基于CFD的日光溫室墻體蓄熱層厚度的確定

許紅軍，曹晏飛，李彥榮，阿拉帕提，高 杰，蔣衛杰，鄒志榮

?

基于CFD的日光溫室墻體蓄熱層厚度的確定

許紅軍1,2，曹晏飛1，李彥榮2，阿拉帕提2，高 杰2，蔣衛杰2，鄒志榮1,2※

（1. 西北農林科技大學園藝學院農業部西北設施園藝工程重點實驗室，楊凌 712100； 2. 新疆農業大學林學與園藝學院，烏魯木齊 830052）

日光溫室墻體蓄放熱能力的優劣取決于墻體蓄放熱特性與蓄熱層厚度，確定日光溫室蓄熱層厚度，對于推進日光溫室墻體改進意義重大。該研究以溫室內太陽輻射與室外氣溫作為輸入條件，按照試驗溫室實際尺寸和相關關系進行參數化建模并模擬計算不同月份墻體蓄熱層厚度。選擇烏魯木齊地區2018年1月－4月典型晴天進行測試，以溫室地面、墻體表面的太陽輻射為輸入條件，室外空氣溫度為邊界條件，利用Autodesk CFD軟件對晴天9:00至次日9:00的溫室磚墻內部溫度場進行了模擬，并通過對比墻體內部0、10、20、30、40、50 cm處溫度測點的實測值與模擬值驗證模擬結果的準確性。結果表明，溫室墻體模擬結果與測試結果吻合度較高，1月9日、2月9日、3月6日各層平均誤差均在1.5 ℃以下，4月6日實際值與模擬值誤差較大，模擬值較實際值滯后，趨勢隨著深度與墻體溫度的升高而更加明顯。在溫室墻體材料、結構、室內外的光溫環境的共同影響下，溫室墻體傳熱是一個復雜的非穩態過程。磚墻溫室與土墻溫室類似，墻體可劃分為“保溫層、穩定層、蓄熱層”，各層的厚度與墻體蓄熱材料、保溫材料的熱物性有關。對墻體溫度場、各層的溫度衰減因子以及延遲時間分析可知，墻體厚度在0～30 cm范圍內，墻體溫度波動較為明顯，墻體厚度大于30 cm時，溫室墻體一天內溫度波動較為平緩，波幅較小。隨著氣溫回升，溫室墻體內部溫度整體提高，各層溫度波動相差不大。在溫室結構、保溫性能不變的情況下，溫室蓄熱層厚度及波動情況受外界光溫環境的綜合影響較小。綜上所述，采用CFD模擬溫室墻體溫度場的變化，并根據溫室墻體溫度場變化確定溫室墻體蓄熱層厚度是可行的，可靠性較高。該研究可為其他區域優選溫室墻體結構，推進日光溫室墻體改進提供依據和參考。

溫室；墻體；計算機仿真；流體力學；蓄熱層厚度；傳熱性能

0 引 言

日光溫室以其優良的保溫節能特性，在中國北方得到廣泛應用。墻體作為日光溫室中最重要的圍護結構兼有承重、保溫和蓄熱的功能，對于保持溫室氣溫的穩定起著至關重要的作用[1-2]。墻體蓄放熱能力的優劣，一方面與墻體材料的儲熱特性有關，另一方面取決于蓄熱層厚度。因此，確定日光溫室蓄熱層厚度，對于推進日光溫室墻體改進，推動設施農業發展意義重大。

陳端生[3]早期就提出日光溫室理想的墻體結構是內側以吸熱、蓄熱能力強的材料組成蓄熱層，外側以導熱、放熱能力差的材料組成保溫層。已有大量研究表明，測試墻體內部溫度，分析溫室蓄放熱特性，可為各地日光溫室墻體建造提供合理依據[4-8]。

張志錄等[9]在溫室測試中發現，墻體內部一定區域測點間溫度相同或很接近，日變化幅度很小，并將其定義為“穩定層”。“穩定層”厚度與墻體厚度有關，位置及厚度隨季節而變化。黃雪等[10]根據溫室墻體受外界環境影響的大小，將墻體由內到外劃分為“蓄熱層、過渡層、御冷層”，并提出確定各層的合理厚度即可確定溫室墻體的厚度。彭東玲等[11]通過計算機模擬計算，根據墻體內熱流方向，將能向室內方向放熱的薄壁為定義為“有效蓄熱層”，并根據測試結果說明其厚度與墻體材料與天氣狀況有關。李明等[12]認為蓄熱層厚度可根據墻體溫度波幅來確定，定義為溫波法。將蓄熱層定義為溫室室內側墻體溫度波幅大于1 ℃的部分，并開發了基于一維差分法蓄熱層計算方法。白青等[13]將溫室墻體分為“波動層、穩定層、保溫層”，提出了一種利用溫波傳播速度計算墻體厚度的方法。

