新型柔性墙体日光温室冬季温度场分布规律研究

兰立波 王志冉 张栋 周增产 李秀刚 曲维民

摘要：【目的】随着日光温室结构形式的演化，新型柔性墙体结构形式的日光温室逐渐兴起，其具有建设周期短，施工简易且不破坏土地耕层等优点；探究柔性日光温室温度场分布，研究其保温性能，便于推广和应用。【方法】本文通过CFD技术，模拟日光温室内冬季有无后墙采暖装置下的温度场的分布情况，同时开展温室内温度实时监测，探究柔性墙体日光温室冬季温度场分布规律。【结果】柔性日光温室内温度分布存在一定梯度，白天前屋面往后墙方向温度逐渐降低，但受放风口气流的影响，温度存在一定波动性；夜晚保温被展开，温室内保温性好，热量交换少，温差相差不大。【结论】使用柔性保温墙体增加后墙集热系统，能够使日光温室冬季最冷月维持10℃以上的温度，不影响冬季作物生产，验证柔性日光温室的保温性能，为日光温室结构形式发展方向提供理论指导。

关键词：新型温室；柔性墙体；后墙集热装置；CFD技术；温度场分布

引言

日光温室的围护结构是温室蓄放热的重要载体，同时也是温室保温隔热的重要保障[1]。随着日光温室结构形式的不断演化，其后墙的结构形式和材料也发生巨大的变化[2-3]。根据日光温室结构发展的历史和不同地区日光温室的结构类型，可以将日光温室的墙体分为土墙结构、砖墙结构、钢筋混凝土结构和近几年兴起的装配式钢结构墙体[4-5]。随着人工费和材料费成本的上涨，土墙、砖墙和钢混结构的墙体在建设时材料贵，且施工复杂，耗时长，因此在建筑成本上的投资相对高，占温室总成本的比重大。新型柔性墙体日光温室采用装配式钢结构作为主体骨架，同时后墙及两侧山墙覆保温被即为柔性墙体，不仅施工成本低，而且不破坏土地耕层，是一种较为理想的日光温室墙体结构形式，其保温性更好，更能阻隔温室内外热量的交换，实现了日光温室北方地区冬季不加温，作物安全越冬生产的目标[6-7]。

日光温室集放热系统是将集放热板置于后墙处，白天启动潜水泵，使蓄热水池中的水流经中空板内的空腔，吸收太阳辐射热量，再将热水贮存在水池中。夜间启动潜水泵，将日间蓄积的热量通过集放热板与空气的对流和辐射等换热作用传递给室内空气，实现系统在夜间的放热加温作用[8-10]。水幕帘蓄放热系统也是一种造价低、实用性强的后墙蓄放热系统，升温效果可使温室内夜间气温提高5.4℃以上，作物根际温度提高1.6℃以上[11]。屋架集热控温系统是将集放热系统安装在面屋面，更能够吸收太阳能，应用于北京地区600m2日光温室，冬季平均每日在晴天可蓄积200-400MJ热量[12]。

研究柔性日光温室保温性及室内温湿度分布的均匀性，对日光温室结构形式的升级改造具有重要意义。随着CFD软件不断升级和计算机硬件系统性能的不断提高，环境模拟的准确性也随之提高，应用越加广泛，可以准确的模拟出温室的温度场和湿度场[13]。本文通过模拟冬季不同时期内柔性日光温室里不同空间内温度场的变化以及增加温室蓄放热系统后温室内温度场分布情况，同时在冬季的不同时间段和有无蓄放热系统工作的情况下对柔性日光温室内的温度进行检测，验证冬季日光温室内温度场的分布情况，以期对柔性日光温室保温设计提供理论指导。

1 柔性日光温室参数设计

1.1 日光温室参数

柔性保温墙体日光温室的结构主要是由地下基础及保温部分、后墙及山墙全钢骨架及东、西、北三侧柔性保温墙体（包括后屋面）、前采光覆盖膜、采光屋面保温被等五大部分构成。而柔性墙体是由镀锌钢管作為骨架结构，外侧安装一层轻质保温被材料，保温被厚度为10cm左右里面填充1400g/㎡的喷胶棉。温室后墙集热系统包含钛镍涂层集热板、蓄热水池、管道和水泵构成，利用水为介质，白天将太阳能蓄存起来，夜晚再释放热量。

（1）棚膜采用0.15mm PO膜覆盖，透光率不低于90%。

（2）热阻取6.6m2·K/W（以聚乙烯薄膜固定单层覆盖传热系数为例）。

2 CFD模拟日光温室温度场分布

2.1 CFD计算原理

计算流体力学的模拟遵从于三大守恒定律：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。此三大守恒定律也作为CFD模拟的基本方程，适应流体的传热和传质问题。通过CFD技术，可以迅速构建仿真模型，修改温室参数，可进行不同环境条件下温室内温度分布和空气流动模拟。

