工厂化食用菌生产温度及气流组织模型的建立与模拟研究

2018-10-16高菊玲熊迎军孙昌权徐荣丽刘永华

江苏农业科学 2018年18期

高菊玲，熊迎军，孙昌权，徐荣丽，刘永华

(1.江苏农林职业技术学院机电工程学院，江苏句容212400;2.江苏省现代农业装备工程中心，江苏句容212400;3.南京农业大学信息科技学院，江苏南京210095)

目前，由于工厂化能够实现食用菌的规模化、集约化、标准化和周年化生产，已经成为食用菌栽培的发展方向［1－2］。所谓食用菌工厂化生产，是指通过工业化技术手段，为食用菌生长发育提供合适的条件，这些条件主要包括营养条件和环境条件［3］。其中营养条件一直是研究的重点，但是栽培环境也会直接影响食用菌的产量、质量和栽培周期，尤其是在反季节生产中，调控小气候环境更为重要［4］。目前，在温室和菇房的环境控制方面，数值模拟技术计算流体动力学(computational fluid dynamics，简称CFD)取代了以前的模糊控制、人工智能化控制等［5－7］，例如耑锐等将 CFD应用于北方地区寒冷季节草菇菇房内温度、湿度、CO2气体浓度和气流组织形式等的模拟分析［8－10］;景亮等将CFD应用于杏鲍菇菇房、金针菇菇房的气流组织和温度场的数值模拟与分析［11－12］;Han等利用显热平衡和三维计算流体动力学模拟分析了菇房内的热环境［13］。

本试验拟针对某食用菌工厂出菇房内的气流流场和温度分布进行研究。在空调风机工作的条件下，对子实体发育阶段的食用菌出菇房内的气流流场和温度场进行数值模拟，并将模拟温度值与实测温度值进行对比，以检验所建立的CFD模型的准确性与有效性。

1 菇房温度系统模型的建立与分析

1.1 能量平衡方程

式中:ρair为出菇房空气密度，在标准状况下，空气密度的单位为kg/m3;V为出菇房体积，m3;Cair为空气中的热容量，J/(kg·℃)，25℃时为1.012 J/(kg·℃);Ti为室内空气温度，℃;t为时间，s;Qc为降温损失的显热，W，令冷凝机组蒸发器外表面温度为Te，传热系数为 φe，则有:Qc=φe·(Ti－Te);Qv为通风热交换量(W)，由于试验菇房中未进行通风，所以该项省略;Qlg为室内缝隙所损失的显热(W);Qrf为室内空气通过菇房覆盖层和围护结构与室外空气之间的显热交换量(W);将 Qlg和 Qrf进行合并处理，则有:Qlf=Qlg+Qrf= φlf·(To－ Ti)，其中，φlf为传热系数;To为室外空气温度，℃;Qfa为室内空气与食用菌之间的显热交换量(W)，由于室内空气的温度与食用菌温度相差不大，热传导并不明显，所以该项可省略;Qag为室内空气与菇房地面之间的显热交换量(W)，由于菇房为水泥地面，比热容较小，所以该项可省略［15］;Qep为菇房地表蒸发所消耗的潜热(W)，由于菇房空气湿度较大，地表蒸发并不明显，所以该项可省略;Qr为太阳光辐射显热(W/m2)，由于食用菌菇房没有窗户，所以该项可以省略;Qrs为食用菌呼吸作用释放的显热(W)，令食用菌质量为m(g)，Qrs与室内温度呈线性关系［13，16］，即:

可以看出，式(1)可简化为下式:

因此可见，菇房热平衡主要受空调制冷量、围护结构传热及呼吸作用产热的影响，从理论上看，如果三者平衡，温度便维持恒定。由于不同食用菌往往对湿度有着较高要求，其适宜生长的湿度条件与温度条件的相互作用较为明显，对于某些种类的食用菌，在其实际种植过程中，往往采用人为加湿的方式来保证其最佳生长环境，在一定程度上，等焓加湿可以承担菇房的一部分冷负荷，在室内空气设计状态点的相对湿度较高的情况下，菇房的空调系统往往通过实际调节所积累的经验来对其进行粗略设计，按照常规空调系统设计方法，具体送风状态与送风量的确定具有一定的难度。

