第4卷 第3期 2023年12月 新能源科技 New Energy Science and Technology Vol 4 No 3 December 2023 基金項(xiàng)目 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與智能建造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題 202103 作者簡(jiǎn)介 鮑恩財(cái) 1990 男 副研究員 博士 研究方向 設(shè)施農(nóng)業(yè) 光伏農(nóng)業(yè) beoencai1990 163 com 通信作者 蔣步國(guó) 1984 男 高級(jí)工程師 碩士 研究方向 設(shè)施農(nóng)業(yè) 260582457 qq com 基于光伏連棟玻璃溫室溫度場(chǎng)CFD模擬的 冬季加溫系統(tǒng)排布優(yōu)化 鮑恩財(cái)1 2 劉璋晶瑩1 3 李士照1 3 張 龍1 2 楊 晨4 許桂俊4 鄧志強(qiáng)5 蔣步國(guó)6 1 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與智能建造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100125 2 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所 江蘇 南京 210014 3 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 安徽 合肥 230036 4 深能南京能源控股有限公司 江蘇 南京 210019 5 華能南京燃機(jī)發(fā)電有限公司 江蘇 南京 210046 6 江蘇海州農(nóng)業(yè)發(fā)展集團(tuán)有限公司 江蘇 連云港 222000 摘要 針對(duì)冬季光伏連棟玻璃溫室內(nèi)溫度過(guò)低 環(huán)境均一性較差的問(wèn)題 文章提出一種基于計(jì)算流體 力學(xué) computational fluid dynamics CFD 的加溫系統(tǒng)排布優(yōu)化方案 依據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的邊界條件 構(gòu)建 并求解了溫室的三維穩(wěn)態(tài)模型 基于標(biāo)準(zhǔn)k 湍流模型對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析 通過(guò)模擬驗(yàn)證 3個(gè)時(shí)刻模擬值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差分別為3 6 2 3 2 4 說(shuō)明所建模型有效 文章通過(guò) 模擬發(fā)現(xiàn) 冬季溫室存在溫度場(chǎng)分布不均及凌晨氣溫較低的問(wèn)題 不適宜室內(nèi)花卉的生長(zhǎng) 基于此 文章提出了室內(nèi)加溫系統(tǒng)的排布優(yōu)化方案 通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn) 該方案提高了室內(nèi)氣溫調(diào)控效率 為優(yōu)化 光伏連棟玻璃溫室加溫系統(tǒng)排布方式提供了理論依據(jù) 關(guān)鍵詞 光伏連棟玻璃溫室 加溫系統(tǒng) 計(jì)算流體力學(xué) 溫度場(chǎng) 排布 優(yōu)化 中圖分類(lèi)號(hào) TK519 S214 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 0 引言 近些年 玻璃溫室在國(guó)內(nèi)蓬勃發(fā)展 近8年來(lái) 新建玻璃溫室面積達(dá)到了2 607 01 ha 1 2 在玻璃 溫室內(nèi) 冬季加溫系統(tǒng)的投入在投資與生產(chǎn)成本中占 有很大的比重 3 4 光伏發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展和廣 泛應(yīng)用 為解決玻璃溫室生產(chǎn)高耗能的缺點(diǎn)提供了新 的思路 5 光伏玻璃溫室是在集成光電技術(shù)和玻璃 溫室的基礎(chǔ)上 形成了一種新型溫室類(lèi)型 6 在保證 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)能源自給 但如何改善冬季 溫室內(nèi)溫度過(guò)低 提高溫室內(nèi)環(huán)境的均一性 為植物 