周斯陽， 李洪強*， 劉麗芳， 祝彪炳

(1.湖南大學土木工程學院， 長沙 410082； 2.湖南科技大學土木工程學院， 湘潭 411201)

隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，反季節(jié)蔬菜成了消費市場的熱銷產(chǎn)品。溫室大棚可以通過技術調(diào)控營造適宜反時令蔬菜生長的微氣候，打破室外氣候的限制，在寒冷季節(jié)實現(xiàn)農(nóng)作物的全天候生長[1]。據(jù)第三次全國農(nóng)業(yè)普查主要數(shù)據(jù)公報(第二號)稱：截至2016年末，中國溫室占地面積334 khm2，大棚占地面積981 khm2。中國溫室大棚面積大，蔬菜產(chǎn)量高，溫室蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊[2]。但中國設施農(nóng)業(yè)發(fā)展較美國、日本等發(fā)達國家發(fā)展晚，溫室大棚的設施建設不完善，對溫室微環(huán)境的控制水平有待提高[3]。其中，無法保障適合作物生長的溫度是導致作物生長不良的重要原因之一。傳統(tǒng)溫室通過吸收太陽輻射產(chǎn)生溫室效應從而提高室內(nèi)溫度，其受氣候條件影響大，在光照不足、氣候寒冷的地區(qū)無法滿足作物正常生長的熱環(huán)境需求[4-5]。因此，使用溫室供暖系統(tǒng)實現(xiàn)溫室控溫和節(jié)能是溫室產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展的方向。

溫室供暖系統(tǒng)分為被動式溫室供暖系統(tǒng)和主動式溫室供暖系統(tǒng)。被動式溫室供暖系統(tǒng)以太陽能為熱源，在溫室內(nèi)部空氣和蓄熱介質(zhì)之間進行熱量交換[6]，蓄熱介質(zhì)包括水[7]、土壤[8-10]、巖床[11]和相變材料[12-14]等。在氣候條件良好的情況下被動式溫室供熱系統(tǒng)能夠為作物營造適宜的熱環(huán)境，但在室外溫度極低、太陽輻射不充足的條件下，被動式供暖系統(tǒng)的蓄熱能力有限，不能持續(xù)保障作物生長需要。因此，被動式溫室供暖系統(tǒng)通常適用于氣候溫和的小型溫室。

在大型商業(yè)溫室中，可以采用被動式與主動式溫室供暖系統(tǒng)相結(jié)合或直接采用主動式溫室供暖系統(tǒng)為溫室供暖。在熱源的選擇上，主動式溫室供暖系統(tǒng)主要分為不可再生能源和可再生能源。不可再生能源包括煤[15]、燃氣[16]等化石能源。由于化石能源價格昂貴，易造成環(huán)境污染，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過度使用化石燃料會導致氣候環(huán)境惡化、溫室效應加劇，并且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本會大大增加。事實上，有效利用可再生的自然資源就能夠為溫室提供足夠的熱量，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求?？稍偕淖匀毁Y源主要有太陽能[17-18]、地熱能[19-21]、生物質(zhì)能[22]等，已經(jīng)有較多學者探索將可再生能源應用于主動式溫室供暖系統(tǒng)。

