基于CFD模型的大跨度溫室自然通風熱環境模擬*

張 芳，方 慧，楊其長，程瑞鋒，張 義，柯行林，盧 威，劉 煥

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基于CFD模型的大跨度溫室自然通風熱環境模擬*

張 芳，方 慧，楊其長，程瑞鋒**，張 義，柯行林，盧 威，劉 煥

（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）

大跨度溫室作為一種新型南北走向的鋼骨架覆膜溫室，解決了傳統日光溫室土地利用率低、空間狹小的問題。為了研究在自然通風條件下大跨度溫室的溫度和氣流場的分布規律，以及不同室外風速條件下通風口開度對大跨度溫室溫度和氣流場的影響，利用計算流體力學（computational fluid dynamics, CFD）軟件構建三維穩態大跨度溫室模型，模擬自然通風條件下大跨度溫室內的溫度場和氣流場，并采集典型晴天下通風口開啟50%時大跨度溫室內13個測點的溫度，將各測點的測量值與模擬值進行比較，最后利用已驗證模型模擬分析通風口開度（25%、50%、75%、100%）在不同室外風速（1、2、3、4 m·s-1）條件下的大跨度溫室溫度和氣流場。驗證結果表明：模型模擬值與實測值的絕對誤差在0.2～2.8℃，均方根誤差為1.6℃，最大相對誤差為9.9%，平均相對誤差為4.1%，表明模擬值與實測值吻合良好。模擬結果顯示，溫室頂部溫度高，底部溫度低；室外冷空氣從西側通風口進入，溫室內西側溫度低于東側；溫室內平均風速從南到北逐漸減小；溫室中部風速明顯小于東西兩側。大跨度溫室上通風口及側通風口全開時，溫室內溫度分布較均勻。溫室通風口開度一定時，溫室內通風率與室外風速呈顯著線性正相關。考慮溫室內溫度及風速對作物的影響，以降溫為主要目的時，建議通風口開度取75%～100%，若室外風速大于3m·s-1且室內溫度能滿足作物生長，則建議通風口開度＜75%。

CFD模型；模型；溫度場；氣流場；通風率

日光溫室是具有中國特色的溫室結構類型，解決了中國北方地區的蔬菜供給問題，具有造價低、運行費用少、保溫性好、效益高等優點[1]。但日光溫室的土地利用率低，一般僅40%左右[2]，而且日光溫室空間狹小，不利于實現機械化操作。為此，周升等[3]設計了一種大跨度保溫型溫室，其土地利用率高達90%左右，單體面積達1200m2，成功解決了日光溫室土地利用率低，單體空間小的問題，具有很好的推廣價值。

為了節約能源，大跨度溫室采用國內外運用廣泛的自然通風方式來調節溫室內的環境平衡。自然通風過程中室內溫度、氣流速度及通風率受通風口位置、大小等影響。示蹤氣體法是研究自然通風過程中氣流變化及通風率等常用的傳統方式，Fatnassi等[4-8]利用示蹤氣體法研究了不同開窗角度及風速對溫室內自然通風的影響，該方法能取得與溫室通風率相關的模型和結論，但并不能反應溫室內環境的時空分布，隨著計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）的發展，CFD技術在溫室自然通風研究過程中得到了廣泛應用。

計算流體力學模擬是分析溫室室內的空氣流動和優化溫室通風結構的有效工具。Okushima等[9]最早開始運用CFD模擬無作物的單跨度斜頂溫室的環境；Kacira等[10-11]利用CFD技術分析了不同開窗配置形式對溫室內的溫度和氣流分布的影響。隨著CFD廣泛應用于溫室熱環境模擬，國內外學者[12-21]利用CFD研究了不同通風方式和通風口配置以及室內有無作物等因素對不同溫室內溫度場和氣流場的影響。但有關自然通風對大跨度溫室內溫度環境影響的研究成果尚未見報道。因此，本文在自然通風條件下對大跨度溫室建立三維CFD數值模型，在兩側通風口開度為50%的條件下進行現場試驗，用現場試驗的溫度值與CFD模型的模擬結果進行對比驗證，通過驗證的模型模擬不同風速和通風口開度下室內微氣候環境的變化特點，以期探尋自然通風條件下大跨度溫室的溫度和氣流場的分布規律，并分析通風口開度對大跨度溫室溫度和氣流場的影響，為大跨度溫室通風降溫措施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室