上述對于確定蓄熱層厚度的方法，多是基于單一土質墻體，在試驗測量的基礎上進行歸納總結得出蓄熱層的厚度。由于蓄熱層的厚度受材料、溫室熱環境的影響，要全面掌握各類日光溫室墻體的蓄熱性能與蓄熱層厚度，還需要通過其他方法進行墻體導熱的理論研究與分析。

隨著計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）與數值傳熱學的不斷發展，多種CFD分析計算軟件被開發出來。佟國紅等[14-17]利用CFD技術分析溫室內部溫度場的變化，測試結果與模擬結果吻合度較高，并討論了不同模擬條件對結果準確度的影響。張林華等[18-19]通過對于下沉式日光溫室溫度場及保溫性進行了分析。張勇等[20-21]分析了主動蓄熱結構與不同厚度方式下溫室內部的溫度變化，指出采用CFD技術分析溫室溫度場的動態變化，準確度較高，對于溫室設計及溫度環境控制具有理論指導意義。

綜上所述，中國對于溫室墻體蓄熱層厚度確定的研究較少。對于蓄熱層的定義、測試、分析方法研究結果也不盡相同。中國幅員遼闊，受室外環境和季節的影響，通過不同地區試驗得出的蓄熱層厚度，難以為其他區域、不同類型溫室建設提供設計參考。因此，本文在前人研究的基礎上，提出根據不同地區氣候環境、不同材料與溫室結構類型，利用CFD技術模擬溫室墻體溫度場，確定蓄熱層厚度的方法，對豐富日光溫室墻體蓄熱層厚度確定方法和理論具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室

試驗溫室位于新疆農業大學三坪教學實習基地（N43.92，E87.35）。日光溫室坐北朝南，南偏西8°，東西方向長60 m，跨度為8 m，脊高3.8 m，后墻高2.8 m，后屋面仰角40°。日光溫室示意圖如圖1所示。溫室前屋面使用PO塑料薄膜，后屋面由0.1 m聚苯乙烯彩鋼板構成，日光溫室后墻采用了0.01 m水泥砂漿抹面+0.5 m實心黏土磚砌體+0.1 m聚苯乙烯彩鋼板的復合墻體。環境參數監測時間為2018年1月至2018年4月，監測參數為溫度和太陽輻射。

圖1 日光溫室示意圖

1.2 溫室環境監測

以溫室長度方向1/2處（距離山墻30 m）日光溫室剖面為主要測量平面。溫室內部太陽輻射由PDE-KI環境數據記錄儀（哈爾濱物格電子技術有限公司生產，測量范圍：0～2 000 W/m2，準確度±3%，分辨率1 W/m2）采集，分別監測溫室長度方向1/2剖面，墻體內表面1.5m高度處太陽輻射強度與跨度1/2處地面太陽輻射強度。溫室墻體內部溫度與室內外空氣溫度由PDE-R4溫度數據記錄儀（哈爾濱物格電子技術有限公司生產，溫度測量范圍?30～70 ℃，準確度±0.5 ℃，分辨率0.1 ℃）采集。在溫室長度方向1/2剖面處，在溫室后墻內表面1.5 m高度處，在墻體厚度方向由內至外均勻布置11個測點，測點間距5 cm，在溫室長度方向1/2處，跨度1/2處，由溫室地面至1 m深度土壤中均勻布置11個測點，測點間距10 cm測定溫室內土壤溫度變化，并測試該位置1.5 m高度處測試室內空氣溫度變化，在溫室外1.5 m高度距溫室 2 m處測試室外空氣變化，所有測點記錄數據的時間間隔均為10 min。

1.3 數據處理

本文試驗數據采用origin 2017進行數據分析及圖表的制作。

2 日光溫室墻體溫度場CFD模擬

為了更直觀地了解溫室墻體的溫度場情況，本文通過Autodesk Simulation CFD軟件進行CFD模擬。該軟件是Autodesk公司開發的一款進行傳熱和流體流動分析的計算流體力學工具軟件，它可以進行高速湍流與不可壓縮流，以及導熱與對流傳熱的仿真分析，國內外研究[22]中均有應用。

2.1 溫室墻體傳熱過程

墻體獲得太陽輻射后，內表面溫度迅速升高，在太陽輻射的作用下，溫度將高于其他圍護結構。在溫差的驅動下，墻體內表面一方面與溫室內空氣對流換熱，使溫室環境溫度升高，同時也通過導熱方式向墻體外表面散熱，進一步通過輻射傳熱方式向溫室內部結構散熱。

