多间日光温室温湿度环境模拟与分析

五十六，塔　娜，马文娟，陈　斌

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018)



多间日光温室温湿度环境模拟与分析

五十六，塔娜，马文娟，陈斌

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018)

摘要：为了观察中国北方地区多间日光温室每个屋子的温湿度分布和夜间散热过程,利用Penmane-Monteith法土壤水分蒸发理论和计算流体动力学(CFD)方法进行环境温湿度模拟分析。试验时，在温室内布置了温湿度传感器、热通量传感器和土壤温度(水分)传感器，并进行了多点测试。测试分析得出：多间日光温室的室内最高温度为37℃,夜间温度为5℃，凌晨最低温度为2℃左右。利用Penmane-Monteith蒸发公式算出温室土壤的蒸发速率得出白天和夜间的蒸发率分别为6.07×10-5kg/m2·s和2.28×10-6kg/m2·s。通过模拟发现：室外平均风速0.5m/s时，室内最大流速能达0.33m/s(出现在屋子Ⅱ)。最终研究得出：该类型温室需要加强保温措施才能满足中国北方地区温室生产要求。

关键词：多间温室；微气流；温湿度环境；蒸发速率；模拟

0引言

多间日光温室的温湿度分布和夜间散热过程研究对温室生产有重大意义。为了保证温室的保温性，中国北方地区的大部分菜农用半拱形日光温室，但这种温室的植物成长层次不齐、土壤的隔离效果差，规模小且采光率低[1]。因此，一些菜农开始把大型连栋温室隔离若干屋子进行种植。计算流体动力学(CFD)方法是使用数值方法求解非线性流体的动量、质量和能量计算解出流场内部的动力学参数的变化[2]。Fluent软件是CFD计算工具之一，其模块化设置和微分算法对温室气体的流动状态、传质、传热等的计算方面极为准确，并可用于流场预测、可视化和结构优化方面[3]。1989年，Okushima等初次采用计算流体动力学CFD技术对温室内气流流动模式进行了预测[4]。此后，在欧洲各国和美国,借助该数值模拟技术对温室内微环境分布模式进行分析，当时这些技术已成为温室研究的热点。2012年，Davide Piscia等人利用CFD方法计算水蒸气夜间冷凝过程并拟合出了冷凝曲线方程，夜间水分的冷凝有利于水分回收利用也能有效地避免高含水率下的植物病变[5]。2012年，R.Nebbali等人对种植番茄的半管道温室的辐射与对流环境的动态模拟与研究，提出植物的辐射、对流热交换模型和自然通风的边界边界条件及夜间温室土壤与作物的热辐射问题[6]。2013年，Limtrakarn等使用CFD方法模拟了种有植物的热带地区温室内的空气流，并且依据模拟气流状态建立了一个新的温室模型，通过测量和比较发现新模型温室的空气流量比旧温室大约高了39%[7]。在幼苗期作物个子小，太阳大面积辐照地面可以忽略作物的消光和作物蒸腾的影响；但土壤水的大量蒸发会使室内的水汽增多，中高湿很可能导致作物正常蒸腾，以及提高真菌病的发生率[8]。

在众多研究中，国内外研究学者对多间日光温室的模拟研究较少，尤为内蒙古寒冷干旱地区温室生产中非常罕见。本文对寒冷干旱地区多间日光温室进行MatLab面拟合法和计算流体动力学(CFD)方法分析温湿度环境，并提供理论指导意见。

1材料与方法

1.1试验温室

试验温室选择内蒙古呼和浩特市多间日光温室，该地区位于北纬41°、东经111°，年日照时数长达2 863h[9]。温室坐北朝南，后墙为砖墙，东西南墙有1.2m高的隔离墙，为塑料板围成。试验温室的外形尺寸如图1所示。温室有3个隔离室，分别是屋子Ⅰ、屋子Ⅱ和屋子Ⅲ。室外3D 模型制定50m×32m×20m的长方体。

1.2温湿度传感器布置

温湿度测试传感器采用A2301温湿度传感器，温度测量范围为-40～80℃(测量精度±0.5℃)，相对湿度测量范围为0～100%(测量精度±3%)，布置方式如图2所示。土壤表面温度和含水率测试传感器采用1个MS10土壤水分(温度)传感器，并布置在屋子Ⅱ地面的正中间，温度测量范围为-40～80℃(测量精度±0.5℃)，土壤含水率测量范围：0～53%(测量精度±3%)、53%～100%(测量精度±5%)。墙体和土壤一般白天吸热夜间放热，为了观察围护结构的热通量试验选用PC-2R热流检测仪对温室南面塑料板、后墙体、土壤表面进行热流量测试。

