日光温室热环境模拟模型的构建

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农业工程学报
2009 年
热过程包括：各层墙体之间的热传导，吸收的太阳辐射， 与室内空气的对流热交换，与室内各个面的长波辐射热 交换，与室外空气长波辐射热交换。各层的能量平衡方 程为： 第一层：
第一层
Capth ,S 1
式中
dTS 1 rS 1 p rS 1c rS 1B1 rS 1R1 dt S 1g S 2 S 1 lat , S 1 aS 1 AS 1 I sc
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第 25 卷 第 1 期 2009 年 1月
农 业 工 程 学 报 Transactions of the CSAE
Vol.25 No.1 Jan. 2009
日光温室热环境模拟模型的构建
孟力力 1,2，杨其长 1,2※，Gerard.P.A.Bot3，王 柟
3．荷兰瓦赫宁根大学，荷兰 6700AA） 摘 要：该文建立了日光温室热环境模拟模型，定量描述了日光温室内的太阳辐射、对流换热、辐射换热、热传导、自 然通风和水分相变带来的潜热对日光温室热环境的影响，根据质能平衡和传热学理论，得到一组关于覆盖物、室内空气、 温室分层后墙、分层地面土壤、分层后坡和作物热平衡的微分方程组。利用 MATLAB 的强大计算能力与 VB 的良好用户 界面建立模拟计算软件，可求得温室各组成部分的温度。通过试验验证，该模型能够比较准确预测日光温室环境温度。 关键词：日光温室，模拟模型，热环境 中图分类号：S625.5+1 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2009)-1-0164-07 孟力力，杨其长，Gerard.P.A.Bot，等. 日光温室热环境模拟模型的构建[J]. 农业工程学报，2009，25(1)：164－170. Meng Lili, Yang Qichang, Gerard.P.A.Bot, et al. Visual simulation model for thermal environment in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the CSAE, 2009,25(1)：164－170.(in Chinese with English abstract) 1,2 （1．中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所，北京 100081； 2．农业部农业环境与气候变化重点实验室，北京 100081；
0
引
言
1
日光温室热环境的动态模拟
日光温室是中国独有的温室结构形式，具有造价低、 运行费用少、保温性好、效益高等优点，因此在中国得 到迅速发展。但目前日光温室的环境控制水平较低，仍 以人工经验控制为主，缺少实用的理论指导。 温室中的热量平衡是一个相当复杂的问题，国外已 有许多学者进行过研究[1-9]，并且建立起各种形式的能量 平衡模型，但全部是针对大型联栋温室进行的。中国近 年也有不少相近研究，李元哲等[10]研究了温室小气候模 型，但未考虑作物冠层的影响；陈青云、汪政富[11]等人 在质能平衡的基础之上研究了日光温室的热环境理论模 型，但对潜热变化的考虑不是很充分；戴剑锋[12]对作物 蒸腾影响温室温湿度环境进行了研究，但缺乏对其余部 分的综合考虑；佟国红[13]，郭慧卿[14]在模拟墙体温度变 化时做了很多工作，对 20 余种墙体进行模拟计算，但是 没有对温室整体热环境进行建模；李树海、马承伟[15]对 多层覆盖联栋温室热环境模型进行构建，但也不能完全 适用于日光温室。 本文在前人模型研究的基础上，对温室后墙、土壤、 后坡采用分层的考虑方式，并对作物单独建立热平衡方 程，将水分相变带来的潜热变化计算在各部分的热平衡 方程中。利用已知的环境参数（室外温湿度、室内外光 照度、室外风速风向等）来预测日光温室内各部分的温 度及其变化情况，可用于日光温室热环境的控制，进行 温室结构的优化，指导温室生产管理。
