基于CFD的不同通風方式塑料大棚降溫效果研究

王傳清 倪秀男 魏 珉，2 李清明，2 王少杰 曹 欣

(1.山東農業大學園藝科學與工程學院， 泰安 271018； 2.山東農業大學作物生物學國家重點實驗室， 泰安 271018；3.山東農業大學水利與土木工程學院， 泰安 271018； 4.濟南萊蕪安信農業科技有限公司， 濟南 271100)

0 引言

塑料大棚是我國現階段園藝作物保護生產的主要設施類型之一，約占設施總面積的45%[1]。傳統塑料大棚主要通過兩側自然通風，降溫排濕效果差，棚內溫度和濕度過高導致作物產量和品質下降[2-3]。

大棚通風效果受通風口配置和形狀、外部風速風向、種植作物等多個因素影響，其中通風口配置和形狀是重要因素[4-6]。塑料大棚通常有3種通風配置：側面通風、頂部通風、側面和頂部組合通風[7]。合理確定通風口配置和形狀，對于精準調控大棚內環境參數，促進作物生長和提高產量具有重要意義。

隨著計算流體力學(CFD)理論的不斷完善，CFD模擬技術在設施環境研究中的應用越來越普遍[8-10]。已有研究主要集中通風口布局、風速風向、作物種植等對室內自然通風效果和氣流場的影響，而對通風口配置和形狀等棚體結構優化的研究較少[11-14]。本文通過實地觀測和CFD模擬，研究不同通風口配置和通風口形狀對塑料大棚內溫度的調節效應，旨在為大棚結構和性能優化提供依據。

1 試驗大棚與測試方法

1.1 試驗大棚

試驗大棚位于山東省濟南市萊蕪區，南北走向，單棟拱圓形，長度46 m，跨度8 m，覆蓋厚度0.1 mm聚乙烯塑料薄膜。不同通風口配置(兩側底部、兩側底部+頂部)大棚脊高3 m、不同通風口形狀(水平卷膜、垂直卷膜)大棚脊高3.4 m(圖1)。兩側通風口離地高度0.4 m，最大開啟尺寸1 m；頂部水平通風口最大開啟尺寸1.2 m，垂直通風口最大開啟尺寸0.7 m。

圖1 不同通風口配置及通風口形狀塑料大棚Fig.1 Plastic greenhouse with different ventilation configurations and shapes

1.2 測試方法

觀測日期2018年6月8日至7月10日，棚內種植作物為番茄。晝間氣溫超過20℃時開啟頂通風口，超過24℃時開啟側通風口。為便于比較，通風口開度保持一致。

室外測點：試驗大棚的北側30 m、距地面3 m高度處安裝風速風向測試儀，距地面1.8 m高度處安裝溫濕度記錄儀和太陽輻射儀。室內測點：大棚中部剖面處設有氣溫、地溫觀測點，具體布置如圖2所示，其中T1～T13表示驗證棚棚內測點，其他棚內測點布置方式同驗證棚。大棚內外溫濕度測定采用U23-001型溫濕度記錄儀(美國HOBO公司)；地溫和風速風向測定采用L92-1型溫度記錄儀和L99-FSFX型風速風向記錄儀(杭州陸格公司)；太陽輻射數據測定采用JTR05型太陽輻射儀(北京世紀建通公司)，所有測點均每隔10 min自動采集一次數據。

圖2 塑料大棚內溫度測點分布Fig.2 Measuring points distribution inside plastic greenhouse

2 數值建模

2.1 數值模型

本研究將大棚內的空氣定義為湍流狀態下的有粘性的、不可壓縮的理想氣體，氣體流動用質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程來描述，計算時采用標準k-ε求解，控制方程包括連續性方程、動量方程、能量方程、k(湍動能方程)和ε(耗散率)方程，這些方程可由通用方程[15]表示為

(1)

式中φ——通用變量

ρ——密度，kg/m3

v——速度矢量，m/s

Γφ——廣義擴散系數

Sφ——源項

番茄影響棚內氣體的流動，將番茄設置為多孔介質，按實際株行距將番茄簡化為5個寬0.6 m、高0.9 m的長方形(圖3)。利用Darcy-Forchheimer定律將其作為方程(1)的源項加入到動量守恒方程中，即

圖3 塑料大棚內番茄模擬示意圖Fig.3 Simulation diagram of tomato in plastic greenhouse

(2)

式中KP——多孔介質滲透率，m2

CF——非線性動量損失因子

μ——空氣動力粘度，kg/(m·s)

u——空氣流速，m/s

本文中KP=0.395 m2，CF=0.4。大棚內流場受輻射傳熱影響較大，本研究選取DO輻射模型的Solar ray tracing方法將棚膜設為半透明介質進行計算。

