主动蓄热日光温室不同气流方向后墙传热CFD模拟

鲍恩财，邹志荣，张 勇



主动蓄热日光温室不同气流方向后墙传热CFD模拟

鲍恩财1,2，邹志荣1，张 勇1※

（1. 西北农林科技大学园艺学院，农业农村部西北设施园艺工程重点实验室，杨凌 712100； 2. 江苏省农业科学院农业设施与装备研究所，农业农村部长江中下游设施农业工程重点实验室，南京 210014）

日光温室是一种能源高效利用型的温室结构，在中国北方的设施园艺产业中起到了非常重要的作用，其中主动储热日光温室结构是最近该领域研究的热点问题之一。针对高效主动储热风道的研究问题，该文构建了3种不同气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙模型，分别是顶进顶出气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙（W1）、侧进侧出气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙（W2）、侧进顶出气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙（W3）。在W1工况下对比试验数据及数值模拟数据发现，平均相对误差为6.7%，最大相对误差为13.4%，说明该文所建模型的数值模拟与试验数据有很好的一致性；进一步模拟结果表明，进口条件一致的情况下，W1、W2、W3在主动蓄热循环系统运行阶段的有效蓄热范围分别为700～800、500～600、600～700 mm；W1、W2、W3的出口平均温度分别为17.3、18.9、18.2 ℃，进一步计算得到，3种工况下，内部空气流的努塞尔特数分别为40.95、35.25、35.30；3种不同气流循环运动方式下，温室后墙的对流换热强烈程度表现为W1最大，W3其次，W2最小。该研究为设计主动蓄热日光温室墙体气流循环运动方式提供了理论依据和试验参考。

温室；墙体；温度；主动蓄热；气流分布；数值模拟；日光温室

0 引 言

为了保持日光温冬季室内温度，温室往往密闭且不进行通风，温室内空气的流动主要由室内温差引起的自然对流，但温室内空间有限，温差所形成的气流极其微弱[1]，故室内空气基本处于停滞状态。大量研究表明在不进行通风的情况下，冬季温室内气流不畅，温室环境较差，停滞的空气会导致植物表面形成静止层，影响作物的生理作用，并且为病害繁殖创造了良好的环境，也使得热量不能有效地扩散，造成温度分布不均匀和温度偏低等现象，影响植物的正常生长[2-5]。因此，通过设施或设备使温室内气体流动，可以在一定程度上改善上述问题，从而改善温室环境。

日光温室内的空气流动对室内环境的调控具有重要的作用，日光温室通风的目的在于排除室内多余热量从而抑制室内高温、维持室内CO2浓度、排除水汽进而防止室内高湿度的作用[6]，但通风换气时的换热损失约占整个日光温室吸热量的95.61%[7]。为避免通风造成的热损失，王润涛等[8]在日光温室中增加内循环风扇对室内气流环境进行优化，模拟结果表明，内循环风扇启动后室内出现了一定的气流运动，从而改善了室内空气停滞状态、促进热量有效扩散。Kuroyanagi[9]在连栋温室及塑料大棚中安装扰流风机对空气进行扰动。张栎等[10]研究发现在日光温室内安装扰流风机可对温室内空气产生有效扰动，并对比了连续扰流和间歇扰流运行方式对室内环境的影响，结果表明，在正午高温时段（11:30～13:30），连续扰流的效果较好，室内温湿度环境方面，植株冠层气温降低了3～4 ℃、相对湿度增加了8%左右；作物生长方面，番茄叶片净光合速率提高31%、气孔导度提高57%。

日光温室的墙体（尤其是后墙）对室内环境具有重要的影响，关于墙体材料和结构的研究倍受重视[11-12]。空气循环式主动蓄热墙体在提高蓄热量的同时也增加了温室内气流扰动，如王庆荣等[13]研究了新型对流循环蓄热墙体构造对日光温室中所形成的气流影响，通过测试及Fluent软件模拟分析，发现墙体构造所形成的循环气流可以在一定程度上扰动室内空气，进而在温室内走道和作物栽培行间等位置形成气流，其中温室跨中栽培行间的下部平均气流速度可达0.25 m/s，对日光温室冬季封闭栽培条件下的气流环境有一定的改善作用；赵淑梅等[14]设计了一种通体中空型日光温室墙体，该墙体具有空气对流循环蓄热的作用，上下通气孔之间存在的温差，确保了墙体自然对流作用的形成，研究结果表明，白天午间上下通气孔温差为6.5 ℃，最大空气流速可达0.6 m/s；夜间通气孔空气流速维持在0.1～0.3 m/s之间。

