第 35 卷 第 4 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) V ol.35 No.4 2019 年 2 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2019 175 基于 CFD 的日光溫室墻體蓄熱層厚度的確定許紅軍 1,2 ，曹晏飛 1 ，李彥榮 2 ，阿拉帕提 2 ，高 杰 2 ，蔣衛(wèi)杰 2 ，鄒志榮 1,2（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100； 2. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院，烏魯木齊 830052） 摘 要：日光溫室墻體蓄放熱能力的優(yōu)劣取決于墻體蓄放熱特性與蓄熱層厚度，確定日光溫室蓄熱層厚度，對(duì)于推進(jìn)日 光溫室墻體改進(jìn)意義重大。該研究以溫室內(nèi)太陽輻射與室外氣溫作為輸入條件，按照試驗(yàn)溫室實(shí)際尺寸和相關(guān)關(guān)系進(jìn)行 參數(shù)化建模并模擬計(jì)算不同月份墻體蓄熱層厚度。選擇烏魯木齊地區(qū) 2018年 1 月4 月典型晴天進(jìn)行測(cè)試， 以溫室地面、 墻體表面的太陽輻射為輸入條件，室外空氣溫度為邊界條件，利用 Autodesk CFD 軟件對(duì)晴天 9:00 至次日 9:00 的溫室磚 墻內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并通過對(duì)比墻體內(nèi)部 0、10、20、30、40、50 cm處溫度測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與模擬值驗(yàn)證模擬結(jié)果 的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，溫室墻體模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合度較高， 1 月 9 日、 2 月 9 日、 3月 6 日各層平均誤差均在 1.5 以下，4 月 6 日實(shí)際值與模擬值誤差較大，模擬值較實(shí)際值滯后，趨勢(shì)隨著深度與墻體溫度的升高而更加明顯。在溫室 墻體材料、結(jié)構(gòu)、室內(nèi)外的光溫環(huán)境的共同影響下，溫室墻體傳熱是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)過程。磚墻溫室與土墻溫室類似， 墻體可劃分為“保溫層、穩(wěn)定層、蓄熱層” ，各層的厚度與墻體蓄熱材料、保溫材料的熱物性有關(guān)。對(duì)墻體溫度場(chǎng)、各層 的溫度衰減因子以及延遲時(shí)間分析可知，墻體厚度在 030 cm范圍內(nèi)，墻體溫度波動(dòng)較為明顯，墻體厚度大于 30 cm時(shí)， 溫室墻體一天內(nèi)溫度波動(dòng)較為平緩，波幅較小。隨著氣溫回升，溫室墻體內(nèi)部溫度整體提高，各層溫度波動(dòng)相差不大。 在溫室結(jié)構(gòu)、保溫性能不變的情況下，溫室蓄熱層厚度及波動(dòng)情況受外界光溫環(huán)境的綜合影響較小。綜上所述，采用 CFD 模擬溫室墻體溫度場(chǎng)的變化，并根據(jù)溫室墻體溫度場(chǎng)變化確定溫室墻體蓄熱層厚度是可行的，可靠性較高。該研究可為 其他區(qū)域優(yōu)選溫室墻體結(jié)構(gòu)，推進(jìn)日光溫室墻體改進(jìn)提供依據(jù)和參考。 關(guān)鍵詞： 溫 室 ；墻體；計(jì) 算機(jī)仿真； 流 體 力 學(xué) ； 蓄熱層厚度；傳熱性能 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.022 中圖分類號(hào)：S625.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-6819(2019)-04-0175-10 許紅軍，曹晏飛，李彥榮，阿拉帕提，高 杰，蔣衛(wèi)杰，鄒志榮. 基于CFD 的日光溫室墻體蓄熱層厚度的確定J. 農(nóng)業(yè) 工程學(xué)報(bào)，2019，35(4)：175184. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.022 http:/www.tcsae.org Xu Hongjun, Cao Yanfei, Li Yanrong, Alapati, Gao Jie, Jiang Weijie, Zou Zhirong. Determination of thickness of thermal storage layer of solar greenhouse wall based on CFDJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 175 184. (in Chinese with English abstract) doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.022 http:/www.tcsae.org 0 引 言日光溫室以其優(yōu)良的保溫節(jié)能特性，在中國(guó)北方得 到廣泛應(yīng)用。