苦豆子堆腐產熱對溫室大棚內溫度場的影響

李 濤 陳維鉛 陳祥玉

（1酒泉職業技術學院/甘肅省太陽能光伏發電系統工程重點實驗室，甘肅酒泉 735000；2蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅蘭州 730050）

設施農業是運用工程技術手段進行高效生產的一種現代農業方式[1]，現階段已發展成為技術密集型產業，以高產出、高效益而被廣泛應用于北方嚴寒地區[2-3]。由于溫室大棚系統復雜多變，影響因素除環境溫度外，還有水分、CO2以及溫室內其他散熱物[4]，多因素耦合給溫室內溫度場調控帶來許多難度[5]。在北方寒冷地區，秋、冬季節室外溫度較低，露天堆腐苦豆子秸稈耗時較長且腐熟程度不高，無法達到預期的肥力效果[6]。將苦豆子秸稈置于溫室大棚內的基質槽中進行堆腐發酵，可以有效提高發酵效率，且能夠獲得腐熟程度較高、肥力均勻的堆肥。對溫室大棚內堆肥熱物理學特性進行研究，掌握堆腐傳熱、溫度場變化可以提高堆肥的產出效益[7]。

苦豆子是豆科槐屬多年生草本植物，基部呈木質化，其秸稈堆腐有機肥在設施瓜果上應用效果比較明顯[8-9]。苦豆子秸稈高溫堆腐，發酵產熱對溫室流場和溫度有較大影響。目前，國內對日光溫室環境的研究主要是集中在日光溫室環境要素（光照、溫度、濕度等）分布和變化規律方面[10-11]，如孫鑫[12]在大跨度塑料大棚熱環境及有限元模擬分析中指出，塑料大棚夏季典型天氣下氣溫變化相對穩定，土壤溫度在相同深度下也表現出相同規律。李清明等[13]認為，日光溫室內南北方向上的地溫梯度明顯，中部區域地溫最高，并由此向南北方向遞減。Mistriotis等[14]應用CFD知識對不同結構溫室的通風效果進行分析和預測，并對溫室內部的能量平衡進行計算。Baille[15]對四跨連棟Venlo型溫室的流場進行了自然對流穩態計算，并與試驗測量結果高度一致證明了CFD方法對溫室內氣流場計算的可行性。于 洋等[16]發現，夜間室內地面附近的位置溫度相對較高，室內地面土體蓄放熱對于維持室內溫度也很重要。這些研究都對溫室大棚的環境因子模擬模型進行了研究，結果均與日光溫室所處地區和溫室結構形式有關。科學把握溫室大棚內溫度場變化對確保苦豆子秸稈堆肥的產出效率和品質至關重要，日光溫室的光熱環境因子的不均勻性是日光溫室內生產有機肥所面臨的主要問題。但是，苦豆子堆腐散熱對室內溫光因子分布差異性、相關性研究較少。在溫室大棚基質槽內進行堆腐發酵，可以有效縮短堆肥的腐熟周期，最大限度減少養料損耗。本文擬對溫室大棚內基質槽中苦豆子秸稈堆腐散熱進行穩態模擬分析和試驗，旨在了解和掌握堆腐散熱條件下溫室內溫度場變化特點，從而提高苦豆子秸稈堆腐的調控水平。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本試驗溫室大棚位于酒泉職業技術學院農業高科技示范園內，地理坐標為北緯 39°24'、東經 98°31'。試驗溫室大棚為冬暖式溫室大棚，尺寸（長×寬×高）為50.0 m×10.0 m×3.1 m，溫室呈東西走向，北墻采用空心磚砌成，寬度為1.2 m，東、西墻寬度為1.4 m。屋脊與水平呈56°，溫室覆蓋材料為LDPE，厚度為0.15 mm。室內由西向東平行排布7個基質槽（圖1、圖 2、圖 3），依次標記為 a、b、c、d、e、f、g，基質槽尺寸（長×寬×高）均為 9.0 m×4.0 m×0.8 m，槽間距均為 2 m。