空气循环式主动蓄热墙体的作用机理在于通过提高墙体蓄放热能力，提高进入温室的太阳能的利用效率，从而改善日光温室冬季夜间普遍低温的现状。本文在张勇等[15-17]研究的构建墙体主动传热风道的基础上，根据主动蓄热进出风口的位置（后墙侧面或顶部）不同，及张勇等[18-21]所构建的顶进顶出（W1工况）、侧进侧出（W2工况）、侧进顶出（W3工况）3种气流循环和运动方式，通过CFD模拟分析不同气流运动方式对日光温室主动蓄热后墙热工性能及气流运动的影响，结合实测结果验证模型的有效性，从而优化进出风口的位置及气流运动方式，并确定不同气流运动方式对墙体蓄热的影响。

1 不同气流运动方式主动蓄热日光温室后墙传热模型

1.1 物理模型

不同气流运动方式主动蓄热日光温室后墙传热物理模型如图1所示。

图1 不同气流模式风机位置示意图及后墙剖面图

顶进顶出、侧进侧出、侧进顶出3种气流运动方式的主动蓄热日光温室主体结构一致，南北跨度为10 m，东西长32 m，方位南偏东5°，脊高5.0 m，后墙高3.6 m，后墙结构为100 mm聚苯板+120 mm粘土砖墙+960 mm相变固化土+120 mm粘土砖墙（从外向内），相变固化土由当地黄土添加8%掺量（质量比）的相变固化剂搅拌均匀制成，相变固化剂配方详见文献[22]。主动蓄热循环系统包括风道、风机及其控制系统。后墙中建造有风道，供气流循环运动，横向集束主传热风道采用市场现有的预制混凝土空心板，共4层，每层空心板的截面尺寸为550 mm×120 mm，其中通风孔有5个，单个通风孔直径为80 mm。轴流风机采用负压通风的形式，安装在出风口外表面，风机启动后，墙内形成负压，温室内的热空气进入后墙传热风道，经过热交换，热量蓄积入蓄热土壤中。风机的启闭采用自动控制模式，本试验设定在白天（09:00～17:00）的室内气温高于25 ℃开启、低于20 ℃停止，进行蓄热。

顶进顶出气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙（W1）结构如图1a所示，风机安装于后墙顶部中间的气流出口，气流进口位于后墙顶部的东西两侧，进口尺寸为960 mm×300 mm；侧进侧出气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙（W2）结构如图1c所示，风机安装于后墙侧面中间的气流出口，气流进口位于后墙侧面的东西两侧，进口尺寸为200 mm×300 mm；侧进顶出气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙（W3）结构如图1e所示，风机安装于后墙顶部中间的气流出口，气流进口位于后墙侧面的东西两侧，进口尺寸为200 mm×300 mm。顶进气口和侧向进气口数量不同，但总进口截面积基本相同。

1.2 模型假设

传热风道与蓄热土壤之间热湿传递的十分复杂，为了便于模拟分析，且最大限度地真实反映后墙内主动蓄热循环系统的传热过程，在建立模型时，做出以下假设：

1）传热风道（预制混凝土空心板）在后墙内对称分布；

2）传热风道与周围蓄热土壤（相变固化土）间的换热为均质多孔介质传热[23]，忽略传热风道内的水汽凝结情况；

3）视蓄热土壤为各向同性、孔隙相互联通的均质多孔介质，初始时刻土壤中的温度（设定为9 ℃[21]）、湿度分布均匀，其固体骨架不发生变化，内部流体不发生相变和化学反应[24]，材料物性参数不随温度的变化而改变；

4）忽略蓄热土壤的压力势和溶质势，忽略重力产生的液态水流动，不考虑土壤内水分的宏观流动[25]；

5）蓄热土壤中的气体为理想气体，且忽略土壤骨架中气体对温度的影响，蓄热土壤中土层与湿迁移之间存在局部热平衡，忽略土壤水分迁移对传热的影响。

1.3 控制方程

模拟将热空气简化为不可压定常流，流场中气体的流动遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒及组分守恒这些基本的物理守恒定律。参考李永博等[26-29]的CFD数值模拟试验条件设计及试验温室实际情况，选择使用范围最广的离散坐标（discrete ordinates，DO）辐射模型。

1.4 几何模型

模型采用ANSYS FLUENT软件自带的Geometry模块进行参数化建模，按照试验温室实际尺寸和相关关系创建比例为1:1的3-D几何模型，如图2所示（以W1为例），模型中未简化拉结墙。采用软件自带的ICEM对模型进行六面体网格划分，整体域网格基本尺寸为50 mm，对传热风道及热空气的耦合面进行加密处理，加密尺寸3 mm，模型的网络单元数量为6 389 884个。