墻體作為日光溫室中最重要的圍護(hù)結(jié)構(gòu)兼 有承重、保溫和蓄熱的功能，對(duì)于保持溫室氣溫的穩(wěn)定 起著至關(guān)重要的作用 1-2 。墻體蓄放熱能力的優(yōu)劣，一方 面與墻體材料的儲(chǔ)熱特性有關(guān)，另一方面取決于蓄熱層 厚度。因此，確定日光溫室蓄熱層厚度，對(duì)于推進(jìn)日光 溫室墻體改進(jìn)，推動(dòng)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展意義重大。 陳端生 3 早期就提出日光溫室理想的墻體結(jié)構(gòu)是內(nèi) 側(cè)以吸熱、蓄熱能力強(qiáng)的材料組成蓄熱層，外側(cè)以導(dǎo)熱、 放熱能力差的材料組成保溫層。已有大量研究表明，測(cè)收稿日期：2018-08-13 修訂日期：2019-01-24 基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)科技廳“科技援疆”項(xiàng)目(2016E02006)；新疆 維吾爾自治區(qū)園藝學(xué)重點(diǎn)學(xué)科基金(2016-10758-3)；新疆維吾爾自治區(qū)自然 科學(xué)基金（2016D01B028） 作者簡(jiǎn)介：許紅軍，博士生，講師，主要從事設(shè)施園藝工程方面的研究。 Email： xuhongjun01163.com 通信作者：鄒志榮，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事設(shè)施園藝方面的 研究。Email:zouzhirong2005163.com 試墻體內(nèi)部溫度，分析溫室蓄放熱特性，可為各地日光 溫室墻體建造提供合理依據(jù) 4-8 。 張志錄等 9 在溫室測(cè)試中發(fā)現(xiàn)， 墻體內(nèi)部一定區(qū)域測(cè) 點(diǎn)間溫度相同或很接近，日變化幅度很小，并將其定義 為“穩(wěn)定層”?！胺€(wěn)定層”厚度與墻體厚度有關(guān)，位置 及厚度隨季節(jié)而變化。黃雪等 10 根據(jù)溫室墻體受外界環(huán) 境影響的大小，將墻體由內(nèi)到外劃分為“蓄熱層、過渡 層、御冷層”，并提出確定各層的合理厚度即可確定溫 室墻體的厚度。彭東玲等 11 通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，根據(jù) 墻體內(nèi)熱流方向，將能向室內(nèi)方向放熱的薄壁為定義為 “有效蓄熱層”，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果說明其厚度與墻體材料 與天氣狀況有關(guān)。李明等 12 認(rèn)為蓄熱層厚度可根據(jù)墻體 溫度波幅來確定，定義為溫波法。將蓄熱層定義為溫室 室內(nèi)側(cè)墻體溫度波幅大于 1 的部分，并開發(fā)了基于一 維差分法蓄熱層計(jì)算方法。 白青等 13 將溫室墻體分為 “波 動(dòng)層、穩(wěn)定層、保溫層”，提出了一種利用溫波傳播速 度計(jì)算墻體厚度的方法。 上述對(duì)于確定蓄熱層厚度的方法，多是基于單一土質(zhì) 墻體，在試驗(yàn)測(cè)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行歸納總結(jié)得出蓄熱層的厚 ·農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程· 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2019 年 176 度。由于蓄熱層的厚度受材料、溫室熱環(huán)境的影響，要全 面掌握各類日光溫室墻體的蓄熱性能與蓄熱層厚度，還需 要通過其他方法進(jìn)行墻體導(dǎo)熱的理論研究與分析。 隨著計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics， CFD）與數(shù)值傳熱學(xué)的不斷發(fā)展，多種 CFD 分析計(jì)算軟 件被開發(fā)出來。佟國(guó)紅等 14-17 利用 CFD 技術(shù)分析溫室內(nèi) 部溫度場(chǎng)的變化，測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果吻合度較高，并 討論了不同模擬條件對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確度的影響。 張林華等 18-19 通過對(duì)于下沉式日光溫室溫度場(chǎng)及保溫性進(jìn)行了分析。 張勇等 20-21 分析了主動(dòng)蓄熱結(jié)構(gòu)與不同厚度方式下溫室 內(nèi)部的溫度變化，指出采用 CFD 技術(shù)分析溫室溫度場(chǎng)的 動(dòng)態(tài)變化，準(zhǔn)確度較高，對(duì)于溫室設(shè)計(jì)及溫度環(huán)境控制 具有理論指導(dǎo)意義。 綜上所述，中國(guó)對(duì)于溫室墻體蓄熱層厚度確定的研 究較少。對(duì)于蓄熱層的定義、測(cè)試、分析方法研究結(jié)果 也不盡相同。中國(guó)幅員遼闊，受室外環(huán)境和季節(jié)的影響， 通過不同地區(qū)試驗(yàn)得出的蓄熱層厚度，難以為其他區(qū)域、 不同類型溫室建設(shè)提供設(shè)計(jì)參考。