不同遮陽工況下溫室作物冠層輻射場與溫度場的CFD分析

李亮亮，王新忠，洪亞杰， 盧 青，陳 健

(江蘇大學 a.農(nóng)業(yè)裝備工程學院；b.農(nóng)業(yè)裝備與智能化高技術研究重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

遮陽網(wǎng)是溫室有效的降溫調(diào)溫設施，合理的遮陽組合不僅可以降低溫度，也可以改善室內(nèi)光照以適合作物生長[1]。但在夏末秋初，長期使用高遮陽率的遮陽網(wǎng)不能滿足作物的光溫需求[2]，且不同類型的遮陽網(wǎng)對溫室內(nèi)部輻射與溫度也有顯著的影響。因此，根據(jù)室外環(huán)境，選擇適宜的遮陽調(diào)控方案，可為作物提供合適的光溫環(huán)境，有利于提高作物產(chǎn)量。

國內(nèi)外學者研究了內(nèi)外遮陽網(wǎng)對溫室光溫環(huán)境的影響。沈明衛(wèi)等[3]和ABDEL-GHANY A M[4-6]研究了不同遮陽率遮陽網(wǎng)和內(nèi)、外遮陽網(wǎng)材料對溫室內(nèi)部輻射或光環(huán)境的變化影響，建立了在內(nèi)外遮陽網(wǎng)條件下溫室內(nèi)光環(huán)境的預測模型，發(fā)現(xiàn)使用外遮陽網(wǎng)室內(nèi)光環(huán)境較好，此研究為進一步研究不同遮陽網(wǎng)組合對室內(nèi)光環(huán)境、輻射的影響提供了參考。Chen等[7]分析了遮陽網(wǎng)對溫室的降溫的影響,發(fā)現(xiàn)在室外溫度35℃、太陽輻射為850W/m2時,有遮陽網(wǎng)下的溫室比無遮陽下的溫室室內(nèi)溫度低3.3℃。Willits和Peet[8]研究了遮光率為55%的遮陽網(wǎng)對溫室內(nèi)溫度的影響。結果表明：與無遮陽網(wǎng)的溫室相比，有遮陽網(wǎng)的溫室內(nèi)溫度梯度減少18%。Bailey[9]研究了外遮陽網(wǎng)對作物冠層溫度的影響，發(fā)現(xiàn)與無作物的溫室相比，有作物溫室的溫度梯度減小50%。D.K. Fidaros[10]和 Baxevanou[11]使用CFD技術模擬了圓拱形溫室內(nèi)部輻射場和溫度場的變化，用DO模型求解輻射傳遞方程，得到溫室內(nèi)部溫度場和輻射場。文獻[10-11]研究表明：采用CFD技術進行溫室輻射與溫度場分析是可行的。從以上文獻可看出，國內(nèi)外關于遮陽網(wǎng)對溫室環(huán)境的影響的研究多在溫度場方面，很少兼顧考慮遮陽網(wǎng)對輻射場的影響。因此，為了滿足作物光溫需求，需要研究遮陽網(wǎng)對溫室作物冠層輻射場與溫度場的影響。

為此，本文利用DO模型和標準k-ε湍流，建立基于輻射對流換熱的CFD模型，分析不同遮陽率的遮陽網(wǎng)對作物冠層輻射與溫度場的變化，給出不同遮陽率遮陽網(wǎng)的降溫和調(diào)光能力，為基于作物光溫需求的遮陽網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)控提供理論基礎。

1 試驗方案與CFD構建

1.1 試驗對象

試驗地點位于南通如皋市，北緯32.23°，東經(jīng)120.33°，屬于亞熱帶季風氣候區(qū)。溫室肩高為6m，長和寬為40m，每跨12/16m，室內(nèi)配有散射遮陽幕，采用斯文森XLS16網(wǎng)，晴天遮陽率為55%，室外設有外遮陽網(wǎng)，遮陽率可達70%。試驗與建模時，選擇正西為X軸正方向，正南為Z軸正方向，向上為Y軸正方向，建立坐標系。

1.2 試驗方法

試驗在2017年8-9月進行，每天的測量時段為8：30-16：30。測試期間天氣晴好或多云，室內(nèi)種有作物，作物高度約0.8m，作物較矮，忽略作物對環(huán)境的影響。試驗工況為9：00開啟天窗，9：30開啟外遮陽網(wǎng)，11：00開啟側窗與外翻窗，13：00開啟內(nèi)遮陽網(wǎng)。采用ZDR-3WIS型溫濕度自動記錄儀測量溫室內(nèi)溫濕度，布置溫度傳感器在距地面1m高處，此處離作物冠層較近。溫濕度布置坐標位置如表1所示。