2.2 控制方程

假設溫室內濕空氣為理想氣體，墻體、土壤密度均勻，氣密性良好。模擬遵循基本的物理守恒定律包括：質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律及組分守恒定律[23]。連續方程、動量方程、能量方程可寫成下列形式

2.3 幾何模型

該研究中日光溫室的長度尺寸遠遠大于高度及跨度尺寸，中間截面傳熱過程能夠反映除兩側山墻外內部的傳熱過程，故將跨度方向溫室截面作為模擬區域。模型采用Autodesk SimStudio Tools 2016 R2按照試驗溫室實際尺寸和相關關系進行參數化建模。采用TRIM網格，整體域網格基本尺寸為50 mm，共計生成20 300個節點與38 879網格單元。圖2為日光溫室模型及網格劃分。

2.4 邊界條件與初始條件

尺寸精確的幾何模型，準確的邊界條件與初始條件是獲取準確的蓄熱層厚度結果的保證。一方面為保證在一天內CFD幾何模型的一致，另一方面保證溫室墻體熱量夜間充分釋放，測試溫室試驗期間，未進行覆蓋保溫被。為減小溫室內夜間溫度低對結果造成的影響，本文選擇本研究分別選擇1月9日、2月9日、3月6日、4月6日作為典型晴天，在不同的室內空氣溫度下模擬，測試墻體溫度變化。圖3為CFD模擬邊界條件的測定。

測試以溫室地面、墻體表面的太陽輻射為輸入條件，室外空氣溫度為邊界條件，以9:00溫室內部各圍護結構內部的溫度為初始條件。此時溫室墻體、地面不同深度處溫度相差不大，故墻體、地面與空氣均采用各自內部溫度的平均值作為該部分的整體溫度。表1為溫室內部各部分模擬初始溫度取值，模擬當天9:00至次日9:00的溫室墻體內部溫度場。溫室墻體表面（素灰水泥砂漿抹面）、地面太陽輻射吸收系數[24]為0.74，前屋面換熱系數[25]為8.99 W/(m2·K)，后屋面與后墻換熱系數為12.25 W/(m2·K)。表2為溫室圍護結構從材料的熱物性參數。

圖2 日光溫室模型及網格劃分

圖3 CFD模擬邊界條件的測定

表1 溫室內部各部分模擬初始溫度

表2 溫室圍護結構從材料的熱物性參數

注：表2為材料在27 ℃時的熱物性參數。

Note: Table 2 shows the thermal property parameters at 27 ℃.

2.5 數值計算方法

為準確計算溫室墻體與空氣的換熱，溫室空氣設定為溫度作用下的自然對流，湍流模式采用標準方程模型，計算機采用聯想ThinkPad E450 Microsoft Windows 10 (Build 9200)，Intel(R) Core(TM) i5-5200U CPU @ 2.20 GHz，物理內存16 GB，Intel 64 位。模擬時間為步長為60 s，步數為1 440步，共計86 400s。

2.6 模擬結果驗證

通過對比墻體內部0、10、20、30、40、50 cm位置處溫度測點的試驗值與模擬值來驗證所建模型的準確性，結果如圖4所示。

由圖4可知，溫室模擬的墻體溫度變化與實際測試結果變化規律相同。整體而言，墻體表面溫度及內部溫度的測試結果與模擬結果吻合度較高，尤其是1月9日、2月9日、3月6日各層平均誤差均在1.5 ℃以下，4月6日實際值與模擬值誤差較大，各層誤差詳見表3。由圖4可知，模擬值較實際值滯后，趨勢隨著深度與墻體溫度的升高而更加明顯（圖4d）。各層間誤差也不盡相同。分析造成該現象的原因與所設定的初始條件、材料屬性以及邊界條件有關。首先，本文模擬所使用的初始條件是溫室墻體各層測定值的平均值，各層溫度初始值與實際初始值存在差異，但該差異較小，對溫室測定誤差影響不大。其次，邊界條件的設定與材料參數的取值對溫室模擬的準確性的影響較大。受試驗條件的限制，本文中材料熱物性參數均參考自相關標準[24]和文獻[26]在27 ℃下的測試值。難以反映溫室內部材料熱物性參數隨溫度而發生動態變化。模擬邊界條件也會因溫室溫度的變化而變化，從本文測試結果與模擬結果的差異來看，溫室墻體溫度越高變化越劇烈，模擬結果與測試結果的差異也就越大。

