关键词：
日光温室
传感器配置
温湿度耦合
通风策略
主动通风
摘要：
日光温室是保障我国北方冬季果蔬供应的重要手段。为提高室内温度,冬季温室长时间密闭运行,导致湿度过高,病虫害频发。通风换气是温室常采用的低成本排湿方式,开启上通风口的自然通风是当前冬季日光温室采用的主流通风模式,具有结构简单、操作便捷等优势,但也存在排湿效率低、热量损耗大等不足,导致通风过程中蓄热保温和通风排湿矛盾突出、不易调和。针对冬季日光温室自然通风排湿效能低下、热量损耗严重、传热传质内在机制不清、缺乏高效保温排湿的通风策略等问题,本文基于优化构建的日光温室温湿度监测系统,量化分析日光温室温湿度空间耦合异布规律,探究自然通风低效排湿和热损严重的成因,进而提出适配温湿度耦合异布特征的主动通风策略。论文主要包含以下5部分研究内容:
（1）优化构建了基于加权HSIC的日光温室温湿度监测系统。为精准反映温湿度整体趋势和空间分布信息,基于加权希尔伯特-施密特独立性准则（Hilbert-Schmidt Independence Criterion,HSIC）量化各温湿度传感器综合独立性,进而依据主副传感器协同工作原理构建优先级排序算法,结合监测均方根误差（Root Mean Squared Error,RMSE）和信息增益率（Information Gain Rate,IGR）阈值,优化构建了温湿度传感器配置方案,其在垂直方向上的温、湿度监测误差分别为0.23℃、0.58%,信息增益率分别为4.8%、8.7%。相较于随机或均匀大量传感器配置方式,优化策略不仅降低了传感器冗余,而且实现了温湿度空间分布的准确全面监测。
（2）开展了基于多场耦合CFD模型的温湿度空间异布规律量化研究。构建了全尺寸日光温室多场耦合CFD（Computationnal Fluid Dynamics,CFD）模型,晴朗天气下温、湿度仿真值RMSE分别为1.07℃、10.11%;基于模型分析了温度场、湿度场和气流场的多场耦合机制,研究了热浮升力和作物蒸腾对温湿度空间异布的影响机理,明确了驱动温湿度耦合异布时空演变的主要因素为太阳辐射强度,当辐射强度高于900W/m2时,温湿度空间异布程度显著,为后续主动通风策略的优化设计提供了模型基础。
（3）开展了自然通风模式下温湿度变化规律及低效换气成因研究。在明晰温湿度耦合异布规律的基础上,构建了包含热湿比、含湿量、焓值等指标的通风效能评价体系,冬季典型晴朗天气自然通风模式下通风率、室内空气日平均温度、含湿量、相对湿度、焓值、热湿比分别为4～7 m3/m2/h、16.2℃、9.7g/kg、84%、40.5k J/kg、0.64,量化揭示了自然通风的保温排湿效能;同时开展了基于多场耦合CFD模型的自然通风仿真研究,明晰了室内气流场、温湿度场受通风参数及环境风速的影响规律,揭示了自然通风传热传质过程与温湿度空间异布特征存在失配缺陷,是导致其保温排湿效能低下的主要原因。
（4）构建并优化了适配温湿度耦合异布规律的主动通风策略。基于室内温湿度耦合异布机理和自然通风模式下室内流场分析,提出采用主动通风改变室内气流流向,实现通风过程中传热传质与温湿度空间异布特征的适配,有效提升了温室的保温排湿效能;进而基于响应面法优化主动通风的作业参数,以热湿比为响应值的回归模型显示,参数显著性排序依次为通风率、辐射强度、环境风速,当上述参数分别为7.3 m3/m2/h、912.4W/m2、0～1.9m/s时保温排湿效能最优,热湿比可取得极值1.46,为主动通风实地试验中作业参数的遴选提供了依据。
（5）开展了主动通风策略的保温排湿效能试验分析与验证。基于主动通风室内流场仿真分析及作业参数优化结果,设计了主动通风实地试验方案,部署了包含4台轴流风机的通风系统,主动调控室内气流流向及传热传质过程,以适配温室系统性温湿度耦合异布特征。试验结果显示,主动通风率可在0～30 m3/m2/h范围内无级调节,有利于实现通风精准调控;晴朗、多云、阴雨3种天气下,相比于自然通风,主动通风能够有效提升室内空气日平均温度、热湿比和焓值,同时降低含湿量和相对湿度,展现出优秀的气候适应性和保温排湿的稳定性。其中,晴朗天气下日平均温度提高2℃～2.7℃,热湿比提高31%～39%,日均相对湿度降低15%～17%,保温排湿效能改善显著;同时,主动通风策略的投入产出比ROI（Return On Investment）为2.62,能够以较低的投入获得可观的收益,经济可行性较好。
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