日光溫室熱壓風壓耦合自然通風流量的模擬*

方 慧，楊其長，張 義，程瑞鋒，張 芳，盧 威

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日光溫室熱壓風壓耦合自然通風流量的模擬*

方 慧，楊其長，張 義**，程瑞鋒，張 芳，盧 威

（中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所/農業部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京100081）

通風是溫室環境調節的重要手段，通風流量計算涉及流量系數與風壓體型系數，因此有必要定量分析不同通風模式下的通風流量及對應的系數，為通風調節提供理論依據。本文分析了熱壓風壓耦合作用對通風流量的影響機理，構建了通風流量與熱壓風壓作用關系的數理模型；采用CO2氣體示蹤法測試日光溫室模型(按1:5的比例縮小)在不同通風口寬度條件下的通風流量，將試驗測得的通風流量、空氣溫度、風速和通風口寬度等參數代入模型，對模擬值與實測值進行多元線性擬合，得出擬合度最高的流量系數與風壓體型系數。結果表明：當溫室模型通風口寬度為3、5和7cm（相當于實際溫室通風口寬度為15、25、35cm）時，熱壓風壓耦合作用的通風流量可按、和分別計算，式中S、H、、T、u分別為通風口面積、寬度、室內外溫差、室外溫度和風速；相應的流量系數分別為0.78、0.60和0.44，風壓體型系數分別為0.04、0.05和0.07；在總通風流量中，當室外風速高于1.5m·s-1時，風壓通風流量所占總通風流量的比例均高于50%，風壓通風占主導作用；當室外風速大于2.5m·s-1時，風壓形成的通風流量所占比例均大于70%，說明此條件下可忽略溫度即熱壓的影響。

日光溫室；通風流量；流量系數；風壓體型系數；模擬

日光溫室具有節能、高效、低成本等突出優點，最近20多年來在中國三北地區得到了快速發展，區域范圍已擴展至32-48°N，栽培面積從1990年的0.3萬hm2發展至2012年的88萬hm2[1]。自然通風作為日光溫室重要的環境調節手段，不僅影響溫室內熱量平衡，而且也影響室內空氣成分，包括水蒸氣含量、CO2濃度以及其它氣體濃度等[2-9]。因此，精確的通風計算對日光溫室環境調節尤為重要。

由于日光溫室為中國北方所獨有，國際上針對日光溫室通風換氣理論的分析研究很少。國內外學者主要通過實驗測試和模型模擬研究連棟溫室和拱棚的通風。Boulard等[10-11]在圓拱型溫室里分別采用CO2和N2O氣體示蹤法測試溫室通風流量，確定了不同開窗角度下熱壓與風壓對通風流量的影響，研究表明室外風速大小決定了風壓和熱壓對自然通風的影響程度，當室外風速高于2m·s-1時，以風壓通風為主，熱壓作用的影響可以忽略；當室外風速低于0.5m·s-1時，必須考慮室內外溫差引起的熱壓對自然通風的影響；當風速介于二者之間時，通風過程主要受風壓作用的影響，同時也有一部分浮力作用。此外，Boulard等[12]模擬了單跨封閉的Venlo型溫室在熱浮力作用下的內部環境，研究了溫室氣流場與溫度場分布。Papadakis等[13]應用理論模型結合氣體示蹤法研究了溫室自然通風流量隨室外風速和開窗面積的變化規律，其研究結果表明風速和通風口寬度大小對自然通風效果的影響顯著，而風向的影響并不顯著。Katsoulas等[14]利用N2O氣體示蹤法研究了開窗尺寸和防蟲網對通風的影響，并構建了相應的通風流量計算模型。Fatnassi等[15]分析了作物高度、葉面積指數和風向對拱棚通風流量的影響，并推導出通風流量的計算函數。Wang等[16]通過運用CO2氣體示蹤法，研究了連棟塑料溫室中卷膜通風系統和天窗開啟式系統的通風性能，確定了通風流量的相關系數。Fatnassi等[17]基于熱壓與風壓的作用，構建了有防蟲網的大型溫室環境模型，分析了不同防蟲網網格密度對通風降溫效果和溫室內溫度分布的影響。

