孫樹鵬 董朝陽 黎貞發(fā) 楊涵洧

摘? ? 要：日光溫室需要適當(dāng)進(jìn)行通風(fēng)除濕以維持室內(nèi)適宜作物生長的環(huán)境。本研究在天津地區(qū)冬、春、夏3個(gè)季節(jié)不同環(huán)境溫度條件下，對(duì)打開通風(fēng)口時(shí)日光溫室內(nèi)部環(huán)境的溫度進(jìn)行CFD模擬研究。結(jié)果表明，冬季低溫如-16.0 ℃情況下，通風(fēng)除濕后溫室內(nèi)部溫度快速下降，作物容易發(fā)生凍傷，建議少通風(fēng)或不通風(fēng)，或當(dāng)氣溫上升至-9 ℃及以上且輻射良好的情況下進(jìn)行通風(fēng)除濕，且應(yīng)注意通風(fēng)時(shí)間;春季外界環(huán)境溫度與溫室內(nèi)溫度相差較小，通風(fēng)除濕有利于作物生長，當(dāng)溫度較低如0.8 ℃且輻射良好的情況下，除通風(fēng)口部位外，日光溫室其他部位增溫較快，而當(dāng)溫度較高如10.6 ℃但輻射較差的情況下，室內(nèi)增溫較慢;夏季高溫和強(qiáng)輻射條件下，室內(nèi)空氣同時(shí)受通風(fēng)口進(jìn)入的熱空氣和溫室頂部的輻射增溫作用影響，溫室內(nèi)部溫度上升較快，建議夏季不栽種作物或者種植耐熱型作物。本研究結(jié)果為天津地區(qū)不同季節(jié)溫室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化調(diào)控提供參考。

關(guān)鍵詞：CFD模型;日光溫室模擬;極端環(huán)境溫度

中圖分類號(hào)：S625? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.10.009

Study on Temperature Change of Solar Greenhouse at Different Environmental Temperature Based on CFD

SUN Shupeng1， DONG Chaoyang2， LI Zhenfa2， YANG Hanwei3

（1. Tianjin Jinnan Meteorological Service， Tianjin， 300350， China; 2. Tianjin Climate Center， Tianjin， 300074， China; 3. Shanghai Climate Centre， Key Laboratory of Cities Mitigation and Adaptation to Climate change in Shanghai， China Meteorological Administration， Shanghai 200030， China）

Abstract：Greenhouse needs to be properly ventilated and dehumidified to maintain a suitable environment for crops. The experiment was conducted under different ambient temperatures in winter， spring and summer in Tianjin， and the CFD simulation was carried out on the indoor environment temperature of greenhouse after ventilation. The results showed that after ventilation and dehumidification， ， the greenhouse internal temperature decreased rapidly in winter at low temperature such as -16.0 ℃， and the crops were prone to frostbite， suggesting that we need little or no ventilation in this condition. When the temperature raised to -9 ℃ and there was good radiation， we could start ventilation but the ventilation time should be paid attention to. In spring， there is a small difference between the temperature of external environment and inside the greenhouse， and the ventilation and dehumidification were conducive to the growth of crops. When the temperature was low such as 0.8 ℃， and the radiation was good， the temperature in the greenhouse increased quickly except the vent part; when the temperature was higher such as 10.6 ℃， but the radiation was poor， the greenhouse temperature increased slowly.? Under the condition of relatively high temperature and strong radiation in summer， the greenhouse temperature rised rapidly under the influence of both the hot air from the vent and the radiation from the top of the greenhouse， suggesting that not no crops or heat-resistant crops should be planted in summer. The results of this experiment could provide reference for the optimization and regulation of greenhouse environment in different seasons in Tianjin.

Key words： CFD model; greenhouse temperature simulation; extreme external temperature

相對(duì)傳統(tǒng)種植業(yè)來說，溫室農(nóng)業(yè)由于受氣候條件影響較小，因而具有更明顯的優(yōu)勢。近年來，我國日光溫室發(fā)展迅速，在蔬菜生產(chǎn)等市場供應(yīng)方面起到了巨大作用。日光溫室內(nèi)部的小氣候直接影響著室內(nèi)作物的生長，因此對(duì)溫室小氣候研究具有重要意義。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是基于流體力學(xué)有關(guān)理論對(duì)流體問題模型進(jìn)行求解的重要工具，近年來越來越多地被應(yīng)用在溫室小氣候數(shù)值模擬中[1-4]。運(yùn)用CFD能夠較準(zhǔn)確地模擬溫室室內(nèi)速度場、溫度場和濕度場等環(huán)境狀態(tài)，可為溫室的優(yōu)化和調(diào)控提供更為精準(zhǔn)的指導(dǎo)。

