基于CFD的日光温室墙体蓄热层厚度的确定.pdf

第 35 卷 第 4 期 农 业 工 程 学 报 V ol.35 No.4 2019 年 2 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2019 175 基于 CFD 的日光温室墙体蓄热层厚度的确定许红军 1,2 ，曹晏飞 1 ，李彦荣 2 ，阿拉帕提 2 ，高 杰 2 ，蒋卫杰 2 ，邹志荣 1,2（1. 西北农林科技大学园艺学院农业部西北设施园艺工程重点实验室，杨凌 712100； 2. 新疆农业大学林学与园艺学院，乌鲁木齐 830052） 摘 要：日光温室墙体蓄放热能力的优劣取决于墙体蓄放热特性与蓄热层厚度，确定日光温室蓄热层厚度，对于推进日 光温室墙体改进意义重大。该研究以温室内太阳辐射与室外气温作为输入条件，按照试验温室实际尺寸和相关关系进行 参数化建模并模拟计算不同月份墙体蓄热层厚度。选择乌鲁木齐地区 2018年 1 月4 月典型晴天进行测试， 以温室地面、 墙体表面的太阳辐射为输入条件，室外空气温度为边界条件，利用 Autodesk CFD 软件对晴天 9:00 至次日 9:00 的温室砖 墙内部温度场进行了模拟，并通过对比墙体内部 0、10、20、30、40、50 cm处温度测点的实测值与模拟值验证模拟结果 的准确性。结果表明，温室墙体模拟结果与测试结果吻合度较高， 1 月 9 日、 2 月 9 日、 3月 6 日各层平均误差均在 1.5 以下，4 月 6 日实际值与模拟值误差较大，模拟值较实际值滞后，趋势随着深度与墙体温度的升高而更加明显。在温室 墙体材料、结构、室内外的光温环境的共同影响下，温室墙体传热是一个复杂的非稳态过程。砖墙温室与土墙温室类似， 墙体可划分为“保温层、稳定层、蓄热层” ，各层的厚度与墙体蓄热材料、保温材料的热物性有关。对墙体温度场、各层 的温度衰减因子以及延迟时间分析可知，墙体厚度在 030 cm范围内，墙体温度波动较为明显，墙体厚度大于 30 cm时， 温室墙体一天内温度波动较为平缓，波幅较小。随着气温回升，温室墙体内部温度整体提高，各层温度波动相差不大。 在温室结构、保温性能不变的情况下，温室蓄热层厚度及波动情况受外界光温环境的综合影响较小。综上所述，采用 CFD 模拟温室墙体温度场的变化，并根据温室墙体温度场变化确定温室墙体蓄热层厚度是可行的，可靠性较高。该研究可为 其他区域优选温室墙体结构，推进日光温室墙体改进提供依据和参考。 关键词： 温 室 ；墙体；计 算机仿真； 流 体 力 学 ； 蓄热层厚度；传热性能 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.022 中图分类号：S625.1 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2019)-04-0175-10 许红军，曹晏飞，李彦荣，阿拉帕提，高 杰，蒋卫杰，邹志荣. 基于CFD 的日光温室墙体蓄热层厚度的确定J. 农业 工程学报，2019，35(4)：175184. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.022 http:/www.tcsae.org Xu Hongjun, Cao Yanfei, Li Yanrong, Alapati, Gao Jie, Jiang Weijie, Zou Zhirong. Determination of thickness of thermal storage layer of solar greenhouse wall based on CFDJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 175 184. (in Chinese with English abstract) doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.022 http:/www.tcsae.org 0 引 言日光温室以其优良的保温节能特性，在中国北方得 到广泛应用。