基于光伏连栋玻璃温室温度场...模拟的冬季加温系统排布优化_鲍恩财.pdf

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 基金项目 农业农村部农业设施结构设计与智能建造重点实验室开放课题 202103 作者简介 鲍恩财 1990 男 副研究员 博士 研究方向 设施农业 光伏农业 beoencai1990 163 com 通信作者 蒋步国 1984 男 高级工程师 硕士 研究方向 设施农业 260582457 qq com 基于光伏连栋玻璃温室温度场CFD模拟的 冬季加温系统排布优化 鲍恩财1 2 刘璋晶莹1 3 李士照1 3 张 龙1 2 杨 晨4 许桂俊4 邓志强5 蒋步国6 1 农业农村部农业设施结构设计与智能建造重点实验室 北京 100125 2 江苏省农业科学院 农业设施与装备研究所 江苏 南京 210014 3 安徽农业大学工学院 安徽 合肥 230036 4 深能南京能源控股有限公司 江苏 南京 210019 5 华能南京燃机发电有限公司 江苏 南京 210046 6 江苏海州农业发展集团有限公司 江苏 连云港 222000 摘要 针对冬季光伏连栋玻璃温室内温度过低 环境均一性较差的问题 文章提出一种基于计算流体 力学 computational fluid dynamics CFD 的加温系统排布优化方案 依据试验现场的边界条件 构建 并求解了温室的三维稳态模型 基于标准k 湍流模型对室内温度场进行模拟分析 通过模拟验证 3个时刻模拟值与实测值的平均相对误差分别为3 6 2 3 2 4 说明所建模型有效 文章通过 模拟发现 冬季温室存在温度场分布不均及凌晨气温较低的问题 不适宜室内花卉的生长 基于此 文章提出了室内加温系统的排布优化方案 通过模拟发现 该方案提高了室内气温调控效率 为优化 光伏连栋玻璃温室加温系统排布方式提供了理论依据 关键词 光伏连栋玻璃温室 加温系统 计算流体力学 温度场 排布 优化 中图分类号 TK519 S214 文献标志码 A 0 引言 近些年 玻璃温室在国内蓬勃发展 近8年来 新建玻璃温室面积达到了2 607 01 ha 1 2 在玻璃 温室内 冬季加温系统的投入在投资与生产成本中占 有很大的比重 3 4 光伏发电技术的快速发展和广 泛应用 为解决玻璃温室生产高耗能的缺点提供了新 的思路 5 光伏玻璃温室是在集成光电技术和玻璃 温室的基础上 形成了一种新型温室类型 6 在保证 农业生产的同时可以实现能源自给 但如何改善冬季 温室内温度过低 提高温室内环境的均一性 为植物 创造良好的生长环境已成为当前研究的热点 7 与传统试验方法相比 基于计算流体动力学 Computational Fluid Dynamics CFD 的数值模拟是 研究农业设施环境模拟的有效手段 8 9 国内外诸 多学者已经将CFD技术应用在温室温度场的研究 中 文献 10 以光伏玻璃温室为研究对象 对温室 内温度场进行数值模拟 为光伏玻璃温室结构优化 提供依据 文献 11 研究了锯齿形光伏温室内部 环境因子的分布规律 通过试验发现光伏锯齿形温 室对热带地区的气候具有良好的适应性 文献 12 基于环境温度和太阳辐照度逐时变化 建立光 伏温室大棚的计算流体动力学 CFD 瞬态模型 研 究发现覆盖率50 为最优选光伏组件布置方式 文献 13 使用CFD技术模拟了不对称光伏温室和 Venlo型光伏温室中环境因子分布规律 结果表明 Venlo光伏温室的太阳辐射分布比不对称光伏温室 更均匀 文献 14 研究了棋盘格形式柔性光伏板 对温室小气候的影响 结果表明 光伏板降低了温室 内的温度 综上 