某ATU半封闭温室送风设备与环境特性研究_张俊玮.pdf

某 半封闭温室送风设备与环境特性研究 张俊玮 吴利瑞 刘 东 毛 毛 王雪萦 同济大学 上海 摘要 半封闭温室结合长距离渗透喷射式布袋风管是一种广泛使用的温室类型 本文回顾了有关 半封闭温室的研究 提出了一种基于总流能量方程的长距离渗透喷射式布袋风管数学模型 并通过实测数 据验证了改进模型的准确性 最后 利用皮尔逊相关系数分析了植物冠层温度的实测数据与植物冠层太阳辐射 的仿真数据 结果显示 温室植物冠层温度与植物冠层太阳辐照度的相关系数为 属于强相关 关键词 半封闭温室 布袋风管 植物冠层 太阳辐射 张俊玮 男 年生 在读硕士研究生 上海市嘉定区曹安公路 号开物馆 室 收稿日期 引言 空气处理单元 半封闭温室是近年来从欧洲引 进我国的温室类型 利用 对温室气候环境进行调节 被广泛应用到温室作物栽培领域 布袋风管 又称纤维空气分布系统 是一种广泛 应用于大型温室 工业建筑 展览馆等场所的新型送风末 端 布袋风管通常有 种类型 纯渗透式 纯喷射式和渗透 喷射式 其中 渗透喷射式布袋风管由于其送风均匀性较 好 被应用到如 半封闭温室等长距离空间中 植物冠层是植物叶片进行光合作用和蒸腾作用的重要 空间 植物冠层温度是关系到植物生长的重要环境指标 也是植物温室的核心控制对象 本文基于 半封闭温室中长距离渗透喷射式布袋 风管送风的实测数据开展了一系列研究 主要包括以下几 部分 对 半封闭温室中一些重要课题的过往研究 进行了回顾 主要是布袋风管送风特性和温室植物冠层温 度影响因素 基于总流能量方程提出了一种布袋风管送 风特性的改进模型 提高数学模型应用在长距离风管中的 准确性 并通过布袋风管的实测数据进行验证 基于温 室植物冠层温度实测数据与植物冠层太阳辐射的仿真数 据 利用皮尔逊相关系数分析了温室植物冠层温度和植物 冠层太阳辐照度的相关性 相关研究的回顾 布袋风管送风特性 近年来 学者们对布袋风管的送风特性进行了一些研 究 王雪萦等人通过实验研究 分析了 长距离渗透 喷射式布袋风管的动静压分布及送风均匀性 等 人通过改变送风温度和送风流量 对大型空间建筑中渗透 喷射布袋风管的送风特性进行了实验研究 等人 利用 模型研究发现空气垂直于布袋风管的流动轴线 排出 等人采用同样的方法研究了纤维孔隙率 纤 维直径和送风流量对布袋风管内风速和压力特性的影 响 李浩等人 和 等人 基于流体的元流能 量方程建立了喷射渗透系统内部静压和风速分布的数学模 型 分析了不同条件下送风均匀性的变化 但该模型存在局 限性 没有考虑到有喷射和渗透对局部阻力的影响 模型不 能很好地被长距离渗透喷射式布袋风管的实测数据所验 证 温室植物冠层温度影响因素 植物冠层温度关系到植物的生长 是温室环境控制的 重要指标 何芬等人分别基于植物冠层能量平衡关系和 神经网络建立了植物冠层温度预测模型 其研究表明 影响植物冠层温度的最重要因子为室内温度 其次为蒸腾 速率 室外太阳辐射和室内相对湿度 张军华等人基于 物联网传感器数据采用克里金插值算法进行了冠层温度场 建模 分析了不同天气条件下植物冠层温度的时空变化规 律 研究表明 外界光辐射是导致植物冠层温度空间分布不 均匀的重要因素 汪小旵等人根据植物冠层能量平衡原 理 建立了以温室内温度 湿度 植物冠层太阳辐射等为变 量的温室植物冠层温度的模拟模型 李亮亮等人利用 仿真模拟研究了不同类型遮阳网对温室作物冠层辐射 场与温度场的影响 其结果表明 