塑料温室空调-风袋系统通风过程数值模拟与分析

Numerical simulation and analysis of the ventilation process of a plastic greenhouse air bag system

摘要

目的 验证塑料温室空调-风袋系统的降温、除湿性能，分析空调系统开启后温室内温湿度均一性水平。 方法 以湖北省十堰地区的塑料温室为研究对象，在现场实测的基础上结合已有的理论模型，建立了空温室和食用菌温室两种瞬态计算流体力学仿真模型，对空调-风袋系统开启后温室内温度和水蒸气的分布进行研究。 结果 模型经实测验证，模拟值和实测值的相对误差在12.5%以内，归一化均方根差值小于0.011。模拟结果表明，空温室平均温度可在5 min内由26 ℃降至22 ℃，食用菌温室平均温度在50 min内由26 ℃降至24 ℃以下，并保持稳定；两种温室温度的不均匀系数平均为0.006 2和0.007 3，水蒸气质量分数的不均匀系数平均为0.008 7和0.010 2。 结论 空调-风袋系统可以满足食用菌初秋时节养菌阶段的温度要求，且温室内温湿度均一性好；模拟结果可为传感器布局提供参考依据。

Abstract

Objective To verify the cooling and dehumidification performance of the plastic greenhouse air bag system，the uniformity of temperature and humidity in the greenhouse is analyzed after the air conditioning system is switched on. Method Taking the plastic greenhouse in Shiyan area of Hubei Province as the research object，based on the field measurement combined with the existing theoretical models，two transient computational fluid dynamics simulation models of the empty greenhouse and the edible mushroom greenhouse were established，and the air conditioning/air bag system was opened.The distribution of temperature and water vapor in the post-greenhouse was studied. Result The model is verified by actual measurement，and the relative error between the simulated value and the simulated value is within 12.5%，and the normalized root mean square difference is less than 0.011.The simulation results show that the average temperature of the empty greenhouse can be reduced from 26 ℃ to 22 ℃ within 5 minutes，and the average temperature of the edible mushroom greenhouse can be reduced from 26 ℃ to below 24 ℃ within 50 minutes and remain stable； the average non-uniformity coefficients of the two greenhouse temperatures are 0.006 2 and 0.007 3，and the average non-uniformity coefficients of the water vapor mass fraction are 0.008 7 and 0.010 2. Conclusion The air-conditioning air-bag system can meet the temperature requirements of edible mushrooms during the early autumn season and has good temperature and humidity uniformity in the greenhouse.At the same time，the simulation results also provide a reference basis for the layout of the sensors.

Graphical abstract

关键词

塑料温室 / 空调-风袋系统 / 性能 / 计算流体力学

Key words

plastic greenhouse / air-conditioning air-bag system / performance / computational fluid dynamic

近年来，我国设施农业发展迅速，塑料温室大棚作为我国园艺设施中应用最为广泛的类型之一，具有结构简单、经济效益高的特点^［1-2］。我国夏季温度普遍偏高，塑料温室内温度在完全不采取任何降温措施时可达50 ℃以上，远超出了植物生长的承受范围，多数温室夏季被迫休棚，每年有四分之一甚至更长的时间闲置，无法实现周年生产。如何改善温室内温度过高，提高温室内环境的均一性，为植物创造良好的生长环境已成为当前亟待解决的难题^［3］。降温常采用外搭遮阳网、自然通风、湿帘-风机、机械通风的方式^［4］。当室外温度较高时，自然通风和机械通风的方式将室外热空气送入温室，不利于植物生长；而湿帘-风机降温措施因温室跨度较大又会造成内环境均一性差的现象。空调降温在大型植物工厂应用广泛，但对温室采用空调进行降温的研究较少。温室采用空调降温可以有效避免因室外温度较高而造成的降温困难现象，通过在风机出口加送风袋保证了温室均匀降温。

相比传统试验的方法，采用计算流体力学的方式对温室内环境模拟具有周期短、灵活性高的优点。1989年，Okushima等^［5］首次将计算流体力学的方法运用到温室环境研究中，经过几十年的发展，计算流体动力学（CFD）技术在温室中的应用越来越多，也更加成熟^［6］。目前已有的研究包括：对塑料温室、玻璃温室及日光温室内环境模拟，分析作物生长区域的温度分布，为温室结构优化设计提供理论指导^［7-11］；对自然通风温室通风口不同位置和开度的模拟^［12-15］，以得出较优的通风口组合方式；对机械通风条件下不同风机形状、数量及位置模拟^［16-18］，以计算温室通风效率、改善温室通风结构。当前，空调-风袋通风对塑料温室微气候影响的研究还未见报道。