創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)環(huán)境已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn) 7 與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法相比 基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) Computational Fluid Dynamics CFD 的數(shù)值模擬是 研究農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境模擬的有效手段 8 9 國(guó)內(nèi)外諸 多學(xué)者已經(jīng)將CFD技術(shù)應(yīng)用在溫室溫度場(chǎng)的研究 中 文獻(xiàn) 10 以光伏玻璃溫室為研究對(duì)象 對(duì)溫室 內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬 為光伏玻璃溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化 提供依據(jù) 文獻(xiàn) 11 研究了鋸齒形光伏溫室內(nèi)部 環(huán)境因子的分布規(guī)律 通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光伏鋸齒形溫 室對(duì)熱帶地區(qū)的氣候具有良好的適應(yīng)性 文獻(xiàn) 12 基于環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻照度逐時(shí)變化 建立光 伏溫室大棚的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) CFD 瞬態(tài)模型 研 究發(fā)現(xiàn)覆蓋率50 為最優(yōu)選光伏組件布置方式 文獻(xiàn) 13 使用CFD技術(shù)模擬了不對(duì)稱(chēng)光伏溫室和 Venlo型光伏溫室中環(huán)境因子分布規(guī)律 結(jié)果表明 Venlo光伏溫室的太陽(yáng)輻射分布比不對(duì)稱(chēng)光伏溫室 更均勻 文獻(xiàn) 14 研究了棋盤(pán)格形式柔性光伏板 對(duì)溫室小氣候的影響 結(jié)果表明 光伏板降低了溫室 內(nèi)的溫度 綜上 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外針對(duì)溫室CFD的研究 側(cè)重于內(nèi)部熱環(huán)境模擬仿真研究 基于光伏連棟玻 璃溫室溫度場(chǎng)CFD模擬的冬季加溫系統(tǒng)排布優(yōu)化 的研究鮮有報(bào)道 本文基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與三維建模軟件 建立了大型 12 新能源科技 光伏連棟玻璃溫室的三維模型 并在蘇南地區(qū)大型光 伏連棟玻璃溫室中對(duì)該模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證 該模 型通過(guò)CFD技術(shù)模擬分析了溫室溫度場(chǎng)變化規(guī)律 針對(duì)冬季溫室內(nèi)溫度場(chǎng)分布不均及部分時(shí)刻氣溫較 低的問(wèn)題 本文提出了溫室加溫系統(tǒng)的排布優(yōu)化方 案 提高了溫室氣溫調(diào)控效率 為優(yōu)化溫室加溫系統(tǒng) 排布方案提供了理論依據(jù) 1 材料與方法 1 1 供試光伏連棟玻璃溫室 本文中進(jìn)行試驗(yàn)和模擬的光伏連棟玻璃溫室 以 下簡(jiǎn)稱(chēng) 溫室 位于江蘇省南京市日昌太陽(yáng)能發(fā)電有 限公司農(nóng)光互補(bǔ)基地 北緯31 62 東經(jīng)119 18 溫 室屋脊呈南北走向 長(zhǎng)96 8 m 寬40 6 m 脊高6 0 m 天溝高5 0 m 開(kāi)間3 7 m 跨度13 2 m 溫室結(jié)構(gòu)如 圖1 a 所示 溫室頂部采用的是碲化鉻薄膜光伏組件和超白玻 璃共同覆蓋 如圖1 b 所示 光伏組件沿屋面南北方 向排布 其透光率為40 單塊組件尺寸為1 200 mm 600 mm 整體光伏板的覆蓋率為50 傾斜角度為 25 年滿(mǎn)負(fù)荷小時(shí)數(shù)535 h 裝機(jī)總量為288 96 kW 年發(fā)電量約為1 6 105 kW h 溫室內(nèi)部上方有一層保溫幕和兩層遮陽(yáng)網(wǎng) 最上 層保溫幕的遮光率10 