温室的遮阳设计是影响植 物冠层温度及其均匀性的重要因素之一 半封闭温室实验研究 为了解 半封闭温室中植物冠层周围微气候的调 控效果 需对其关键部件即长距离渗透喷射式布袋风管的 送风特性及植物冠层温湿度进行测试 布袋风管送风特性测试 本研究选择的布袋风管的基本参数如下 喷射孔口布 置在风管两侧斜向上 方向上 孔口直径为 孔口间距为 布袋风管采用吊装的方式进行安 装 距地 总长 渗透风速约为 具体见 图 图 测试用布袋风管示意图 暖通空调 年第 卷增刊 其他 布袋风管内的静压和动压采用 型皮托管和 压差计 测量范围 精度 布袋风管末 端管内风速较小 采用热线风速仪 型号 测量范围 精度为读数的 和 中的较大 值 测量风管后端的管内风速及孔口风速 测试主要分 个 工 况 分别为风管进口空气流速为 工况 工况 工况 植物冠层温湿度测试 本研究对上海某番茄温室 见图 进行了植物冠层温 度场测试 温室单排作物架长度约为 作物距地面 高度约为 植物下设长距离渗透喷射式布袋风管进行 送风 图 温室现场图 测试仪器为 温湿度计 温度测量范围 精度 相对湿度测量范围 精度 沿长度方向分别在 布置测点 高度方向分 别在距地面 高处布置 左右两侧各布置测 点 合计共布置 个 具体位置见图 图 植物冠层测点布置图 布袋风管送风特性的改进模型 渗透喷射式布袋风管的送风特性主要取决于风管内部 的空气流速和静压分布 建立布袋风管空气流速和静压分 布的模型对于研究布袋风管送风特性有着重要意义 基于元流能量方程模型的介绍与评价 李浩等人 和 等人 基于流体的元流能量 方程建立了喷射渗透系统内部静压和风速分布的数学模 型 忽略了喷射和渗透对局部阻力的影响 分别采用差分方 程和微分方程描述了质量守恒方程和基于元流的能量守恒 方程 本研究采用差分方程进行分析 假设渗透喷射式布袋 风管长度为 直径为 将风管分为 个管段 共有 个 截面 每段管段长度为 孔口数量为 单个孔口的面积为 具体情况见图 图 渗透喷射式布袋风管计算模型 根据质量守恒定律 第 个截面的流量等于第 个 截面的流量与第 个管段上以喷射渗透形式流出风管的流 量之差 质量守恒可表示为 式中 为流经第 个截面的流量 为流经 第 个截面的流量 为第 个管段的渗透流量 为第 个管段的喷射流量 基于元流的能量守恒方程可表示为 式中 为空气密度 为第 个截面的流速 为第 个截面的静压 为第 个截面的 流速 为第 个截面的静压 为沿程阻力系数 文献 表明 对于分流三通 在特定范围的流量比条 件下 直通管的局部阻力系数有出现负值的现象 这是因为 被导入旁支管的流体是由贴近风管壁面缓慢移动的边界层 流体组成的 具有较大动能的流体分子流向直通管 与分流 前总管内的流体平均动能相比 直通管内流体的能量有所 增加 所以 没有考虑渗透和喷射对局部阻力的影响是原 有模型的一个缺陷 此外 对于孔口喷射流量 渗透流量和沿程阻力系数可 以由式 决定 孔口喷射流量参照孔口出流公式计算 槡 式中 为喷射流量 为单位管段的孔口总面 积 为孔口出流系数 本文取 为管段静压 渗透流量采用标准量修正 槡 式中 为渗透流量 为单位管段表面积 为标准渗透流量 为标准渗透压力 沿程阻力系数采用阿里特苏里公式 如 式中 为风管壁面当量粗糙度 为雷诺数 基于总流能量方程的改进模型 其他 暖通空调 年第 卷增刊 为了克服原有模型中渗透和喷射对局部阻力的影响被 忽略等缺陷 本文提出了基于总流能量方程的改进模型 式中 