日光温室内温度实测实验Fig.6 Temperature measurement in greenhouse

对应位置的模拟温度值与实测数值的比较结果见表2。由表2可知，实测试验结果与数值计算模拟结果分布规律趋同，在温室顶棚处即两种结果差异最大，但仍保持在1℃以内。局部出现误差的原因主要有：①忽略了工作间和门，没有考虑其产生的热量散失[10-11]；②边界条件的设定与客观实际仍存在差异，软件中设定参数时忽略了对温度场分布影响微小的因素；③由于仪器在后墙、后屋面、前屋面等物体表面的测量不能完全贴近表面，无法测量其真实温度。

表2 五个特定点的试验测量值和数值计算值Table 2 Measured results and computing values of the five given points (℃)

4 结论

通过对等温度线图进行分析，揭示了日光温室内部温度场的分布特点：靠近墙体部分的空间温度在竖直方向上分布具有显著层次感；靠近前坡面棚膜部位的空间温度梯度主要方向为与地面呈45～60度角方向；由场的协同原理可知，在梯度方向上施加强制流动，能最有效实现温度分布的均匀化。对速度矢量图进行分析，揭示在温室内存在的两个主要气流涡旋，分别发生在后墙与顶跨、前坡面与地面之间，顶跨周围冷空气下降，移动至后墙附近升高温度，变热上升，在顶跨处再次降温向下运动；前坡面与地面间同理，两过程不断重复形成动态平衡。本研究可为后续温室温度环境控制奠定基础。

[1]张云斌,陆春林,金苏敏,地板采暖系统实测与室内温度场计算[J].流体机械,2006,34（3）:74-79.

[2]杜尚丰,李迎霞,马承伟,等.中国温室环境控制硬件系统研究进展[J].农业工程学报,2004,20（1）:7-12.

[3]王福禄,方俊龙,张喜海.基于无线传感器网络的温室环境监测系统研究[J].东北农业大学学报,2011,42（2）:59-64.

[4]刘雁征,滕光辉.CFD软件在温室传感器优化布置中的应用[M].北京:中国农业工程学会学术年会论文集,2005.

[5]Thomas G Carne,Clark R Dohrman.A modal test design strategy for model correlation[M].NewYork:Union College Schenectady,1995:927-933.

[6]邓蓉,曹暕,李佳.现代农业基础知识[M].北京:中国农业出版社,2011.

[7]杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社,1999.

[8]刘在民,蒋新梅,于锡宏.日光温室前沿苯板外护增地温效果研究[J].东北农业大学学报,2008,39（2）:176-178.

[9]佟国红,王铁良,白义奎,刘文合.日光温室墙体传热特性的研究[J].农业工程学报,2003 19（3）:5.

[10]佟国红,李保明,David M Christopher,日光温室温度环境非稳态模拟求解方法初探[C].北京:中国农业工程学会学术年会论文集,2005.

[11]吴春艳,赵新平,郭文利.日光温室作物热环境模拟及分析[J].农业工程学报,2007,23（4）:190-194.