綜上所述，熱壓和風壓驅動是溫室自然通風理論計算的核心，盡管連棟溫室與拱棚通風換氣研究較晚，但由于區別于日光溫室結構，難以為日光溫室所用。因此，本試驗擬在探明日光溫室通風流量與室外風速、風向以及室內外溫差等多元定量關系的基礎上，分析熱壓風壓耦合作用對通風流量的影響機理，以此為基礎構建通風流量與熱壓風壓作用關系的數理模型；采用CO2氣體示蹤法測試室內氣流動態變化規律和通風流量，通過Origin軟件對模型與實驗值進行多元線性擬合，形成相關性最高的通風計算模型和相應的流量系數與風壓體型系數，以期為日光溫室通風設計提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室模型

試驗地點位于北京海淀區（39°9′N、116°3′E），試驗時間為2015年1-6月。為避免現場試驗中不可控因素帶來的誤差，如冷風滲透、管理者進出帶來的通風、溫室內土壤釋放CO2以及作物對CO2濃度的影響等，試驗在按1:5的比例縮小后制造的溫室模型中進行，模型結構尺寸見圖1。溫室模型后墻、山墻與覆蓋膜結合處用密封條進行密封處理。地面鋪設CO2釋放管路，管路環繞溫室四周排列，為保證CO2濃度釋放均勻，管路上CO2釋放小孔尺寸為Φ2.0mm，小孔間距0.01m。通風口下端與地面垂直高度為0.64m，與后墻水平距離為0.68m，通風口開口大小通過卷簾機實現，通風口結構尺寸見圖2，其高度H根據卷簾的近似寬度H0、通風口與水平面角度α計算。在實際溫室生產中，管理者根據室內溫度、濕度和二氧化碳濃度調節通風口卷簾寬度。在冬季，以降濕為目的，通風口卷簾寬度較小；在春、秋季以降溫為目的，通風口卷簾寬度較大。因此，本試驗設置小、中和大三組通風口模式，通風口寬度H0分別為3、5和7cm。

注：S為通風口面積；SW為進流（出流）面積；L為通風口長度；H0為通風口寬度即通風口寬度；H為通風口垂直高度

Note：S is the vent area; SWis ventilation area of the inflow or outflow; L is length of vent; H0is width of vent; H is vertical height of vent

1.2 通風流量計算

日光溫室的通風流量采用示蹤氣體法測定，示蹤氣體選擇較易獲取且無毒害的CO2氣體。采用盛有液態CO2的鋼瓶釋放，氣體電磁閥控制氣體供應的通斷，塑料管路將氣體送入日光溫室內部，根據傳感器測量的數據確定停止供氣時間。首先將溫室內部CO2濃度施放至2000μmol·mol-1，為減小集中釋放對傳感器測量結果的影響，實際釋放的濃度要稍大于2000μmol·mol-1，密閉5min，使內部空氣混合均勻。然后開啟頂通風，在自然換氣狀態下CO2從高濃度區向低濃度區擴散，通過CO2自動記錄儀實時記錄溫室內外空氣的CO2濃度變化情況，記錄間隔為1min。取CO2濃度從2000μmol·mol-1左右降至與外界環境濃度一致的區間數據計算通風流量[18]，即

式中，G為通風換氣流量（m3·h-1）；V為試驗溫室的體積（m3）；t為測試開始至測試過程某時刻所經歷的時間（h）；Cin(0)為測試開始時刻溫室內CO2濃度（μmol·mol-1）；Cin(t)為t時刻溫室內CO2濃度（μmol·mol-1）；Cout為室外CO2濃度（μmol·mol-1），室外CO2傳感器放置于距溫室北側5m。

CO2濃度采用VAISALA GM70二氧化碳自動測試儀進行觀測，測量范圍0～5000μmol·mol-1，測量精度1.5%量程+2%讀數，測量儀每隔1min記錄一次數據。試驗期間共釋放CO2105次，其中通風口寬度為3cm和5cm時有效數據量均為31組，通風口寬度為7cm時，有效數據量為37組。CO2濃度從2000μmol·mol-1衰減至與室外一致所需時間為4～40min。

1.3 環境參數測量

環境參數主要包括溫室模型內、外溫濕度、室外風向與風速。溫濕度的測量采用HOBO U14-001自計議，溫度測量范圍-40～100℃，測量精度±0.2℃，濕度測量范圍0～100%,測量精度±2.5%。溫室內溫濕度測點位于溫室幾何中心，距離地面高度0.3m，室外溫濕度測點距離地面高度1.6m，距離溫室北墻4m。室外風速風向采用HOBO S-WSA-M003風速儀測量，風速測量范圍0～45m·s-1，測量精度±0.1m·s-1；風向測量范圍0～355°，測量精度±5°，風速儀距離地面高度4m，距離溫室北墻4m。所有數據記錄間隔為1min，取CO2衰減周期內的平均值。