图2 后墙三维几何模型（W1）

2 边界条件与计算参数

2.1 供试温室

供试温室位于陕西省杨凌示范区旭荣农业基地（34°16′N，108°06′E），夜间覆盖保温被，09:00～17:00开启，其余时间关闭。试验温室结构如图1a所示，温室采用卡槽骨架，间距1 m，后屋面采用100 mm聚苯板，前屋面覆盖0.10 mm厚PO膜。

2.2 试验方法

主动蓄热循环系统进、出风口空气温度和相对湿度的测量采用HOBO UX100-011型温湿度记录仪（美国Onset公司生产，精度：温度±0.2 ℃、相对湿度±2.5%）。主动蓄热循环系统进、出风口风速及室内不同位置的风速测量采用Testo 425热敏风速仪（德国Testo公司生产，精度：风速±(0.03 m/s+5%测量值)，分辨率0.01 m/s）。

供试温室内部各布置2个温湿度测点（HOBO UX100-011型温湿度记录仪测量），分别布置在温室长度方向3等分截面处，跨度方向中部，其中温湿度测点和光照测点位于地面以上1.5 m高度处。墙体温度的测量采用T型热电偶温度传感器（上海合柔电线电缆有限公司生产，精度：±0.2 ℃），2个光照强度测量采用CMP3短波辐射传感器（荷兰Kipp&Zonen公司生产，精度：光照强度±1%），T型热电偶温度传感器和CMP3短波辐射传感器均连接到34970A数据自动采集仪（美国Agilent公司生产），供试温室墙体温度测点设置为2组，温度测点位于距离室内地面以上1.5 m高度处（避开风道位置），分别布置在温室长度方向3等分截面处，沿墙体厚度方向分别距墙体内表面0、100、200、300、400、500、600、700、800、900和1 000 mm处。光照测点与温湿度测点位置一致。

室外环境数据测点布置在距供试温室正西方10 m处的空旷场地，温湿度测点和光照测点的水平高度均与温室内测点一致。试验数据采集时间为2017年12月1日至2017年12月10日，所有记录数据的时间间隔均为30 min。

2.3 测试结果与分析

风机的启闭采用自动控制模式，本试验设定在白天（09:00～17:00）的室内气温高于25 ℃开启、低于20 ℃停止，进行蓄热；夜间（17:00～次日09:00）的室内气温低于13 ℃开启，进行放热；低于8 ℃时停止并发出警报，提醒采取人工临时加温措施。本试验选择典型晴天（2017年12月7日09:00～次日09:00）的数据进行分析，并以所测数据作为CFD模拟用输入数据及对比验证数据。

2.3.1 室内外太阳辐射照度及温湿度

图3显示了试验温室（W1通风工况）内外太阳辐射照度的日变化。由图3a可知，试验温室内的太阳辐射照度曲线变化趋势与室外变化基本一致，白天均呈现先升后降的趋势，在正午13:00前后达到峰值。W1白天平均太阳辐射照度为165.6 W/m2，室外为276.3 W/m2。

由图3b、图3c可知，供试温室室内空气温湿度曲线变化趋势与室外基本一致；主动蓄热循环系统两侧进口温湿度相近，且与室内空气温湿度相差较小；在室内空气温度高于25 ℃时风机开启，低于20 ℃风机关闭之前的时段内，进出口温度相差较大，蓄热阶段进口的平均空气温度为28.3 ℃、出口的平均空气温度为17.6 ℃，说明该时段内墙体内部在蓄热；因夜间温度未低于13 ℃，故主动储热风机未开启。

2.3.2 墙体温度

图4显示了试验温室后墙温度的日变化。由图4可知，供试温室室内墙体的最高温度是从墙体表面到内逐渐降低的变化趋势，最大变化幅度为26.8 ℃；最低温度是从墙体表面到内先升高再降低的变化趋势，峰值出现在200 mm处，最大变化幅度为5.2 ℃；最低温度出现在1 000 mm深度。由李明等[30]提出的温波法（室内墙体1天内温度波幅大于1 ℃的区域为其蓄热层）确定W1墙体内0～1 000 mm深度的测点1天内的温度波幅分别为26.8、9.1、2.2、1.9、2.0、2.0、2.0、1.4、1.1、1.5、1.6 ℃，因此，试验温室墙体的蓄热体厚度超过了1 000 mm。

图4 后墙不同深度温度的变化

2.3.3 边界条件

本文设定3种类型温室的风道进口边界为压力进口，流速依照试验温室的实测数据设定为0.88 m/s，风道出口边界为压力为零边界。外部进风口处的雷诺数、水力半径、湍流强度采用下式计算

