基于CFD的主動蓄放熱日光溫室通風模擬

景煒婷,荊海薇,楊定偉,鄒志榮

(1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院,陜西 楊凌 712100;2.西北農林科技大學 園藝學院,陜西 楊凌 712100)

日光溫室是我國冬季農業生產的主要設施,擁有優越的保溫性能,近年來日光溫室因其能夠幫助作物越冬生產的優勢,緩解了我國北方地區淡季蔬菜供應問題,在北方地區發展迅速[1-3]。由于建造和運行日光溫室所需的成本較低,符合中國現階段的經濟發展需求[4-6]。

日光溫室內部的流場分布反映出溫室內諸多環境因素,把握溫室內流場的分布情況有助于分析溫室內環境,進而增強溫室熱工性能[7-8]。隨著計算機技術的進步,基于計算流體力學(CFD)軟件對溫室內部流場進行模擬研究成為溫室內部流體研究的重要手段[9-10]。CFD是將流體試驗用數值模擬的方法進行求解的過程,可以用于模擬溫室內復雜的小氣候環境[11],分析溫室圍護結構及室內設備對溫室內環境產生的影響[12],研究外界環境與溫室內環境的關聯,是研究流體流動的有效方法[13]。在利用CFD軟件模擬溫室內部環境方面,李夏青等[14]模擬了冬季溫室大棚內部溫度場,并與試驗相對照,得到了冬季大棚內溫度場和濕度場的分布規律;在模擬溫室結構及設備對內環境產生的影響方面,洪亞杰等[15]針對環流風機布置方式對溫室內流場的影響進行研究,驗證了環流風機對溫室機械通風降溫范圍的提升;在模擬外界環境對溫室內環境的影響方面,孫樹鵬等[16]對比了冬、春、夏3個季節環境溫度對溫室內溫度的影響,并針對不同的季節特點對溫室進行了差異化設計。

本研究利用CFD軟件構建三維溫室模型,對比分析不同主動蓄放熱系統風口布置方式對溫室內流場的影響,優化溫室主動蓄放熱系統風口布置方式,以便為溫室結構改進以及溫室內部的小氣候調控提供更可靠的理論依據。

1 CFD模型建立

1.1 三維模型的建立

選取陜西省楊凌示范區西北農林科技大學北校區北側園藝場的日光溫室為研究對象,溫室東西走向,坐北朝南,東西方向長16 m,南北方向跨寬9 m,脊高5.8 m,后墻高3.6 m,單出風口溫室采用夯實黏土作為保溫后墻材料,厚度1.2 m,多出風口溫室采用石子作為材料,厚度0.8 m,溫室模型地下建立土層模型,厚度2 m,如圖1所示。室內外空氣通過下通風口流入、后坡天窗流出。

圖1 主動蓄放熱系統通風管道模型

溫室三維模型內建立主動蓄放熱系統通風管道,其中單出風口主動蓄放熱循環系統的進風口位于溫室后墻頂部,分布三條進風管道,管道直徑200 mm,后墻進風管道長3.8 m,在后墻地下土層深度0.2 m處轉彎,每根后墻進風管道于地下分為兩根水平出風管道,共6根水平出風管道,長度8.5 m,最終管道出風口設置在距溫室薄膜底端100 mm處,距離地面高度300 mm,并在6個出風口處設置風向沿y軸正方向的軸流風機。多出風口主動蓄放熱循環系統的進風口管道設置與單出風口主動蓄放熱循環系統相同,每條地下管道設置5個出風口,間距1.4 m,共30個出風口,軸流風機設置在3個進風口處,風向沿y軸負方向。

1.2 CFD方法原理

1.2.1 控制方程

溫室內流體通常低速流動,流速較小,所以采用不可壓縮流體來描述溫室內氣體,從而溫室內流體滿足三大基本方程[17-18]。由于溫室內空氣運動的雷諾數較大,在研究溫室內流場時,釆用湍流模型進行模擬,本次研究選用的湍流模型是標準k-ε方程[19-20]。