太陽能供熱系統(tǒng)因其低排放、設備投資和運行成本低，適用性長等優(yōu)勢受到許多學者的青睞。Bazgaou等[23]研究分析了主動式太陽能供熱系統(tǒng)(active solar heating system，ASHS)對溫室中番茄品質(zhì)和產(chǎn)量的影響。ASHS由兩個裝有太陽能平板收集器的太陽能熱水器、兩個儲水箱和換熱管網(wǎng)組成。實驗結(jié)果表明，夜間溫室內(nèi)空氣溫度提高了6 ℃，土壤溫度提高了2.5 ℃。ASHS改善了冬季溫室番茄品質(zhì)，增加番茄產(chǎn)量55%。Bouadila等[24]使用裝配相變儲熱系統(tǒng)的太陽能空氣加熱器改善溫室熱環(huán)境。在日間，該加熱器將多余的熱量儲存在相變膠囊床中；在夜間，利用風機帶動溫室內(nèi)空氣與相變膠囊進行熱量交換，釋放日間儲存的熱量。結(jié)果表明，在夜間，有加熱系統(tǒng)的溫室內(nèi)空氣溫度比常規(guī)溫室內(nèi)空氣溫度高5 ℃，夜間補充的熱量達到供熱總需求的31%。Han等[25]建立了溫室主動被動蓄熱通風墻體的性能評價模型，并通過試驗驗證了模型的準確性。蓄熱墻體在日間通過吸收太陽輻射、通入室內(nèi)熱空氣將熱量儲存在相變材料中，儲存的熱量在夜間通過輻射和對流釋放到室內(nèi)環(huán)境中。結(jié)果表明，蓄熱墻體可存儲太陽能5.36 MJ/(m2·d)，溫室夜間空氣溫度提高了0.8～1.4 ℃。宋磊等[26]設計一種太陽能空氣集放熱系統(tǒng)為溫室供熱，該系統(tǒng)利用太陽能平板空氣集熱器加熱空氣，在管道風機的作用下通將熱空氣輸送到散熱管道中釋放熱量。系統(tǒng)運行期間，系統(tǒng)集熱量為6.0～9.3 MJ/m2，溫室空氣溫度提高2.7 ℃。戴巧利等[27]研究了一套主動式太陽能塑料大盆增溫系統(tǒng)，日間利用太陽能集熱器加熱溫室中的空氣，風機將熱空氣抽入地下與土壤進行熱交換，將其儲存在土壤中，夜間將室內(nèi)空氣抽入地下與土壤進行換熱，將土壤中儲存的熱量釋放到溫室中。與自然輻照的對照溫室相比，試驗溫室夜間空氣溫度提高3.8 ℃，土壤溫度升高2.3 ℃，系統(tǒng)蓄熱量為228.9～319.1 MJ。

太陽能是重要可再生能源之一，但主動式太陽能供暖系統(tǒng)仍然缺乏穩(wěn)定性，追本溯源，仍然受限于地域與天氣因素。與太陽能供熱系統(tǒng)相比，地源熱泵系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、加熱和冷卻雙重功能的優(yōu)點。Boughanmin等[28]采用一種新型圓錐螺旋地熱換熱器為溫室供暖。結(jié)果表明，該換熱系統(tǒng)為溫室提供了692.208 kW熱量，這部分熱量能夠使溫室內(nèi)空氣溫度升高3 ℃。Yang等[29]利用土壤-空氣熱交換器系統(tǒng)將地熱能作為熱源為溫室大棚供熱。在不同天氣條件下，該換熱系統(tǒng)夏季可提供1.5～4.5 kW的冷量，冬季可提供0.7～2.8 kW的熱量，保障溫室溫度在適宜的范圍內(nèi)。

地源熱泵系統(tǒng)需要較大的前期資金投入，回收期較長，不適合經(jīng)濟欠發(fā)達的中國農(nóng)村地區(qū)使用，而生物質(zhì)供暖系統(tǒng)在此領域擁有一定優(yōu)勢。Chau等[30]對一個中等規(guī)模的溫室產(chǎn)生熱量的典型木屑顆粒和木渣鍋爐進行技術經(jīng)濟分析。凈現(xiàn)值表明，安裝木屑顆粒或木渣鍋爐提供40%的年需求熱量比使用天然氣鍋爐提供所有年需求熱量更經(jīng)濟。此外，使用木質(zhì)生物質(zhì)鍋爐還可以減少溫室氣體排放。Zhang等[31]以獨特的燃池燃燒復合生物質(zhì)燃料對某日光溫室進行供暖，實驗顯示，該供暖系統(tǒng)供暖效果明顯，比無供暖設施的日光溫室室溫提高3～8 ℃，其費用現(xiàn)值和費用年值分別是58.71元/m2和9.56元/m2，均低于熱風采暖系統(tǒng)、熱水供暖系統(tǒng)和電供暖系統(tǒng)。Singh等[32]提出一種以稻草秸稈為主要燃料通過熱水散熱管網(wǎng)和煙氣散熱管網(wǎng)為溫室供熱的溫室供暖系統(tǒng)。數(shù)學模型表明，該系統(tǒng)能夠提供12.98 kW熱量，每天可節(jié)省80 kW·h，5年內(nèi)可回收50%的安裝成本和運營成本。白義奎等[21]、王鐵良等[33]使用燃池-地中熱交換系統(tǒng)加熱溫室。實驗結(jié)果表明，溫室內(nèi)空氣溫度提高了2.6 ℃，土壤溫度提高了1.9 ℃，其費用現(xiàn)值和費用年值分別是10.89 元/m2和1.28 元/m2，遠低于熱風加熱系統(tǒng)和熱水加熱系統(tǒng)。整體而言，生物質(zhì)能在溫室供暖系統(tǒng)中的應用前景大，滿足農(nóng)村地區(qū)溫室供暖低費用、碳中和、就近處理農(nóng)業(yè)廢棄物的要求。