中間一層遮陽(yáng)網(wǎng)的遮光率為 70 最下面一層遮陽(yáng)網(wǎng)的遮光率為50 溫室整體 分為南北兩個(gè)半?yún)^(qū) 共有84個(gè)空調(diào)送風(fēng)口 每排空調(diào) 送風(fēng)口呈南北方向并列布置 空調(diào)垂直高度2 8 m 空調(diào)額定制熱量142 kW 制熱額定功率40 4 kW 溫 室內(nèi)常年種植青蘋(píng)果 飛羽及紫背等花卉 當(dāng)溫室內(nèi) 部溫度低于14 時(shí) 會(huì)打開(kāi)空調(diào)增溫以及打開(kāi)溫室 上方的保溫幕保溫來(lái)增加室內(nèi)溫度 溫室內(nèi)空調(diào)送 風(fēng)口布局如圖1 c 所示 1 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本試驗(yàn)測(cè)定指標(biāo)主要為溫室內(nèi)外的空氣溫度 等參數(shù) 數(shù)據(jù)記錄間隔時(shí)間為30 min 室內(nèi)空氣 溫度測(cè)量點(diǎn)布置在距離地面1 5 m高度平面內(nèi) 共4個(gè)測(cè)點(diǎn) 具體位置如圖2所示 室外設(shè)置1個(gè) 空氣溫度測(cè)量點(diǎn) 測(cè)點(diǎn)距離溫室最近外墻50 m 地 勢(shì)開(kāi)闊 距離地面高度1 5 m 本試驗(yàn)所用到的儀 器主要是HOBO UX100 011A溫度記錄儀 美國(guó) Onset公司 其測(cè)量范圍為溫度 20 70 精度 為 0 20 為避免太陽(yáng)輻射和花卉生長(zhǎng)管理對(duì) 儀器測(cè)量的影響 溫濕度傳感器均配套安裝氣象 專(zhuān)用防輻射罩 圖1 光伏連棟玻璃溫室結(jié)構(gòu) 圖2 溫室內(nèi)部測(cè)點(diǎn)布置 22 新能源科技 2 CFD仿真與建模 2 1 溫室模型建立 本試驗(yàn)對(duì)光伏連棟玻璃溫室內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿 真模擬 其中光伏連棟玻璃溫室冬季四周玻璃封閉 氣密性良好 流體的流動(dòng)遵循四大定律 質(zhì)量守恒定 律 動(dòng)量守恒定律 能量守恒定律以及組分守恒定 律 15 按照溫室實(shí)際尺寸創(chuàng)建比例為1 1的三維模 型 其中光伏連棟玻璃溫室內(nèi)遮陽(yáng)網(wǎng) 地面蒸發(fā) 作物 和溫室氣體之間的潛熱交換等忽略 幾何模型建立 如圖3所示 圖3 溫室三維幾何模型 2 2 計(jì)算域確定與網(wǎng)格劃分 本文采用基于壓力 速度耦合求解器 激活偽瞬態(tài) 和扭曲面梯度校正求解算法 由于溫室內(nèi)蓄熱介質(zhì)主要 為栽培架上的栽培基質(zhì) 且作物冠層遮擋后嚴(yán)重影響有 效蓄熱能力 本研究將室內(nèi)空氣計(jì)算域分為3部分 即保 溫幕上方空氣層 保溫幕與遮陽(yáng)網(wǎng)空氣層和遮陽(yáng)網(wǎng)下方 空氣層 作物冠層主要集中遮陽(yáng)網(wǎng)下方空氣層 對(duì)空 調(diào)設(shè)備進(jìn)出風(fēng)口位置定義網(wǎng)格尺寸大小為50 mm 全 局網(wǎng)格尺寸大小為50 1 500 mm 網(wǎng)格增長(zhǎng)率定義為 1 2 定義計(jì)算域網(wǎng)格類(lèi)型為多面體與六面體混合網(wǎng) 格類(lèi)型 網(wǎng)格數(shù)量1 329萬(wàn)個(gè) 全局網(wǎng)格最大畸變度為 0 79 網(wǎng)格最大長(zhǎng)寬比35 35 網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好 滿(mǎn)足 仿真計(jì)算需要 整體網(wǎng)格劃分如圖4所示 圖4 溫室整體網(wǎng)格劃分 2 3 輻射模型 根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)定義溫室室外溫度及對(duì)流換 熱系數(shù) 室內(nèi)空調(diào)運(yùn)行時(shí)氣流擴(kuò)散采用標(biāo)準(zhǔn)k 湍流 模型進(jìn)行表述 白天采用DO輻射模型模擬南京地區(qū) 的光照情況 啟用射線(xiàn)追蹤模塊定義太陽(yáng)相對(duì)位置 定義地區(qū)經(jīng)緯度分別為119 18 E 31 62 N 時(shí)區(qū) 8 北方方位為 0 0 1 東方方位為 1 0 0 結(jié)合試 驗(yàn)測(cè)試光照情況設(shè)定云量系數(shù) 