因此，本研究对于菇房内部温度场的模拟分析，需作出如下假设:(1)对送风状态的空气进行加湿处理，并且与室内状态保持相同的绝对湿度条件，不考虑室内绝对湿度增加带来的影响，并不考虑室内人为加湿所带来的负荷变化;(2)忽略菇房室内缝隙散失的热量，在其室内正压作用下，回风全部从回风口排出。

1.2 主要冷负荷组成

菇房冷负荷主要组成包括(1)围护结构传热;(2)呼吸作用产热。其中围护结构传热指菇房覆盖层和围护结构与室外空气之间的显热交换量，主要由空气对流、保温外墙的热传导2种换热方式组成。

本研究所探讨的菇房屋顶及墙壁四周均与外界环境存在热量交换，但因该菇房建在水泥建筑内部，其辐射换热较小，暂忽略不计。围护结构的保温层如图1所示。

11月2日，在第七届绿色农药博览会开幕式上，农业农村部农药检定所党委书记吴国强在致辞中说：“落实中央绿色发展的总体部署和发展绿色农业的要求，农药行业责任重大，必须顺应时代潮流，积极研发、生产、宣传、推广高效、低毒、低残留的环境友好型农药和施药机械，大力发展绿色农药。”

保温层主要由聚合泡沫构成，其厚度为8 cm，内外层均有1 cm厚的钢化板。将该冷负荷的计算转换为简单的换热问题，则通过保温外墙的冷负荷可由下式计算求得:

式中:A为围护结构外墙包含屋顶的总换热面积，m2;λ1、λ2、λ分别为内、外层钢化板和聚合泡沫的导热系数，W/(m·K);δ1、δ2、δ分别为内、外层钢化板和聚合泡沫的厚度，m;tf1为室外计算温度;tf2为室内设计温度;K为总换热系数，W/(m2·K);α1为室外空气与外墙的对流换热系数，W/(m2·K);α2为室内空气与内墙的对流换热系数，W/(m2·K)。

钢化板的对流换热系数为22 W/(m2·K)，泡沫层的导热系数为 0.033 9 W/(m·K)，总换热系数为 0.408 W/(m2·K)。由于钢化板的导热系数较大，不具有明显的保温作用，其热阻δ/λ可忽略不计，则有:

呼吸作用产热指食用菌呼吸作用与室内环境的热量交换。食用菌通过呼吸作用获得能量，并释放二氧化碳和水，同时释放出大量热量，其反应式如下:

按食用菌内1 kg糖分呼吸作用产热2 803(kJ/h)计算，对于某种特定含糖量(100 g/1 kg)的食用菌出菇初始阶段，食用菌呼吸作用总冷负荷为816.72 W，其中通过保温墙产生的冷负荷为661 W，食用菌呼吸作用产生的冷负荷为 155.72 W。

1.3 送风量的计算

空调送风量根据室内总冷负荷，通过下式计算:

式中:G为菇房送风量，kg/s;Q为总冷负荷(详见“1.2”节)，kW;hN为室内设计状态空气焓值(干空气)，kJ/kg;h0为送风状态空气焓值(干空气)，kJ/kg。

室内设计状态需要根据食用菌适宜生长的环境温度来确定，对于某种食用菌来说，其适宜生长的温度为20～22℃，则拟定室内设计温度为21℃，相对湿度为67%，在该状态下若保持绝对湿度恒定，需要对送风状态的空气进行加湿处理，取送风温差为5℃，则送风状态的空气干球温度为16%，相对湿度为91.7%。送风、室内设计状态参数统计结果见表1。

表1 送风、室内设计状态参数

1.4 结构排布方式

食用菌栽培使用如图2所示的不锈钢架，每个菇房设置5个不锈钢架，架高2.5 m、长5 m、宽30 cm，食用菌培养基分4层摆放，每6件1组，单架16组，共96件。

菇房计算域长6 m、宽5 m、高4 m，与实际菇房摆设相同，5个不锈钢架板贴于后墙布置，空调送风孔位于前墙中间位置并与不锈钢架保持垂直，这样使空调气流平行于不锈钢架进行吹送。整个房间的气流组织采用“上送上回”式，回风采用自然排风的方式，回风口布置在与送风孔同侧的墙角，进出风口设置如图3所示。