中國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量大、分布廣、種類多。據(jù)調(diào)查估算，2015年中國主要農(nóng)作物秸稈資源量約為7.19億t[34]。改革開放以來，在中國政府的發(fā)展新農(nóng)村、鄉(xiāng)村振興等政策下，農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量逐年增加，秸稈區(qū)域性、季節(jié)性、結(jié)構性過?，F(xiàn)象不斷顯現(xiàn)。在農(nóng)村，秸稈隨意丟棄、焚燒的現(xiàn)象屢禁不止，其帶來的資源浪費、環(huán)境污染等問題日益嚴重。自1997年后，中國能源消費總量超過能源生產(chǎn)總量，其中煤炭資源占比較大，煤炭資源為不可再生資源，其資源量有限，因此提高生物質(zhì)能等可再生能源的利用率[35]，科學應用秸稈等生物質(zhì)，對于維護生態(tài)平衡、減緩不可再生能源消耗、減少碳排放都具有十分重要的意義。針對當下農(nóng)村農(nóng)業(yè)廢棄物綜合處理、食品安全、植物生長環(huán)境惡劣等問題，現(xiàn)展開以生物質(zhì)秸稈為一次能源的溫室大棚火墻供暖系統(tǒng)理論與實驗研究，使農(nóng)業(yè)廢棄物變廢為寶，改善溫室大棚作物生長環(huán)境，為中國農(nóng)村地區(qū)的溫室大棚供暖系統(tǒng)提供新思路和研究方向，研究所得到的示范系統(tǒng)設計參數(shù)可以直接用于實踐，為其他類似系統(tǒng)設計提供有效參考。

圖1 溫室大棚生物質(zhì)供暖系統(tǒng)運行流程圖Fig.1 Flow chart of greenhouse biomass heating system operation

1 溫室大棚生物質(zhì)能火墻供暖系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成及原理

溫室大棚生物質(zhì)供暖系統(tǒng)運行流程如圖1所示。溫室大棚生物質(zhì)能供暖系統(tǒng)由煙氣發(fā)生裝置、煙氣處理裝置、末端換熱裝置、煙氣輸送管網(wǎng)與動力機組成。

煙氣發(fā)生裝置為生物質(zhì)顆粒燃燒爐，將以生物質(zhì)顆粒作為燃料制備不高于200 ℃的煙氣送入煙氣處理裝置。

煙氣處理裝置分為緩沖凈化段、空氣調(diào)溫段和送煙段。煙氣發(fā)生裝置產(chǎn)生的煙氣進入煙氣緩沖段，煙氣經(jīng)由緩沖段的過濾網(wǎng)將灰分和固體顆粒過濾后進入噴淋冷卻段，噴淋冷卻段的煙氣與引入的室外冷空氣混合后噴淋降溫，最后低溫煙氣進入送煙段進一步混合均勻后流入末端換熱裝置。

末端換熱裝置為供熱火墻，由紅磚、黏土砌筑而成。

煙氣輸送管網(wǎng)與動力機使用軸流風機作為動力裝置安裝在末端換熱裝置后，采用負壓抽吸方式為煙氣提供動力。運輸管道使用聚乙烯管。

在夜間，啟動溫室大棚生物質(zhì)供暖系統(tǒng)，生物質(zhì)燃爐燃燒生物質(zhì)顆粒產(chǎn)生高溫煙氣，由軸流風機提供動力，依次經(jīng)過煙氣處理裝置、供熱火墻，最后排入室外。生物質(zhì)燃爐供熱一段時間后關閉，由于火墻內(nèi)黏土的蓄熱能力，火墻繼續(xù)向溫室釋放熱量，直到墻體溫度冷卻至與溫室內(nèi)環(huán)境溫度相同。

