侧通风口高度对塑料温室气流及温湿度的影响

赵融盛 蔡泽林 杨 志 洪婷婷 张 智*

(1.西北农林科技大学 园艺学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 农业农村部西北设施园艺工程重点实验室，陕西 杨凌 712100)

塑料温室结构简单，造价成本低，经济效益良好，是我国应用面积最大、适应地域最广的园艺设施[1]。温室通风是调控室内温度、相对湿度和风速环境因素的重要手段[2]。自然通风系统因其结构简单，节约能源，普遍适用性强，是通风换气的首选方式。自然通风效果受温室通风结构、通风口开启方式、开启面积等多个因素的影响。其中，通风口高度改变会直接导致室内流场的变化，是影响自然通风效果的主要因素之一。因此，合理确定通风口高度，可以满足降温、除湿等不同通风需求，对于精准调控温室内环境参数，提高作物产量和品质意义重大[3]。

室内环境因子在自身运动及与作物蒸腾与呼吸等交互过程中，遵循动量、质量、能量传递的相关定律，理论研究较为困难繁复，因此相关研究多采用数值模拟。在Okushima等[4]首次运用CFD技术研究温室自然通风之后，出现了许多借助CFD技术对温室内温度场和气流场进行的研究，CFD模拟结果能够较为真实有效地反映温室大棚自然通风下的气流特征及温度流场特点[5]。已有研究包括：对单栋塑料温室以及其他特殊结构温室内环境的模拟与优化[6-13]，对不同通风方式和不同通风设备下通风效果的模拟[14-15]，对不同作物高度下温室内的气流分布模拟[16]，得出了改善温室内部环境的通风结构，提高通风效果的通风管理方式、通风设备以及不同作物高度对温室内部气流场分布的影响等研究结果。当前，依旧缺乏通风高度对温室微气候影响的相关研究，本研究拟采用试验与CFD数值模拟方法解析侧通风口高度对塑料温室内流场、气温、相对湿度的影响规律，以期为温室通风设计及环境调控提供更有效的理论依据。

1 数值建模

1.1 温室模型构建

试验运用Solid Works进行了几何模型的初步建立。将温室空间及其周围的一部分空间区域作为总计算域(12 m×16 m×6 m)，温室作为子计算域位于总计算域中心，保证温室内部以及周围的气流运动充分发展。在几何模型的基础上，采用六面体单元进行温室网格划分，外部网格间距设置为80 mm，温室内部网格间距设置为40 mm，为非结构化网格，通风口边缘网格进行加密处理，以便获取这些重要区域的流场特征。网格划分总数为1 151 996个，其中温室网格划分总数为583 641个，进行网格质量检查和光顺化处理，确认网格划分有效。

1.2 本构方程

CFD数值模拟基本控制方程包括连续性方程、Navier-Stokes方程和能量方程。此外，温室自然通风过程中存在明显的湍流特征，因此还要考虑湍流方程。在通风过程中温室内气体可视为不可压缩流体，假设近壁处气体流动符合标准壁面函数，温室自然通风过程中，室内气流为湍流。本研究选择RNGk-ε模型进行湍流模拟，湍流运输方程[17-18]为：

(1)

(2)

式中：k为湍流动能，m2/s2；ε为湍流能耗散率，m2/s3；μ为层流粘性系数，m2/s；μt为湍流粘性系数，m2/s；Gb为由浮力产生的湍流动能，m2/s2；Gk为由层流速度梯度而产生的湍流动能，m2/s2；C1ε，C2ε，C3ε，σk，σε为经验常数。激活组分模型，模型中空气假设为水蒸气和干空气的混合物，彼此之间没有发生化学反应，通风过程中各组分传输满足组分守恒定率。

1.3 边界条件

设置室外长方体计算域南面为速度进口边界，室外空气温湿度、风速为实测值(表1)。计算时选择室外空间区域的一个矩形面作为速度进口，室外长方体计算域北面为出风口。加载DO辐射模型，采用Solar Ray Tracing计算方法。考虑自然通风以及太阳辐射产生的热量交换，温室覆盖层与室内外空气通过传导、对流和辐射进行能量交换。CFD数值模拟中，温室的覆盖层及地表均按照壁面边界条件处理，温室覆盖层与两侧空气之间的能量传递设置为耦合传热[19]，温室棚膜与土壤材料参数见表2。