图1　试验温室结构

图2　温湿度传感器的布置

1.3试验进展

试验日期为2012年12月20-2013年2月20日，分析日期为2013年2月12日，天气晴朗，夜间平均风速为0.5m/s。光照的测试仪器为TES-1333R手持式光照强度测试仪，13:30时室外内向太阳光照测试值为1 250W/m2和650W/m2，估算出温室塑料板的透射率a=0.52。

2建立温室数值模型

2.1网格划分边界条件

为了解多间温室每个屋子内的温湿度分布和夜间散热过程，在Gambit中进行网格划分，再导入计算流体动力学软件Fluent中进行计算温室内流场。Gambit中的网格划分方法选择了四面体非结构化网格，且两个交接塑料壁面设置为热耦合壁面。网格划分结果如图1所示。

2.2边界条件与初始条件

在模拟时把网格文件先导在Fluent中进行材料的定义和边界条件的设置，材料的定义和边界条件的设置如表1所示。2014年2月12号的天气报告与模拟初始条件如表2所示。

2.3数值模型

数学模型主要由控制方程下的RNGk-ε湍流模型、DO辐射模型、土壤蒸发模型和水分输运模型等组成，并调用了自带的太阳计算器(呼和浩特：北纬41°，东经111°，时间区域8)。本模拟利用Fluent软件中直接调用模型计算[10]，该文不再强调。

2.4水分运输模型

把温室内气体视为水蒸汽和干空气的混合。由于太阳光束在覆盖层的入射角度不同反射率也不同，导致温室气体的不均匀加热产生自然对流。在Fluent中打开水分输运模型，组分材料定义为H2O和air；激活体积分数Volumetic选项。迭代中按公式(1)空气组分的守恒定律计算：温室内水组分质量对时间的变化率等于对外的净扩散量与通过蒸发蒸腾作用产生的气态水分生产率之和，则组分i的质量守恒方程表示为[11-12]

(1)

其中，ci为混合物中组分i的体积浓度；ρci为组分i的质量浓度；Di为组分i的质量扩散率；Si为离散相及用户定义的广义源项导致的额外产生速率。

表1　材料属性

表2　2014年2月12气象参数表

3测试结果与蒸发速率的计算

3.1温室环境因子测试结果与讨论

从图2(a)测试数据看出：白天地面和1.2m高处的温度差比较明显，而夜间的温度差较小；白天上层的温度高于地面附近的温度，夜间靠近地面的温度大于1.2m高处的温度。在图2(b)中，由相对湿度1天内的变化可以看出，靠近地面的相对湿度远高于1.2m的相对湿度，尤其是夜间地面附近的相对湿度接近空气饱和含水率。图2(a)出现现象的原因在于：白天太阳辐射穿过PE薄膜是多次折射，因此进入温室的扩散光弥漫薄膜附近使上层空气首先升温，再被土壤吸收；而夜间温室最薄的壁面开始降温，土壤开始散发热量，所以土壤温度高于1.2m高处的温度。图2(b)出现现象的原因在于：土壤是散发水汽的源项，是在太阳辐射温度的驱动下把水分蒸入空气中，所以相对湿度大于1.2m高处的相对湿度。土壤蒸发是一个耦合过程，其由温度的驱动下蒸发水分也会降低周围空气的温度，有时会影响土壤的升温。太阳落山后地面上方空气温度开始降低，刚离开土壤表面的水汽受到冷空气的影响，低温空气的水汽饱和压差降低，相对湿度接近满值或重新变成液态水。

由图2(c)热通量的测试可看出：白天采光面放热通量能达到48W/m2，土壤的吸热通量可达47W/m2；而夜间薄膜的吸热通量为15W/m2时，土壤的放热通量为14W/m2。这种温室的采光性好，传到温室内的热量几乎等于土壤接受的热量；但夜间薄膜板传出的热量也几乎等于土壤释放的热量，因此保温性差。从试验也能得出：土壤是温室内最好的蓄放热体。

3.2土壤蒸发潜热计算

在Fluent计算中，组分源项的质量分数和组分产生速率是按实际情况定义的，质量分数一般介入壁面边界的水分含量。下面利用已测得的太阳辐射辐射、热通量、湿度和温度的数据估算土壤的蒸发潜热及蒸发速率。本论文蒸发潜热的计算选用了Penmane-Monteith公式[13-16]，计算裸土表面的热交换过程，则有

(2)

其中，λ为水的蒸发潜热(J/g)；E为蒸发速率(g/m2·s)；Δ为饱和水汽压随温度变化曲线的斜率(kPa/℃)；Rn为透射到温室土壤表面上的净辐射[J/(m2·s)]；G为土壤热通量(W/m2)；ρ为温室气体的密度(g/m3)；cp为空气的定压比热(J/℃·m3)；es为空气饱和水汽压(kPa)；ea为空气实际水汽压, (kPa)；γ为干湿表常数(kPa/℃)；ra为空气动力学阻抗(s/m)；rs为已干燥土壤土壤表面阻抗(s/m)。再根据Goudriaan公式有