因此，本文在前人研 究的基礎(chǔ)上，提出根據(jù)不同地區(qū)氣候環(huán)境、不同材料與 溫室結(jié)構(gòu)類型，利用 CFD 技術(shù)模擬溫室墻體溫度場(chǎng)，確 定蓄熱層厚度的方法，對(duì)豐富日光溫室墻體蓄熱層厚度 確定方法和理論具有重要意義。 1 材料與方法 1.1 試驗(yàn)溫室 試驗(yàn)溫室位于新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)三坪教學(xué)實(shí)習(xí)基地 （N43.92，E87.35）。日光溫室坐北朝南，南偏西 8°，東 西方向長(zhǎng) 60 m，跨度為 8 m，脊高 3.8 m，后墻高 2.8 m， 后屋面仰角 40°。日光溫室示意圖如圖 1 所示。溫室前屋 面使用 PO 塑料薄膜，后屋面由 0.1 m聚苯乙烯彩鋼板構(gòu) 成，日光溫室后墻采用了 0.01 m水泥砂漿抹面+0.5 m實(shí) 心黏土磚砌體+0.1 m 聚苯乙烯彩鋼板的復(fù)合墻體。環(huán)境 參數(shù)監(jiān)測(cè)時(shí)間為 2018 年 1 月至 2018 年 4 月，監(jiān)測(cè)參數(shù) 為溫度和太陽輻射。 圖 1 日光溫 室示意 圖 Fig.1 Schematic diagram of solar greenhouse 1.2 溫室環(huán)境監(jiān)測(cè) 以溫室長(zhǎng)度方向 1/2 處（距離山墻 30 m）日光溫室 剖面為主要測(cè)量平面。 溫室內(nèi)部太陽輻射由 PDE-KI 環(huán)境 數(shù)據(jù)記錄儀（哈爾濱物格電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)，測(cè)量 范圍：02 000 W/m 2 ，準(zhǔn)確度±3%，分辨率 1 W/m 2 ）采 集，分別監(jiān)測(cè)溫室長(zhǎng)度方向 1/2 剖面，墻體內(nèi)表面 1.5m 高度處太陽輻射強(qiáng)度與跨度 1/2 處地面太陽輻射強(qiáng)度。 溫 室墻體內(nèi)部溫度與室內(nèi)外空氣溫度由 PDE-R4 溫度數(shù)據(jù) 記錄儀（哈爾濱物格電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)，溫度測(cè)量 范圍3070 ，準(zhǔn)確度±0.5 ，分辨率 0.1 ）采集。 在溫室長(zhǎng)度方向 1/2 剖面處，在溫室后墻內(nèi)表面 1.5 m高 度處，在墻體厚度方向由內(nèi)至外均勻布置 11 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè) 點(diǎn)間距 5 cm，在溫室長(zhǎng)度方向 1/2 處，跨度 1/2 處，由溫 室地面至 1 m深度土壤中均勻布置 11 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距 10 cm測(cè)定溫室內(nèi)土壤溫度變化，并測(cè)試該位置 1.5 m高 度處測(cè)試室內(nèi)空氣溫度變化， 在溫室外 1.5 m高度距溫室 2 m處測(cè)試室外空氣變化， 所有測(cè)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔 均為 10 min。 1.3 數(shù)據(jù)處理 本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 origin 2017 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及圖表 的制作。 2 日光溫室墻體溫度場(chǎng)CFD 模擬 為了更直觀地了解溫室墻體的溫度場(chǎng)情況，本文通 過 Autodesk Simulation CFD 軟件進(jìn)行 CFD 模擬。該軟件 是 Autodesk 公司開發(fā)的一款進(jìn)行傳熱和流體流動(dòng)分析的 計(jì)算流體力學(xué)工具軟件，它可以進(jìn)行高速湍流與不可壓 縮流，以及導(dǎo)熱與對(duì)流傳熱的仿真分析，國(guó)內(nèi)外研究 22 中均有應(yīng)用。 2.1 溫室墻體傳熱過程 墻體獲得太陽輻射后，內(nèi)表面溫度迅速升高，在太 陽輻射的作用下，溫度將高于其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)。在溫差的 驅(qū)動(dòng)下，墻體內(nèi)表面一方面與溫室內(nèi)空氣對(duì)流換熱，使 溫室環(huán)境溫度升高，同時(shí)也通過導(dǎo)熱方式向墻體外表面 散熱，進(jìn)一步通過輻射傳熱方式向溫室內(nèi)部結(jié)構(gòu)散熱。 2.2 控制方程 假設(shè)溫室內(nèi)濕空氣為理想氣體，墻體、土壤密度均 勻，氣密性良好。模擬遵循基本的物理守恒定律包括： 質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律及組分守 恒定律 23 。