0 引言

在溫室作物生產管理系統中,環境控制的最佳策略已經成為非常關鍵的主題[1],實行優化控制策略的前提是要充分了解室外氣候條件和室內調控設施對溫室小氣候環境的影響.我國南方地區夏季溫度普遍較高,尤其南京地區 6 ~ 7 月份,其較高的溫濕度和較低的光照,嚴重影響現代化溫室的生產,模擬、分析這段時間的溫室小氣候特征和各種降溫措施的降溫效果,可以為制定最優的溫室環境控制策略提供有力的依據[2].國內外有關溫室環境因子的調控文獻很多,各國學者[3 -6]對溫室的各種降溫措施如自然通風、遮陽、風機結合濕墊、噴霧降溫等進行了對比實驗研究,分析了各種降溫措施對溫室夏季降溫的效果.目前,大多數的研究結論都是建立在大量的試驗數據之上,在一個新的控制系統中建立相應的模型必須經過一段時間測試運行獲得數據后才能用于實際的生產,從而嚴重的阻礙了溫室控制系統的智能化進程.

溫室 CFD 模擬模型作為室外環境與溫室內環境、控制設備之間的定量描述,無論在溫室設計和環境控制中都起到了重要作用.溫室環境 CFD 模擬模型的最大優點是可通過模型的輸入輸出,全面認識與了解溫室的結構特征、外界的氣象條件以及作物生長等參數對溫室內部小氣候環境的影響[7],且數值模擬不受試驗條件限制,可以快速得到任意組合下所需要的信息.國內外學者[8 -10]應用 CFD 技術建立了自然通風、機械通風、濕簾 - 風機系統等降溫措施作用下的溫室環境 CFD 模型,其研究結果重點是建立 CFD 模型并說明其有效,或者用于溫室結構設計和優化.作為蒸發降溫措施之一的內噴霧系統 CFD 模擬研究卻較少.

現有的研究[11 -12]以離散相模型來分析由噴霧液滴和溫室內空氣的質熱交換過程,采用離散相模型雖然能有效地模擬液滴在下降過程中的蒸發和擴散,但計算代價大且參數設置復雜,一些參數如噴嘴模型、液滴表面積、液滴表面張力等都難以確定.通過分析噴霧系統和溫室內空氣的能量和質量平衡方程,把噴霧系統和室內空氣的顯熱和潛熱交換以源項的形式加入到 CFD 的控制方程中,有效地減少了 CFD 模型的復雜度和計算量.

本研究以 2011 年 6 月 23 日南京地區梅雨季節氣候條件為背景,通過 CFD 方法模擬天窗、外遮陽和噴霧作用下的溫室內溫度變化規律,對外界濕熱和溫室調控設備對溫室降溫效果的影響進行了量化分析,旨在為對 Venlo 型玻璃溫室夏季降溫調控策略的制定提供科學依據.

1 材料與方法

1. 1 試驗基本情況

本文的試驗溫室位于南京農業大學工學院,為雙脊 Venlo 型鋁合金玻璃溫室,屋脊東西走向;寬度 2 跨共 8m,4 間總長度 16m,肩高 4. 2m,頂高 5. 2m,覆蓋物為 4mm 浮法玻璃,透光率大于 88% ;屋頂通風為交錯天窗,6 個南天窗聯動,6 個北天窗聯動,開度 21°,屋頂通風面積 23. 5m2,無側窗;西側門尺寸為寬\\(2m\\)× 高\\(2. 4m\\);外遮陽采用黑色折疊式長壽外遮陽網,遮蔭率大于 70% ,安裝在距溫室頂部 0. 5m 的水平面上;溫室內部使用固定噴霧系統,噴頭采用十字噴頭,安裝高度距離地面 2m,溫室南北方向共布置 5 行,每行 10 個噴頭,每個噴頭的間距為 1. 55m,行距 1. 6m,每個噴頭的噴霧量為 0. 008 3kg/s;試驗期間溫室內黃瓜處于結果期,平均高度 1. 6m,灌溉方式為滴灌.具體物理結構如圖 1 所示.