試驗大跨度溫室位于北京市順義區大孫各莊鎮中國農業科學院試驗基地（40°13′N，116°65′E）。溫室南北走向，長60m，東西跨度20m，脊高5m。采用拱形鋼骨架結構，覆蓋材料為單層PE塑料薄膜，厚度0.08mm，外保溫材料為3cm厚自防水保溫被。溫室南墻為1cm厚中空PC陽光板；北墻內側為厚12cm紅磚，中間為厚10cm的聚苯板，外側為厚24cm紅磚。溫室側通風口的最大寬度為1.6m，頂部通風口的寬度為0.8m。大跨度溫室截面如圖1所示。

1.2 試驗方法

試驗測試時間為2016年4月23-27日。溫室內種植作物為番茄，2015年9月1日定植，試驗期間番茄處于拉秧前期，其葉面積指數較小，蒸騰作用很弱，因此忽略作物對溫室內熱環境的影響。試驗期間溫室兩側下通風口開度為50%，即80cm，兩側上通風口全開，寬度為80cm。

溫室內外測點布置如圖1所示。在溫室內，距南墻15m截面上分3層布置13個溫度測點，底層在離地面1.5m高處布置7個溫度測點（P1-P7），中間層在離地面3m高處布置5個溫度測點（P8-P12），上層在離地面4m高處布置1個溫度測點（P13）；溫室內外地面分別布置1個土壤溫度測點（室內P14，室外P15）；在溫室外，距離試驗溫室西墻20m、距地面6m高度處安裝1個風速風向測點（W1），在風速儀安裝桿上距地面1.5m布置1個溫濕度自動記錄儀(H1)測量室外溫濕度，3m處布置1個太陽輻射測點（L1）。室外溫濕度由HOBO溫濕度記錄儀（美國onset產）測量，溫度測量范圍-20～70℃，精度±0.35℃，濕度測量范圍0～100%，精度±2.5%RH。室外風速和風向由S-WEST-A風速風向自記儀（美國產）測量，風速精度±0.1m·s-1，風向精度±5°。室內多點溫度由銅-康銅熱電偶（中國產）測量，精度±0.2℃。熱電偶測量的溫度及室外太陽輻射值由CR1000數據采集儀（美國產）完成，每5min記錄一次，自動記錄各傳感器的數值。

1.3 數學模型

1.3.1 計算域與網格劃分

計算域分為室外區域和室內區域。由于試驗溫室面積較大，計算時間較長，選取溫室最南部空間30m（長）×20m（寬）作為溫室流域。溫室內的溫度和氣流受外界環境的影響，外流域一般要選取比溫室體積更大的區域［200m（長）×140m（寬）×40m（高）］，以使模擬值更準確。在workbench16.0中的Geometry建立三維實體模型，以溫室的東南角為原點（0，0，0），溫室的正東方向為X軸負向，溫室的正南方向為Z軸負向，高度向上為Y軸正向。利用ICEM將計算域進行結構化六面體網格劃分，對溫室內部通風窗口處及外流域靠近溫室壁面處進行加密處理，總共創建4887851個網格和4770494個節點，溫室的網格劃分如圖2所示。

1.3.2 CFD模型方程

（1）湍流模型

大跨度溫室內的氣體流動是以三大守恒方程（質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程）來描述的。自然通風條件下溫室內空氣流速較低，且流動過程中空氣溫度變化不大，其通風過程中溫室內氣體可視為定常不可壓縮流體。假設近壁處氣體流動符合標準壁面函數，溫室自然通風過程中的室內氣流為湍流，在模擬計算時采用標準k-ε湍流模型，則湍流運輸方程[22]為

（2）

式中，ρ為流體密度（kg·m-3）；k為湍動能；t為時間（s）；μi、μj是速度xi、xj方向上的瞬時量（m·s-1）；μ為層流動力黏度，μt為湍流動力黏度，，Cμ為經驗常數，Cμ=0.85；ε為湍流耗散率；Gk是由平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；Gb是由浮力引起的湍動能k的產生項；YM是可壓湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；Sk為用戶自定義的源項，σk、σε為湍動能k和耗散率ε的有效湍流普朗特數的倒數。σk、σε、C1ε、C2ε為常量，根據文獻[23]，σk=1.0，σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92。

（2）輻射模型

太陽輻射是影響溫室內溫度和濕度場分布的重要因素，在模擬過程中應該考慮室內與室外的輻射傳熱過程，選擇太陽射線跟蹤法來加載太陽模型。離散坐標（discrete ordinates，DO）輻射模型采用灰帶模型計算，可以計算灰體輻射與非灰體計算，故選用此輻射模型對塑料薄膜溫室輻射換熱求解。具體方程為[24]

