智能溫室室內(nèi)溫濕度控制模擬

孫菁 包向忠

東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 江蘇 南京 210096

1 緒論

近年來，隨著中國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)的比重也在不斷提高。目前，中國設(shè)施農(nóng)業(yè)面積達(dá)到140萬hm2，已成為世界上最大的設(shè)施栽培國家。大棚保證了淡季蔬菜和水果的生長，為植物提供了適合一年四季生長的環(huán)境，打破了時間和氣候的限制。隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，對反季節(jié)蔬菜水果的需求也在不斷增加。大棚面積已達(dá)500hm2以上，大型大棚每年增長數(shù)百公頃[1]。但是，中國溫室氣體生產(chǎn)管理水平與發(fā)達(dá)國家仍有差距[2-3]。智能溫室環(huán)境系統(tǒng)是一項(xiàng)低能耗、高產(chǎn)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)。通過智能控制技術(shù)來調(diào)節(jié)溫度、濕度和CO2，從而影響溫室環(huán)境中作物的生長，使作物在適宜的生長空間中生長，提高作物產(chǎn)量[4]。智能溫室中作物的生長受多種環(huán)境因素的影響，其中溫度和濕度對作物的影響最為顯著。

溫度直接而迅速地影響著作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[5]。溫室環(huán)境是一個復(fù)雜的分布參數(shù)系統(tǒng)，具有非線性時變、多變量強(qiáng)相關(guān)性、大時滯等特點(diǎn)[6]。因此，除了研究其空調(diào)方式外，溫濕度范圍和均勻性也是重要的研究對象[7]。溫室內(nèi)氣流組織的分布可以使溫室內(nèi)空氣的溫度、濕度和速度分布更加合理，更好地滿足溫室內(nèi)作物的生長需要[8]。

本文主要以農(nóng)作物溫室溫度、濕度控制為研究對象，根據(jù)溫室展廳溫度、濕度要求和負(fù)荷，建立相應(yīng)的物理模型和傳熱模型，對不同工況下的室內(nèi)溫濕度控制進(jìn)行了模擬和優(yōu)化。通過仿真，對原方案中存在的溫度、濕度均勻性不達(dá)標(biāo)的問題，提出了兩種不同的控制方案。

2 模型和方法

2.1 模型假設(shè)

在研究溫室室內(nèi)流場分布情況時，為簡化數(shù)值模擬計(jì)算過程，作以下假設(shè)，并簡化溫室傳熱模型如圖一所示。

1）溫室外覆蓋的玻璃層溫度分布均勻；

2）不考慮溫室各覆蓋材料的蓄熱作用；

3）各固體壁面對輻射的吸收率視為常數(shù)；

4）參與熱輻射的表面全部作為漫灰表面處理；

5）溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱按照固定的傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算；

6）室內(nèi)空氣流動符合Boussinesq假設(shè)。

圖1 溫室展廳傳熱模型

2.2 湍流及輻射模型選擇

本模擬中，溫室湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型，在處理近壁面氣流流動中發(fā)生的質(zhì)能傳輸時常采用壁面函數(shù)法；使用了非灰度（即考慮輻射的顏色特征——波長范圍）的DO模型來計(jì)算輻射傳播路徑和過程，用于描述墻壁、屋頂和地面相互耦合的對流熱傳遞和長波輻射能量交換。

2.3 邊界條件

本模擬中，以室內(nèi)空氣為模擬主體，邊界包括屋頂、外墻、地面等，具體邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊界條件設(shè)置

2.4 模擬工況

溫室室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 溫室室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 模擬工況設(shè)置（夏季）

表4 模擬工況設(shè)置（冬季）

表5 優(yōu)化工況設(shè)置（夏季）

表6 優(yōu)化工況設(shè)置（冬季）

考慮到溫室展廳溫濕度設(shè)計(jì)均勻性要求，優(yōu)化工況調(diào)整送風(fēng)口和回風(fēng)口的個數(shù)、尺寸和分布方式。布置15個旋流風(fēng)口，送風(fēng)口直徑為500mm；布置4個單層百葉回風(fēng)口，回風(fēng)口長×高尺寸為1m×0.5m，距離地面0.5m。風(fēng)口位置分布更改如圖2所示。