2 出菇阶段温度系统模型的模拟分析

2.1 网格划分

菇房计算域整体采用非结构网格的划分形式，为提高计算精度，对不锈钢架表面进行网格加密处理，菇房整体网格结构如图4所示。总节点数为2 870 045个，总网格数为14 820 998个。菇房监测点设置如图5所示。

2.2 边界条件设置

网格划分完成后，对整个计算域进行边界条件设置，将整个计算域定义为流体域区域。对于送风口采用质量流量进口边界条件，质量流量大小通过式(6)、表1求得，送风温度如表1所示，出风口采用outflow边界条件，相对压力为标准大气压。因为房间内环境与外界环境对流换热，所以将四周的墙壁和屋顶设为对流换热边界条件，其换热系数取值同“1.2”节所示的总换热系数。由于地面传热系数非常小，将其设置为绝热壁面。核心流动区选用标准k－ε模型方程，近壁区采用壁面函数法来预测边界层的流动。对房间空气的温度变化过程进行模拟，采用非稳态进行分析，考虑到时间步长对解的稳定性、准确性的影响，将时间步长设置为2 s。

2.3 数值模拟结果与分析

由于菇房内的自然微循环不能产生足够均匀且适宜的气温，为了优化菇房内的气温，在菇房内安装空调调节气流，以便在空调工作时形成良好的气流组织(气流组织是指对气流流向和均匀度按照一定要求进行组织，使得菇房的生产区形成比较均匀而稳定的温度和气流流速)，以保证菇种的正常生长。本研究将在菇房室内与菇架垂直竖直平面、与菇架平行竖直平面和水平面3个方向分别截取若干个平面来显示和分析室内的温度场和速度场的分布情况。沿着与菇架垂直的竖直平面方向上－2.2、0、2.2 m 处设置1个截面;沿着与菇架平行竖直平面方向在－1.2、0.1、1.4 m 处各取1个截面;沿着水平方向在 1.1、2.2、3.3 m 处各取 1 个截面。

由菇房的气流组织模拟结果可以看出，这种送风方案基本合理，温度和速度分布较均匀。当空调送风口于16℃进行空气吹送时，菇房模拟得到的3个截面速度与温度云图分布如图6～图8所示。从3个方向的截面速度分布云图看出，送风口附近的空气流速达到0.7～1.06 m/s，且速度梯度变化较大。送风口以1个射流角向菇房内送风，冷气流由于重力作用的影响而沉降，中间1排菇架处于迎风面，因此冷气流对中间1排菇架的影响较大;气流在扩散的过程中速度逐渐降低，且在3个方向不同截面的流速大部分为低速区域，流速在0.2 m/s左右。从图6～图8还可以看出，送风口的气流对菇房有很大影响，在安装送风口的这一侧(即背风面)的气流流速明显低于没有安装送风口的一侧(迎风面);墙壁处的气流流速均高于远离墙壁区域的气流速度。

由图6～图8可以看出，菇房内的温度总体分布在20～24℃之间，基本达到了菇苗生长的适宜温度。菇房温度在整体上分布比较均匀，距离地面的高度越低，温度的梯度越明显，且随着高度的降低，温度也随之减小。从菇架3种不同截面温度、速度场分布可以看出，由于菇架采用标准化设计，且排列比较规整，使得菇架层与层之间温度分布均匀，温度梯度变化较小;菇架上方的温度相对较高，菇架下平面温度最低，上平面在出风口处的温度较同一高度上其他位置的温度低;在架子的中间各层平面上，气流由于受到架子与地面的阻挡作用而改变方向后在各层架板之间穿流，因此达到菇苗附近空气更换的目的，而地面附近的温度场较为复杂，流线分布密集。