圖1 溫室大棚內基質槽排布三維結構

圖2 溫室大棚外景

圖3 溫室大棚內基質槽實景

1.2 堆肥試驗

將苦豆子秸稈粉碎至2～3 cm，通過加拌羊糞、尿素來調節碳氮比，含水量控制在60%左右，促進堆腐發酵。反復人工翻堆，混合均勻后轉入基質槽內，一層一層踩實，堆體高度與基質槽高度基本持平。基質槽內發酵堆肥測溫布點示意圖如圖4所示，溫度測量采用日本林電工PT100溫度傳感器 （型號CRZ-1632-Pd）。在基質槽側壁面、頂面對角線交點處安放溫度傳感器，每天 11：00、13：00、15：00 進行測定，堆腐發酵期內不進行翻堆操作。發酵完成時，堆肥顏色表現為黑褐色，堆體溫度與大棚內溫度基本一致。

圖4 基質槽內堆肥測溫布點示意圖

1.3 邊界條件

在基質槽中選取4個側壁面以及頂面為導熱邊界，基質槽5個面邊界與空氣對流換熱，屬于第三類邊界。

式中：h為溫室內空氣和堆腐基質的對流換熱系數；Tn為大棚內空氣溫度；T為基質槽側壁面和頂面溫度；n為外法線方向，不考慮其他換熱。

溫室和基質槽三維CFD模型計算域網格圖如圖5所示。網格的劃分采用非結構化四面體網格，根據其傳熱效果的計算進行網格無關性檢測。當網格數＞429 687時，再增大網格數量，其計算效果不會發生明顯的變化。然而，過多的網格數會占用大量的計算資源。綜合考慮，此次模擬采用網格數為429 687、網格質量為0.35的計算域網格進行數值模擬。

圖5 溫室和基質槽三維CFD模型計算域網格

苦豆子堆腐散熱處在封閉的環境中，溫室內傳熱主要包括室內空氣與棚膜、基質槽與熱空氣的熱量交換等。堆腐基質與熱空氣的能量交換以傳導方式進行，可以通過設置傳導系數來實現。溫室大棚內平均溫度為32℃、相對濕度為71%。溫室內空氣密度 ρ=1.225 kg/m3， 導熱系數 λ=0.022 5 W/（m·K），熱膨脹系數 β=3.356×10-3，比熱容 cp=1.005 kJ/（kg·K），動力黏度 μ=1.83×10-5Pa·s。

1.4 數值計算方法

1.4.1 能量方程。

式中：H為混合氣體的焓，單位為J；P為混合氣體壓力，單位為Pa；λ為混合氣體的熱傳導率，單位為 W/（m·K）；T 為混合氣體的溫度， 單位為 K；Γi為組分的分子擴散系數，單位為 kg/（m·K）；hi為組分的焓，單位為 J；μt為氣體的湍流黏度，單位為 Pa·s；Prt為氣體的湍流普朗特數；SE為能量源，單位為W/s。以流體及流體控制方程為基礎，分析溫室環境各部分的能量輸入輸出過程，補充相應方程，構建溫室環境溫度模型[10]。

1.4.2 采用同屬渦流黏度模型類的剪應力輸運模型（shear stress transport，SST），該模型是 k-ω 和 k-ε 紊流模型的結合和改進，在預測流體與壁面的分離和低雷諾數近壁面流動方面有明顯的優勢[12]。

式中：k為紊流動能；ω為紊流頻率；μt為紊流動力黏度；μ 為層流動力黏度；σk3、β'、σω2、α3、 β3為模型混合常數，取值與F1有關；Pk為由黏性力產生的紊流動能；Pkb、Pωb為浮力對紊流的影響因子；F1為混合函數；Uj為j方向的流體速度。

