玻璃温室立面垂直提升窗应用效果_李一昕.pdf

设施农业 nullnullnullnull 设施农业 nullnullnullnull 18 19 农业工程技术 设施农业 摘要 目前国内玻璃温室立面开窗主要采取人工手拉窗 外翻窗 以及垂直提升等方式 人工手动拉窗类似于家用的窗户 自动化 程度低 另外两种方式都是通过电机传动方式实现自动化开窗 适合现代农业发展方向 该文借助软件仿真模拟 计算比较通风 效果 并通过实际应用 总结了玻璃温室立面提升窗的应用效果 旨在为相关从业人员提供参考 关键词 立面垂直提升窗 软件仿真模拟 探讨分析 中图分类号 S6 2016年开始中国进行了大规模的玻璃温室引进 温室的 大框架结构保持了VENLO型形式 玻璃温室与薄膜温室相比 其保温性更好 但也带来一些问题 比如夏季高温天气 玻璃 温室内的气温会非常高 不利于作物生长 只采取强制降温措 施又会大幅度增加能耗 因此 玻璃温室都会设置立面开窗的 自然通风方式 以上海地区为例 玻璃温室夏季棚内气温可达 55 以上 单纯依靠湿帘 风机等降温设备 将大大增加设施 的能耗费用 从而增加生产成本 为降低能耗成本 温室良好 的自然通风结构设计得到重视 其中四周立面加大通风面积有 利于温室的自然通风 比较常用玻璃温室立面开窗形式为外翻 窗和垂直提升窗 外翻开窗是通过传动机构 将窗体的一侧抬 高 开启时会形成一定角度 垂直提升窗指的是通过传动机构 将窗体整体向上提升 本文将通过利用仿真模拟对比有无立面垂直提升开窗两种 情况下玻璃温室内温度的分布情况 计算对比立面垂直提升开窗 与侧翻窗的通风效果 对比实际场景中立面垂直提升窗与侧翻窗 建造使用的特点等三个维度来对玻璃温室立面垂直提升窗进行优 势分析 1 对比玻璃温室立面有无开窗情况的内部温度分布 1 1 仿真模拟软件选择 本文选用Ansys Fluent流体动力学软件进行仿真模拟 1 Ansys Fluent广泛应用于航空航天 汽车工程 能源 环境工程 化工和流程工业等领域 例如 在航空航天领域 可以用于分析 飞机和宇宙飞船的气动特性 在汽车工程领域 可以模拟汽车内 部的空气流动和热管理系统 总的来说 Ansys Fluent是一款 功能强大 易于使用且高效的流体动力学仿真软件 它能够帮助 工程师优化产品设计 减少物理测试 降低开发成本并加快产品 上市时间 1 2 仿真模拟对比方法选择 利用三维软件Solidworks完成玻璃温室建模 建模玻璃温 室 图1 屋脊为南北方向 8 m为1跨 共8跨 东西开间为 4 m 1 间共 4 间 总面积为 1024 m 2 玻璃温室配备了四周立面 垂直提升窗 屋顶蝶形开窗 内外遮阳网 另外为方便后续仿真 做了三点简化处理 忽略了温室 钢架结构的温度 阴影和体积对温室内环境的影响 2 温室 内生长有青菜 将青菜种植区整体划归为一个长宽高62 m 14 m 0 4 m的长方体 内外遮阳网只在仿真时做材料属性特 性赋值 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 玻璃温室立面垂直提升窗应用效果 李一昕 张晓文 朱春燕 宋丽萍 上海市农业机械研究所 上海 闵行 201106 图1 建模玻璃温室 在开始仿真模拟前 首先需进行前处理 即对所选的玻璃 温室计算区域 图2 进行网格化划分 3 网格的数目和质量对 仿真过程有重要的影响 使用 Fluent 计算流体力学 CFD 进 行数值模拟时 网格划分是连接 连续流场物理模型 与 计算 机数值计算 的核心桥梁 其本质是为了实现 控制方程的离散 化 这是CFD能够求解复杂流体问题的根本前提 若不进行 网格划分 计算机无法处理连续流场中的偏微分方程 如纳维 斯托克斯方程 更无法得到具体的流场参数 速度 压力 温 度等 本次模拟共分两次划分网格数 一次为无立面开窗 划 分网格总数为754084 图3 另一次为有立面垂直提升开窗 划分网格总数为811477 设施农业 nullnullnullnull 设施农业 nullnullnullnull 20 21 设施装备工程 Agricultural