2.3.4 计算参数

模拟时各后墙主动蓄热循环系统的进、出口温湿度根据前文实测结果设置。结合实际建造与使用情况，后墙模拟过程中所用到流体域的模型材质为空气，固体域的模型材质分别为粘土砖、混凝土预制板、相变固化土、混凝土和聚苯板，对应的物性参数如表1所示，相变固化土的热物性参照鲍恩财等[22]对相变固化土的性质测定，其余参数来源于《民用建筑热工设计规范》[33]。

表1 材料热物性参数

3 模型验证及分析

3.1 模型验证

本文为弥补理论分析方法的不足借助CFD模拟对不同气流运动方式主动蓄热日光温室后墙传热进行分析，从而减少了部分试验工作，但模拟结果的有效性尚未形成统一的判定标准[34-35]。目前，采用试验测试结果与模拟结果对比分析是判断模拟结果是否可靠的最常规方法[36]。

由图3b、图3c可知，在2017年12月7日的10:30～16:00为主动蓄热循环系统风机的运行时间，对该时间段内墙体温度进行模拟，选择该时段的平均温室状态参数为该时段的代表条件，对这一时段的后墙储热进行稳态模拟分析，为了清晰表示主动蓄热循环系统的蓄热效果，以西侧后墙为例，选取从右到左的5个截面展开分析，这5个截面与进风口距离分别为0.1、1、2、4、8、16 m（从右到左），不同气流运动方式主动蓄热日光温室后墙在蓄热时对墙体内部温度分布的影响结果如图5所示。

从图5可知，3种工况下，主集束换热管道的温度云图分布模式基本类似，均呈现出从近口到出口的锥状分布，相比之下由于W1、W2、W3外部进风口雷诺数分别为25 601.99、13 441.04、13 441.04，因此W1工况下进口气流热量分布更加均匀，因此整体蓄热深度更深。进一步对模拟时间段内与W1试验测点对应的温度进行提取，与图4进行对比分析，得出模拟值与11个测点的132个测试数据的平均相对误差为6.7%，最大绝对误差为1.9 ℃，最大相对误差为13.4%，说明数值模拟与现场实测有较好的吻合度[37-38]，该模型形象地模拟了不同气流运动方式主动蓄热日光温室后墙传热状态。

注：每幅图从左到右的5个截面与进风口距离分别为0.1、1、2、4、8、16 m。

3.2 温室后墙温度场模拟

从前文可知，3座温室后墙的主动蓄热循环系统的传热风道（纵向风道与横向风道之和）的长度为W1大于W3，W3大于W2。但从图5看出3座温室后墙内蓄热土壤的温度场可以看出，W1的蓄热效果大于W3，而W3的蓄热效果大于W2。试验中为促进冬季日光温室内空气流动，同时减少通风散热，通过增加内循环风扇[6]或安装扰流风机[7-8]对空气进行扰动，促进室内空气流动。提取3座温室后墙主动蓄热循环系统的出口平均温度，得到W1、W2、W3的出口平均温度分别为17.3、18.9、18.2 ℃，因3座后墙进口条件设置一致，从出口温度以及墙体储热后的温度云图（图5）可以看出3座后墙的换热量表现为W1＞W3＞W2。

提取与实际测试同一位置的测点数据进行分析（与图4所采试验数据进行对比分析），参考温波法[30]和温波传递理论[39]确定蓄热范围的方法，则3个温室后墙的有效蓄热范围均超过了1 000 mm。由图4亦可知W1墙体温度整日的变化，其整日的蓄热体厚度超过了1 000 mm。为进一步明确蓄热效果，对模拟结果中的与2.2中实测点数据对应的模拟数据进行了提取，结果如图6所示，模拟时段与实际风机运行时段一致，发现主动蓄热风机启动的时间段内墙体从内到外的测点温差变化为逐渐降低随后略有上升，最低值均小于1 ℃。本文为研究不同气流运动方式对主动蓄热后墙的传热影响，参考李明等[30]提出的温波法，规定算例中后墙从内到外的温度波动第1次低于1 ℃的位置为主动蓄热循环系统运行阶段的有效蓄热范围，因此，W1、W2、W3在主动蓄热循环系统运行阶段的有效蓄热范围分别为700～800、500～600、600～700 mm。

为了清晰表示主动蓄热循环系统的蓄热效果，绘出温室后墙内20 ℃等值面，为了简化图示，选取温室后墙中心线以西的半个后墙作为后墙的代表，结果如图7所示。同时模型分析中采用了相同的温度梯度对墙体的3种不同储热工况进行了等值面分析，从等值面云图（图7）色彩效果和等值面的分布可知，W1、W2、W3的有效蓄热范围表现为：W1＞W3＞W2。