当前国内外针对温室CFD的研究 侧重于内部热环境模拟仿真研究 基于光伏连栋玻 璃温室温度场CFD模拟的冬季加温系统排布优化 的研究鲜有报道 本文基于现场实测与三维建模软件 建立了大型 12 新能源科技 光伏连栋玻璃温室的三维模型 并在苏南地区大型光 伏连栋玻璃温室中对该模型进行了试验验证 该模 型通过CFD技术模拟分析了温室温度场变化规律 针对冬季温室内温度场分布不均及部分时刻气温较 低的问题 本文提出了温室加温系统的排布优化方 案 提高了温室气温调控效率 为优化温室加温系统 排布方案提供了理论依据 1 材料与方法 1 1 供试光伏连栋玻璃温室 本文中进行试验和模拟的光伏连栋玻璃温室 以 下简称 温室 位于江苏省南京市日昌太阳能发电有 限公司农光互补基地 北纬31 62 东经119 18 温 室屋脊呈南北走向 长96 8 m 宽40 6 m 脊高6 0 m 天沟高5 0 m 开间3 7 m 跨度13 2 m 温室结构如 图1 a 所示 温室顶部采用的是碲化铬薄膜光伏组件和超白玻 璃共同覆盖 如图1 b 所示 光伏组件沿屋面南北方 向排布 其透光率为40 单块组件尺寸为1 200 mm 600 mm 整体光伏板的覆盖率为50 倾斜角度为 25 年满负荷小时数535 h 装机总量为288 96 kW 年发电量约为1 6 105 kW h 温室内部上方有一层保温幕和两层遮阳网 最上 层保温幕的遮光率10 中间一层遮阳网的遮光率为 70 最下面一层遮阳网的遮光率为50 温室整体 分为南北两个半区 共有84个空调送风口 每排空调 送风口呈南北方向并列布置 空调垂直高度2 8 m 空调额定制热量142 kW 制热额定功率40 4 kW 温 室内常年种植青苹果 飞羽及紫背等花卉 当温室内 部温度低于14 时 会打开空调增温以及打开温室 上方的保温幕保温来增加室内温度 温室内空调送 风口布局如图1 c 所示 1 2 试验设计 本试验测定指标主要为温室内外的空气温度 等参数 数据记录间隔时间为30 min 室内空气 温度测量点布置在距离地面1 5 m高度平面内 共4个测点 具体位置如图2所示 室外设置1个 空气温度测量点 测点距离温室最近外墙50 m 地 势开阔 距离地面高度1 5 m 本试验所用到的仪 器主要是HOBO UX100 011A温度记录仪 美国 Onset公司 其测量范围为温度 20 70 精度 为 0 20 为避免太阳辐射和花卉生长管理对 仪器测量的影响 温湿度传感器均配套安装气象 专用防辐射罩 图1 光伏连栋玻璃温室结构 图2 温室内部测点布置 22 新能源科技 2 CFD仿真与建模 2 1 温室模型建立 本试验对光伏连栋玻璃温室内的温度场进行仿 真模拟 其中光伏连栋玻璃温室冬季四周玻璃封闭 气密性良好 流体的流动遵循四大定律 质量守恒定 律 动量守恒定律 能量守恒定律以及组分守恒定 律 15 按照温室实际尺寸创建比例为1 1的三维模 型 其中光伏连栋玻璃温室内遮阳网 地面蒸发 作物 和温室气体之间的潜热交换等忽略 几何模型建立 如图3所示 图3 温室三维几何模型 2 2 计算域确定与网格划分 本文采用基于压力 速度耦合求解器 激活伪瞬态 和扭曲面梯度校正求解算法 由于温室内蓄热介质主要 为栽培架上的栽培基质 且作物冠层遮挡后严重影响有 效蓄热能力 本研究将室内空气计算域分为3部分 即保 温幕上方空气层 保温幕与遮阳网空气层和遮阳网下方 空气层 作物冠层主要集中遮阳网下方空气层 对空 调设备进出风口位置定义网格尺寸大小为50 mm 全 局网格尺寸大小为50 1 500 mm 网格增长率定义为 1 2 定义计算域网格类型为多面体与六面体混合网 格类型 网格数量1 329万个 