1.2.2 輻射模型

日光溫室生產的主要能量來源為太陽輻射[21],輻射模型采用DO模型進行加載,太陽荷載模型采用Solar Ray Tracing算法進行加載[22],通過Solar Calculator設定楊凌地區的地理位置(東經108°,北緯34°)和時區(+8),溫室模型X軸正向為正南方向,Z軸正向為正西方向,Y軸正向為溫室高度方向,計算出當時太陽總輻射強度。

1.2.3 網格劃分

模型采用四面體網格劃分,針對30萬、80萬和130萬三種數量的網格進行驗證,除網格數量外其他條件如邊界條件和計算參數等設置均相同[23]。對計算結果進行輸出,選取6個坐標點的溫度進行驗證。根據結果可以看到30萬網格和80萬網格之間的最大誤差為3.66%,80萬和130萬網格之間的最大誤差為1.85%,如圖2所示。后兩者的誤差相比前兩者的誤差更小,但是130萬網格的劃分時間是80萬網格的兩倍,計算的時間則更長,最終選擇80萬的網格方案進行數值模擬。

圖2 網格無關性驗證

1.2.4 邊界條件

溫室CFD數值模擬以室內外空氣作為研究對象,外界氣象條件、溫室圍護結構和土壤都作為數值模擬的邊界條件進行處理[24-25]。將溫室迎風面下通風口設置為速度進口,后坡天窗設置為壓力出口,溫室圍護結構、后墻、主動蓄放熱管道和土壤設置為壁面。單出風口溫室主動蓄放熱管道的6個出風口為風扇邊界,風速沿y軸正方向0.8 m/s,進風口為壓力入口;多出風口溫室管道的3個進風口為風扇邊界,風速沿y軸負方向1.4 m/s。溫室材料的物理特性參數如表1所示,厚彩鋼部分為絕熱部分,PO膜為半透明壁面。

表1 不同材料物理特性

1.3 模型驗證

試驗溫室位于陜西省楊凌示范區西北農林科技大學北校區北側園藝場日光溫室。試驗于2021年12月10日至2022年3月15日進行,在溫室外南側2 m高度處安裝小型室外氣象站(HOBOU30氣象站),數據采集頻率為10 min。溫室內設6個空氣溫度觀測點,空氣觀測點所在截面距離地面高度為1.5 m,據后墻分別為2 m、5 m和8 m,距溫室西側邊界4 m與12 m,溫室中央截面上布設后墻、地表和前膜溫度觀測點,觀測點位置如圖3所示,溫度測點采用T型,銅-鏮銅熱電偶,溫度測量范圍為-200℃～350℃,精度為±0.2℃,溫度數據采集使用安捷倫34972A型儀器,數據采集頻率為10 min。

1-6.空氣溫度測點;7.后墻溫度測點;8.地表溫度測點;9.前膜溫度測點

以13∶00實測環境參數作為初始條件,對溫室內不開風機、自然通風的工況進行數值模擬,并將溫室內6個空氣溫度測點的實測值與模擬得到的結果相比較進行模型驗證[26],從而驗證模型的準確性。坐標點實測值與模擬值對照圖如圖4所示,誤差在10%以內,說明模擬結果可靠[27-28]。

圖4 模型驗證

2 結果與分析

數值模擬研究了風機兩種不同運行工況下(白天開風機且溫室上、下通風窗打開和夜間開風機且溫室上、下通風窗關閉),兩種主動蓄放熱系統出風口分布方式(單風口和多風口)對溫室內溫度場和流動場的影響。