图6 不同气流模式主动蓄热日光温室后墙CFD模拟结果

图7 不同气流模式主动蓄热日光温室后墙20 ℃温度等值面

3.3 对流换热强度分析

4 结 论

本文构建了3种不同气流循环及运动方式的主动蓄热日光温室后墙的数值分析模型，分别是顶进顶出气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙（W1工况）、侧进侧出气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙（W2工况）、侧进顶出气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙（W3工况）。对W1工况的温室进行试验测试，并与CFD模拟结果进行对比，在验证模型有效的基础上，进一步模拟3种不同气流循环及运动方式的主动蓄热日光温室后墙的温度场，并分析对流换热强度。得出如下结论：

1）试验结果表明蓄热阶段进口的平均空气温度为28.3 ℃，W1的最高温度是从墙体表面到内逐渐降低的变化趋势，最大变化幅度为26.8 ℃，最低温度是从墙体表面到内先升高再降低的变化趋势，峰值出现在200 mm处，最大变化幅度为5.2 ℃，W1的蓄热体厚度达到了1 000 mm。顶进顶出的气流运动方式优于侧进顶出的气流运动方式和侧进侧出的气流运动方式；

2）对W1工况的模拟值与实测值进行对比，11个测点的132个测试数据的平均相对误差为6.7%，最大绝对误差为1.9 ℃，最大相对误差为13.4%，模拟模型较为准确地反映了温室主动蓄热墙体的蓄热深度。在进口条件一致的情况下，W1、W2、W3在主动蓄热循环系统运行阶段的高效蓄热范围分别为700～800、500～600、600～700 mm；因此蓄热效果W1优于W2和W3；

3）模拟结果表明，在进口条件一致的情况下，W1、W2、W3的出口平均温度分别为17.3、18.9、18.2 ℃，努塞尔特数分别为40.95、35.25、35.30，因此3座温室后墙的对流换热强烈程度表现为W1最大，W3其次，W2最小。

综上，在主动蓄热日光温室后墙中，顶进顶出的气流运动方式优于侧进顶出的气流运动方式和侧进侧出的气流运动方式。本文为顶进顶出气流运动方式的主动蓄热日光温室后墙的推广应用提供了一定的参考。

[1] 张起勋. 日光温室内空气流动特性研究[D]. 长春：吉林农业大学，2007.

Zhang Qixun. Simulation of the Air Flow Characteristic of Solar Greenhouse[D]. Changchun: Jilin Agricultural University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[2] 杨振超，邹志荣，王军，等. 温室内气流运动速率对厚皮甜瓜生长发育的影响[J]. 农业工程学报，2007，23(3): 198－201.

Yang Zhenchao, Zou Zhirong , Wang Jun, et al. Effects of air speed in greenhouse on the growth of muskmelon plants [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(3): 198－201. (in Chinese with English abstract)

[3] Yu I, Cho M, Chun H, et al. Effects of circulation fans on uniformity of meteorological factors in warm air heated greenhouse[J]. Protected Horticulture and Plant Factory, 2007, 16(4): 291－296.

[4] Ishii M, Okushima L, Moriyama H, et al. Influence of circulation fans on the distribution of air temperature and air velocity in a greenhouse[J]. Journal of Science and High Technology in Agriculture, 2012, 24(3): 193－200.

[5] 段明辉，杨方，王润涛，等. 冬季日光温室气流组织研究[J]. 农机化研究，2014，36(10)：54－57.

Duan Minghui, Yang Fang, Wang Runtao, et al. The Research of the Temperature in Solar Greenhouse in Winter[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2014, 36(10): 54－57. (in Chinese with English abstract)

[6] 马承伟，王莉，丁小明，等. 温室通风设计规范中通风量计算理论及方法体系的构建[J]. 上海交通大学学报：农业科学版，2008，26(5)：416－419，423.

Ma Chengwei, Wang Li, Ding Xiaoming, et al. Theories and methods for calculation of ventilation rate in design rule for greenhouse ventilation[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University: Agricultural Science, 2008, 26(5): 416－419, 423. (in Chinese with English abstract)

[7] 陈超. 现代日光温室建筑热工设计理论与方法[M]. 北京：科学出版社，2017.

[8] 王润涛，段明辉，杨方，等. 冬季日光温室温度场优化研究[J]. 东北农业大学学报，2014，45(10)：101－106，121.

