基于CFD 的两连跨日光温室热环境模拟

2023-11-26刘文合白义奎丁小明

农业工程学报 2023年16期

于威，刘文合，白义奎，丁小明

（1. 沈阳农业大学水利学院，沈阳 110866；2. 农业农村部规划设计研究院，北京，100125）

0 引言

日光温室是中国特有的温室结构形式[1]，其围护结构的几何参数与材料组成，决定了温室内的热环境特性，合理的日光温室构造是日光温室环境性能优良的保证。相比传统单跨日光温室一个后墙、一个棚室，两连跨日光温室是由一个后墙、两个棚室组成。构成两连跨日光温室的双棚室可同处于后墙南侧或分建于后墙的南北两侧，其中，两棚室分建于南北两侧的两连跨日光温室也有学者称其为阴阳型温室[2-4]和单坡双向型日光温室[5]，相比较单侧（南侧）两棚室，这种南北两侧棚室的两连跨日光温室在中国历史更久远，应用更广泛。因此，下文讨论的两连跨日光温室特指此种类型。

两连跨增设了北侧棚室，有效提高了土地利用效率，降低了单位面积日光温室建设成本[2]，双棚室的生产效益也显著提升。同时，增设北侧棚室也必将带来南侧棚室热环境特性改变。杨文雅等[6]在两连跨日光温室的南、北侧棚室做了对照试验，测试了太阳辐射量、空气温湿度、土壤温度及共用墙体热通量，明确了南、北棚室的热环境差异。周长吉等[7]对两连跨日光温室与单跨日光温室进行对照试验，指出测试期间两连跨日光温室南侧棚室的平均温度比对照单跨温室提高5.9 ℃，北侧棚室对南侧棚室的保温作用明显。说明两连跨日光温室的双棚室结构，不仅是结构上增加北侧棚室，同时也带来了南侧温室热环境的改变。但是温度场的瞬时变化还不清楚，特别是温室围护结构热流和土壤热流变化规律还有待进一步明确。日光温室墙体、土壤等围护结构的热流规律和土壤、空气温度等因素不仅影响作物生长，也是分析热环境成因的重要依据。因此，深入了解两连跨日光温室围护结构热流规律，对温室热环境特性研究有重要意义。

随着流体动力学、传热学和数值模拟计算方法的不断发展，计算流体动力学（computational fluid dynamics CFD）技术和软件得到普遍开发与应用[8]。国外许多专家利用CFD 方法对大型联栋温室的温湿度环境进行了研究，PISCIA 等[9]利用CFD 与能量平衡相结合的方法，实现了不加温联栋式温室的温湿度控制，并验证了该方法对温室温湿度研究的可靠性。SABERIAN 等[10]利用CFD 研究了动态太阳热负荷对联栋式温室小气候的影响，揭示了考虑太阳能热负荷在CFD 方法模拟温室热环境时的处理方法。ESTEBAN 等[11-12]分别利用CFD 方法分析温室浮力驱动的自然通风对夜间空气冷凝模型的影响，验证了CFD 方法研究温室空气通风和空气模型方法的有效性。国内学者佟国红等[13-18]建立日光温室热环境的CFD 模型，并利用模型模拟分析了墙体材料、保温被卷放位置、温室跨度对日光温室温度环境的影响，在此过程中揭示日光温室热环境模拟的边界条件并进行验证。张芳等[19-22]针对大跨度保温型温室，在不同走向、自然通风等条件下，利用CFD 技术进行热环境模拟，得到了温室内温度场分布规律。张勇等[23-25]利用CFD 模拟研究了温室墙体蓄放热特性对室内热环境的影响，模拟过程中利用试验测试的方法得到了模型的初始条件。这些研究分别阐明了CFD 技术模拟温室内环境特性时的关键问题，包括太阳能动态热负荷、空气模型、边界条件等，并且验证了结果的可靠性。

因此，本文利用CFD 技术对两连跨日光温室热环境规律进行模拟研究。通过对比单跨日光温室，分析两连跨日光温室墙体、前屋面、土壤等围护结构热量流动规律，进一步明确两连跨温室热环境特性，为两连跨日光温室的结构优化、耕种管理等提供参考。