自從1989年Okushima等[5]將CFD應(yīng)用到溫室研究領(lǐng)域，至今已被廣泛應(yīng)用，且算法也得到了一系列改進(jìn)[6-10]，越來越成熟完善。筆者在前人研究[11-15]基礎(chǔ)上，研究不同環(huán)境溫度情形下，日光溫室內(nèi)部的溫度分布情況，側(cè)重考察不同外界溫度條件下打開通風(fēng)口后溫室內(nèi)部環(huán)境變化，以及當(dāng)溫室外發(fā)生極端天氣時(shí)溫室內(nèi)部小氣候的響應(yīng)情況和環(huán)境變化對(duì)溫室作物的影響，旨在為溫室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化調(diào)控提供參考。

1 溫室模型構(gòu)建

1.1 溫室模型

本研究選取了天津市氣候中心試驗(yàn)基地（武清）的日光溫室作為模型進(jìn)行研究，溫室為東西走向，在南側(cè)拱形上部（寬0.4 m）和下部（寬0.7 m）各設(shè)有一個(gè)通風(fēng)口，其長度50 m、跨度8 m、脊高4 m、后墻高3.2 m、后屋面投影1.05 m、前屋面角30°、后屋面仰角37°，簡化模型見圖1。

1.2 算法及參數(shù)設(shè)置

本文采用Fluent軟件進(jìn)行對(duì)溫室內(nèi)小氣候環(huán)境進(jìn)行模擬，日光溫室內(nèi)的氣體流動(dòng)由質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程進(jìn)行描述，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε算法。因?yàn)樾枰紤]溫室內(nèi)部空氣流動(dòng)，所以采用瞬態(tài)模型進(jìn)行模擬。同時(shí)要考慮太陽輻射對(duì)溫室內(nèi)部環(huán)境的影響，所以選擇啟用能量方程和輻射模型。在計(jì)算過程中采用SIMPLE算法求解。選取整個(gè)溫室結(jié)構(gòu)作為計(jì)算域進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)數(shù)值模擬，利用Gambit軟件建立三維實(shí)體模型，試驗(yàn)中采用非結(jié)構(gòu)化四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共設(shè)計(jì)了111 454個(gè)單元網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量良好，符合計(jì)算要求。對(duì)日光溫室的材料屬性、邊界溫度等進(jìn)行設(shè)定，參考康宏源等[16]的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，溫室相關(guān)參數(shù)如表1所示。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為更好地研究不同環(huán)境溫度條件下，日光溫室在通風(fēng)除濕時(shí)室內(nèi)氣溫的變化情況，本研究選取近2年6種環(huán)境溫度條件（表2），設(shè)計(jì)了3組對(duì)比試驗(yàn)。

第1組對(duì)比試驗(yàn)：試驗(yàn)1條件下同時(shí)打開上下2個(gè)通風(fēng)口進(jìn)行除濕通風(fēng)，試驗(yàn)2條件下僅打開上通風(fēng)口進(jìn)行除濕通風(fēng)，考察冬季2種低溫情況下通風(fēng)除濕對(duì)室內(nèi)溫度變化的影響;第2組對(duì)比試驗(yàn)：試驗(yàn)3和試驗(yàn)4條件下打開上下通風(fēng)口進(jìn)行除濕通風(fēng)，考察春季2種環(huán)境溫度條件下通風(fēng)除濕對(duì)室內(nèi)溫度變化的影響;第3組對(duì)比試驗(yàn)：夏季通風(fēng)口是處于常開狀態(tài)，同日分別按試驗(yàn)5和試驗(yàn)6的時(shí)間對(duì)外界溫度和輻射影響室內(nèi)空氣的情況進(jìn)行模擬，考察夏季不同溫度條件下溫室內(nèi)溫度變化。

2 不同環(huán)境溫度下的溫室溫度模擬

2.1 冬季不同溫度條件下通風(fēng)除濕對(duì)溫室內(nèi)溫度變化的影響

由于冬季早晨太陽高度角相對(duì)較低，太陽輻射作用較弱，在模擬時(shí)暫不考慮太陽輻射加熱作用。試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的低溫條件下通風(fēng)除濕5 min后對(duì)室內(nèi)溫度的模擬結(jié)果如圖2。