Wang Runtao, Duan Minghui, Yang Fang, et al. Study on temperature optimization in solar greenhouse in winter[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2014, 45(10): 101－106, 121. (in Chinese with English abstract)

[9] Kuroyanagi T .Current usage of air circulators in greenhouses in Japan[J]. Jarq-Japan Agricultural Research Quarterly, 2016, 50(1): 7－12.

[10] 张栎，冯晓龙，赵淑梅，等. 扰流风机对日光温室环境及番茄生长的影响[J]. 中国蔬菜，2016(9)：52－57.

Zhang Yue, Feng Xiaolong, Zhao Shumei, et al. Effects of Air Circulator on Environmental Parameter and Tomato Growth in Solar Greenhouse[J].China Vegetavles, 2016(9): 52－57. (in Chinese with English abstract)

[11] 郭慧卿，李镇海，张振武，等. 日光温室北墙构造与室内温度环境的关系[J]. 沈阳农业大学学报，1995，26(2)：193－199.

Guo Huiqing, Li Zhenhai, Zhang Zhenwu, et al. The relationship between the north wall construction and interior temperature environment in solar greenhouse[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 1995, 26(2): 193－199. (in Chinese with English abstract)

[12] 张立芸，徐刚毅，马承伟，等. 日光温室新型墙体结构性能分析[J]. 沈阳农业大学学报，2006，37(3)：459－462.

Zhang Liyun, Xu Gangyi, Ma Chengwei, et al. Application of aerated concrete in solar greenhouse[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2006, 37(3): 459－462. (in Chinese with English abstract)

[13] 王庆荣，程杰宇，崔文慧，等. 日光温室对流循环蓄热墙体构造对室内气流场的影响[J]. 新疆农业科学，2016，53(7)：1319－1328.

Wang Qingrong, Cheng Jieyu, Cui Wenhui, et al. Impact on indoor air distribution with the convective circulation thermal storage wall of Chinese solar greenhouse[J]. Xinjiang Agricultural Sciences, 2016, 53(7): 1319－1328. (in Chinese with English abstract)

[14] 赵淑梅，庄云飞，郑可欣，等. 日光温室空气对流蓄热中空墙体热性能试验[J]. 农业工程学报，2018，34(4)：223－231.

Zhao Shumei, Zhuang Yunfei, Zheng Kexin, et al. Thermal performance experiment on air convection heat storage wall with cavity in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 223－231. (in Chinese with English abstract)

[15] 张勇，邹志荣. 一种蓄热后墙的日光温室：102630526[P]. 2012-08-15.

[16] 高文波，张勇，邹志荣，等. 主动采光蓄热型日光温室性能初探[J]. 农机化研究，2015，37(7)：181－186.

Gao Wenbo, Zhang Yong, Zou Zhirong, et al. Preliminary study on performance in an active lighting and heating storage type solar greenhouse[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(7): 181－186. (in Chinese with English abstract)

[17] 陈振东. 青海新型日光温室性能的研究[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2016.

Chen Zhendong. The Measure of Qinghai’s New Type of Solar Greenhouse’S Performance[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[18] 张勇,邹志荣. 一种主动采光及固化土自主蓄热后墙日光温室：103416261[P]. 2013-12-04.

[19] 张勇. 一种温室全热交换除湿风道管系统：206452876[P]. 2017-09-01.

[20] 张勇. 一种基于张弦梁的夯土墙成型装置：206888272[P]. 2018-01-16.

[21] 张勇，高文波，邹志荣. 主动蓄热后墙日光温室传热CFD 模拟及性能试验[J]. 农业工程学报，2015，31(5)：203－211.

Zhang Yong, Gao Wenbo, Zou Zhirong. Performance experiment and CFD simulation of heat exchange in solar greenhouse with active thermal storage back-wall[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(5): 203－211. (in Chinese with English abstract)

[22] 鲍恩财，邹志荣，张勇. 日光温室墙体用相变固化土性能测试及固化机理[J]. 农业工程学报，2017，33(16)：203－210.

Bao Encai, Zou Zhirong, Zhang Yong. Performance test and curing mechanism of phase change cured soil for solar greenhouse walls[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 203－210. (in Chinese with English abstract)

[23] Mishra V K, Mishra S C, Basu D N. Combined mode conduction and radiation heat transfer in a porous medium and estimation of the optical properties of the porous matrix[J]. Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 2015, 67(10): 1119－1135.

[24] 闫婷婷，杜震宇. 日光温室土壤－空气换热器周围土壤中热湿迁移规律研究[J]. 工程热物理学报，2018，39(2)：434－441.

