典型天气情况下含内拱棚的日光温室温湿度分析与稳态模拟

康宏源 塔娜 张海鑫

摘要：为研究内蒙古地区含有内拱棚的日光温室内温度、湿度在不同天气条件下的变化分布规律，采用密集布点的方式采集温室内一个竖直截面内的空气、土壤的温湿度数据，并采用计算流体动力学（CFD）的方法对试验数据进行稳态模拟。数据分析及试验模拟表明：（1）含有内拱棚的日光温室在打开通风口后可以有效地降低温室内空气湿度且作物冠层区域的温度仍然维持在作物生长所适宜的范围内。（2）晴天时温室内的热量源于外界的日光辐射，雪天时温室内的热量源于内部土壤和黏土墙的辐射放热。（3）模拟结果显示，晴天正午在内拱棚下部区域和作物冠层跨度方向的中间位置湿度高于其他区域，说明在该区域有水分聚集。雪天正午日光温室内的湿度分布均匀，不论在高度上还是在跨度上都没有明显差异。（4）模拟结果与实测数据对比误差不超过5%，证明了本试验所用温室模型的可靠性。

关键词：日光温室;内拱棚;CFD（计算流体动力学）;温度场;湿度场;稳态模拟

中图分类号： S625.5+1  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）02-0215-06

农业设施的改良优化是我国农业现代化和高效化的重要方式。日光温室因其能够实现返季节蔬菜的大量种植，因此成为我国北方地区的重要农业设施，并得以推广使用。农户为保证夜间温室内的气温会在傍晚时分关闭通风口并覆盖棉被，由于植物的呼吸作用的影响，温室内的湿度会逐渐增大。众所周知，高湿度的环境会导致作物生理失调，蒸腾受限，影响根部对养分的吸收和利用[1]并引发病害。塑料薄膜上的水滴下落会引发白粉病及其他真菌病害[2-4]。同时温室内的水分流动会引起温室内的空气溫度的变化，对温室内的温度保持产生影响。国内众多学者针对日光温室内的湿热耦合问题展开了大量的研究[5-10]，主要研究从黄瓜、番茄等高植株作物的病害问题入手，而对含有内拱棚种植低矮叶菜作物的温室研究较少。

内拱棚从温室内地面起平行于外层保温膜约50 cm设置一定高度。当外界冷空气由通风口进入温室时，由于有内拱棚的阻挡使得冷空气不直接流向温室内作物[11-13]，而是沿温室外层膜向上运动，到达温室顶部后沿后墙及表面继续流动形成顺时针方向的环流[14]，且温度逐渐趋于适宜。因此，内拱棚在保持温室内空气流动的同时使温室内温度保持在适宜的区间。研究含有内拱棚的日光温室有助于了解温室内的温湿度分布规律，为指导农户日常生产中的除湿通风提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验温室

本试验所选温室位于内蒙古自治区呼和浩特市（40°29′N、111°47′E）赛罕区东郊西把栅乡和林村，数据采集时间为2016年11月27日至2017年4月22日，共147 d。主要种植作物为油麦菜。日光温室坐北朝南，方位角为0°;温室东西长度为100 m，南北跨度为10 m;后墙为夯实土墙，沿南北截面为下底3.5 m、上底2.5 m、高2.8 m的正梯形;后坡仰角20°，前屋面为钢架结构并覆盖厚度为0.11 mm的聚乙烯薄膜;外部为草垫和棉被用以夜间保温。温室内部含有内拱棚平行于外层膜，底部距离外层膜0.5 m，高1.4 m。冬季于 09：00—10：00升起棉被与草垫，并打开薄膜通风口除湿通风;春季于08：30—09：00除湿通风。

1.2 试验器材

选用传感器主要用于收集室外和室内的环境参数。FLEX1000型温湿度传感器，大连哲勤科技有限公司生产，湿度测量范围及精度：0～100% RH，±2% RH;温度测量范围及精度：-20～85 ℃，±0.3 ℃。温室外选用JLC-QTF型自动气象站，锦州利诚自动化设备公司生产，包括LC-WD1型空气温度传感器，测量范围-50～150 ℃，测量精度±0.1 ℃;TBQ-2LJ型总辐射传感器，测量范围0～2 000 W/m2，测量精度<±5%。MS-10土壤温度水分传感器，辽宁省大连市大连哲勤科技有限公司生产，测量范围-40～85 ℃，测量精度±0.5 ℃。

