第 35 卷 第 4 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 報 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)林科技大學園藝學院農(nóng)業(yè)部西北設施園藝工程重點實驗室，楊凌 712100； 2. 新疆農(nóng)業(yè)大學林學與園藝學院，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，對于推進日 光溫室墻體改進意義重大。該研究以溫室內(nèi)太陽輻射與室外氣溫作為輸入條件，按照試驗溫室實際尺寸和相關關系進行 參數(shù)化建模并模擬計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 月典型晴天進行測試， 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 軟件對晴天 9:00 至次日 9:00 的溫室磚 墻內(nèi)部溫度場進行了模擬，并通過對比墻體內(nèi)部 0、10、20、30、40、50 cm處溫度測點的實測值與模擬值驗證模擬結(jié)果 的準確性。結(jié)果表明，溫室墻體模擬結(jié)果與測試結(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 日實際值與模擬值誤差較大，模擬值較實際值滯后，趨勢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復雜的非穩(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。對墻體溫度場、各層 的溫度衰減因子以及延遲時間分析可知，墻體厚度在 030 cm范圍內(nèi)，墻體溫度波動較為明顯，墻體厚度大于 30 cm時， 溫室墻體一天內(nèi)溫度波動較為平緩，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的變化，并根據(jù)溫室墻體溫度場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)，推進日光溫室墻體改進提供依據(jù)和參考。 關鍵詞： 溫 室 ；墻體；計 算機仿真； 流 體 力 學 ； 蓄熱層厚度；傳熱性能 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.022 中圖分類號：S625.1 文獻標志碼：A 文章編號：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) 工程學報，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，在中國北方得 到廣泛應用。墻體作為日光溫室中最重要的圍護結(jié)構(gòu)兼 有承重、保溫和蓄熱的功能，對于保持溫室氣溫的穩(wěn)定 起著至關重要的作用 1-2 。墻體蓄放熱能力的優(yōu)劣，一方 面與墻體材料的儲熱特性有關，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，對于推進日光 溫室墻體改進，推動設施農(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、蓄熱能力強的材料組成蓄熱層，外側(cè)以導熱、 放熱能力差的材料組成保溫層。已有大量研究表明，測收稿日期：2018-08-13 修訂日期：2019-01-24 基金項目：新疆維吾爾自治區(qū)科技廳“科技援疆”項目(2016E02006)；新疆 維吾爾自治區(qū)園藝學重點學科基金(2016-10758-3)；新疆維吾爾自治區(qū)自然 科學基金（2016D01B028） 作者簡介：許紅軍，博士生，講師，主要從事設施園藝工程方面的研究。 Email： xuhongjun01163.com 通信作者：鄒志榮，教授，博士，博士生導師，主要從事設施園藝方面的 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 在溫室測試中發(fā)現(xiàn)， 墻體內(nèi)部一定區(qū)域測 點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，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 通過計算機模擬計算，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)測試結(jié)果說明其厚度與墻體材料 與天氣狀況有關。李明等 12 認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 維差分法蓄熱層計算方法。 白青等 13 將溫室墻體分為 “波 動層、穩(wěn)定層、保溫層”，提出了一種利用溫波傳播速 度計算墻體厚度的方法。 上述對于確定蓄熱層厚度的方法，多是基于單一土質(zhì) 墻體，在試驗測量的基礎上進行歸納總結(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)工程學報（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 要通過其他方法進行墻體導熱的理論研究與分析。 隨著計算流體力學（computational fluid dynamics， CFD）與數(shù)值傳熱學的不斷發(fā)展，多種 CFD 分析計算軟 件被開發(fā)出來。佟國紅等 14-17 利用 CFD 技術分析溫室內(nèi) 部溫度場的變化，測試結(jié)果與模擬結(jié)果吻合度較高，并 討論了不同模擬條件對結(jié)果準確度的影響。 張林華等 18-19 通過對于下沉式日光溫室溫度場及保溫性進行了分析。 