連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程可寫成下列 形式 ( ) div( ) div( grad ) v S t + = + （1） 式中 為通用變量； 為密度，kg/m 3 ； v 為速度矢量， m/s； 為廣義擴(kuò)散系數(shù)，m 2 /s；S 為源項(xiàng)，W/m 3 。 為 1 時(shí)，該方程為連續(xù)方程； 為 u，v，w時(shí)，該方程為 動(dòng)量方程； 為 T 時(shí)，為能量方程。u，v，w 為 x，y，z 3 個(gè)方向的速度，m/s；T 為溫度， 。 2.3 幾何模型 該研究中日光溫室的長(zhǎng)度尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高度及跨 度尺寸， 中間截面?zhèn)鳠徇^程能夠反映除兩側(cè)山墻外內(nèi)部 的傳熱過程，故將跨度方向溫室截面作為模擬區(qū)域。模 型采用 Autodesk SimStudio Tools 2016 R2 按照試驗(yàn)溫室 實(shí)際尺寸和相關(guān)關(guān)系進(jìn)行參數(shù)化建模。采用 TRIM 網(wǎng) 格，整體域網(wǎng)格基本尺寸為 50 mm，共計(jì)生成 20 300 個(gè)節(jié)點(diǎn)與 38 879 網(wǎng)格單元。圖 2 為日光溫室模型及網(wǎng) 格劃分。 第 4 期 許紅軍等：基于 CFD 的日光溫室墻體蓄熱層厚度的確定 177 2.4 邊界條件與初始條件 尺寸精確的幾何模型，準(zhǔn)確的邊界條件與初始條件 是獲取準(zhǔn)確的蓄熱層厚度結(jié)果的保證。一方面為保證在 一天內(nèi) CFD 幾何模型的一致，另一方面保證溫室墻體熱 量夜間充分釋放，測(cè)試溫室試驗(yàn)期間，未進(jìn)行覆蓋保溫 被。為減小溫室內(nèi)夜間溫度低對(duì)結(jié)果造成的影響，本文 選擇本研究分別選擇 1 月 9 日、2 月 9 日、3 月 6 日、4 月 6 日作為典型晴天，在不同的室內(nèi)空氣溫度下模擬， 測(cè)試墻體溫度變化。圖 3 為 CFD 模擬邊界條件的測(cè)定。 測(cè)試以溫室地面、墻體表面的太陽輻射為輸入條件， 室外空氣溫度為邊界條件，以 9:00 溫室內(nèi)部各圍護(hù)結(jié)構(gòu) 內(nèi)部的溫度為初始條件。此時(shí)溫室墻體、地面不同深度 處溫度相差不大，故墻體、地面與空氣均采用各自內(nèi)部 溫度的平均值作為該部分的整體溫度。表 1 為溫室內(nèi)部 各部分模擬初始溫度取值，模擬當(dāng)天 9:00 至次日 9:00 的 溫室墻體內(nèi)部溫度場(chǎng)。溫室墻體表面（素灰水泥砂漿抹 面）、地面太陽輻射吸收系數(shù) 24 為 0.74，前屋面換熱系 數(shù) 25 為 8.99 W/(m 2 ·K)，后屋面與后墻換熱系數(shù)為 12.25 W/(m 2 ·K)。 表 2為溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)從材料的熱物性參數(shù)。 圖 2 日光溫室模型及網(wǎng)格劃分 Fig.2 Model and grid partition of solar greenhouse 圖 3 CFD 模擬邊界條件的測(cè)定 Fig.3 Determination of boundary conditions for CFD simulation 表 1 溫室內(nèi)部各部分模擬初始溫度 Table 1 Thermophysical parameters of enclosure materials 日期 Date 土壤溫度 Soil temperature 墻體溫度 Wall temperature 空氣溫度 Air temperature 1月 9日 4.4 -3.1 -5.7 2月 9日 5.0 1.2 -4.7 3月 6日 10.3 12.2 4.9 4月 6日 15.7 17.7 12.2 表 2 溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)從材料的熱物性參數(shù) Table 2 Thermophysical parameters of enclosure materials 材料 Materials 密度 Density/ (kg·m -3 ) 比熱 Specific heat/ (J·kg -1 · -1 ) 導(dǎo)熱系數(shù) Thermal conductivity/ (W·m -1 · -1 ) 輻射率 Emissivity 磚砌體 Brick masonry 1 800 1 050 0.81 0.8 水泥砂漿 Cement mortar 1 700 1 050 0.87 0.92 聚苯乙烯板 Styrofoam 25 1 380 0.03 5 0.8 濕空氣 Wet air 1.16 800 0.28 - 土壤 Soil 1 600 1 010 1.16 0.94 注：表 2 為材料在 27 時(shí)的熱物性參數(shù)。 Note: Table 2 shows the thermal property parameters at 27 . 2.5 數(shù)值計(jì)算方法 為準(zhǔn)確計(jì)算溫室墻體與空氣的換熱，溫室空氣設(shè)定 為溫度作用下的自然對(duì)流，湍流模式采用標(biāo)準(zhǔn) k- 方程模 型， 計(jì)算機(jī)采用聯(lián)想 ThinkPad E450 Microsoft Windows 10 (Build 9200) ， Intel(R) Core(TM) i5-5200U CPU 2.20 GHz，物理內(nèi)存 16 GB，Intel 64 位。