圖2 風(fēng)口位置更改前后分布圖

圖3 室內(nèi)溫度整體分布

圖4 0.3m和1.5m截面溫度分布

圖5 室內(nèi)相對濕度整體分布

圖6 距地面0.3m和1.5m截面相對濕度分布

圖7 室內(nèi)溫度整體分布

圖8 距地面0.3m 和1.5m截面溫度分布

圖10 距地面0.3m 和0.9m截面相對濕度分布

圖11 室內(nèi)溫度整體分布

圖12 0.3m截面溫度分布

圖14 室內(nèi)相對濕度整體分布

圖15 0.3m和1.5m截面相對濕度分布

圖16 室內(nèi)溫度整體分布

圖17 0.3m截面溫度分布

圖18 1.5m截面溫度分布

圖19 室內(nèi)相對濕度整體分布

圖20 0.3m和1.5m截面相對濕度分布

3 模擬分析及總結(jié)

3.1 夏季初始工況模擬

3.1.1 工況設(shè)置

3.1.2 結(jié)果與分析

溫度分布

（1）整個溫室的整體溫度分布處于16～34℃之間，送風(fēng)口向下垂直區(qū)域溫度較低，最低為送風(fēng)溫度16℃，最高溫度出現(xiàn)在屋頂附近，約為34℃左右。2m以下區(qū)域滿足夏季溫室室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度要求。

（2）綜合多個截面溫度分布，均處于24℃±2℃，每一截面都有明顯的溫度分層，溫度梯度約為4℃，溫度分布均勻性不好，不符合均勻性設(shè)計(jì)要求。

（3）綜合多個截面溫度分布，得熱量較高的墻體和回風(fēng)口附近的溫度值達(dá)到最高，具體為西外墻（熱流密度最高墻體，靠近輔房）附近約5m范圍內(nèi)和回風(fēng)口附近約6m范圍內(nèi)溫度值最高，其余位置溫度分布較為均勻，垂直送風(fēng)口位置附近很小范圍內(nèi)溫度最低。

相對濕度分布

（1）整個溫室的濕度分布處于40%-95%之間，垂直送風(fēng)口位置相對濕度最高，為送風(fēng)濕度95%，屋頂向下約5m范圍內(nèi)相對濕度最小，在40%-50%之間，2m以下大部分區(qū)域滿足夏季溫室室內(nèi)設(shè)計(jì)濕度要求。

（2）選取的多個截面相對濕度值基本在55%-74%之間，其中回風(fēng)口附近約5m區(qū)域內(nèi)相對濕度稍低于60%，此區(qū)域不滿足夏季溫室室內(nèi)設(shè)計(jì)相對濕度要求。

（3）綜合多個截面相對濕度分布，東墻附近約3m區(qū)域內(nèi)相對濕度達(dá)到最大，回風(fēng)口附近約5m區(qū)域內(nèi)相對濕度最小，相對濕度分布較為均勻。

3.2 冬季初始工況模擬

3.2.1 工況設(shè)置

3.2.2 結(jié)果與分析

溫度分布

（1）整個溫室的整體溫度分布處于16～34℃之間，2m以下區(qū)域溫度有低于設(shè)計(jì)溫度下限值，不滿足冬季溫室室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度要求；

（2）選取的多個截面溫度值基本在18℃±2℃之間，不滿足冬季溫室室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度要求；

（3）綜合多個截面溫度分布，平均溫度由0.3m至2m逐漸升高，受送風(fēng)溫度和墻體（東墻）熱流密度影響，溫度最高區(qū)域均出現(xiàn)在東墻和其距離最近的送風(fēng)口交叉區(qū)域內(nèi)以及各墻體附近， 多個截面的溫度梯度均約為4℃，溫度分布均勻性不好，不符合均勻性要求。

相對濕度分布

（1）整個溫室的濕度分布處于50%-95%之間，不滿足冬季溫室室內(nèi)設(shè)計(jì)濕度要求。

（2）選取的多個截面相對濕度值基本在70%-95%之間，墻體附近相對濕度達(dá)到最低，其余位置均在90%以上，不滿足冬季溫室室內(nèi)設(shè)計(jì)相對濕度要求。

（3）綜合多個截面相對濕度分布，中間植株周圍區(qū)域相對濕度達(dá)到最大，由0.3m至2m，平均相對濕度逐漸減小，東墻和其距離最近的送風(fēng)口交叉區(qū)域內(nèi)以及各墻體附近相對濕度最小；綜合多個截面溫度分布，各截面相對濕度分層明顯，相對濕度分布較不均勻，不符合均勻性設(shè)計(jì)要求。