全局网格最大畸变度为 0 79 网格最大长宽比35 35 网格划分质量较好 满足 仿真计算需要 整体网格划分如图4所示 图4 温室整体网格划分 2 3 辐射模型 根据试验测试数据定义温室室外温度及对流换 热系数 室内空调运行时气流扩散采用标准k 湍流 模型进行表述 白天采用DO辐射模型模拟南京地区 的光照情况 启用射线追踪模块定义太阳相对位置 定义地区经纬度分别为119 18 E 31 62 N 时区 8 北方方位为 0 0 1 东方方位为 1 0 0 结合试 验测试光照情况设定云量系数 分析辐射源项对光伏 连栋玻璃温室室内温度的影响 2 4 边界条件及参数设置 温室玻璃壁面与室外空气以热传导和自然对流 的方式进行热量交换 定义温室围护结构为wall 壁 面 边界条件 白天保温幕收拢时定义为interior边界 条件 夜晚保温幕展开状态定义为厚度为5 mm厚度虚 拟wall 壁面 边界条件 16 室内地面由于为水泥地 面 忽略室内地面蒸发和作物蒸腾作用 定义作物冠层 为多孔介质 设置作物冠层粘性阻力系数58 82 m 2 惯 性阻力系数3 85 m 1 孔隙率为0 85 17 模拟空调运 行状态在冠层间气流运移规律 定义空调出风口和 回风口边界条件为速度出入口 正常运行工况下出风 口温度34 9 平均风速为2 2 m s 假定空调壳体 为绝热壁面 温室所在地西北风较为盛行 故定义温 室东 南 西和北侧壁面对流换热系数分别为 8 5 W m2 K 7 5 W m2 K 11 5 W m2 K 11 5 W m2 K 定义光伏连栋玻璃温室四周围护结 构壁面厚度为5 mm 温室壁面为混合传热边界条 件 18 室内空气 玻璃等材料属性如表1所示 19 表1 定义计算域物性参数 材料 密度 kg m 3 比热容 J kg K 1 导热系数 W m K 1吸收率 空气 1 23 1 006 43 0 025 0 1 作物冠层1 070 2 800 0 3 0 8 保温幕300 1 275 0 33 0 1 玻璃2 220 830 1 15 0 1 2 5 模拟结果验证 为了验证光伏温室CFD模拟的准确性 将现场 的实际测量值与模拟值进行了比较和分析 并在模拟 模型中提取了与测量点相同位置和时间的数据 表2 给出了室内各个测点的气温实验值和模拟值 综合 来看 光伏连栋玻璃温室内温度场与现场实测数据以 及变化趋势基本一致 3个时刻的平均相对误差分别 为3 6 2 3 2 4 3种工况下的数值模拟误差都 小于10 说明二者吻合性较高 模拟值能较准确反 应温室内温度场的变化情况 32 新能源科技 表2 3个时刻下温室内各测点的气温实测值和模拟值的比较 时刻测点模拟值 实测值 相对误差 平均相对误差 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仿真结果分析 本次模拟仿真采用稳态方法求解控制方程 数值 计算采用二阶迎风格式的有限体积法 压力与速度耦 合的动量方程 采用SIMPLE算法 以温室2022年12 月23日试验数据进行仿真模拟 分析的室内3个时 刻温度场分布情况如图5所示 图5 a c 为温室内部距离地面1 m高度的 水平方向 Y轴 3个时刻温度场云图 即T为07 00 14 00和22 00时 对比3个不同时刻的截面图 从 图5可以观察到中午温度最高 其次晚上 早晨温度 最低 其中 3个时刻温度均一性较差且早晨 图5 温室纵横向剖面在不同时刻的温度场模拟云图 42 新能源科技 整体温度较低 温室内的温度由东向西逐渐降低 主要 是西侧部分位置未安装空调 整体来看 上述3个时 刻温室内东侧温度均值分别保持在24 