1.3 试验方案

试验选取带有内拱棚的日光温室，温室内种植油麦菜，收获时植株高度在30～40 cm范围内[4]。考虑到油麦菜作物冠层的高度，故在温室内选取一个垂直于地面的截面布置传感器，传感器测得的数据每30 min记录1次。数据采集从2016年11月29日至2017年4月20日，共143 d。温室日常管理按照正常农业生产需要进行通风、灌水。温室内传感器分布见图1。将采集到的数据进行筛选后导入数据应用软件Origin中，研究内拱棚作用下不同高度上温湿度分布规律;之后使用Fluent软件进行模拟分析，掌握温室内的温度分布规律。

1.4 数据分析

内蒙古地处中国北方，四季明显，冬季主要种植耐寒作物，如矮油菜、白菜等。为研究温室内的温湿度垂直分布规律，在温室内密集设置了由南向北的4列空气温湿度监测点，对作物冠层及其上方的温室空间进行监测，着重对冠层底层和冠层顶层的空气温湿度进行分析。

2 结果与分析

2.1 典型天气试验数据的选取

选择同一月内的典型天气——晴天和雪天的数据，对比其在温室跨度上的不同距离温湿度的垂直分布规律，以2017年1月3日、2017年1月6日的典型天气数据进行对比分析。室外气候参数见表1。温室内油麦菜高度为30～35 cm，比较这2 d内的温室内部的温湿度状况。

2.2 晴天拱棚内温湿度变化

2.2.1 温度变化 2017年1月3日08：00至20：00冠层顶层和底层的温湿度分布变化规律，温度总体上随时间变化先升高后降低;湿度总体上随时间变化先降低后升高。从图2可以看出，在启帘之前，冠层底层和顶层的温度相差不大，普遍在5～6 ℃。启帘后受到太阳照射温度快速升高，底层的最高温度与顶层的最高温度相差约7 ℃。随后由于通风口打开冷空气进入温室内底层温度下降4～5 ℃，顶层温度下降8～12 ℃。至12：00时，由于太阳直射室外气温上升，因此进入温室的空气温度也随之升高，底层温度升高3～4 ℃，顶层温度升高5～7 ℃，并一直保持在该温度区间内直到关闭通风口和闭帘。

2.2.2 湿度变化 从图3可以看出，在启帘之前，温室内处于高湿状态，冠层底层与顶层湿度均在90%。启帘后温室内的湿度开始迅速下降，由于顶层首先接收到太阳辐射且辐射量高于底层，因此顶层空气湿度下降的速度明显高于底层的湿度下降速度。11：00时顶层空气湿度下降的速度明显减慢，底层空气湿度下降的速度明显提高，至12：00后下降速度也开始放缓。最终顶层湿度保持在40%～50%，而底层除3号测点湿度浮动外，其他测点保持在50%～65%。结果表明，在上午启帘后冠层顶层的温度升高、湿度降低的速度较底层的更快更多。打开薄膜通风口通风后， 温度靠近后墙体的较高而其他3点相近，底层中部（3号测点附近）湿度较高，其他3点相近， 顶层湿度大致相同。 在关闭通风口覆盖棉被后

温湿度逐渐趋于稳定。

2.3 雪天拱棚内温湿度变化

2017年1月6日08：00至20：00冠层顶层和底层的温湿度分布变化规律，温度总体上随时间变化先升高后降低;湿度总体上随时间变化先降低后升高。

2.3.1 温度变化 从图4可以看出，在启帘之前，温室内的温度较低，底层温度在5.25～6.5 ℃内分布，靠近后墙的2个测点的温度接近;顶层温度在5～6 ℃内分布，顶层4点的温度差比底层的大。启帘后温度小幅上升，底层温度上升约 1.5 ℃，顶层温度上升约2 ℃，稍高于底层。之后由于通风口打开，冷空气开始进入温室，底层空气的温度降低约 0.5 ℃，顶层空气温度降低1.0～1.5 ℃。关闭通风口后，温室内温度继续降低，而由于南侧靠近温室薄膜北侧靠近温室后墙，北侧温度始终高于南侧温度。16：00后闭帘，温室内温度继续降低至最低4 ℃，最终保持稳定。

2.3.2 湿度变化 从图5可以看出，在启帘之前，温室内底层湿度维持在91%左右，而顶层靠近外层膜湿度最高为 93.14%，靠近后墙最低为89.14%，中间2点湿度接近。启帘后顶层空间受到太阳辐射，温度升高、湿度略微下降，下层由于植物冠层遮挡湿度没有变化。开启通风口后底层湿度下降1.5%，顶层只有靠近后墙的2个测点湿度下降3%，靠近外层膜的2个测点湿度变化不明显。关闭通风口后湿度上升，并在闭帘后逐渐保持稳定。