从图9可以看出，菇房气流流场送出的冷射流呈直线状，扩散角度很小;送风口和出风口的流速最大，送风口气流在中间的1排和地面的流速较大，流速在0.7～1.2 m/s;由于菇架和地面对室内气流有阻碍作用，气流流速从中间1排向两侧依次减小;靠近出风口一侧墙壁的风速明显比另一侧墙壁的气流流速大，且靠近墙壁两排架子之间的气流分布均匀，速度变化梯度相对较小，流速在0.1～0.3 m/s之间，随着距离地面高度的增加，气流流速平缓地减小。

由图10可以看出，沿着菇房的中轴线，整个气流流场具有很强的对称性，各对称面的气流流型几乎相同;射入的冷射流在菇房内扩散开来，扩散的气流受到架子和墙壁表面的阻挡而改变流向;当冷气流遇到中间的架子后分为2股气流，冷气流由于菇架的阻碍，使得大部分气流不能通过菇苗之间的间隙继续前进，而在空气重力的作用下不断向菇房地面方向移动，碰到地面后向四周扩散开来;另有一部分气流在下沉的过程中穿过菇架，最终气流通过出风口流出菇房。由图10还可以看出，离送风口较远的气流流速和靠近送风口的气流速度差距较大，是由于气流穿过架子和碰到地面之后速度明显减小，最终稳定后的气流速度变化梯度相对较小;在每排菇架之间，气流形成明显的漩涡。

当菇房内的初始温度为30.04℃、目标温度为21℃、空调送风质量流为0.159 kg/m3时，室内平均温度的变化如图11所示。可以看出，在开启空调后的约23 min，室内的温度趋于稳定，基本达到目标温度;在通风的前10 min，室内温度下降较快，这主要是通过空调不断吹入冷空气与室内较热的温度进行交换传递热量的过程。在整个菇房的预冷过程中，菇房内平均温度曲线主要分为2个阶段:迅速下降期(前10 min)和缓慢下降趋于平缓期。迅速下降期主要是冷风和室内环境进行传递的过程;平缓下降趋于平缓期主要是室内环境和外界环境进行交换，最终达到一个与外界平衡的状态，在这个阶段温度不再随时间的变化而出现大的波动。

如图12所示，菇房出风口的温度呈现先升高然后迅速下降，最后慢慢趋于平缓的趋势。在空调开启的前3 min，内出口温度稍微有所上升，是由于菇房内的初始平均温度为30.04℃，在运行空调的一段时间内，冷射流与热空气相混合交换，冷空气不断向下移动，而热空气逐渐上移，室内的部分热气流会从出风口流到外界。在接下来的20 min内，出口温度下降迅速，由于室内的热气流和冷气流产生了明显的热传递的过程。最后，出口温度下降趋于平缓，这是室内温度和外界温度达到一个平衡的状态。

菇架监测点的温度变化曲线如图13所示，其中横坐标代表时间，纵坐标表示热力学温度，用CFD模拟菇房的3个不同监测点在预冷23 min过程中的温度曲线。实测菇房的平均温度为30.04℃，分别取靠近出风口一侧的前3排的第2层、第2列的菇苗为监测点。从图13可以看出，这3个菇苗监测点的温度下降趋势整体上呈现一致性，温度先迅速下降然后趋于缓慢。中间1排温度在前10 min相比另外2排的温度要低，且在开始阶段温度陡降，是因为中间1排靠近空调进风口，冷气流最先到达中间1排并发生热传递，此时温度场分布不够均匀，但是随着空调开启时间的增加，中间1排温度与其他2排的差距缩小，菇房的温度场分布逐渐变得均匀。

从表2可以看出，整个温度的分布相对比较均匀，温度总体分布在20～21℃之间，最高温度出现在靠近出风口第1排的第1层、第2列，为21.09℃;最低温度出现在第3排(即中间1排)的第1层、第4列。由于出风口冷射流最先与中间1排的菇苗接触，而第1层、第4列的菇苗正好处在迎风面。由表2还可以看出，这3排的温度从上层到下层依次下降，且第1排各层的温度高于对应其他2排的温度。