本研究通过对塑料温室大棚进行现场实测，结合已有的理论模型，考虑了湍流与壁面辐射，建立了求解空调-风袋通风温室温湿度分布的CFD模型，以可视化的图像验证空调-风袋系统的性能，旨为传感器的布局提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验温室

研究的温室位于湖北省十堰市郧阳区香菇小镇中国香菇扶贫园，该基地总面积约80 hm²，可发展香菇500余万棒。香菇小镇观光平台附近建有18栋结构相同的示范温室大棚，见图1。温室采用双层结构，即距内层温室外部0.5 m处搭建一层结构相同的外层温室，以达到温室夏季降温、冬季保温的目的。该温室屋脊为东西走向，内层温室长24 m，宽6.2 m，拱高3.4 m，肩高1.75 m，面积148.8 m²。温室主体采用钢骨架搭建，外部由0.12 mm 12丝的聚乙烯薄膜覆盖而成，薄膜外部贴有一层遮阳网，内层粘有保温棉，薄膜和遮阳网的开闭均由卷帘电机（功率80 W，扭矩60 N·m，转速4 r/min）控制。温室顶部距地面5 m处搭建有外搭遮阳网，其开闭由电机拉动铁丝完成。

香菇小镇配备有一套空调系统，供18栋示范温室降温。其中，4个型号为LSBLG540的螺杆式制冷压缩机采用R22的制冷剂，单个额定功率为110 kW，制冷量540 kW。与压缩机配套使用驱动水冷循环的三相异步电机型号为DFG150-315/4/30，其功率为30 kW，额定流量为200 m³/h，空调风道出口的风机安装在每栋温室与门相对的壁面上，中心位置安装高度为2.5 m，每栋配备2台，其单个功率为4 kW，理论送风量10 000 m³/h，为保证风机送出的冷风可为温室均匀降温，风机出口处接有0.2 mm厚的圆柱形聚乙烯材质送风袋，风袋长22.6 m，其两侧和下方均匀开有间距1 m直径为43 mm的出风孔（两个风袋共计128个出风孔），风机稳定运行时，风袋出风孔处的风速可达20.5 m/s。

1.2 温室环境现场测量

初秋时节，秋栽菇完成上棒后，室外最高温度达33 ℃，无措施的普通塑料温室内温度达35 ℃，远超出养菌阶段的最佳适宜温度（22~25 ℃），菌棒长时间处于高温环境会导致食用菌烧菌而死亡。空温室和食用菌温室的试验日期分别为2021年9月9日11∶40~12∶00和9月10日12∶57~13∶57。试验期间，两层温室密闭，薄膜外附遮阳网及外搭遮阳网均处于关闭状态，天气晴朗，室外气候稳定。

试验采用武汉新普惠公司生产的温度、湿度、光照、CO₂浓度四合一的百叶箱型传感器。传感器采集的数据通过Lora通信汇集到网关，网关采用4G的方式将数据传输至云端；利用FLIR T865热像仪测量壁面及地面的温度；室内外太阳辐射采用台湾泰仕TES-1333太阳辐射仪获取。传感器详细参数见表1。

为测量温室大棚内整体较为准确的温度和湿度参数，在距地面0.5 m和1.7 m高度处选择两个与地面平行的水平面，每个水平面设置4个测点，共计8个测点（测点布置位置如图2所示）。随机选取室内4个不同点位作为太阳辐射测点。

1.3 CFD建模与仿真

1.3.1 理论基础

流体流动遵循基本守恒定律。模型中考虑了不同组分的变化，系统要遵守组分守恒定律。此外，还需要添加附加控制方程、选取合理的计算模型保证温室环境因子模拟的准确性。

基本守恒定律：流体流动所遵循的物理定律是建立流体流动基本控制方程的依据，它们主要包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，这些定律适用于流体的流动传热问题^［10］。在计算过程中，假设室内气体为连续、稳定、不可压缩牛顿流体，空气流动符合Boussinesq假设^［17］。