模擬時(shí)間為步 長(zhǎng)為 60 s，步數(shù)為 1 440 步，共計(jì) 86 400s。 2.6 模擬結(jié)果驗(yàn)證 通過對(duì)比墻體內(nèi)部 0、10、20、30、40、50 cm位置 處溫度測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)值與模擬值來驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確 性，結(jié)果如圖 4 所示。 由圖 4 可知，溫室模擬的墻體溫度變化與實(shí)際測(cè)試 結(jié)果變化規(guī)律相同。整體而言，墻體表面溫度及內(nèi)部溫 度的測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果吻合度較高，尤其是 1 月 9 日、 2 月 9 日、 3 月 6 日各層平均誤差均在 1.5 以下， 4 月 6 日實(shí)際值與模擬值誤差較大，各層誤差詳見表 3。由圖 4 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2019 年 178 可知，模擬值較實(shí)際值滯后，趨勢(shì)隨著深度與墻體溫度 的升高而更加明顯（圖 4d）。各層間誤差也不盡相同。 分析造成該現(xiàn)象的原因與所設(shè)定的初始條件、材料屬性 以及邊界條件有關(guān)。首先，本文模擬所使用的初始條件 是溫室墻體各層測(cè)定值的平均值，各層溫度初始值與實(shí) 際初始值存在差異，但該差異較小，對(duì)溫室測(cè)定誤差影 響不大。其次，邊界條件的設(shè)定與材料參數(shù)的取值對(duì)溫 室模擬的準(zhǔn)確性的影響較大。受試驗(yàn)條件的限制，本文 中材料熱物性參數(shù)均參考自相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 24 和文獻(xiàn)26在 27 下的測(cè)試值。難以反映溫室內(nèi)部材料熱物性參數(shù)隨 溫度而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。模擬邊界條件也會(huì)因溫室溫度的 變化而變化，從本文測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果的差異來看， 溫室墻體溫度越高變化越劇烈，模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的 差異也就越大。 圖 4 墻 體 內(nèi) 部不同深度處溫度模擬值及實(shí)測(cè)值 Fig.4 Simulated and measured temperature distributions at different depths of wall 表 3 墻體不同深度處溫度模擬值與實(shí)測(cè)值誤差 Table 3 Daily error of simulated and measured temperatures at different depths of wall 0 10 cm 20 cm 30 cm 40 cm 50 cm 日期 Date 最大 Max- imum 最小 Min- imum 平均 Average 最大 Max- imum 最小 Min- imum 平均 Average 最大 Max- imum 最小 Min- imum 平均 Average 最大 Max- imum 最小 Min- imum 平均 Average 最大 Max- imum 最小 Min- imum 平均 Average 最大 Max- imum 最小 Min- imum 平均 Average 01-09 4.26 0.00 1.34 1.86 0.01 0.76 1.98 0.00 0.60 1.28 0.01 0.42 0.85 0.00 0.46 1.71 0.01 0.85 02-09 3.79 0.09 1.17 2.34 0.03 0.80 2.29 0.00 0.85 1.74 0.24 0.89 1.52 0.01 0.63 1.02 0.00 0.75 03-06 3.17 0.00 0.91 3.63 0.01 0.90 2.08 0.01 0.75 1.93 0.24 1.08 1.65 0.00 0.90 1.56 0.00 0.76 04-06 8.28 0.04 5.25 5.95 0.05 4.02 4.12 0.14 2.75 3.26 0.01 2.07 2.52 0.03 1.47 2.41 0.02 1.03 第 4 期 許紅軍等：基于 CFD 的日光溫室墻體蓄熱層厚度的確定 179 2.7 墻體內(nèi)部溫度場(chǎng)分析 溫室墻體模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合度較高，表明該 計(jì)算模型得出的溫室內(nèi)部溫度場(chǎng)變化較為準(zhǔn)確。本文給 出了 1 月 9 日、2 月 9 日、3 月 6 日、4 月 6 日溫室墻體 內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化與溫室墻體不同深度的溫度波動(dòng)情 況，如圖 5 所示。 