墙体作为日光温室中最重要的围护结构兼 有承重、保温和蓄热的功能，对于保持温室气温的稳定 起着至关重要的作用 1-2 。墙体蓄放热能力的优劣，一方 面与墙体材料的储热特性有关，另一方面取决于蓄热层 厚度。因此，确定日光温室蓄热层厚度，对于推进日光 温室墙体改进，推动设施农业发展意义重大。 陈端生 3 早期就提出日光温室理想的墙体结构是内 侧以吸热、蓄热能力强的材料组成蓄热层，外侧以导热、 放热能力差的材料组成保温层。已有大量研究表明，测收稿日期：2018-08-13 修订日期：2019-01-24 基金项目：新疆维吾尔自治区科技厅“科技援疆”项目(2016E02006)；新疆 维吾尔自治区园艺学重点学科基金(2016-10758-3)；新疆维吾尔自治区自然 科学基金（2016D01B028） 作者简介：许红军，博士生，讲师，主要从事设施园艺工程方面的研究。 Email： xuhongjun01163.com 通信作者：邹志荣，教授，博士，博士生导师，主要从事设施园艺方面的 研究。Email:zouzhirong2005163.com 试墙体内部温度，分析温室蓄放热特性，可为各地日光 温室墙体建造提供合理依据 4-8 。 张志录等 9 在温室测试中发现， 墙体内部一定区域测 点间温度相同或很接近，日变化幅度很小，并将其定义 为“稳定层”。“稳定层”厚度与墙体厚度有关，位置 及厚度随季节而变化。黄雪等 10 根据温室墙体受外界环 境影响的大小，将墙体由内到外划分为“蓄热层、过渡 层、御冷层”，并提出确定各层的合理厚度即可确定温 室墙体的厚度。彭东玲等 11 通过计算机模拟计算，根据 墙体内热流方向，将能向室内方向放热的薄壁为定义为 “有效蓄热层”，并根据测试结果说明其厚度与墙体材料 与天气状况有关。李明等 12 认为蓄热层厚度可根据墙体 温度波幅来确定，定义为温波法。将蓄热层定义为温室 室内侧墙体温度波幅大于 1 的部分，并开发了基于一 维差分法蓄热层计算方法。 白青等 13 将温室墙体分为 “波 动层、稳定层、保温层”，提出了一种利用温波传播速 度计算墙体厚度的方法。 上述对于确定蓄热层厚度的方法，多是基于单一土质 墙体，在试验测量的基础上进行归纳总结得出蓄热层的厚 ·农业生物环境与能源工程· 农业工程学报（http:/www.tcsae.org） 2019 年 176 度。由于蓄热层的厚度受材料、温室热环境的影响，要全 面掌握各类日光温室墙体的蓄热性能与蓄热层厚度，还需 要通过其他方法进行墙体导热的理论研究与分析。 随着计算流体力学（computational fluid dynamics， CFD）与数值传热学的不断发展，多种 CFD 分析计算软 件被开发出来。佟国红等 14-17 利用 CFD 技术分析温室内 部温度场的变化，测试结果与模拟结果吻合度较高，并 讨论了不同模拟条件对结果准确度的影响。 张林华等 18-19 通过对于下沉式日光温室温度场及保温性进行了分析。 张勇等 20-21 分析了主动蓄热结构与不同厚度方式下温室 内部的温度变化，指出采用 CFD 技术分析温室温度场的 动态变化，准确度较高，对于温室设计及温度环境控制 具有理论指导意义。 综上所述，中国对于温室墙体蓄热层厚度确定的研 究较少。对于蓄热层的定义、测试、分析方法研究结果 也不尽相同。中国幅员辽阔，受室外环境和季节的影响， 通过不同地区试验得出的蓄热层厚度，难以为其他区域、 不同类型温室建设提供设计参考。因此，本文在前人研 究的基础上，提出根据不同地区气候环境、不同材料与 温室结构类型，利用 CFD 技术模拟温室墙体温度场，确 定蓄热层厚度的方法，对丰富日光温室墙体蓄热层厚度 确定方法和理论具有重要意义。 1 材料与方法 1.1 试验温室 试验温室位于新疆农业大学三坪教学实习基地 （N43.92，E87.35）。日光温室坐北朝南，南偏西 8°，东 西方向长 60 m，跨度为 8 m，脊高 3.8 m，后墙高 2.8 m， 后屋面仰角 40°。日光温室示意图如图 1 所示。温室前屋 面使用 PO 塑料薄膜，后屋面由 0.1 m聚苯乙烯彩钢板构 成，日光温室后墙采用了 0.01 m水泥砂浆抹面+0.5 m实 心黏土砖砌体+0.1 m 聚苯乙烯彩钢板的复合墙体。