2 結果與分析

2.1 日光溫室頂窗通風模型的構建

2.1.1 通風機理

氣流通過一個通風口的動力來自于壓差，壓差源于兩方面，（1）熱壓，或稱為煙囪效應；（2）風壓，室外風速的影響。當溫室內外的溫度差較小或室外風速大于1.5m·s-1時[18]，溫室熱浮力效應較小，溫室內外環境的通風效率是與室外風速相關的函數。

設通過通風口的進氣速度為v(y)，則進氣通風口內外壓差與進氣速度的關系可根據伯努利方程得到[19]，即

通過式（2）轉換得平均氣流速度為

日光溫室通風口大小通過卷簾機向上卷膜控制，通風口為長方形，則通風流量G（m3·s-1）為

式中，H為通風口垂直高度（m）；L為通風口總長（m）；dy為在高度H上的微分。

日光溫室頂通風口開啟時，通風口截面的一半面積為氣流進口，另一半面積為氣流出口（Bot）[18]，則

式中，Sw為有效通風截面面積，S為通風口面積，故式（5）可轉變為

可見，日光溫室通風流量不僅與通風口形狀即有效通風口的高度和長度有關，還與流量系數和內外壓差有關。

2.1.2 熱壓通風流量

將式（8）代入式（7）得出熱壓通風流量Gs為

2.1.3 風壓通風流量

從式（9）可以看出，通風流量是與通風口處內外壓差有關的函數，而通風口處的內外壓差與溫室形狀、部位、風速和風向等因素有關。與溫室外基準面的平均動量的關系為[18]

將式（10）帶入式（7）得

式中，Gw為風壓通風流量（m3·s-1）。

2.1.4 熱壓與風壓耦合通風流量

根據Boulard等在拱棚溫室通風試驗中的研究[10-12]，利用溫室通風口處內外壓差形成的熱壓通風流量與風壓通風流量之和擬合拱棚通風模型時，模擬值與實測值最為接近。因此，假設日光溫室通風口處的通風流量為G，則

2.2 頂窗不同寬度下通風流量的模擬

2.2.1 不同寬度下的流量系數和風壓體型系數

根據溫室內CO2濃度的衰減速度，結合式（13）計算溫室在不同開窗尺寸時的通風流量G，同時計算CO2衰減周期內溫室內、外的平均氣溫，室外平均風速，代入式（13），當通風口寬度分別為3、5和7cm時分別得到31、31和37個方程，對試驗數據進行多元線性擬合，計算出擬合度最高時對應的流量系數與風壓體型系數，結果見表1。由表可見，不同通風口寬度對應的流量系數明顯不同，總體上，寬度越大流量系數越小，通風口寬度為3、5和7cm時對應的流量系數分別為0.78、0.60和0.44。這是因為，隨著通風口寬度的加大，溫室內外靜壓差減小，靜壓差的減小會導致通過通風口處的氣流速度降低，最終導致流量系數降低。日光溫室與其它結構溫室流量系數有明顯區別。在Venlo型玻璃溫室中[18]，流量系數與開窗角度α有關,其計算式為0.64+0.001α。在雙跨連拱形溫室中頂開窗的流量系數為0.75[11]，垂直側開窗的流量系數為0.6～0.8[19-20]。本研究中不同通風口寬度下風壓體型系數的數值均較小，通風口寬度為3、5和7cm時分別對應0.04、0.05和0.07，而Boulard等在圓拱形溫室中[11]，其值為0.09。風壓體型系數主要受溫室周圍環境影響，如建筑物、樹木、柵欄等，通風口寬度對風壓體型系數的影響不明顯。

表1 不同寬度下的通風流量系數與風壓體型系數擬合結果

2.2.2 不同寬度下的熱壓風壓通風流量

圖3為日光溫室通風口通風流量的模擬值與實測值的比較。由圖可見，當溫室模型的通風口寬度分別為3、5和7cm時，通風換氣流量模擬值與實測值之間的相關系數R2分別為0.93、0.97和0.96，說明兩者的變化趨勢一致。在實際溫室生產中（按模型比例因子為5計算），則當溫室頂通風口寬度為15cm時，總通風流量可按下式計算

溫室通風口寬度為25cm時，總通風流量為

溫室通風口寬度為35cm時，總通風流量為

不同環境條件下，由熱壓和風壓產生的通風流量的大小也不一樣，因此需比較由熱壓和風壓作用導致的通風流量，分別確定由熱壓和風壓主導作用的臨界點風速，即當風速大于某一值時，溫室的通風流量主要受室外風速的影響，當風速小于該值時，通風流量主要受熱壓的影響。圖4為通風口寬度分

