基于CFD 模型的圆拱型冬枣大棚通风方式的研究

王鹏飞 李安桂 黄琳

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

0 引言

温室微气候环境的调控对于高效生产有重要意义，而通风是温室环境调节的关键措施[1]。作物的茁壮生长离不开适宜的温湿度，CO2浓度和光照度等影响因素，通风不仅可以满足温室内作物“呼吸”的需要，还可以用来调节温室内的空气温湿度等,从而有利于作物的生长[2]。温室的高效生产有赖于适宜的温室微气候环境，对温室进行通风可以为作物提供最佳的生长环境。

本文对陕西省大荔县的圆拱形冬枣大棚进行了测试，通过测试初步了解了该县冬枣大棚的微气候环境特点，得出了冬枣大棚内的温湿度分布特点，以及太阳辐射，地面温度等的变化规律。在测试所得参数的基础上，对大棚的自然通风过程做出了合理的假设与简化，建立了大棚的热平衡模型，给出了适合的控制方程和边界条件，建立了大棚通风的CFD 模型，并对试验进行了验证和误差分析。最后针对不同时刻的温湿度分布情况，选取合适的通风措施。

1 测试大棚及方案

1.1 测试大棚结构

试验大棚位于大荔县冯村镇仁庄村，大棚为圆拱型，东西走向，坐北朝南，整体结构由钢架及采光面（聚乙烯膜）组成。东西长106 m，南北跨度13.3 m，脊高3.8 m，两肩高为1.85 m，大棚覆盖面为聚乙烯膜，膜厚为0.3 mm，透光系数为80%，脊顶部设有一个106 m×0.5 m 的扒缝式通风口，两肩各设有106 m×1.75 m 的可卷动通风口，前棚面两侧设有1.85 m×1.75 m 的双扇门，后棚面设有1.7 m×0.8 m 的单扇门，种植的果树为冬枣，高度为2.2 m 左右，夏季的适宜温度[3]不超过35 ℃，相对湿度不超过85%。大棚内部结构和外貌图及大棚轴测图，正视图如图1 所示：

图1 测试大棚结构示意图及正视图

1.2 测试方案

测试于2018 年8 月10 日-8 月11 日进行，天气以晴天为主，自然通风条件为天窗及侧窗全开。主要测试了冬枣大棚内不同高度的温湿度，大棚内水平方向的温湿度，各围护结构及地面的温度，棚外风速等。

对棚内温湿度测试的测点布置示意图如图2，图中黑点代表布置的27 个温湿度测点，在各测点位置均设置一个温湿度模块，测试时间为8:00-19:00，测试的时间间隔为每0.5 h。采用型号为RR002 的温湿度记录仪TR，温度测量范围为-10～50 ℃，精度为±0.5 ℃，分辨率为0.1 ℃。湿度测量范围为0～95%RH，精度为±3%RH，分辨率为0.1%RH。棚内地面温度采用手持式红外线壁温仪测得，每小时测一次。棚外地表温度主要采用型号为TA8202 的手持式红外线壁温仪测得，测量范围为-50～580 ℃，测量物距比为12:1，精度为±1 ℃，分辨率为±0.1 ℃，响应时间为8～14 μm&500 ms。室外风速采用型号为TSI9565 的热式风速测试仪测得，测量范围为0～50 m/s，精度为±0.015 m/s，分辨率为0.01 m/s。用TSI 风速仪每1 h 测一次室外和各通风口距地面1 m 处的风速。棚内外太阳辐射采用型号为SM206 的手持式高精度太阳能功率计测试范围为1～3999 W/m2，精度为测量值±5%、±10 W/m2，分辨率为0.1 W/m2、0.1 Btu/(ft2·h)。

图2 温湿度测点示意图

2 基于CFD 的大棚温湿度模型的建立

2.1 大棚物理模型的建立

大棚环境中涉及的主要物理过程的热量平衡是一个相当复杂的问题。整体来看，大棚内外主要涉及的热平衡包括棚内空气热平衡、透光薄膜热平衡和地面热平衡。在本文中，在不影响模拟精确度的前提下，针对所测试的圆拱形冬枣大棚做了一些简化和假设：棚膜温度分布均匀，忽略土壤的蒸发作用，棚膜传热采用固定传热系数计算。