注：左側(cè)為墻體外側(cè)。 Note: Left side is the outside of the wall. 圖 5 溫室墻體不同時(shí)刻內(nèi)部溫度場(chǎng) Fig.5 Internal temperature field of greenhouse wall at different times 由圖 5 可知，在溫室墻體材料、結(jié)構(gòu)、室內(nèi)外的光 溫環(huán)境的共同影響下，溫室墻體傳熱是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn) 態(tài)過程。溫室墻體在外保溫的作用下，磚墻本身受外界 溫度直接影響較小。一天中，溫室墻體溫度通過太陽輻 射進(jìn)行熱量蓄積迅速升溫，墻體內(nèi)表面溫度墻體中部 溫度墻體外表面溫度；夜間，墻體中部溫度墻體內(nèi) 表面溫度墻體外表面溫度。溫室墻體溫度主要是受溫 室內(nèi)太陽輻射與空氣溫度的影響，溫度波沿著墻體厚度 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2019 年 180 方向振動(dòng)幅度逐漸減小，滯后時(shí)間增長(zhǎng)。測(cè)試期間，墻 體厚度在 030 cm范圍內(nèi)，墻體溫度波動(dòng)較為明顯，墻 體表面的溫度波動(dòng)分別為 24.5、29.10、32.2、30.1 ； 在 30 cm 處最大溫度波動(dòng)分別為 3.4，4.1，5，3.7 ； 在 50 cm處最大溫度波動(dòng)分別為 1.1，1.1，2.2，1.2 。 墻體厚度大于 30 cm 時(shí)，溫室墻體一天內(nèi)溫度波動(dòng)較為 平緩，波幅較小。隨著氣溫回升，溫室墻體內(nèi)部溫度整 體提高，各層溫度波動(dòng)相差不大。由此可見，在溫室結(jié) 構(gòu)、保溫性能不變的情況下，溫室蓄熱層厚度及波動(dòng)情 況受外界光溫環(huán)境的綜合影響較小。 2.8 墻體蓄熱層厚度的確定 溫室墻體蓄熱特性可通過墻體溫度的衰減與延遲展 開評(píng)價(jià)。如圖 6 所示，隨著太陽輻射周期性變化，溫室 墻體溫度也隨之做周期性變化，變化幅度會(huì)隨著墻體的 厚度方向逐漸衰減。本文使用衰減因子與延遲時(shí)間分析 墻體內(nèi)部不同厚度處溫度隨時(shí)間的變化。本文通過測(cè)試 采用衰減因子與延遲時(shí)間來表示。定義溫室墻體厚度方 向某一位置溫度的波幅與墻體內(nèi)表面溫度波幅的差值與 溫室內(nèi)表面的比值定義為衰減因子。 延遲時(shí)間為在以 24 h 為 1 個(gè)周期內(nèi)溫度波由墻體內(nèi)表面?zhèn)髦翂w內(nèi)部某點(diǎn)所 需的時(shí)間。延遲時(shí)間 t 和衰減因子 f 的計(jì)算公式分別為 t=t 0,max t n,max （2）f=(A 0 A n )/A 0 （3） 式中 t 0 , max 為墻體內(nèi)表面溫度達(dá)到最大值的時(shí)刻，min； t n,max 為墻體內(nèi)某點(diǎn)溫度達(dá)到最大值的時(shí)時(shí)刻，min；A 0 為墻體內(nèi)表面溫度的波幅，；A n 為墻體內(nèi)某點(diǎn)溫度的 波幅，。 注：A 0為墻體內(nèi)表面溫度的波幅；A n為墻體內(nèi)某點(diǎn)溫度的波幅。 Note: A 0 is the amplitude of the wall inner surface temperature; A n is the amplitude of temperature at a certain point in the wall. 圖 6 墻體傳熱簡(jiǎn)化模型 Fig.6 Simplified model of wall heat transfer 根據(jù)不同月份室外環(huán)境條件測(cè)試墻體內(nèi)部不同位置 的溫度變化，可計(jì)算墻體的衰減因子和延遲時(shí)間，如圖 7 所示。 圖 7 日 光溫室墻體蓄熱層厚度的確定 Fig.7 Determination of thermal storage layer thickness in solar greenhouse wall 由圖 7 可知，隨著厚度的增加，衰減因子與延遲時(shí) 間不斷增大。墻體溫度衰減因子在 020 cm 增加較為明 顯，1 月 9 日、2 月 9 日、3 月 6 日、4 月 6 日 20 cm 處 的衰減因子分為 0.66、 0.65、 0.64、 0.67，延遲時(shí)間為 90、 120、100、130 min；在 2030 cm衰減因子增長(zhǎng)增加緩 慢，30cm處的衰減因子分為 0.86、0.86、0.85、0.88，延 遲時(shí)間分別為 350、370、340、320 min；3050 cm變化 不明顯， 50 cm處的衰減因子分為 0.96、 0.96、 0.93、 0.96， 延遲時(shí)間分別為 1 050、1 010、980、1 010 min。延遲時(shí) 間越長(zhǎng)，墻體內(nèi)部溫度受室內(nèi)外影響越小，只起到保溫 維持墻體溫度的作用，難以起到溫室蓄熱作用。