Equipment 其次 需对玻璃温室的覆盖材料进行仿真处理 夏季温室 生产时 太阳光照射到温室覆盖层 一部分被表面反射 一部分 被覆盖材料吸收 其余进入温室被室内空气介质 作物和地面吸 收 从而引起室内温度的升高 因此覆盖材料相关材料的属性仿 真对模拟温室环境极为重要 2 玻璃温室主要覆盖材料为玻璃 参数如表1 另外还考虑到内外遮阳网 防虫网等材料对太阳热 辐射以及通风量影响 也需要进行仿真处理 内外遮阳网采用70 遮阳率的遮阳网 在仿真处理时 按 70 的遮光率遮挡住太阳辐射 防虫网主要影响通风量 在仿 真软件中 选用40目的聚酯单丝纤维 关键影响因素为孔隙 率 4 根据公式 孔隙率 孔洞面积 单个网孔单元的总面 积 100 经计算 丝径为 0 2 mm 40 目防虫网的孔隙率为 27 1 最后需要完成仿真边界条件的设计 边界条件通俗讲就 是仿真的气象条件 表2 图2 玻璃温室计算区域图 图3 无立面开窗网格数 表 1 温室模型中材料属性相关参数 表2 边界条件的选用 图4 截取位置图 材料 密度 kg m 3 比热容 J kg k 导热系数 W m k 吸收系数 散射系数 折射率 空气 1 2250 1006 4200 0 0242 0 1900 0 0000 1 0000 玻璃 2200 00 830 00 1 15 0 10 0 00 1 50 边界 气温 风向 风速 热辐射值 太阳入射角度 数值 36 东南风 3 5 m s 1000 W 82 15 这里选用的气象条件为上海地区夏季的气象条件 此外 需要说明的是热辐射值的选用 实际大气层外的热辐射值约为 1361 W 本次仿真中 受软件所限 风速只能为恒定值且无 法考虑温室内植株的呼吸作用产生的热量 因此为了仿真结果更 为明显 所以放大了热辐射值的数值 1 3 对比结果及分析 利用控制变量法 进行对比分析 在相同上诉边界条件下 相同配置的玻璃温室 除开窗情况不同外其余均相同 持续照射 1 h后 对比有无立面垂直提升开窗的玻璃温室内部温度分布情 况 截取相同位置的温室内部温度分布图进行对比分析 图4 首先 对温度分布图表观察对比可以发现 玻璃温室蝶形开 窗通风口受风的影响会被带走热量 因此在屋顶部的温度一直能 维持较低水平 且向阳侧面的温度处于较高水平 其次 当无立面开窗 只存在顶部蝶形开窗时 由于开窗面 积和位置影响导致玻璃温室内部的热量无法被带走 温度分布区 间维持在较高区间 其中截面2至截面4处于温室内部位置 其 温度主要分布在40 43 而当有四周立面垂直提升窗时 由 于开窗位置得到了优化 形成了对窗效应且开窗面积得到大幅度 提升 截面2至截面4的温度主要分布在36 37 并且通过 对温度图的比较还可以发现 有立面垂直提升开窗的玻璃温室内 部温度分布较为均匀 更利于植株生长和实际生产时的环境调控 而无立面开窗的玻璃温室内部温度分布则不均 最后 通过仿真模拟比较分析可以得出 玻璃温室在建造时 采用立面垂直提升窗进行通风对于夏季生产时内部降温具有明显 设施农业 nullnullnullnull 设施农业 nullnullnullnull 20 21 农业工程技术 设施农业 图5 提升窗机械结构 图6 侧翻窗结构 的帮助作用 2 立面垂直开窗与侧翻窗的通风效果对比 2 1 立面垂直提升窗结构 垂直提升窗又叫升降窗 垂直提升部分窗体沿两侧滑槽 在 传动轴的带动下上下移动 提升窗主要机械结构是依靠齿轮齿条 传动 完成上下平行升降 由减速机输出动力至传动轴 传动轴 上安装齿轮箱 齿条则安装在提升窗体上 与垂直移动窗体竖档 平行 再由齿轮齿条完成啮合后 形成动力机构 此外 为引导 窗体上下平行移动 在提升窗体上还安装导轨管 使窗体沿着导 轨竖直方向运动 图5 表3 温度分布图 立面情况 最高温度 最低温室 温度主要分布区间 温室内温度分布是否均匀 无开窗截面1 45 35 39 42 不均匀 有垂直提升窗截面1 45 35 36 39 均匀 无开窗截面2 45 35 40 43 不均匀 有垂直提升窗截面2 45 35 36 37 均匀 无开窗截面3 45 35 40 