（3）邊界條件

溫室圍護結構、土壤、空氣等的熱物理特性參數[25]如表1所示。計算域包括大跨度溫室室內區域和室外區域，對于六面體結構的室外流域，將來風面設置為（velocity-inlet）邊界條件，根據2016年4月25日12：00的實測，室外風速為4.02m·s-1，風向為西偏北71.5°，將西北面設置為速度入口邊界條件，將東南面設置為壓力出口（pressure-outlet）邊界條件；室外頂面設置為對稱面（symmetry）邊界條件；溫室的圍護結構和地面設置為壁面（wall）邊界條件；溫室內的通風口設置為內部（interior）邊界條件。

表1 有關材料的熱物理特性

（4）數據計算

本文計算求解器選擇ANASYS FLUENT16.0，在計算過程中采用三維穩態方法求解控制方程，湍流模型選用標準k-ε方程，近壁面區域通過標準壁面函數法處理，控制方程采用基于有限體積的離散方法，離散格式為二階迎風格式，使用SIMPLE算法求解，溫室通風率根據后處理過程中的report計算。

2 結果與分析

2.1 溫室內氣溫模擬結果驗證

為了驗證CFD模型的模擬效果，隨機選擇自然通風條件下1個典型晴天4月25日，利用12：00所測數據，溫室外氣溫為31.5℃，室外地面溫度31.9℃，風速4.02m·s-1，室內地面溫度25.0℃，溫室上通風口開100%，側通風口開50%，模型邊界條件輸入參數如表2所示。將CFD模型模擬得到溫室內13個測點的氣溫模擬值，與同期的測量值進行比較，結果見圖3。由圖可見，在冠層高度（1-7號測點，離地高度1.5m）位置，各測點實測氣溫略有差異，中心位置（測點4）溫度最低，為29.2℃，向兩邊逐漸升高，靠近兩壁（測點1和7）的溫度達 31.0℃，與最低點相差1.8℃，冠層以上各點（測點8-13）平均溫度為31.3℃，也普遍高出2.1℃。冠層高度（1-7測點）CFD模擬的氣溫也表現出與實測值相同的空間分布規律，但其差異相對較小，最低溫度為31.5℃，可見，各點模擬值均略高于實測值，其中靠近溫室中間位置的第4測點二者差異最大，達2.8℃，這是由于模擬過程中忽略了植物及大跨度溫室頂部保溫被遮陽的原因。總體上看，CFD模型在各測點上的模擬值與實測值的絕對誤差在0.2～2.8℃，均方根誤差為1.6℃，最大相對誤差僅為9.9%，平均相對誤差僅4.1%。兩者差異較小，說明所建CFD模型有效，可以準確模擬溫室內溫度變化。

表2 邊界條件設置

2.2 溫室內熱環境分布模擬結果分析

2.2.1 氣溫

對4月25日12：00自然通風條件下（上通風口開100%，側通風口開50%，室外風速為4.02m·s-1）氣溫模擬結果進行分析，得到溫室不同截面溫度云圖，以溫室東南角為原點（0，0，0），溫室正東方向為X軸負向，溫室正南方向為Z軸負向，高度垂直向上為Y軸正向（圖4）。圖4a為沿溫室南北方向距南墻5、15、25m縱向截面的溫度云圖，z=5、15及25m截面處的平均溫度分別為305.4、305.5和305.5K，溫室南北方向的溫度分布較均勻，但是溫室頂部與底部的溫度有差異，從圖4a可以看出，3個截面的頂部溫度較高，由上到下溫度逐漸降低，在近地面處溫度最低。由于受到太陽輻射的影響，溫室頂部的覆蓋層吸收太陽輻射的熱量，并通過對流換熱向室內釋放熱量，使溫室頂部的溫度較高，而由于地面吸收熱量，且接近通風口，該處空氣與室外空氣進行換熱，故溫度較低。圖4b是沿溫室東西方向距東墻5、10、15m縱向截面的溫度云圖，x=5、10及15m截面處的平均溫度分別為305.8、305.4和305.2K，溫室西側的溫度較東側低，是因為側進風口在溫室的西側，室外溫度較低，氣流流入溫室內，溫度相對較低。