1.5 數據處理

試驗數據采用Origin 2017軟件進行分析、繪圖，數值計算模擬采用Fluent 15.0軟件。

2 結果與分析

2.1 堆肥試驗不同基質槽側壁面溫度變化

由圖6（a）可知，苦豆子秸稈與羊糞混合堆腐散熱是一個緩慢過程，7個基質槽側壁面溫度整體呈先上升、后下降趨勢，溫度變化曲線近似拋物線。各基質槽側壁面溫度均在1～8 d上升到最高，溫度值為61.3℃。從物料堆腐1 d后起，在3個時刻對7個基質槽側壁面進行測溫。結果表明，標號為a、b、c、d、e、f、g的基質槽側壁面起始平均溫度分別為 33.9、33.6、35.6、36.1、34.6、33.4、32.8 ℃， 經過 1～8 d 的堆腐 發 酵 緩 慢 升 至 59.8、60.3、61.3、60.6、59.0、60.6、59.9℃，其中基質槽b的側壁面溫度在第7天到達最高值（60.3℃），這可能與該基質槽內物料水分、孔隙度等因素有關。隨著堆肥逐漸腐熟，9 d后基質槽側壁面溫度逐漸回落；到 14 d，基質槽 a、b、c、d、e、f、g 側壁面溫度分別降為 40.2、40.8、40.6、40.6、41.2、40.6、40.7℃。由于溫室大棚保溫效果較好，基質槽側壁面溫度保持在40℃左右。在整個發酵周期，基質槽c、d、e側壁面平均溫度較其他基質槽高約1.5℃。

2.2 堆肥試驗不同基質槽頂面溫度變化

由圖 6（b）可知，基質槽 a、b、c、d、e、f、g 的頂面起 始 平 均 溫 度 分 別 為 39.0、39.6、38.5、41.0、40.6、39.4、40.2℃，高于側壁面5～6℃，這可能因為頂面直接與溫室內空氣接觸，介質的傳熱效率高于側壁面。但是，基質槽頂面溫度的上升、下降趨勢與側壁面一致。 堆腐 7～8 d 后，基質槽 a、b、c、d、e、f、g 的頂面均達到最高溫度，分別為 64.5、65.8、66.8、65.1、65.4、65.5、64.6℃。其中，最高溫度出現在第7天，溫度值達到66.8℃，高于側壁面溫度。 堆腐 14 d，基質槽a、b、c、d、e、f、g 的頂面溫度分別降至 44.9、45.0、44.9、45.0、45.0、44.2、44.1℃。與基質槽側壁面溫度相比，基質槽頂面平均溫度高出4.5℃左右。

圖6 基質槽側壁面和頂面溫度變化

2.3 同一天不同基質槽頂面、側壁面溫度變化

堆腐發酵第8天時，對7個基質槽的頂面、側壁面分別進行測溫，結果如圖7所示。基質槽a、b、c、d、e、f、g 的頂面平均溫度分別為 61.70、63.00、64.78、62.50、63.40、62.54、62.57 ℃， 側 壁 面 溫 度 分 別 為61.33、62.30、62.57、61.46、60.45、60.85、60.18 ℃。 同一天同一時刻基質槽a、b的頂面溫度與側壁面溫度差距較小，基質槽 c、d、e、f、g 的頂面溫度較側壁面溫度平均高出1.5℃左右。這與堆腐發酵14 d內頂面溫度高于側壁面溫度的結果一致。

圖7 同一天不同基質槽頂面、側壁面溫度變化

2.4 CFD模擬基質槽頂面散熱變化

在模擬堆體產熱時，本文選取了35℃、50℃和65℃幾個典型的溫度點。由圖8可知，堆體溫度從35℃上升到65℃左右，又逐漸回落至起始溫度。當堆體即熱源向周圍散熱以頂面散熱為主導且堆體溫度為35℃時，溫室內堆體兩側的氣流組織基本對稱，熱源的中間發熱不明顯。當堆體溫度達到50℃左右時，堆體中間發熱明顯，7個基質槽頂面散熱以弧形向外發散，發熱集中在基質槽頂面5～10 cm處。當熱源溫度上升到65℃時，基質槽頂面散熱區域明顯變大，尤其是標號為d、e、f、g的基質槽散熱量較大。之后，隨著堆肥逐漸腐熟，散熱量隨堆體溫度降低而回落，這與堆腐試驗頂面散熱的數據一致。