环境 参数监测时间为 2018 年 1 月至 2018 年 4 月，监测参数 为温度和太阳辐射。 图 1 日光温 室示意 图 Fig.1 Schematic diagram of solar greenhouse 1.2 温室环境监测 以温室长度方向 1/2 处（距离山墙 30 m）日光温室 剖面为主要测量平面。 温室内部太阳辐射由 PDE-KI 环境 数据记录仪（哈尔滨物格电子技术有限公司生产，测量 范围：02 000 W/m 2 ，准确度±3%，分辨率 1 W/m 2 ）采 集，分别监测温室长度方向 1/2 剖面，墙体内表面 1.5m 高度处太阳辐射强度与跨度 1/2 处地面太阳辐射强度。 温 室墙体内部温度与室内外空气温度由 PDE-R4 温度数据 记录仪（哈尔滨物格电子技术有限公司生产，温度测量 范围3070 ，准确度±0.5 ，分辨率 0.1 ）采集。 在温室长度方向 1/2 剖面处，在温室后墙内表面 1.5 m高 度处，在墙体厚度方向由内至外均匀布置 11 个测点，测 点间距 5 cm，在温室长度方向 1/2 处，跨度 1/2 处，由温 室地面至 1 m深度土壤中均匀布置 11 个测点，测点间距 10 cm测定温室内土壤温度变化，并测试该位置 1.5 m高 度处测试室内空气温度变化， 在温室外 1.5 m高度距温室 2 m处测试室外空气变化， 所有测点记录数据的时间间隔 均为 10 min。 1.3 数据处理 本文试验数据采用 origin 2017 进行数据分析及图表 的制作。 2 日光温室墙体温度场CFD 模拟 为了更直观地了解温室墙体的温度场情况，本文通 过 Autodesk Simulation CFD 软件进行 CFD 模拟。该软件 是 Autodesk 公司开发的一款进行传热和流体流动分析的 计算流体力学工具软件，它可以进行高速湍流与不可压 缩流，以及导热与对流传热的仿真分析，国内外研究 22 中均有应用。 2.1 温室墙体传热过程 墙体获得太阳辐射后，内表面温度迅速升高，在太 阳辐射的作用下，温度将高于其他围护结构。在温差的 驱动下，墙体内表面一方面与温室内空气对流换热，使 温室环境温度升高，同时也通过导热方式向墙体外表面 散热，进一步通过辐射传热方式向温室内部结构散热。 2.2 控制方程 假设温室内湿空气为理想气体，墙体、土壤密度均 匀，气密性良好。模拟遵循基本的物理守恒定律包括： 质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律及组分守 恒定律 23 。连续方程、动量方程、能量方程可写成下列 形式 ( ) div( ) div( grad ) v S t + = + （1） 式中 为通用变量； 为密度，kg/m 3 ； v 为速度矢量， m/s； 为广义扩散系数，m 2 /s；S 为源项，W/m 3 。 为 1 时，该方程为连续方程； 为 u，v，w时，该方程为 动量方程； 为 T 时，为能量方程。u，v，w 为 x，y，z 3 个方向的速度，m/s；T 为温度， 。 2.3 几何模型 该研究中日光温室的长度尺寸远远大于高度及跨 度尺寸， 中间截面传热过程能够反映除两侧山墙外内部 的传热过程，故将跨度方向温室截面作为模拟区域。模 型采用 Autodesk SimStudio Tools 2016 R2 按照试验温室 实际尺寸和相关关系进行参数化建模。采用 TRIM 网 格，整体域网格基本尺寸为 50 mm，共计生成 20 300 个节点与 38 879 网格单元。图 2 为日光温室模型及网 格划分。 第 4 期 许红军等：基于 CFD 的日光温室墙体蓄热层厚度的确定 177 2.4 边界条件与初始条件 尺寸精确的几何模型，准确的边界条件与初始条件 是获取准确的蓄热层厚度结果的保证。一方面为保证在 一天内 CFD 几何模型的一致，另一方面保证温室墙体热 量夜间充分释放，测试温室试验期间，未进行覆盖保温 被。为减小温室内夜间温度低对结果造成的影响，本文 选择本研究分别选择 1 月 9 日、2 月 9 日、3 月 6 日、4 月 6 日作为典型晴天，在不同的室内空气温度下模拟， 测试墙体温度变化。