2.2.2 氣流速度

對4月25日12：00自然通風條件下氣流速度模擬結果進行分析，得到溫室不同截面的速度云圖如圖5所示。圖5a顯示了沿溫室南北方向距南墻5、15、25m縱向截面的速度云圖，z=5、15及25m截面處的平均速度分別為1.38、1.16和0.55m·s-1，從南到北溫室內的平均風速逐漸減小，由于風向為西北方向，受到北墻的阻擋，距離北墻越近風速越小。圖5b是沿溫室東西方向距東5、10、15m縱向截面的速度云圖，x=5、10及15m截面處的平均速度分別為0.93、0.88和1.26m·s-1，溫室內風速在東西方向上表現為中間風速明顯小于東西兩側的分布規律，這是由于通風口位于溫室東西兩側，室外氣流從西側通風口進入室內，中部離通風口較遠且受到溫室頂部通風口的影響，在溫室中部形成逆時針的渦流，故風速較小。

2.3 側通風口開度對溫室熱環境的影響模擬

2.3.1 溫室內平均溫度

以2016年4月25日12：00室外氣候參數為條件，保持溫室上通風口開度不變（100%），模擬不同室外風速（1、2、3和4m·s-1）條件下不同側通風口開度（25%、50%、75%和100%）時溫室內部的溫度。由圖6可知，溫室的平均氣溫a與冠層（植物高度0.7～1.5m）平均溫度變化一致，差距為0～0.6℃，當側通風口開度為25%時室內的平均溫度明顯高于側通風口開度為50%、75%及100%，說明室外溫度在31.5℃時，通風口開度越小，越難以降低室內溫度。溫室內的溫度受室外風速和側通風口的開度影響，隨著室外風速的增大而降低，當室外風速小于3m·s-1時，溫室內的平均溫度受風速影響較大，不同側通風口的溫度相差5.8、3.9、3.3、3.2℃，當室外風速大于3m·s-1時，溫室平均溫度及冠層溫度受室外風速影響較小，接近于室外溫度31.5℃；隨著溫室的側通風口開度增大而降低，當側通風口開度小于75%時，溫室內的平均溫度受側通風口開度的影響較大，當側通風口開度大于75%時，溫室平均溫度及冠層溫度受側通風口開度的影響較小，溫度相差0～0.2℃；從溫室內的平均溫度來看，溫室降溫效果最佳的側通風口開度為75%～100%。

2.3.2 溫室內平均氣流速度

不同室外風速條件和側通風口開度溫室內部氣流速度模擬結果見圖7。由圖可見，4種通風口開度對溫室內平均氣流速度的影響在不同室外風速條件下存在差異，冠層平均氣流速度高于溫室平均氣流速度，這是由于溫室通風口的高度與冠層高度一致，氣流速度較大。當溫室外風速為1m·s-1時，4種通風口開度的溫室內平均氣流速度極差為0.05m·s-1，這是由于室外風速較小，加之溫室跨度較大，導致通風口開度對室內氣流影響較小。當風速一定時，溫室內平均氣流速度隨著通風口開度的增大而增加。溫室內的平均氣流速度還受室外風速的影響。對于番茄作物來說，適宜的溫室內氣流速度為0.5～1m·s-1[26]，由圖7可知，為了滿足番茄作物對氣流速度的要求，當室外風速為1～3m·s-1時，溫室的側通風口開度建議為75%～100%；當室外風速為4m·s-1時，溫室側通風口開度建議為75%以下。

2.3.3 溫室通風率

由圖8可知，溫室不同通風口開度及不同室外風速對通風率具有顯著影響。溫室通風口開度一定時，溫室內通風率隨著室外風速的增大而增大，且通風率與室外風速存在線性關系，4個方程的R2均為0.99，與Kacira等[27]的研究結果一致，說明溫室內通風率受室外風速變化影響顯著。而在相同的室外風速下，溫室內通風率隨著通風口開度的增大而增大，通風口開度為50%、75%及100%時溫室內通風率分別為25%開度的1.7、2.6和3.3倍。由圖8知，溫室通風口開度為25%時，線性方程斜率較小，室外風速對溫室內通風率的影響較小，隨著溫室通風口開度增大，室外風速對溫室內通風率的影響逐漸增大。

3 結論與討論

采用CFD技術模擬溫室上通風口全開及兩側通風口開度為50%時溫室內溫度分布情況，模擬值與實測值的絕對誤差在0.2～2.9K，均方根誤差為1.6K，最大相對誤差為9.9%，平均相對誤差為4.13%，模擬值與實測值吻合良好，可將模型用于溫室自然通風熱環境模擬。