1 热环境CFD 模拟模型建立

1.1 物理模型

为明确两连跨日光温室热环境特性，取单跨日光温室为对照温室，同时进行CFD 模拟分析。模拟温室的结构参数如图1 所示，两连跨与单跨日光温室围护结构（后墙、前屋面、东山墙、西山墙与土壤）材料、结构参数（跨度、脊高、后墙高、前屋面形状等）均相同。

图1 两连跨日光温室和单跨日光温室剖面图Fig.1 Sections of two-span solar greenhouse and single-span solar greenhouse

1.2 模型假设

模型所处地理位置设为辽宁省沈阳市，相关气象条件根据该地理位置确定，为便于模拟分析，在不影响模拟真实性，满足精度的条件下简化模型，做以下假设：

1）不考虑棚室内作物对环境的影响，模拟分析过程忽略作物；

2）笔者在前期研究中发现，土壤温度传播距离在15 cm 范围内，影响较大，超出1 m 距离，温度梯度逐渐消失，即可忽略[26]。因此，设地面以下1 m 处土壤竖直换热量为零；距离温室外边缘1 m 的竖直面处土壤水平换热量为零；

3）假设模拟过程中，室内无通风换气。

1.3 控制方程

模拟空气不可压，同时遵守流体运动质量守恒、动量守恒、能量守恒规律基本物理守恒定律，联立3 个守恒方程可以获得计算域内的各种热环境参数。连续方程、动量方程、能量方程为[27]

式中 φB为通用变量，可以代表u、v、t等求解变量，u、v、t为三个方向的速度，m/s；ρ为材料密度，kg/m3；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。式中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项。

1.4 几何模型

基于Ansys fluent 下的Geometry 模块，建立两对照温室3D 模型(图2)，Z轴正方向为东，X轴正方向为北，温室总长60 m，模型剖面尺寸如图1，土壤体积取地表下1 m 厚，水平面尺寸为温室轮廓四周外延1 m。采用fluent meshing 进行六面体网格划分，整体域网格基本尺寸为50 mm，共计生成 1.913 5×106个网格单元。网格划分采用畸变度检验标准，Skewness 最大值为0.53，小于0.85，满足网格划分标准。

图2 两连跨和单跨日光温室几何模型Fig.2 Geometric model of two-span solar greenhouse and singlespan solar greenhouse

2 边界条件和计算参数

2.1 试验温室

供试温室位于沈阳市沈河区沈阳农业大学水利试验基地（41°48′11.75″N，123°25′31.18″E），温室结构几何尺寸如图3，温室总长60 m，南北两侧棚室跨度均为7.6 m，后墙高2.2 m，墙厚0.6 m（0.24 m 厚红砖+0.12 m厚苯板+0.24 m 厚红砖）。试验测试过程，棚室内无栽培作物。

图3 试验测点布置示意图Fig.3 Layout of experimental measuring point

2.2 试验方法

试验布置如图3，测试数据点包括，温度测试探头28 个，热流测试探头24 个，室外气象站1 个，室内气象站1 个。以上全部测点均布置于距东山墙内表面30 m处的温室断面内，即温室东西向中间断面。

温度和热流数据采集记录仪为美国Campbell 公司生产的CR1000 数据采集器和CR3000 微数据采集器，工作温度范围均为-25～50 ℃。温度传感器采用德国贺利氏公司生产的探针式PT100 温度传感器，工作温度范围为-70～500 ℃。热流探头采用ukseflux 公司的HFP01 热通量传感器，量程为-2000～2000 W/m2，工作温度为-30～70 ℃，测量精度为-15%～+5%。室内、外气象站均为德国ADCON 公司生产的自动气象站，实时监测室内外温度、太阳辐射强度、风速等数据。

试验测试时段由2020 年12 月7 日至2021 年2 月23 日。每日揭保温被时间为08:30，覆帘时间为15:30，北侧棚室一直保持覆盖保温被。温度计、热流计与气象站均设定每15 min 记录一个数据。

2.3 边界条件

边界条件包括流动变量和热变量在边界处的值。根据假设条件4，冬季温室无通风换热，围护结构各面边界设为壁面。围护结构表面对流换热系数计算见式（2）～（3）[28]。

式中αci、αco分别为内、外表面换热系数，W/(m2·℃)；V表示风速，m/s；（2.5～6.0）为常数范围项，表示自然对流的作用，温差越大，该常数项取值越大。当表面与周围气温温差在3 ℃以内时，取常数项的低值2.5。经试验发现，墙体对流换热表面与接触空气温度在3 ℃以内，故式（3）中的常数范围项，取值2.5。

