基于CFD 模型的圓拱型冬棗大棚通風方式的研究

王鵬飛 李安桂 黃琳

西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

0 引言

溫室微氣候環(huán)境的調(diào)控對于高效生產(chǎn)有重要意義，而通風是溫室環(huán)境調(diào)節(jié)的關鍵措施[1]。作物的茁壯生長離不開適宜的溫濕度，CO2濃度和光照度等影響因素，通風不僅可以滿足溫室內(nèi)作物“呼吸”的需要，還可以用來調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的空氣溫濕度等,從而有利于作物的生長[2]。溫室的高效生產(chǎn)有賴于適宜的溫室微氣候環(huán)境，對溫室進行通風可以為作物提供最佳的生長環(huán)境。

本文對陜西省大荔縣的圓拱形冬棗大棚進行了測試，通過測試初步了解了該縣冬棗大棚的微氣候環(huán)境特點，得出了冬棗大棚內(nèi)的溫濕度分布特點，以及太陽輻射，地面溫度等的變化規(guī)律。在測試所得參數(shù)的基礎上，對大棚的自然通風過程做出了合理的假設與簡化，建立了大棚的熱平衡模型，給出了適合的控制方程和邊界條件，建立了大棚通風的CFD 模型，并對試驗進行了驗證和誤差分析。最后針對不同時刻的溫濕度分布情況，選取合適的通風措施。

1 測試大棚及方案

1.1 測試大棚結(jié)構

試驗大棚位于大荔縣馮村鎮(zhèn)仁莊村，大棚為圓拱型，東西走向，坐北朝南，整體結(jié)構由鋼架及采光面（聚乙烯膜）組成。東西長106 m，南北跨度13.3 m，脊高3.8 m，兩肩高為1.85 m，大棚覆蓋面為聚乙烯膜，膜厚為0.3 mm，透光系數(shù)為80%，脊頂部設有一個106 m×0.5 m 的扒縫式通風口，兩肩各設有106 m×1.75 m 的可卷動通風口，前棚面兩側(cè)設有1.85 m×1.75 m 的雙扇門，后棚面設有1.7 m×0.8 m 的單扇門，種植的果樹為冬棗，高度為2.2 m 左右，夏季的適宜溫度[3]不超過35 ℃，相對濕度不超過85%。大棚內(nèi)部結(jié)構和外貌圖及大棚軸測圖，正視圖如圖1 所示：

圖1 測試大棚結(jié)構示意圖及正視圖

1.2 測試方案

測試于2018 年8 月10 日-8 月11 日進行，天氣以晴天為主，自然通風條件為天窗及側(cè)窗全開。主要測試了冬棗大棚內(nèi)不同高度的溫濕度，大棚內(nèi)水平方向的溫濕度，各圍護結(jié)構及地面的溫度，棚外風速等。

對棚內(nèi)溫濕度測試的測點布置示意圖如圖2，圖中黑點代表布置的27 個溫濕度測點，在各測點位置均設置一個溫濕度模塊，測試時間為8:00-19:00，測試的時間間隔為每0.5 h。采用型號為RR002 的溫濕度記錄儀TR，溫度測量范圍為-10～50 ℃，精度為±0.5 ℃，分辨率為0.1 ℃。濕度測量范圍為0～95%RH，精度為±3%RH，分辨率為0.1%RH。棚內(nèi)地面溫度采用手持式紅外線壁溫儀測得，每小時測一次。棚外地表溫度主要采用型號為TA8202 的手持式紅外線壁溫儀測得，測量范圍為-50～580 ℃，測量物距比為12:1，精度為±1 ℃，分辨率為±0.1 ℃，響應時間為8～14 μm&500 ms。室外風速采用型號為TSI9565 的熱式風速測試儀測得，測量范圍為0～50 m/s，精度為±0.015 m/s，分辨率為0.01 m/s。用TSI 風速儀每1 h 測一次室外和各通風口距地面1 m 處的風速。棚內(nèi)外太陽輻射采用型號為SM206 的手持式高精度太陽能功率計測試范圍為1～3999 W/m2，精度為測量值±5%、±10 W/m2，分辨率為0.1 W/m2、0.1 Btu/(ft2·h)。