— — 覆 盖 材 料 对 太 阳 辐 射 的 吸 收 ， a c Agc I sc
lat ,c Hk gc Ac (C g C c ) 为薄膜内表面水分相变引起
的潜热变化，ΔH 为蒸发潜热，取值为 2.45*106 J/kg，这 里引入 Lewis number 的概念，Le=α /DAB=k/ρ CpDAB 表示 热扩散系数与分子扩散系数 D 的比值，以 Le（或 NLe） 表示，无量纲，为处理同时有热传递与物质传递时反映 物性的数群（k 为质量传递系数，Cp 为定压比热，ρ为密 度） 。一般取 Le≈1，因此室内空气和覆盖材料间的水蒸汽 质量传递系数 k gc gc / air C air 。C 代表各部分的水蒸 汽浓度，与各部分的温度有关。C=f(T)。饱和水蒸气压力 p_satu(tk) (Pa)是温度 T 的函数，表达式为：p_satu(Tk)= 133.32*exp((1.0887*Tk-276.4)./(0.0583*Tk-2.1938))； 水蒸 汽浓度可通过气体定律由水蒸汽压力求得： C=18*p_satu(Tk)./(8314*Tk) = 0.002165 p_satu(Tk)/Tk)。 夜间没有太阳辐射，覆盖材料外覆盖草帘或保温被， 以减少热损失。覆盖材料与土壤、墙体、后坡、植物进 行长波辐射换热，与室内和室外空气进行对流放热，还 以辐射形式与大气层进行热交换。与白天热平衡方程的 区别为：没有太阳辐射，薄膜与保温被之间存在热传导 过程。 dT Capth ,c c gc ci ia rcsky rpc rB1c dt rR1c rS 1c lat , c 1.2 温室空气的热平衡 室内空气主要与土壤表面、后坡表面、墙体表面、 覆盖材料和植物进行对流交换，并通过通风换气和外界 空气进行热交换，其热平衡方程为：
Fig.1
图 1 日光温室中的热流量 Heat fluxes in the Chinese solar greenhouse
为了列出图 1 中所示的温室不同部分的热量平衡方 程，需要做以下的假设： 温室空气、覆盖物、墙体各层、后坡各层、土壤各 层视作均匀的； 1）根据传热学理论可知，如平面板壁的高（长）度 和宽度是厚度的 8～10 倍，按一维导热处理时，其计算 误差不大于 1%[16]，因此，在本模型中忽略墙体沿长度和 高度方向的导热，即只考虑沿厚度方向的一维导热； 2）由于土壤沿跨度和长度方向的温度梯度远小于垂 直方向的温度梯度，在计算土壤传热时，只考虑垂直方 向导热； 3）作物的热物理性质和水一样。
第1期
孟力力等：日光温室热环境模拟模型的构建 表 1 符号、意义及单位 Table 1 Signs, meanings and units
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1.1
单位 m2 W/m2 J/K J/K J/K J/K J/K J/K J/K J/K W W W W W W W W W W W W W W W W W W W W W W W W W W W W W W W W
日光温室热量的主要来源是太阳辐射，室内空气热 量的得失主要有 4 种途径：一是与温室围护结构（即覆 盖材料、地而、后坡和后墙）的对流换热；二是与室内作 物叶片之间的对流换热；三是通过温室通风和缝隙漏气 与室外空气进行热量交换；四是植物的蒸腾及土壤蒸发 引起的潜热变化。温室中的各种热交换过程如图 1 所示。
符 a A B c g i p R S sky ac a B1 aBn a R1 aRy ap a S1 I″ sc Capth,e Capth,B1
号 室外空气 表面积 后墙 覆盖材料 室内空气 保温被 作物 后坡 土壤 天空
意
义