圖4 墻體內部不同深度處溫度模擬值及實測值

表3 墻體不同深度處溫度模擬值與實測值誤差

2.7 墻體內部溫度場分析

溫室墻體模擬結果與測試結果吻合度較高，表明該計算模型得出的溫室內部溫度場變化較為準確。本文給出了1月9日、2月9日、3月6日、4月6日溫室墻體內部溫度場的變化與溫室墻體不同深度的溫度波動情況，如圖5所示。

注：左側為墻體外側。

由圖5可知，在溫室墻體材料、結構、室內外的光溫環境的共同影響下，溫室墻體傳熱是一個復雜的非穩態過程。溫室墻體在外保溫的作用下，磚墻本身受外界溫度直接影響較小。一天中，溫室墻體溫度通過太陽輻射進行熱量蓄積迅速升溫，墻體內表面溫度＞墻體中部溫度＞墻體外表面溫度；夜間，墻體中部溫度＞墻體內表面溫度＞墻體外表面溫度。溫室墻體溫度主要是受溫室內太陽輻射與空氣溫度的影響，溫度波沿著墻體厚度方向振動幅度逐漸減小，滯后時間增長。測試期間，墻體厚度在0～30 cm范圍內，墻體溫度波動較為明顯，墻體表面的溫度波動分別為24.5、29.10、32.2、30.1 ℃；在30 cm處最大溫度波動分別為3.4，4.1，5，3.7 ℃；在50 cm處最大溫度波動分別為1.1，1.1，2.2，1.2 ℃。墻體厚度大于30 cm時，溫室墻體一天內溫度波動較為平緩，波幅較小。隨著氣溫回升，溫室墻體內部溫度整體提高，各層溫度波動相差不大。由此可見，在溫室結構、保溫性能不變的情況下，溫室蓄熱層厚度及波動情況受外界光溫環境的綜合影響較小。

2.8 墻體蓄熱層厚度的確定

溫室墻體蓄熱特性可通過墻體溫度的衰減與延遲展開評價。如圖6所示，隨著太陽輻射周期性變化，溫室墻體溫度也隨之做周期性變化，變化幅度會隨著墻體的厚度方向逐漸衰減。本文使用衰減因子與延遲時間分析墻體內部不同厚度處溫度隨時間的變化。本文通過測試采用衰減因子與延遲時間來表示。定義溫室墻體厚度方向某一位置溫度的波幅與墻體內表面溫度波幅的差值與溫室內表面的比值定義為衰減因子。延遲時間為在以24 h為1個周期內溫度波由墻體內表面傳至墻體內部某點所需的時間。延遲時間和衰減因子的計算公式分別為

0,max?t,max（2）

(0?A)/0（3）

式中t,max為墻體內表面溫度達到最大值的時刻，min；t,max為墻體內某點溫度達到最大值的時時刻，min；0為墻體內表面溫度的波幅，℃；A為墻體內某點溫度的波幅，℃。

注：A0為墻體內表面溫度的波幅；An為墻體內某點溫度的波幅。

根據不同月份室外環境條件測試墻體內部不同位置的溫度變化，可計算墻體的衰減因子和延遲時間，如圖7所示。

圖7 日光溫室墻體蓄熱層厚度的確定

由圖7可知，隨著厚度的增加，衰減因子與延遲時間不斷增大。墻體溫度衰減因子在0~20 cm增加較為明顯，1月9日、2月9日、3月6日、4月6日20 cm處的衰減因子分為0.66、0.65、0.64、0.67，延遲時間為90、120、100、130 min；在20～30 cm衰減因子增長增加緩慢，30cm處的衰減因子分為0.86、0.86、0.85、0.88，延遲時間分別為350、370、340、320 min；30～50 cm變化不明顯，50 cm處的衰減因子分為0.96、0.96、0.93、0.96，延遲時間分別為1 050、1 010、980、1 010 min。延遲時間越長，墻體內部溫度受室內外影響越小，只起到保溫維持墻體溫度的作用，難以起到溫室蓄熱作用。衰減因子越小，溫度波動振幅就越大，蓄熱能量就越強，相反，衰減因子越大，溫度越穩定，對溫室環境影響就越小。通過對衰減因子進行方差分析可知（表4），溫室墻體厚度0～35 cm各層溫度衰減因子間存在顯著差異，35～50 cm處各層溫度衰減因子趨于平緩，無顯著差異。溫室墻體厚度25與30 cm處存極顯著差異，30～50 cm處無極顯著差異。因此，本文認為在溫室墻體外保溫的作用下，溫室墻體厚度在0～30 cm范圍內為墻體蓄熱層，30～50 cm為熱穩定層。蓄熱層厚度可確定在30～35 cm之間。