圖2 溫濕度測點示意圖

2 基于CFD 的大棚溫濕度模型的建立

2.1 大棚物理模型的建立

大棚環(huán)境中涉及的主要物理過程的熱量平衡是一個相當復雜的問題。整體來看，大棚內(nèi)外主要涉及的熱平衡包括棚內(nèi)空氣熱平衡、透光薄膜熱平衡和地面熱平衡。在本文中，在不影響模擬精確度的前提下，針對所測試的圓拱形冬棗大棚做了一些簡化和假設：棚膜溫度分布均勻，忽略土壤的蒸發(fā)作用，棚膜傳熱采用固定傳熱系數(shù)計算。

簡化后的物理模型如圖3 所示。

圖3 大棚熱平衡物理模型

2.2 基本控制方程及湍流模型

在大棚溫度場的數(shù)值計算過程中，大棚內(nèi)氣體當作由水蒸氣和干空氣組成的混合氣體。混合氣體在流動的過程中遵循質(zhì)量、動量、能量守恒方程，通用的形式為[4]：

式中：φ 為通用傳輸量；ρ 為流體密度；t 為時間；u 為流體速度矢量；Jφ為擴散通量；Sφ為廣義源項；Гφ為通用變量φ 的有效交換系數(shù)。

壁面使用無滑移壁面條件，近壁處氣流流動采用標準壁面函數(shù)法，采用Fluent 軟件對以上方程求解獲得大棚內(nèi)外溫濕度場和氣流場的分布狀態(tài)。

2.3 輻射模型

由于DO 模型適用性比較廣，可計算非灰度輻射,僅有DO 輻射模型可對接收太陽輻射的半透明材質(zhì)進行設定[5]，故而選取DO 模型進行模擬。方程如下：

2.4 組分輸運模型

自然通風過程中，室內(nèi)濕空氣的流動過程可用組分傳輸守恒方程描述：

式中：Yi為混合物中第i 種組分的質(zhì)量分數(shù)；Ri為化學反應的凈產(chǎn)生速率，本文為零；Si為離散相及用戶定義的源項引起的額外產(chǎn)生速率；Ji為第i 種組分的擴散通量；Di,m為第i 種組分的質(zhì)量擴散數(shù)。

濕空氣中水蒸氣的質(zhì)量濃度Yw滿足了質(zhì)量守恒方程[6]：

2.5 多孔介質(zhì)模型

采用動量源項來描述作物的拖動效應，作物動量的源項可用式[7]：

式中：ILA為葉面積密度，m2/m3；Cd為作物冠層阻力系數(shù)；u 為冠層高度空氣的平均速度，m/s。

大棚內(nèi)作物與環(huán)境之間存在溫度差，作物與環(huán)境之間的顯熱交換主要由作物冠層的空氣動力學特性決定，其表達式為[8]：

式中：cp為空氣的比熱容；LAI 為冬棗葉面積指數(shù)；Tcanopy為棗樹冠層溫度；ra為作物葉片空氣動力學阻力。根據(jù)前人研究得[8]：

式中：dleaf為作物葉片特征長度。

在模擬計算中忽略作物的潛熱影響。

3 數(shù)值模擬

3.1 離散化

本文選取整個冬棗大棚為計算域，采用笛卡爾坐標系，以大棚正北、正西、高度方向分別位為X 軸、Y軸、Z 軸正方向。根據(jù)原型尺寸，對大棚進行三維幾何建模。由于大棚結(jié)構不規(guī)則且復雜，因此在本研究中大棚內(nèi)部采用非結(jié)構化四面體網(wǎng)格單元進行網(wǎng)格劃分。將作物設定為，截面為寬1.5 m，高1 m 的等腰三角形，長為100 m 的三棱柱，作物冠層區(qū)域為1～2.2 m。網(wǎng)格質(zhì)量按照Equi Angle Skew 標準進行控制。另外，大棚通風口進行加密處理。如圖4，大棚內(nèi)部網(wǎng)格尺度設為0.5 m×0.5 m，總共劃分了1199295 個網(wǎng)格單元。

