冬季日光温室内微气候模拟与优化

王 灿

(内蒙古工业大学能源与动力工程学院 内蒙古呼和浩特 010051)

冬季日光温室内微气候模拟与优化

王 灿

(内蒙古工业大学能源与动力工程学院 内蒙古呼和浩特 010051)

日光温室内的温度分布和变化决定了植物生长的环境，对农作物种植效率有至关重要的作用。本文针对呼和浩特市典型的日光温室，研究冬季环境下室内的微气候。采用CFD方法对温室内一天的温度变化进行数值模拟，找到变化规律，并通过地板采暖方式对温室进行优化。该研究对CFD方法在农业应用中的可能提供了参考。

日光温室 计算流体动力学 地板采暖

引言

日光温室作为我国设施农业产业中的主体，近年来已成为农业种植业中效益最高的产业。不仅解决长期困扰我国北方地区冬季的蔬菜淡季供应问题，同时促进农业产业结构调整、带动相关产业发展、提高城乡居民生活水平。日光温室产业能充分利用有限的光热资源，通过加强人的主观调控能力，最大限度的减弱气候带来的不利因素，大幅度地提高了作物的产量、质量、经济效益。

在同内蒙古一样的寒冷干旱地区，传统的日光温室在严寒天气下有时未能为植物生长提供所需的条件。通过改变日光温室的保温措施和适当供热，能有效解决这一问题。

本文通过CFD方法模拟日光温室一天内的温度变化，采用以上两种方式对日光温室进行优化，并比较优化后对室内温度的影响规律。为提高和控制日光温室夜间温度，促进生产效率给出了可行的参考。

一、温室模型建立

1.数学模型

温室整个计算区域内的空气求解流动及传热问题时，控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、湍动能方程和湍流耗散率方程。如果用表示通用变量，则上述各方程都可以表示成以下通用守恒方程：

从以往的试验数据可以发现，自然对流情况下，温室内气流场Re数符合湍流流动，本文采取应用广泛的两方程k-ε湍流模型，在近壁处用壁面函数法。辐射和对流是其中主要的两种传热方式，热量通过辐射传递到周围环境中，同时温室各围护结构、空气、和植物之间也通过辐射进行着能量交换。对于辐射模型，采用离散坐标辐射(DO)模型进行求解。求解模型选择非耦合求解器以适应计算机性能和速度。

2.物理模型

本文以呼和浩特市典型的生产用温室为模型，坐北朝南，东西走向。温室的长度为80m，跨度为10m，脊高5.6m，后墙高4.9米，后墙的材料为红砖，厚度为0.37m，后坡长2.3m，材料为木板，后坡仰角20°。采光面采用PVC塑料膜，厚度0.005m。分别以温室的长、宽、高三个方向为X轴，Z轴和Y轴，用Gambit软件建立三维模型。

3.边界条件

取呼和浩特市12月3日为例，室外温度为-9℃～4℃，以室外的瞬时温度作为外部自由温度。

温室外表面与室外空气进行对流换热，对流换热系数根据经验公式求得，与室外风速和风向有关，计算公式[2]

式中，为温室外表面对流换热系数，W/(m2·K)；为边界表面实际风速，m/s；为实际风速，m/s。

模拟日期呼和浩特市西北风，室外风速为4m/s，因温室坐北朝南，后墙位于北方，属于迎风面，其对流换热系数取值为18.6 W/(m2·K)。

二、不同时刻温室内温度场的模拟

冬季一天内的温度在短时间内的变化较小，因此以4个小时为间隔，分别取一天内0时、4时、8时、12时、16时、20时及24时作为模拟时刻，对温室内温度场进行数值计算。得到的温室内部平均温度变化趋势如图1所示：

图1 一天内温室内部平均温度

可以看出，随着室外温度的变化，温室内的平均温度先升高后降低，最高出现在中午12时，约为286K，16时至次日8时，由于阳光不足，室内温度已经降低至约为280K，需要采光面覆盖棉被保温。

在夜间0点时，室内的温度分布如图2所示：

图2 夜间0时温室内部温度分布

由于地面土壤的蓄热能力较强，温室靠近地面的温度最高，植物生长区域约为264K，采光面没有太阳辐射，材料较薄，温度最低。

三、优化后的室内温度场模拟

为了在夜间获得更高的温度，在传统后墙的情况下，夜间对温室地下进行供热。在地面加入80W/m2的热流密度，得到的温度场分布趋势与不加温时相似。但整体温度有了较大提高，靠近地面的温度约为294K，刚好能满足一般蔬菜作物20至22℃的生长需求。

结语

传统日光温室由于墙体结构简单，保温能力差，白天温室内温度偏低，16点以后急速降低，对植物生长影响很大。通过夜间对温室地下进行供热能有效提高温室内整体温度，且分布均匀。模拟结果表明，地面80W/m2的热流密度约能提升室内温度30℃。

[1]吴菲菲,塔娜,毕玉革,王艳丽,周妤婕.北墙体结构对日光温室内温度场影响的研究[J].内蒙古农业大学学报(自然科学版),2015,(04)：100-104.

[2]蒋国振,胡耀华,刘玉凤,邹志荣.基于CFD的下沉式日光温室保温性能分析[J].农业工程学报,2011,(12)：275-281.

[3]路文渊,贾蕾.日光温室稳态温度场的数值模拟[J].山西建筑,2012, (02)：126 - 128.