1.2 供熱火墻結(jié)構及原理

圖2 供熱火墻結(jié)構圖Fig.2 Sectional view of heating fire wall

圖3 火墻供熱機理圖Fig.3 Mechanism diagram of fire wall heat heating

供熱火墻是溫室大棚供暖系統(tǒng)的關鍵組成部分。綜合考慮試驗大棚規(guī)模、工程實踐，并根據(jù)多次試驗，最終得到較優(yōu)供熱火墻墻體設計尺寸為：長10 m，寬0.6 m，高1 m?；饓Y(jié)構包括外層磚墻、內(nèi)部填土和煙氣流通孔道，如圖2所示。磚墻使用普通實心黏土磚砌筑，厚度為100 mm，內(nèi)部使用黏土填充，厚度為400 mm，煙氣流通孔道設置在黏土層中，煙氣流通孔道直徑為63 mm。孔道末端裝有排煙機，作為引風動力，滿足煙氣流通需求。如圖3所示，在軸流風機的驅(qū)動下，進入煙氣流通孔道的低溫煙氣與孔道壁進行熱量交換，火墻受熱后，通過輻射與自然對流向溫室內(nèi)釋放熱量，達到為溫室供暖的目的。關閉生物質(zhì)燃爐后，土壤釋放自身儲存的熱量，延長供暖系統(tǒng)供熱時間。

圖4 實驗溫室大棚二維物理模型Fig.4 2D model of experimental greenhouse

2 溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值建模分析

溫室大棚生物質(zhì)供暖系統(tǒng)換熱末端通過輻射、對流換熱為溫室大棚供暖，蓄熱火墻對室內(nèi)熱環(huán)境的影響是重點研究內(nèi)容。因此，從兩方面對溫室大棚生物質(zhì)供暖系統(tǒng)進行分析討論，一是使用ANSYS16.0軟件平臺進行數(shù)值建模分析；二是基于實驗平臺對數(shù)值建模進行優(yōu)化。

2.1 溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境建模

2.1.1 物理模型

計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)平臺融合了流體力學和計算機科學，是分析溫室內(nèi)熱環(huán)境的重要方式?；趯嶒灥娜叽鐪厥掖笈?，建立了原尺寸二維模型用于CFD模擬計算分析，如圖4所示。該模型主要由兩部分組成：地上部分和地下部分。地上部分包括圍護結(jié)構(塑料薄膜)、圍護結(jié)構包裹的室內(nèi)空氣及供熱火墻；地下部分為土壤。各個部分通過火墻表面、土壤表面與溫室內(nèi)部空氣構成的耦合傳熱面相互關聯(lián)，進行能量傳遞。

2.1.2 建模假定條件

在此模擬中，影響室內(nèi)溫度因素復雜，在保證模擬結(jié)果準確合理的條件下，忽略次要影響因素，重點研究主要影響因素，做出如下假設。

(1)蓄熱黏土各向同性材料，密度、熱容、導熱系數(shù)等物性參數(shù)為常數(shù)。

(2)忽略蓄熱黏土內(nèi)孔隙水流體滲透導致的熱量傳遞，忽略磚墻孔隙導致的熱量散失。

(3)溫室大棚密閉性較好，忽略室內(nèi)外氣體交換帶來的能量損失，即忽略冷風滲透。

(4)忽略大棚內(nèi)植物對大棚室內(nèi)氣流組織的影響。

(5)忽略大棚內(nèi)植物的呼吸作用，不考慮植物與空氣與土壤的質(zhì)量與熱量傳遞。

(6)溫室內(nèi)水蒸氣蒸發(fā)和冷凝熱平衡，忽略土壤與空氣交界面的質(zhì)量傳遞。

(7)忽略大棚朝向?qū)Υ笈飪?nèi)熱環(huán)境的影響。

2.1.3 網(wǎng)格劃分

使用ANSYS中Fluent集成板塊建立溫室大棚物理模型，并劃分結(jié)構網(wǎng)格。模型包括空氣和土壤兩個計算域，總共有145 101個四邊形網(wǎng)格和145 877個節(jié)點，火墻內(nèi)黏土區(qū)域網(wǎng)格尺寸設置0.005 m，磚墻區(qū)域網(wǎng)格尺寸設置0.01 m，溫室大棚空氣和土壤區(qū)域網(wǎng)格尺寸設置0.015 m。并對網(wǎng)格質(zhì)量進行了檢查，網(wǎng)格質(zhì)量平均值為0.96，滿足計算要求。