張勇等 20-21 分析了主動蓄熱結(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 技術分析溫室溫度場的 動態(tài)變化，準確度較高，對于溫室設計及溫度環(huán)境控制 具有理論指導意義。 綜上所述，中國對于溫室墻體蓄熱層厚度確定的研 究較少。對于蓄熱層的定義、測試、分析方法研究結(jié)果 也不盡相同。中國幅員遼闊，受室外環(huán)境和季節(jié)的影響， 通過不同地區(qū)試驗得出的蓄熱層厚度，難以為其他區(qū)域、 不同類型溫室建設提供設計參考。因此，本文在前人研 究的基礎上，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 技術模擬溫室墻體溫度場，確 定蓄熱層厚度的方法，對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 試驗溫室 試驗溫室位于新疆農(nóng)業(yè)大學三坪教學實習基地 （N43.92，E87.35）。日光溫室坐北朝南，南偏西 8，東 西方向長 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 心黏土磚砌體+0.1 m 聚苯乙烯彩鋼板的復合墻體。環(huán)境 參數(shù)監(jiān)測時間為 2018 年 1 月至 2018 年 4 月，監(jiān)測參數(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 以溫室長度方向 1/2 處（距離山墻 30 m）日光溫室 剖面為主要測量平面。 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有限公司生產(chǎn)，測量 范圍：02 000 W/m 2 ，準確度3%，分辨率 1 W/m 2 ）采 集，分別監(jiān)測溫室長度方向 1/2 剖面，墻體內(nèi)表面 1.5m 高度處太陽輻射強度與跨度 1/2 處地面太陽輻射強度。 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有限公司生產(chǎn)，溫度測量 范圍3070 ，準確度0.5 ，分辨率 0.1 ）采集。 在溫室長度方向 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 個測點，測 點間距 5 cm，在溫室長度方向 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 個測點，測點間距 10 cm測定溫室內(nèi)土壤溫度變化，并測試該位置 1.5 m高 度處測試室內(nèi)空氣溫度變化， 在溫室外 1.5 m高度距溫室 2 m處測試室外空氣變化， 所有測點記錄數(shù)據(jù)的時間間隔 均為 10 min。 1.3 數(shù)據(jù)處理 本文試驗數(shù)據(jù)采用 origin 2017 進行數(shù)據(jù)分析及圖表 的制作。 2 日光溫室墻體溫度場CFD 模擬 為了更直觀地了解溫室墻體的溫度場情況，本文通 過 Autodesk Simulation CFD 軟件進行 CFD 模擬。該軟件 是 Autodesk 公司開發(fā)的一款進行傳熱和流體流動分析的 計算流體力學工具軟件，它可以進行高速湍流與不可壓 縮流，以及導熱與對流傳熱的仿真分析，國內(nèi)外研究 22 中均有應用。 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結(jié)構(gòu)。在溫差的 驅(qū)動下，墻體內(nèi)表面一方面與溫室內(nèi)空氣對流換熱，使 溫室環(huán)境溫度升高，同時也通過導熱方式向墻體外表面 散熱，進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； 為廣義擴散系數(shù)，m 2 /s；S 為源項，W/m 3 。 為 1 時，該方程為連續(xù)方程； 為 u，v，w時，該方程為 動量方程； 為 T 時，為能量方程。u，v，w 為 x，y，z 3 個方向的速度，m/s；T 為溫度， 。 2.3 幾何模型 該研究中日光溫室的長度尺寸遠遠大于高度及跨 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 按照試驗溫室 實際尺寸和相關關系進行參數(shù)化建模。采用 TRIM 網(wǎng) 格，整體域網(wǎng)格基本尺寸為 50 mm，共計生成 20 300 個節(jié)點與 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，準確的邊界條件與初始條件 是獲取準確的蓄熱層厚度結(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，測試溫室試驗期間，未進行覆蓋保溫 被。為減小溫室內(nèi)夜間溫度低對結(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， 測試墻體溫度變化。圖 3 為 CFD 模擬邊界條件的測定。 測試以溫室地面、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)部各圍護結(jié)構(gòu) 內(nèi)部的溫度為初始條件。此時溫室墻體、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，模擬當天 9:00 至次日 9:00 的 溫室墻體內(nèi)部溫度場。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/ (kgm -3 ) 比熱 Specific heat/ (Jkg -1 -1 ) 導熱系數(shù) Thermal conductivity/ (Wm -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 時的熱物性參數(shù)。 