覆盖材料对太阳辐射的吸收率 后墙内表面对太阳辐射的吸收率 后墙外表面对太阳辐射的吸收率 后坡内表面对太阳辐射的吸收率 后坡外表面对太阳辐射的吸收率 作物对太阳辐射的吸收率 土壤表面对太阳辐射的吸收率 室外太阳辐射 覆盖材料热容量 后墙内表面热容量 后墙各层热容量 土壤表面热容量 土壤各层热容量 作物热容量 后坡内表层热容量 后坡各层热容量 白天室外空气和覆盖材料间对流热流量 夜间室外空气与保温被间的对流热流量 室内空气和覆盖材料间的对流热流量 夜间薄膜与保温被之间的传导热流量 室内空气和作物间的对流热流量 室内空气和土壤表面间的对流热流量 室内空气和后墙内表层间的对流热流量 室内空气和后坡表层间的对流热流量 覆盖材料和天空间的辐射热流量 作物和覆盖材料间的辐射热流量 后墙内表层和覆盖材料间的辐射热流量 后墙内表层和作物间的辐射热流量 后墙内表层与后坡间的辐射热流量 后坡与覆盖材料间的辐射热流量 后坡与作物间的辐射热流量 土壤表面和覆盖材料间的辐射热流量 土壤表面和作物间的辐射热流量 土壤表面和后墙内表层间的辐射热流量 土壤表面与后坡间的辐射热流量 土壤表面与土壤第二层间的传导热流量 土壤各分层间的传导热流量 后墙内表层和第二层间的传导热流量 后墙各层间的传导热流量 后墙外表面与室外空气的对流换热量 后坡表层与第 2 层之间的传导热流量 后坡各分层间的传导热流量 后坡外表层与室外空气的对流换热量 通风引起的热流量 覆盖材料表面水分相变引起的潜热交换 土壤表面水分相变引起的潜热交换 作物表面水分相变引起的潜热交换 后坡内表面水分相变引起的潜热交换
Capth ,a
dTg dt
gc pg S 1g B1g R1g vent
其中，通风量Φvent=RVp/3600，R——每小时换气次 数，换气率与开风口和外界风速有关，闭膜时的漏气率 为 0.33～0.41 次/h[17]，Vp—温室内部容积，m3。 1.3 温室后墙的热平衡 主要的保温隔热和储能结构之一，将其沿厚度方向 划共分为 N 层，分别是 1、2……n 层，如图 2 所示。并 认为每个分层温度与热物理性质参数均匀一致。墙体的
收稿日期：2008-01-20 修订日期：2008-08-20 基金项目：国家 863 基金资助项目（2006AA10Z260） 作者简介：孟力力（1982－） ，女，山西祁县人，研究方向为温室热环境建 模与可视化模型。北京 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所， 100083。Email: menglili90@163.com ※通讯作者：杨其长（1963－） ，男，安徽人，研究员，博士生导师，从事 设施农业的研究。北京 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所， 100081。Email：yangq@cjac.org.cn
覆盖材料的热平衡 温室的覆盖材料是隔开温室内外环境的一道屏障， 因此本文中首先考虑覆盖材料。透光覆盖材料是日光温 室的主要组成部分，覆盖物的整体性质对温室内的太阳 辐射有很大的影响。白天阳光通过覆盖材料射入室内， 一部分直射光和反射光以及室内反射光被该面所吸收， 与此同时，覆盖材料与土壤、墙体、后坡、植物进行长 波辐射换热，与室内和室外空气进行对流放热，还以辐 射形式与大气层进行热交换。忽略薄膜内外表面的温差。 则其上的能量平衡方程为： dT rcsky r rpc Capth ,c c gc ca ac Agc I sc dt rB1c rR1c rS 1c lat , c 式中
Capth,Bn(n＞1) Capth,S1 Capth,Sm(m＞1) Capth,p Capth,R1 Capth,Ry(y＞1) Φca Φia Φgc Φci Φpg Φ S1g Φ B 1g Φ R 1g Φrcsky Φrpc ΦrB1c ΦrB1p ΦrB1R1 ΦrR1c ΦrR1p ΦrS1c ΦrS1p ΦrS1B1 ΦrS1R1 Φ S1S2 ΦS(m+1)Sm(m＞1) ΦB1B2 ΦB(n+1)Bn(n＞1) ΦBna ΦR2R1 ΦR(y+1)Ry(y＞1) ΦRya Φvent Φlat,cΒιβλιοθήκη BaiduΦlat,S1 Φlat,p Φlat,R1