基于CFD的不同通风方式塑料大棚降温效果研究

王传清 倪秀男 魏 珉，2 李清明，2 王少杰 曹 欣

(1.山东农业大学园艺科学与工程学院， 泰安 271018； 2.山东农业大学作物生物学国家重点实验室， 泰安 271018；3.山东农业大学水利与土木工程学院， 泰安 271018； 4.济南莱芜安信农业科技有限公司， 济南 271100)

0 引言

塑料大棚是我国现阶段园艺作物保护生产的主要设施类型之一，约占设施总面积的45%[1]。传统塑料大棚主要通过两侧自然通风，降温排湿效果差，棚内温度和湿度过高导致作物产量和品质下降[2-3]。

大棚通风效果受通风口配置和形状、外部风速风向、种植作物等多个因素影响，其中通风口配置和形状是重要因素[4-6]。塑料大棚通常有3种通风配置：侧面通风、顶部通风、侧面和顶部组合通风[7]。合理确定通风口配置和形状，对于精准调控大棚内环境参数，促进作物生长和提高产量具有重要意义。

随着计算流体力学(CFD)理论的不断完善，CFD模拟技术在设施环境研究中的应用越来越普遍[8-10]。已有研究主要集中通风口布局、风速风向、作物种植等对室内自然通风效果和气流场的影响，而对通风口配置和形状等棚体结构优化的研究较少[11-14]。本文通过实地观测和CFD模拟，研究不同通风口配置和通风口形状对塑料大棚内温度的调节效应，旨在为大棚结构和性能优化提供依据。

1 试验大棚与测试方法

1.1 试验大棚

试验大棚位于山东省济南市莱芜区，南北走向，单栋拱圆形，长度46 m，跨度8 m，覆盖厚度0.1 mm聚乙烯塑料薄膜。不同通风口配置(两侧底部、两侧底部+顶部)大棚脊高3 m、不同通风口形状(水平卷膜、垂直卷膜)大棚脊高3.4 m(图1)。两侧通风口离地高度0.4 m，最大开启尺寸1 m；顶部水平通风口最大开启尺寸1.2 m，垂直通风口最大开启尺寸0.7 m。

图1 不同通风口配置及通风口形状塑料大棚Fig.1 Plastic greenhouse with different ventilation configurations and shapes

1.2 测试方法

观测日期2018年6月8日至7月10日，棚内种植作物为番茄。昼间气温超过20℃时开启顶通风口，超过24℃时开启侧通风口。为便于比较，通风口开度保持一致。

室外测点：试验大棚的北侧30 m、距地面3 m高度处安装风速风向测试仪，距地面1.8 m高度处安装温湿度记录仪和太阳辐射仪。室内测点：大棚中部剖面处设有气温、地温观测点，具体布置如图2所示，其中T1～T13表示验证棚棚内测点，其他棚内测点布置方式同验证棚。大棚内外温湿度测定采用U23-001型温湿度记录仪(美国HOBO公司)；地温和风速风向测定采用L92-1型温度记录仪和L99-FSFX型风速风向记录仪(杭州陆格公司)；太阳辐射数据测定采用JTR05型太阳辐射仪(北京世纪建通公司)，所有测点均每隔10 min自动采集一次数据。

图2 塑料大棚内温度测点分布Fig.2 Measuring points distribution inside plastic greenhouse

2 数值建模

2.1 数值模型

本研究将大棚内的空气定义为湍流状态下的有粘性的、不可压缩的理想气体，气体流动用质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程来描述，计算时采用标准k-ε求解，控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、k(湍动能方程)和ε(耗散率)方程，这些方程可由通用方程[15]表示为

(1)

式中φ——通用变量

ρ——密度，kg/m3

v——速度矢量，m/s

Γφ——广义扩散系数

Sφ——源项

番茄影响棚内气体的流动，将番茄设置为多孔介质，按实际株行距将番茄简化为5个宽0.6 m、高0.9 m的长方形(图3)。利用Darcy-Forchheimer定律将其作为方程(1)的源项加入到动量守恒方程中，即

图3 塑料大棚内番茄模拟示意图Fig.3 Simulation diagram of tomato in plastic greenhouse

(2)

式中KP——多孔介质渗透率，m2

CF——非线性动量损失因子

μ——空气动力粘度，kg/(m·s)

u——空气流速，m/s

本文中KP=0.395 m2，CF=0.4。大棚内流场受辐射传热影响较大，本研究选取DO辐射模型的Solar ray tracing方法将棚膜设为半透明介质进行计算。