Note: Table 2 shows the thermal property parameters at 27 . 2.5 數(shù)值計算方法 為準確計算溫室墻體與空氣的換熱，溫室空氣設定 為溫度作用下的自然對流，湍流模式采用標準 k- 方程模 型， 計算機采用聯(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。模擬時間為步 長為 60 s，步數(shù)為 1 440 步，共計 86 400s。 2.6 模擬結(jié)果驗證 通過對比墻體內(nèi)部 0、10、20、30、40、50 cm位置 處溫度測點的試驗值與模擬值來驗證所建模型的準確 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際測試 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)工程學報（http:/www.tcsae.org） 2019 年 178 可知，模擬值較實際值滯后，趨勢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)象的原因與所設定的初始條件、材料屬性 以及邊界條件有關。首先，本文模擬所使用的初始條件 是溫室墻體各層測定值的平均值，各層溫度初始值與實 際初始值存在差異，但該差異較小，對溫室測定誤差影 響不大。其次，邊界條件的設定與材料參數(shù)的取值對溫 室模擬的準確性的影響較大。受試驗條件的限制，本文 中材料熱物性參數(shù)均參考自相關標準 24 和文獻26在 27 下的測試值。難以反映溫室內(nèi)部材料熱物性參數(shù)隨 溫度而發(fā)生動態(tài)變化。模擬邊界條件也會因溫室溫度的 變化而變化，從本文測試結(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測值 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測值誤差 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)部溫度場分析 溫室墻體模擬結(jié)果與測試結(jié)果吻合度較高，表明該 計算模型得出的溫室內(nèi)部溫度場變化較為準確。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)部溫度場的變化與溫室墻體不同深度的溫度波動情 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 溫室墻體不同時刻內(nèi)部溫度場 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復雜的非穩(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)工程學報（http:/www.tcsae.org） 2019 年 180 方向振動幅度逐漸減小，滯后時間增長。測試期間，墻 體厚度在 030 cm范圍內(nèi)，墻體溫度波動較為明顯，墻 體表面的溫度波動分別為 24.5、29.10、32.2、30.1 ； 在 30 cm 處最大溫度波動分別為 3.4，4.1，5，3.7 ； 在 50 cm處最大溫度波動分別為 1.1，1.1，2.2，1.2 。 墻體厚度大于 30 cm 時，溫室墻體一天內(nèi)溫度波動較為 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 開評價。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間分析 墻體內(nèi)部不同厚度處溫度隨時間的變化。本文通過測試 采用衰減因子與延遲時間來表示。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。 延遲時間為在以 24 h 為 1 個周期內(nèi)溫度波由墻體內(nèi)表面?zhèn)髦翂w內(nèi)部某點所 需的時間。延遲時間 t 和衰減因子 f 的計算公式分別為 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)表面溫度達到最大值的時刻，min； t n,max 為墻體內(nèi)某點溫度達到最大值的時時刻，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)境條件測試墻體內(nèi)部不同位置 的溫度變化，可計算墻體的衰減因子和延遲時間，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 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，延遲時間為 90、 120、100、130 min；在 2030 cm衰減因子增長增加緩 慢，30cm處的衰減因子分為 0.86、0.86、0.85、0.88，延 遲時間分別為 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， 延遲時間分別為 1 050、1 010、980、1 010 min。延遲時 間越長，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，溫度波動振幅就越大，蓄熱能量就越強，相反， 衰減因子越大，溫度越穩(wěn)定，對溫室環(huán)境影響就越小。 通過對衰減因子進行方差分析可知（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。 通過對上述衰減因子進行 Logistic 回歸分析， 可得衰 減因子 f 與厚度 的關系為 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 (P0.05); A-F indicates that the difference is extremely significant (P0.01). 