3.3 夏季優(yōu)化工況模擬及分析

初始工況下，室內(nèi)2m以下植株分布區(qū)域均滿足室內(nèi)溫濕度設(shè)計(jì)要求，但溫濕度分布均勻性不滿足設(shè)計(jì)要求。考慮溫濕度分布均勻性受送回風(fēng)口分布方式、送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度影響，設(shè)計(jì)僅改變送回風(fēng)口分布方式、僅改變送風(fēng)溫度、僅改變送風(fēng)速度和同時改變送回風(fēng)口分布方式、送風(fēng)溫度和速度四種改進(jìn)方案，通過模擬結(jié)果對比，僅改變送回風(fēng)口分布方式、送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度可以一定程度上調(diào)整截面的溫濕度均勻性，但不能將截面溫度梯度控制在2℃以內(nèi)，而在改變送回風(fēng)口分布方式的前提下，同時提高送風(fēng)溫度、降低送風(fēng)量可以將截面溫度梯度控制在2℃以內(nèi)，并且相對濕度梯度可控制在10%以內(nèi)，具體描述如下。

3.3.1 工況設(shè)置

3.3.2 溫度分布

（1）整個溫室的整體溫度分布處于16～35℃之間，送風(fēng)口向下垂直區(qū)域溫度較低，最低為送風(fēng)溫度16℃，最高溫度出現(xiàn)在屋頂附近，約為35℃左右，2m以下區(qū)域滿足夏季溫室室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度要求。

（2）對比0.3m并選取各截面23.5-25℃和24-26℃的溫度分布云圖對照，可以發(fā)現(xiàn)：截面溫度分布云圖中，送風(fēng)口下方區(qū)域溫度稍低于24℃，其余區(qū)域溫度均在25±1℃范圍內(nèi)，滿足溫度均勻性設(shè)計(jì)要求。

（3）對比1.5m截面溫度分布，并選取各截面23-28℃和24.5-26.5℃的溫度分布云圖對照，可以發(fā)現(xiàn)：截面溫度分布云圖中，送風(fēng)口下方及其周圍區(qū)域溫度稍低于24.5℃，由西至東第二排和第四排送風(fēng)口周圍溫度稍高于26.5℃，其余區(qū)域溫度均在25.5±1℃范圍內(nèi)，滿足溫度均勻性設(shè)計(jì)要求。

3.3.3 相對濕度分布

（1）整個溫室的濕度分布處于28%-74%之間，垂直送風(fēng)口位置相對濕度最高，屋頂向下約5m范圍內(nèi)相對濕度最小，在50%-60%之間，2m以下區(qū)域滿足夏季溫室室內(nèi)設(shè)計(jì)濕度要求。

（2）選取多個截面60-72%的相對濕度分布云圖對照，可以發(fā)現(xiàn)：各截面相對濕度分布規(guī)律相似，植株周圍相對濕度稍高，在70%左右，其余區(qū)域濕度梯度較小，且約在63%-68%之間，符合相對濕度設(shè)計(jì)要求；濕度梯度均控制在10%以內(nèi)，小于夏季初始工況的20%左右，此種方案下相對濕度分布均勻性良好，符合均勻性設(shè)計(jì)要求。

3.3.4 速度分布

分析植物區(qū)域速度變化情況，各截面速度較小，基本在0-1m/s范圍內(nèi)，送風(fēng)口附近速度最大，處于人體接受范圍內(nèi)，滿足植物生長風(fēng)速需求。

3.4 冬季優(yōu)化工況模擬及分析

3.4.1 工況設(shè)置

3.4.2 溫度分布

（1）整個溫室的整體溫度分布處于20～35℃之間，送風(fēng)口向下垂直區(qū)域溫度較高，2m以下區(qū)域滿足冬季溫室室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度要求。

（2）針對0.3m截面，分別設(shè)置溫度變化范圍為19-20℃、20-23℃，經(jīng)對比分析，0.3m截面溫度變化范圍為20-22℃；針對1.5m截面，分別設(shè)置溫度變化范圍為21.3-22.8℃、21-23℃，經(jīng)對比分析，1.5m截面溫度變化范圍為21.5-23℃。其溫度梯度均為1.5℃，滿足溫度均勻性設(shè)計(jì)要求。

3.4.3 相對濕度分布

（1）整個溫室的濕度分布處于27%-95%之間，植株周圍濕度達(dá)到最大，屋頂向下約5m范圍內(nèi)相對濕度最小，在27%-66%之間，2m以下大部分區(qū)域滿足冬季溫室室內(nèi)設(shè)計(jì)濕度要求。