2.2 網格劃分及邊界條件

選取兩側底部通風大棚中部的剖面建立二維模型，計算域包括大棚外部流體計算域和內部流體計算域，選取外部流體計算域53 m×20 m，滿足進風向長度、出風向長度、高度至少為大棚脊高的3、7、5倍的要求[16]。計算域采用結構化、非均勻網格劃分，大棚通風口進行網格加密處理，近壁面區域采用標準壁面函數法進行計算，最大網格尺寸200 mm，網格劃分總數為5.03×105。劃分網格后，檢查網格問題與質量，計算結果顯示平均網格質量、最小角度和長寬比分別為0.73、30.1°、1.15，符合計算要求。

大棚初始環境均由實際試驗數據確定，具體邊界條件參數見表1，當棚外自然風速較低時，棚內氣流流動以熱壓作用引起的自然對流為主，為便于處理由溫差引起的浮升力項，采用Boussinesq假設[17]。對于大棚外部流體計算域，將迎風面設置為速度入口，背風面設置為壓力出口，頂面設置為非滑移半透明壁面加載太陽輻射(太陽輻射為803 W/m2)，大棚的圍護結構和地面均設為壁面，通風口設置為內部邊界條件，將番茄、大棚和外部流體計算域設為3個Fluid流體域。具體材料屬性相關參數如表2所示。

表1 邊界條件及參數Tab.1 Boundary conditions setting of model

表2 材料屬性相關參數Tab.2 Related parameters of materials

2.3 模型驗證

選取2018年6月26日典型晴天11：30大棚內外環境參數，利用CFD模擬兩側底部通風大棚內的溫度場和氣流場。棚內溫度測點T1～T13的實測值和CFD模擬值絕對誤差在0.2～2.9℃之間，均方根誤差1.27℃，平均相對誤差3.7%，最大相對誤差9.4%，其中T2～T4實測值與模擬值存在較大差異,原因可能是大棚受群棚效應影響，導致實測值較高(圖4)。模型相對誤差在10%之內，且模擬值與實測值的變化趨勢基本一致，證明所建立CFD模型是有效的[18]。

圖4 大棚內溫度模擬值與實測值比較Fig.4 Comparison of simulated and measured temperatures in greenhouse

3 結果與分析

3.1 通風口配置對大棚溫度場和氣流場的影響

3.1.1降溫效果

與僅兩側底部通風相比，兩側底部+頂部通風大棚內晝間平均氣溫降低0.4～2.1℃，平均降低1.1℃，晴天降溫效果更明顯(圖5a)。由圖5b可知，典型晴天(6月12日)棚內外溫度日變化速率趨勢相同，04：00—13：00為升溫階段，兩側底部通風大棚、兩側底部+頂部通風大棚平均升溫速率分別為2.8、2.4℃/h，后者較前者降低0.4℃/h；14：00—20：00為降溫階段，兩側底部通風大棚、兩側底部+頂部通風大棚平均降溫速率分別為2.5、2.2℃/h，后者較前者降低0.3℃/h，說明增設頂通風后，大棚降溫效果較好，環境更為穩定。

圖5 不同通風口配置大棚內溫度變化曲線Fig.5 Comparison of temperature changes in greenhouse with different vent configurations

3.1.2氣流場和溫度場

圖6為風向與大棚朝向垂直時，不同通風口配置下大棚內的氣流場和溫度場。當兩側底部通風口打開時(圖6a)，在迎風側和逆風側通風口處風速最大，近棚頂區域形成循環圈，增加該區域氣流混合度；近地面有作物阻擋，作物行間形成低速回流，并與地面土壤進行熱交換，氣流速度較慢，而大棚逆風區域氣流流速最慢，整體空氣混合程度較差。大棚兩側底部和頂部通風口同時打開時(圖6c)，氣流從迎風側快速進入，與棚面、骨架結構熱交換后在頂部通風口下方形成強循環區，通過頂部和逆風側通風口流出，大棚流速較僅兩側底部通風大棚明顯提高，內部空氣混合更為均勻。

圖6 不同通風口配置大棚內的溫度場和氣流場Fig.6 Temperature field and flow field of greenhouse with different vent configurations

從圖6可以看出，大棚僅兩側底部通風口打開(圖6b)，由于熱空氣匯聚棚頂難以排出，大棚垂直方向溫度分布為棚頂最高，近地面次之，作物冠層最低。棚頂溫度在36.3～38.5℃之間，大部分區域氣溫在35.9～37.5℃之間。兩側底部和頂部通風口同時打開(圖6d)，棚頂熱氣通過頂部通風口排出，此時大棚垂直方向溫度分布為近地面最高，棚頂次之，作物冠層最低。棚頂溫度在35.0～35.5℃之間，棚內大部分區域氣溫在35.0～36.3℃之間，兩側底部和頂部同時通風降溫效果明顯。