2.1.4 控制方程

Fluent軟件的主體就是基于有限體積法(finite volume method，F(xiàn)VM)的求解器，提供了從不可壓、層流、湍流等很大范圍模擬能力。流體流動受物理守恒定律的支配，能量平衡分析、質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律數(shù)學描述如下。

溫室大棚能量平衡分析包括室內(nèi)空氣、磚墻、黏土3個部分。由于夜間室外溫度低且無太陽輻射，是熱負荷高峰期，因此選取夜間最不利工況進行分析。

(1)

式(1)中：Qht-a為溫室內(nèi)空氣與磚墻表面的換熱量，J；Qs-a為溫室內(nèi)空氣與土壤表面的換熱量，J;Qa-w為溫室從圍護結(jié)構(塑料薄膜和保溫覆蓋層)損失的能量，J;Qother為冷風滲透熱損失能量和蒸發(fā)冷凝熱(在此項研究中，暫時認為此項可以忽略不計，不予考慮，其值為0)，J；ρa為溫室室內(nèi)空氣密度，kg/m3；ca為溫室室內(nèi)空氣比熱，J/(kg·K)；va為溫室室內(nèi)空氣體積，m3；Ta為溫室室內(nèi)空氣溫度，K；τ為時間變量，s。

(2)

式(2)中：Qc-ht為磚墻與黏土的換熱量，J；Qht-w為磚墻外表面與大棚外圍護結(jié)構的換熱量，J;Qht-s為磚墻與溫室土壤的換熱量，J;ρht為磚墻密度，kg/m3；cht為磚墻比熱，J/(kg·K)；vht為磚墻體積，m3；Tht為磚墻溫度，K；τ為時間變量，s。

(3)

式(3)中：Qpipe為煙氣與黏土的換熱量，J；Qc-s為黏土與溫室土壤的換熱量，J;ρc為磚墻密度，kg/m3；cc為黏土比熱，J/(kg·K)；vc為黏土體積，m3；Tc為黏土溫度，K；τ為時間變量，s。

連續(xù)性、能量、動量方程為

(4)

模型使用壓力求解基模擬溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境，使用標準k-ε湍流模型進行計算；考慮到室內(nèi)空氣局部溫度差改變引起的氣流組織，模擬使用Boussinesq模型模擬溫室內(nèi)空氣的自然對流；由于在最不利工況條件下模擬，即夜間太陽輻射微弱的情況，因此僅考慮維護結(jié)構對天空的輻射和溫室內(nèi)部的熱輻射，并且忽略室內(nèi)熱空氣輻射，采用面對面輻射模型用于輻射計算。

2.1.5 邊界條件設置

邊界條件類型設置和各部分材料的物性參數(shù)如表1～表3所示。邊界條件相關參數(shù)包括室外空氣溫度(Tout)、天空輻射溫度(Tsky)、對流換熱系數(shù)(H)、土壤邊界溫度(Tsoil)。

溫室大棚外表面邊界條件為混合邊界，包括對流換熱和輻射換熱。塑料薄膜與室外空氣為強制對流換熱，對流換熱系數(shù)H1取決于室外風速，由式(5)～式(7)求得[36]。塑料薄膜與天空的輻射換熱強度取決于天空溫度Tsky，用式(8)計算[37]。

煙氣流通孔道內(nèi)表面邊界(P)條件為第三類邊界條件，煙氣與煙氣流通孔道為管內(nèi)強迫對流換熱。對流換熱系數(shù)H2用努塞爾數(shù)計算公式和Gnielinski實驗關聯(lián)公式求得。

定義地下1 m深土壤邊界溫度恒定，取Tsoil=13 ℃。

H1=18.63V0.605

(5)

背風面：V=0.3+0.05v1

(6)

(7)

式中：H1為表面對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；V為溫室頂棚表面風速，m/s；v1為溫室外環(huán)境實際測量風速，m/s。

(8)

式(8)中：Tsky為天空溫度，K；Fcn為云層系數(shù)，0表示晴天無云狀態(tài)，1表示陰天厚云層狀態(tài)；Tout為溫室外環(huán)境溫度，K。