附加控制方程：在进行温室模型计算时，需要考虑温室中流态的类型，通常认为雷诺数Ra>10⁹时，气流为湍流；对于3 m高的温室，当ΔT>0.1 ℃，则认为气流为湍流^［19］，因此，在温室建模中必须引入湍流模型。本文综合考虑模型的现实及前人试验经验，选择应用多、计算量适中且有较多数据积累调制和较高精度的标准k-\epsilon模型，它已被广泛用于温室CFD模拟中^［20］。流体具有扩散的性质^［21］，存在浓度差时，则会有物质的输运。模型中考虑了水蒸气的变化，所以需遵循组分守恒定律。温室环境内空气简化为理想空气与水蒸气混合的湿空气，本文将其视为多组分的单相流来模拟，模拟过程中，两种组分均要遵循组分守恒定律，同时假设水蒸气在计算域内没有相变，仅在空气中发生扩散。

计算模型的选用：经实际测量，室外辐射强度为950~1 000 W/m²，经过两层遮阳网及保温棉的阻碍，室内的太阳辐射强度为0~10 W/m²，故在模拟中仅考虑壁面的热辐射。Fluent中DO辐射模型适用范围最大，可用于温室数值模拟^［17］。作物对环境的影响是不可忽略的，本文采用多孔介质模型来模拟。依据温室中菌棒摆放的实际情况，将菌棒视为各项异性的多孔介质。根据达西定律，在动量方程中增加一个动量源项来模拟作物对空气的拖动效果^［9］，可以描述为：

S_i=-(\frac{\mu }{\alpha }{v}_i+C_{\mathrm{2}}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left|v\right|v_i)（1）

式中：S_i为动量源项；\alpha为渗透率，其导数为黏性阻力系数；C_{\mathrm{2}}为非线性动量损失系数，即惯性阻力系数；v为空气速度，m/s。

1.3.2 几何模型

考虑到现场情况的复杂性会大大增加计算难度，为提高效率、节约计算机模拟时间，对温室几何模型进行适当优化。具体简化内容包括：将通风过程中关闭的卷帘和门简化为壁面处理，忽略其建模细节；温室内的支撑结构相较温室整体尺寸较小，在建模过程中忽略^［4］；温室内放置菌棒的层架在植物的多孔介质模型中做处理。经实际测量，两层温室密闭、风机关闭时，温室内无风，可认为温室内为密闭空间，模拟过程中仅利用空调-风袋系统进行通风，因此将内层温室空气设定为计算区域^［22］，食用菌温室几何模型见图3。

1.3.3 网格划分

采用Workbench Mesh中Poximity and Curvature的方式对温室模型进行网格划分，空温室和食用菌温室划分网格数量分别为1 776 282和2 634 049个，经网格质量检查发现，网格平均扭曲率分别为0.226和0.231，网格划分质量好，可以满足仿真的需要。

1.3.4 边界条件

将风袋的出风口设置为模型中的速度入口，通过6次对不同时刻、不同位置出风口速度测量得出其平均速度为20.5 m/s，设置其方向垂直于出风口。CFD模型中速度入口温度为19.6 ℃，空温室和食用菌温室入口湿度分别为70%和71%，计算域初始温度为26 ℃，初始湿度分别为82%和76%，将温室出风口设置为压力出口条件。设置壁面为无滑移壁面（壁面属性参数见表2、壁面温度见表3）。食用菌温室中需考虑菌棒对气流的拖动作用，通过建立食用菌层架的切片模型计算其孔隙率为0.705，仿真不同速度条件下多孔介质模型的压降、拟合速度与压降曲线从而求解出惯性阻力系数和黏性阻力系数^［22］。

1.3.5 计算方法

本次模拟仿真采用Inter（R）Xeon （R） CPU E5-2630 v4计算机工作站进行。求解器选用FLUENT16.0，采用瞬态方法求解控制基本方程，数值计算采用SIMPLE算法求解。初始1 min时间步长设置为1 s，1 min后时间步长设置为10 s，空温室和食用菌温室分别模拟空调-风袋系统开启后20 min和1 h温室内温度、水蒸气质量分数的变化。