不同通風口配置下大棚作物冠層通風降溫效果見表3。與僅兩側底部通風相比，兩側底部+頂部通風大棚冠層氣流速率較前者高0.22 m/s，通風率提高50%，同時作物冠層氣溫降低1.02℃，降溫效果較好(Yc減小1.18℃/m2)。這是由于增設頂部通風，不僅總通風面積增加，而且頂部通風占整個大棚通風的比重較大，因此兩種通風口組合后通風效率更高[19]。另外兩側底部+頂部通風大棚冠層變異系數小于兩側底部大棚，原因主要是組合通風口大棚氣流流速增加，空氣混合程度更為均勻，因此棚內風速以及溫度分布均勻性顯著提高[20]。

表3 不同通風口配置大棚通風降溫效果評價Tab.3 Evaluation of ventilation and cooling effect of greenhouse with different vent configurations

3.2 通風口形狀對大棚氣流場和溫度場的影響

3.2.1降溫效果

水平卷膜和垂直卷膜大棚溫度變化見圖7。垂直卷膜大棚的晝間平均氣溫相比水平卷膜大棚降低0.2～1.2℃，平均降低0.5℃(圖7a)。從圖7b可看出，在04：00—13：00升溫階段，垂直卷膜通風大棚平均升溫速率較水平卷膜通風大棚低0.3℃/h，在14：00—20：00降溫階段，垂直卷膜通風平均降溫速率較水平卷膜通風低0.2℃/h，可見垂直卷膜通風大棚降溫效果更為理想。

圖7 不同通風口形狀大棚內溫度變化曲線Fig.7 Comparison of temperature changes in greenhouse with different vent shapes

3.2.2氣流場和溫度場

圖8為不同通風口形狀下塑料大棚氣流場和溫度場。當水平卷膜大棚通風時(圖8a)，空氣從側通風口入，在棚頂下方形成逆時針的循環圈，空氣混合度較高。作物冠層附近的氣流主要從逆風側通風口流出，流速較快，棚內氣體均勻性較好。當垂直卷膜大棚通風時(圖8c)，空氣通過側通風口進入大棚，沿著地面水平移動，并在大棚中央向上朝著垂直頂通風口移動，在迎風側形成逆時針的回流區，而逆風區域空氣混合程度較低，大棚氣流分布不均勻。

圖8 不同通風口形狀大棚溫度場和氣流場Fig.8 Temperature field and flow field of greenhouse with different vent shapes

由圖8b、8d可知，兩者棚內溫度垂直空間分布與兩側底部+頂部通風大棚相似，水平卷膜大棚、垂直卷膜大棚溫度范圍分別為35.0～36.2℃、34.8～35.6℃，垂直卷膜大棚夏季降溫效果好于水平卷膜大棚。

不同通風口形狀大棚作物冠狀層通風降溫效果如表4所示，垂直卷膜大棚氣流速率比水平卷膜大棚高0.08 m/s，通風率為水平卷膜大棚的1.2倍，作物冠層氣溫較水平卷膜大棚降低0.27℃，降溫效果好于水平卷膜大棚。主要原因在于垂直卷膜通風大棚的底部和頂部通風口間的高度差較大，導致通風口處的壓力差增加，空氣流量增加，通風效率提高[21]。但作物冠層中空氣溫度和氣流均勻性略低于水平卷膜大棚，差異原因是所研究大棚棚頂通風口的非對稱設計，一定程度上影響大棚內部氣流運動，導致氣溫均勻性相對較差。

表4 不同通風口形狀大棚通風降溫效果評價Tab.4 Evaluation on ventilation and cooling effect of greenhouse with different vent shapes

4 結論

(1)構建了單棟塑料大棚CFD模型，實地觀測并對模型的有效性和可靠性進行了驗證，溫度CFD模擬值與實測值均方根誤差1.27℃，平均相對誤差3.7%，構建的CFD模型其計算結果能夠反映單棟塑料大棚內空氣溫度分布規律。

(2)夏季高溫天氣，兩側底部和頂部通風配置能有效降低作物冠層氣溫，且通風率最高，室內外溫差最小，氣流和溫度空間分布更均勻；不同通風口形狀大棚的通風降溫效果具有明顯差異，與水平卷膜大棚相比，垂直卷膜大棚通風效果和降溫效果最好，但均勻性略低于水平卷膜通風大棚。

(3)采用兩側底部加頂部垂直卷膜的通風口配置和形狀有助于實現夏季塑料大棚的通風降溫。