引言食用菌生产是我国农业生产的重要组成部分，随着食用菌生产蓬勃发展，形成了工厂化大规模的生产模式。据统计，2019年我国食用菌总产量达3 900万t，占世界总产量70%以上[1]。食用菌的出菇阶段对生长环境的要求极为严格，食用菌生育间内普遍采用冷风机调控室内环境，送回风口均布设在生育间的顶部，采用单侧上送风、单侧上回风的气流组织形式。气流组织形式导致生育间上方的气流流速较大，下方的气流流速较小，生育间底端流速几乎为0，温度较高不能满足生育间下部食用菌的生长需求。生育间排风直接排至室外，造成冷量大量浪费。食用菌生育间内气流分布的问题引发众多关注。沈敏[2]分析风口位置对温度分布变化的影响，当送风口与回风口同时位于菇房上方时，气流无法送至菇房下部，监测点处的温度模拟值与实测值变化规律基本相同，说明CFD模型有效可行。方倩[3]分析不同测点温度随时间的变化趋势，发现靠近风机的测点温度下降趋势更加明显，且达到稳定时其温度与其他测点相比较低。段文利[4]等对食用菌培养室通风气流组织进行改造，改造后在末端管道上开一定数量的小孔作为出风口，气流组织更加合理，解决热量积聚而无法降温的问题。李立[5]等通过模拟比较发现喷嘴装置改善培养间内的流场和温度场分布，推动厂房内较高温度处的空气的垂直方向的流动，促进整个厂房的空气流通循环，达到整个厂房降温的目的。杜红慧[6]发现改造后的湿帘-制冷机组联动控温系统具备增湿能力强、节约用电与降温幅度大的优势，可以满足中低温型食用菌栽培出菇要求。万丽娜[7]指出，应用湿冷技术在相对湿度稳定控制方面更具有优势，但没有分析这些控温系统的气流组织是否合理。针对现有研究中存在的问题和生育间实际存在的问题，本研究拟对生育间的送回风方式进行改造，并采用数值计算的方法对改造后的生育间的温度场和速度场进行分析。1研究对象与方法1.1食用菌生育间以某食用菌生育间为例，进行送回风方式改进研究。每个生育间的尺寸为36 m×7 m×7 m，生育间内设置4排菌菇架，每列架子的尺寸为36 m×1 m×5 m。架子之间的走道宽度为0.80 m，中间两列架子距离为0.30 m，两侧架子距墙0.55 m。生育间菌菇架布置，如图1所示。生育间内培育的菌类为金针菇，要求生育间温度控制在14~16 ℃之间，相对湿度控制在80%~90%之间，菌类对气流比较敏感，要求风速控制在1 m/s以下。送风口为方形散流器，尺寸为0.4 m×0.4 m，位于走道上方距离地面高度5.5 m处，采用吊顶安装，共安装26个，均匀布置。回风口为条缝型，尺寸为1.0 m×0.3 m，位于房间长边两侧距地面高度为0.1 m处，共安装18个，均匀布置。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.012.F001图1生育间菌菇架布置/m1.2研究方法本研究运用专业的人工环境系统分析软件Fluent Airpak 3.0，对生育间的气流组织分布进行计算。能够准确地模拟研究对象中的气流流动、传热和污染等现象，也可以精确地模拟通风系统中的空气流动、空气质量、传热、污染物控制和工作环境的舒适性[8]。食用菌生育间的室内流场是一个三维、非稳态、不可压缩的湍流流动过程。本研究中的送风方式属于强制对流，送风方式类似于射流[9]。选择标准k-ε模型进行模拟[10]，对室内空气场建立标椎k-ε控制方程组。组成如下：∂(ρk)∂τ+∂(ρkui)∂xi=∂∂xju+uiσk∂k∂xj+Gk+Gb- ρε- YM+Sk (1)∂(ρε)∂τ+∂(ρεui)∂xi=∂∂xju+uiσε∂ε∂xj+C1εεk+Gk+C3εGb- C2ερε2k+Sε (2)式中：ε——湍动能耗散率，m2/s3；k——湍动能，m2/s2；Gk——平均速度梯度产生的湍流动能产生项；Gb——浮力产生的湍流动能的产生项；YM——过度的扩散产生的波动；C1ε、C2ε、C3ε——常数；σk、σε——湍流数，其中σk=1.0，σε=1.3；Sk、Sε——用户自定义。为了对生育间室内气流组织有较好的研究，在保证结果合理准确，对模型进行简化。模型简化为：（1）将空气视为透明介质，忽略四周壁面的热辐射。（2）将空气流动简化为定常流动。（3）连续性介质。（4）认为房间空气符合Bossinesq假设，为不可压缩气体。（5）假设室内具有良好的气密性。1.3参数设置1.3.1生育间的冷负荷菇房所需冷负荷需要根据食用菌所处的生长阶段进行计算，在食用菌生长第一阶段散热量逐渐增加；生长第二阶段散热量的增长趋势变缓，可以按照稳定传热方法进行计算[11]。