表1 溫濕度傳感器布置位置Table 1 The position of temperature and humidity sensors

室內(nèi)中心布置一個總輻射計，距溫室北墻20m，西墻20m，距地高1m；室外環(huán)境輻射使用TYD-ZS2進行數(shù)據(jù)記錄，每5s記錄1次輻射值。使用FLUKE Infrared Thermometers568測量溫室覆蓋材料各表面的溫度值，每15min測量1次。選擇8月28日10:00的數(shù)值進行一層遮陽網(wǎng)溫室模型驗證，此時室外太陽輻射802W/m2，外界氣溫35.4℃；選擇14:00的數(shù)值進行兩層遮陽網(wǎng)溫室模型驗證，此時室外輻射強度為536W/m2，外界溫度為36.9℃。

1.3 溫室CFD模型的構建

1.3.1 計算域與網(wǎng)格劃分

使用ICEM進行幾何模型的建立，創(chuàng)建點線面后，然后生成body。由于本文研究的是在遮陽通風狀態(tài)下溫室內(nèi)部的溫度場和輻射場，溫室內(nèi)部與外界環(huán)境的能量交換是很重要因素，因此需要在溫室外部設置一個計算區(qū)域。考慮到計算時間和速率，將計算域大小設定為長、寬各為200m、高為40m。劃分網(wǎng)格后，檢查網(wǎng)格問題與質量，進行網(wǎng)格的光順滑，得到的網(wǎng)格質量高于0.3，生成的網(wǎng)格數(shù)為1 422 896個。

1.3.2 邊界條件與材料屬性的設置

由于溫室尺寸較大，瑞利數(shù)也較大，溫室內(nèi)氣流流動狀態(tài)為湍流流動狀態(tài)，選擇標準k-ε模型；選擇DO輻射模型模擬不同遮陽網(wǎng)工況下的溫室輻射場。材料的特性設置如表2所示。

表2 試驗溫室CFD模型中材料特性Table 2 Material characteristics in the CFD model of experimental greenhouse

1.3.3 內(nèi)外遮陽網(wǎng)在模型中的設置

在FLUENT中太陽計算器中進行輻射折減，考慮外遮陽對室內(nèi)環(huán)境的影響[12]。由于內(nèi)遮陽網(wǎng)對空氣流動有影響，對內(nèi)遮陽進行建模。參考文獻[13]設定內(nèi)遮陽為多孔介質模型，把內(nèi)遮陽網(wǎng)作為耦合熱邊界條件，依據(jù)達西定律可給出不可壓縮流體流過多孔介質的壓力降ΔP為0.372Pa,內(nèi)外遮陽網(wǎng)的特性如表3所示。

表3 試驗溫室使用的遮陽特性參數(shù)Table 3 Shading characteristic parameters used in experimental greenhouse

2 結果與討論

2.1 模型驗證

針對構建的溫室CFD模型，將不同遮陽層數(shù)下作物冠層的實測值與模擬值對比，如圖1所示。

由圖1(a)知:在一層遮陽網(wǎng)下，溫室溫度模擬值略高于實測值，兩者相差1.3℃，這是由于作物使得室內(nèi)作物蒸騰降低了冠層溫度，其平均誤差為3.3%。由圖1(b)知：兩層遮陽網(wǎng)下，溫室溫度模擬值與實測值的平均誤差為4.5%，表明CFD模型模擬精度較高，可以用于分析不同遮陽工況溫度場。

(a) 一層遮陽網(wǎng)溫室溫度實測值與模擬值對比

(b) 兩層遮陽網(wǎng)溫室溫度實測值與模擬值對比圖1 不同遮陽層數(shù)下溫度實測值與模擬值對比Fig.1 Comparison of measured and simulated temperature values under different sunshade layers

由于溫室輻射分布相對均勻性，可選擇室內(nèi)一點對輻射值進行驗證。試驗時，測量了距地1m高處室內(nèi)外太陽總輻射。對比不同遮陽工況下，試驗的輻射值與模擬值，結果如表4所示。

由于模擬的遮陽網(wǎng)輻射特性與實際遮陽網(wǎng)特性有一定的誤差，因此模擬值與實測值誤差為19%和18.7%，在合理的誤差范圍內(nèi)，可以用于分析不同遮陽工況輻射場分析。

