大型立体种植温室温湿度模拟分析_蔡昊.pdf

专题研究 暖通空调 null 年第 卷第 期 nullnullnull 引用本文 蔡昊 梁珍 吕莹莹null大型立体种植温室温湿度模拟分析 null null暖通空调 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 大型立体种植温室温湿度模拟分析 蔡 null 昊 nullnull null 梁 null 珍 nullnull null 吕莹莹 null nullnull东华大学 上海 nullnull重庆大学 重庆 摘要 针对大型立体种植温室夏季高温高湿环境调控难题 本文使用 nullnullnull 进行模拟 构建 了温室物理模型 模拟分析了风机高度 风机流速及喷雾流量对室内温湿度场的影响 结果表 明 较低的风机安装高度 nullnullnullnull 有利于在有效降温的同时控制植物区湿度 避免高位风机 如 nullnullnullnull 导致的湿度过高问题 适中的风机流速 nullnullnullnull null 可平衡降温与除湿效果 避免高风速引 入过多高温室外空气 较低的喷雾流量 nullnullnullnull null 能在降温的同时 防止植物区湿度过高引发病 害 关键词 温室 温湿度控制 喷雾降温 机械通风 风机高度 风机流速 喷雾流量 null null null null null null null null null null null null nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull null nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null null null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull null null null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull null null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull null null nullnull nullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull null nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull null 蔡昊 男 nullnullnullnullnull生 在读硕士研究生 null 梁珍 通信nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 收稿日null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null 引言 全球气候变化与人口增长对粮食安全nullnullnull 峻挑null 农业温室系统通过人工调控环境因子 null 为保障null物高效生产的核心设施 随着设施农业 null大型化 集约化发展 null 如荷兰菊花单户栽培面 积显著扩大 null null季高温胁迫 内部温度常null nullnull null null为温室环境调控的关键瓶颈 null 立体种植模式通过垂null空间分层利用来nullnull 产量 null nullnull 上层种植喜nullnull物 下层种植喜阴null物 null剧了温 湿度场的垂null分布差异 对null统调控策 略nullnull了挑null 温室中的湿空气不仅null及到基本的热null递null 理 各物理场相null影响 null 还受到植物生长 光合null 用 相间交换等生物过程的影响 null 这些生物过程 与物理过程相nullnull用 进一步增null了系统的复杂 性 计算流体nullnull nullnullnull nullnull为温室环境模拟null null了重要工具 null nullnull 自 nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull 等人首 次将计算流体nullnullnullnullnull用到温室大棚 nullnull 以来 null内外nullnullnull多次将温度 湿度模拟值与实验值进 null比较 nullnull nullnullnull 误差均在可接受null围内 常伟null研究 了风机交错布置与对称布置及不同喷雾高度对大 棚温湿度场的影响 发现风机交叉布置 喷雾高度 nullnullnullnull 时null温效null较好 并且温湿度场都较为均 nullnullnullnull 暖通空调nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull年第nullnull卷第nullnull期 专题研究 匀 nullnull nullnullnull 等人nullnull了植物蒸腾null用对温室环境 的管理至关重要 nullnull 然而 针对大型温室立体种植场null下风机高 度 风机流速与喷雾流量等多因子null合效应 尤其 是同步考虑nullnull辐射 喷雾蒸发与植株生理代谢等 生物 null 物理过程 目前仍缺null系统性研究 为此 本 研究基于 nullnullnull 模拟 探究上述参数对大型立体种 植温室温湿度场的影响规律 null 模型设计与验证 null 物理模型 本模拟使用 nullnullnullnullnullnull 软件 通过控制null积法求null 物理场 如图 null null 所null 连栋温室大棚底面null寸为 nullnullnullnullnullnullnull 脊高 nullnull 拱形顶高 nullnull 地面摆有 null null nullnull 列的立体种植铝架 在 nullnullnull nullnullnullnull 高度处为 nullnullnull null 厚的植物种植区 此处壁面设为离null相面null口 模 拟植物蒸腾null用释null的水蒸气 设 null 个铝架面null口 