Yan Tingting, Du Zhenyu. Study on the heat and moisture transfer principles of soil fields surrounding the soil-air heat exchanger in solar greenhouse[J]. Journal of engineering thermophysics, 2018, 39(2): 434－441. (in Chinese with English abstract)

[25] 杨睿. 含热源土壤热湿迁移模拟与埋地换热器实验研究[D]. 天津：天津大学，2007.

Yang Rui.Simulation on Heat and Moisture Transfer in Soil and Experimental Investigation on Underground Heat Exchanger[D]. Tianjin: Tianjin University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[26] 李永博，周伟，李鹏飞，等. 基于CFD模拟模型的温室温度场均匀性控制[J]. 农业机械学报，2012，43(4)：156－161.

Li Yongbo, Zhou Wei, Li Pengfei, et al. Temperature homogeneity control of greenhouse based on cfd simulation model[J]. Transactions of The Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(4): 156－161. (in Chinese with English abstract)

[27] Fidaros D K, Baxenanou C A, Bartzanas T, et al. Numerical simulation of thermal behavior of a ventilated arc greenhouse during a solar day[J]. Agricultural and Forest Meterology , 2009, 149(6/7): 1050－1062.

[28] 程秀花，毛罕平，伍德林，等.玻璃温室自然通风热环境时空分布数值模拟[J].农业机械学报，2009，40(6)：179－183.

Cheng Xiuhua, Mao Hanping, Wu Delin, et al. Numerical simulation of thermal profiles in spatial and temporal field for natural ventilated glasshouse[J].Transactions of The Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(1): 153－158. (in Chinese with English abstract)

[29] 吴飞青，张立彬，胥芳，等. 机械通风条件下玻璃温室热环境数值模拟[J]. 农业机械学报，2010，41(1)：153－158.

Wu Feiqing, Zhang Libin, Xu Fang, et al. Numerical simulation of the thermal environment in a mechanically ventilated greenhouse[J]. Transactions of The Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(1): 153－158. (in Chinese with English abstract)

[30] 李明，周长吉，魏晓明. 日光温室墙体蓄热层厚度确定方法[J]. 农业工程学报，2015，31(2)：177－183.

Li Ming, Zhou Changji, Wei Xiaoming. Thickness determination of heat storage layer of wall in solar greenhouse[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(2): 177－183. (in Chinese with English abstract)

[31] Ahmad R A. Steady state numerical solution of the Navier-Stokes and energy equations around a horizontal cylinder at moderate Reynolds numbers from 100 to 500[J]. Heat Transfer Engineering, 1996, 17(1): 31－38.

[32] Lange C F, Durst F, Breuer M. Momentum and heat transfer from cylinders in laminar cross flow at 10-4

[33] 民用建筑热工设计规范：GB 50176－2016 [S].

[34] Stern F, Wilson R, Coleman H W, et al. Comprehensive approach to verification and validation of CFD simulations-Part 1: Methodologies and procedures[J]. Journal of Fluids Engineering Transactions of the ASME, 2001, 123: 793－802.

[35] 张涵信，查俊. 关于CFD验证确认中的不确定度和真值估算[J]. 空气动力学学报，2010，28(1)：39－45.

Zhang Hanxin, Zha Jun.The uncertainty and truth-value assessment in the verification and validation of CFD[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2010, 28(1): 39－45. (in Chinese with English abstract)

[36] 张涵信. 关于CFD计算结果的不确定度问题[J]. 空气动力学学报，2008，26(1)：47－49，90.

Zhang Hanxin. On the uncertainty about CFD results[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2008, 26(1): 47－49, 90. (in Chinese with English abstract)

[37] 程秀花，毛罕平，倪军. 风速对温室内气流分布影响的CFD模拟及预测[J]. 农机化研究，2010，32(12)：15－18.

Cheng Xiuhua，Mao Hanping，Ni Jun. CFD Simulations and predicts for effect of external airflow speeds on airflow profiles inside venlo glasshouse[J].Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010, 32(12): 15－18. (in Chinese with English abstract)

[38] 邓书辉，施正香，李保明，等. 低屋面横向通风牛舍空气流场CFD模拟[J]. 农业工程学报，2014，30(6)：139－146. Deng Shuhui, Shi Zhengxiang, Li Baoming, et al. CFD simulation of airflow distribution in low profile cross ventilated dairy cattle barn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(6): 139－146. (in Chinese with English abstract)

[39] 白青，张亚红，孙利鑫. 基于温波传递理论的日光温室土墙体蓄热层及墙体厚度分析[J]. 农业工程学报，2016，32(22)：207－213.