(3)

ea=esRH

(4)

(5)

其中，Ta为空气温度(℃);RH为空气相对湿度(%)。

通过测试分析发现：在13:30时的温室内温度最高，土壤的蒸发速率也很高。而0:00时温室散热进入平稳散热过程。因此，选择白天13:30和夜间0:00的土壤蒸发热交换进行详细分析。通过式(4)计算得出的饱和水汽压随温度变化曲线的斜率如表3所示。

(a)　温度的变化

(c)　热通量的变化

Ta/℃RH/%es/kPaea/kPaΔs/kPa·℃-113:0025.6493.2881.6115.0000:007.597.81.0371.0140.532

根据Jensen( 1990),可得室内的净辐射量Rn为

(6)

其中,Rgs为温室内的太阳辐射(J/m2·s)(在13：30时的地面Rgs为223W/m2)；α是地表反照率(平均波长1.62μm，含水率为18%，太阳入射角度24.40°时土壤的反射率为17.63%)；Rgl为投射到温室内的净长波辐射(J/m2·s)。再根据Weiss (1982)和Burman(1983)提出的Rgl的计算公式进行计算净长波辐射量，有

(7)

其中,Rgso是晴天温室内太阳辐射量(W/m2)(在13：30时的地面Rgso为230W/m2)，εa是大气放射率(白天：0.82；夜间：0.72)；εs是地表放射率(干土：0.9，湿土：0.95，本文取0.925)；σ是斯特藩-玻尔兹曼常数(5.67×10-8J/m2·s·K4)。计算结果如表4所示。最后代入Penmane-Monteith蒸散得

(8)

其中，λ为2 450J/g，ρcp为1 240。白天ra值为98s/m[17]，rs值为210s/m[18],G为47W/m2，γ为0.66(计算公式为0.645 5+0.000 64Ta[19])。λE为148.67J/m2·s，E为6.07×10-5kg/m2·s。夜间γ为0.65，λE为5.59 J/m2·s，E为2.28×10-6kg/m2·s。

表4　温室内净辐射计算参数表

通过Penmane-Monteith蒸散公式计算的土壤水分蒸发所需的潜热量发现，白天室内净辐射最高时水分蒸发所用潜热量为148.67J/m2·s，而夜间净辐射最低时的水分蒸发所用潜热量为5.59J/m2·s。因此，白天水分蒸发所用热量占温室内总净辐射量的50%左右。

4模拟结果与讨论

4.1MatLab仿真测试数据与讨论

测试发现，白天屋子Ⅱ的温度高于屋子Ⅰ和Ⅲ。为了观察多间温室的最高温屋子的温湿度分布，根据传感器1、2、3、4、5、6、7、8、9的实测数据运用MatLab软件拟合分析了白天屋子Ⅱ13:30时的温湿度分布。MatLab温湿度面拟合结果如图3所示。

采访是电视新闻记者的工作之一，通过合理使用采访技巧，可以提高采访效率，并减少采访过程中存在的问题。因此，记者必须提高采访技巧的使用水平，提高采访质量。

(a)　13:30时Matlab温度拟合

(b)　13:30时Matlab相对湿度拟合

图3为13:30时刻温室屋子Ⅱ内的1.2m高处温湿度面拟合图，面拟合度为97.3%。从图3看出：多间日光温室屋子Ⅱ的白天南面温度最大，能达37℃。这是因为太阳光线穿过采光面塑料板的时部分变成反射光，部分变成透射光；冬天太阳离地面的高度较低，只有温室南面采光壁面的光反射角最小，透射辐射最大；随着温度的升高，空气饱和水汽压变大，密度减小，相对湿度降低。测试发现屋子Ⅱ内的1.2m高处最低相对湿度为18%。随着太阳的偏西，温室内东墙附近的直射辐射增强，辐射温度高于西墙。

4.2隔离温室夜间温湿度的分析与讨论

下面分析0:00时刻温室各屋子内的1.2m高处温湿度分布和中间跨度垂直面微气流分布。模拟的初始条件由表2所示，考虑重力场、室外风速为0.5m/s，模拟结果如图4和图5所示。模拟与实测值对比发现，最大绝对温度差为0.7℃，最大相对湿度差为4.7%,模拟与实测的对比如表5和表6所示。