流体力学计算主要包括前处理、求解和后处理三部分。前处理，即进行集合模型的构建和对模型的网格划分工作，此为离散化计算域；求解，即在求解器中主要进行模型的求解；后处理，即对模拟数据的现实及结果进行分析和可视化处理[14-15]。

2.2 模型构建

首先进行试验温室模型构建，构建时可忽略温室骨架结构和温室内低矮作物。模拟软件采用Workbench 2021 R1（ANSYS）中的FLUENT。在进行物理模型的构建时，选择温室整个三维空间作为计算域，主要方式为使用solid works三维制图软件构建1∶1的温室3D模型。按照温室规格参数绘制草图：跨度、脊高、长度、后屋面角度等按照温室规格参数设置，前屋面曲线选择双圆组合屋面曲线进行绘制。

2.3 划分网格

在计算域上离散控制方程，必须使用网格，网格是CFD模型的集合表达式，也是模拟与分析的载体，其划分质量对CFD计算精度和计算效率有重要影响。本模拟使用FLUENT中的Meshing采用四面体进行网格划分。

2.4 材质及边界条件

在冬季对日光温室进行模拟时，假设温室在冬季处于封闭状态，并没有进行通风，只存在内部流固体耦合传热，选择所有的边界条件均为壁面形式。地面给定实际测量的固定温度；墙体材料及覆盖材料为对流与外部辐射相结合边界类型。

（1）外部辐射温度：一般采用空气有效温度作为外部辐射温度，用以反映空气辐射背景对覆盖材料传热影响。天空辐射温度Tsky和室外空气温度T0的关系表示如下：

Tsky=0.0552T01.5

式中，辐射温度和空气温度均以绝对温度表示，单位均为开尔文。

（2）室外对流换热系数：由于温室和外界之间存在有对流换热的现象，而对流换热的程度与外界的风速v0有关，对流换热系数h可表示为：

h=7.2+3.48v0

式中，风速的单位为m/s。

（3）辐射模型选择

考虑太阳辐射对温室内部环境的影响，选择启用能量方程和辐射模型。在日光温室中，太阳辐射几乎提供了所有的热量需求，室内的传热方式主要有辐射传热和对流传热。离散坐标辐射模型（DO）不仅考虑了RTE的方向型、边界发射率，而且能够对辐射问题进行计算，对光学厚度没有要求，是唯一适用于半透明介质的辐射模型。因此本模拟采用离散坐标辐射模型，并在辐射模型中选择选择Solar Ray Tracing模型。设置地理信息为北京市通州区地理参数：北纬39°36′至40°02′，东经116°32′至116°56′，时区为东八区。

2.5 CFD模拟结果

2.5.1 室外的空气温度为3℃时温度场分布情况模拟

太阳辐射计算器中选取2022年1月9日晴天的中午12时进行温度场分布情况模拟，室外的空气温度为3℃。选取距离东侧山墙5m、30m、55m处进行模拟，模拟温室垂直方向上的温度场分布情况。模拟结果如下。

以上为模拟距离东侧山墙5m、30m、55m处温度场分布结果图，白天为储热模式，通过前屋面吸收太阳能，因此从温室后墙越靠近前屋面温度越高。

2.5.2 室外的空气温度为-6℃时温度场分布情况模拟

选择1 月9 日晚2 3 时进行模拟， 室外温度为-6℃，室内无蓄放热系统，仅依靠地面作为热源供暖，其热通量为5 W/m2。如下为模拟结果。冬季夜晚无蓄热系统，温室通过地面辐射获得热量，因此从温室前屋面越靠近地面温度越高。

2.5.3 室外的空气温度为-16℃有蓄放热系统时温度场分布情况模拟

选择1月15日23时进行温度场模拟，室外温度为-16℃，通过蓄放热系统对温室供暖，地面作为热源，其热通量为5 W/m2。

由于后墙蓄热系统白天的储热，温室通过集放热系统和地面辐射系统获得热量，后墙集热系统的集热能力强，因此自后墙到前屋面温度逐渐降低。

3 柔性日光温室冬季保温性试验

3.1 测试点选择

在距离地面1.7m，距离后墙1.5m、5m、8.5m处选择3个点，在距离地面3.4m，距离后墙1.5m、5m处选取2个点，单个剖面共5个点（如图所示），分别测试该点在0-24h内温度的变化情况，每隔30min记录一次温度变化。分别在距离东侧山墙5m、30m和55m三个截面内测试，温室内共选取15个点的温度变化，加温室外对照点，共测试16个点温度变化。