模拟气肥释null二氧化null 大棚null侧各有 null 台风机模 拟机械通风 顶部null面天窗为null风口 如图 null 所null 在植物区的上部设置 nullnullnull 个喷雾null温喷头 图 null 大棚物理模型 图 null 大棚进出口 图 null 喷头位置 null 边界条件 表 null nullnull了进null口边界条件设置 以风机风null 由外null内吹null 正压通风 风速 nullnull null 为例 null 求null器null择 nullnullnullnullnullnull 中null择压null求null器 采用null态 null null态 的模拟方法观察流场 湍流模型采用 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 模型 此模型null被有效地应用于多种不同类型的 流动模拟 nullnull 图 null 显null了本模型量纲一 null null 值 nullnull nullnullnull 分布 平 均 nullnull 近壁面模型null取 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 能够自 动根null null null 值null择不同的湍流规律 null态计算采用 nullnullnullnullnullnullnull 压nullnull合求null器 null态 计算采用 nullnullnullnull 求null器 离null插值方法中null度null用 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 压nullnull用 nullnullnullnullnullnull 因 开启的方程模型较多且复杂 对流项与离null相均null 用 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 三nullnull度 表 null 边界条件设置 边界 类型 参数设置 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 地面 nullnullnullnull 温度 nullnullnull 离null相类型 nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 塑料薄膜 nullnullnullnull null热系数 nullnullnullnullnullnullnull null null null 来流温度 nullnullnullnullnull 辐射边界模型类型 半透明 离null 相类型 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 壁面植物区 nullnullnullnull 温度 nullnullnull 离null相类型 nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 壁面铝制植物架 nullnullnullnull 温度 nullnullnull 离null相类型 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 天窗 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 表压null nullnullnull 抑制回流 离null相类型 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull 风机null口 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 速度 nullnull null 温度 nullnullnullnullnull 组分 nullnullnull nullnull nullnullnull nullnull 离null相类型 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull 气肥 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 流量 nullnullnullnullnull null 温度 nullnullnull 组分 nullnullnull nullnull 离null相类型 nullnullnullnullnullnullnull null null设 为简化计算 null以下null设 null 数值null口局部单 null化 null 忽略液滴与液滴之间的碰撞与破碎 null 对流体采用 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null设 null 忽略植物光合 蒸 腾null用随时间 温度的变化率 采取孔德政等人研 究的正常null水 nullnull null云菊花实验组的值 nullnull 蔡 null 昊 等 大型立体种植温室温湿度模拟分析 nullnullnullnull 图 null 值分布 null null格划分及无关性验证 使用 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 进nullnull格划分 采 用主流四面体null格 单元null寸为 nullnullnullnullnull 捕捉曲 率为 nullnullnullnull 捕捉邻近度为 nullnullnullnullnull 植物附近进 nullnull密 如图 null 所null 生null nullnullnullnullnullnullnullnullnull 个null格 平均 偏度 nullnullnullnull 最大 nullnullnullnull 平均正交质量 nullnullnullnull 最小 nullnullnullnull 质量较优null 可以用于模拟计算 图 null 网格化处理 null格无关性验证如图 null 所null 对 null 个测点进null null控 可见温度变化均很小 图 null 温度测点随网格数的变化 null 