別為3、5和7cm時風壓通風流量占總通風流量的比例。由圖4a可見，當室外風速高于1.2m·s-1時，則風壓通風流量所占總通風流量的比例均高于50%，即風壓通風占主導作用；由圖4b和4c可見，當室外風速高于1.5m·s-1時，風壓通風流量所占總通風流量的比例均高于50%，風壓通風占主導作用。在工程設計中為簡化通風計算，可將臨界點風速定為2.5m·s-1，忽略熱壓的影響。因為，當室外風速高于2.5m·s-1時，風壓通風占總通風量的比例均高于70%。

Note：The percentage=Gw/(Gw+Gs)′100%

3 結論與討論

日光溫室通風口處氣壓差是驅動室內外氣體流動的主要因素，本研究確定了通風口寬度為15、25和35cm時，通風流量的計算式分別為、和。

當室外風速大于2.5m·s-1時，3種通風口寬度其風壓通風流量所占比例均大于70%，即風壓導致的通風流量占主導作用。在工程設計中，為簡化計算，當室外風速高于2.5m·s-1時，可忽略熱壓的影響。

流量系數與通風口寬度呈一定數學關系，已有研究表明，在Venlo型玻璃溫室中，流量系數與開窗角度呈線性關系[18]。在日光溫室中，一般有上通風口和下通風口，本試驗中由于只測試了上通風口3種寬度下的通風流量，無法確定流量系數和通風口寬度的關系式，因此，今后將進一步補充完善不同通風口組合模式和寬度下的通風流量，統計出流量系數與通風口寬度的數學關系。

Bot[18]研究表明，風向對通風流量的影響較小，因為溫室四周有障礙物，如建筑、樹木以及溫室本身結構，氣流在溫室通風口周圍形成紊流。因此，本研究未考慮風向的影響。此外，本試驗中計算室外風速引起的溫室通風流量時，將室外風速考慮為CO2衰減周期內的平均值，而實際測試中室外風速是動態變化的，有報道稱[21-22]，由于室外自然風向與風速具有不斷變化的特點，因此由風速引起的風壓也是不斷波動的，這種由風速引起的風壓波動的振幅即為通風動力，因此，下一步研究需重點分析室外風速與通風口處風壓和通風流量的變化關系。

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Simulation on Ventilation Flux of Solar Greenhouse Based on the Coupling between Stack and Wind Effects

FANG Hui, YANG Qi-chang, ZHANG Yi, CHENG Rui-feng, ZHANG Fang, LU Wei

(Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Lab of Energy Conservation and Waster Treatment of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)

Natural ventilation is a key measure for greenhouse environment adjustment, and ventilation flux calculation involves the discharge coefficient and wind effect coefficient. So, it is necessary to analyze the air volume flux over different vent types and the corresponding coefficients. The effects mechanism of the coupling between the stack and wind effects on ventilation flux was analyzed, and a model of air exchange in a solar greenhouse was established considering two main driving forces of ventilation. The tracer gas technique using carbon dioxide was used in a scaled greenhouse (scale rateis 1:5) to identify the ventilation flux. From measurements of volumetric flow rates, climate parameters and opening width, the model parameters, the discharge coefficient and the wind effect coefficient were identified by fitting the experimental data to the model using multi-linear regression. The results showed that the ventilation flux could be calculated by the following equations,,and, where S and H was opening area and opening width;was the temperature difference between inside and outside; T and u was the outside air temperature and velocity. The identified values of the discharge coefficient were 0.78, 0.6, and 0.44, and the wind effect coefficients were 0.78, 0.6, 0.44 when the vent opening widths were 3cm, 5cm and 7cm, respectively (equal to the opening widths in an actual greenhouse 15cm, 25cm and 35cm). It was shown that the ventilation flux due to the wind effect over total ventilation flux was over 50% when the wind velocity exceeds 1.5m·s-1and that could be over 70% when the wind velocity exceeds 2.5m·s-1, which indicated that the temperature or buoyancy effect could be neglected.

Chinese solar greenhouse; Ventilation flux; Discharge coefficient; Wind effect coefficient; Simulation

10.3969/j.issn.1000-6362.2016.05.005

2016-03-25**

。E-mail：zhangyi03@caas.cn

國家自然科學基金項目（51508560）

方慧（1983-），女，助理研究員，主要從事設施農業環境工程研究。E-mail：fanghui@caas.cn