表4 不同遮陽網(wǎng)層數(shù)下溫室內(nèi)輻射實測值與模擬值的對比Table 4 Comparison between measured values and simulated values of radiation intensity under different shading net layers

2.2 試驗工況溫室作物冠層輻射與溫度分布分析

為對比不同遮陽網(wǎng)對溫室的輻射與溫度的影響，首先在室外太陽輻射802W/m2、外界氣溫35.4℃下，利用模型計算了遮陽網(wǎng)未開啟時，作物冠層輻射與溫度的平均值，計算得冠層平均溫度為40.2℃，冠層平均輻射為612W/m2.

圖2為1層遮陽率為70%的外遮陽下冠層輻射場與溫度場的分布。依據(jù)試驗值，設定室外太陽輻射802W/m2,外界氣溫35.4℃，模擬發(fā)現(xiàn)在冠層(y=1m)截面最大太陽輻射為276.7W/m2，最小輻射強度不到200W/m2，計算得冠層(y=1m)截面處平均太陽輻射約為248.9W/m2。此時，溫室內(nèi)南部出現(xiàn)高溫，最高溫度可達40℃，這是由于此處受太陽輻射影響較大，且南部區(qū)域沒有側窗，導致此處溫度較高。在10:00時刻，計算溫室在冠層(y=1m)截面處平均溫度為37.9℃，與遮陽網(wǎng)未開啟相比，作物冠層溫度降低了2.3℃，與試驗測量結果基本一致。由此看出：在1層遮陽率為70%的外遮陽下，降溫效果較好，但室內(nèi)輻射分布相對不均，需要研究不同類型遮陽網(wǎng)對輻射分布的影響。

(a) 輻射分布

(b) 溫度分布圖2 1層遮陽網(wǎng)下(y=1m)截面處輻射分布與溫度分布Fig.2 Radiation distribution and temperature distribution under a layer of shading net (y=1m)

試驗在10:00時刻，溫室南門和西門開啟，因此仿真驗證時，設定南門為入風口，西門為出風口，導致在x=20m處溫度降低明顯，與周圍溫差較大；而實際生產(chǎn)過程中溫室門是不開啟的，應當在接下來的模擬分析中應關閉南門和西門。

圖3為兩層遮陽下冠層輻射場與溫度場的分布，模擬時刻為14：00，依據(jù)試驗值室外輻射強度為536W/m2，外界溫度為36.9℃。在兩層遮陽網(wǎng)下，溫室冠層(y=1m)截面處太陽輻射平均值僅為32W/m2，顯然輻射量不能滿足作物生長的需求。與無遮陽相比，兩層遮陽網(wǎng)下，降低溫度為3.8℃，比1層遮陽網(wǎng)下多降低1.5℃，說明兩層遮陽網(wǎng)降溫并不明顯，這是因為內(nèi)遮陽網(wǎng)阻擋室內(nèi)熱空氣上升，使得室外空氣通過天窗與室內(nèi)空氣交換受阻。此時，在兩層遮陽網(wǎng)下溫室內(nèi)部輻射偏低，不能滿足作物生長的需求，應進一步探究遮陽網(wǎng)對內(nèi)部輻射與溫度的影響。

(a) 輻射分布

(b) 溫度分布圖3 兩層遮陽網(wǎng)下(y=1m)截面處輻射分布與溫度分布Fig.3 Radiation distribution and temperature distribution at the cross section of two layers of shading net

2.3 不同遮陽率的遮陽網(wǎng)下作物冠層輻射與溫度分布分析

為了改善溫室內(nèi)輻射分布不均，分析不同遮陽網(wǎng)對輻射場與溫度場的影響，本文擬選用兩種不同功能的外遮陽網(wǎng)進行研究。在天窗與側窗同時開啟的狀態(tài)下，室外風速為1.7m/s、太陽輻射強度為802W/m2條件下，分析使用不同遮陽率的遮陽網(wǎng)時室內(nèi)溫度分布與輻射分布。從廠家獲取設遮陽網(wǎng)輻射特性參數(shù)，如表5所示。

表5 試驗溫室遮陽網(wǎng)輻射特性基本參數(shù)Table 5 Basic parameters of the radiation characteristics of the sunshade net