衰減因 子越小，溫度波動(dòng)振幅就越大，蓄熱能量就越強(qiáng)，相反， 衰減因子越大，溫度越穩(wěn)定，對(duì)溫室環(huán)境影響就越小。 通過對(duì)衰減因子進(jìn)行方差分析可知（表 4），溫室墻體厚 度 035 cm 各層溫度衰減因子間存在顯著差異，35 50 cm處各層溫度衰減因子趨于平緩，無顯著差異。溫室 墻體厚度 25 與 30 cm處存極顯著差異，3050 cm處無 極顯著差異。因此，本文認(rèn)為在溫室墻體外保溫的作用 下， 溫室墻體厚度在 030 cm范圍內(nèi)為墻體蓄熱層， 30 50 cm為熱穩(wěn)定層。 蓄熱層厚度可確定在 3035 cm之間。 根據(jù) 14 月份測(cè)試結(jié)果來看，墻體內(nèi)部溫度隨氣溫 回升而整體提高，各層衰減因子與延遲時(shí)間變化不大， 說明蓄熱層與穩(wěn)定層厚度在外界光溫環(huán)境的影響下隨環(huán) 境的變化不大。 通過對(duì)上述衰減因子進(jìn)行 Logistic 回歸分析， 可得衰 減因子 f 與厚度 的關(guān)系為 2.377 1 1.013 7 1.010 7 1 (0.067 3 ) f = - + （R 2 =0.999 44）（4） 以 1 cm厚度為單位計(jì)算溫室墻體厚度各處溫度衰減 因子變化發(fā)現(xiàn)，溫室墻體厚度超過 32 cm，相鄰各單位厚 度溫度衰減因子變化率小于 0.01。因此可定義溫室墻體 內(nèi)部厚度相鄰 1 cm處溫度衰減因子變化不超過 0.01時(shí)即 為溫室蓄熱層厚度。 第 4 期 許紅軍等：基于 CFD 的日光溫室墻體蓄熱層厚度的確定 181 表 4 溫室墻體各層的溫度衰減因子 Table 4 Temperature decrement factor of each layer of greenhouse wall 衰減因子 Decrement factor 不同深度 Different depth/cm 01-09 02-09 03-06 04-06 平均變化 Average change 0 0 0 0 0 0 hF 5 0.069 4 0.061 9 0.049 7 0.056 5 0.059 4 gF 10 0.306 1 0.295 5 0.270 2 0.299 0 0.292 7 fE 15 0.514 3 0.505 2 0.484 5 0.521 6 0.506 4 eD 20 0.661 2 0.656 4 0.642 9 0.674 4 0.658 7 dC 25 0.787 8 0.786 9 0.773 3 0.810 6 0.789 7 cB 30 0.861 2 0.859 1 0.844 7 0.877 1 0.860 5 bA 35 0.898 0 0.900 3 0.878 9 0.910 3 0.896 9 aA 40 0.926 5 0.927 8 0.909 9 0.930 2 0.923 6 aA 45 0.938 8 0.945 0 0.925 5 0.943 5 0.938 2 aA 50 0.955 1 0.962 2 0.931 7 0.960 1 0.952 3 aA 注：ah 表示差異顯著（P0.05）；AF表示差異極顯著（P0.01）。 Note: a-h indicates significant difference (P<0.05); A-F indicates that the difference is extremely significant (P<0.01). 3 討 論 由于中國(guó)日光溫室墻體類型多數(shù)為土墻溫室，墻體 厚薄差異大且各地標(biāo)準(zhǔn)不一，為實(shí)現(xiàn)土墻溫室的輕簡(jiǎn)化， 目前溫室墻體的蓄放熱特性及與厚度相關(guān)的研究主要集 中于土墻溫室。近年來，隨著墻體保溫技術(shù)的不斷發(fā)展， 墻體外保溫以其有效的保護(hù)墻體維持墻體的熱穩(wěn)定性， 已成為保溫技術(shù)的新方向。研究墻體外保溫作用下蓄熱 層厚度，可對(duì)溫室改革起到推動(dòng)作用。圖 8 為日光溫室 墻體內(nèi)部溫度變化實(shí)測(cè)值。 1）由圖 4、圖 8 可知，在對(duì)溫室墻體 CFD 模擬中， 受材料與初始條件、邊界條件的影響，模擬結(jié)果與實(shí)際 結(jié)果存在誤差。本研究墻體、土壤、空氣所采用的初始 溫度為各自內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的平均溫度，與實(shí)際情況存在一定 差異。如果通過測(cè)試加載各測(cè)點(diǎn)的實(shí)際初始溫度，模擬 準(zhǔn)確度可再提高，但就失去做模擬的意義。因此，如何 確定較為準(zhǔn)確的模擬初始值，是后續(xù)研究進(jìn)行 CFD 模擬 時(shí)需進(jìn)一步深化的內(nèi)容。是否可將墻體劃分為若干層， 每層設(shè)定不同的初始溫度？或者，先通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算獲取 墻體內(nèi)部的溫度場(chǎng)變化，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) 的模擬？需要進(jìn)一步探索。 圖 8 日 光溫室墻體內(nèi)部溫度變化實(shí)測(cè)值 Fig.8 Measured value of solar greenhouse wall internal temperature change 2）由于墻體具有蓄放熱的特性，因而墻體夜間的自 然冷量可降低白天的高溫，白天蓄積的熱量提高夜間的 低溫。