大跨度溫室上通風口及側通風口全開時，溫室內溫度分布較均勻，在不同風速條件下側通風口開度為25%、50%、75%及100%時，1～4m·s-1溫室內的平均溫度及氣流速度分別為35.5、34.0、33.3、33.3℃和0.52、0.63、0.67、0.75m·s-1，考慮溫室內溫度及風速對番茄作物的影響，番茄生長溫度為10～33℃，當室外風速小于3m·s-1時，通風口開度建議為75%～100%，若室外風速大于3m·s-1且室內溫度能滿足作物生長，則通風口開度建議低于75%。

大跨度溫室通風率與室外風速呈線性關系，通風率隨著室外風速的增大而增加。當通風口開度較小時，通風率受室外風速影響較小，溫室內的通風率受室外風速及通風口大小的共同影響。

大跨度溫室自然通風模型的研究對模擬結果的驗證僅限于溫度測點的驗證，未進行風速測點的驗證，因此，對氣流速度的分布只能提供理論研究。大跨度溫室模型的建立，未考慮作物對溫室內環境的影響，致使溫度模擬值高于實測值，且作物對氣流有一定的影響，后續將進一步優化模型參數，加入多孔介質及蒸騰模型來準確模擬溫室內環境變化，進一步提高模型的準確性。此外，本實驗風速超過3m·s-1及側通風口開度大于75%時，對溫室內溫度影響不大，未找出具體的風速及側通風口對溫度變化的趨勢轉折點，且本實驗未考慮頂通風口的大小，下一步研究將結合頂通風口和側通風口開度的組合以分析溫室內溫度與氣流變化的關系。

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Ventilation Simulation in a Large-scale Greenhouse Based on CFD

ZHANG Fang, FANG Hui, YANG Qi-chang, CHENG Rui-feng, ZHANG Yi, KE Xing-lin, LU Wei, LIU Huan

(1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agriculture Sciences/Key Laboratory of Energy Conservation and Waste Management of Agriculture Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)

To solve the problem that the inner available space of the traditional Chinese solar greenhouse is usually small, a new-type large-scale greenhouse which was tunnel type and had a wide span with steel frame and south-north orientation was designed. The distribution of airflow and temperature patterns, the effect of vent openings under different outdoor wind speed conditions on airflow and temperature patterns in a naturally ventilated large-scale greenhouse were studied. Firstly, simulation model of the airflow and temperature patterns in a naturally ventilated large-scale greenhouse was established by means of three-dimensional computational fluid dynamics (CFD). Secondly, the model was validated via the comparison with the field experimental results at the same locations where 13 temperature sensors were installed under the typical sunny day when the vent opening degree was 50%. The comparison between simulations and measurements showed that the absolute error was within 2.8℃, the square error was within 1.6℃, the maximum relative error was less than 9.9% and the average relative error was around 4.1%. An agreement existed between simulated and experimental results. Finally, the model which was validated was used to study the effect of vent opening degree (25%, 50%, 75% and 100%) under different outdoor wind speed (1, 2, 3, 4m·s-1) conditions on airflow and temperature patterns. The results showed that, the average temperature of the top of the greenhouse was higher than the bottom of the greenhouse, and the colder air outside went into the greenhouse from the west side vent, so the average temperature of the west of the greenhouse was lower than the east of the greenhouse. From south to north, the average airflow rates decreased in the greenhouse. Because of the west and east vents, the average air velocity in the center of greenhouse was lower than the side. When both top and side vents full opened, the airflow in greenhouse was relatively low. Temperature distribution was uniform in the large-scale greenhouse when the vent opening degree was 100%. The outdoor wind speed had a significant positive correlation with the ventilation rate when vent opening degree was kept constant. For the purpose of cooling, the optimum vent opening degree was 75%-100%. If the temperature of the greenhouse was suitable for crop growth and the outdoor wind speed was faster than about 3m·s-1, the optimum vent opening degree should be less than 75%.

CFD model; Model; Temperature field; Air flow field; Ventilation rate

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.04.003

2016-08-23

。E-mail：chengruifeng@caas.cn

科技部863計劃課題（2013AA102407）；國家自然科學基金（51508560）；國際科技合作專項項目（2014DFG32110）

張芳（1992-），女，碩士生，主要從事農業生物環境工程方面研究。E-mail：zhangfang_jy@163.com