图 3 为 CFD 模拟边界条件的测定。 测试以温室地面、墙体表面的太阳辐射为输入条件， 室外空气温度为边界条件，以 9:00 温室内部各围护结构 内部的温度为初始条件。此时温室墙体、地面不同深度 处温度相差不大，故墙体、地面与空气均采用各自内部 温度的平均值作为该部分的整体温度。表 1 为温室内部 各部分模拟初始温度取值，模拟当天 9:00 至次日 9:00 的 温室墙体内部温度场。温室墙体表面（素灰水泥砂浆抹 面）、地面太阳辐射吸收系数 24 为 0.74，前屋面换热系 数 25 为 8.99 W/(m 2 ·K)，后屋面与后墙换热系数为 12.25 W/(m 2 ·K)。 表 2为温室围护结构从材料的热物性参数。 图 2 日光温室模型及网格划分 Fig.2 Model and grid partition of solar greenhouse 图 3 CFD 模拟边界条件的测定 Fig.3 Determination of boundary conditions for CFD simulation 表 1 温室内部各部分模拟初始温度 Table 1 Thermophysical parameters of enclosure materials 日期 Date 土壤温度 Soil temperature 墙体温度 Wall temperature 空气温度 Air temperature 1月 9日 4.4 -3.1 -5.7 2月 9日 5.0 1.2 -4.7 3月 6日 10.3 12.2 4.9 4月 6日 15.7 17.7 12.2 表 2 温室围护结构从材料的热物性参数 Table 2 Thermophysical parameters of enclosure materials 材料 Materials 密度 Density/ (kg·m -3 ) 比热 Specific heat/ (J·kg -1 · -1 ) 导热系数 Thermal conductivity/ (W·m -1 · -1 ) 辐射率 Emissivity 砖砌体 Brick masonry 1 800 1 050 0.81 0.8 水泥砂浆 Cement mortar 1 700 1 050 0.87 0.92 聚苯乙烯板 Styrofoam 25 1 380 0.03 5 0.8 湿空气 Wet air 1.16 800 0.28 - 土壤 Soil 1 600 1 010 1.16 0.94 注：表 2 为材料在 27 时的热物性参数。 Note: Table 2 shows the thermal property parameters at 27 . 2.5 数值计算方法 为准确计算温室墙体与空气的换热，温室空气设定 为温度作用下的自然对流，湍流模式采用标准 k- 方程模 型， 计算机采用联想 ThinkPad E450 Microsoft Windows 10 (Build 9200) ， Intel(R) Core(TM) i5-5200U CPU 2.20 GHz，物理内存 16 GB，Intel 64 位。模拟时间为步 长为 60 s，步数为 1 440 步，共计 86 400s。 2.6 模拟结果验证 通过对比墙体内部 0、10、20、30、40、50 cm位置 处温度测点的试验值与模拟值来验证所建模型的准确 性，结果如图 4 所示。 由图 4 可知，温室模拟的墙体温度变化与实际测试 结果变化规律相同。整体而言，墙体表面温度及内部温 度的测试结果与模拟结果吻合度较高，尤其是 1 月 9 日、 2 月 9 日、 3 月 6 日各层平均误差均在 1.5 以下， 4 月 6 日实际值与模拟值误差较大，各层误差详见表 3。由图 4 农业工程学报（http:/www.tcsae.org） 2019 年 178 可知，模拟值较实际值滞后，趋势随着深度与墙体温度 的升高而更加明显（图 4d）。各层间误差也不尽相同。 分析造成该现象的原因与所设定的初始条件、材料属性 以及边界条件有关。首先，本文模拟所使用的初始条件 是温室墙体各层测定值的平均值，各层温度初始值与实 际初始值存在差异，但该差异较小，对温室测定误差影 响不大。