2.4 材料性质

基于上述供试温室的构造，模型中涉及的建筑材料热物理参数取值如表1。

表1 建筑材料性质[29]Table 1 Properties of building materials[29]

2.5 初始条件

2.5.1 太阳辐射量

太阳辐射强度采用Fluent 内置离散坐标DO 辐射模型，根据测试地点沈阳所在的经、纬度和时间计算太阳辐射强度，并基于光线追踪模块，对太阳辐射瞬时变化进行仿真模拟，控制方程为

式中r为位置向量；s为方向向量；α为吸收系数；σs为散射系数；I为辐射强度（W/m2）；n为折射系数；T为温度（℃）；φ为相位函数；s′为散射方向向量；为空间立体角(1802/π2)。

2.5.2 环境初始温度

根据试验布置测点，实测温室热环境参数作为日光温室CFD 三维瞬态热环境模拟的初始条件和验证数据。选取冬至时段的试验测试结果，2020 年12 月22 日（阴）和2020 年12 月23 日(晴)的室外实测气象数据，作为模拟的初始条件，模拟2020 年12 月22 日至23 日00:00至24:00 的日光温室热环境。

3 模型验证与模拟分析

3.1 模型验证

以2021 年12 月23 日00:00 为起始时刻，模拟日光温室三维瞬态热环境，并提取试验测点的热流和温度值，对模型进行验证。此处以室内空气温度为例，说明模拟验证过程。利用南侧棚室内气象站的空气温度实测值，对比CFD 模拟的温室内气温，如图4，计算CFD 模拟数据与实测数据的平均相对误差为±1.67 ℃，极差值为3.12 ℃，显示模型精度满足要求。经过验证其余测点的实测值与模拟值，均不存在显著差异，相对误差和极差值均小于空气温度误差和极差值，说明CFD 模拟与试验测试吻合较好。

图4 两连跨日光温室室内气温模拟值与实测值对比Fig.4 Comparison between simulated and measured indoor temperature values of two-span solar greenhouse

3.2 围护结构热流模拟分析

日光温室围护结构与棚室内、外空气的热交换量是影响温室热环境的主要因素。以2020 年12 月23 日气象条件为初始参数，模拟对比单跨日光温室和两连跨日光温室各围护结构表面瞬时热流变化（图5），负值代表围护结构吸收热量，即热量向棚室外流动，正值为围护结构向棚室内散发热量，即热流向棚室内流动。下文分析中出现的围护结构即指代图5 所示的后墙、前屋面、后坡、土壤和山墙。由图5 可知，全天时间，两温室内的热量通过前屋面、后坡和山墙持续散出，但两连跨日光温室比单跨日光温室热流密度分别高0.66～2.11、0.31～1.21、1.11～5.55 W/m2。

图5 单跨日光温室和两连跨日光温室围护结构热流密度变化Fig.5 Heat flux changes in the enclosure structure of single-span and two-span solar greenhouse

揭起保温被时段（08:30—15:30）：两温室围护结构均吸收室内热量，热流通过围护结构向室外流出，其中单跨日光温室前屋面散热通量最大，为210.52 W/m2；两连跨日光温室的土壤和墙体，持续向南侧棚室放热，热流密度分别为7.11～8.59、12.65～15.19 W/m2，均高于单跨日光温室，分别高0.76～2.42，9.71～14.36 W/m2。

覆盖保温被时段（00:00—08:30 和15:30—24:00）：只有土壤和后墙热量流向温室内，其余围护结构均持续吸收室内热量，流向室外；其中，单跨日光温室的后墙仅在15:30—24:00 时段放热，而在00:00—08:30 时段吸收室内热量，两连跨日光温室的后墙在上述两个时段均向温室内放热，即两连跨日光温室后墙放热时长比单跨日光温室后墙多8h，且热量密度高于单跨日光温室后墙19.52W/m2。可以看出，两连跨日光温室后墙蓄放热能力明显强于单跨日光温室。

