日光温室作物热环境模拟及分析

的经验, 在此取 c = 0. 54, n = 0. 25。
3 2
根据格拉晓夫准则: G r = g Βl ∃ T Χ , Β—— 空气膨 胀系数, 对理想气体, Β = 1 T , T 为流体与壁面间的算 术平均温度, ℃; Χ—— 运动粘度, m
2
s; ∃ T —— 流体
W m 2; Α R ij ( n ) —— n 时刻 i 表面与 j 表面的辐射换热系
A i —— 第 i 表面的面积; t i ( n ) —— n 时刻第 i 表面
的温度, ℃; t i ( n + 1) —— n + 1 时刻第 i 表面的温度, ℃。 对于日光温室, 为避免作物蒸腾产生的高湿环境引 起病害, 补充室内的 CO 2 量, 需进行通风。 通风引起的热 量改变量:
Q v = n0Θ aC p aV 1 [ ta ( n ) t1 ( n ) ]
0 引 言
环境温度对作物生长发育及产量形成起着至关重 要的作用, 模拟日光温室内的温度变化, 旨在进行预测, 并在此基础上对日光温室生产进行指导, 是一项很有意 义的工作。 前人所做的温度模拟主要是在不考虑作物存 在条件下的模拟[ 1- 10 ] , 不考虑作物存在必然会导致一 定的误差。 因此本文在建立温度模拟模型时考虑了作物 对热量平衡的影响, 模拟了有作物存在情况下的日光温 室内温度的分布及变化。 本文中作物对温度的影响主要 考虑两个方面, 一是作物对辐射的反射和吸收 ( 本文在 地面热平衡公式中考虑) , 二是作物蒸腾耗热的影响 ( 本 文在空气、 前屋面、 地面热平衡中考虑) 。 本文将日光温室内部系统分为 5 个部分 ( 图 1 ) , 分 别为空气 1、 地面 2、 后墙 3、 后屋面 4、 前屋面 5。由于温室 的长度远大于宽度, 因此不考虑东西山墙的遮挡作用。 日光温室的热量来源主要是太阳辐射, 太阳辐射从前屋 面进入温室后, 在各个面上进行分配, 引起温室内各部 分温度的变化, 同时温室的围护结构通过与室外空气进 行热量交换, 达到动态平衡。 根据传质传热学的基本原 理, 同时考虑作物的影响, 建立温室内热量平衡方程组。 然后将 5 个热量平衡方程联立, 利用高斯法求解。 模拟
图 1 温室结构示意图
F ig. 1 Structu ra l diagram of the greenhou se
温 室 坐 北 朝 南, 方 位 角 为 0° , 温室经度为东经 116. 35° , 纬度为北纬39. 72° , 所在地海拔高度 40 m , 温 室东西长59 m , 跨度7. 0 m , 脊高3. 5 m , 后墙高2. 16 m , 后墙厚度 0. 58 m ( 0. 01 m 石灰 + 0. 24 m 砖 + 0. 08 m 泡 沫 板 + 0. 24 m 砖 + 0. 01 m 石 灰 ) , 后 屋 面 厚 度 0. 085 m ( 0. 050 m 石棉瓦 + 0. 035 m 石灰浆) , 后屋面 水平投影长度为 1. 65 m , 前屋面塑料薄膜使用的是无 滴 EVA 膜, 厚 0. 14 mm , 外保温覆盖材料使用的是自动 张卷棉帘, 室内种植番茄, 试验时间是 2003 年 9 月至 2004 年6 月。 在此时间段内用自动气象站对温室内气象
第 4 期
吴春艳等: 日光温室作物热环境模拟及分析
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要素 ( 辐射、 温度、 湿度等) 进行 1 h 间隔的观测, 测点水 平方向设温室前 ( 离后墙 6. 6 m ) 、 中 ( 离后墙 4. 3 m ) 和 后 ( 离后墙 2. 0 m ) 各一点, 每个点设上 ( 离地面2. 5 m ) 、 中 ( 离地面 1. 5 m ) 、 下 ( 离地面 0. 5 m ) 三个高度进行观 测。 模拟后利用观测数据对模拟结果进行验证和误差分 析。 室内番茄2003 年9 月中旬定植, 11 月中旬至2004 年 1 月为收获期。
K e —— 作物的消光系数; T CM —— 冠层密闭时的最
大涡流系数。
2. 2 地面热量平衡方程
地面的热量交换主要表现为土壤垂直方向的热交 换 ( 本文未考虑土壤的横向传热, 只作了一维的温度模 拟) , 与室内空气的对流换热, 与日光温室室内各表面的 长波辐射换热, 吸收的太阳辐射, 土壤表面水汽蒸发带 走的热量。
Qg +
Α R 23 ( n ) [ t 3 ( n +
1) -
t2 ( n +
1) ]A
3
+
Α t2 ( n + 1) ]A 4 + Α R 24 ( n ) [ t 4 ( n + 1 ) R 25 ( n ) [ t5 ( n
+ 1) - t2 ( n + 1) ]A 5 + Α t2 ( n + c2 ( n ) [ t 1 ( n + 1 ) 1) ]A 2 + A 2 q 2 ( n ) - W
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第 23 卷 第 4 期 2007 年 4月
农业工程学报 T ran saction s of the CSA E
Vol . 23 N o. 4 A p r. 2007
日光温室作物热环境模拟及分析
吴春艳, 赵新平, 郭文利
( 北京市气候中心, 北京 100089)
摘 要: 针对日光温室实际生产管理中的气象保障问题, 该文从传热学的基本原理出发, 考虑了温室内作物对热环境的影 响, 建立了日光温室内作物生长情况下的温度预测数学模型。将温室内部系统分为 5 个部分, 建立了 5 个方程, 联立方程组, 运用高斯主元素消去法对方程组进行求解, 对各个面的温度进行模拟, 并对模拟结果进行了分析。 用试验温室的实测资料 对模拟结果进行了验证, 结果表明所建模型模拟效果较好, 室内气温的平均绝对误差为 0. 9℃, 平均相对误差为 5. 1% , 模拟 的精确度较高, 可以为温室生产管理提供科学的气象依据。 本文还对模型模拟误差产生的原因进行了分析。 关键词: 日光温室; 温度模拟; 数学模型 中图分类号: S625. 5+ 1 文献标识码: A 文章编号: 100226819 ( 2007) 420190206 吴春艳, 赵新平, 郭文利. 日光温室作物热环境模拟及分析 [J ]. 农业工程学报, 2007, 23 ( 4) : 190- 195.