（2）選取的多個截面相對濕度值基本在60%-80%之間，其中中間區(qū)域內(nèi)相對濕度達(dá)到最高，送風(fēng)口附近相對濕度最低，為送風(fēng)濕度，符合相對濕度設(shè)計(jì)要求； 除中間小范圍植物附近濕度較大，其余區(qū)域隨著高度增加，相對濕度分布越均勻。

3.4.4 速度分布

分析植物區(qū)域速度變化情況，各截面速度較小，基本在0-0.5m/s范圍內(nèi)，回風(fēng)口附近速度最高，處于人體接受范圍內(nèi)，滿足植物生長風(fēng)速需求。

3.5 優(yōu)化工況分析總結(jié)

表7，表8列出了冬夏季溫室展廳2m高度以下的溫濕度整體設(shè)計(jì)要求和均勻性要求最終是否滿足。

表7 夏季優(yōu)化工況總結(jié)表

表8 冬季優(yōu)化工況總結(jié)表

表9 冬夏季優(yōu)化模擬工況設(shè)置

在原始設(shè)計(jì)方案中，夏季溫度均勻性和濕度不符合設(shè)計(jì)要求，冬季溫濕度均不符合設(shè)計(jì)要求。由于四面墻體熱流密度不均勻、送回風(fēng)口紊流現(xiàn)象明顯等原因，風(fēng)口位置應(yīng)在原有對稱基礎(chǔ)上加以改變，使溫室內(nèi)2m以下區(qū)域冬夏季的溫濕度均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求且基本符合均勻性要求。

針對原有方案的不足進(jìn)行調(diào)整，通過改變送回風(fēng)口數(shù)目、尺寸和位置，同時相應(yīng)改變送風(fēng)溫度和速度，使2m以下區(qū)域室內(nèi)溫差控制在2℃左右，相對濕度基本維持60%-80%之間。

3.6 系統(tǒng)優(yōu)化方案

考慮溫室展廳的溫濕度分布均勻性受送回風(fēng)口分布方式、送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度影響，本文通過多次模擬，篩選出滿足冬季溫濕度設(shè)計(jì)要求及溫濕度均勻性設(shè)計(jì)要求的風(fēng)口布置方式，同時考慮冬夏季共用一套送風(fēng)系統(tǒng)，在冬季優(yōu)化方案下，同步夏季送風(fēng)參數(shù)，仍可滿足溫濕度設(shè)計(jì)要求和均勻性要求。

以2m范圍內(nèi)截面溫度梯度控制在2℃以內(nèi)、相對濕度梯度控制在10%以內(nèi)為優(yōu)化目標(biāo)，具體通過改變送風(fēng)口布置方式（3×5和3×6）、送風(fēng)口直徑（Φ315、Φ400、Φ500、Φ630）、送風(fēng)溫度和送風(fēng)濕度實(shí)現(xiàn)，得出：

送風(fēng)口數(shù)量及布置會對影響底部區(qū)域溫濕度均勻性。通過增加風(fēng)口數(shù)量，調(diào)整風(fēng)口位置，調(diào)整送風(fēng)參數(shù)，從而達(dá)到控制要求。因此優(yōu)化工況布置15個送風(fēng)口直徑為500mm的旋流風(fēng)口和4個1m×0.5m單層百葉風(fēng)口。冬夏季優(yōu)化工況如下：

4 結(jié)論

（1）通過對溫室展廳溫濕度控制的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在原設(shè)計(jì)方案中，夏季的溫度均勻性和濕度不符合設(shè)計(jì)要求，冬季的溫度和濕度不符合設(shè)計(jì)要求。針對原有方案的不足進(jìn)行調(diào)整，通過改變送回風(fēng)口數(shù)目、尺寸和位置，同時相應(yīng)改變送風(fēng)溫度和速度，使2m以下區(qū)域室內(nèi)溫差控制在2℃左右，相對濕度基本維持60%-80%之間。

（2）送風(fēng)口數(shù)量及布置會對影響底部區(qū)域溫濕度均勻性。通過增加風(fēng)口數(shù)量，調(diào)整風(fēng)口位置，調(diào)整送風(fēng)參數(shù)，從而達(dá)到控制要求。因此優(yōu)化工況布置15個送風(fēng)口直徑為500mm的旋流風(fēng)口和4個1m×0.5m單層百葉風(fēng)口。能夠溫濕度滿足要求且施工可行。