分析輻射源項(xiàng)對(duì)光伏 連棟玻璃溫室室內(nèi)溫度的影響 2 4 邊界條件及參數(shù)設(shè)置 溫室玻璃壁面與室外空氣以熱傳導(dǎo)和自然對(duì)流 的方式進(jìn)行熱量交換 定義溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)為wall 壁 面 邊界條件 白天保溫幕收攏時(shí)定義為interior邊界 條件 夜晚保溫幕展開(kāi)狀態(tài)定義為厚度為5 mm厚度虛 擬wall 壁面 邊界條件 16 室內(nèi)地面由于為水泥地 面 忽略室內(nèi)地面蒸發(fā)和作物蒸騰作用 定義作物冠層 為多孔介質(zhì) 設(shè)置作物冠層粘性阻力系數(shù)58 82 m 2 慣 性阻力系數(shù)3 85 m 1 孔隙率為0 85 17 模擬空調(diào)運(yùn) 行狀態(tài)在冠層間氣流運(yùn)移規(guī)律 定義空調(diào)出風(fēng)口和 回風(fēng)口邊界條件為速度出入口 正常運(yùn)行工況下出風(fēng) 口溫度34 9 平均風(fēng)速為2 2 m s 假定空調(diào)殼體 為絕熱壁面 溫室所在地西北風(fēng)較為盛行 故定義溫 室東 南 西和北側(cè)壁面對(duì)流換熱系數(shù)分別為 8 5 W m2 K 7 5 W m2 K 11 5 W m2 K 11 5 W m2 K 定義光伏連棟玻璃溫室四周?chē)o(hù)結(jié) 構(gòu)壁面厚度為5 mm 溫室壁面為混合傳熱邊界條 件 18 室內(nèi)空氣 玻璃等材料屬性如表1所示 19 表1 定義計(jì)算域物性參數(shù) 材料 密度 kg m 3 比熱容 J kg K 1 導(dǎo)熱系數(shù) W m K 1吸收率 空氣 1 23 1 006 43 0 025 0 1 作物冠層1 070 2 800 0 3 0 8 保溫幕300 1 275 0 33 0 1 玻璃2 220 830 1 15 0 1 2 5 模擬結(jié)果驗(yàn)證 為了驗(yàn)證光伏溫室CFD模擬的準(zhǔn)確性 將現(xiàn)場(chǎng) 的實(shí)際測(cè)量值與模擬值進(jìn)行了比較和分析 并在模擬 模型中提取了與測(cè)量點(diǎn)相同位置和時(shí)間的數(shù)據(jù) 表2 給出了室內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的氣溫實(shí)驗(yàn)值和模擬值 綜合 來(lái)看 光伏連棟玻璃溫室內(nèi)溫度場(chǎng)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以 及變化趨勢(shì)基本一致 3個(gè)時(shí)刻的平均相對(duì)誤差分別 為3 6 2 3 2 4 3種工況下的數(shù)值模擬誤差都 小于10 說(shuō)明二者吻合性較高 模擬值能較準(zhǔn)確反 應(yīng)溫室內(nèi)溫度場(chǎng)的變化情況 32 新能源科技 表2 3個(gè)時(shí)刻下溫室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的氣溫實(shí)測(cè)值和模擬值的比較 時(shí)刻測(cè)點(diǎn)模擬值 實(shí)測(cè)值 相對(duì)誤差 平均相對(duì)誤差 07 00 1 19 3 20 3 4 9 2 16 1 15 5 3 9 3 18 1 17 6 2 8 4 14 9 14 5 2 8 3 6 14 00 1 27 2 28 2 3 5 2 27 3 26 8 1 9 3 26 4 26 0 1 5 4 26 3 25 7 2 3 2 3 22 00 1 25 1 24 6 2 0 2 19 9 19 5 2 1 3 22 3 21 8 2 3 4 19 2 18 6 3 2 2 4 3 CFD仿真結(jié)果分析 本次模擬仿真采用穩(wěn)態(tài)方法求解控制方程 數(shù)值 計(jì)算采用二階迎風(fēng)格式的有限體積法 壓力與速度耦 合的動(dòng)量方程 采用SIMPLE算法 以溫室2022年12 月23日試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真模擬 分析的室內(nèi)3個(gè)時(shí) 刻溫度場(chǎng)分布情況如圖5所示 圖5 a c 為溫室內(nèi)部距離地面1 m高度的 水平方向 Y軸 3個(gè)時(shí)刻溫度場(chǎng)云圖 即T為07 00 14 00和22 00時(shí) 對(duì)比3個(gè)不同時(shí)刻的截面圖 從 圖5可以觀(guān)察到中午溫度最高 其次晚上 早晨溫度 最低 