张伟建　王新忠　李亮亮　洪亚杰

摘要：为研究遮阳网对屋顶全开型温室夏季降温的影响，建立屋顶全开型温室的计算流体动力学（CFD）模型，在上海地区进行夏季试验。通过对比试验实测值与模拟值验证了模型的有效性，并利用试验和CFD模型分析了遮阳网对温室降温的影响，结果表明，遮阳网的使用层数对温室降温影响明显，2层遮阳网下温室室内外温差为4.5 ℃，1层遮阳网下为3.7 ℃，无遮阳网为1.3 ℃；利用CFD模拟分析了增加外遮阳网后的温室内温度场，在基本满足植物生长光照要求的情况下，温室接收的太阳总辐射降为176.3 W/m2，室内平均温度降为37.6 ℃，温室内局部高温状况也被大大缓解。

关键词：遮阳网；夏季降温；屋顶全开型温室；CFD

中图分类号： S625.5+1 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）19-0253-04

收稿日期：2016-04-27

基金项目：国家科技支撑计划（编号：2014BAD08B03）；江苏省重点研发计划（编号：BE2016323）；江苏省昆山市科技计划（编号：KN1504）。

作者简介：张伟建（1988—），男，江苏连云港人，硕士研究生，主要从事温室流场方向研究。E-mail：9492945497@qq.com。 夏季降温一直是困扰玻璃温室种植的一个重大问题，采用机械通风降温，耗能较高，且易形成不均匀的温度场，造成作物品质下降。采用自然通風时耗能少，温度分布均匀，但传统温室的设计方式使温室天窗通风率低，难以实现自然通风的有效降温。屋顶全开天窗型温室增强了温室自然通风效果，配合遮阳网的使用，在夏季高太阳辐射弱风天气中达到很好的降温效果。这种新型温室在我国尚处在推广期，有待进一步加强对其的试验分析和理论研究。

目前，温室流场研究大多针对塑料大棚或普通文洛型温室展开[1-3]，表明计算流体动力学（computational fluid dynamics，简称CFD）方法是温室流场研究中的有效手段。遮阳网是重要的温室调控设备，对温室室内温度、湿度等环境参数的调节都起到了非常重要的作用。沈明卫等利用布点测量的研究方法分别建立了遮阳网对温室内环境调控影响的光辐射模型，该模型可以在测得室外光照度和遮阳网自身参数的情况下预测遮阳温室的室内光照情况[4-6]。Abdel-Ghany等给出了不同遮阳网布置下遮阳温室对室外辐射值的接收情况[5-6]，为使用CFD方法进行遮阳网对温室调控影响的模拟提供了直接参考。Willits等利用布点测量的方法研究发现，遮阳网的使用不仅有利于温室的降温，也有利温室内植物水分的保持[7]。李永欣等采用了辐射折算的方法成功地在CFD中模拟了遮阳网对温室内环境的影响[8]。遮阳网对温室的调控作用巨大，已有文献主要针对温室中的某几个点分析遮阳网的影响，利用CFD手段从整体温室流场角度研究遮阳网对温室调控的影响。总之，前人的研究多针对大棚温室、日光温室等传统温室类型，针对屋顶全开窗型温室的研究较少，尤其是考虑遮阳网后的屋顶全开窗型温室自然通风调控的研究。

本研究对屋顶全开窗型温室进行了夏季高温天气下的实测试验，对比不同遮阳网层数工况下室温的变化情况，分析遮阳网使用层数对温室降温的影响。利用温室CFD模型描述温室内的温度分布，模拟分析在增加外遮阳网后温室的流场分布情况，为使用遮阳网降温调控提供参考。

1 试验方案与CFD建模

1.1 试验对象

试验屋顶全开型温室是位于上海金山区的连栋温室，温室南北走向，共3跨，温室整体长41.10 m，宽28.80 m，檐高 4.32 m，脊高5.30 m，天窗可开至水平倾角52°，选取温室中间1跨进行室内温度测量。温室配备2层室内遮阳网，分别位于距地4.0、4.5 m的高度上。温室东西2面玻璃墙无通风设备，北墙有风机，尺寸为1.38 m×1.38 m，距地0.32 m，每跨2台，均匀分布在跨间宽度上，南墙有湿帘，距地0.4 m，湿帘宽1.5 m（图1）。在CFD建模分析时，以正东向为x轴正向，以向上高度方向为y轴正向，以正南向为z轴正向，温室西北角立柱和地面交点为坐标轴原点。

1.2 试验方法

使用ZDR-3WIS型温度自动记录仪对温室内温度进行测量，设置记录时间间隔为5 min，每个温度记录仪有3个温度测量探头，测量时，3个探头分别分布在0.7、1.3、2.2 m等3个不同的高度上，将记录仪布置成2个成十字交叉的竖直面（图2）。

使用TYD-ZS2型环境数据记录仪记录外部环境数据，设置记录时间间隔为1 min，该气象站可测量室外的太阳总辐射、光照度、气温、风速、风向等环境指标。2015年8月1日13：50—15：20对屋顶全开型温室进行室内外参数的测量，气象站位于距温室20 m的室外空旷处，温室2层室内遮阳网都打开，东西2跨中仅中间小屋顶（指每跨屋顶中有3个小屋顶）的天窗打开，居中1跨的3个小屋顶全部打开，将北山墙的风机后盖打开，温室北端外部气流从风机口的位置进入温室，温室南端以南山墙干湿帘透气孔为通风口。试验中，使用FLUKE Infrared Thermometers 568红外点温仪进行温室内外地面和玻璃温度的测量，每15 min测量1次。