c, n 是根据试验确定的常数值。 根据文献
后墙、 地面与后屋面、 地面与前屋面的长波辐射换热量, 地面与室内空气的对流换热量, 地面吸收的太阳辐射量 和土壤表面水汽蒸发带走的热量。
Q g —— 土 壤 垂 直 方 向 的 热 传 导 热 量,W ; q 2 ( n ) —— 地面在 n 时刻单位面积接收的太阳辐射,
2 模拟模型的建立
2. 1 温室内空气热量平衡方程
式中 n 0 —— 换气次数, 次 h; ta ( n ) —— n 时刻室外空 气的温度, ℃。
W —— 温室内作物蒸腾耗热量,W 。 W = LT ×Θ W × L A I × T RM
室内空气对太阳短波辐射不吸收, 其热交换主要是 与地面、 作物冠层、 后墙、 后屋面和前屋面之间进行的对 流换热, 与室外空气在通风时进行热量交换, 以及作物 蒸腾消耗的热量, 同时室内空气的温度随热量的转移而 发生变化。 在温室中假设冠层温度与空气温度基本一 致, 因此空气与作物冠层的热交换为0, 在方程中不再体 现, 同时各面间辐射交换也将冠层视为空气。 [ t1 ( n + 1 ) - t1 ( n ) ] Θ = Α 1C p 1V 1 c2 ( n ) [ t 2 ( n ) ∃Σ t1 ( n ) ]A 2 + Α t1 ( n ) ]A 3 + c3 ( n ) [ t 3 ( n ) Α Α t1 ( n ) ]A 4 + c4 ( n ) [ t 4 ( n ) c5 ( n ) [ t 5 ( n ) ( 1) t1 ( n ) ]A 5 + n 0 Θ t1 ( n ) ] - W aC p aV 1 [ ta ( n ) 方程中的左边项为空气温度随时间变化产生的热 量变化, 右边各项依次为空气与地面、 后墙、 后屋面、 前 屋面的对流换热量, 与室外空气的通风换热量以及作物 蒸腾耗热量。 所谓 n 时刻即为当前时刻距离模拟初始时刻的时 刻数, n + 1 为模拟的下一时刻, 模拟的时间间隔为 1 h。 3 Θ 1 —— 室内空气密度, kg m ; C p 1 —— 室内空气 比热, kJ ( kg ℃) ; V 1 —— 温室容积, m 3; Θ a —— 室外 空 气 密 度, kg m 3; C p a —— 室 外 空 气 比 热, kJ ( kg ℃) ; ∃Σ—— 模拟时间间隔, 本文中取 1 h; ta ( n ) ——
n 时 刻室外气温, ℃。
式中 L T —— 潜热放热系数, J kg - 1; Θ W —— 水的密 度, kg m 3; L A I —— 叶面积指数, 随作物发育期的变化 而变化。
L T = 3044205. 5 -
1679. 1109 × t 1 ( n ) -
1. 14258 ×
[ t1 ( n ) ]
Em ail: yanzicao@ 163. com
结果表明建立的模型准确, 模拟的效果较好, 室内气温 的预测值平均绝对误差为 0. 9℃, 平均相对误差为 5. 1% 。 最后进行了模拟误差分析。
1 试验布置基本情况
在北京市大兴区长子营蔬菜示范基地选取一个有 代表性的日光温室作为试验温室, 温室结构见图 1。
2 [ 13, 14 ]
—— 作物的实际蒸腾速率, m s。 T RM = ( E T 0 - 0. 05 E 0 ) ( 1 - exp ( - L A I ( 1 + ( T CM - 1) ( 1 - exp K e) )