其次，边界条件的设定与材料参数的取值对温 室模拟的准确性的影响较大。受试验条件的限制，本文 中材料热物性参数均参考自相关标准 24 和文献26在 27 下的测试值。难以反映温室内部材料热物性参数随 温度而发生动态变化。模拟边界条件也会因温室温度的 变化而变化，从本文测试结果与模拟结果的差异来看， 温室墙体温度越高变化越剧烈，模拟结果与测试结果的 差异也就越大。 图 4 墙 体 内 部不同深度处温度模拟值及实测值 Fig.4 Simulated and measured temperature distributions at different depths of wall 表 3 墙体不同深度处温度模拟值与实测值误差 Table 3 Daily error of simulated and measured temperatures at different depths of wall 0 10 cm 20 cm 30 cm 40 cm 50 cm 日期 Date 最大 Max- imum 最小 Min- imum 平均 Average 最大 Max- imum 最小 Min- imum 平均 Average 最大 Max- imum 最小 Min- imum 平均 Average 最大 Max- imum 最小 Min- imum 平均 Average 最大 Max- imum 最小 Min- imum 平均 Average 最大 Max- imum 最小 Min- imum 平均 Average 01-09 4.26 0.00 1.34 1.86 0.01 0.76 1.98 0.00 0.60 1.28 0.01 0.42 0.85 0.00 0.46 1.71 0.01 0.85 02-09 3.79 0.09 1.17 2.34 0.03 0.80 2.29 0.00 0.85 1.74 0.24 0.89 1.52 0.01 0.63 1.02 0.00 0.75 03-06 3.17 0.00 0.91 3.63 0.01 0.90 2.08 0.01 0.75 1.93 0.24 1.08 1.65 0.00 0.90 1.56 0.00 0.76 04-06 8.28 0.04 5.25 5.95 0.05 4.02 4.12 0.14 2.75 3.26 0.01 2.07 2.52 0.03 1.47 2.41 0.02 1.03 第 4 期 许红军等：基于 CFD 的日光温室墙体蓄热层厚度的确定 179 2.7 墙体内部温度场分析 温室墙体模拟结果与测试结果吻合度较高，表明该 计算模型得出的温室内部温度场变化较为准确。本文给 出了 1 月 9 日、2 月 9 日、3 月 6 日、4 月 6 日温室墙体 内部温度场的变化与温室墙体不同深度的温度波动情 况，如图 5 所示。 注：左侧为墙体外侧。 Note: Left side is the outside of the wall. 图 5 温室墙体不同时刻内部温度场 Fig.5 Internal temperature field of greenhouse wall at different times 由图 5 可知，在温室墙体材料、结构、室内外的光 温环境的共同影响下，温室墙体传热是一个复杂的非稳 态过程。温室墙体在外保温的作用下，砖墙本身受外界 温度直接影响较小。一天中，温室墙体温度通过太阳辐 射进行热量蓄积迅速升温，墙体内表面温度墙体中部 温度墙体外表面温度；夜间，墙体中部温度墙体内 表面温度墙体外表面温度。温室墙体温度主要是受温 室内太阳辐射与空气温度的影响，温度波沿着墙体厚度 农业工程学报（http:/www.tcsae.org） 2019 年 180 方向振动幅度逐渐减小，滞后时间增长。测试期间，墙 体厚度在 030 cm范围内，墙体温度波动较为明显，墙 体表面的温度波动分别为 24.5、29.10、32.2、30.1 ； 在 30 cm 处最大温度波动分别为 3.4，4.1，5，3.7 ； 在 50 cm处最大温度波动分别为 1.1，1.1，2.2，1.2 。 墙体厚度大于 30 cm 时，温室墙体一天内温度波动较为 平缓，波幅较小。