简化后的物理模型如图3 所示。

图3 大棚热平衡物理模型

2.2 基本控制方程及湍流模型

在大棚温度场的数值计算过程中，大棚内气体当作由水蒸气和干空气组成的混合气体。混合气体在流动的过程中遵循质量、动量、能量守恒方程，通用的形式为[4]：

式中：φ 为通用传输量；ρ 为流体密度；t 为时间；u 为流体速度矢量；Jφ为扩散通量；Sφ为广义源项；Гφ为通用变量φ 的有效交换系数。

壁面使用无滑移壁面条件，近壁处气流流动采用标准壁面函数法，采用Fluent 软件对以上方程求解获得大棚内外温湿度场和气流场的分布状态。

2.3 辐射模型

由于DO 模型适用性比较广，可计算非灰度辐射,仅有DO 辐射模型可对接收太阳辐射的半透明材质进行设定[5]，故而选取DO 模型进行模拟。方程如下：

2.4 组分输运模型

自然通风过程中，室内湿空气的流动过程可用组分传输守恒方程描述：

式中：Yi为混合物中第i 种组分的质量分数；Ri为化学反应的净产生速率，本文为零；Si为离散相及用户定义的源项引起的额外产生速率；Ji为第i 种组分的扩散通量；Di,m为第i 种组分的质量扩散数。

湿空气中水蒸气的质量浓度Yw满足了质量守恒方程[6]：

2.5 多孔介质模型

采用动量源项来描述作物的拖动效应，作物动量的源项可用式[7]：

式中：ILA为叶面积密度，m2/m3；Cd为作物冠层阻力系数；u 为冠层高度空气的平均速度，m/s。

大棚内作物与环境之间存在温度差，作物与环境之间的显热交换主要由作物冠层的空气动力学特性决定，其表达式为[8]：

式中：cp为空气的比热容；LAI 为冬枣叶面积指数；Tcanopy为枣树冠层温度；ra为作物叶片空气动力学阻力。根据前人研究得[8]：

式中：dleaf为作物叶片特征长度。

在模拟计算中忽略作物的潜热影响。

3 数值模拟

3.1 离散化

本文选取整个冬枣大棚为计算域，采用笛卡尔坐标系，以大棚正北、正西、高度方向分别位为X 轴、Y轴、Z 轴正方向。根据原型尺寸，对大棚进行三维几何建模。由于大棚结构不规则且复杂，因此在本研究中大棚内部采用非结构化四面体网格单元进行网格划分。将作物设定为，截面为宽1.5 m，高1 m 的等腰三角形，长为100 m 的三棱柱，作物冠层区域为1～2.2 m。网格质量按照Equi Angle Skew 标准进行控制。另外，大棚通风口进行加密处理。如图4，大棚内部网格尺度设为0.5 m×0.5 m，总共划分了1199295 个网格单元。

图4 大棚网格划分

3.2 边界条件

模型边界条件包括棚外气象条件、大棚围护结构、太阳辐射、棚内地面、棚内作物等。其中，棚内地面设为温度边界条件，给定实测地面温度。大棚各薄膜主要通过对流换热、辐射换热的方式与棚内外发生热量交换，设为混合传热类型，同时设置为半透明材料，太阳辐射由DO 模型根据设置的经纬度及实测太阳辐射强度、日期等加载得到。进口为正北向一个入口与正东向两个入口，风速为实测得到，设置为速度入口条件。出口为顶部通风口和正南向通风口，设为自由出口条件。棚内作物设置为多孔介质。

3.3 具体参数设置

模型的具体参数设置主要根据测试数据，大棚材料属性如表1 所示。

表1 主要材料物性参数

3.4 运行环境

本文建模和网格划分选择软件ANSYS ICEM CFD19.2，方程求解选用Fluent19.2。以测试日期2018年8 月10 日14:00 实测值为初始值。其中棚外风速为0.96 m/s，风向为东北风，平行于地面，入口空气温度为38 ℃，相对湿度为59%。棚内地面温度为57.5 ℃。棚膜的对流换热系数为10.89 W/(m2·K)，太空辐射温度为16.5 ℃。采用SECOND UPWIND 格式进行离散化处理，压力一速度耦合求解。采用SIMPIEC 半隐式算法求解，应用分离式求解器对各守恒方程进行3D 稳态数值求解。

4 测试结果分析与模型验证

模拟值和实测值之间的符合度采用均方根误差（RMSE）、最大相对误差（MRE）、平均相对误差（ARE）来量化表示[9-10]。

4.1 测试结果分析

从图5 棚内外气温的对比图中我们可以看到：从6:00 开始，随着太阳辐射的增强和棚外温度的升高，棚内温度一直在上升，维持在25～47 ℃之间。棚内温度比棚外温度高，最大温差在10 ℃左右，说明大棚增温效果显著。棚内温度在9:00-12:00 升高最快，每小时升高5 ℃左右，其后渐缓。13:00 时左右棚内温度达到最高，随后逐渐下降，在14:00 左右气温达到最高值，大棚内外温差可达15 ℃以上，随后逐渐下降。大棚内温度上升时间与太阳辐射变化相比有一定的延迟，约为1 h，由此可见太阳辐射是大棚内增温的主要原因。14:00-19:00 平均每1 h 下降3 ℃左右。20:00 之后温度变化范围不超过5 ℃，夜晚温度较为平缓。

