夏季屋頂全開型溫室遮陽網降溫調控的CFD分析

張偉建　王新忠　李亮亮　洪亞杰

摘要：為研究遮陽網對屋頂全開型溫室夏季降溫的影響，建立屋頂全開型溫室的計算流體動力學（CFD）模型，在上海地區進行夏季試驗。通過對比試驗實測值與模擬值驗證了模型的有效性，并利用試驗和CFD模型分析了遮陽網對溫室降溫的影響，結果表明，遮陽網的使用層數對溫室降溫影響明顯，2層遮陽網下溫室室內外溫差為4.5 ℃，1層遮陽網下為3.7 ℃，無遮陽網為1.3 ℃；利用CFD模擬分析了增加外遮陽網后的溫室內溫度場，在基本滿足植物生長光照要求的情況下，溫室接收的太陽總輻射降為176.3 W/m2，室內平均溫度降為37.6 ℃，溫室內局部高溫狀況也被大大緩解。

關鍵詞：遮陽網；夏季降溫；屋頂全開型溫室；CFD

中圖分類號： S625.5+1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）19-0253-04

收稿日期：2016-04-27

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2014BAD08B03）；江蘇省重點研發計劃（編號：BE2016323）；江蘇省昆山市科技計劃（編號：KN1504）。

作者簡介：張偉建（1988—），男，江蘇連云港人，碩士研究生，主要從事溫室流場方向研究。E-mail：9492945497@qq.com。 夏季降溫一直是困擾玻璃溫室種植的一個重大問題，采用機械通風降溫，耗能較高，且易形成不均勻的溫度場，造成作物品質下降。采用自然通風時耗能少，溫度分布均勻，但傳統溫室的設計方式使溫室天窗通風率低，難以實現自然通風的有效降溫。屋頂全開天窗型溫室增強了溫室自然通風效果，配合遮陽網的使用，在夏季高太陽輻射弱風天氣中達到很好的降溫效果。這種新型溫室在我國尚處在推廣期，有待進一步加強對其的試驗分析和理論研究。

目前，溫室流場研究大多針對塑料大棚或普通文洛型溫室展開[1-3]，表明計算流體動力學（computational fluid dynamics，簡稱CFD）方法是溫室流場研究中的有效手段。遮陽網是重要的溫室調控設備，對溫室室內溫度、濕度等環境參數的調節都起到了非常重要的作用。沈明衛等利用布點測量的研究方法分別建立了遮陽網對溫室內環境調控影響的光輻射模型，該模型可以在測得室外光照度和遮陽網自身參數的情況下預測遮陽溫室的室內光照情況[4-6]。Abdel-Ghany等給出了不同遮陽網布置下遮陽溫室對室外輻射值的接收情況[5-6]，為使用CFD方法進行遮陽網對溫室調控影響的模擬提供了直接參考。Willits等利用布點測量的方法研究發現，遮陽網的使用不僅有利于溫室的降溫，也有利溫室內植物水分的保持[7]。李永欣等采用了輻射折算的方法成功地在CFD中模擬了遮陽網對溫室內環境的影響[8]。遮陽網對溫室的調控作用巨大，已有文獻主要針對溫室中的某幾個點分析遮陽網的影響，利用CFD手段從整體溫室流場角度研究遮陽網對溫室調控的影響?？傊?，前人的研究多針對大棚溫室、日光溫室等傳統溫室類型，針對屋頂全開窗型溫室的研究較少，尤其是考慮遮陽網后的屋頂全開窗型溫室自然通風調控的研究。

本研究對屋頂全開窗型溫室進行了夏季高溫天氣下的實測試驗，對比不同遮陽網層數工況下室溫的變化情況，分析遮陽網使用層數對溫室降溫的影響。利用溫室CFD模型描述溫室內的溫度分布，模擬分析在增加外遮陽網后溫室的流場分布情況，為使用遮陽網降溫調控提供參考。