1.3 模型设置

1.3.1 模型边界条件和材料属性设置 本研究在ICEM软件中建立了几何模型，该模型设立10倍于温室长宽高尺寸的计算域。对模型进行网格划分，整体划为343万个网格，其中温室网格92万个。根据温室的空气流动特征[9]，在Fluent中选取标准k-ε湍流方程，选取DO辐射模型进行计算。仿真中，将实测风向、风速进行矢量分解，设置西侧和南侧计算域为进风口，风速都设置为0.566 m/s，东侧和北侧为出风口。

选取13：50时的环境参数验证模型。按照实际测量的温度值设置内外地面及覆盖材料模型中的温度，模型中空气、地面和玻璃等材料的属性设置如表1所示。endprint

1.3.2 遮阳网和干湿帘在数字模型中的设置 本研究根据已有的关于遮阳网的研究文献[5-6]，结合试验屋顶全开型温室所用遮阳网具体材料的物性参数，通过辐射折减的方式实现温室遮阳的模拟。模拟设置中，将辐射值由 821.000 W/m2 的室外太阳辐射折减为2层遮阳网下的 341.257 W/m2。

在试验过程中，发现湿帘通风口在夏季高温条件下对温室山墙通风有很大影响，在模型中应反映干湿帘的影响。通过分析干湿帘对空气的阻碍特性，本研究在模型中将干湿帘视作多孔介质，并且忽略流体的非线性惯性损失量，由基本渗流定律[10]得出：

ΔP=-μvαΔm。（1）

其中：ΔP为流体在材料两侧的压力差，N/m2；μ为流质黏度，取18.6 μPa·s；v为流质到达材料表面的速度，取实测值 1.3 m/s；α为材料的渗透率，m2；Δm为材料的厚度，测得为0.1 m。

忽略温室内外热压的影响，利用实际测量的干湿帘两侧风速值，通过伯努力风-压普遍应用关系[11]求得：

P=0.5ρv2。（2）

其中：P为风压；ρ为空气密度，取1.25 kg/m3；v为风速。可利用试验中实测的湿帘两侧风速通过公式（2）求出气压差。一侧风速为1.3 m/s，另一侧为0.3 m/s，所以，求得气压差ΔP=-1 N/m2。在取得ΔP、μ、v、Δm值的情况下，可通过公式（1）求得湿帘材料的渗透率α=2.4 mm2。

2 結果与分析

2.1 不同的遮阳网工况下温室降温效果分析

图3为温室在2层内遮阳网、1层内遮阳网和无遮阳网3种遮阳工况下温室室内温度和室外温度的数据对比，数据记录时温室都处在自然通风状态。分析可见，遮阳网的使用层数对温室降温调控的影响明显，在2层遮阳网下，温室内外温度平均相差4.5 ℃；当变为1层遮阳网时，室内外温度平均相差3.7 ℃；当无遮阳网时，室内外温度平均仅相差13 ℃。

2.2 CFD模型的验证

经过模拟，将室内相同位置的模拟值和试验实测值进行对比。以1～7的排列顺序将2.3 m高度温度传感器的探头位置记为P1～P7，1.3 m高度记为P8～P14，0.7 m高度记为P15～P21，将各位置上的模拟值和试验实测值进行对比，对比情况如图4所示。

由图4可见，在各个高度上，模拟值与实测值的变化的趋势基本一致，两者最大相对误差为6.1%，最小相对误差为03%，实测值与模拟值的平均相对误差为1.1%，验证模型有效。

2.3 温室温度场的CFD分析

由图5可以看出，温室温度分布整体的均匀情况较差，尤其在温室西北方向形成一大片的高温区域，不利于作物种植。

由图6可知，距地面1 m处沿温度长度方向上的最高温度为39.8 ℃，最低温度为38.7 ℃，平均温度为39.3 ℃。结果表明，在距地面1 m高度处温室不同位置的温差较大，并且温度整体偏高。

2.4 基于CFD的屋顶全开型温室的遮阳网降温调控

为模拟温室加设外遮阳网的工况，在CFD模型中需要对遮阳网遮盖区域进行辐射折减。通过文献资料[5-6，12]分析，如模拟温室使用2层内遮阳和1层外遮阳的工况，须要将模型中室外太阳总辐射在原始值824.0 W/m2的基础上折减为1763 W/m2。根据文献[13]的光照模型，并结合遮阳网材料参数，此状态下温室的室内光照度为31.5 klx，光照度值处在大多数花卉的光补偿点和光饱和点之间，满足植物对光照度的要求。

3 结论

遮阳网使用层数对温室的降温影响明显，在2层遮阳网下，屋顶全开型温室室内温度与室外温度平均相差 4.5 ℃；1层遮阳网下，室内外温度平均相差 3.7 ℃；当无遮阳网时，室内外温度平均仅相差1.3 ℃。

假设温室的空气流动符合标准壁面函数，选取标准k-ε湍流方程做温室湍流模拟，选取DO辐射模型作为辐射计算方法，建立并实测验证了屋顶全开型温室CFD模型的有效性。利用CFD模拟加设外遮阳网后温室的温度场情况，在调控温室接收的辐射值折减为176.3 W/m2后，室内光照度基本满足植物生长要求，温室内的平均温度变为37.6 ℃，比现行工况降低了0.8 ℃，且温室内局部高温的情况被大大缓解。

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