随着气温回升，温室墙体内部温度整 体提高，各层温度波动相差不大。由此可见，在温室结 构、保温性能不变的情况下，温室蓄热层厚度及波动情 况受外界光温环境的综合影响较小。 2.8 墙体蓄热层厚度的确定 温室墙体蓄热特性可通过墙体温度的衰减与延迟展 开评价。如图 6 所示，随着太阳辐射周期性变化，温室 墙体温度也随之做周期性变化，变化幅度会随着墙体的 厚度方向逐渐衰减。本文使用衰减因子与延迟时间分析 墙体内部不同厚度处温度随时间的变化。本文通过测试 采用衰减因子与延迟时间来表示。定义温室墙体厚度方 向某一位置温度的波幅与墙体内表面温度波幅的差值与 温室内表面的比值定义为衰减因子。 延迟时间为在以 24 h 为 1 个周期内温度波由墙体内表面传至墙体内部某点所 需的时间。延迟时间 t 和衰减因子 f 的计算公式分别为 t=t 0,max t n,max （2）f=(A 0 A n )/A 0 （3） 式中 t 0 , max 为墙体内表面温度达到最大值的时刻，min； t n,max 为墙体内某点温度达到最大值的时时刻，min；A 0 为墙体内表面温度的波幅，；A n 为墙体内某点温度的 波幅，。 注：A 0为墙体内表面温度的波幅；A n为墙体内某点温度的波幅。 Note: A 0 is the amplitude of the wall inner surface temperature; A n is the amplitude of temperature at a certain point in the wall. 图 6 墙体传热简化模型 Fig.6 Simplified model of wall heat transfer 根据不同月份室外环境条件测试墙体内部不同位置 的温度变化，可计算墙体的衰减因子和延迟时间，如图 7 所示。 图 7 日 光温室墙体蓄热层厚度的确定 Fig.7 Determination of thermal storage layer thickness in solar greenhouse wall 由图 7 可知，随着厚度的增加，衰减因子与延迟时 间不断增大。墙体温度衰减因子在 020 cm 增加较为明 显，1 月 9 日、2 月 9 日、3 月 6 日、4 月 6 日 20 cm 处 的衰减因子分为 0.66、 0.65、 0.64、 0.67，延迟时间为 90、 120、100、130 min；在 2030 cm衰减因子增长增加缓 慢，30cm处的衰减因子分为 0.86、0.86、0.85、0.88，延 迟时间分别为 350、370、340、320 min；3050 cm变化 不明显， 50 cm处的衰减因子分为 0.96、 0.96、 0.93、 0.96， 延迟时间分别为 1 050、1 010、980、1 010 min。延迟时 间越长，墙体内部温度受室内外影响越小，只起到保温 维持墙体温度的作用，难以起到温室蓄热作用。衰减因 子越小，温度波动振幅就越大，蓄热能量就越强，相反， 衰减因子越大，温度越稳定，对温室环境影响就越小。 通过对衰减因子进行方差分析可知（表 4），温室墙体厚 度 035 cm 各层温度衰减因子间存在显著差异，35 50 cm处各层温度衰减因子趋于平缓，无显著差异。温室 墙体厚度 25 与 30 cm处存极显著差异，3050 cm处无 极显著差异。因此，本文认为在温室墙体外保温的作用 下， 温室墙体厚度在 030 cm范围内为墙体蓄热层， 30 50 cm为热稳定层。 蓄热层厚度可确定在 3035 cm之间。 根据 14 月份测试结果来看，墙体内部温度随气温 回升而整体提高，各层衰减因子与延迟时间变化不大， 说明蓄热层与稳定层厚度在外界光温环境的影响下随环 境的变化不大。 通过对上述衰减因子进行 Logistic 回归分析， 可得衰 减因子 f 与厚度 的关系为 2.377 1 1.013 7 1.010 7 1 (0.067 3 ) f = - + （R 2 =0.999 44）（4） 以 1 cm厚度为单位计算温室墙体厚度各处温度衰减 因子变化发现，温室墙体厚度超过 32 cm，相邻各单位厚 度温度衰减因子变化率小于 0.01。