在某生育间内，假设单位时间内每瓶原料的最大散热量为qmax，生长瓶的总数为N瓶，即在某一时段内单位时间原料最大散热量Qmax为：Qmax=Nqmax (3)根据生育间技术人员提供的经验值，生育间内菌菇的散热量取0.72 W/瓶，每间生育间内有12.6万瓶。工作人员在生育间内的停留时间较短，故人员负荷可忽略不计；食用菌需要避光生长，故照明负荷可忽略不计。计算该生育间所需冷负荷为90 720 W/间。1.3.2湍流模型及边界条件模型建立完成后对边界条件进行设置：（1）生育间室内设计温度为14~16 ℃。（2）假设四周墙壁、屋顶、地面均为绝热边界条件。（3）送风参数：送风速度为6 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s；送风温度为10 ℃、12 ℃、14 ℃；回风口设为自然出流。（4）对于连续性方程、动量方程收敛精度为10-3，能量方程收敛精度为10-6。单精度计算。（5）考虑重力影响和自然对流，重力方向设置在-Z方向上，大小为9.8 m/s2，初始外界条件为32 ℃，初始大气压为标准大气压。（6）生育间内冷负荷为90 720 W。1.4网格划分本次选取的生育间模型采用六面体非结构性网格，划分方式采用Normal方式，对送风口和回风口等温梯度、速度梯度大的地方进行局部加密细化。网格细化完成后，Face alignment和Quality均大于0.15，并且二者数值越靠近1。本次模拟划分为191 318个网格和203 892个节点。生育间的网格如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.012.F002图2生育间网格2结果与分析2.1数值模型验证在生育间内选定8个监测点T1~T8，8个监测点T1~T8对应坐标分别为：T1（-9.5，1.4，2）、T2（8，3.9，1）、T3（1，0.9，2）、T4（-4，1.9，1）、T5（-7.5，2.4，2）、T6（7，4.9，1）、T7（0，1.9，2）、T8（-5，2.9，1）（单位：m）。监测点处，温度模拟值与实测值之间的比较，如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.012.F003图3生育间监测点温度模拟值与实测值在生育间内监测点处的温度模拟值与实测值变化规律基本相同，模拟值与实测值的相差绝对误差均小于0.9 ℃，模拟值与实测值的相对误差均在8.2%以内。生育间内，模拟值与实测值的总体分布趋势一致，说明本研究所采用Airpak模型的预测结果具有良好的准确性。2.2送风速度的确定为了分析生育间内气流组织的分布情况，选取送风速度分别为6 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s时的工况进行分析。沿长度方向选取一个典型截面Y=2.95进行比较分析，Y=2.95为菌菇架离送风口最远处的截面，具体工况设置如表1所示，速度场的模拟结果如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.012.T001表1不同送风速度模拟工况工况送风温度/℃送风速度/(m/s)工况1146工况2147工况3148工况4149图4Y=2.95时不同工况下的速度场模拟10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.012.F4a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.012.F4a210.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.012.F4a310.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.012.F4a4当送风速度为6 m/s时，菌菇架表面气流为0，所占区域比较大，气流在菌菇架附近分布不均匀；送风速度为7 m/s和8 m/s时，菌菇架表面气流流速增大，菌菇架表面气流分布开始变得均匀，但还是存在速度为0的区域；送风速度为9 m/s时，菌菇架表面气流速度分布均匀，气流为0的区域相对较少。因此为满足生育间气流分布的要求，送风速度应取9 m/s。2.3温度场对比为满足生育间内菌菇对温度的要求，选取3种工况送风温度分别为14 ℃、12 ℃和10 ℃时进行分析，具体工况设置如表2所示。