根據1－4月份測試結果來看，墻體內部溫度隨氣溫回升而整體提高，各層衰減因子與延遲時間變化不大，說明蓄熱層與穩定層厚度在外界光溫環境的影響下隨環境的變化不大。

通過對上述衰減因子進行Logistic回歸分析，可得衰減因子與厚度的關系為

以1 cm厚度為單位計算溫室墻體厚度各處溫度衰減因子變化發現，溫室墻體厚度超過32 cm，相鄰各單位厚度溫度衰減因子變化率小于0.01。因此可定義溫室墻體內部厚度相鄰1 cm處溫度衰減因子變化不超過0.01時即為溫室蓄熱層厚度。

表4 溫室墻體各層的溫度衰減因子

注：a~h表示差異顯著（＜0.05）；A~F表示差異極顯著（＜0.01）。

Note: a-h indicates significant difference (<0.05); A-F indicates that the difference is extremely significant (<0.01).

3 討 論

由于中國日光溫室墻體類型多數為土墻溫室，墻體厚薄差異大且各地標準不一，為實現土墻溫室的輕簡化，目前溫室墻體的蓄放熱特性及與厚度相關的研究主要集中于土墻溫室。近年來，隨著墻體保溫技術的不斷發展，墻體外保溫以其有效的保護墻體維持墻體的熱穩定性，已成為保溫技術的新方向。研究墻體外保溫作用下蓄熱層厚度，可對溫室改革起到推動作用。圖8為日光溫室墻體內部溫度變化實測值。

1）由圖4、圖8可知，在對溫室墻體CFD模擬中，受材料與初始條件、邊界條件的影響，模擬結果與實際結果存在誤差。本研究墻體、土壤、空氣所采用的初始溫度為各自內部測點的平均溫度，與實際情況存在一定差異。如果通過測試加載各測點的實際初始溫度，模擬準確度可再提高，但就失去做模擬的意義。因此，如何確定較為準確的模擬初始值，是后續研究進行CFD模擬時需進一步深化的內容。是否可將墻體劃分為若干層，每層設定不同的初始溫度？或者，先通過穩態計算獲取墻體內部的溫度場變化，在此基礎上進行非穩態溫度場的模擬？需要進一步探索。

圖8 日光溫室墻體內部溫度變化實測值

2）由于墻體具有蓄放熱的特性，因而墻體夜間的自然冷量可降低白天的高溫，白天蓄積的熱量提高夜間的低溫。理論上講，蓄放熱能力越強，蓄放熱速率越快，則室溫相對越穩定。從目前研究現狀可以看出，墻體傳熱是一個復雜的非穩態過程，墻體材料、尺寸、地域氣候、保溫形式（內保溫、夾心保溫和外保溫）、結構類型對墻體蓄放熱都會產生影響[5]。因此，單純試驗測試某地溫室墻體蓄熱層厚度，是絕對的，只對同區域、同類型、同材料溫室有一定借鑒意義，難以推而廣之。本文嘗試通過本研究所提出的CFD模擬方法，對于不同區域、不同溫室類型的墻體蓄熱進行分析，從溫室墻體溫度的相對變化的角度來確定溫室蓄熱層厚度，適應范圍廣，可為溫室設計建設提供參考。

3）由圖5可知，溫室墻體內部存在一個溫度相對穩定的區域，與張志錄等[9,13]提到的土墻溫室內部的“穩定層”較為相似，外墻保溫板相當于黃雪等提出的土墻溫室的“御冷層”。不同月份，溫室墻體內部不同位置溫室的波動程度相差不大，這與張志錄等提出的“熱穩定層位置及厚度隨季節而變化”研究結果不相符，蓄熱層厚度的變化與白青等得出“隨著外界氣溫回暖，蓄熱層厚度逐步變薄。”研究結果不一致。分析造成該現象的原因一方面是磚墻溫室保溫層的導熱系數遠低于土墻溫室“御冷層”導熱系數，保溫層保溫隔熱能力強，使墻體內部溫度波動小；另一方面，隨著外界氣溫回暖，室外空氣溫度不斷提高，但是受太陽方位的影響，墻體表面所接受到的太陽輻射逐漸降低（圖3），在光溫的綜合作用下，磚墻溫室內部“穩定層”、“蓄熱層”厚度變化不大。本文認為溫室墻體內部溫度穩定區域的形成是由保溫板減少與外界的傳熱形成的。保溫板保溫能力與墻體蓄熱層、穩定層厚度的關系，需進一步研究。

4 結 論

本文以磚墻溫室為研究對象，利用CFD軟件對溫室墻體溫度場動態變化進行模擬及驗證，得出以下結論：

1）以溫室墻體、地面太陽輻射強度與室外的空氣溫度為輸入條件，綜合考慮溫室墻體內部導熱，與室內外空氣對流換熱、輻射換熱，利用CFD軟件模擬溫室墻體內部溫度場變化，結果吻合較好，說明了采用CFD模擬溫室墻體溫度場的變化是可行的，可靠性較高。