雪天情况下温室通风时间较短，太阳辐射较晴天弱，因此温室内的温度和湿度变化幅度都比晴天时的变化幅度小， 温室内总体维持在低温高湿的状态。

2.4 温度场模型的建立与分析

计算流体动力学（CFD）方法在日光温室的研究中已经得到了广泛应用， 而Fluent软件因其强大的流畅计算功能且在

分离环境或非线性耦合计算中有较高的计算精度。考虑到温室的结构和内外部环境的影响，以竖直方向的截面为模拟对象。试验重点针对13：00时的数据进行分析，故选取以压力为基础的平面稳态模型，并考虑重力的作用，同时打开能量模型求解器和DO辐射模型求解器[14]。相关研究表明，温室内的气体流动适用于标准k-ε湍流模型，其计算精度符合工程计算的要求[15-17]。

2.4.1 网格划分 本试验利用前处理软件Gambit建立试验温室及内拱棚的二维截面模型和温室内作物冠层区域的模型，之后进行网格划分。为保证计算精度，日光温室网格结构采用四边形非结构性网格，最终网格单元尺寸为0.03，数量为19 050个（图6），网格质量良好，符合计算要求。

2.4.2 边界条件 本试验的预测模型以温室内空气为研究对象，其边界条件包括室外气候、温室内地面土壤、温室后墙体、木质后坡和聚乙烯塑料薄膜等。在自然通风的条件下，将0.3 m开口的下部0.27 m部分作为速度进口，将0.3 m开口的上部0.03 m部分作为出口，其他边界均设置为Wall。温室内的各种材料的热学性能参数见表2，试验温室模型的边界条件见表3、表4。

2.4.3.1 温度变化 2种天气情况下温室内温度有明显的差异，且热量来源不同。在晴天时温室内空气温度普遍维持在26 ℃左右，土壤表面温度较低，由于温室内南侧土壤的边际效应的影响[18-19]，温室内双层膜间土壤温度最低为 4.75 ℃，内拱棚北侧土壤温度为10.49 ℃，而北侧靠近后墙的土壤温度最高为11.5 ℃，呈现出明显的温度梯度且内拱棚两侧空气和土壤温度值有明显突变;由于太阳辐射穿透外层膜，高温区域位于外层膜顶部，使温室内温度保持在一个较高水平。温度从地面到温室顶部逐渐升高，温度分布有明显梯度，且顶部温度最高达31 ℃（图7）。在雪天时温室内空气温度普遍维持于5～6 ℃，不同于晴天情况的是，温室内最高温度区域位于北侧地面区域而非温室顶部区域。此时温室外温度低且日光辐射量小，温室内的热量主要源于地面土壤辐射放热，在此情况下，温室内的垂直温度梯度方向与晴天时的梯度方向相反，而土壤水平方向温度梯度仍有体现。双层膜中间的土壤温度最低为2.68 ℃，内拱棚到北墙体温度从 6.15 ℃ 逐渐升高至10.15 ℃，有明显温度梯度且内拱棚两侧有明显的温度突变;由于雪天太阳辐射和气温较低，白天无法迅速提高温室内气温，雪天温室平均气温5.53 ℃，显著低于晴天时温室内平均气温21.98 ℃（图8）。

2.4.3.2 湿度变化 2017年1月3日晴天和2017年1月6日雪天的空气湿度分布云图见图9、图10。

由于通风方式的差异，导致2种天气情况下温室内的湿度差异明显。在晴天时温室内的湿度分布有显著的区域划分，在温室顶部的相对湿度为28%左右，为整个温室内的湿度最低的区域，沿温室薄膜和后墙的近壁面区域逐渐向下，空气的湿度开始上升。同时当到达通风口附近时，相对湿度迅速上升超过100%，空气中的水分开始凝结，在内拱棚与外层膜之间的空间内湿度最高，并且有大量水蒸气凝结。而在温室中部区域，空气的相对湿度从南北两侧向中间逐渐升高且近地面附近的空气相对湿度最高达到90%左右。同时在温室的内拱棚底部和后墙体底部2处的湿度也相对较高，由于内拱棚与地面之间的夹角空间小，使得灌水后水分在狹小的空间内聚集，同时温室内空气流动在该区域产生涡流，因此使得空气中的水分难以迅速扩散至空气中，导致该区域的空气相对湿度较其他区域大。后墙底部由于有灌水渠存在导致后墙底湿度较高。在位于地面中部上方小范围内空气的相对湿度达到80%（图9）。在雪天时由于通风效果较差，温室内空气相对湿度区分不明显，温室内空气的相对湿度普遍维持在90%以上。靠近地面处的湿度略低于高处空间的相对湿度。同样在内拱棚与外层膜之间的空间内湿度最高并且有大量水蒸气凝结（图10）。