选取菌菇架中心截面Y=2.45进行分析，温度场的模拟结果如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.012.T002表2不同送风温度模拟工况工况送风温度/℃送风速度/(m/s)工况4149工况5129工况6109图5Y=2.45时不同工况下的温度场模拟10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.012.F5a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.012.F5a210.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.012.F5a3送风速度均为9 m/s，当送风温度为14 ℃时，温度分布在18~20 ℃，比设计值高4 ℃；当送风速度为12 ℃时，温度分布在16~18 ℃，在边角处出现热量积聚，温度为18~20 ℃；当送风温度为10 ℃时，温度分布在14.5~17.5 ℃，大部分区域温度符合设计要求，温度分布更加均匀。本研究还给出生育间的最高温度分布，如图6所示。图6工况4、工况5、工况6在不同高度处的温度值10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.012.F6a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.012.F6a2从图6(a)中可以看出，送风温度为10 ℃时，生育间的温度在最底层可以控制在14~16 ℃，满足设计要求；从图6(b)中可以看出，当送风温度为10 ℃时，生育间的温度在最高层可以控制在14~16 ℃，满足设计要求。对比图6(a)和图6(b)发现，同一工况时，上层温度比下层温度高。通过以上分析，送风温度取10 ℃可以满足菌菇的生长要求。3节能性分析为保证生育间有新鲜的空气，需要送入新风排走污浊气体。实际投入生产的生育间空调系统中，排风直接排出生育间，没有进行冷量回收，造成冷量浪费。本研究建议空调系统采用带热回收的组合式空气处理机组，回收排风的冷量，可节约部分能量[12-13]。为满足菌菇的生长要求，生育间的新风换气次数为6次/h，生育间的送风高度为5.5 m，送风面积为252 m2，则所需新风量为8 316 m3/h。现以一间生育间为例进行分析，假设热回收装置的效率为70%，新风温度为10 ℃，回风温度为16 ℃，则经热回收器后的温度可根据以下确定：t22=t21- t21- t11η (4)式中：t22——送风温度，℃；t21——新风温度，℃；t11——回风温度，℃；η——热回收效率。求得t22=10-(10-16)×70%=14.2 ℃。新风负荷计算为：Q=Gx×cp×tN- t0 (5)式中：Gx——新风量，kg/s；cp——定压比热容，kJ/(kg·K)；tN——室内温度，℃；t0——送风温度，℃。采用热回收装置时，新风负荷为：Q=Gx×cp×tN- t0=Gx×cp×t11- t22 (6)计算得出，Q=8 316×1.23 600×1×16- 14.2=4.990 kW。不采用热回收装置时，新风负荷为：Q'=Gx×cp×tN- t0=Gx×cp×t11- t22 (7)计算得出，Q'=8 316×1.23 600×1×(16- 10)=16.632 kW。显热回收量为∆Q=Q'- Q=16.632- 4.990=11.642 kW，节能效果显著。综合分析，该系统可以使生育间内温度符合设计要求，采用热回收装置既改善空气品质同时降低了新风冷负荷，降低能耗。4结语本研究对食用菌生育间的送回风形式进行改进，提出采用上送下回的通风形式，并利用数值模拟的方法，对改进后生育间的气流分布进行分析，建议采用带热回收的组合式空气处理机组回收排风的冷量。研究发现：（1）采用上送下回的方式，将送风口布置在距离地面5.5 m处，回风口布置在墙体下方距离地面0.1 m处，通过对比送风速度为6 m/s、7 m/s、8 m/s和9 m/s的速度场得到，当送风速度为9 m/s时，室内速度场分布均匀，送风可以到达最不利截面，且送风速度可控制在1 m/s以下。（2）通过对比送风温度为14 ℃、12 ℃、10 ℃的温度场得到，当送风温度为10 ℃时，室内温度满足设计要求，温度场分布均匀，基本不存在热量积聚现象。（3）本研究建议回收排风冷量，通过节能分析可以看出，采用热回收装置的节能效果显著。