程 雪，黄伊锐，任昊宇，任振辉

（1.河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001；2.河北农业大学 现代科技学院，河北 保定 071001）

花卉的生长和质量取决于环境参数，与大多数农业生产系统相比，机械通风温室在夏季为花卉的生长提供了更好的环境条件，以实现最佳的植物生产[1-2]。目前研究人员使用物理传感器通过不同硬件架构来监控、预测温室环境，例如无线传感器网络(WSN)，然而在温室内安装温度传感器增加了工程和管理成本，传感器网络可以更全面地监测温室环境[3-6]，但成本较高，并且后期还需要考虑传感器系统的校准等维护问题，另外传感器长期暴露在阳光和湿度下可能导致故障或损坏，造成经济损失[7]。

随着计算流体力学的发展，Computational fluid dynamics (CFD)技术被应用于温室模拟。2017年Ntinas等人利用计算流体力学(CFD)对温室气流场进行数值模拟了解不同模型对气流场模拟性能的影响[8]；2018年Lee等人利用计算流体动力学(CFD)技术，将计算得到的温室通风量与控制温室温度所需的通风量进行比较，对单跨温室自然通风率进行了评估[9]；2017年Hu等人建立了灌溉水加热过程的动态计算模型，利用实测数据揭示了温室蓄热库的动态六面体边界条件[10]；2016年He利用太阳辐射模型模拟温室内部的太阳辐射质热交换，在模拟中考虑了太阳辐射与作物间质热交换等物理问题,并采用边界条件简化太阳辐射[11]；2019年Iken等人采用二维计算流体 (CFD)方法，对1种能够控制温室效应产生的智能DSF配置进行了数值模拟，根据外部气候条件有效地控制温室效应[12]。

很多模型虽在温室环境控制中应用便捷,但其模拟精度较差,未充分考虑真实温室的环境值[13]，掌握温室内环境参数变化规律是有效利用温室空间、合理调控温室环境参数的科学依据。本试验设计了1种应用于实际花卉温室夏季机械通风作用下气流场温度场模拟仿真的方法。

1 材料与方法

1.1 数据采集

试验设备试验所选用的机械通风式连栋塑料温室群位于河北石家庄无极县（115°12’E，38°72’N），2号温室，屋脊沿东西走向，栋长40 m；天沟高4.7 m，顶高5 m。温室配有湿帘-风机降温系统：温室西墙装有2台轴流风机，风机安装高度为 0.6 m，东墙装有湿帘（1 000 mm×1 500 mm×100 mm）共4个，湿帘安装高度为0.6 m，如图1所示。该温室主要种植‘仙客来’，夏季‘仙客来’为初花期，以绿叶为主，植株平均高30 cm。

图1 温室结构图Fig. 1 Structure diagram of greenhouse

室内环境参数包括：温度、湿度、太阳辐照度、风速风向。温室内设置多点温度传感器，型号为RC5 US温度记录仪，温湿度传感器型号YDBSTH7001,均为USB存储，光照传感器型号YDBSGZ7001，风速传感器型号YDBSFS7001，通过4G网络远程传输数据到手机端，便于实时监测温室室内环境参数。由西向东布置9个风速传感器W1～W9，距地面高度1 m，距后墙5 m；温度测试采用截面法布置温度测点，在东西方向由西至东分别布置A、B、C3个相同传感器截面，间隔10 m，如图2所示截面B，在竖直由下至上方向距室内地坪0、1.5、3、4.5 m不同高度布置4个温度传感器S13、S12、S11、S10；在南北方向由南至北相隔3 m布置4个温度传感器S1、S2、S3、S4，距地面2.5 m；在风机入口和湿帘侧各布置1个温度传感器，利用USB温度记录仪连续数据采集（2019年7月1日至10月31日），温度测量值生成UDF文件作为CFD温度边界条件参与模拟。