2.2 网格划分及边界条件

选取两侧底部通风大棚中部的剖面建立二维模型，计算域包括大棚外部流体计算域和内部流体计算域，选取外部流体计算域53 m×20 m，满足进风向长度、出风向长度、高度至少为大棚脊高的3、7、5倍的要求[16]。计算域采用结构化、非均匀网格划分，大棚通风口进行网格加密处理，近壁面区域采用标准壁面函数法进行计算，最大网格尺寸200 mm，网格划分总数为5.03×105。划分网格后，检查网格问题与质量，计算结果显示平均网格质量、最小角度和长宽比分别为0.73、30.1°、1.15，符合计算要求。

大棚初始环境均由实际试验数据确定，具体边界条件参数见表1，当棚外自然风速较低时，棚内气流流动以热压作用引起的自然对流为主，为便于处理由温差引起的浮升力项，采用Boussinesq假设[17]。对于大棚外部流体计算域，将迎风面设置为速度入口，背风面设置为压力出口，顶面设置为非滑移半透明壁面加载太阳辐射(太阳辐射为803 W/m2)，大棚的围护结构和地面均设为壁面，通风口设置为内部边界条件，将番茄、大棚和外部流体计算域设为3个Fluid流体域。具体材料属性相关参数如表2所示。

表1 边界条件及参数Tab.1 Boundary conditions setting of model

表2 材料属性相关参数Tab.2 Related parameters of materials

2.3 模型验证

选取2018年6月26日典型晴天11：30大棚内外环境参数，利用CFD模拟两侧底部通风大棚内的温度场和气流场。棚内温度测点T1～T13的实测值和CFD模拟值绝对误差在0.2～2.9℃之间，均方根误差1.27℃，平均相对误差3.7%，最大相对误差9.4%，其中T2～T4实测值与模拟值存在较大差异,原因可能是大棚受群棚效应影响，导致实测值较高(图4)。模型相对误差在10%之内，且模拟值与实测值的变化趋势基本一致，证明所建立CFD模型是有效的[18]。

图4 大棚内温度模拟值与实测值比较Fig.4 Comparison of simulated and measured temperatures in greenhouse

3 结果与分析

3.1 通风口配置对大棚温度场和气流场的影响

3.1.1降温效果

与仅两侧底部通风相比，两侧底部+顶部通风大棚内昼间平均气温降低0.4～2.1℃，平均降低1.1℃，晴天降温效果更明显(图5a)。由图5b可知，典型晴天(6月12日)棚内外温度日变化速率趋势相同，04：00—13：00为升温阶段，两侧底部通风大棚、两侧底部+顶部通风大棚平均升温速率分别为2.8、2.4℃/h，后者较前者降低0.4℃/h；14：00—20：00为降温阶段，两侧底部通风大棚、两侧底部+顶部通风大棚平均降温速率分别为2.5、2.2℃/h，后者较前者降低0.3℃/h，说明增设顶通风后，大棚降温效果较好，环境更为稳定。

图5 不同通风口配置大棚内温度变化曲线Fig.5 Comparison of temperature changes in greenhouse with different vent configurations

3.1.2气流场和温度场

图6为风向与大棚朝向垂直时，不同通风口配置下大棚内的气流场和温度场。当两侧底部通风口打开时(图6a)，在迎风侧和逆风侧通风口处风速最大，近棚顶区域形成循环圈，增加该区域气流混合度；近地面有作物阻挡，作物行间形成低速回流，并与地面土壤进行热交换，气流速度较慢，而大棚逆风区域气流流速最慢，整体空气混合程度较差。大棚两侧底部和顶部通风口同时打开时(图6c)，气流从迎风侧快速进入，与棚面、骨架结构热交换后在顶部通风口下方形成强循环区，通过顶部和逆风侧通风口流出，大棚流速较仅两侧底部通风大棚明显提高，内部空气混合更为均匀。

图6 不同通风口配置大棚内的温度场和气流场Fig.6 Temperature field and flow field of greenhouse with different vent configurations

从图6可以看出，大棚仅两侧底部通风口打开(图6b)，由于热空气汇聚棚顶难以排出，大棚垂直方向温度分布为棚顶最高，近地面次之，作物冠层最低。棚顶温度在36.3～38.5℃之间，大部分区域气温在35.9～37.5℃之间。两侧底部和顶部通风口同时打开(图6d)，棚顶热气通过顶部通风口排出，此时大棚垂直方向温度分布为近地面最高，棚顶次之，作物冠层最低。棚顶温度在35.0～35.5℃之间，棚内大部分区域气温在35.0～36.3℃之间，两侧底部和顶部同时通风降温效果明显。