2.1 白天開風機工況

2.1.1 單出風口主動蓄放熱系統

圖5是白天時間,單出風口主動蓄放熱系統溫室內中央截面和兩側管口截面的溫度與風速分布圖。從圖中可知,由于太陽輻射的作用,白天溫室內空氣溫度偏高,溫室薄膜處溫度最高,而溫室前下部由于溫室通風口打開,溫度稍低,但是也可看到,通過自然通風方式流入溫室內的室外空氣對溫室內空氣溫度影響有限。從圖中還可發現,主動蓄放熱系統管道出風口空氣和溫室上、下通風口的空氣流動在溫室豎直截面內形成了大的空氣循環,從出風口流出的空氣向上運動,碰到溫室薄膜,沿著薄膜內側向上運動,大部分空氣到達溫室上通風口區域,管道出風口空氣向上運動能夠卷吸的植物生長區的溫室空氣有限,而溫室上、下通風口由于自然通風,在溫室的中下部貼近地面附近形成了一個沿著溫室后墻內側向上的空氣流動,這部分空氣能卷吸較多的植物生長區高溫空氣,降低植物生長區的溫度和增加植物生長區的空氣流動性。溫室主動蓄放熱系統管道進風口溫度29.32℃,管道出風口平均溫度28.37℃,溫差0.95℃,主動蓄放熱系統的空氣將熱量傳遞到溫室后墻和土壤中,強化白天溫室后墻和土壤的蓄熱能力。

圖5 單出風口溫室不同豎向剖面溫度及風速分布(白天開風機)

圖6是單出風口主動蓄放熱系統溫室植物生長區高度為0.5 m、1.0 m和1.5 m水平截面的溫度云圖與速度矢量圖。從圖中可知,0.5 m、1.0 m和1.5 m三個高度的平均溫度分別為29.77℃、29.56℃和30.72℃,在植物生長區最大溫差1.16℃。0.5 m、1.0 m和1.5 m三個高度的水平截面的空氣平均風速為0.072 m/s、0.054 m/s和0.030 m/s,隨著高度的上升,空氣流動性減弱,表明由溫室上下通風口和主動蓄放熱出風口的空氣在溫室內形成的空氣流動性隨著高度的增加而減弱,同時,由于主動蓄放熱系統管道出風口空氣流速較大,溫室南半部分空氣流速高于北半部分空氣流速,溫室整體空氣流向單一,擾動較少。

圖6 單出風口溫室水平截面溫度及風速分布(白天開風機)

2.1.2 多出風口主動蓄放熱系統

圖7是多出風口主動蓄放熱系統溫室中央和兩側管口豎直截面的溫度云圖和速度矢量圖,從圖中可知,溫室內整體溫度分布規律與單風口主動蓄放熱系統溫室溫度分布規律類似,由于太陽輻射,溫室溫度偏高,溫室薄膜處溫度最高,由于自然通風,在溫室下通風口附近,溫室空氣溫度較低。多出風口溫室由于管道出風口多點布置,風速較小,管道出風口空氣向上流動,直接進入植物生長區,緩緩與植物生長區空氣進行熱量交換,并未形成大的空氣循環,植物生長區空氣流動較均勻。溫室主動蓄放熱系統管道進風口處平均溫度為29.21℃,管道出風口處平均溫度為28.88℃。溫差為0.34℃,表明主動蓄放熱系統能夠將熱量蓄積到溫室后墻和溫室土壤中。

圖7 多出風口溫室不同豎向剖面溫度及風速分布(白天開風機)

圖8是多出風口主動蓄放熱系統溫室植物生長區高度為0.5 m、1.0 m和1.5 m處水平截面的溫度云圖和速度矢量圖。0.5 m、1.0 m、1.5 m高度處平均溫度分別為29.84℃、29.66℃、29.89℃,植物生長區溫度非常均勻,溫差很小。由于多風口主動蓄放熱系統的管道出風口在植物生長區均勻分布,雖然風口空氣流速較小,但是,在植物生長區形成的空氣擾動較大,植物生長區空氣流動性較好,0.5 m、1.0 m、1.5 m三個高度水平截面平均風速分別為0.079 m/s、0.058 m/s、0.038 m/s。