图2 温度测点截面图Fig. 2 Section diagram of temperature measuring points

1.2 夏季机械通风温室温度分布规律

通过多点布置温度传感器可以更好地了解夏季机械通风花卉温室温度分布规律，截面B布置了8个温度传感器，在距离地面2.5 m处由南到北布置1号到4号温度传感器，其中1号为靠近塑料棚壁温度，4号为墙体温度，以8月份某天温度为例观察24 h内变化趋势，如图3所示，墙体温度变化幅度小于室内温度，说明墙体具有蓄热保温能力，温度最高在下午1时左右，由于太阳辐射温室棚壁温度最高，达到34 ℃，由南向北温度递减，在没有太阳辐射的夜间，靠近塑料棚壁的温度低于温室内温度，由南向北温度呈递增趋势，说明越靠近墙体侧保温性能越好；图4表示截面B由高到低的变化趋势，其中10号为棚顶温度，13号为地面温度，在下午1时左右温室顶棚温度达到最大值，由于太阳辐射作用温室棚顶可达到38 ℃高温，随着高度降低温度下降，在花卉生长处温度30 ℃左右，适合植物生长，地面温度变化范围不大，白天温度较低。

图3 温度测点由南向北变化趋势Fig. 3 The temperature measured points trend from south to north

图4 温度测点由高到低变化趋势Fig. 4 The temperature measured points of variation trend from high to low

2 CFD数值模拟

2.1 数值计算基本方程

采用ANSYS 19.0对试验温室进行了数值建模与仿真。利用k-ε(RNG)模型对温室室内小气候进行模拟，使用离散纵坐标(DO)辐射模型进行室内辐射模拟，控制算法采用PISO算法，压力分散采用体积力加权法；模型通过有限体积法（finite volume method，FVM）建立的雷诺N-S 方程进行离散求解。温室的基本控制方程可描述为如下形式：

式中：m，n，o分别为x，y，z3个方向的速度分量，m/s；μeff为有效黏度；p为流体微单元上的压强，Pa；T为空气温度，K；Tref为空气参考温度，其值为298.15 K；ρ为空气密度，kg/m3；β为热膨胀系数，1/K；q为热源，W；Cp为比热容，J/(kg·K)；λeff为有效导热系数，W/(m·K)。

2.2 边界条件

利用ANSYS 19.0中的Workbench软件对温室结构建模，边界条件设置见表1；在ANSYS 19.0 ICME中建立非结构网格，并对边缘进行细化生成的网格数为2 870 564个的网格模型，生成 mesh文件，导入ANSYS 19.0 Fluent中进行流场分析。花卉温室主要由地面，两侧侧墙，西侧墙安装风扇，东侧墙安装湿帘，顶棚PVC塑料薄膜，后墙，室内空气，花卉植物等组成。

表1 Fluent边界条件设置Table 1 Fluent boundary condition setting

为确保边界条件对温室环境的有效模拟，在建模过程中划分多个面和多个区域，温室实测值生成UDF文件构成边界条件。温室3面为砖墙结构，设置为壁面边界，顶棚为塑料薄膜维护，设置为PVC半透明介质，侧墙湿帘入口为压力边界，风机出口为速度边界，室内花卉以空气为载体进行能量交换，在ANSYS 19.0 ICME中建立非结构网格，并对边缘进行细化生成网格数为2 870 564个的网格模型，生成mesh文件，然后导入ANSYS 19.0 Fluent中进行计算。

3 模拟仿真结果

3.1 气流场模拟

CFD模拟夏季机械通风性能，忽略浮力效应，并将风视为主要驱动力，空气通过湿帘进入温室，到达屋顶，然后从风机侧流出，同时部分气流沿着顶棚移动。风机入口风速为1.2 m/s，向外排风，在湿帘侧形成负压，受湿帘冷空气影响，湿帘侧形成更强的速度场气旋，湿帘侧风速可达到1.5 m/s，气流主要分布在温室3 m以下，覆盖花卉生长范围，在东西方向纵向截面和南北方向的横向截面都存在较大的风速差异，空气混合不均匀（见图5）。