圖4 大棚網(wǎng)格劃分

3.2 邊界條件

模型邊界條件包括棚外氣象條件、大棚圍護結(jié)構、太陽輻射、棚內(nèi)地面、棚內(nèi)作物等。其中，棚內(nèi)地面設為溫度邊界條件，給定實測地面溫度。大棚各薄膜主要通過對流換熱、輻射換熱的方式與棚內(nèi)外發(fā)生熱量交換，設為混合傳熱類型，同時設置為半透明材料，太陽輻射由DO 模型根據(jù)設置的經(jīng)緯度及實測太陽輻射強度、日期等加載得到。進口為正北向一個入口與正東向兩個入口，風速為實測得到，設置為速度入口條件。出口為頂部通風口和正南向通風口，設為自由出口條件。棚內(nèi)作物設置為多孔介質(zhì)。

3.3 具體參數(shù)設置

模型的具體參數(shù)設置主要根據(jù)測試數(shù)據(jù)，大棚材料屬性如表1 所示。

表1 主要材料物性參數(shù)

3.4 運行環(huán)境

本文建模和網(wǎng)格劃分選擇軟件ANSYS ICEM CFD19.2，方程求解選用Fluent19.2。以測試日期2018年8 月10 日14:00 實測值為初始值。其中棚外風速為0.96 m/s，風向為東北風，平行于地面，入口空氣溫度為38 ℃，相對濕度為59%。棚內(nèi)地面溫度為57.5 ℃。棚膜的對流換熱系數(shù)為10.89 W/(m2·K)，太空輻射溫度為16.5 ℃。采用SECOND UPWIND 格式進行離散化處理，壓力一速度耦合求解。采用SIMPIEC 半隱式算法求解，應用分離式求解器對各守恒方程進行3D 穩(wěn)態(tài)數(shù)值求解。

4 測試結(jié)果分析與模型驗證

模擬值和實測值之間的符合度采用均方根誤差（RMSE）、最大相對誤差（MRE）、平均相對誤差（ARE）來量化表示[9-10]。

4.1 測試結(jié)果分析

從圖5 棚內(nèi)外氣溫的對比圖中我們可以看到：從6:00 開始，隨著太陽輻射的增強和棚外溫度的升高，棚內(nèi)溫度一直在上升，維持在25～47 ℃之間。棚內(nèi)溫度比棚外溫度高，最大溫差在10 ℃左右，說明大棚增溫效果顯著。棚內(nèi)溫度在9:00-12:00 升高最快，每小時升高5 ℃左右，其后漸緩。13:00 時左右棚內(nèi)溫度達到最高，隨后逐漸下降，在14:00 左右氣溫達到最高值，大棚內(nèi)外溫差可達15 ℃以上，隨后逐漸下降。大棚內(nèi)溫度上升時間與太陽輻射變化相比有一定的延遲，約為1 h，由此可見太陽輻射是大棚內(nèi)增溫的主要原因。14:00-19:00 平均每1 h 下降3 ℃左右。20:00 之后溫度變化范圍不超過5 ℃，夜晚溫度較為平緩。

圖5 不同時刻大棚內(nèi)外平均氣溫

由圖6 可看出，棚內(nèi)外濕度的變化趨勢正好相反。晴天時，凌晨和晚上的濕度值較高，最大值超過90%，甚至接近100%。在中午時段，由于通風使得水汽被帶走，濕度曲線明顯下降，在15:00 時降到最低值43%，之后漸漸升高，中午時段溫室內(nèi)外濕度相差較小，約為5%。超過85%的時間段為21:00 至第二天9:00，對棗樹生長不利。可以看出，大棚內(nèi)溫濕度變化與棚外溫濕度變化密切相關。

圖6 不同時刻大棚內(nèi)外相對濕度

4.2 模型驗證與誤差分析

為驗證預測模型的準確性和有效性，將大棚內(nèi)內(nèi)各測點溫濕度模擬值與實測值進行比較，結(jié)果如圖7所示。從圖7a 可以看出，溫度模擬值與實測值較為吻合，絕對偏差在0.1～1.7 ℃之間，RMSE 為1.0745 ℃，MRE 為3.53%，ARE 為2.25%。圖6b 顯示自然通風條件下相對濕度度模擬值與實測值吻合較好，絕對偏差在0.3%～5.3%之 間，RMSE 為3.2726%，MRE 為11.04%，ARE 為5.96%。從誤差分析結(jié)果看出，雖然模擬值與實測值存在一定偏差，但整體分布較一致，因此所建立的模型能夠可靠準確地體現(xiàn)了大棚的溫濕度分布。

