外界濕熱和溫室調(diào)控設(shè)備對(duì)溫室降溫效果的影響

1、外界濕熱和溫室調(diào)控設(shè)備對(duì)溫室降溫效果的影響0 引言在溫室作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)中,環(huán)境控制的最佳策略已經(jīng)成為非常關(guān)鍵的主題1,實(shí)行優(yōu)化控制策略的前提是要充分了解室外氣候條件和室內(nèi)調(diào)控設(shè)施對(duì)溫室小氣候環(huán)境的影響.我國(guó)南方地區(qū)夏季溫度普遍較高,尤其南京地區(qū) 6 7 月份,其較高的溫濕度和較低的光照,嚴(yán)重影響現(xiàn)代化溫室的生產(chǎn),模擬、分析這段時(shí)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(yōu)的溫室環(huán)境控制策略提供有力的依據(jù)2.國(guó)內(nèi)外有關(guān)溫室環(huán)境因子的調(diào)控文獻(xiàn)很多,各國(guó)學(xué)者3 -6對(duì)溫室的各種降溫措施如自然通風(fēng)、遮陽、風(fēng)機(jī)結(jié)合濕墊、噴霧降溫等進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究,分析了各種降溫措施對(duì)溫室夏季降溫的效果

2、.目前,大多數(shù)的研究結(jié)論都是建立在大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)之上,在一個(gè)新的控制系統(tǒng)中建立相應(yīng)的模型必須經(jīng)過一段時(shí)間測(cè)試運(yùn)行獲得數(shù)據(jù)后才能用于實(shí)際的生產(chǎn),從而嚴(yán)重的阻礙了溫室控制系統(tǒng)的智能化進(jìn)程.溫室 CFD 模擬模型作為室外環(huán)境與溫室內(nèi)環(huán)境、控制設(shè)備之間的定量描述,無論在溫室設(shè)計(jì)和環(huán)境控制中都起到了重要作用.溫室環(huán)境 CFD 模擬模型的最大優(yōu)點(diǎn)是可通過模型的輸入輸出,全面認(rèn)識(shí)與了解溫室的結(jié)構(gòu)特征、外界的氣象條件以及作物生長(zhǎng)等參數(shù)對(duì)溫室內(nèi)部小氣候環(huán)境的影響7,且數(shù)值模擬不受試驗(yàn)條件限制,可以快速得到任意組合下所需要的信息.國(guó)內(nèi)外學(xué)者8 -10應(yīng)用 CFD 技術(shù)建立了自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)、濕簾 - 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等

3、降溫措施作用下的溫室環(huán)境 CFD 模型,其研究結(jié)果重點(diǎn)是建立 CFD 模型并說明其有效,或者用于溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化.作為蒸發(fā)降溫措施之一的內(nèi)噴霧系統(tǒng) CFD 模擬研究卻較少.現(xiàn)有的研究11 -12以離散相模型來分析由噴霧液滴和溫室內(nèi)空氣的質(zhì)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(fā)和擴(kuò)散,但計(jì)算代價(jià)大且參數(shù)設(shè)置復(fù)雜,一些參數(shù)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(tǒng)和溫室內(nèi)空氣的能量和質(zhì)量平衡方程,把噴霧系統(tǒng)和室內(nèi)空氣的顯熱和潛熱交換以源項(xiàng)的形式加入到 CFD 的控制方程中,有效地減少了 CFD 模型的復(fù)雜度和計(jì)算量.本研究以 2011 年 6 月

4、 23 日南京地區(qū)梅雨季節(jié)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(nèi)溫度變化規(guī)律,對(duì)外界濕熱和溫室調(diào)控設(shè)備對(duì)溫室降溫效果的影響進(jìn)行了量化分析,旨在為對(duì) Venlo 型玻璃溫室夏季降溫調(diào)控策略的制定提供科學(xué)依據(jù).1 材料與方法1. 1 試驗(yàn)基本情況本文的試驗(yàn)溫室位于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)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(zhǎng)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(fēng)為交錯(cuò)天窗,6 個(gè)南天窗聯(lián)動(dòng),6 個(gè)北天窗聯(lián)動(dòng),開度 21°,屋頂通風(fēng)面積 23. 5m&