1 試驗方案與CFD建模

1.1 試驗對象

試驗屋頂全開型溫室是位于上海金山區的連棟溫室，溫室南北走向，共3跨，溫室整體長41.10 m，寬28.80 m，檐高 4.32 m，脊高5.30 m，天窗可開至水平傾角52°，選取溫室中間1跨進行室內溫度測量。溫室配備2層室內遮陽網，分別位于距地4.0、4.5 m的高度上。溫室東西2面玻璃墻無通風設備，北墻有風機，尺寸為1.38 m×1.38 m，距地0.32 m，每跨2臺，均勻分布在跨間寬度上，南墻有濕簾，距地0.4 m，濕簾寬1.5 m（圖1）。在CFD建模分析時，以正東向為x軸正向，以向上高度方向為y軸正向，以正南向為z軸正向，溫室西北角立柱和地面交點為坐標軸原點。

1.2 試驗方法

使用ZDR-3WIS型溫度自動記錄儀對溫室內溫度進行測量，設置記錄時間間隔為5 min，每個溫度記錄儀有3個溫度測量探頭，測量時，3個探頭分別分布在0.7、1.3、2.2 m等3個不同的高度上，將記錄儀布置成2個成十字交叉的豎直面（圖2）。

使用TYD-ZS2型環境數據記錄儀記錄外部環境數據，設置記錄時間間隔為1 min，該氣象站可測量室外的太陽總輻射、光照度、氣溫、風速、風向等環境指標。2015年8月1日13：50—15：20對屋頂全開型溫室進行室內外參數的測量，氣象站位于距溫室20 m的室外空曠處，溫室2層室內遮陽網都打開，東西2跨中僅中間小屋頂（指每跨屋頂中有3個小屋頂）的天窗打開，居中1跨的3個小屋頂全部打開，將北山墻的風機后蓋打開，溫室北端外部氣流從風機口的位置進入溫室，溫室南端以南山墻干濕簾透氣孔為通風口。試驗中，使用FLUKE Infrared Thermometers 568紅外點溫儀進行溫室內外地面和玻璃溫度的測量，每15 min測量1次。

1.3 模型設置

1.3.1 模型邊界條件和材料屬性設置 本研究在ICEM軟件中建立了幾何模型，該模型設立10倍于溫室長寬高尺寸的計算域。對模型進行網格劃分，整體劃為343萬個網格，其中溫室網格92萬個。根據溫室的空氣流動特征[9]，在Fluent中選取標準k-ε湍流方程，選取DO輻射模型進行計算。仿真中，將實測風向、風速進行矢量分解，設置西側和南側計算域為進風口，風速都設置為0.566 m/s，東側和北側為出風口。

選取13：50時的環境參數驗證模型。按照實際測量的溫度值設置內外地面及覆蓋材料模型中的溫度，模型中空氣、地面和玻璃等材料的屬性設置如表1所示。endprint

1.3.2 遮陽網和干濕簾在數字模型中的設置 本研究根據已有的關于遮陽網的研究文獻[5-6]，結合試驗屋頂全開型溫室所用遮陽網具體材料的物性參數，通過輻射折減的方式實現溫室遮陽的模擬。模擬設置中，將輻射值由 821.000 W/m2 的室外太陽輻射折減為2層遮陽網下的 341.257 W/m2。

在試驗過程中，發現濕簾通風口在夏季高溫條件下對溫室山墻通風有很大影響，在模型中應反映干濕簾的影響。通過分析干濕簾對空氣的阻礙特性，本研究在模型中將干濕簾視作多孔介質，并且忽略流體的非線性慣性損失量，由基本滲流定律[10]得出：

ΔP=-μvαΔm。（1）

其中：ΔP為流體在材料兩側的壓力差，N/m2；μ為流質黏度，取18.6 μPa·s；v為流質到達材料表面的速度，取實測值 1.3 m/s；α為材料的滲透率，m2；Δm為材料的厚度，測得為0.1 m。