2）溫室墻體厚度在0～30 cm范圍內，墻體溫度波動較為明顯，墻體厚度大于30 cm時，溫室墻體溫度波動平緩，根據1－4月份測試結果來看，磚墻溫室內部溫度隨氣溫回升而整體提高，不同深度處溫度波動幅度相差不大。本文通過分析墻體內部溫度衰減，通過對衰減因子進行Logistic回歸分析，定義溫室墻體蓄熱層厚度，并測得磚墻外保溫墻體在烏魯木齊的蓄熱層厚度為32 cm。

3）磚墻溫室與土墻溫室類似，墻體可劃分為“保溫層、穩定層、蓄熱層”，各層的厚度與墻體蓄熱材料、保溫材料的熱物性有關。從本文模擬與測試的結果來看，在墻體材料熱物性不變的情況下，各層受外界環境的綜合影響厚度變化不大。

其他區域或其他溫室結構類型可利用本文提供的方法，通過氣象部門獲取太陽輻射與氣溫的動態變化數據，根據溫室結構參數與環境參數建立日光溫室溫度環境動態模擬模型，模擬溫室墻體內部溫度場的動態變化，可起到優選溫室墻體結構，推進日光溫室墻體改進的作用。

[1] 陳青云. 日光溫室的實踐與理論[J]. 上海交通大學學報：農業科學版，2008，26(5)：343－350.

Chen Qingyun. Progress of practice and theory in sunlight greenhouse[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University : Agricultural Science, 2008, 26(5): 343－350. (in Chinese with English abstract)

[2] 鮑恩財，曹晏飛，鄒志榮，等. 節能日光溫室蓄熱技術研究進展[J]. 農業工程學報，2018，34(6)：1－14.

Bao Encai, Cao Yanfei, Zou Zhirong, et al. Research progress of thermal storage technology in energy-saving solar greenhouses[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(6): 1－14.(in Chinese with English abstract)

[3] 陳端生. 中國節能型日光溫室建筑與環境研究進展[J]. 農業工程學報，1994，10(1)：123－129.

Chen Duansheng. Advance of the research on the architecture and environment of the Chinese energy-saving sunlight greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1994, 10(1): 123－129. (in Chinese with English abstract)

[4] 楊建軍，鄒志榮，張智，等. 西北地區日光溫室土墻厚度及其保溫性的優化[J]. 農業工程學報，2009，25(8)：180－185.

Yang Jianjun, Zou Zhirong, Zhang Zhi, et al. Optimization of earth wall thickness and thermal insulation property of solar greenhouse in Northwest China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(8): 180－185. (in Chinese with English abstract)

[5] 李明，魏曉明，齊飛，等. 日光溫室墻體研究進展[J]. 新疆農業科學，2014，51(6)：1162－1170，1176.

Li Ming, Wei Xiaoming, Qi Fei, et al. Research progress in wall of solar greenhouse[J]. Xinjiang Agricultural Science, 2014, 51(6): 1162－1170, 1176. (in Chinese with English abstract)

[6] 馬月虹，李保明，張家發，等. 北疆麥殼砂漿砌塊填充蓄熱材料復合墻體日光溫室熱性能[J]. 農業工程學報，2018，34(13)：233－238.

Ma Yuehong, Li Baoming, Zhang Jiafa, et al. Thermal performance of solar greenhouse with composite wall using wheat shell-mortar block filling with heat storage material in north Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 233－238. (in Chinese with English abstract)

[7] 鮑恩財，申婷婷，張勇，等. 裝配式主動蓄熱墻體日光溫室熱性能分析[J]. 農業工程學報，2018，34(10)：178－186.

Bao Encai, Shen Tingting, Zhang Yong, et al. Thermal performance analysis of assembled active heat storage wall in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(10): 178－186. (in Chinese with English abstract)

[8] 趙淑梅，莊云飛，鄭可欣，等. 日光溫室空氣對流蓄熱中空墻體熱性能試驗[J]. 農業工程學報，2018，34(4)：223－231.

Zhao Shumei, Zhuang Yunfei, Zheng Kexin, et al. Thermal performance experiment on air convection heat storage wall with cavity in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 223－231. (in Chinese with English abstract)

[9] 張志錄，王思倩，劉中華，等. 下沉式日光溫室土質墻體熱特性的試驗與分析[J]. 農業工程學報，2012，28(12)：208－215.