表1 塑料温室CFD模型边界条件

表2 温室薄膜和土壤的材料物性参数

1.4 数据计算

求解器选择ANSYS FLUENT16.0，采用分离式求解器对各守恒方程进行三维数值计算，采用有限体积法对计算域进行离散化。控制算法采用SIMPLEC算法，求解器设为非稳态分析。时间步长0.5 s，模拟通风口开启之后20 min内各温室气流场以及温湿度场的变化。单座温室模拟用时1.5 h，总模拟时长为6 h。能量、动量方程和水的质量分数采用二阶迎风格式进行计算，其他参数采用一阶迎风格式进行计算。各松弛因子的设置见表3。求解时，能量残差收敛标准设为10-6，其他变量残差收敛标准设为10-4。

表3 变量欠松弛因子

1.5 降温除湿评估参数

采用温湿度瞬时变化速率和温湿度变异系数评估不同通风高度下的降温除湿效果。温湿度瞬时变化速率用来评估降温除湿快慢，温度瞬时变化速率计算公式为[19]：

R=(Tt-i-Tt)/i

(3)

式中：R为温度瞬时变化速率；Tt为t时刻室内平均温度，℃；Tt-i为(t-i)时刻室内平均温度，℃；i为时间步长，s。温湿度变异系数评估降温除湿均匀性，变异系数越大，数据离散程度越大，温湿度分布越不均匀。温度变异系数计算公式为[20]：

(4)

式中：N为温度变异系数；n为室内温度测点总数；Tk为各测点温度，℃；Tave为室内平均温度，℃。温度变异系数通常采用热力学温度进行计算。将温度瞬时变化速率(式(3))和温度变异系数(式(4))中的温度参数换以相对湿度，计算相对湿度瞬时变化速率及变异系数。

2 试验设计

2.1 塑料温室概况

塑料温室位于陕西省杨凌区(东经108°，北纬34°)，为无肩高拱形塑料温室，东西朝向。温室长8 m、跨度4 m、脊高2.1 m，覆盖材料为聚乙烯塑料薄膜。4座塑料温室水平分布呈一字排开，间距4 m。分别设置侧通风口距地面40、60、80和100 cm 4个高度，侧通风口全程开启宽度均为0.4 m，通风面积相同。侧通风口上卷开启，开启速度3.6 r/min，完全开启需80 s。

2.2 测点布置及数据采集

塑料温室内的测点布置见图1：在距离地面0.5、1.0和1.5 m高度处选择3个与地面平行的水平面，每个水平面选择9个点，共计27个测量点。温室内外温湿度采用HOBO U12记忆式温湿度记录仪(测量范围：温度-20～70 ℃;相对湿度0～95%)及TES-1360型便携式温湿度计(测量范围：温度-20～60 ℃;相对湿度10%～95%)。光照数据采用HOBO UA-002-64光照记录仪(测量范围：0～320 000 lx，每5 min记录1次数据)，记录温室内外不同测点风速测量采用Testo425风速仪测量(测量范围0～20 m/s，精度±0.03 m/s)。膜外表面温度测量采用Raytek红外温度测量仪(测量范围：-32～535 ℃，精度±0.3 ℃)，温室内土壤温度测量采用HA2002土壤温度传感器(测量范围：-40～120 ℃，精度±0.2 ℃)。试验日期为2019年4月14日、4月18日和4月22日，试验期间，外界气候稳定。

图1 塑料温室环境参数测点布置图

3 结果与讨论

3.1 CFD模型验证

图2为侧通风口距地面60 cm温室内的温湿度在通风口开启之后不同时间段内的模拟值和实测值。选择阴天(2019-04-14)、晴天(2019-04-18)、晴天大风(2019-04-22)3种典型天气进行实测，模拟值与实测值变化趋势相近。3天中，各测点气温的模拟值与实测值的最大偏差为0.6 ℃，平均相对误差为1.2%，相对湿度的最大偏差为2.3%，平均相对误差为2.0%，所建三维CFD塑料温室模型采用边界条件有效。

图2 2019年塑料温室内温湿度随通风口开启时间(t)的变化

3.2 CFD仿真模拟结果分析

图3为典型晴天室外常规风速0.8 m/s时不同侧通风口距地高度下塑料温室内的温度场分布云图。可以看出，由于侧通风口距地高度不同，各温室在开启通风口之后各个时间段的温度场分布有着较为明显的差异。在通风口开启4～20 min这段时间，侧通风口距地面40 cm的温室由于室内气流运动形式单一，温度分布均匀性较低，室内平均气温要高于60 cm的温室。侧通风口距地面60 cm的温室内平均气温始终最低，在通风口开启10～20 min 的室内局部区域的温度比距地面40 cm的温室低 0.8 ℃ 左右。侧通风口距地面80 cm的温室在通风口开启的初始阶段降温效果明显，但是随着通风时间的增加，温室下方存在部分气流停滞区域，影响了整个温室的通风降温效果。侧通风口距地面 100 cm 的温室由于侧通风口距地距离过高，温室下方气流停滞区域过大，通风降温速度缓慢。