3.2 测试模式

本试验日光温室位于北京市通州区，北纬39°至40°，东经116°。试验测试仪器为精创品牌的R C - 4 H A / C型号温湿度记录仪，量程为温度-40-85℃，湿度0-100%。

测试时间为2021年11月下旬至2022年1月中旬。选择晴天和阴天两种天气状况进行测试，选择开泵，不开泵两种模式进行测试。记录温室内15个测试点温度变化状况。

3.3 结果分析

3.3.1 柔性日光温室15个点平均温度分布变化

在距离东侧山墙5m，30m和55m处垂直于地面的3个剖面上，记录剖面上15个点一天内的温度变化。

温度测试结果表明，15个点在一天内温度的变化趋势基本一致，在上午9点至下午4点之间，即保温被揭开的时段，各个点的温差相差较大。原因是温室放风等原因导致温室内外热量交换，温度波动大。放风口关闭，保温被展开，室内温度波动小。CFD模拟温室内温度场分布与实测数据存在一定的偏差可能是设置的边界条件采用的是平均值代表壁面温度，从而减少了温度细节的差别，计算区域的材料参数的选择存在误差，影响了模拟的结果。

3.3.2 柔性日光温室日平均温度变化

测试时间为2021年以12月27日，测试模式为晴天开泵，测试室内15个点的温度及室外温度，計算平均温度，分析温室内平均温度及室内外温差。日光温室内最高气温27.4℃，最低气温8.9℃。室外最高6.7℃，最低-11.7℃。白天的室内外最大温差27℃；夜间最大温差22.2℃。使用后墙蓄热系统在晴天的状态下，能够使温室温度提高20℃以上。

3.3.3 柔性日光温室冬季阴晴天温度对比（不开循环泵）

11月末，在不开启蓄热泵的情况下，对比27日晴天，28日阴天2d的温度变化情况。试验测试结果表明，晴天温室内的温度较高，由于放风口开启，会进行热量和湿气的交换，温湿度波动较大，最高温度38.6℃，最低温度10.5℃；阴天时温度变化相对较平缓，最高气温30.4℃，最低气温11.8℃。晴天温度相对较高，对比两天的室内外温差曲线可知，阴天夜晚温度较低，室内外温差也较大，晴天的白天温度较高，室内外温差较大，但由于通风的缘故，控制温室适宜的温度，因此室内外温差也会降低。

12月份在晴天的情况下，比较开启循环泵与不开启蓄热系统的温度差，白天将太阳能热量储存，夜晚释放太阳能，测试蓄热系统的加热效果。测试结果表明，在不开启循环泵的情况下，最高温度24.4℃，最低温度6.8℃；在开启循环泵的情况下，最高温度30.6℃，最低温度9.0℃；不开泵的情况下室内外温差为7.9-25.5℃，开启循环泵的状态下室内外温差为17.3-30.1℃，开启循环泵夜间温差在20℃以上，不开循环泵室内外温差在15℃以上，循环泵对温室内温度提高作用显著。

3.3.5 柔性日光温室冬季最冷月阴晴天温度对比（开循环泵）

同样是在开启循环泵的情况下，测试晴天和阴天条件下，室内温度的变化情况。根据测试结果可知，晴天开泵室内最高温度27.3℃，最低温度9.2℃，室内外温差为12.9-27℃，夜晚平均提高20℃以上；阴天开泵室内最高温度15.5℃，最低温度8.9℃，室内外温差为6.5-20.7℃；虽然阴晴天对日光温室室内温度的提高具有较大影响作用，但是室内温度均维持在10℃以上。

4 小结

利用CFD技术模拟冬季温度场分布情况可知，白天温室吸收太阳能辐射，温度由前屋面向后墙温度逐渐降低；夜晚后墙及地面吸收的辐射能逐渐释放，由后墙向前屋面，温度逐渐降低。通过对温室内各测试点温度值测量可知，白天保温被打开后，室内各测试点的温度变化波动较大，且不一致；夜晚保温被放下，温室内热交换减少，各测试点温度波动较小，变化趋势相一致，即使外界-16℃的低温，由于主动蓄放热系统的存在，室内温度也能在10℃以上。由于设置的边界条件采用的是平均值代表壁面温度，计算区域的材料参数的选择存在误差，从而减少了温度细节的差别，致使模拟的结果与实际测量值出现一定偏差，但是模拟结果从总体趋势上也能反映出温室内温度场分布的大概情况。采用温室保温材料和后墙集放热系统大大提高了温室内保温性能，使日光温室冬季不加温也能实现作物越冬生产。

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