图5 不同时刻大棚内外平均气温

由图6 可看出，棚内外湿度的变化趋势正好相反。晴天时，凌晨和晚上的湿度值较高，最大值超过90%，甚至接近100%。在中午时段，由于通风使得水汽被带走，湿度曲线明显下降，在15:00 时降到最低值43%，之后渐渐升高，中午时段温室内外湿度相差较小，约为5%。超过85%的时间段为21:00 至第二天9:00，对枣树生长不利。可以看出，大棚内温湿度变化与棚外温湿度变化密切相关。

图6 不同时刻大棚内外相对湿度

4.2 模型验证与误差分析

为验证预测模型的准确性和有效性，将大棚内内各测点温湿度模拟值与实测值进行比较，结果如图7所示。从图7a 可以看出，温度模拟值与实测值较为吻合，绝对偏差在0.1～1.7 ℃之间，RMSE 为1.0745 ℃，MRE 为3.53%，ARE 为2.25%。图6b 显示自然通风条件下相对湿度度模拟值与实测值吻合较好，绝对偏差在0.3%～5.3%之 间，RMSE 为3.2726%，MRE 为11.04%，ARE 为5.96%。从误差分析结果看出，虽然模拟值与实测值存在一定偏差，但整体分布较一致，因此所建立的模型能够可靠准确地体现了大棚的温湿度分布。

图7 温湿度模拟值与实测值对比

分析实测值与模拟值之间产生误差的原因是：大棚内的温湿度模块在进行测量时吸收太阳辐射造成本身温度升高，对实测值有一定的影响。太阳辐射不能完全按照DO 辐射模型的规律进行变化。由于薄膜的比热容较小，将整个薄膜的温度视为均匀的，使得局部温度出现偏差。作物与空气及围护结构的热交换过程较为复杂，所作模型做了一定程度的简化，同时也忽略了作物与空气之间的潜热交换。

4.3 模型结果分析

对大棚东、中、西3 个分别距大棚东侧23 m、53 m、83 m 处的垂直剖面的温度分布进行模拟，如图8所示。从图8a 中可以看出，三个垂直剖面沿着南北方向均存在明显的温度梯度，大棚西、中、东部的温度范围分别为40～49 ℃、40～51 ℃、40～49 ℃。0～1 m 区域为相对低温区域，温度分布相对较均匀。在1～2.2 m 区域内，由于植物剧烈的蒸腾作用以及对气流的阻滞作用，导致这一区域温度出现明显的南北差异，越往南侧温度越高。2.2～3.8 m 区域内，顶部通风口的“抽吸”作用及热空气的急剧上升，使得南北温度差异减小，沿高度方向差异较明显。在作物生长的区域内，温度范围为40～46 ℃，不利于枣树生长。由图8b 可以看出，大棚内前、中、后三个垂直截面处相对湿度分布趋势大体相同，均为北侧高与南侧，底部高于顶部。无作物区域相对湿度变化趋势与温度分布趋势大致相反，冬枣生长区域平均相对湿度为45%，冠层区域相对湿度较高，这与植物蒸腾作用密切相关。

图8 大棚横向垂直面温湿度及速度分布云图

5 基于CFD 模型的大棚通风策略

1）白天通风降温。白天时的通风驱动力仅为大棚内部热源造成的热压，不能很好地达到通风换气效果，故引入太阳能烟囱＋湿帘风机，利用“烟囱效应”和湿帘风机的降温增湿原理来加强通风效果。

2）夜间通风降温排湿。根据实测数据，夜间温度底，并且无太阳辐射，水分蒸发量少，棚内外湿度都接近饱和。需要借助机械通风使得相对湿度降低至85%以下，如采用除湿机除湿。

3）通风策略。经过对实测数据和CFD 模拟结果分析可以得到：9:00-18:00 棚内温度超过35 ℃，利用太阳能烟囱＋湿帘风机进行降温。18:00-21:00，进行自然通风。21:00-9:00 棚内相对湿度超过85%，利用除湿机除湿。

6 结论

1）针对模拟结果做了分析，发现沿着南北方向均存在明显的温度梯度。作物冠层区域风速较低，沿中心向四周风速逐渐增大，其中，底部风速高于顶部风速。不同截面相对湿度分布趋势大体相同，均为北侧高与南侧，底部高于顶部。无作物区域相对湿度变化趋势与温度分布趋势大致相反，然而冠层区域相对湿度较高，这与植物蒸腾作用密切相关。

2）经过对实测数据和CFD 模拟结果分析可以得到：9:00-18:00 棚内温度超过35 ℃，利用太阳能烟囱＋湿帘风机进行降温。18:00-21:00，进行自然通风。21:00-9:00 棚内相对湿度超过85%，可利用除湿机湿。

3）后续将针对误差分析的每一项进行完善，使误差尽可能减小。对不同气象条件下大棚的温湿度分布进行模拟，使模型更加完整。尝试与智能化控制相结合，应对不同天气状况能够自动调节至合适温湿度。