表1 主要邊界條件及參數(shù)Table 1 Main boundary conditions and parameters

表2 固體材料物性參數(shù)表Table 2 Physical parameters of solid materials

表3 流體材料物性參數(shù)表Table 3 Physical parameters of fluid materials

2.2 溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境CFD模擬分析

2.2.1 埋管排列形式對溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境的影響

在煙氣溫度、流速確定的條件下，煙道排列決定了蓄熱火墻內(nèi)溫度分布，進而影響火墻供熱效果。

在管徑De63，管內(nèi)流速3 m/s，溫度130 ℃煙氣的條件下，研究了不同排管形式對溫室室內(nèi)環(huán)境的影響，如圖5所示，結(jié)果如圖6所示。

如圖6所示，以《溫室加熱系統(tǒng)設計規(guī)范》(JB/T 10297—2014)中溫室蔬菜、瓜果類植物夜間空氣溫度最低10 ℃的要求作為供暖評價指標，在0.5 m水平高度處，b、d兩種方案不滿足供暖要求。方案a在各個水平高度處空氣平均溫度均為最高，在2.5 m高度處，空氣平均溫度達到12.5 ℃?？紤]到降低室內(nèi)外溫差，減小溫室熱負荷，選擇方案c進行埋管排列。

圖5 四種埋管定位方案Fig.5 Four types of pipe arrangements

圖6 不同埋管定位方案室內(nèi)空氣溫度分布Fig.6 Indoor air temperature distribution of different buried pipe positions

2.2.2 埋管管徑對溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境的影響

輸入換熱末端的熱量取決于煙氣流量，在流速確定的情況下，煙氣流量由煙道管徑?jīng)Q定，因此管徑是換熱末端設計的重要參數(shù)之一。

在管內(nèi)流速3 m/s，以及流速130 ℃煙氣的條件下，研究了不同管徑對溫室室內(nèi)空氣平均溫度的影響。如圖7所示，隨著管徑增大，溫室大棚空氣溫度呈上升趨勢，地上0.5 m處和地上2.5 m處空氣溫度增加幅度分別為3.7 ℃和4.2 ℃，增幅分別達到48.1%和47.9%，增幅明顯。在距地面高度1～2.5 m高度范圍內(nèi)，溫度上升幅度小，室內(nèi)空氣溫度分布均勻。

圖7 不同埋管管徑對空氣溫度的影響Fig.7 Effects of different pipe diameter on air temperature

以《溫室加熱系統(tǒng)設計規(guī)范》(JB/T 10297—2014)中溫室蔬菜、瓜果類植物夜間空氣溫度最低10 ℃的要求作為供暖評價指標，綜合考慮經(jīng)濟效益，推薦使用De63的聚乙烯管材為埋管。

2.2.3 地下隔熱保溫層鋪設對溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境的影響

土壤溫度過高會阻礙植物生長，甚至造成作物根部壞死?；饓釙е聣w下局部區(qū)域土壤溫度過高，對作物生長造成不利影響。因此，通過鋪設隔熱保溫層削弱火墻向周邊土壤的熱量傳遞。保溫層材料選擇具有較大熱阻的膨脹珍珠巖，同時具有透水透氣的特性，不會影響植物的生長。

圖8 隔熱層鋪設深度對土壤溫度的影響Fig.8 Influence of laying depth of insulation on soil temperature

在埋管De63，管內(nèi)煙氣130 ℃、流速3 m/s及保溫層厚度3 cm條件下，由圖8可知，對比無保溫層的工況，隨著保溫層鋪設深度的增加，地下0.1 m處深度隔熱層左右兩側(cè)局部溫度均逐漸降低，以《溫室加熱系統(tǒng)設計規(guī)范》(JB/T 10297—2014)中土壤最高溫度25 ℃為上限指標，鋪設深度為20 cm的珍珠巖保溫層滿足作物生長要求。

2.2.4 煙氣溫度對溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境的影響

在管徑63 mm、煙氣流速3 m/s的條件下，隨著煙氣溫度的改變，溫室室內(nèi)空氣溫度的變化規(guī)律如圖9所示。隨著煙氣溫度的增加，溫室大棚室內(nèi)空氣溫度逐漸上升，地上不同水平高度范圍溫度上升速率相同。

以夜間空氣溫度最低10 ℃的要求作為評價指標，綜合考慮煙氣流通量，130 ℃的煙氣能滿足供暖需求。

圖9 不同煙氣溫度對空氣溫度的影響Fig.9 Effects of different gas temperature on air temperature

2.2.5 煙氣流速對溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境的影響

在De63、煙氣130 ℃的條件下，隨著煙氣流速的改變，溫室室內(nèi)各高度空氣溫度的變化規(guī)律如圖10所示。當流速從1 m/s增加到6 m/s時，地上不同水平高度處空氣平均溫度都逐漸增加，0.5 m和2.5 m高度處溫度分別升高3.6 ℃和4.1 ℃，增幅分別達到48.1%和32.4%。