由此可见，围护结构各部分的热流方向和大小，会随时间和围护结构的不同而改变。为明确各围护结构对温室热负荷的影响，研究比较各部分围护结构总热流量。如图6 所示为覆盖保温被时段，两温室围护结构总热流量，正值为向室内放热量，负值为向室外散热量。设日光温室围护结构总放、散热量为单位1，经计算，单跨日光温室92.3%的得热量来自于土壤，剩余热量来自于墙体，54.6%的热量通过前屋面散失；两连跨日光温室南侧棚室73.6%的得热量来自于土壤，其余来自于后墙，63.3%的热量通过前屋面散失。两连跨日光温室通过各围护结构总散热量比单跨日光温室多8.15 kW·h。由此可见，单跨日光温室热负荷低于两连跨日光温室。

图6 覆盖保温被时段围护结构的得散热量Fig.6 Heat quantity of the enclosure structure during the period of covering the insulation blanket

3.3 后墙温度模拟分析

通过上述分析发现，夜间，单跨日光温室后墙向外散失热量，而两连跨日光温室后墙向室内放热。围护结构中，后墙对温室热环境影响差异最大。因此，对两日光温室后墙表面温度变化（图7）和墙体内温度分布（图8）进行分析。

图7 单跨和两连跨日光温室后墙测点温度对比曲线Fig.7 Temperature contrast curve of measuring point at the back wall of single-span and two-span solar greenhouse

图8 日光温室后墙温度场CFD 模拟Fig.8 CFD simulation of temperature on the back wall of solar greenhouses

分别选取南侧T09、北侧T23 墙体温度测点（图3）进行模拟，由图7 所示。可以看出，不覆盖保温被时段，两温室后墙南侧表面T09 测点温度无明显差异；覆盖保温被时段，两连跨日光温室的T09 测点温度明显高于单跨日光温室，温差为2.9～7.9 ℃；单跨日光温室后墙北侧表面T23 测点温度，全天无明显波动，近似直线；不覆盖保温被时，两连跨日光温室T23 测点温度明显高于覆盖保温被时，且呈抛物线形，极值出现在13:00 左右，显示其受外界环境影响明显；两连跨日光温室T23 测点温度始终高于单跨日光温室，平均温差为6.45 ℃。

墙体内部的温度分布直接决定热量流动方向，因此，选取覆盖保温被时刻15:30 和室外温度较低的深夜24:00，模拟墙体横截面温度分布，提取距离两温室东侧山墙0 m的E 截面、30 m 的M 截面和60 m 的W 截面，显示后墙南北和东西方向温度的变化趋势。

如图8a 所示，15:30 时两温室后墙均出现东部温度高于西侧、南侧温度高于北侧；两连跨日光温室墙体内温度高于单跨日光温室。如图8b 所示，24:00 时，温室后墙自身的东西部温度差异已不明显，两温室墙体内热量储存差异明显增大，两连跨日光温室墙体储热量更多。

3.4 土壤温度模拟分析

土壤温度与室内气温是影响作物生长的重要环境条件，取距离土壤表面深0、0.1、0.3、0.5、0.8 m 的测点T10、T11、T12、T13、T14 土壤温度模拟值结果进行分析，如图9。发现两温室土壤温度日变化具有相同点：距离土壤表面越近，土壤温度变化越剧烈；土壤深度大于0.5 m 的温度日波动变化量小于1.0 ℃。

图9 日光温室土壤温度变化曲线Fig.9 Soil temperature change in solar greenhouses

对比温室相同测点温度差值（图9c），发现两日光温室土壤温度不同点：两温室土壤深度大于0.5 m 处的温度变化波动趋于直线，但两连跨比单跨日光温室土壤温度均值高2.9～3.0 ℃；16:00～24:00 时，距地表0.1 m深处的单跨日光温室土壤温度比两连跨日光温室低 2.9～3.0 ℃。由此看出，两温室土壤深度相同处温度变化趋势一致，但越接近地表，单跨日光温室较两连跨日光温室土壤温度越高，土壤深度越深，单跨日光温室较两连跨日光温室土壤温度越低。

3.5 室内气温模拟分析

温度测点T5 位于东西走向，距东西山墙表面均为30 m 的温室中间剖面上（图3），研究提取模拟结果中两类温室于测点T5 的温度，为室内气温，如图10，对比分析发现：单跨日光温室室内气温的白天极高值和夜晚温度极低值，均超出了两连跨日光温室的温度极值范围；夜间，两连跨日光温室室内气温比单跨日光温室高1.7～3.8 ℃，室内温度波动相对更小，温度调节能力相对更强。