43 不均匀 有垂直提升窗截面3 45 35 36 37 均匀 无开窗截面4 45 35 38 41 不均匀 有垂直提升窗截面4 45 35 36 37 均匀 无开窗截面5 45 35 38 40 不均匀 有垂直提升窗截面5 45 35 36 39 均匀 2 2 侧翻窗结构 侧翻窗将可移动窗体的一端抬高 开启时会与温室立面形成 一定开启角度 图6 侧翻窗主要机械结构是依靠齿轮齿条传动 完成与温室立面 呈一定角度的打开 由减速机输出动力至传动轴 传动轴上安装 齿轮箱 齿条的一端通过齿条挂脚与侧翻窗体的下边缘横档相连 接 齿轮齿条在齿轮箱内完成啮合 由减速机带动传动轴转动 再由传动轴上的齿轮带动齿条运动 最终将侧翻窗体的下端拉高 至一定高度 而侧翻窗体的另一端通过铰链固定于玻璃温室立面 框架 只转动不位移 形成侧翻开窗 2 3 通风效果对比分析 实际通风效果对比 通风效果常用通风换气次数或者通风量 来衡量 5 依据公式 通风量 开窗有效面积 空气流速 换气次数 ACH 每小时通风量 m h 房间体积 m3 即为ACH Q V1 Q 每小时通风量 A V2 3600 其中 A为有效开窗面积 若形成对窗 有效开窗面 积为各窗口面积的平方和再开根号 V2指流过窗口的平均风速 设施农业 nullnullnullnull 设施农业 nullnullnullnull 22 23 设施装备工程 Agricultural Equipment 取决于室外风速值 3600为单位换算系数 将秒转化为小时 垂直提升窗与侧翻窗开窗面积理论上可以做到一致 但由于 开窗后形成的开窗窗体位置不同 提升窗开启后移动部分的窗体 与温室立面紧贴 图7 侧翻窗完全开启后移动部分窗体与温 室立面垂直或成一定角度 图8 图7 垂直提升窗开启后简图 图8 侧翻窗开启后简图 图9 气流简图 现实中生活中 大气风向会随时改变 会与温室立面呈一定 的夹角 因此 侧翻窗开启后 会阻挡一部分风吹入温室内部 而垂直提升窗则几乎不会阻挡风 图9 所以根据Q 每小时通风量 A V2 3600 当两种开窗方 式开窗面积一样时 侧翻窗形成的有效通风面积A会小于提升窗 而且随着开窗面积的增大 侧翻窗阻挡的有效通风面积也会增大 最终导致 侧翻窗的通风效果小于提升窗 3 两种开窗实际使用效果对比 常见的侧翻窗需要将整套设备安装于温室框架外部 单独安 装立柱 占用额外土地 而提升窗紧贴玻璃温室立面 不占用温 室框架以外地方 且对温室外围地形要求相对低 农业项目原本 就对土地的使用率有一定的要求 如果使用侧翻窗 那么还会进 一步降低土地的使用率以及收益率 此外 日常运行中侧翻窗整套设备包括减速机 齿轮齿条 传动轴 轴承等部件均在露天放置 而提升窗的动力装置 传动 部件等均位于内部 由此分析可得 经过长时间运行 侧翻窗的 损耗会大于提升窗 因此带来的维护成本也会高于提升窗 4 结语 通过上述三个维度的比较分析可以看出 玻璃温室在夏季生 产使用时 采用立面垂直提升窗的方式进行自然通风可以有效降 低温室内部的温度 减少对能耗设备的使用 此外 对比侧翻窗 的开窗方式 垂直提升窗也具有一定的比较优势 参考文献 1 毛小雨 沙雨宁 陶雨霖 等 ANSYS在流体动力学分析中 的应用 J 广东化工 2021 48 1 30 31 48 2 洪亚杰 不同通风方式下大肩高玻璃温室温度场CFD分析 与试验研究 D 镇江 江苏大学 2018 3 宋晨光 郑源 姜镐 等 垂直轴风机CFD模拟的网格划分策 略和湍流模型研究 J 太阳能学报 2016 37 8 2080 2087 4 闫冬梅 徐开亮 张秋生 等 不同目数防虫网的风荷载试 验研究 J 农业工程技术 2020 16 5 潘武轩 住宅自然通风量计算方法及大涡模拟研究 D 天 津 天津大学 2021 项目支持 上海市农业科技创新项目 设施青菜绿色高效生 产系统集成应用 沪农科 I2023001 作者简介 李一昕 本科 工程师 主要从事园艺设施设计 相关工作 引用信息 李一昕 张晓文 朱春燕 等 玻璃温室立面垂直提升窗应用效果 J 农业工程技术 2026 46 6 19 22