图5 速度场模拟分布云图Fig.5 The distribution cloud map of velocity field simulated

取由东向西距湿帘侧分别为10、20、30 m的3个横向截面,由仿真模拟速度云图5（a）可以看出湿帘侧风速更大，温度更低，在温室中部受植物影响，风速降低。由于湿帘-风机位置靠近温室下方，速度场形成的涡旋主要分布在温室下方，夏季植物周围可以感觉到明显凉爽，靠近湿帘侧温室上方受负压影响会形成更明显的速度矢量场，而在温室中间上部分区域会形成气流的滞留场，取由北向南距温室后墙1.5、3、4.5 m的3个截面如图5（b）所示，可以看出由于湿帘风机安装位置，在3 m截面处气流场更强，靠近南侧温室塑料棚壁位置由于太阳辐射气流场明显减弱，考虑到气流涡旋下沉，如果温室种植喜风作物，可适当提高湿帘-风机距地面的高度；取水平面1 m处如图5（c）所示，即植物平面上靠近湿帘侧风速更大，过大的风速可能扰乱植物的生长，因此湿帘侧更适宜种植对风速影响不大的花卉植物。

3.2 温度场模拟

3.2.1 无机械通风温度模拟分析 由于温室内部蓄热，内部温度与外部温度相比存在滞后。这种滞后在机械通风的夏季月份比较小，湿帘-风机增加了对流从而影响内部温度场。夏季温室内温度主要取决于太阳辐射和通风，当温室相对封闭不存在通风的情况下温度很高，设定为下午3时，室外平均温度32 ℃，室外太阳辐射960 W/m2,室内整体温度达到30～46 ℃，温室自上而下、由南向北温度由高降低，存在明显的温度梯度，棚顶温度最高。高温和太阳辐射使温室内部湿度较低，湿度范围10%～32%，非常干燥。温室的作用需要在夏季提供适宜作物生长的环境，因此无任何调控措施的封闭温室不适合作物生长。

3.2.2 机械通风温室内热环境模拟分析 在机械通风情况下室内温度降温明显，温室内温度范围为23～30 ℃，取由东向西方向距湿帘侧10、20、30 m的3个截面，如图6（a）所示，取由北向南距温室后墙1.5、3、4.5 m的3个截面，如图6（b）所示，温室内部存在明显的温度梯度，在顶棚受到太阳辐射影响温度最高，随着高度的降低温度下降；靠近湿帘侧由于湿帘制冷作用，风从湿帘侧进入温室，带入大量冷空气，温度明显降低，在花卉种植区域温度可保持在23 ℃左右，温度由东向西升高，受南面棚壁太阳辐射影响，温度由北向南升高，但是在距地面1 m水平面花卉生长区域可以保持温度在24～27 ℃，适宜花卉生长。湿帘-风机系统采用前区、后区常压，冷区负压的工作方式，使进入温室前的干热空气变成凉爽空气，从而实现夏季降温，如果需要调节植物生长的环境温度，可考虑调节风机入口风速，以及湿帘面积、进出水口方式等。

图6 机械通风温度场模拟分布云图Fig.6 The distribution cloud map of simulation of mechanical ventilation temperature field

3.3 模型验证

取风速传感器W1～W9共9个风速测点实测值与模拟值进行比较，如表2所示。

表2 风速实测值与模拟值对比Table 2 Wind speed comparison of measured and simulated values m/s

取温度传感器截面B的8个温度测点实测值与模拟值进行比较，如表3所示，通过分析长期观测实测点值与模拟值，模拟速度场误差范围在0.5%～24.6%；温度模拟值与实际值的绝对误差最大值小于2.5 ℃，其中均方根误差RMSE=1.982 6,平均绝对误差MAE=2.153 4；CFD模拟可以较真实地反应夏季花卉温室的风速场、温度场的变化规律，模型模拟真实有效。

表3 截面B温度实测值与模拟值对比Table 3 Temperature comparison of measured and simulated values at section B ℃

4 结论

利用CFD对夏季机械通风模式下花卉温室的温度场气流场进行了模拟；采用k-ε模型(RNG)对温室室内小气候进行模拟，离散纵坐标(DO)辐射模型进行室内辐射模拟,控制算法采用PISO算法，压力分散采用体积力加权法，采用UDF温度边界条件。计算结果与试验结果吻合较好，模拟速度场误差范围在0.5 %～24.6 %，模拟温度在实测温度附近波动，RMSE=1.982 6,MAE=2.153 4，温度模拟值与实际值的绝对误差最大值小于2.5 ℃。模拟结果表明，夏季机械通风情况下温度场分布较均匀，适合花卉生长。模拟结果为温室夏季机械通风控制提供了科学依据。