其中 3個(gè)時(shí)刻溫度均一性較差且早晨 圖5 溫室縱橫向剖面在不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)模擬云圖 42 新能源科技 整體溫度較低 溫室內(nèi)的溫度由東向西逐漸降低 主要 是西側(cè)部分位置未安裝空調(diào) 整體來(lái)看 上述3個(gè)時(shí) 刻溫室內(nèi)東側(cè)溫度均值分別保持在24 28 27 左右 中部溫度均值分別保持在19 26 24 左 右 西側(cè)溫度均值分別保持在12 24 19 左右 圖5 d f 為溫室內(nèi)部在東西向縱向剖面 Z 軸 的3個(gè)時(shí)刻溫度場(chǎng)云圖 即T為07 00 14 00和 22 00時(shí) 對(duì)比3個(gè)不同時(shí)刻的截面圖 可以觀(guān)察到 不同時(shí)刻的縱向剖面溫度場(chǎng)與水平方向溫度場(chǎng)具有 高度一致性 整體上呈現(xiàn)東部和中部溫度較高 溫室 西部溫度較低 在單一時(shí)刻下 縱向溫度差異性 較小 4 改善溫室溫度場(chǎng)的加溫系統(tǒng)排布 優(yōu)化 從上述模擬結(jié)果及實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看 冬季白晝時(shí)及 夜晚前半夜溫室內(nèi)溫度場(chǎng)均一性較差 但能有效滿(mǎn)足 花卉生長(zhǎng)所需的溫度需求 而凌晨溫室內(nèi)的溫度場(chǎng)分 布不均勻 且室內(nèi)夜間部分時(shí)刻溫度較低 影響花卉 正常生長(zhǎng) 針對(duì)上述問(wèn)題 本研究對(duì)冬季溫室加溫系 統(tǒng)進(jìn)行排布優(yōu)化 通過(guò)調(diào)整溫室內(nèi)空調(diào)送風(fēng)口的布局 方式 對(duì)白晝前07 00時(shí)刻的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析 增加溫室內(nèi)的溫度場(chǎng)的均勻性 同時(shí)使溫室內(nèi)的溫度 整體增加 滿(mǎn)足花卉正常生長(zhǎng)的溫度需求 4 1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案 本文在原有排布基礎(chǔ)上增加了溫室內(nèi)空調(diào)排布 列數(shù) 由原來(lái)的5列調(diào)整至7列 另外 溫室東西兩 側(cè)每列布置11個(gè)空調(diào)送風(fēng)口 空調(diào)單側(cè)送風(fēng) 中間五 列每列設(shè)置12個(gè)空調(diào)送風(fēng)口 五列中間位置是兩個(gè) 空調(diào)設(shè)置雙側(cè)送風(fēng) 其余都是單側(cè)交替送風(fēng) 從而保 證溫室東西兩側(cè)氣溫均勻性 具體優(yōu)化排布方案如 圖6所示 圖6 優(yōu)化后溫室空調(diào)送風(fēng)口布局 綜上所述 溫室加溫系統(tǒng)排布優(yōu)化后 共有84個(gè) 空調(diào) 較原有排布方案減少了2個(gè) 在一定程度上 起到了降本增效的效果 同時(shí) 本次優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)溫 室尺寸及單側(cè)交替送風(fēng)加溫策略來(lái)模擬研究溫室內(nèi) 溫度場(chǎng)的情況 通過(guò)對(duì)比原有系統(tǒng)溫度場(chǎng)情況來(lái)明確 優(yōu)化后的加溫效果 4 2 優(yōu)化模擬分析 光伏連棟玻璃溫室內(nèi)模型優(yōu)化后Y向溫度場(chǎng)分 布均勻 溫室中部溫度較均勻 在23 左右 溫室東 西兩側(cè)溫度較高 在26 左右 如圖7所示 這是 由于溫室內(nèi)東西兩側(cè)空調(diào)為單側(cè)向內(nèi)吹風(fēng) 導(dǎo)致溫室 兩側(cè)溫度較高 溫室南北兩側(cè)邊緣溫度較低 是由于 外部冷氣流的入侵 對(duì)室內(nèi)溫度影響較小 溫室內(nèi)局 部區(qū)域溫度較之前有所提高 尤其溫室西側(cè)區(qū)域 原 模型溫室西側(cè)溫度在10 左右 優(yōu)化后溫室西側(cè)溫 度在23 左右 比之前提高了13 左右 有利于溫 室內(nèi)花卉的正常生長(zhǎng) 5 討論 本文對(duì)如何提高光伏連棟玻璃溫室內(nèi)溫度場(chǎng)均 勻性以及凌晨空氣溫度進(jìn)行研究 通過(guò)加溫系統(tǒng)排布 優(yōu)化設(shè)計(jì)改變溫室內(nèi)溫度場(chǎng) 文獻(xiàn) 