Zhang Zhilu, Wang Siqian, Liu Zhonghua, et al. Experiment and analysis on thermal characteristics of cob wall in sunken solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(12): 208－215. (in Chinese with English abstract)

[10] 黃雪，王秀峰，魏珉，等. 下挖式日光溫室土墻溫度和熱流的變化規律[J]. 應用生態學報，2013，24(6)：1669－1676.

Huang Xue, Wang Xiufeng, Wei Min, et al. Variation patterns of soil wall temperature and heat flux in sunken solar greenhouse[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2013, 24(6): 1669－1676. (in Chinese with English abstract)

[11] 彭東玲，張義，方慧，等. 日光溫室墻體一維導熱的MATLAB模擬與熱流分析[J]. 中國農業大學學報，2014，19(5)：174－179.

Peng Dongling, Zhang Yi, Fang Hui, et al. MATLAB simulation of one-dimensional heat transfer and heat flux analysis of northwall in Chinese solar greenhouse[J]. Journal of China Agricultural University, 2014, 19(5): 174－179. (in Chinese with English abstract)

[12] 李明，周長吉，魏曉明. 日光溫室墻體蓄熱層厚度確定方法[J]. 農業工程學報，2015，31(2)：177－183.

Li Ming, Zhou Changji, Wei Xiaoming. Thickness determination of heat storage layer of wall in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(2): 177－183. (in Chinese with English abstract)

[13] 白青，張亞紅，孫利鑫. 基于溫波傳遞理論的日光溫室土墻體蓄熱層及墻體厚度分析[J]. 農業工程學報，2016，32(22)：207－213.

Bai Qing, Zhang Yahong, Sun Lixin. Analysis on heat storage layer and thickness of soil wall in solar greenhouse based on theory of temperature-wave transfer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(22): 207－213. (in Chinese with English abstract)

[14] 佟國紅，李保明，Christopher D M，等. 用CFD方法模擬日光溫室溫度環境初探[J]. 農業工程學報，2007，23(7)：178－185.

Tong Guohong, Li Baoming, Christopher D M, et al. Preliminary study on temperature pattern in China solar greenhouse using computational fluid dynamics[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(7): 178－185. (in Chinese with English abstract)

[15] Tong Guohong, Christopher D M, Li Baoming, et al. Temperature variations inside Chinese solar greenhouses with external climatic conditions and enclosure materials[J]. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2008, 1(2): 21－26.

[16] Tong Guohong, Christopher D M, Li Baoming. Numerical modelling of temperature variations in a Chinese solar greenhouse[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2009, 68(1): 129－139.

[17] 佟國紅，Christopher D M. 墻體材料對日光溫室溫度環境影響的CFD模擬[J]. 農業工程學報，2009，25(3)：153－157.

Tong Guohong, Christopher D M. Simulation of temperature variations for various wall materials in Chinese solar greenhouses using computational fluid dynamics[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(3): 153－157. (in Chinese with English abstract)

[18] 張林華，張峰，劉珊，等. 下沉式土質墻體溫室室內溫度場的三維非穩態模擬[J]. 太陽能學報，2010，31(8)：965－971.

Zhang Linhua, Zhang Feng, Liu Shan, et a1. Three imensional non-steady-state simulation of sunken cob wall greenhouse indoor temperature field[J]. Journal of Solar Energy, 2010, 31(8): 965－971. (in Chinese with English abstract)

[19] 蔣國振，胡耀華，劉玉鳳，等. 基于CFD的下沉式日光溫室保溫性能分析[J]. 農業工程學報，2011，27(12)：275－281.

Jiang Guozhen, Hu Yaohua, Liu Yufeng, et al. Analysis on insulation performance of sunken solar greenhouse based on CFD[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(12): 275－281. (in Chinese with English abstract)

[20] 張勇，高文波，鄒志榮. 主動蓄熱后墻日光溫室傳熱CFD 模擬及性能試驗[J]. 農業工程學報，2015，31(5)：203－211.

Zhang Yong, Gao Wenbo, Zou Zhirong. Performance experiment and CFD simulation of heat exchange in solar greenhouse with active thermal storage back-wall[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(5): 203－211. (in Chinese with English abstract)

[21] Zhang X, Wang H, Zou Z, et al. CFD and weighted entropy based simulation and optimisation of Chinese Solar Greenhouse temperature distribution[J]. Biosystems Engineering, 2016, 142: 12－26.

[22] Jan Gie??ecki, Tomasz Jakubowski. The Simulation of Temperature Distribution in a Ground Heat Exchanger—GHE Using the Autodesk CFD Simulation Program[C]//Renewable Energy Sources: Engineering, Technology, Innovation, Berlin: Springer International Publishing, 2018: 333－343.