28 27 左右 中部温度均值分别保持在19 26 24 左 右 西侧温度均值分别保持在12 24 19 左右 图5 d f 为温室内部在东西向纵向剖面 Z 轴 的3个时刻温度场云图 即T为07 00 14 00和 22 00时 对比3个不同时刻的截面图 可以观察到 不同时刻的纵向剖面温度场与水平方向温度场具有 高度一致性 整体上呈现东部和中部温度较高 温室 西部温度较低 在单一时刻下 纵向温度差异性 较小 4 改善温室温度场的加温系统排布 优化 从上述模拟结果及实测结果来看 冬季白昼时及 夜晚前半夜温室内温度场均一性较差 但能有效满足 花卉生长所需的温度需求 而凌晨温室内的温度场分 布不均匀 且室内夜间部分时刻温度较低 影响花卉 正常生长 针对上述问题 本研究对冬季温室加温系 统进行排布优化 通过调整温室内空调送风口的布局 方式 对白昼前07 00时刻的温度场进行模拟分析 增加温室内的温度场的均匀性 同时使温室内的温度 整体增加 满足花卉正常生长的温度需求 4 1 优化设计方案 本文在原有排布基础上增加了温室内空调排布 列数 由原来的5列调整至7列 另外 温室东西两 侧每列布置11个空调送风口 空调单侧送风 中间五 列每列设置12个空调送风口 五列中间位置是两个 空调设置双侧送风 其余都是单侧交替送风 从而保 证温室东西两侧气温均匀性 具体优化排布方案如 图6所示 图6 优化后温室空调送风口布局 综上所述 温室加温系统排布优化后 共有84个 空调 较原有排布方案减少了2个 在一定程度上 起到了降本增效的效果 同时 本次优化设计根据温 室尺寸及单侧交替送风加温策略来模拟研究温室内 温度场的情况 通过对比原有系统温度场情况来明确 优化后的加温效果 4 2 优化模拟分析 光伏连栋玻璃温室内模型优化后Y向温度场分 布均匀 温室中部温度较均匀 在23 左右 温室东 西两侧温度较高 在26 左右 如图7所示 这是 由于温室内东西两侧空调为单侧向内吹风 导致温室 两侧温度较高 温室南北两侧边缘温度较低 是由于 外部冷气流的入侵 对室内温度影响较小 温室内局 部区域温度较之前有所提高 尤其温室西侧区域 原 模型温室西侧温度在10 左右 优化后温室西侧温 度在23 左右 比之前提高了13 左右 有利于温 室内花卉的正常生长 5 讨论 本文对如何提高光伏连栋玻璃温室内温度场均 匀性以及凌晨空气温度进行研究 通过加温系统排布 优化设计改变温室内温度场 文献 20 在温室温度 场优化上有过类似研究 根据CFD模拟的温室温度 场的分布情况 提出利用内循环风扇来优化温室内气 流组织方法 提升温室内温度 优化温度场均匀性 表 明通过温室结构上的调整来提升温室内部温度及温 度场均匀性的方法具有可行性 目前 加温系统广泛应用于温室内 其工作时 温 室由于不进行通风 加温系统热量无空气流通 单靠 热辐射作用不能有效扩散 出现温度场分布不均匀 多区域不能达到植物生长适宜温度等问题 温室作物 生长环境不理想 21 22 本文基于装有加温系统的光 52 新能源科技 图7 加温系统排布优化下温室纵横向剖面的温度场模拟云图 7 00 伏连栋玻璃温室 通过空调的排布调整优化温室内气 体流向 增大凌晨温室的温度 为了使温室内温度分 布更均匀 综合考虑空调排布间隔与空调数量两方 面 在满足花卉生长所需温度的同时 降低了加温系 统能耗成本 国内外一些学者对温室内的温度场情况进行三 维模拟时考虑了作物对环境的影响 加入了多孔介 质 23 本文中的试验温室内部种植了多种花卉 但 模型构建时对栽培区进行了统一建模 未考虑不同花 卉对温度场的影响 故试验与模拟的结果可能会受到 影响 为进一步完善模型 提高模拟精度 后续试验 