H为侧通风口距地面高度；t为通风口开启时间。下图同。

由于侧通风口距地面高度不同，室内风速分布存在明显差异(图4)。侧通风口距地面80 和100 cm 的温室在外界冷空气进入温室时，在冷空气运行路径的下方产生了较大的气流停滞区域，这部分区域内气流运行速度过低，停滞现象明显，气流混合度差，热交换作用效率极低。侧通风口距地面 40 cm 的温室在外界冷空气进入温室时，温室上半部分区域形成了一个较大的逆时针循环气流，室内大部分区域的气流得到了混合，较好的进行了热交换作用。侧通风口距地面60 cm的温室在外界冷空气进入温室时，温室内产生了多个大小不一的循环气流，气流运动更加活跃，整个温室的空气得到了充分的混合，热交换效率明显得到了提升，室内风速以及温度分布均匀性显著提高。

图4 通风口开启10 min不同通风口高度温室内风速分布

3.3 温湿度变化特征

图5示出4种不同侧通风口高度的塑料温室在相同初始边界条件下，通过CFD模拟得到的室内平均温湿度。在CFD模型中抓取测点的位置和数量与实际测量所用测点相同，在不同时间段抓取27个测量点的温湿度模拟值，计算出各温室在不同时间段的平均温湿度数值。在通风过程的初始阶段，侧通风口距地面40 cm的温室温湿度明显高于其他侧通风口高度的温室；在通风过程的中期以及后期阶段，侧通风口距地面100 cm的温室温湿度下降幅度越来越小，在通风20 min时室内温湿度最高。而侧通风口距地面60 cm的温室在通风的整个过程中温湿度始终保持较低水平。

图5 不同通风口高度(H)室内平均温湿度

3.4 温湿度瞬时变化速率

整体看，通风口刚开启后的2 min内，不同侧通风口高度的塑料温室降温速率相差较大(图6)。侧通风口距地面40 cm的温室温湿度瞬时变化速率明显低于其他3种温室，温度瞬时变化速率和湿度瞬时变化速率与同时段其他温室的最大差值分别为0.76 ℃/min和1.18%/min。在通风口开启后的6～20 min，侧通风口距地面 40 cm 的温室相比其他温室降温速率较高，但是由于初始降温速率过低，整体降温效果依然低于其他温室。侧通风口距地面60 cm的温室温湿度瞬时变化速率略高于侧通风口距地面80和100 cm的温室。

图6 不同侧通风口高度(H)室内温湿度瞬时变化速率

3.5 降温除湿均匀性

不同侧通风口距地面高度下，室内的温湿度差值随着侧通风口开启时间的增加而减小，室内温湿度分布越来越均匀，温湿度变异系数逐渐减小(图7)。对比4种不同侧通风口高度塑料温室的降温除湿过程，侧通风口距地面100 cm的温室在侧通风口开启后的各个时间段的温湿度均匀性最优，距地面60 cm的次之，27个测点的温湿度变异系数较同时刻100 cm高度的仅高出1.1%和3.0%，优于侧通风口距地面40和80 cm的温室。可以看出，在距地面60 cm基础上增加侧通风口的距地高度可以有效促进空气的热交换作用，减小室内温湿度差异。

TCV为温度变异系数；HCV为湿度变异系数。

4 结 论

本研究以陕西省杨凌地区的塑料温室为研究对象，采用试验和CFD数值模拟方法对不同通风口高度下塑料温室内的气温、湿度以及气流分布进行仿真模拟，并对温湿度瞬时变化率，温湿度变异系数进行计算分析。充分考虑外界环境各个因素的影响，得到以下结论：

1)利用RNG k-ε 湍流模型构建了塑料温室三维CFD模型，室内气温和相对湿度的模拟值均与实测值变化趋势基本吻合，采用边界条件有效，能够准确模拟塑料温室内的温度场和气流场的分布规律。

2)侧通风口高度对室内流场、气温、相对湿度的变化及分布有显著影响，侧通风口距离地面过高或过低，都会降低通风过程中的降温除湿效果。适当增加侧通风口的距地高度可以有效促进空气的热交换作用，减小室内温湿度差异。

3)侧通风口距地面60 cm的温室在通风过程中室内气流运动活跃，降温除湿均匀性高，适合夏季降温排湿和换气补气。在距地面60 cm基础上提升侧通风口高度，可在保证除湿效果时减缓降温速度，适合冬季保温排湿；降低侧通风口距地高度可减缓室内环境变化速率，适合极端天气下的通风换气需求。