由圖2-A可知，由于環(huán)境氣溫較低，打開通風(fēng)口后，室內(nèi)外空氣交換加快，單純從室內(nèi)溫度方面考慮，由于較低的室外空氣不斷涌入，隨著室外冷空氣比重的增加和熱交換的進(jìn)行，室內(nèi)溫度下降很快。室外冷空氣由下通風(fēng)口進(jìn)入日光溫室內(nèi)部后，先向下方和后墻方向流動(dòng)，之后逐步向上層擴(kuò)散。通風(fēng)5 min后，靠近下通風(fēng)口附近溫度下降很快，越靠近后墻下降越慢，底部受土壤和作物影響，在較淺的層次內(nèi)能夠保持相對(duì)高的溫度。但另一方面對(duì)于固體介質(zhì)而言，熱交換是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，故溫室墻壁、拱棚內(nèi)部以及地面等的溫度仍然保持較高，下降幅度不大。當(dāng)通風(fēng)口關(guān)閉后，室內(nèi)空氣也會(huì)受這些相對(duì)較高溫度固體介質(zhì)的熱交換影響而升溫。

由圖2-B可知，由于僅打開了上通風(fēng)口，溫室內(nèi)外空氣交換速度相對(duì)較慢，室外冷空氣對(duì)溫室上部氣溫影響較大，溫室內(nèi)部氣溫呈下暖上冷的垂直梯度分布形勢。另一方面室外風(fēng)速較大，冷空氣在溫室頂部的流動(dòng)削弱了太陽輻射對(duì)溫室的增溫作用。溫室內(nèi)部尤其作物層仍然保持相對(duì)較高的溫度，作物層在12 ℃以上，是一個(gè)利于作物生長的環(huán)境。

綜上而言，在冬季外界環(huán)境溫度較低的情況如試驗(yàn)2中，只打開了一個(gè)通風(fēng)口，在滿足通風(fēng)除濕要求的同時(shí)，室內(nèi)溫度降幅較小，作物冠層溫度仍然能滿足生長發(fā)育需求，但在更低的溫度條件如試驗(yàn)1中，打開上下通風(fēng)口后溫室內(nèi)部溫度迅速下降，作物容易發(fā)生凍傷，故建議這種情況下減少通風(fēng)或不通風(fēng)，或等中午氣溫上升至與試驗(yàn)1溫度相當(dāng)后再進(jìn)行通風(fēng)除濕。

2.2 春季不同溫度條件下通風(fēng)除濕對(duì)溫室內(nèi)溫度變化的影響

試驗(yàn)3條件下通風(fēng)除濕5 min后對(duì)室內(nèi)溫度的模擬結(jié)果如圖3。由圖3可知，由于模擬試驗(yàn)時(shí)室外天氣晴朗，室外風(fēng)速較小，輻射條件較好，太陽對(duì)溫室頂部塑料薄膜和后坡加熱效果較好，因此溫室上部除通風(fēng)口附近溫度較低外，其余部位溫度上升較快，整個(gè)溫室內(nèi)部溫度自上而下遞減，溫室下部作物層溫度在13 ℃以上，較利于作物生長發(fā)育。

試驗(yàn)4由于氣溫（10.6 ℃）相對(duì)較高，溫室打開通風(fēng)口前，室內(nèi)外溫度相差不大，故打開通風(fēng)口后，溫度分布差異不大。但從升溫速度分布圖（圖4）可以看出，室外空氣由下通風(fēng)口進(jìn)入日光溫室內(nèi)部后，先向下向后墻方向流動(dòng)，到達(dá)溫室中部附近后移動(dòng)速度減緩，另外在上通風(fēng)口附近也有一個(gè)速度大值區(qū)。試驗(yàn)4外部天氣條件為多云，輻射條件較試驗(yàn)3差，輻射增溫相對(duì)緩慢。

2.3 夏季不同溫度條件下溫室內(nèi)溫度變化

試驗(yàn)5和試驗(yàn)6兩種夏季溫度條件下對(duì)室內(nèi)溫度的模擬結(jié)果如圖5。試驗(yàn)5為夏季早晨，室內(nèi)外溫度相差不大，溫度都在25 ℃以上，室外溫度略高，試驗(yàn)6為夏季中午，室外溫度很高，太陽輻射更為強(qiáng)烈。