3 討 論 由于中國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準不一，為實現(xiàn)土墻溫室的輕簡化， 目前溫室墻體的蓄放熱特性及與厚度相關的研究主要集 中于土墻溫室。近年來，隨著墻體保溫技術的不斷發(fā)展， 墻體外保溫以其有效的保護墻體維持墻體的熱穩(wěn)定性， 已成為保溫技術的新方向。研究墻體外保溫作用下蓄熱 層厚度，可對溫室改革起到推動作用。圖 8 為日光溫室 墻體內(nèi)部溫度變化實測值。 1）由圖 4、圖 8 可知，在對溫室墻體 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)部測點的平均溫度，與實際情況存在一定 差異。如果通過測試加載各測點的實際初始溫度，模擬 準確度可再提高，但就失去做模擬的意義。因此，如何 確定較為準確的模擬初始值，是后續(xù)研究進行 CFD 模擬 時需進一步深化的內(nèi)容。是否可將墻體劃分為若干層， 每層設定不同的初始溫度？或者，先通過穩(wěn)態(tài)計算獲取 墻體內(nèi)部的溫度場變化，在此基礎上進行非穩(wěn)態(tài)溫度場 的模擬？需要進一步探索。 圖 8 日 光溫室墻體內(nèi)部溫度變化實測值 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，蓄放熱速率越快， 則室溫相對越穩(wěn)定。從目前研究現(xiàn)狀可以看出，墻體傳 熱是一個復雜的非穩(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 型對墻體蓄放熱都會產(chǎn)生影響 5 。因此，單純試驗測試某 地溫室墻體蓄熱層厚度，是絕對的，只對同區(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， 對于不同區(qū)域、 不同溫室類型的墻體蓄熱進行分析，從溫室墻體溫度的 相對變化的角度來確定溫室蓄熱層厚度，適應范圍廣， 可為溫室設計建設提供參考。 3）由圖 5 可知，溫室墻體內(nèi)部存在一個溫度相對穩(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?！毖芯拷Y(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熱系數(shù)遠低于土墻溫 農(nóng)業(yè)工程學報（http:/www.tcsae.org） 2019 年 182 室“御冷層”導熱系數(shù)，保溫層保溫隔熱能力強，使墻 體內(nèi)部溫度波動小；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)定層厚度的關系，需進一步研究。 4 結(jié) 論 本文以磚墻溫室為研究對象，利用 CFD 軟件對溫室 墻體溫度場動態(tài)變化進行模擬及驗證，得出以下結(jié)論： 1）以溫室墻體、地面太陽輻射強度與室外的空氣溫 度為輸入條件，綜合考慮溫室墻體內(nèi)部導熱，與室內(nèi)外 空氣對流換熱、輻射換熱，利用 CFD 軟件模擬溫室墻體 內(nèi)部溫度場變化，結(jié)果吻合較好，說明了采用 CFD 模擬 溫室墻體溫度場的變化是可行的，可靠性較高。 2）溫室墻體厚度在 030 cm 范圍內(nèi)，墻體溫度波 動較為明顯，墻體厚度大于 30 cm 時，溫室墻體溫度波 動平緩，根據(jù) 14 月份測試結(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幅度相 差不大。本文通過分析墻體內(nèi)部溫度衰減，通過對衰減 因子進行 Logistic 回歸分析，定義溫室墻體蓄熱層厚度， 并測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。從本文模擬與測試的結(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 態(tài)模擬模型，模擬溫室墻體內(nèi)部溫度場的動態(tài)變化，可 起到優(yōu)選溫室墻體結(jié)構(gòu)，推進日光溫室墻體改進的作用。 參 考 文 獻 1 陳青云. 日光溫室的實踐與理論J. 上海交通大學學報： 農(nóng)業(yè)科學版，2008，26(5)：343350. Chen Qingyun. Progress of practice and theory in sunlight greenhouseJ. Journal of Shanghai Jiaotong University : Agricultural Science, 2008, 26(5): 343350. (in Chinese with English abstract) 2 鮑恩財，曹晏飛，鄒志榮，等. 節(jié)能日光溫室蓄熱技術研 究進展J. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(6)：114. Bao Encai, Cao Yanfei, Zou Zhirong, et al. Research progress of thermal storage technology in energy-saving solar greenhousesJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(6): 114. (in Chinese with English abstract) 3 陳端生. 中國節(jié)能型日光溫室建筑與環(huán)境研究進展J. 農(nóng) 業(yè)工程學報，1994，10(1)：123129. Chen Duansheng. Advance of the research on the architecture and environment of the Chinese energy-saving su