自然通风对日光温室小气候影响的CFD模拟研究

【摘要】：日光温室是我国北方地区特有的用于冬季蔬菜生产的设施类型,温室内气温、相对湿度、土壤温度等环境条件是影响作物生长的关键要素。本文以日光温室为研究对象,基于济南地区温室试验观测,利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法,模拟分析自然通风条件下温室内部温度、湿度等小气候要素的时空变化特征,提出不同天气条件下温室环境调控策略,为日光温室生产管理提供理论依据。1.温室内外环境气象要素对比基于温室内外气温、空气相对湿度、地温、风速和风向等观测数据,分析表明,冬季,济南温室外主导风向为东北风,风速在0.5-4.1m/s之间；温室内外气温差为6.5-15℃,最小湿度差为5%-10%;温室内气温和湿度在水平和垂直方向均存在一定异质性,温室中部和低层温度较低,湿度较高；土壤温度随着深度增加波动衰减,并趋于稳定。2.CFD模型构建与验证基于供试温室设施结构参数,结合试验观测数据,构建边界条件,利用标准的K-ε湍流模型,通过联立求解连续方程、动量方程和能量方程,构建了CFD模拟模型。利用模拟模型对温室内气温和湿度进行模拟,模拟结果表明,晴天、多云、阴天天气下温度模拟值与实测值平均相对误差分别为5.6%、4.5%、5.1%,相对湿度模拟值与实测值平均相对误差分别为5.5%、4.2%、4.4%。说明模型能够正确反映日光温室内微环境变化,模型普适性高,可为进一步研究不同通风条件对温室内小气候的影响提供技术支撑。3.作物对温室自然通风效果的影响以外界风向为东北风,风速为2.0m/s为例,通过对温室内有作物和无作物种植分别模拟表明,与无作物种植条件下相比,存在作物种植时,风速,温室内三个垂直剖面存在垂直方向的风速梯度变化,温室西部风速减小0.1-0.2m/s,中部风速减小0-0.2m/s,温室东部风速减小0-0.2m/s距地面0.5m处水平面上南北风速差增加0.2m/s。温度,三个垂直剖面的垂直方向均存在明显的温度梯度,温室西部温度增加2-4℃,中部温度增加3-8℃,东部温度增加2℃左右；距地面0.5m水平面上南侧温度较高,最大温度差减小5℃,南北温度差增加3℃。湿度分布特征与温度分布相似,三个垂直剖面垂直方向存在湿度梯度变化,温室西、中和东部湿度分别降低4%、6%和5%；距地面0.5m水平面上南侧湿度较低,南北湿度差增加5%。作物对温室内气流具有一定的阻碍作用,表明在研究中不能忽略作物的影响。4.风速对温室内小气候特征的影响以外界风向为北风为例,设定风速为0.5、1.0、2.0和3.0m/s,分别模拟自然通风对温室内小气候要素的影响,结果表明,风速方面,随着外界风速的增大,温室内风速缓慢增大,外界风速每增加1.0m/s,温室内三个垂直剖面的进风口以及温室中部风速增加O.1m/s,温室东西部风速范围变化不大；作物冠层进风区域风速增大O.1m/s,其他作物冠层区域风速范围变化不大。温度方面,不同风速下,温室内三个垂直剖面中部存在南北方向的温度梯度,温室东西部温度分布较为均匀,外界风速每增加1.0m/s,进风口处温度降低2℃,温室东西部温度降低1℃左右,温室中部南北温度差增加1℃；作物冠层进风处温度降低2℃,其他作物冠层温度降低1℃左右。湿度方面,不同风速下,温室内三个垂直剖面存在南北方向的湿度梯度,外界风速每增加1.0m/s,温室西部南北湿度差减小2%,温室中东部南北湿度差不变,整个温室的湿度没有规律性的变化；作物冠层湿度下降缓慢且没有明显变化规律。外界风速的改变对温室内风速以及温湿度的大小具有重要的影响。5.风向对温室内小气候特征的影响以外界风速为2.0m/s为例,设定风向为北风、东北风、东风,分别模拟自然通风对温室内小气候要素的影响,模拟分析表明,风速,温室内三个垂直剖面的风速基本维持在0.1-0.4m/s之间,风向为北风、东北风、东风时分别在温室的中部、中西部、西部为进风区域,从而形成涡流,其他区域存在垂直方向的风速梯度；风向为北风、东北风、东风时作物冠层进风风速分别为0.45m/s、0.65m/s、0.50m/s,其他作物冠层区域维持在0.05-0.2m/s之间。温度,风向为北风、东北风、东风时分别在温室内三个垂直剖面的中部、中西部、西部存在南北方向的温度梯度,南北温度差分别为5℃、3℃、4℃；风向为北风、东北风、东风时,作物冠层进风区域与出风区域温度差分别为8℃、3℃、5℃,表明风向为东北风时,温室内整体以及作物冠层温度差较小,有利于作物均质生长。湿度,风向为北风,东北风,东风时,温室内三个垂直剖面均存在南北方向的湿度梯度,南北湿度差分别为8%,6%,3%左右；风向为北风、东北风、东风时,作物冠层进风区域与出风区域湿度差分别为8%、3%、2%,表明风向为东风时,温室内整体以及作物冠层湿度差较小,有利于作物均质生长。由此,温室小气候调控策略应根据具体风向而调整。6.日光温室调控策略以温室内种植番茄为例,按照花果期适宜生长温度20-25℃为指标,利用CFD模拟方法研究济南地区冬季7个主导风向对应平均风速以及不同等级风速下温室内达到作物适宜生长温度的自然通风时间,风向NE、ENE、E、ESE、SE、SSW和SW在各自对应的平均风速条件下通风时间分别为7-22min,9-21min,7-20min,12-21min,6-16min,4-23min,8-19min,可达到作物适宜生长温度。风向为NE、ENE、E、ESE、SE、SSW和SW时,一、二级风的通风时间分别为23-26 min、21-24min、21-24min、18-21min、15-18min、 24-28min、15-18min,三、四级风的通风时间分别为12-18min、10-16min、10-16min、8-14min, 9-12min、18-21min、10-13min,可达到作物适宜生长温度。当温室内平均温度达到25℃时,不同风速下温室内温度分布没有明显差异；温室内平均温度降到20℃时,风速越大,温室西部温度越低,温室东西部温度相差越大。在不同通风条件下,尽管温室内代表点温度达到适宜状态,但其内部不同区域间仍存在差异,受底层通风口通风影响,均表现为温室内底层气温较低,上层气温较高,南北温差较大,当风向偏东风或者西风时,温室内东西气温差异较大,偏南风时,温室内整体气温分布较为均匀。不同的通风方式、不同风速风向对温室通风时间以及温度分布具有重要的影响。以上研究结果表明采用上述数值计算理论方法能够对温室内微环境分布进行模拟分析,对济南地区日光温室可进行有效调控。