圖10 不同煙氣流速對空氣溫度的影響Fig.10 Effects of different gas velocity on air temperature

溫室大棚供暖系統(tǒng)效果以溫室內(nèi)空氣溫度和土壤溫度高低作為評價標準，根據(jù)《溫室加熱系統(tǒng)設計規(guī)范》(JB/T 10297—2014)對供暖溫室夜間植物生長的空氣溫度參考范圍。以最低有效供暖溫度，即地上1 m處空氣溫度達到10 ℃作為該系統(tǒng)供暖效能評價的指標。由圖10中數(shù)據(jù)可知，3、4、5、6 m/s的煙氣速度是合理的。當速度超過3 m/s時，溫度變化趨于平緩，考慮輸配能耗和煙氣流通量，對于De63的PE換熱管，推薦流速為3 m/s。

2.2.6 火墻對溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境的影響

在夜間室外環(huán)境溫度2 ℃，天空輻射溫度-2.4 ℃、室外平均風速2.3 m/s、煙氣流通孔道直徑63 mm、煙氣流速3 m/s、煙氣130 ℃的條件下，模擬溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境。

溫室大棚室內(nèi)溫度場如圖11所示。在生物質(zhì)能火墻供暖作用下，溫室內(nèi)空氣平均溫度達到10.7 ℃，滿足《溫室加熱系統(tǒng)設計規(guī)范》(JB/T 10297—2014)中作物生長環(huán)境溫度10 ℃的需求。橫向跨度上，火墻左側(cè)區(qū)域空氣溫度低于火墻右側(cè)部分區(qū)域；縱向高度上，在靠近土壤表面區(qū)域，溫度較低，隨著水平高度的增加，溫度逐漸上升，在靠近大棚頂部區(qū)域，溫度較高。這是由于火墻左側(cè)空間大，右側(cè)空間小，在火墻供暖的情況下，溫室內(nèi)空氣由于溫度差，出現(xiàn)了較為強烈的自然對流，導致冷空氣回流。溫室大棚室內(nèi)空氣速度場和流線圖如圖12所示，溫室中部和頂部區(qū)域流速較大，溫室上半部分出現(xiàn)空氣環(huán)流，這與溫度分布情況相符合。

圖11 溫室大棚溫度場Fig.11 Cloud map of temperature distribution in greenhouse

圖12 溫室大棚室內(nèi)空氣流線圖Fig.12 Streamline diagram of indoor air in greenhouse

3 溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境試驗分析

3.1 試驗溫室大棚

試驗溫室位于中國湖南省湘潭市雨湖區(qū)某村(N：27°55′；E：112°55′)，圓拱形鋼架結(jié)構，面積192 m2，南北長22 m,東西寬8 m，脊高3.1 m，采用0.2 mm厚聚乙烯棚膜覆蓋。

在溫室南北縱向中間位置用塑料薄膜將溫室大棚分割為兩個棚(南北縱向跨度11.0 m)，第一個大棚裝有生物質(zhì)溫室供暖系統(tǒng)，作為實驗溫室；第二個大棚是無供暖系統(tǒng)的傳統(tǒng)溫室大棚，作為對照溫室進行對比研究。對照組除無地埋管供暖系統(tǒng)外，其他與實驗組完全相同。試驗使用兩臺生物質(zhì)爐燃燒玉米秸稈顆粒燃料產(chǎn)生煙氣，煙氣在軸流風機作用下依次流經(jīng)煙氣處理裝置、火墻散熱末端后排到室外。試驗溫室大棚和實驗平臺如圖13所示。

圖13 溫室大棚外觀和實驗平臺搭建Fig.13 Greenhouse appearance and experimental platform construction

3.2 試驗測點設置

采用手持式智能農(nóng)業(yè)氣象環(huán)境監(jiān)測儀HM-QX13、紅外成像儀Ti160A。為保證實驗測量結(jié)果的客觀性，在實驗大棚、對照大棚中各布置16個測點測量室內(nèi)空氣溫度，兩個大棚中測點位置完全相同。溫室大棚外距地面1.5 m高度處設置一個測點，測量室外空氣溫度、室外風速，測點位置如圖14所示。試驗中手動記錄數(shù)據(jù)，間隔時間為1 h。