5、sup2;,無側(cè)窗;西側(cè)門尺寸為寬(2m)× 高(2. 4m);外遮陽采用黑色折疊式長(zhǎng)壽外遮陽網(wǎng),遮蔭率大于 70% ,安裝在距溫室頂部 0. 5m 的水平面上;溫室內(nèi)部使用固定噴霧系統(tǒng),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(gè)噴頭,每個(gè)噴頭的間距為 1. 55m,行距 1. 6m,每個(gè)噴頭的噴霧量為 0. 008 3kg/s;試驗(yàn)期間溫室內(nèi)黃瓜處于結(jié)果期,平均高度 1. 6m,灌溉方式為滴灌.具體物理結(jié)構(gòu)如圖 1 所示.1. 2 試驗(yàn)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(shù)有室外

6、氣溫、相對(duì)濕度、太陽輻射、風(fēng)速風(fēng)向.室內(nèi)溫濕度采集采用南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院自主研發(fā)的設(shè)備( 基于ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫室監(jiān)控系統(tǒng)) 布點(diǎn)采集,沿溫室中心橫向截面和縱向截面 1. 5m 高度共設(shè)置溫濕度傳感器 9 個(gè),溫室測(cè)點(diǎn)布置具體見文獻(xiàn)12.溫室覆蓋材料和室內(nèi)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(cè)定;作物葉面積采用卡尺對(duì)葉片的長(zhǎng)度和寬度進(jìn)行測(cè)量,每行選擇 10 株進(jìn)行測(cè)量,并通過回歸方法得出作物的葉片面積.試驗(yàn)前關(guān)閉溫室通風(fēng)口(西側(cè)門和天窗),待室內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定后依次打開西側(cè)門和

7、天窗、張開遮陽網(wǎng)、開啟噴霧系統(tǒng).考慮到試驗(yàn)Venlo 溫室自然通風(fēng)降溫過程中,只有天窗通風(fēng),沒有側(cè)窗通風(fēng)口,通風(fēng)比僅 8. 25% ,室內(nèi)的空氣流動(dòng)很緩慢,通風(fēng)性能極差.因此,在自然通風(fēng)降溫過程中,西側(cè)大門始終保持全開的狀態(tài),以增大通風(fēng)量,提高溫室自然通風(fēng)降溫性能.2 CFD 建模2. 1 CFD 計(jì)算模型溫室內(nèi)流體被視為水蒸汽和干空氣的混合,數(shù)值計(jì)算時(shí)認(rèn)為溫室內(nèi)空氣為不可壓縮牛頓流體,流體在流動(dòng)過程中遵循基于雷諾時(shí)均的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程.用組分輸運(yùn)模型描述室內(nèi)濕空氣隨氣流流動(dòng)與室外環(huán)境不斷進(jìn)行對(duì)流和擴(kuò)散的過程13,通常溫室內(nèi)空氣流動(dòng)過程中產(chǎn)生的瑞利數(shù) Ra一般大于 107,具有較高的湍

8、流特性,采用 RNG k - ε 湍流模型14.由溫差引起的浮力項(xiàng)通過 Boussinesq 假設(shè)加入到動(dòng)量守恒方程的源項(xiàng)15.溫室自然通風(fēng)過程中,太陽輻射是溫室能量的主要來源,基于離散坐標(biāo)的 DO 輻射模型對(duì)于任何的光學(xué)深度都適用,在 CFD 輻射模型中只有 DO 模型允許出現(xiàn)鏡面反射以及在半透明介質(zhì)內(nèi)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(jiǎn)化模擬,認(rèn)為吸收系數(shù)、散射系數(shù)和折射系數(shù)為常數(shù),輻射模型采用 3 ×3 的像點(diǎn)設(shè)置.2. 2 作物多孔介質(zhì)模型作物對(duì)環(huán)境的影響采用多孔介質(zhì)模型來模擬.假定黃瓜作物為均勻、各向同性多孔介質(zhì),其體積孔隙率和表面孔隙率

9、一致,工作介質(zhì)及多孔介質(zhì)固體骨架的物性參數(shù)為常數(shù),多孔介質(zhì)內(nèi)部輻射可忽略16.在動(dòng)量方程中附加動(dòng)量源項(xiàng)描述作物對(duì)室內(nèi)空氣流動(dòng)的拖動(dòng)作用、源項(xiàng)由兩部分組成,一部分是粘性損失項(xiàng)(Darcy),另一個(gè)是內(nèi)部損失項(xiàng).則有其中,Si為源項(xiàng);μ為空氣的動(dòng)力粘度kg /(s·m); v 為氣流速度( m / s);α為滲透性(m2);C2為內(nèi)部阻力因子.2. 3 計(jì)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(gè)計(jì)算域,2m 以下的溫室空間為噴霧作用空間,為了準(zhǔn)確地模擬自然通風(fēng)過程,室外計(jì)算域選擇為室內(nèi)計(jì)算域的 10 倍.對(duì)于六面體結(jié)構(gòu)的溫室室外空間,將迎風(fēng)面設(shè)置為