因此可定义温室墙体 内部厚度相邻 1 cm处温度衰减因子变化不超过 0.01时即 为温室蓄热层厚度。 第 4 期 许红军等：基于 CFD 的日光温室墙体蓄热层厚度的确定 181 表 4 温室墙体各层的温度衰减因子 Table 4 Temperature decrement factor of each layer of greenhouse wall 衰减因子 Decrement factor 不同深度 Different depth/cm 01-09 02-09 03-06 04-06 平均变化 Average change 0 0 0 0 0 0 hF 5 0.069 4 0.061 9 0.049 7 0.056 5 0.059 4 gF 10 0.306 1 0.295 5 0.270 2 0.299 0 0.292 7 fE 15 0.514 3 0.505 2 0.484 5 0.521 6 0.506 4 eD 20 0.661 2 0.656 4 0.642 9 0.674 4 0.658 7 dC 25 0.787 8 0.786 9 0.773 3 0.810 6 0.789 7 cB 30 0.861 2 0.859 1 0.844 7 0.877 1 0.860 5 bA 35 0.898 0 0.900 3 0.878 9 0.910 3 0.896 9 aA 40 0.926 5 0.927 8 0.909 9 0.930 2 0.923 6 aA 45 0.938 8 0.945 0 0.925 5 0.943 5 0.938 2 aA 50 0.955 1 0.962 2 0.931 7 0.960 1 0.952 3 aA 注：ah 表示差异显著（P0.05）；AF表示差异极显著（P0.01）。 Note: a-h indicates significant difference (P<0.05); A-F indicates that the difference is extremely significant (P<0.01). 3 讨 论 由于中国日光温室墙体类型多数为土墙温室，墙体 厚薄差异大且各地标准不一，为实现土墙温室的轻简化， 目前温室墙体的蓄放热特性及与厚度相关的研究主要集 中于土墙温室。近年来，随着墙体保温技术的不断发展， 墙体外保温以其有效的保护墙体维持墙体的热稳定性， 已成为保温技术的新方向。研究墙体外保温作用下蓄热 层厚度，可对温室改革起到推动作用。图 8 为日光温室 墙体内部温度变化实测值。 1）由图 4、图 8 可知，在对温室墙体 CFD 模拟中， 受材料与初始条件、边界条件的影响，模拟结果与实际 结果存在误差。本研究墙体、土壤、空气所采用的初始 温度为各自内部测点的平均温度，与实际情况存在一定 差异。如果通过测试加载各测点的实际初始温度，模拟 准确度可再提高，但就失去做模拟的意义。因此，如何 确定较为准确的模拟初始值，是后续研究进行 CFD 模拟 时需进一步深化的内容。是否可将墙体划分为若干层， 每层设定不同的初始温度？或者，先通过稳态计算获取 墙体内部的温度场变化，在此基础上进行非稳态温度场 的模拟？需要进一步探索。 图 8 日 光温室墙体内部温度变化实测值 Fig.8 Measured value of solar greenhouse wall internal temperature change 2）由于墙体具有蓄放热的特性，因而墙体夜间的自 然冷量可降低白天的高温，白天蓄积的热量提高夜间的 低温。理论上讲，蓄放热能力越强，蓄放热速率越快， 则室温相对越稳定。从目前研究现状可以看出，墙体传 热是一个复杂的非稳态过程，墙体材料、尺寸、地域气 候、保温形式（内保温、夹心保温和外保温）、结构类 型对墙体蓄放热都会产生影响 5 。因此，单纯试验测试某 地温室墙体蓄热层厚度，是绝对的，只对同区域、同类 型、同材料温室有一定借鉴意义，难以推而广之。本文 尝试通过本研究所提出的 CFD 模拟方法， 对于不同区域、 不同温室类型的墙体蓄热进行分析，从温室墙体温度的 相对变化的角度来确定温室蓄热层厚度，适应范围广， 可为温室设计建设提供参考。 