[23] 王福軍. 計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應用[M]. 北京：清華大學出版社，2004.

[24] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 民用建筑熱工設計規范：GB 50176－2016[S]. 北京: 中國建筑工業出版社，2016.

[25] Mirsadeghi M, Cóstola D, Blocken B, et al. Review of external convective heat transfer coefficient models in building energy simulation programs: Implementation and uncertainty[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 56(1/2): 134－151.

[26] 弗蘭克，P.英克魯佩勒，大衛，等. 傳熱和傳質基本原理（原著第六版）[M]. 北京: 化學工業出版社，2007.

Determination of thickness of thermal storage layer of solar greenhouse wall based on CFD

Xu Hongjun1,2, Cao Yanfei1, Li Yanrong2, Alapati2, Gao Jie2, Jiang Weijie2, Zou Zhirong1,2※

(1.712100; 2.,,830052)

The performance of greenhouse wall thermal storage and release capacity depends on the characteristics of the wall material and the thickness of the thermal storage layer. Determining the thickness of the solar greenhouse thermal storage layer is of great significance for promoting the improvement of the solar greenhouse wall. Parametric model according to the actual size and correlation of the test greenhouse was created based on the solar radiation and air temperature. Thickness of the wall thermal storage layer in different months was simulated in this study. In this paper, January 9th, February 9th, March 6th, and April 6th, 2018 in Urumqi was selected as typical sunny days. The solar radiation on the greenhouse floor and wall surface were used as the input condition, and the outdoor air temperature was the boundary conditions. The internal temperature field including each depth of 0, 10, 20, 30, 40, 50 cm of the greenhouse wall from 9:00 to next day 9:00 were simulated by using Autodesk CFD software. In order to ensure the consistency of CFD geometric models within one day and full release of heat from the greenhouse wall at night, no covering insulation quilt was carried out during the greenhouse test. The accuracy of simulated values was verified by comparing with the measured values. The results showed that the simulation results of the greenhouse wall were agreed well with the test results. The average error of each layer on January 9th, February 9th and March 6th was below 1.5 °C. The error and simulated results lags between the test results and the simulated results on April 6th is large. The trend becomes more pronounced as the depth and wall temperature increased. Under the combined influence of greenhouse wall materials, structures, and light and temperature environments, greenhouse wall heat transfer is a complex unsteady process. The brick wall greenhouse was similar to the soil wall greenhouse. The wall could be divided into “insulation layer, stable layer and heat storage layer”. The thickness of each layer was related to the thermal properties of the wall heat storage material and insulation material. The wall temperature fluctuation was more obvious in the depth range of 0-30 cm according to the temperature field of the wall, the temperature attenuation factor of each layer and the delay time. When the wall depth was more than 30 cm, the greenhouse wall temperature fluctuations was relatively flat and the amplitude is small. As the temperature rose, the internal temperature of the greenhouse wall increased overall, and the temperature fluctuations of the various layers were small. The thickness and fluctuation of the greenhouse heat storage layer were less affected by the external light and temperature environment in the case of the greenhouse structure and insulation performance unchanged. In summary, it was feasible to simulate the change of greenhouse wall temperature field. It was reliable that the thickness of greenhouse wall thermal storage layer determined according to the temperature field variation of greenhouse wall. Solar greenhouse temperature environment dynamic simulation model based on greenhouse structure parameters and environmental parameters also could be established in other regions through the methods provided in this paper. It can provide basis and reference for the improvement and optimization of greenhouse wall structure.

greenhouse; walls; computer simulation; fluid mechanics; thickness of heat storage layer; heat transfer performance

許紅軍，曹晏飛，李彥榮，阿拉帕提，高 杰，蔣衛杰，鄒志榮. 基于CFD的日光溫室墻體蓄熱層厚度的確定[J]. 農業工程學報，2019，35(4)：175－184. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.022 http://www.tcsae.org

Xu Hongjun, Cao Yanfei, Li Yanrong, Alapati, Gao Jie, Jiang Weijie, Zou Zhirong. Determination of thickness of thermal storage layer of solar greenhouse wall based on CFD[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 175－184. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.022 http://www.tcsae.org

2018-08-13

2019-01-24

新疆維吾爾自治區科技廳“科技援疆”項目(2016E02006)；新疆維吾爾自治區園藝學重點學科基金(2016-10758-3)；新疆維吾爾自治區自然科學基金（2016D01B028）

許紅軍，博士生，講師，主要從事設施園藝工程方面的研究。Email： xuhongjun01@163.com

鄒志榮，教授，博士，博士生導師，主要從事設施園藝方面的研究。Email:zouzhirong2005@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.022

S625.1

A

1002-6819(2019)-04-0175-10