理論上講，蓄放熱能力越強(qiáng)，蓄放熱速率越快， 則室溫相對(duì)越穩(wěn)定。從目前研究現(xiàn)狀可以看出，墻體傳 熱是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)過程，墻體材料、尺寸、地域氣 候、保溫形式（內(nèi)保溫、夾心保溫和外保溫）、結(jié)構(gòu)類 型對(duì)墻體蓄放熱都會(huì)產(chǎn)生影響 5 。因此，單純?cè)囼?yàn)測(cè)試某 地溫室墻體蓄熱層厚度，是絕對(duì)的，只對(duì)同區(qū)域、同類 型、同材料溫室有一定借鑒意義，難以推而廣之。本文 嘗試通過本研究所提出的 CFD 模擬方法， 對(duì)于不同區(qū)域、 不同溫室類型的墻體蓄熱進(jìn)行分析，從溫室墻體溫度的 相對(duì)變化的角度來確定溫室蓄熱層厚度，適應(yīng)范圍廣， 可為溫室設(shè)計(jì)建設(shè)提供參考。 3）由圖 5 可知，溫室墻體內(nèi)部存在一個(gè)溫度相對(duì)穩(wěn) 定的區(qū)域，與張志錄等 9,13 提到的土墻溫室內(nèi)部的“穩(wěn)定 層”較為相似，外墻保溫板相當(dāng)于黃雪等提出的土墻溫 室的“御冷層”。不同月份，溫室墻體內(nèi)部不同位置溫 室的波動(dòng)程度相差不大，這與張志錄等提出的“熱穩(wěn)定 層位置及厚度隨季節(jié)而變化”研究結(jié)果不相符，蓄熱層 厚度的變化與白青等得出“隨著外界氣溫回暖，蓄熱層 厚度逐步變薄。”研究結(jié)果不一致。分析造成該現(xiàn)象的 原因一方面是磚墻溫室保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于土墻溫 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2019 年 182 室“御冷層”導(dǎo)熱系數(shù)，保溫層保溫隔熱能力強(qiáng)，使墻 體內(nèi)部溫度波動(dòng)??；另一方面，隨著外界氣溫回暖，室 外空氣溫度不斷提高，但是受太陽方位的影響，墻體表 面所接受到的太陽輻射逐漸降低（圖 3），在光溫的綜合 作用下，磚墻溫室內(nèi)部“穩(wěn)定層”、“蓄熱層”厚度變 化不大。本文認(rèn)為溫室墻體內(nèi)部溫度穩(wěn)定區(qū)域的形成是 由保溫板減少與外界的傳熱形成的。保溫板保溫能力與 墻體蓄熱層、穩(wěn)定層厚度的關(guān)系，需進(jìn)一步研究。 4 結(jié) 論 本文以磚墻溫室為研究對(duì)象，利用 CFD 軟件對(duì)溫室 墻體溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行模擬及驗(yàn)證，得出以下結(jié)論： 1）以溫室墻體、地面太陽輻射強(qiáng)度與室外的空氣溫 度為輸入條件，綜合考慮溫室墻體內(nèi)部導(dǎo)熱，與室內(nèi)外 空氣對(duì)流換熱、輻射換熱，利用 CFD 軟件模擬溫室墻體 內(nèi)部溫度場(chǎng)變化，結(jié)果吻合較好，說明了采用 CFD 模擬 溫室墻體溫度場(chǎng)的變化是可行的，可靠性較高。 2）溫室墻體厚度在 030 cm 范圍內(nèi)，墻體溫度波 動(dòng)較為明顯，墻體厚度大于 30 cm 時(shí)，溫室墻體溫度波 動(dòng)平緩，根據(jù) 14 月份測(cè)試結(jié)果來看，磚墻溫室內(nèi)部溫 度隨氣溫回升而整體提高，不同深度處溫度波動(dòng)幅度相 差不大。本文通過分析墻體內(nèi)部溫度衰減，通過對(duì)衰減 因子進(jìn)行 Logistic 回歸分析，定義溫室墻體蓄熱層厚度， 并測(cè)得磚墻外保溫墻體在烏魯木齊的蓄熱層厚度為 32 cm。 3）磚墻溫室與土墻溫室類似，墻體可劃分為“保溫 層、穩(wěn)定層、蓄熱層”，各層的厚度與墻體蓄熱材料、 保溫材料的熱物性有關(guān)。從本文模擬與測(cè)試的結(jié)果來看， 在墻體材料熱物性不變的情況下，各層受外界環(huán)境的綜 合影響厚度變化不大。 其他區(qū)域或其他溫室結(jié)構(gòu)類型可利用本文提供的方 法，通過氣象部門獲取太陽輻射與氣溫的動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)， 根據(jù)溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)與環(huán)境參數(shù)建立日光溫室溫度環(huán)境動(dòng) 態(tài)模擬模型，模擬溫室墻體內(nèi)部溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，可 起到優(yōu)選溫室墻體結(jié)構(gòu)，推進(jìn)日光溫室墻體改進(jìn)的作用。 參 考 文 獻(xiàn) 1 陳青云. 日光溫室的實(shí)踐與理論J. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)： 農(nóng)業(yè)科學(xué)版，2008，26(5)：343350. 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