3.3 試驗數(shù)據(jù)分析

在2020年12月2—8日進行溫室大棚供暖試驗，試驗時間為下午18：00至次日上午8：00，共持續(xù)7 d。選取每天最不利工況下試驗結(jié)果進行分析，試驗工況為煙氣130 ℃、煙氣流速3 m/s，試驗結(jié)果如圖15所示。由圖15可知，當夜間空氣最低溫度為2 ℃時，供暖溫室大棚室內(nèi)空氣平均溫度為10.12 ℃(測點A1～A16溫度平均值)，比無供暖溫室大棚室內(nèi)空氣平均溫度(測點B1～B16溫度平均值)高4.3 ℃，在其他工況下，溫度提升幅度最大為5.8 ℃，最小為3.3 ℃。由此可知，該供暖系統(tǒng)供暖效果明顯。

圖14 溫室大棚測點分布圖Fig.14 Distribution of measuring points in greenhouse

圖15 試驗溫室與傳統(tǒng)溫室室內(nèi)空氣溫度對比Fig.15 Comparison of indoor air temperature between experimental greenhouse and traditional greenhouse

3.4 模擬與試驗誤差分析

采用相對均方根誤差(relative root mean square error，RRMSE)對模型性能進行可靠性評價[38]，公式為

(9)

式(9)中：yData為實際測量數(shù)據(jù)平均值；n為數(shù)據(jù)數(shù)量；yModel,i為模擬值；yData,i為實際測量值。對于溫室氣候模型，認定RRMSE≤10%時，模型具有較高可靠性。

選擇12月4日夜間最不利工況(夜間最低氣溫2 ℃、風速2.3 m/s)下模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行驗證，試驗溫室空氣溫度與模擬溫室空氣溫度如圖16所示，在0.5 m和1 m水平高度、東西4.5～5.4 m跨度區(qū)域為火墻，無空氣溫度數(shù)據(jù)。由圖16可知，在各個水平高度上，空氣溫度實際測量值與模擬值變化趨勢相同，實際測量值均略低于模擬值，這主要是因為溫室大棚模型忽略了冷風滲透等因素的影響，實際熱負荷高于模擬熱負荷，這與實際情況相符。經(jīng)計算，0.5、1、2.5 m水平高度處模擬值與測量值相對均方根誤差(RRMSE)分別為8.7%、7.7%、8.3%，說明該溫室大棚模型能夠較為準確地反映實際情況。

圖16 試驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比圖Fig.16 Comparison of test data and simulated data

4 結(jié)論

針對當下農(nóng)村農(nóng)業(yè)廢棄物綜合處理、食品安全、植物生長環(huán)境惡劣等問題，提出一種以生物質(zhì)秸稈為一次能源的溫室大棚火墻供暖系統(tǒng)理論與實驗研究。利用CFD模擬分析確定換熱末端設計參數(shù)和供暖系統(tǒng)運行工況。通過試驗驗證了溫室大棚火墻供暖系統(tǒng)供熱效果和CFD模型的可靠性，得出以下結(jié)論。

(1)利用流體模擬計算軟件ANSYS Fluent 16.0對在火墻供暖系統(tǒng)作用下溫室大棚室內(nèi)熱環(huán)境進行模擬分析。分析結(jié)果表明，以作物生長空氣溫度下限10 ℃為標準，生物質(zhì)能供熱火墻最優(yōu)設計參數(shù)為：煙氣流通孔道左右兩側(cè)對稱排布、管徑為63 mm、隔熱層鋪設深度為20 cm、煙氣溫度為130 ℃、煙氣流速為3 m/s。

(2)在冬季不利工況條件下進行試驗，與無供暖系統(tǒng)的傳統(tǒng)溫室進行對比，由生物質(zhì)能火墻供暖的溫室空氣溫度有明顯提高。在試驗期間夜間最不利工況(夜間最低室外氣溫2 ℃)下，生物質(zhì)能供暖火墻系統(tǒng)作用下的溫室空氣平均溫度提高了4.3 ℃。在其他工況下，溫度提升幅度最大為5.8 ℃，最小為3.3 ℃。