模型验证 将本模拟结null与 nullnullnullnull null null 月上海市农业科null 院的实验数null进null对比 nullnull 采用连栋薄膜温室 每 一跨度 nullnull 脊高 nullnull 顶高 nullnull null侧安装有轴流 风机 每台额定进风量为 nullnullnullnullnullnullnull null null 可 nullnullnullnull nullnullnullnull 变速调null 喷雾系统由null水泵 过滤装置 null 水罐等组null 喷头喷嘴孔径为 nullnullnullnullnull 可形nullnull 径为 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 的水雾 测量仪器采用 nullnullnullnullnull 壁挂型温湿度变送器 温度测量null围为 nullnullnullnullnullnullnullnull null度为 nullnullnullnullnull 相对湿度测量null 围为 nullnullnullnullnullnull null度为 nullnullnull 在水平高度 nullnullnullnull 处均匀设置 null 个测点 nullnull 模拟结null与实测数null的 比较如图 null null 所null 最大温度误差在测点 null 实测 温度 nullnullnullnullnullnull 模拟温度 nullnullnullnullnullnull 相对误差为 nullnullnullnullnull 最大相对湿度误差在测点 null 实测相对湿 度 nullnullnull 模拟相对湿度 nullnullnull 相对误差为 nullnullnullnullnull 温度与相对湿度的误差都很小 可以用所建模型进 null研究计算 图 null 测点温度实测与模拟对比 图 null 测点相对湿度实测与模拟对比 null 模拟结果与讨论 null 不同风机高度对大棚温湿度的影响 菊花在 nullnullnull 的环境下生长null况最好 nullnull 有温 度 相对湿度 null 个null标 此环境下优先考虑温度 nullnull 采用植物区 nullnullnullnullnullnull 与 nullnullnullnullnullnullnull 个平面的平 均温度 温度nullnullnull好 并且控制相对湿度在 nullnullnull 以下 本研究基于 nullnullnullnull null null 月上海市农业科null院室 外气象条件 模拟了不同风机高度对温室内温湿度 场的影响 实验设置了 nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null 组风机高度 通过喷雾null温系统 分析了温度 相 nullnullnullnull 暖通空调nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull年第nullnull卷第nullnull期 专题研究 对湿度的动态变化 图 null nullnull 分别显null了不同风机 高度温室内的平均温度 相对湿度 图 null 不同风机高度温室内平均温度 图 null 不同风机高度温室内平均相对湿度 温度控制方面 风机高度null高 null温效nullnull显 著 nullnullnullnull 高度的风机组在 nullnullnullnull 时将温度从 nullnullnullnullnull null null至 nullnullnullnullnullnull 为 null 组中最佳 这是由于高位风 机能够更有效地驱动热空气null上移动并排null温室 从而促进冷空气的均匀分布 相比之下 nullnullnullnull 高 度的风机组null温效null较弱 温度仅null至 nullnullnullnullnullnull null 因是null位置风机导致热空气在温室顶部集聚 热量 分null效null较差 nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull 高度的风机组null温 效null介于 nullnullnullnull 与 nullnullnullnull 风机组之间 温度分别null 至 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 表明风机高度在 nullnullnullnull nullnullnullnull null围内对null温效null的nullnull有限 湿度控制方面 风机高度与湿度上null呈正相关 nullnullnullnull 高度的风机组相对湿度null至 nullnullnullnullnullnull 为 null 组 中最高 null因是高位风机null速了空气循环 使湿气迅 速从底部null上扩null并积累 nullnullnullnull 高度的风机组相 对湿度null至 nullnullnullnullnullnull 相对湿度控制效null最佳 因其 能够及时将室外干空气吹null植物区 nullnull局部湿度 nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull 高度的风机组相对湿度分别为 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 和 nullnullnullnullnullnull 湿度控制效null介于 nullnullnull null 与 nullnullnullnull 风机组之间 高位风机null然null温效null显 著 但会导致植物区相对湿度过高 甚至null过 nullnullnullnull 形null雾区 可能引发病虫害 不利于null物生长 为进一步评估植物区的相对湿度分布 在 nullnull nullnull 处设置了 null 条测量线 分别贯穿 nullnullnullnullnullnull 和 nullnullnullnullnullnull 的植物区中心 