忽略溫室內外熱壓的影響，利用實際測量的干濕簾兩側風速值，通過伯努力風-壓普遍應用關系[11]求得：

P=0.5ρv2。（2）

其中：P為風壓；ρ為空氣密度，取1.25 kg/m3；v為風速?？衫迷囼炛袑崪y的濕簾兩側風速通過公式（2）求出氣壓差。一側風速為1.3 m/s，另一側為0.3 m/s，所以，求得氣壓差ΔP=-1 N/m2。在取得ΔP、μ、v、Δm值的情況下，可通過公式（1）求得濕簾材料的滲透率α=2.4 mm2。

2 結果與分析

2.1 不同的遮陽網工況下溫室降溫效果分析

圖3為溫室在2層內遮陽網、1層內遮陽網和無遮陽網3種遮陽工況下溫室室內溫度和室外溫度的數據對比，數據記錄時溫室都處在自然通風狀態。分析可見，遮陽網的使用層數對溫室降溫調控的影響明顯，在2層遮陽網下，溫室內外溫度平均相差4.5 ℃；當變為1層遮陽網時，室內外溫度平均相差3.7 ℃；當無遮陽網時，室內外溫度平均僅相差13 ℃。

2.2 CFD模型的驗證

經過模擬，將室內相同位置的模擬值和試驗實測值進行對比。以1～7的排列順序將2.3 m高度溫度傳感器的探頭位置記為P1～P7，1.3 m高度記為P8～P14，0.7 m高度記為P15～P21，將各位置上的模擬值和試驗實測值進行對比，對比情況如圖4所示。

由圖4可見，在各個高度上，模擬值與實測值的變化的趨勢基本一致，兩者最大相對誤差為6.1%，最小相對誤差為03%，實測值與模擬值的平均相對誤差為1.1%，驗證模型有效。

2.3 溫室溫度場的CFD分析

由圖5可以看出，溫室溫度分布整體的均勻情況較差，尤其在溫室西北方向形成一大片的高溫區域，不利于作物種植。

由圖6可知，距地面1 m處沿溫度長度方向上的最高溫度為39.8 ℃，最低溫度為38.7 ℃，平均溫度為39.3 ℃。結果表明，在距地面1 m高度處溫室不同位置的溫差較大，并且溫度整體偏高。

2.4 基于CFD的屋頂全開型溫室的遮陽網降溫調控

為模擬溫室加設外遮陽網的工況，在CFD模型中需要對遮陽網遮蓋區域進行輻射折減。通過文獻資料[5-6，12]分析，如模擬溫室使用2層內遮陽和1層外遮陽的工況，須要將模型中室外太陽總輻射在原始值824.0 W/m2的基礎上折減為1763 W/m2。根據文獻[13]的光照模型，并結合遮陽網材料參數，此狀態下溫室的室內光照度為31.5 klx，光照度值處在大多數花卉的光補償點和光飽和點之間，滿足植物對光照度的要求。

3 結論

遮陽網使用層數對溫室的降溫影響明顯，在2層遮陽網下，屋頂全開型溫室室內溫度與室外溫度平均相差 4.5 ℃；1層遮陽網下，室內外溫度平均相差 3.7 ℃；當無遮陽網時，室內外溫度平均僅相差1.3 ℃。

假設溫室的空氣流動符合標準壁面函數，選取標準k-ε湍流方程做溫室湍流模擬，選取DO輻射模型作為輻射計算方法，建立并實測驗證了屋頂全開型溫室CFD模型的有效性。利用CFD模擬加設外遮陽網后溫室的溫度場情況，在調控溫室接收的輻射值折減為176.3 W/m2后，室內光照度基本滿足植物生長要求，溫室內的平均溫度變為37.6 ℃，比現行工況降低了0.8 ℃，且溫室內局部高溫的情況被大大緩解。

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