圖7 溫濕度模擬值與實測值對比

分析實測值與模擬值之間產(chǎn)生誤差的原因是：大棚內(nèi)的溫濕度模塊在進行測量時吸收太陽輻射造成本身溫度升高，對實測值有一定的影響。太陽輻射不能完全按照DO 輻射模型的規(guī)律進行變化。由于薄膜的比熱容較小，將整個薄膜的溫度視為均勻的，使得局部溫度出現(xiàn)偏差。作物與空氣及圍護結(jié)構的熱交換過程較為復雜，所作模型做了一定程度的簡化，同時也忽略了作物與空氣之間的潛熱交換。

4.3 模型結(jié)果分析

對大棚東、中、西3 個分別距大棚東側(cè)23 m、53 m、83 m 處的垂直剖面的溫度分布進行模擬，如圖8所示。從圖8a 中可以看出，三個垂直剖面沿著南北方向均存在明顯的溫度梯度，大棚西、中、東部的溫度范圍分別為40～49 ℃、40～51 ℃、40～49 ℃。0～1 m 區(qū)域為相對低溫區(qū)域，溫度分布相對較均勻。在1～2.2 m 區(qū)域內(nèi)，由于植物劇烈的蒸騰作用以及對氣流的阻滯作用，導致這一區(qū)域溫度出現(xiàn)明顯的南北差異，越往南側(cè)溫度越高。2.2～3.8 m 區(qū)域內(nèi)，頂部通風口的“抽吸”作用及熱空氣的急劇上升，使得南北溫度差異減小，沿高度方向差異較明顯。在作物生長的區(qū)域內(nèi)，溫度范圍為40～46 ℃，不利于棗樹生長。由圖8b 可以看出，大棚內(nèi)前、中、后三個垂直截面處相對濕度分布趨勢大體相同，均為北側(cè)高與南側(cè)，底部高于頂部。無作物區(qū)域相對濕度變化趨勢與溫度分布趨勢大致相反，冬棗生長區(qū)域平均相對濕度為45%，冠層區(qū)域相對濕度較高，這與植物蒸騰作用密切相關。

圖8 大棚橫向垂直面溫濕度及速度分布云圖

5 基于CFD 模型的大棚通風策略

1）白天通風降溫。白天時的通風驅(qū)動力僅為大棚內(nèi)部熱源造成的熱壓，不能很好地達到通風換氣效果，故引入太陽能煙囪＋濕簾風機，利用“煙囪效應”和濕簾風機的降溫增濕原理來加強通風效果。

2）夜間通風降溫排濕。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，夜間溫度底，并且無太陽輻射，水分蒸發(fā)量少，棚內(nèi)外濕度都接近飽和。需要借助機械通風使得相對濕度降低至85%以下，如采用除濕機除濕。

3）通風策略。經(jīng)過對實測數(shù)據(jù)和CFD 模擬結(jié)果分析可以得到：9:00-18:00 棚內(nèi)溫度超過35 ℃，利用太陽能煙囪＋濕簾風機進行降溫。18:00-21:00，進行自然通風。21:00-9:00 棚內(nèi)相對濕度超過85%，利用除濕機除濕。

6 結(jié)論

1）針對模擬結(jié)果做了分析，發(fā)現(xiàn)沿著南北方向均存在明顯的溫度梯度。作物冠層區(qū)域風速較低，沿中心向四周風速逐漸增大，其中，底部風速高于頂部風速。不同截面相對濕度分布趨勢大體相同，均為北側(cè)高與南側(cè)，底部高于頂部。無作物區(qū)域相對濕度變化趨勢與溫度分布趨勢大致相反，然而冠層區(qū)域相對濕度較高，這與植物蒸騰作用密切相關。

2）經(jīng)過對實測數(shù)據(jù)和CFD 模擬結(jié)果分析可以得到：9:00-18:00 棚內(nèi)溫度超過35 ℃，利用太陽能煙囪＋濕簾風機進行降溫。18:00-21:00，進行自然通風。21:00-9:00 棚內(nèi)相對濕度超過85%，可利用除濕機濕。

3）后續(xù)將針對誤差分析的每一項進行完善，使誤差盡可能減小。對不同氣象條件下大棚的溫濕度分布進行模擬，使模型更加完整。嘗試與智能化控制相結(jié)合，應對不同天氣狀況能夠自動調(diào)節(jié)至合適溫濕度。