圖8 溫室內同一位置基質槽頂面溫度云圖

2.5 CFD模擬基質槽側壁面和頂面散熱變化

由圖9可知，當堆體側壁面、頂面同時向周圍散熱時，35℃溫室內熱源散熱不明顯，空氣對流傳熱無明顯變化。當堆體溫度為50℃左右時，在溫差產生浮力的驅動下熱空氣上升，來自縱向的熱氣流沖擊會激發出現邊界層內非定常流動的現象，溫室內上下層的流體會形成清晰的分界面。當堆體溫度達到65℃時，溫室內上層熱空氣明顯變厚。隨著溫度回落，堆肥發熱量逐漸降低，基質槽向四周輻射的熱量逐漸回落至初始狀態。

圖9 同一位置基質槽側壁面和頂面溫度云圖

3 結論與討論

溫度是苦豆子秸稈堆肥發酵的一個關鍵控制指標，其變化反映了堆腐過程中微生物活動和堆肥的腐熟進程[17]。無論何種原料的堆肥，其溫度通常從開始的環境溫度迅速上升到65℃左右，并持續一段時間回落至環境溫度。本研究中，7個基質槽的堆肥在7～8 d都達到了最高，平均溫度65.6℃，但溫室內中間基質槽堆體升溫速度略快，這與趙江龍[18]揭示的溫室大棚內靠近薄膜處溫度低、中間后墻處溫度高的結論相吻合。本研究中，基質槽頂面平均溫度要比側壁面高4.5℃左右，基質槽頂面與空氣的換熱以對流換熱為主，而側壁面受到介質阻礙，因而頂面熱交換速度比側壁面比快。

在數值模擬中，本文圍繞苦豆子秸稈堆腐的產熱性能建立了溫室基質槽內堆腐散熱的CFD模型，苦豆子堆肥與基質槽散熱模擬值表現出了良好的一致性。當以基質槽頂面散熱為主導時，在相同工況下越靠近溫室內西側的基質槽散熱量越小，這可能與溫室內西墻內側的氣流運動快慢有關[19]。隨著堆體溫度升高，散熱區域的顏色反映了對流傳熱的強弱。涌入低溫氣流以弧形向外傳導，總體上氣流對稱結構完整，未出現多團聚集現象[20-21]。當基質槽側壁面、頂面同時散熱時，溫室大棚中間以東的基質槽散熱區域較西側基質槽要小，溫室內西側氣流運動速度較快，因而對流傳熱效率較東側基質槽高。堆體全方位輻射散熱會影響整個溫室區域，對稱結構已遭到破壞，對流傳熱區域隨堆體溫度升高而變大[22]。但是，堆肥腐熟溫度回落后，溫室內散熱漸趨均勻，分層現象依然存在。綜合考慮，苦豆子秸稈堆腐發酵對溫室溫度場的影響比較明顯，但是否對溫室內的濕度、氣流速度、CO2濃度也有影響仍需進一步研究證實。

溫室大棚內基質槽中堆腐發酵苦豆子秸稈，7～8 d達到最高溫度，頂面、側壁面溫度較高的基質槽為d、e、f、g。堆腐溫度發酵期內基質槽頂面平均溫度要比側壁面高4.5℃左右，同一天同一時刻頂面溫度較側壁面溫度高1.5℃左右。數值模擬表明，在相同工況下基質槽d、e、f、g的頂面、側壁面散熱量變化明顯，對周邊的溫度場影響較大。