不同通风口配置下大棚作物冠层通风降温效果见表3。与仅两侧底部通风相比，两侧底部+顶部通风大棚冠层气流速率较前者高0.22 m/s，通风率提高50%，同时作物冠层气温降低1.02℃，降温效果较好(Yc减小1.18℃/m2)。这是由于增设顶部通风，不仅总通风面积增加，而且顶部通风占整个大棚通风的比重较大，因此两种通风口组合后通风效率更高[19]。另外两侧底部+顶部通风大棚冠层变异系数小于两侧底部大棚，原因主要是组合通风口大棚气流流速增加，空气混合程度更为均匀，因此棚内风速以及温度分布均匀性显著提高[20]。

表3 不同通风口配置大棚通风降温效果评价Tab.3 Evaluation of ventilation and cooling effect of greenhouse with different vent configurations

3.2 通风口形状对大棚气流场和温度场的影响

3.2.1降温效果

水平卷膜和垂直卷膜大棚温度变化见图7。垂直卷膜大棚的昼间平均气温相比水平卷膜大棚降低0.2～1.2℃，平均降低0.5℃(图7a)。从图7b可看出，在04：00—13：00升温阶段，垂直卷膜通风大棚平均升温速率较水平卷膜通风大棚低0.3℃/h，在14：00—20：00降温阶段，垂直卷膜通风平均降温速率较水平卷膜通风低0.2℃/h，可见垂直卷膜通风大棚降温效果更为理想。

图7 不同通风口形状大棚内温度变化曲线Fig.7 Comparison of temperature changes in greenhouse with different vent shapes

3.2.2气流场和温度场

图8为不同通风口形状下塑料大棚气流场和温度场。当水平卷膜大棚通风时(图8a)，空气从侧通风口入，在棚顶下方形成逆时针的循环圈，空气混合度较高。作物冠层附近的气流主要从逆风侧通风口流出，流速较快，棚内气体均匀性较好。当垂直卷膜大棚通风时(图8c)，空气通过侧通风口进入大棚，沿着地面水平移动，并在大棚中央向上朝着垂直顶通风口移动，在迎风侧形成逆时针的回流区，而逆风区域空气混合程度较低，大棚气流分布不均匀。

图8 不同通风口形状大棚温度场和气流场Fig.8 Temperature field and flow field of greenhouse with different vent shapes

由图8b、8d可知，两者棚内温度垂直空间分布与两侧底部+顶部通风大棚相似，水平卷膜大棚、垂直卷膜大棚温度范围分别为35.0～36.2℃、34.8～35.6℃，垂直卷膜大棚夏季降温效果好于水平卷膜大棚。

不同通风口形状大棚作物冠状层通风降温效果如表4所示，垂直卷膜大棚气流速率比水平卷膜大棚高0.08 m/s，通风率为水平卷膜大棚的1.2倍，作物冠层气温较水平卷膜大棚降低0.27℃，降温效果好于水平卷膜大棚。主要原因在于垂直卷膜通风大棚的底部和顶部通风口间的高度差较大，导致通风口处的压力差增加，空气流量增加，通风效率提高[21]。但作物冠层中空气温度和气流均匀性略低于水平卷膜大棚，差异原因是所研究大棚棚顶通风口的非对称设计，一定程度上影响大棚内部气流运动，导致气温均匀性相对较差。

表4 不同通风口形状大棚通风降温效果评价Tab.4 Evaluation on ventilation and cooling effect of greenhouse with different vent shapes

4 结论

(1)构建了单栋塑料大棚CFD模型，实地观测并对模型的有效性和可靠性进行了验证，温度CFD模拟值与实测值均方根误差1.27℃，平均相对误差3.7%，构建的CFD模型其计算结果能够反映单栋塑料大棚内空气温度分布规律。

(2)夏季高温天气，两侧底部和顶部通风配置能有效降低作物冠层气温，且通风率最高，室内外温差最小，气流和温度空间分布更均匀；不同通风口形状大棚的通风降温效果具有明显差异，与水平卷膜大棚相比，垂直卷膜大棚通风效果和降温效果最好，但均匀性略低于水平卷膜通风大棚。

(3)采用两侧底部加顶部垂直卷膜的通风口配置和形状有助于实现夏季塑料大棚的通风降温。