表5　模拟与实测温度对比

表6　模拟与实测相对湿度对比

4.2.10:00时温室横截面温湿度分布

从图4看出：在夜间0:00时温室各屋子温度大大下降，湿度上升，每个屋子同一水平面的温湿度差非常小。从图4(a)看出，屋子Ⅱ的平均温度最高，其次是屋子Ⅰ和屋子Ⅲ。从降温趋势来看，屋子Ⅲ的东南角的降温最大，而其他屋子降温较大位置在西南角。原因在于：这种温室的两侧屋子的左右两端直接与外面接触，从东南角和西南角热损失最多，尤其是屋子Ⅲ由于下午吸收的热量低，夜间整体温度低。屋子Ⅱ处于两个屋子的中间热损失最少，温度也高。这说明温室的隔离式生产中应多加几件中间屋子，并应格外地保护两侧屋子。

(a)　夜间0：00 时1.2m水平面上的温度分布

(b)　夜间0：00 时1.2m水平面上的相对湿度分布

夜间多间日光温室受到室外低温的影响温度很快的流失。图5描述Fluent软件计算的室外风速0.5m/s、塑料板热流量为-15W/m2时的温度流矢量和迹线图。

在夜间，温室围护结构冷却速度的不一致导致温湿度分布不均匀，借助热浮力和高压气体运动室内产生了自然对流。图5为3个屋子Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的z为4.8、14.4、24m的垂直面上的气流组织图。从图5看出：3个屋子的最低温度都出现在塑料板附近，最高温度出现在地面和后墙的交界处角处；3个屋子空气运动都从后墙体和土壤交界处上升，在塑料板附近冷却后向下运动，形成了有1个大涡心旋转的对流气流，气流的最大速度为0.33m/s(出现在屋子Ⅱ)。出现该现象的原因是：温室内的空气在土壤和墙体交界处吸收足够的热量在热浮力作用下上升，而塑料板附近的低温高压空气向下运动形成对流，室内围护结构的温差越大产生的对流速度越大。从迹线图看出：3个屋子里出现的气流涡心的位置也有所不一，屋子Ⅱ的气流涡心最靠中部，屋子Ⅲ为偏南部。原因是对流空气组织的散热速率和吸热速率相等时涡心正处于中间位置，而吸热速率大于散热速率时对流涡心向散热壁面移动。因此，在寒冷干旱地区的实际生产中应在室内安装气流挡板阻碍对流气流，降低散热速率。

(a)　屋子Ⅰ　　　　　　　　　　　　 (b)　屋子Ⅱ　　　　　　　　　　　　　　　(c)　屋子Ⅲ

5结论

1)对寒冷干旱地区多间日光温室的测试分析发现：室内最高温度37℃,夜间温度为5℃，凌晨最低温度为2℃左右，因此该类型的温室需要加强保温措施才能满足该地区的生产要求。

2)在1天内靠近地面的湿度远高于上层空气的湿度，尤其是夜间地面附近和薄膜附近的相对湿度能达到空气饱和含水率值。

3)利用Penmane-Monteith蒸散公式对温室土壤水分某一时刻蒸发速率计算得出：白天13:00时的蒸发速率为6.07×10-5kg/m2·s，夜间的蒸发率为2.28×10-6kg/m2·s。

4)室外平均风速0.5m/s时室内最大流速能达0.33m/s(出现在屋子Ⅱ)。这说明了温室夜间主要是室内形成自然对流散热，因此在实际生产中应当室内安装挡板阻碍对流气流，降低散热速率。

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Temperature and Humidity Environment Simulation and Analysis in Multi Building Greenhouse

Wushiliu, Tana, Ma Wenjuan, Chen Bin

(College of Electromechanical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：In order to observe temperature and humidity distribution for each room of multi-room solar greenhouse in northern China and indoor cooling process in night, penmane-monteith method of soil moisture evaporation theory and computational fluid dynamics (CFD) method was used to analyze the temperature and humidity field. When the test we arranged the temperature and humidity sensors , heat flux sensors and soil temperature (moisture) sensor in the greenhouse conducted a multi-site testing.Test and analysis result shows，the multi-room solar greenhouse indoor maximum temperature is 37 ℃, the night temperature is 5 ℃, the early morning minimum temperature is about 2 ℃.The evaporation rate of top soil during the 13:30 and 0:00 is respectively 6.07×10-5kg/m2·s和2.28×10-6kg/m2·s. The simulation shows that the maximum velocity of indoor airflow reaches 0.33m / s(appears in the room Ⅱ) when the average speed of outdoor wind is 0.5m/s at night. Finally, it is concluded that thermal insulation should be enhanced in order to meet requirements of greenhouse production in northern China.

Key words：multi-room greenhouse; micro air flow; temperature and humidity; evaporation rate; simulation

文章编号：1003-188X(2016)05-0192-07

中图分类号：S152.8；S625.5

文献标识码：A

作者简介：五十六(1990-),男(蒙古族)，呼和浩特人，硕士研究生, (E-mail)zhangxiangdong103@163.com。通讯作者：塔娜(1967-)，女(蒙古族)，呼和浩特人，教授，博士生导师，(E-mail)jdtana@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(61364021)

收稿日期：2015-04-23