和模拟应将不同分区的因素考虑在内 使得优化设计 结果在生产中具有更广泛的实际应用价值 6 结语 1 对温室进行合理的简化 并进行CFD建模 通过模拟分析 3个时刻模拟值与实测值的平均相对 误差分别为3 6 2 3 2 4 说明所建模型有效 2 通过试验和模拟得出温室内冬季早晨07 00 温度远低于花卉适宜生长温度范围 不利于花卉的正 常生长 针对此情况 本文通过CFD优化温室内加 温系统的布局方式 模拟发现温室内温度场较原模型 更加均匀 且冬季空气温度整体提高 整体保持在 23 左右 局部区域温度较原模型明显增加 增幅达 10 左右 能有效满足花卉生长的气温需求 参考文献 1 周杰 师恺 夏晓剑 等 中国蔬菜栽培科技 60年回顾与展望 J 园艺学报 2022 10 2131 2142 2 华科资源 2022年全国温室新建面积统计报 告 EB OL 2023 03 16 2023 11 3 https mp weixin qq com s jrkQa6eL y6NvO I20MVgnw 3 李天来 齐明芳 孟思达 中国设施园艺发展 60年成就与展望 J 园艺学报 2022 10 2119 2130 4 李文军 张攀攀 屈浩 等 智能连栋玻璃温 室节能减排技术研究 J 农业工程技术 2020 28 16 19 5 孙迎龙 王新忠 光伏玻璃温室自然通风条 件下的CFD模拟验证 J 农机化研究 2015 4 176 179 6 叶林 李建设 张光弟 等 宁夏不同光伏材 料连栋温室冬季室内环境变化规律 J 北方 园艺 2017 17 92 98 7 左志宇 秦丽娟 毛罕平 等 基于光照的温 室加热系统模糊PID控制 J 农机化研究 2017 6 214 218 8 金玲 刘妍华 CFD在温室室内环境研究中 的应用 J 安徽农业科学 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 郭腾腾 涂洁磊 盛钰清 等 基于CFD稳态 模拟的光伏玻璃温室温度分布模拟计算 J 云南师范大学学报 自然科学版 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 马晓瑶 孙琦琦 光伏温室大棚组件布 置CFD模拟研究 J 太阳能学报 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 王福军 计算流体力学分析CFD软件原理与 应用 M 北京 清华大学出版社 2004 16 洪亚杰 王新忠 李亮亮 等 环流风机布置 对温室内流场影响的CFD模拟 J 农机化 研究 2019 10 180 185 17 张晨 基于CFD的植物工厂生菜与LED灯对 环境影响研究 D 北京 中国农业科学 院 2020 18 王新忠 张伟建 张良 等 基于CFD的夏季 屋顶全开型玻璃温室自然通风流场分析 J 农业机械学报 2016 10 332 337 19 郭腾腾 单脊Venlo型光伏玻璃温室的设计 与热场分析 D 昆明 云南师范大学 2019 20 王润涛 段明辉 杨方 等 冬季日光温室温 度场优化研究 J 东北农业大学学报 2014 10 101 106 121 21 高立婷 戴思慧 李明 等 基于作物与能耗 的温室加温调控方法 J 中国农机化学报 2021 5 49 54 22 周长吉 日光温室主动加温技术与设备 J 中国蔬菜 2023 7 7 19 23 李景浩 喷雾对温室温湿度的调节机制研究 D 杨凌 西北农林科技大学 2023 编辑 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