被动式日光温室热湿环境模拟与实验研究

论文摘要

以夯实土墙为围护结构的被动式日光温室是我国大量使用的具有原创性结构特色的温室,温室借助土壤和墙体的热稳定性,不依靠辅助加热设备即可满足作物的生长需求。该型温室围护结构材料方便易得,建造成本低,对我国农业生产产生了巨大的经济和社会效益。但由于该型温室来源于实践,管理和调控缺乏理论指导,出现了诸如室内热湿环境不良,作物病虫害严重及果蔬品质欠佳等问题。因此,对温室热湿环境进行综合研究对于优化作物的生长环境是极其重要的。本课题采用理论分析、实验测试及数值模拟的方法,建立被动式日光温室三维非稳态传热传湿过程的数学模型,探讨温室室内热湿环境的变化规律,为温室环境三层面调控和管理措施提供理论支持。本文针对山东省济南地区的三立一坡土质墙体被动式日光温室,实地测试了该型日光温室室内外的各种环境参数,包括太阳辐射、温度、相对湿度、热流密度、土壤温度及含水量等。测试结果表明该型温室的保温蓄热性能良好,在非灾害性气候条件下室内温度足以满足室内作物的生长需求,夜间室内的相对湿度偏高,应该针对温室作物做出相应的调控措施。以测试温室为原型,通过合理的简化条件,建立了温室室内外热湿传递过程的三维非稳态数学模型,利用流固耦合求解方法,研究墙体、土壤在室外大空间复杂边界条件下的储热蓄水性能对室内温、湿度场的综合影响；建立基于热扩散影响的水分扩散模型,探究空气和土壤干饱和多孔介质中干空气和水蒸气二元混合物的热质交换过程以及二者的交互传递过程；采用CFD技术软件,对温室室内温湿度场进行数值求解。通过上述研究工作,为完善该型温室提供理论支持。数值结果与实验数据相比,温度平均绝对误差为±0.54℃,整体拟合度为99.62%；相对湿度平均绝对误差为±1.25%,整体拟合度为99.83%；两者在95%的置信度区间内都有较高的可信度,验证了数学模型的准确性。根据实验和数值模拟的结果对温室从空气层、作物层及土壤层等三个层面提出了温室人工调控和管理策略,为完善温室的传统调控方法提供了科学依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 目前研究中存在的问题和不足
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 第2章 被动式日光温室热湿环境的实验研究
• 2.1 实验目的及内容
• 2.2 实验地点及实验温室简介
• 2.3 实验方法
• 2.4 实验结果分析及讨论
• 2.5 本章小结
• 第3章 日光温室热湿传递三维非稳态模型的建立和求解
• 3.1 概述
• 3.2 日光温室的物理模型
• 3.3 日光温室系统温湿度场数学模型的建立
• 3.4 数值计算方法
• 3.5 数值模拟结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 日光温室资源-环境-植物系统（REPS）的管理与调控
• 4.1 概述
• 4.2 空气层面
• 4.3 作物层面
• 4.4 土壤层面
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论
• 5.1 研究成果
• 5.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况