10、速度進(jìn)口邊界,與之相對(duì)的面設(shè)置為壓力出口邊界;室外頂面設(shè)置為對(duì)稱邊界,2 個(gè)側(cè)面設(shè)置為周期性邊界.在溫室區(qū)域內(nèi),溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)為半透明玻璃壁面,室內(nèi)外地面為無滑移壁面;溫室內(nèi)的天窗和大門都設(shè)置為內(nèi)部界面邊界條件;外遮陽在模擬中按照遮陽網(wǎng)的遮蔭率折減進(jìn)入溫室內(nèi)部的太陽輻射.2. 4 噴霧系統(tǒng)質(zhì)熱交換模型霧滴在下降過程中吸收空氣中的熱量蒸發(fā),而起到降低環(huán)境溫度的作用,同時(shí)增加了環(huán)境的濕度.噴霧系統(tǒng)和室內(nèi)空氣的能量交換和質(zhì)量交換分別為其中,mw為噴霧系統(tǒng)的水流量(kg/s); β 為噴霧系統(tǒng)的蒸發(fā)效率;λ 為水蒸發(fā)潛熱( J / kg);AS為溫室地面面積(m²);m

11、vp為噴霧系統(tǒng)單位時(shí)間和單位面積的噴水量(kg/m²s);σ為室內(nèi)飽和差影響蒸發(fā)的特征系數(shù)(1/kPa);ψ為水汽壓與含濕量之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)(kPa·kg) / kg; ωsa為室內(nèi)飽和水蒸汽含濕量,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下與室內(nèi)溫度有關(guān),可查表得到(kg/kg);ωa為溫室內(nèi)空氣的實(shí)際含濕量(kg/kg).噴霧量的大小對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境影響尤為重要:噴霧量太大,超過了溫室的蒸發(fā)能力,霧滴不能達(dá)到完全蒸發(fā),使室內(nèi)地面積水,高濕度的環(huán)境易誘發(fā)病害,導(dǎo)致作物減產(chǎn)18;噴霧量過小,不能有效地降低室內(nèi)空氣溫度.通過反復(fù)試驗(yàn),單次噴霧時(shí)間為1. 5min

12、 噴霧蒸發(fā)率最大,室內(nèi)不產(chǎn)生積水.為了簡(jiǎn)化模擬,模擬過程中假設(shè)霧滴直徑足夠小(2. 5 初始化和計(jì)算方法采用穩(wěn)態(tài)方法求解控制方程,數(shù)值計(jì)算采用二階迎風(fēng)格式的有限容積法,壓力與速度耦合的動(dòng)量方程采用 SIMPLE 算法.表 1 為模擬初始值設(shè)置.3 結(jié)果與分析3. 1 噴霧 CFD 模型驗(yàn)證試驗(yàn)溫室自然通風(fēng) CFD 模型已在在文獻(xiàn)19中得到驗(yàn)證,本文重點(diǎn)對(duì)所建噴霧模型進(jìn)行驗(yàn)證,圖 2為噴霧系統(tǒng)作用下室內(nèi)溫度模擬值和實(shí)測(cè)值的比較.其各測(cè)點(diǎn)模擬值和實(shí)測(cè)值均方根誤差 RMSB 為0. 514 4,最大絕對(duì)誤差為 0. 75,平均相對(duì)誤差為1. 3%,模擬值和實(shí)測(cè)值吻合良好,說明所建立的模型有效,邊界條

13、件設(shè)置正確.3. 2 不同調(diào)控措施下溫室內(nèi)溫度場(chǎng)分布特性圖 3 分別為各種調(diào)控措施下溫室內(nèi) z = 2,z = 8,z= 14 截面上溫度場(chǎng)分布特性,如圖 3 ( a) 所示.打開天窗并同時(shí)打開西側(cè)門,室內(nèi)空氣通過西側(cè)門和天窗與室外空氣進(jìn)行質(zhì)熱交換,吸收太陽輻射能量較多的溫室頂部和南側(cè)覆蓋層出現(xiàn)了較高的溫度,自然通風(fēng)下室內(nèi)平均溫度 40. 3,室內(nèi)外溫差 3. 9.在自然通風(fēng)的基礎(chǔ)上張開外遮陽網(wǎng)后的溫室內(nèi)溫度場(chǎng)分布特性如圖 3(b)所示.遮陽網(wǎng)遮蔭率為 77% ,由于外遮陽網(wǎng)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(wǎng)下溫室上部溫度分布較均勻,室內(nèi)平均溫度下降至37. 8,室內(nèi)外