为第 个截面处的总压力 为第 个截面处的总压力 数学模型与实测数据的比较验证 利用原有模型与改进模型对实测数据进行比较验证 风管壁面粗糙度取 孔口流量系数为 根据式 采用迭代法求解方程组 计算得到渗透喷射 式布袋风管 个工况的管内动压和静压沿风管的分布情 况 如图 所示 图 管内动压和静压沿风管的分布情况 工况 图 管内动压和静压沿风管的分布情况 工况 从图 可以看出 改进模型的理论值较之原有模型 与实测值更为贴合 特别是风量较大的情况下 如工况 在风量较小的情况下 如工况 由于测试误差较大 故 存在一定偏差 植物冠层温度影响因素研究 植物冠层温度关系到种植作物的生长 探究长距离温 室中植物冠层温度的分布情况及其影响因素对于温室运行 有着重大意义 植物冠层温度实测数据分析 本研究对 个测点的植物冠层温度进行了测量 结果 图 管内动压和静压沿风管的分布情况 工况 如表 所示 表 植物冠层温度 测点 均值 标准差 测点 均值 标准差 通过实测数据可以发现 植物冠层温度存在显著的 高度差异 植物冠层温度随着高度的增加而升高 且同一高 度的植物冠层温度随着高度的增加而更加不均匀 植物 架向阳侧测点的冠层温度显著高于植物架阴侧测点 基于上述发现 太阳辐照度是导致植物冠层温度分布 不均的潜在因素之一 下文对太阳辐照度对植物冠层温度 的影响进行进一步探究 植物冠层太阳辐照度仿真 利用 仿真软件对 排植物架的太阳辐照度 进行模拟 仿真参数 北纬 东经 时区 区 时间 太阳辐照度 仿真 结果如图 所示 图 植物冠层太阳辐照度模拟值 个测点的仿真数据如表 所示 植物冠层温度与影响因素的皮尔逊相关系数分析 皮尔逊相关系数用于度量 个变量之间相关性的统计 值 其值介于 之间 见式 暖通空调 年第 卷增刊 其他 表 植物冠层太阳辐照度 测点 均值 标准差 测点 均值 标准差 槡 槡 式中 为皮尔逊相关系数 为统计变量 表示对统计变量 求取协方差 分别为统计变量 的标准差 分别为统计变量 的期望 分别为统计变量 的 期 望 计算可得 植物冠层平均温度与太阳辐照度的皮尔逊 相关系数为 可认为是强相关 植物冠层温度标准 差与太阳辐照度的标准差的皮尔逊相关系数为 属 于不相关 表明植物冠层温度时间不均匀性不是由太阳辐 照度的时间不均匀性所导致的 结论 本研究基于 半封闭温室中长距离渗透喷射式布 袋风管送风的实测数据得到以下结论 布袋风管送风特性的改进模型较之原有模型提高 了长距离风管中的准确性 可指导布袋风管的设计与控制 温室植物冠层温度与植物冠层太阳辐射参数具有 强相关性 在温室设计和运行中需要特别注意太阳辐射对 植物冠层的影响 参考文献 丁小涛 金海军 杨少军 半封闭温室夏季降温及黄瓜 光合特 性 的 研 究 上 海 农 业 学 报 王雪萦 吴利瑞 刘东 长距离渗透喷射式布袋风管送 风均匀性实验研究 建筑热能通风空调 李浩 黄晨 王昕 喷射渗透式布袋风管送风系统送风 特性分析 暖通空调 何芬 马承伟 华北地区冬季温室植物冠层温度建模 农业机械学报 张军华 沈楷程 陈丹艳 等 基于物联网的日光温室 冠层特征温度时空变化规律分析 农业机械学报 汪小旵 丁为民 罗卫红 等 长江中下游地区夏季温 室黄瓜冠层温度模拟与分析研究 农业工程学报 李亮亮 王新忠 洪亚杰 等 不同遮阳工况下温室作 物冠层辐射场与温度场的 分析 农机化研 究 秦慧敏 关于通风管三通的局部阻力系数问题 建 筑技术通讯 暖通空调 其他 暖通空调 年第 卷增刊