2 结果与分析

2.1 CFD模型验证

在植物生长过程中，适宜的温度和湿度是保证其正常生长的最重要因素，因此，此次数值模拟中只分析温室温湿度环境因子的变化。

为了方便对比模拟值与实测值之间的差异，将温室上下两侧的传感器按照1~8编号。两种温室温湿度实测值与模拟值的对比结果见图4。

对比分析发现空温室中温度和湿度的相对误差范围为0.74%~3.29%和0.36%~6.57%，食用菌温室中温度和湿度的相对误差为3.81%~7.03%和6.90%~12.34%，空温室中温度和湿度平均相对误差为1.76%和4.44%，误差极小，食用菌温室中温度和湿度的平均相对误差为5.08%和9.43%，相对空温室误差较大，表明多孔介质模型的精度有待进一步提高。两种温室中皆为湿度的误差值高于温度，这是由于在模拟中湿度是按照水蒸气的质量分数计算的，转换成相对湿度时与其对应的温度相关，经过双重误差的叠加导致湿度的误差大于温度。

采用归一化均方根差（NMSE）来验证CFD模拟的精度，一般认为NMSE值小于0.25时CFD模拟的精度是合理的^［23］。

NMSE=\frac{{\left(\overline{Cp-Co}\right)}^{\mathrm{2}}}{\left(Cpm\cdot Com\right)}（2）

{\left(\overline{Cp-Co}\right)}^{\mathrm{2}}=\frac{\sum _n{\left(Cpi-Coi\right)}^{\mathrm{2}}}{n}（3）

式中，Cp为模拟值；Co为实测值；Cpm为模拟平均值；Com为实测平均值；n为实测采样个数。

通过比较模拟与实测数据的NMSE值发现，4种情况下的NMSE值分别为0.003 8（空温室温度）、0.002 6（空温室湿度）、0.002 5（食用菌温室温度）、0.010 3（食用菌温室湿度），均小于0.25，因此认为模拟值与实测值并无显著差异，模拟结果在合理的误差范围之内，验证了模型的正确性。

2.2 空调-风袋系统通风过程分析

2.2.1 温度场变化

图5为空温室3个截面随空调-风袋系统开启后的温度场分布云图。从模拟结果来看，随着空调-风袋系统的开启，冷空气从风袋出风孔吹出并开始扩散。30 s前，出风口区域温度明显低于相邻区域，但从60 s的图中可以看出温室内整体温度较为均匀，60~300 s期间，温室内温度持续下降。比较300 s和600 s的图可以发现，温度并没有较大变化，表明空温室温度在300 s时即达到相对稳定状态。因门所在的壁面风袋未涉及，在通风的初期形成了高温区域，但随着通风时间的持续，高温区域逐渐减小。稳定状态下，仅壁面附近的温度相对较高。

图6为食用菌温室温度分布云图，食用菌温室中由于菌棒的存在，降温速度大幅减缓，相对空温室300 s时已经达到相对稳定状态，室内平均温度达到21.8 ℃，食用菌温室300 s时，菌棒生长区域除第1列和第3列部分区域温度稍微下降外，其他区域温度皆未有明显变化，表明多孔介质对降温效果阻碍显著。观察1 200 s可以发现，在通风口下方距地面1.5 m处位置温度呈气泡状生长，Z=12 m截面因无向下方的通风口，导致菌棒区域高温现象明显多于Z=12.5 m处。2 400 s时菌棒生长区域的高温现象显著减少。3 600 s时，温室内温度达到相对稳定状态，温室平均温度达到24 ℃左右，但通风口下方温度要低于同高度无通风口处0.4 ℃。分析图6可以发现，在栽培有高密度植物的温室中，空调-风袋系统降温速度有所下降，但降温过程及稳定期间，温室整体温度环境因子的均一性始终较高。稳定阶段，植物生长区域不会形成高温死区，有效地保证了植物的正常生长。

2.2.2 水蒸气含量变化

由图7可以发现，空温室中水蒸气质量分数变化趋势与温度相同，但并没有形成壁面区域较高的现象，其原因为温度场模拟中壁面有能量交换，而水蒸气模拟中并没有考虑水蒸气的相变，故其与壁面不会产生液膜。对比图8和图6可以发现，食用菌温室中水蒸气含量下降速度快于温度，这种差异是由其物理特性决定的，但菌棒区域10 s时水蒸气质量分数与1 200 s时温度分布图具有相似性，即在1.5 m处形成气泡区域，这与空温室中10 s时湿度分布呈锥形形成对比。