20 在溫室溫度 場(chǎng)優(yōu)化上有過(guò)類(lèi)似研究 根據(jù)CFD模擬的溫室溫度 場(chǎng)的分布情況 提出利用內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇來(lái)優(yōu)化溫室內(nèi)氣 流組織方法 提升溫室內(nèi)溫度 優(yōu)化溫度場(chǎng)均勻性 表 明通過(guò)溫室結(jié)構(gòu)上的調(diào)整來(lái)提升溫室內(nèi)部溫度及溫 度場(chǎng)均勻性的方法具有可行性 目前 加溫系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于溫室內(nèi) 其工作時(shí) 溫 室由于不進(jìn)行通風(fēng) 加溫系統(tǒng)熱量無(wú)空氣流通 單靠 熱輻射作用不能有效擴(kuò)散 出現(xiàn)溫度場(chǎng)分布不均勻 多區(qū)域不能達(dá)到植物生長(zhǎng)適宜溫度等問(wèn)題 溫室作物 生長(zhǎng)環(huán)境不理想 21 22 本文基于裝有加溫系統(tǒng)的光 52 新能源科技 圖7 加溫系統(tǒng)排布優(yōu)化下溫室縱橫向剖面的溫度場(chǎng)模擬云圖 7 00 伏連棟玻璃溫室 通過(guò)空調(diào)的排布調(diào)整優(yōu)化溫室內(nèi)氣 體流向 增大凌晨溫室的溫度 為了使溫室內(nèi)溫度分 布更均勻 綜合考慮空調(diào)排布間隔與空調(diào)數(shù)量?jī)煞?面 在滿(mǎn)足花卉生長(zhǎng)所需溫度的同時(shí) 降低了加溫系 統(tǒng)能耗成本 國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)溫室內(nèi)的溫度場(chǎng)情況進(jìn)行三 維模擬時(shí)考慮了作物對(duì)環(huán)境的影響 加入了多孔介 質(zhì) 23 本文中的試驗(yàn)溫室內(nèi)部種植了多種花卉 但 模型構(gòu)建時(shí)對(duì)栽培區(qū)進(jìn)行了統(tǒng)一建模 未考慮不同花 卉對(duì)溫度場(chǎng)的影響 故試驗(yàn)與模擬的結(jié)果可能會(huì)受到 影響 為進(jìn)一步完善模型 提高模擬精度 后續(xù)試驗(yàn) 和模擬應(yīng)將不同分區(qū)的因素考慮在內(nèi) 使得優(yōu)化設(shè)計(jì) 結(jié)果在生產(chǎn)中具有更廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值 6 結(jié)語(yǔ) 1 對(duì)溫室進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化 并進(jìn)行CFD建模 通過(guò)模擬分析 3個(gè)時(shí)刻模擬值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì) 誤差分別為3 6 2 3 2 4 說(shuō)明所建模型有效 2 通過(guò)試驗(yàn)和模擬得出溫室內(nèi)冬季早晨07 00 溫度遠(yuǎn)低于花卉適宜生長(zhǎng)溫度范圍 不利于花卉的正 常生長(zhǎng) 針對(duì)此情況 本文通過(guò)CFD優(yōu)化溫室內(nèi)加 溫系統(tǒng)的布局方式 模擬發(fā)現(xiàn)溫室內(nèi)溫度場(chǎng)較原模型 更加均勻 且冬季空氣溫度整體提高 整體保持在 23 左右 局部區(qū)域溫度較原模型明顯增加 增幅達(dá) 10 左右 能有效滿(mǎn)足花卉生長(zhǎng)的氣溫需求 參考文獻(xiàn) 1 周杰 師愷 夏曉劍 等 中國(guó)蔬菜栽培科技 60年回顧與展望 J 園藝學(xué)報(bào) 2022 10 2131 2142 2 華科資源 2022年全國(guó)溫室新建面積統(tǒng)計(jì)報(bào) 告 EB OL 2023 03 16 2023 11 3 https mp weixin qq com s jrkQa6eL y6NvO I20MVgnw 3 李天來(lái) 齊明芳 孟思達(dá) 中國(guó)設(shè)施園藝發(fā)展 60年成就與展望 J 園藝學(xué)報(bào) 2022 10 2119 2130 4 李文軍 張攀攀 屈浩 等 智能連棟玻璃溫 室節(jié)能減排技術(shù)研究 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2020 28 16 19 5 孫迎龍 王新忠 光伏玻璃溫室自然通風(fēng)條 件下的CFD模擬驗(yàn)證 