植物区相对湿度分布如 图 nullnull 所null 可以看null nullnullnullnull 高度的风机组在植物 区相对湿度nullnullnull过 nullnullnull 甚至形null小液滴 为简 化计算 未启用液化模型 相对湿度null过 nullnullnullnull 的 点即认为产生小液滴 null重影响null物生长 nullnullnull nullnullnullnull 高度的风机组null略有改善 但植物区相对湿 度仍较高 nullnullnullnull 高度的风机组大部分区null相对湿 度控制在 nullnullnull 以下 但高湿度区仍偏多 nullnullnullnull 高 度的风机组相对湿度控制最佳 植物区相对湿度大 部分在 nullnullnull 左右 仅少数测点null过 nullnullnull 综上所述 风机高度的null择需综合考虑null温效 null和湿度控制 null然 nullnullnullnull 高度的风机在整体null 温效null上表现最优 但其导致植物区湿度过高 不 利于null物生长 nullnullnullnull 高度的风机null然在null温效 null上稍逊 但在湿度控制方面表现最佳 能够为null 物nullnull更适宜的生长环境 因此 在单因素条件 下 nullnullnullnull 高度的风机为最佳null择 能够在 nullnullnullnull 左 右将室内平均温度从 nullnullnullnullnullnull nullnull至 nullnullnullnullnullnull 最 终null定在约 nullnullnullnullnullnull 室内平均相对湿度上null至约 nullnullnullnullnullnull 植物区相对湿度控制在 nullnullnullnullnullnull 上下 null 不同风机流速对大棚温湿度的影响 不同的风机流速决定了空气的流动速度 水雾 的扩nullnull围及蒸发冷却效null 会对温室内温湿度场 产生影响 研究在相同null始化与边界条件下 针对 nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull 种风机流速 探究其 对温室内温湿度的影响 图 nullnull nullnull 分别显null了不 同风机流速下温室内平均温度 相对湿度 从温度变化来看 nullnullnullnull null 流速下在null始 nullnullnull 内null温最快 从 nullnullnullnullnullnull null至 nullnullnullnullnullnull 但因流速过 大nullnull大量室外高温空气 nullnullnullnull 后null温效null最差 nullnullnullnull null 流速下类似 前nullnull温快 随后变化趋势最 先nullnull且最终null定温度较高 nullnullnullnull null 和 nullnullnullnull null 流 速下null始null温慢 但 nullnullnullnull 内温度持续下null 最终null 温效null明显 达 nullnullnullnullnullnull 左右 nullnullnullnull null 流速下温度 随时间逐渐下null nullnullnullnull 时null至约 nullnullnullnullnullnull 相对湿度方面 nullnullnullnull null 流速下温度下null快 同时 相对湿度上null也最快 nullnullnull 从 nullnullnullnullnullnull 增至 nullnullnullnullnullnull 蔡 null 昊 等 大型立体种植温室温湿度模拟分析 nullnullnullnull 图 null 植物区相对湿度分布 图 null 不同风机流速下温室内平均温度 图 null 不同风机流速下温室内平均相对湿度 最终null定在 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null 流速下相对湿度上 null略慢 平null后为 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null 流速下上null幅 度大 最终达 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null 和 nullnullnullnull null 流速下 null始相对湿度上null慢 但后半程均趋于 nullnullnullnullnullnull 不利于菊花生长 图 nullnull 显null了不同风机流速下植物区相对湿度 分布 可以看null nullnullnullnull null 流速过null 植物区大部 分区null相对湿度高于 nullnullnull 上层null nullnullnullnull 形null雾 区 nullnullnullnull null 流速下有所改善 但仍有较多区null相 对湿度在 nullnullnullnullnullnullnullnull 之间 nullnullnullnull null 流速下少数 区null相对湿度高于 nullnullnull nullnullnullnull null 和 nullnullnullnull null 流速 下大部分区null相对湿度可控制在 nullnullnull 以下 nullnullnull null null 流速下大多null持在 nullnullnullnullnullnullnull 高流速风机null能null速水雾扩null和蒸发冷却 短 时间nullnull局部温度 但会nullnull高温null湿的室外空 气 既抵消了部分null温效null使整体平均温度null高 又稀释了室内湿空气 综合室内平均温湿度与植 物区湿度分布 nullnullnullnull null 和 nullnullnullnull null 流速下null温明 显但植物区湿度易过高 有病虫害风null nullnullnullnull null 和 nullnul