第26卷第6期2010年6月农业工程学报

TransactionsoftheCSAEVol.26No.6Jun.2010

231

日光温室墙体传热的一维差分模型与数值模拟

马承伟，陆海，李睿，曲梅

（中国农业大学农业部设施农业工程重点开放实验室，北京100083）

摘要：为了预测和评价日光温室墙体的热工性能，构建了日光温室墙体非稳态传热过程的一维差分模型。根据气象统计参数及其变化规律，确定了墙体表面太阳辐射热量的算法，以及傅立叶级数形式的室内和室外气温等边界条件，墙体表面接收的太阳辐射热量处理为边界节点的内热源。提出了以周期外界条件反复循环作用的“程序预演法”，解决了墙体传热模拟的初始条件问题。采用高效的追赶法求解差分方程组等方法，建立了完整的日光温室墙体传热的数值模拟方法，编制了计算机程序RGWSQCR，通过运行程序模拟日光温室墙体传热过程，可以获得墙内任意点和任意时刻的温度，以及热流量等数据信息，可为墙体热工性能综合分析提供充分的依据。

关键词：日光温室，墙体，传热，一维，差分法，数学模型，预演法，数值模拟doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.06.040中图分类号：S625，TU111.19文献标识码：A文章编号：1002-6819(2010)-06-0231-07马承伟，陆海，李睿，等.日光温室墙体传热的一维差分模型与数值模拟[J].农业工程学报，2010，26(6)：231－237.MaChengwei,LuHai,LiRui,etal.One-dimensionalfinitedifferencemodelandnumericalsimulationforheattransferofwallinChinesesolargreenhouse[J].TransactionsoftheCSAE,2010,26(6):231－237.(inChinesewithEnglishabstract)

0引言

日光温室墙体对于室内温度环境具有重要的作用，如何开发适用的墙体材料和优化墙体结构，以提高室内温度的水平，仍是设施工程界研究的重点问题。陈端生、亢树华等通过对使用中的日光温室墙体进行测试，分析了一些材料和构造方式下日光温室墙体的保温蓄热性能[1-2]。该方面经验可作为以后设计与建设的依据。但是，仅通过试验测试的方法获得的数据、经验有限，要全面掌握日光温室及墙体的保温蓄热性能系统性的经验，需进行大量的试验，同时要归纳出对其性能的系统和通用的判断方法，困难也很大，对于一些新材料、新构造的墙体尤其如此。

因此，通过严密的科学理论，采用墙体传热的理论模型，分析计算和判断日光温室墙体的保温蓄热性能，以指导墙体材料开发应用和墙体的合理设计，是更为有效的方法。郭慧卿、李元哲、吴德让、陈青云、佟国红、王铁良、白义奎、李小芳等采用频率响应法或反应系数法[3-7]，孟力力、杨其长等采用离散化的分层计算传热的方法[8]，佟国红等采用CFD软件Fluent等方法[9-12]，分别模拟和分析了日光温室墙体的传热，根据其计算结果分析了一些日光温室墙体的保温蓄热性能，这些研究为理论分析日光温室墙体保温蓄热性能的方法作出了有益的

收稿日期：2009-10-01修订日期：2009-12-12

基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目园艺作物节能栽培工程技术集成与示范(2008BADA6B05)；资源节约关键技术标准研制(2006BAK04A03)；现代农业产业技术体系建设项目

作者简介：马承伟（1952－），男，重庆人，博士，教授，博士生导师，中国农业工程学会高级会员（E041100006S），主要从事设施园艺环境工程研究。北京中国农业大学农业部设施农业工程重点开放实验室，100083。Email:macwbs@cau.edu.cn

探索。

由于日光温室墙体传热问题的复杂性，根据理论分析计算要准确模拟墙体的传热、定量地掌握日光温室墙体保温蓄热性能，还有大量需要进一步研究解决的问题。首先，是选择合理方法的问题。频率响应法或反应系数法以及分层计算传热的方法，对于目前生产中大量采用的梯形截面的日光温室墙体，以及墙体在同一层内的不同部位采用不同材料的情况，均不能够适用。严格地讲，以上方法是建立在墙体为一维传热假定的基础上，这对于大多数高度小于5倍厚度的日光温室墙体，是不太合适的[13]。频率响应法或反应系数法还不能够获得墙体内温度分布的情况。

CFD商用软件发展成熟、功能强大，正确地运用可以解决各类日光温室包括墙体传热问题在内的与温室内热环境相关的诸多问题。但其模拟结果是否正确和准确，仍要依赖于具体的温室环境模型。同时，运用CFD商用软件解决日光温室热环境模拟的实际问题，针对每一具体问题，仍要进行大量的构建模型、确定模拟条件、离散网格等工作，难于进一步开发成为日光温室墙体以及室内热环境模拟预测和综合评价的、方便使用的专用工具软件。

在已有的研究中，大多数采用CFD方法或离散化方法的模型，对于边界条件和初始条件的处理方法上，存在较多的问题。最突出的问题是对于初始条件的处理，几乎都是采用模拟初始时刻的实测数据作为初始条件，这种方法对于无法进行实际测试的、尚在设计方案阶段或正在开发中的新材料、新构造的日光温室，是不可能对其墙体和室内热环境性能进行模拟、预测和评价的，这不能不说是一个很大的缺陷。

本文研究的目标，是构建一种准确反映日光温室墙体传热过程特点的理论模型，采用适当的数值模拟的方