1. 2 試驗方法

室外氣候條件采用安裝于溫室東南方向高 2m 的室外氣象站采集,每 5min 采集一次,采集參數有室外氣溫、相對濕度、太陽輻射、風速風向.室內溫濕度采集采用南京農業大學工學院自主研發的設備\\( 基于ZigBee 的無線傳感器網絡溫室監控系統\\) 布點采集,沿溫室中心橫向截面和縱向截面 1. 5m 高度共設置溫濕度傳感器 9 個,溫室測點布置具體見文獻[12].溫室覆蓋材料和室內外地面溫度采用 Ti - 55 紅外熱成像儀 \\(熱靈敏度≤ 0. 05 °C NETD,分辨率為 320 ×240\\)測定;作物葉面積采用卡尺對葉片的長度和寬度進行測量,每行選擇 10 株進行測量,并通過回歸方法得出作物的葉片面積.試驗前關閉溫室通風口\\(西側門和天窗\\),待室內溫度達到穩定后依次打開西側門和天窗、張開遮陽網、開啟噴霧系統.考慮到試驗Venlo 溫室自然通風降溫過程中,只有天窗通風,沒有側窗通風口,通風比僅 8. 25% ,室內的空氣流動很緩慢,通風性能極差.因此,在自然通風降溫過程中,西側大門始終保持全開的狀態,以增大通風量,提高溫室自然通風降溫性能.

2 CFD 建模

2. 1 CFD 計算模型

溫室內流體被視為水蒸汽和干空氣的混合,數值計算時認為溫室內空氣為不可壓縮牛頓流體,流體在流動過程中遵循基于雷諾時均的質量、動量和能量守恒方程.用組分輸運模型描述室內濕空氣隨氣流流動與室外環境不斷進行對流和擴散的過程[13],通常溫室內空氣流動過程中產生的瑞利數 Ra一般大于 107,具有較高的湍流特性,采用 RNG k - ε 湍流模型[14].

由溫差引起的浮力項通過 Boussinesq 假設加入到動量守恒方程的源項[15].溫室自然通風過程中,太陽輻射是溫室能量的主要來源,基于離散坐標的 DO 輻射模型對于任何的光學深度都適用,在 CFD 輻射模型中只有 DO 模型允許出現鏡面反射以及在半透明介質內的輻射,因而特別適合玻璃溫室輻射換熱過程的求解.為了簡化模擬,認為吸收系數、散射系數和折射系數為常數,輻射模型采用 3 ×3 的像點設置.

2. 2 作物多孔介質模型

作物對環境的影響采用多孔介質模型來模擬.假定黃瓜作物為均勻、各向同性多孔介質,其體積孔隙率和表面孔隙率一致,工作介質及多孔介質固體骨架的物性參數為常數,多孔介質內部輻射可忽略[16].在動量方程中附加動量源項描述作物對室內空氣流動的拖動作用、源項由兩部分組成,一部分是粘性損失項\\(Darcy\\),另一個是內部損失項.則有

其中,Si為源項;μ為空氣的動力粘度[kg /\\(s·m\\)]; v 為氣流速度\\( m / s\\);α為滲透性\\(m2\\);C2為內部阻力因子.

2. 3 計算域與邊界條件

以高度 2m 為分界面,把溫室空間劃分為兩個計算域,2m 以下的溫室空間為噴霧作用空間,為了準確地模擬自然通風過程,室外計算域選擇為室內計算域的 10 倍.對于六面體結構的溫室室外空間,將迎風面設置為速度進口邊界,與之相對的面設置為壓力出口邊界;室外頂面設置為對稱邊界,2 個側面設置為周期性邊界.在溫室區域內,溫室圍護結構為半透明玻璃壁面,室內外地面為無滑移壁面;溫室內的天窗和大門都設置為內部界面邊界條件;外遮陽在模擬中按照遮陽網的遮蔭率折減進入溫室內部的太陽輻射.

2. 4 噴霧系統質熱交換模型

霧滴在下降過程中吸收空氣中的熱量蒸發,而起到降低環境溫度的作用,同時增加了環境的濕度.噴霧系統和室內空氣的能量交換和質量交換分別為

其中,mw為噴霧系統的水流量\\(kg/s\\); β 為噴霧系統的蒸發效率;λ 為水蒸發潛熱\\( J / kg\\);AS為溫室地面面積\\(m2\\);mvp為噴霧系統單位時間和單位面積的噴水量\\(kg/m2s\\);σ為室內飽和差影響蒸發的特征系數\\(1/kPa\\);ψ為水汽壓與含濕量之間的轉換系數[\\(kPa·kg\\) / kg]; ωsa為室內飽和水蒸汽含濕量,在標準大氣壓下與室內溫度有關,可查表得到\\(kg/kg\\);ωa為溫室內空氣的實際含濕量\\(kg/kg\\).