由圖4(a)可以看出:在遮陽率為65%的遮陽網(wǎng)下，冠層(y=1m)截面處輻射對稱均勻分布，具有一定的梯度，這與遮陽率為70%的遮陽下輻射場類似;在x=20m、z=20m處室內(nèi)最大太陽輻射為320W/m2；在x=0和x=40m的截面上輻射值較小，約為160W/m2，最大值與最小值輻射差值為160W/m2，計算得，在y=1m截面處其平均值為265W/m2。

由4(b)圖可知：在遮陽率為45%的遮陽網(wǎng)下，冠層(y=1m)截面處輻射分布相對均勻。在x=20m、z=20m處，太陽輻射強度最大，輻射值為330W/m2；在x=0m、z=40m等溫室邊角處，最小值約為240W/m2，最大值與最小值相差為90W/m2。計算得y=1m截面處，平均太陽輻射為305W/m2，除遮陽率外其它條件均相同狀況下，使用遮陽率43%的遮陽網(wǎng)比遮陽率65%的遮陽網(wǎng)室內(nèi)輻射強度增大約5%，且最大與最小輻射差值減小70W/m2，說明使用43%遮陽率的散射遮陽網(wǎng)可以提高溫室輻射分布的均勻性。

(a) 65%遮陽率遮陽網(wǎng)下輻射分布

(b) 43%遮陽率遮陽網(wǎng)下輻射分布圖4 不同遮陽率遮陽網(wǎng)下(y=1m)截面處輻射分布Fig.4 Radiation distribution at cross section under different shading rates under shading net

由圖5(a)可以知：在溫室南部溫度大部分區(qū)域高于40℃，平均溫度在38.4℃。

(a) 65%遮陽率遮陽網(wǎng)下溫度分布

(b) 43%遮陽率遮陽網(wǎng)下溫度分布圖5 不同遮陽率遮陽網(wǎng)下(y=1m)截面處溫度分布Fig.5 Radiation distribution at cross section under different shading rates under shading net

對比圖5(a)和圖5(b)可以看出：隨著遮陽網(wǎng)的透光率變高，溫室內(nèi)部高溫區(qū)域(T>40℃)有所增加，平均溫度為39.2℃。因此，除遮陽率不同，其他條件都相同條件下，相比于遮陽率為65%的遮陽網(wǎng)，遮陽率為43%的遮陽網(wǎng)使得室內(nèi)平均溫度增大0.8℃，在兩種遮陽網(wǎng)下，室內(nèi)平均溫度都高于38℃，不適宜作物生長；當室外風速小于1.7m/s，建議選擇機械通風加遮陽網(wǎng)的降溫方式。

3 結論

1)選擇標準k-ε模型、DO輻射模型作為溫室CFD模型構建方法，采用輻射折算的方法模擬外遮陽對室內(nèi)環(huán)境的影響，并對內(nèi)遮陽網(wǎng)進行數(shù)值建模，將試驗值與模擬值進行了對比。結果表明：開啟一層和兩層遮陽網(wǎng)兩種工況下，溫室溫度場模擬值與實測值的誤差分別為3.3%和4.5%，輻射場模擬值與實測值分別為19%和18.7%，誤差在容許的范圍內(nèi)，表明了CFD輻射場與溫度場模型的有效性，可利用此模型針對不同工況分析其輻射場與溫度場的變化。

2)當室外輻射為802W/m2時,使用1層遮陽率為70%遮陽網(wǎng),室內(nèi)平均太陽輻射248.9W/m2，降溫幅度為2.3℃。當室外太陽輻射為536W/m2,開啟兩層遮陽網(wǎng)時，溫室內(nèi)部太陽輻射平均值僅為32W/m2，降低溫度幅度為3.8℃，相比開啟1層遮陽網(wǎng)，開啟兩層遮陽網(wǎng)工況下，溫室降溫幅度增加并不顯著，且室內(nèi)輻射值偏低。

3)當室外輻射為802W/m2時，使用遮陽率為65%的遮陽網(wǎng)時，溫室內(nèi)平均太陽輻射強度為265W/m2,平均溫度為38.4℃；使用遮陽率43%的散射遮陽網(wǎng)時溫室內(nèi)太陽平均輻射強度為305W/m2，平均溫度為39.3℃，開啟遮陽率為65%的遮陽網(wǎng)相比遮陽率43%的遮陽網(wǎng)溫室內(nèi)輻射減少40W/m2，室內(nèi)溫度相對降低0.8℃，可依據(jù)此模型優(yōu)化遮陽網(wǎng)調(diào)控方案。