綜合對比圖5、圖6和圖7、圖8,可以發現白天時段風機開啟狀態下,單風口主動蓄放熱系統溫室內,植物生長區空氣溫度略高于多風口主動蓄放熱系統溫室內植物生長區空氣溫度,且隨著高度的上升,單風口溫室植物生長區空氣溫度上升溫差較大,而多風口主動蓄放熱系統溫室植物生長區空氣溫度溫差較小,空氣溫度較均勻。同時,單風口主動蓄放熱系統植物生長區空氣流速小于多風口主動蓄放熱系統植物生長區空氣流速,且單風口主動蓄放熱系統管道出風口流出空氣只有部分空氣進入植入生長區進行熱濕交換,而大部分向上流動,進入溫室上部空間,溫室植物生長區空氣流動性和均勻性較差;而多風口主動蓄放熱系統管道出風口流出空氣全部進入植物生長區進行熱濕交換,溫室植物生長區空氣流動性和均勻性較好。

綜上所述,在白天開風機工況下,多出風口溫室性能優于單出風口溫室。

2.2 夜間開風機工況

2.2.1 單出風口主動蓄放熱系統

圖9是單出口主動蓄放熱系統溫室中央及兩側管口豎向剖面的溫度云圖和速度矢量圖。從圖中可知,在夜間開風機的狀態下,溫室上下通風口關閉,溫室呈封閉狀態,溫室上部溫度偏低,由于溫室土壤放熱,下部貼近地面附近,溫室空氣溫度較高。溫室主動蓄放熱系統管道進風口平均溫度為12.51℃,管道出風口平均溫度為13.22℃,平均溫差0.71℃,可見,在夜間溫室主動蓄放熱系統能夠從溫室后墻和土壤中吸收熱量,用于提升溫室空氣溫度。另外,也可發現,單風口主動蓄放熱系統管道出風口流出的空氣,順著溫室薄膜向上流動,到達了溫室上部空間,并未全部進入植物生長區,這樣易于直接進入主動蓄放熱系統的進風口,形成空氣短路,不能有效提高溫室植物生長區空間空氣溫度[29-30]。

圖10是單出風口主動蓄放熱系統溫室植物生長區高度0.5 m、1.0 m和1.5 m水平截面的溫度云圖和速度矢量圖。從圖中可知,0.5 m、1.0 m和1.5 m水平截面高度平均溫度分別為13.08℃、12.76℃、12.62℃,隨著高度的上升,溫度略有下降。溫室南部靠近薄膜附近的溫度較高,而溫室中后部溫度較低,對照圖10,可確認單出風口主動蓄放熱系統易于形成空氣短路,管道出口空氣僅有部分進入植物生長區,大部分空氣向上流動,進入溫室上部空間,未有效提升溫室植物生長區空間溫度。0.5 m、1.0 m、1.5 m高度截面上平均風速分別為0.007 m/s、0.006 m/s、0.005 m/s,沿高度上升風速減小。由于管道出風口空氣的抽吸作用,溫室南側薄膜附近空氣流速較大,中后部空間空氣流速較小。

圖10 單出風口溫室水平截面溫度及風速分布(夜間開風機)

2.2.2 多出風口主動蓄放熱系統

圖11是多出風口主動蓄放熱系統溫室中央及兩側管口豎直截面的空氣溫度云圖與速度矢量圖。從圖中可看到,在夜間時段,溫室上下通風口關閉狀態下,溫室東西向溫度分布比較均勻,溫室主動蓄放熱系統管道進風口平均溫度12.79℃,管道出風口平均溫度為14.90℃,溫差2.11℃,表明多出風口主動蓄放熱系統夜間能有效從溫室后墻和土壤中吸取熱量。在豎直截面上,多風口主動蓄放熱系統管道出風口在植物生長區并未形成大的空氣漩渦,由于管道出風口空氣的抽吸作用,溫室中下部植物生長區空氣速度較高。