Bai Qing, Zhang Yahong, Sun Lixin. Analysis on heat storage layer and thickness of soil wall in solar greenhouse based on theory of temperature-wave transfer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(22): 207－213. (in Chinese with English abstract)

[40] Incropera F P, DeWitt D P, Bergman T L, et al. Fundamentals of Heat and Mass Transfer[M]. 6th Edition. New York City: John Wiley & Sons, Inc., 2007: 318－320.

[41] Vargaftik N B. Tables of Thermophysical Properties of Liquids and Gases[M]. 2nd ed.. New York: Hemisphere Publishing, 1975.

[42] 杨世铭，陶文铨. 传热学[M] .第四版. 北京：高等教育出版社，2006.

CFD simulation of heat transfer in back-wall of active thermal-storage solar greenhouse with different airflow directions

Bao Encai1,2, Zou Zhirong1, Zhang Yong1※

(1.712100,; 2.210014,)

China solar greenhouse (CSG) is efficient energy-saving greenhouse, and plays an important role in Chinese protected horticulture development. The biggest difference between solar greenhouse and other types of greenhouse is the back-wall, which works as load-bearing, thermal-storage and heat preservation. Presently, there are many researches on the material and structure of solar greenhouse. In terms of structure, many scholars have studied the appropriate thickness of wall and developed efficient active thermal storage wall structure. Active thermal storage structure of solar greenhouse is the research hotspot in the CSG field recently. However, it also has some disadvantages, such as unscientific air flow mode and lower thermal storage efficiency. To solve the research problem of active thermal-storage structure of solar greenhouse, this paper developed three types active thermal-storage back-wall with different air circulation mode. Three modes were inflated from the top of the back-wall and outflow from the top of the back-wall (W1 operating mode), inflated from the side edge of the back-wall and outflow from the side edge (W2 operating mode), and inflated from the side edge of the back-wall and outflow from the top of the back-wall (W3 operating mode) respectively. By using the business CFD software of Fluent, the model was computed with RNG-turbulent model. Then internal airflow and air temperature distribution was forecasted. With the results of simulation compared with experimental data, the feasibility and veracity of numerical simulation by software of Fluent to active thermal-storage CSG was validated. In this dissertation, CFD numerical simulations of three-dimensional turbulent flow in heat exchange pipes of CSG back-wall were conducted. And the temperature distribution of the back-wall thermal-storage system of CSG was measured at the same time to analyse the distribution of airflow velocity within heat exchange pipes and heat saving performance of the back-wall thermal-storage system in CSG. The results showed that the measured data was the same as the numerical simulation results, the mean relative error was 6.7%, and maximum relative error was 13.4% under the W1 operating mode. Analysis shows the reliable consistency between the numerical simulation results and measured data. Further analysis showed that the effective thermal storage range of W1, W2, W3 under the same inlet condition were 700-800, 500-600, 600-700 mm respectively. Theof internal air flow under W1, W2, W3 were 40.95, 35.25, 35.30 respectively. The convection heat transfer between the hot airflow and duct wall of W1 was greater than W3 and W2. In summary, the thermal performance between W2 and W3 was not obvious, but both lower than W1, which can meet the production of warm crop in greenhouse. The assembled active thermal storage wall with W1 mode was feasible, and had a certain popularization value in the some suitable greenhouse area. This paper on the basis of the effective experiment, simulates and analyses the microclimate under different inlet and outlet conditions of the CSG, and predicts energy consumption. This research provides a theoretical basis and experimental reference of scientific design of air circulation mode of active thermal-storage CSG.

greenhouse; walls; temperature; active thermal storage; airflow distribution; numerical simulation; solar greenhouse

鲍恩财，邹志荣，张 勇. 主动蓄热日光温室不同气流方向后墙传热CFD模拟[J]. 农业工程学报，2018，34(22)：169－177. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.021 http://www.tcsae.org

Bao Encai, Zou Zhirong, Zhang Yong. CFD simulation of heat transfer in back-wall of active thermal-storage solar greenhouse with different airflow directions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(22): 169－177. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.021 http://www.tcsae.org

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.021

S625.1

A

1002-6819(2018)-22-0169-09

2018-04-29

2018-09-27

宁夏回族自治区重点研发计划重大项目（2016BZ0901）；陕西省重点研发计划项目（2018TSCXL-NY-05-05）；陕西省科技统筹创新工程项目（2016KTCL02-02）；江苏省农业科技自主创新资金（CX(16)1002）

鲍恩财，助理研究员，博士，主要从事设施园艺工程方面的研究。Email：baoencai1990@163.com

张 勇，副教授，博士，主要从事温室建筑结构及光热环境和建筑园艺研究。Email：Landscape@nwsuaf.edu.cn

中国农业工程学会高级会员：张勇（E041200715S）