3）由图 5 可知，温室墙体内部存在一个温度相对稳 定的区域，与张志录等 9,13 提到的土墙温室内部的“稳定 层”较为相似，外墙保温板相当于黄雪等提出的土墙温 室的“御冷层”。不同月份，温室墙体内部不同位置温 室的波动程度相差不大，这与张志录等提出的“热稳定 层位置及厚度随季节而变化”研究结果不相符，蓄热层 厚度的变化与白青等得出“随着外界气温回暖，蓄热层 厚度逐步变薄。”研究结果不一致。分析造成该现象的 原因一方面是砖墙温室保温层的导热系数远低于土墙温 农业工程学报（http:/www.tcsae.org） 2019 年 182 室“御冷层”导热系数，保温层保温隔热能力强，使墙 体内部温度波动小；另一方面，随着外界气温回暖，室 外空气温度不断提高，但是受太阳方位的影响，墙体表 面所接受到的太阳辐射逐渐降低（图 3），在光温的综合 作用下，砖墙温室内部“稳定层”、“蓄热层”厚度变 化不大。本文认为温室墙体内部温度稳定区域的形成是 由保温板减少与外界的传热形成的。保温板保温能力与 墙体蓄热层、稳定层厚度的关系，需进一步研究。 4 结 论 本文以砖墙温室为研究对象，利用 CFD 软件对温室 墙体温度场动态变化进行模拟及验证，得出以下结论： 1）以温室墙体、地面太阳辐射强度与室外的空气温 度为输入条件，综合考虑温室墙体内部导热，与室内外 空气对流换热、辐射换热，利用 CFD 软件模拟温室墙体 内部温度场变化，结果吻合较好，说明了采用 CFD 模拟 温室墙体温度场的变化是可行的，可靠性较高。 2）温室墙体厚度在 030 cm 范围内，墙体温度波 动较为明显，墙体厚度大于 30 cm 时，温室墙体温度波 动平缓，根据 14 月份测试结果来看，砖墙温室内部温 度随气温回升而整体提高，不同深度处温度波动幅度相 差不大。本文通过分析墙体内部温度衰减，通过对衰减 因子进行 Logistic 回归分析，定义温室墙体蓄热层厚度， 并测得砖墙外保温墙体在乌鲁木齐的蓄热层厚度为 32 cm。 3）砖墙温室与土墙温室类似，墙体可划分为“保温 层、稳定层、蓄热层”，各层的厚度与墙体蓄热材料、 保温材料的热物性有关。从本文模拟与测试的结果来看， 在墙体材料热物性不变的情况下，各层受外界环境的综 合影响厚度变化不大。 其他区域或其他温室结构类型可利用本文提供的方 法，通过气象部门获取太阳辐射与气温的动态变化数据， 根据温室结构参数与环境参数建立日光温室温度环境动 态模拟模型，模拟温室墙体内部温度场的动态变化，可 起到优选温室墙体结构，推进日光温室墙体改进的作用。 参 考 文 献 1 陈青云. 日光温室的实践与理论J. 上海交通大学学报： 农业科学版，2008，26(5)：343350. Chen Qingyun. Progress of practice and theory in sunlight greenhouseJ. Journal of Shanghai Jiaotong University : Agricultural Science, 2008, 26(5): 343350. (in Chinese with English abstract) 2 鲍恩财，曹晏飞，邹志荣，等. 节能日光温室蓄热技术研 究进展J. 农业工程学报，2018，34(6)：114. Bao Encai, Cao Yanfei, Zou Zhirong, et al. Research progress of thermal storage technology in energy-saving solar greenhousesJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(6): 114. (in Chinese with English abstract) 3 陈端生. 中国节能型日光温室建筑与环境研究进展J. 农 业工程学报，1994，10(1)：123129. Chen Duansheng. Advance of the research on the architecture and environment of the Chinese energy-saving su