圖12是多出風口主動蓄放熱系統溫室植物生長區高度分別為0.5 m、1.0 m和1.5 m處水平截面的空氣溫度云圖和速度矢量圖。如圖所示,0.5 m、1.0 m和1.5 m處空氣平均溫度分別為13.54℃、13.48℃和13.45℃,植物生長區空氣溫度均勻;空氣速度分別為0.027 m/s、0.020 m/s和0.017 m/s。由于多出風口主動蓄放熱系統的管道出風口均勻布置在植物生長區,從管道流出的空氣全部進入植物生長區空間,能有效提升植物生長區空間溫度;同時,植物生長區空氣擾動性較強,較均勻,這些均有利于夜間植物的生長。

圖12 多出風口溫室水平截面溫度及風速分布(夜間開風機)

對比圖9、圖10和圖11、圖12,可以發現在夜間時段,單風口主動蓄放熱系統溫室植物生長區空氣溫度明顯低于多風口主動蓄放熱系統溫室植物生長區溫度,空氣風速也明顯低于多風口主動蓄放熱系統溫室植物生長區空氣風速;在夜間溫室封閉狀態下,單風口主動蓄放熱系統更易于形成空氣短路,造成能量浪費;而多風口主動蓄放熱系統則避免空氣短路的形成,并使得空氣直接進入植物生長區,能均勻有效的提升植物生長區溫度和空氣流動性,將有限的能量充分利用在需要的空間,不僅節能而且有利于植物生長。

3 結 論

(1) 白天時段,溫室上、下通風窗打開狀態下,單出風口主動蓄放熱系統植物生長區平均溫度隨著高度的增加而上升,平均溫差最大為1.16℃;而多出風口主動蓄放熱系統植物生長區平均溫度較一致,平均溫差為0.23℃。在植物生長區0.5 m和1.0 m高度,單風口和多風口主動蓄放熱系統溫室空間溫度相近,但1.5 m高度處單風口主動蓄放熱系統溫室空間溫度高于多風口主動蓄放熱系統溫室空間溫度。在夜間時段,溫室上下通風口關閉,溫室呈封閉狀態,在植物生長區,單風口主動蓄放熱系統溫室空間溫度隨高度上升而下降,而多風口主動蓄放熱系統溫室空間溫度非常接近,且多風口主動蓄放熱系統溫室不同高度空間溫度均高于單風口主動蓄放熱系統溫室,最大溫差達0.83℃。分析表明,無論白天還是夜間,多風口主動蓄放熱系統溫室空間溫度更均勻、更一致,在夜間提升植物生長區空間溫度效果更明顯。

(2) 無論白天還是夜間時段,單風口主動蓄放熱系統易于在豎直方向形成空氣短路,夜間更為明顯,從管道出風口流出的空氣僅有部分進入植物生長區,一部分順著薄膜向上流入上部空間,無法有效參與植物生長區空間空氣熱濕交換[31-32];而多風口主動蓄放熱系統管道出風口空氣直接進入植物生長區,能充分進行熱濕交換,尤其夜間能有效提升植物生長區空間溫度。同時,夜間多風口主動蓄放熱系統溫室植物生長區風速高于單風口主動蓄放熱系統溫室植物生長區風速,有利于植物生長。

(3) 白天時段,單風口主動蓄放熱系統管道進、出風口空氣溫度平均溫差(0.95℃)高于多風口主動蓄放熱系統管道進、出風口空氣溫度平均溫差(0.34℃),而夜間時段,多風口主動蓄放熱系統管道進、出口空氣溫度平均溫差(2.11℃)遠遠高于單風口主動蓄放熱系統管道進、出口空氣溫度平均溫差(0.71℃),表明夜間多風口主動蓄放熱系統優勢更明顯,能夠更充分的調動溫室后墻和土壤中蓄積的熱量。

(4) 本研究在利用CFD對不同主動蓄放熱系統風口布置的溫室內流場進行模擬時,忽略了溫室內部植物蒸騰、土壤蒸發,以及管道出風口風速等因素對溫室內溫度與風速空間分布的影響,而在實際生產中,上述因素對溫室內部的溫度場與風速場存在一定影響[33-35],有待于在今后的研究中進一步完善,以便為日光溫室結構優化設計和環境調控提供更加科學的依據。