14、溫差縮小為1. 4.在此基礎(chǔ)上開啟噴霧系統(tǒng) 1. 5min 后,如圖 3(c)所示.開啟噴霧降溫系統(tǒng)后室內(nèi)平均溫度為 37. 2,室內(nèi)外溫差 0. 8,整個(gè)溫室空間溫度分布較均勻;由于室內(nèi)地面有較大的熱惰性,且模擬過程中假設(shè)噴霧過程中液滴完全蒸發(fā)且地面無積水,因而室內(nèi)地面出現(xiàn)了較高的溫度.3. 3 不同調(diào)控方式降溫效果分析試驗(yàn)測(cè)得全封閉狀態(tài)下室內(nèi) 9 個(gè)測(cè)點(diǎn)平均溫度為43. 6,室內(nèi)外溫差 7. 2.引入不同降溫措施的降溫貢獻(xiàn)率為其中,ΔTi和 ΔTi - 2為第 i 級(jí)和 i -1 級(jí)降溫措施下的溫室內(nèi)外溫差;ΔTn為 n 級(jí)降溫措施下的內(nèi)外溫差;&Del

15、ta;T0為 0 級(jí)降溫措施下的內(nèi)外溫差,此處指自然通風(fēng).表 2 為不同降溫措施對(duì)溫室綜合降溫效果的貢獻(xiàn)率.4 結(jié)論與討論1)把內(nèi)噴霧系統(tǒng)和溫室內(nèi)空氣的質(zhì)熱交換以源項(xiàng)的形式加入到控制方程中,通過實(shí)測(cè)值和模擬值比較可知,均方根誤差 RMSB 為 0. 514 4,最大絕對(duì)誤差為0. 75,平均相對(duì)誤差為1. 3% ,說明所建模型有效.2) 模擬結(jié)果表明,3 種組合降溫措施中外遮陽 +自然通風(fēng)的降溫貢獻(xiàn)率最高為 80. 6% ,能耗最大的噴霧系統(tǒng)的降溫貢獻(xiàn)率為 34. 8% .這是因?yàn)閲婌F降溫的效果受環(huán)境濕度影響,較高的環(huán)境濕度使噴霧降溫的效果變差,這種靠蒸發(fā)降溫的措施更適用于環(huán)境溫度較高,相對(duì)濕

16、度較低、日照強(qiáng)度較大,更有利于發(fā)揮噴霧系統(tǒng)工作效率的時(shí)間進(jìn)行.3 種降溫措施下,室內(nèi)溫度均高于室外溫度且超過 35,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了作物可承受的溫度范圍,因而南方地區(qū)夏季高溫高濕氣候下僅靠這 3 種降溫措施達(dá)不到溫室降溫需求,應(yīng)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(diào)控組合下的溫室內(nèi)小氣候的動(dòng)態(tài)變化,為溫室優(yōu)化控制策略的制定提供了理論依據(jù).后續(xù)的研究希望能將 CFD 模擬產(chǎn)生詳盡的溫室內(nèi)小氣候環(huán)境的輸入輸出數(shù)據(jù)用于溫室環(huán)境控制中,實(shí)現(xiàn) CFD 模擬模型和溫室控制系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合.參考文獻(xiàn):1 伍德林,毛罕平,李萍萍. 基于經(jīng)濟(jì)最優(yōu)目標(biāo)的溫室環(huán)境控制策略J. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(2): 115 -119.2 汪小旵,丁為民,羅衛(wèi)紅,等. 利用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)江淮地區(qū)梅雨季節(jié)現(xiàn)代化溫室小氣候的模擬與分析J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20(2):235 -238.3 Dayan E,Fuchs M,Plaut Z,et al. Cooling of Rose inGreenhousesJ. Acta Horticulture,1999,534:351 - 360.4 Arbel A,Yekutieli O,Barak M. Performance of a Fog Sys-tem for Cooling Greenho