由圖5可知，在室外高溫和強(qiáng)輻射條件下，溫室內(nèi)部空氣溫度迅速上升，與冬、春季節(jié)相比，室內(nèi)空氣溫度上升的來源不僅是由下通風(fēng)口進(jìn)入日光溫室內(nèi)部的熱空氣所致，溫室頂部的輻射增溫作用也非常明顯。溫室內(nèi)部溫度均呈現(xiàn)上高下低的分布特點(diǎn)，頂部靠近通風(fēng)口處溫度最高，底部靠近后墻區(qū)域溫度最低。其中，試驗(yàn)5（圖5-A）太陽輻射對(duì)通風(fēng)口附近空氣加熱很快，由于熱空氣密度相對(duì)較小，溫室上層的氣溫上升很快，溫室后墻及附近溫度相對(duì)較低，整體溫度在27 ℃以上;在試驗(yàn)6中由于室外溫度較高，通風(fēng)口全天一直處于打開狀態(tài)，由圖5-B可知，溫室頂層的塑料薄膜由于已經(jīng)接受太陽輻射時(shí)間較長，所以本身溫度很高，其自身的熱量輻射加之透射的太陽能量輻射，二者總和反而高于直接輻射能量強(qiáng)度，故整個(gè)溫室頂部對(duì)溫室內(nèi)空氣都有較強(qiáng)的加熱作用，室內(nèi)溫度整體在30 ℃以上。整體而言，夏季在外界環(huán)境溫度較高的情況下，溫室內(nèi)部溫度也較高，不利于室內(nèi)作物的生長。

3 結(jié)論與討論

已有很多研究是針對(duì)日光溫室內(nèi)空氣流動(dòng)情況、濕度和CO2分布情況等，對(duì)溫室內(nèi)通風(fēng)原理、通風(fēng)方式、通風(fēng)量進(jìn)行研究[11-15]，但對(duì)不同環(huán)境下日光溫室內(nèi)溫度分布的相關(guān)研究甚少。通過對(duì)不同環(huán)境溫度打開通風(fēng)口時(shí)溫室內(nèi)部環(huán)境的CFD模擬研究，可以較為準(zhǔn)確且方便快捷地獲得溫室內(nèi)部溫度分布情況，本研究通過同一季節(jié)不同環(huán)境溫度條件下日光溫室內(nèi)部的溫度分布情況進(jìn)行模擬，得出以下結(jié)論：

（1） 冬季外界環(huán)境溫度-9 ℃左右且輻射條件較好的情況下，只打開了一個(gè)通風(fēng)口，在滿足通風(fēng)除濕要求的同時(shí)，室內(nèi)溫度下降不是太多，作物冠層溫度仍然能滿足生長發(fā)育需求，而在更低溫度如-16 ℃情況下，通風(fēng)除濕會(huì)使溫室內(nèi)部溫度快速降低，作物容易發(fā)生凍傷，故建議減少通風(fēng)或不通風(fēng)，或等中午氣溫上升后再進(jìn)行通風(fēng)除濕。

（2） 春季溫度較低如0.8 ℃時(shí)且輻射條件較好的情況下，通風(fēng)除濕除通風(fēng)口部分外其他部位增溫均較快，適宜作物生長，但溫度與溫室溫度接近如10.6 ℃時(shí)且輻射條件不佳的情況下，通風(fēng)除濕增溫緩慢，故春季溫室內(nèi)溫度受輻射的影響較大。

（3） 在夏季相對(duì)高溫和較強(qiáng)的輻射條件下，溫室內(nèi)部空氣溫度上升快，與冬春季節(jié)相比，室內(nèi)空氣溫度上升的來源不僅是由下通風(fēng)口進(jìn)入日光溫室內(nèi)部的熱空氣所致，溫室頂部的輻射增溫作用也非常明顯，在外界環(huán)境溫度較高的情況下，溫室內(nèi)部溫度也較高，不利于作物生長。

綜上，對(duì)于天津地區(qū)而言，冬季極端低溫不適合打開通風(fēng)口，以免室內(nèi)作物遭受凍害，如需通風(fēng)除濕最好等中午溫度稍高時(shí)再進(jìn)行短時(shí)通風(fēng)，春秋季根據(jù)溫度和其他環(huán)境條件進(jìn)行適當(dāng)通風(fēng)，夏季由于溫室內(nèi)溫度過高，建議不栽種作物或種植耐熱型作物。

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收稿日期：2020-08-08

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41805061）

作者簡介：孫樹鵬（1983—），男，河北南宮人，碩士，工程師，主要從事溫室小氣候和短期氣候預(yù)測研究。

通信作者簡介：董朝陽（1988—），內(nèi)蒙古正藍(lán)旗人，碩士，工程師，主要從事溫室小氣候和作物生長模擬研究。