噴霧量的大小對溫室內環境影響尤為重要:噴霧量太大,超過了溫室的蒸發能力,霧滴不能達到完全蒸發,使室內地面積水,高濕度的環境易誘發病害,導致作物減產[18];噴霧量過小,不能有效地降低室內空氣溫度.通過反復試驗,單次噴霧時間為1. 5min 噴霧蒸發率最大,室內不產生積水.為了簡化模擬,模擬過程中假設霧滴直徑足夠小\\( < 20μm\\),在較高的室內溫度下液滴在下降到地面之前已完全蒸發,即β =1.通過式\\(2\\) 計算所得的噴霧系統和室內空氣的顯熱交換以常數的形式加入到溫室內噴霧作用區域空氣的能量源項中,按式\\(3\\)計算噴霧系統的蒸發速率轉換為 h20的質量濃度組分源項的形式參與計算.

2. 5 初始化和計算方法

采用穩態方法求解控制方程,數值計算采用二階迎風格式的有限容積法,壓力與速度耦合的動量方程采用 SIMPLE 算法.表 1 為模擬初始值設置.

3 結果與分析

3. 1 噴霧 CFD 模型驗證

試驗溫室自然通風 CFD 模型已在在文獻[19]中得到驗證,本文重點對所建噴霧模型進行驗證,圖 2為噴霧系統作用下室內溫度模擬值和實測值的比較.

其各測點模擬值和實測值均方根誤差 RMSB 為0. 514 4℃,最大絕對誤差為 0. 75℃,平均相對誤差為1. 3%,模擬值和實測值吻合良好,說明所建立的模型有效,邊界條件設置正確.

3. 2 不同調控措施下溫室內溫度場分布特性

圖 3 分別為各種調控措施下溫室內 z = 2,z = 8,z= 14 截面上溫度場分布特性,如圖 3 \\( a\\) 所示.打開天窗并同時打開西側門,室內空氣通過西側門和天窗與室外空氣進行質熱交換,吸收太陽輻射能量較多的溫室頂部和南側覆蓋層出現了較高的溫度,自然通風下室內平均溫度 40. 3℃,室內外溫差 3. 9℃.在自然通風的基礎上張開外遮陽網后的溫室內溫度場分布特性如圖 3\\(b\\)所示.遮陽網遮蔭率為 77% ,由于外遮陽網遮蓋了部分太陽輻射,因而溫室覆蓋層溫度有了明顯下降,遮陽網下溫室上部溫度分布較均勻,室內平均溫度下降至37. 8℃,室內外溫差縮小為1. 4℃.

在此基礎上開啟噴霧系統 1. 5min 后,如圖 3\\(c\\)所示.

開啟噴霧降溫系統后室內平均溫度為 37. 2,室內外溫差 0. 8℃,整個溫室空間溫度分布較均勻;由于室內地面有較大的熱惰性,且模擬過程中假設噴霧過程中液滴完全蒸發且地面無積水,因而室內地面出現了較高的溫度.

3. 3 不同調控方式降溫效果分析

試驗測得全封閉狀態下室內 9 個測點平均溫度為43. 6℃,室內外溫差 7. 2℃.引入不同降溫措施的降溫貢獻率為

其中,ΔTi和 ΔTi - 2為第 i 級和 i -1 級降溫措施下的溫室內外溫差;ΔTn為 n 級降溫措施下的內外溫差;ΔT0為 0 級降溫措施下的內外溫差,此處指自然通風.

表 2 為不同降溫措施對溫室綜合降溫效果的貢獻率.

4 結論與討論

1\\)把內噴霧系統和溫室內空氣的質熱交換以源項的形式加入到控制方程中,通過實測值和模擬值比較可知,均方根誤差 RMSB 為 0. 514 4℃,最大絕對誤差為0. 75℃,平均相對誤差為1. 3% ,說明所建模型有效.

2\\) 模擬結果表明,3 種組合降溫措施中外遮陽 +自然通風的降溫貢獻率最高為 80. 6% ,能耗最大的噴霧系統的降溫貢獻率為 34. 8% .這是因為噴霧降溫的效果受環境濕度影響,較高的環境濕度使噴霧降溫的效果變差,這種靠蒸發降溫的措施更適用于環境溫度較高,相對濕度較低、日照強度較大,更有利于發揮噴霧系統工作效率的時間進行.3 種降溫措施下,室內溫度均高于室外溫度且超過 35℃,遠遠超出了作物可承受的溫度范圍,因而南方地區夏季高溫高濕氣候下僅靠這 3 種降溫措施達不到溫室降溫需求,應考慮采取更有效的降溫方法.

3\\) 通過改變和重組 CFD 模擬模型的邊界條件和初始條件,可快速獲得各種調控組合下的溫室內小氣候的動態變化,為溫室優化控制策略的制定提供了理論依據.后續的研究希望能將 CFD 模擬產生詳盡的溫室內小氣候環境的輸入輸出數據用于溫室環境控制中,實現 CFD 模擬模型和溫室控制系統的有機結合.

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