2.3 空调-风袋系统性能分析

2.3.1 空调-风袋系统性能评价指标

2.3.1.1 温度、水蒸气含量瞬时变化速率

采用温度、水蒸气含量瞬时变化率来评价温室降温除湿的速度，温度、水蒸气含量瞬时变化速率计算公式为^［13］：

R_T=(T_{t-i}-T_t)/i（4）

R_R=(R_{t-i}-R_t)/i（5）

式中：R_T为温度瞬时变化速率；R_R为水蒸气质量分数瞬时变化速率；T_t为t时刻室内平均温度，℃；T_{t-i}为t-i时刻室内平均温度，℃；R_t为t时刻室内水蒸气平均质量分数；R_{t-i}为t-i时刻室内水蒸气平均质量分数；i为时间步长，min。

2.3.1.2 不均匀系数

采用不均匀系数评价空调通风温室内环境因子的均一性，不均匀系数越小，温室环境参数的均一性越好^［24］。

k_T=\frac{{\sigma }_T}{\overline{T}}（6）

k_R=\frac{{\sigma }_R}{\overline{R}}（7）

{\sigma }_T=\sqrt[]{\frac{\sum ({\mathrm{T}}_i{-\overline{T})}^{\mathrm{2}}}{n}}（8）

{\sigma }_R=\sqrt[]{\frac{\sum (R_i{-\overline{R})}^{\mathrm{2}}}{n}}（9）

式中，k_T为温度的不均匀系数；k_R为水蒸气质量分数的不均匀系数；{\sigma }_T为温度的均方根偏差；{\sigma }_R为水蒸气质量分数的均方根偏差；{\mathrm{T}}_i为各测点的温度，℃；R_i为各测点水蒸气的质量分数；\overline{T}为室内的平均温度，℃；\overline{R}为室内水蒸气的平均质量分数。

2.3.2 温度、水蒸气质量分数瞬时变化率

如图9所示，空温室温度在初始3 min下降最快，瞬时变化率在前1 min达到了2.48 ℃/min，随后变化率大幅降低，而食用菌温室变化率一直保持在0.4 ℃/min以内，甚至在部分时间出现了负增长的现象，原因为传感器位置恰好布置在温室局部高温区域所影响；水蒸气质量分数变化率在两种温室中的变化率一致性高，表明多孔介质对水蒸气变化的阻碍不显著。

2.3.3 温度、水蒸气均匀性分析

观察图10可以发现，空温室和食用菌温室温度不均匀系数分别为0.006 2和0.007 3，水蒸气的不均匀系数分别为0.008 7和0.010 3。温度的平均不均匀系数小于水蒸气的，但稳态下相反。整体来看，4种情况下不均匀系数皆较小，表明空调通风温室的环境均一性好。

3 讨论

空调-风袋系统作为一种新颖的降温措施，具有降温效果好、环境均一性高的优点，但其在成本方面消耗较高。后续可以通过改变建立的温室CFD模型中速度入口边界条件，快速分析风袋出风口不同速度与温度条件下的降温效果以期达到节能的目的。同时，应探寻自然通风、机械通风及空调-风袋通风智能组合的调控算法，在保证植物正常的生长环境条件下降低能耗。

4 结论

1） 利用现场实测，结合标准k-\epsilon模型、DO辐射模型和多孔介质模型建立了求解空调-风袋通风温室温湿度分布的CFD模型。通过对比相对稳定状态下模拟值与实测值的相对误差与NMSE值，验证了建立的CFD模型与采用的边界条件的正确性。

2） 空温室平均温度可在5 min内由26 ℃降至22 ℃，食用菌温室平均温度在50 min内由26 ℃降至24 ℃以下并保持稳定；通过在风机出口处安装风袋，风袋上均匀的出风孔可保证温室均匀降温，避免了食用菌温室局部温度过高的现象，温室内环境参数的不均匀系数始终保持在0.017以下。表明空调-风袋系统可以满足食用菌初秋时节养菌阶段的温度条件，且温室环境均一性好。

3） 食用菌温室中，空调通风后期，中间列层架距地面1.5 m、距门3 m处为菌棒生长区域温度最高点，布置传感器时应首先考虑此处。

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基金资助

湖北省重点研发计划项目(2020BBA040)