J 農(nóng)機(jī)化研究 2015 4 176 179 6 葉林 李建設(shè) 張光弟 等 寧夏不同光伏材 料連棟溫室冬季室內(nèi)環(huán)境變化規(guī)律 J 北方 園藝 2017 17 92 98 7 左志宇 秦麗娟 毛罕平 等 基于光照的溫 室加熱系統(tǒng)模糊PID控制 J 農(nóng)機(jī)化研究 2017 6 214 218 8 金玲 劉妍華 CFD在溫室室內(nèi)環(huán)境研究中 的應(yīng)用 J 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2012 7 4416 4418 9 KIM R KIM J LEE I et al Development of three dimensional visualisation technology of the aerodynamic environment in a greenhouse using CFD and VR technology development of VR a database using CFD J Biosystems Engineer ing 2021 2 33 58 10 郭騰騰 涂潔磊 盛鈺清 等 基于CFD穩(wěn)態(tài) 模擬的光伏玻璃溫室溫度分布模擬計(jì)算 J 云南師范大學(xué)學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 2018 2 11 15 11 LIU J CHEN Y WANG B et al Simulation and experimental study of light and thermal envi ronment of photovoltaic greenhouse in tropical area based on design builder J Applied Sci 62 新能源科技 ences 2021 22 10785 12 成珂 馬曉瑤 孫琦琦 光伏溫室大棚組件布 置CFD模擬研究 J 太陽(yáng)能學(xué)報(bào) 2021 8 159 165 13 FATNASSI H PONCET C BAZZANO M M et al a numerical simulation of the photovoltaic greenhouse microclimate J Solar Energy 2015 7 575 584 14 EZZAERI K FATNASSI H WIFAYA A et al Performance of photovoltaic canarian green house A comparison study between summer and winter seasons J Solar Energy 2020 1 275 282 15 王福軍 計(jì)算流體力學(xué)分析CFD軟件原理與 應(yīng)用 M 北京 清華大學(xué)出版社 2004 16 洪亞杰 王新忠 李亮亮 等 環(huán)流風(fēng)機(jī)布置 對(duì)溫室內(nèi)流場(chǎng)影響的CFD模擬 J 農(nóng)機(jī)化 研究 2019 10 180 185 17 張晨 基于CFD的植物工廠(chǎng)生菜與LED燈對(duì) 環(huán)境影響研究 D 北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué) 院 2020 18 王新忠 張偉建 張良 等 基于CFD的夏季 屋頂全開(kāi)型玻璃溫室自然通風(fēng)流場(chǎng)分析 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2016 10 332 337 19 郭騰騰 單脊Venlo型光伏玻璃溫室的設(shè)計(jì) 與熱場(chǎng)分析 D 昆明 云南師范大學(xué) 2019 20 王潤(rùn)濤 段明輝 楊方 等 冬季日光溫室溫 度場(chǎng)優(yōu)化研究 J 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2014 10 101 106 121 21 高立婷 戴思慧 李明 等 基于作物與能耗 的溫室加溫調(diào)控方法 J 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2021 5 49 54 22 周長(zhǎng)吉 日光溫室主動(dòng)加溫技術(shù)與設(shè)備 J 中國(guó)蔬菜 2023 7 7 19 23 李景浩 噴霧對(duì)溫室溫濕度的調(diào)節(jié)機(jī)制研究 D 楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué) 2023 編輯 李春燕 Structure optimization of photovoltaic gutter connected glasshouse heating system in winter based on temperature field simulation by CFD Bao Encai1 2 Liu Zhangjingying1 3 Li Shizhao1 3 Zhang Long1 2 Yang Chen4 Xu Guijun4 Deng Zhiqiang5 Jiang Buguo6 1 Key Laboratory of Farm Building in Structure and Intelligent Construction Ministry of Agriculture and Rural Affairs Beijing 100125 China 2 Institute of Agricultural Facilities and Equipment Jiangsu Academy of Agricultural Sciences Nanjing 210014 China 3 School of Engineering Anhui Agricultural University Hefei 230036 China 4 Shenzhen Energy Nanjing Holding Co Ltd Nanjing 210019 China 5 Huaneng Nanjing Gas Turbine Power Generation Co Ltd Nanjing 210046 China 6 Jiangsu Haizhou Agricultural Development Group Co Ltd Lianyungang 222000 China Abstract In order to solve the problem of low temperature and poor environmental uniformity in the photovoltaic gutter connected glass greenhouse in winter an optimization scheme of heating system arrangement based on computational fluid dynamics CFD is proposed A three dimensional steady greenhouse model was developed by the field measured boundary conditions data and the indoor temperature field was simulated and analyzed based on the standard k model Through simulation verification the average relative errors of the simulated values and the measured values are 3 6 2 3 and 2 4 respectively indicating that the model is effective Through simulation it was found that the uneven distribution of indoor temperature field in winter and the low temperature at some times were not suitable for the growth of indoor flowers Based on this the optimization scheme of indoor heating system is proposed Through simulation it is found that the scheme improves the efficiency of indoor temperature control and provides a theoretical basis for optimizing the arrangement of a heating system in a photovoltaic gutter connected glasshouse Key words photovoltaic gutter connected glass greenhouse heating system computational fluid dynamics temperature field configuration optimization 72