集装箱菇房气流组织设计与模拟

摘要 为了提高小型集装箱菇房气流组织均匀性，以上海冬季作为气象条件，将型号20FT的冷藏集装箱改造成的菇房作为研究对象，经设计机械送风方式并模拟验证送风合理性。经计算得到菇房总送风量为0.83 kg/s，送风方式为上送下回并利用孔板均流原理在送回风口布设孔板。孔板模型采用N点送风模型，通过CFD模拟技术模拟送风温度分别为10、11、12 ℃下菇房内气流速度场和温度场的分布情况。结果表明，采用孔板送回风的气流组织设计可使菇房温度场、速度场分布均匀，可使食用菌生长区域气流速度均在0.14 m/s以下；随着送风温度的增大，菇房温度均匀性逐渐提升，当送风温度为12 ℃时菇房各区域温差最小，此时菇房环境温度为12.09～13.69 ℃。CFD模拟可为优化菇房内部的气流分布、提高种植环境的稳定性和生产效益提供技术支持。

关键词 集装箱菇房；孔板送风；N点送风模型；气流组织

中图分类号 S26 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2025）06-0190-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.06.044

Design and Simulation of Air Distribution in Container Mushroom House

QIN Yi-nuo，LIANG Zhen

（Donghua University，Shanghai 201620）

Abstract In order to improve the uniformity of air distribution in small-size container mushroom house，20FT national standard refrigerated container was transformed into mushroom house as the research object in Shanghai in winter，the mechanical air supply mode was designed and the rationality of air supply was simulated.The total air supply volume of mushroom house was 0.83 kg/s，the ventilation method was down-return，the orifice plate was arranged in the return tuyere by using the orifice plate flow sharing principle.N-point air supply model was adopted in the the orifice model，CFD simulation technology was used to simulate the distribution of air velocity and temperature in the mushroom house with the delivery air temperature of 10，11 and 12 ℃ respectively.The results showed that the temperature and velocity of mushroom house could be evenly distributed by using this air supply methods，and the air velocity in the growing area of edible fungi could be below 0.14 m/s.With the increase of the supply air temperature， the temperature uniformity of the mushroom house gradually increased.When the supply air temperature was 12 ℃，the temperature difference of the mushroom house was the smallest，and the temperature of the mushroom house was in the range of 12.09-13.69 ℃.CFD simulation could provide technical supports for optimizing the air flow distribution，improving the stability of planting environment and production efficiency.

Key words Container mushroom house;Air distribution from perforated ceiling;N-point air supply model;Air distribution

食用菌亦称为蘑菇，常见的有双孢菇、杏鲍菇、香菇、冬虫夏草、猴头菇等。由于食用菌的氨基酸组成与动物蛋白相似，食用蘑菇的营养价值与肉、蛋和奶相当［1］。同时，因其具有低热量、高脂质、富含矿物质和维生素的特点，长期以来一直被视为功能性食品和营养价值高的食品［2-4］。食用菌可以在农村地区使用传统耕作技术进行种植，也可以在城市和城郊社区使用高度工业化的技术进行种植。对于很多交通不便、工业化程度不高的地区，传统的家庭式耕作模式依然是当地种植食用菌的主要方式。但是，这种家庭式的生产模式规模小、生产方式粗放、产量有限，无法满足大规模市场需求。研究表明，食用菌种植产业要实现可持续发展，要在引进先进的种植技术、菌种研发和生产管理方法的同时，提高食用菌种植的技术水平和生产效益，促进食用菌生产的产业化发展［5-6］。

集装箱种植模式的概念最早起源于以色列，即将废弃的集装箱改造成用于蘑菇种植的设施。这种做法的初衷是为了提供更稳定、可控的种植环境，并减少对土地的依赖［7］。由于食用菌生长过程中对环境气流速度、温度稳定性的要求较高，如果忽视气流组织，室内冷热温度分布不均，容易形成过热或过冷区域，不利于农业安全生产。另外，合理的气流组织可使进入室内的空气充分发挥作用，减少换气频率，降低空调的能耗［8］。孔板送风的原理是将供出的空气通过多孔天花板扩散到压力较低的房间中，由于增压室和通风室之间的压力差，空气通过整个多孔天花板扩散到通风室。这种通风模式可以形成相对均匀的流场分布，使送入建筑物的空气形成均匀稳定的温度、湿度和气流速度等，既能满足生产的需要，又能节约能源［9-10］。

计算流体动力学（CFD）已被证实是一种有效的工具，可以以合理的精度模拟物理复杂现象并分析受控环境中的环境均匀性［11］。Hou等［12］采用数值模拟方法对孔板送风条件下的气流流动情况进行了模拟优化。Zhang等［8］、Han等［13］利用CFD模拟植物生长环境，分别预测多层作物生产系统的室内气流流动情况和菇房内部环境条件，CFD技术可用于受控环境农业，分析空气动力学、气候和复杂流体现象。

笔者采用型号20FT的冷藏集装箱改造成的菇房作为食用菌出菇舱，为满足食用菌生长对温度和气流速度的均匀性要求，借鉴洁净室气流组织原理，采用上送下回的通风方式，并在送回风口处采用全面孔板设计。对小型菇房出菇舱进行CFD仿真模拟，分析探究不同送回风条件下出菇舱内部的气流温度、速度的变化情况，以期为建成集装箱食用菌出菇舱、提高食用菌产量、改善菌类品质等提供新的方案。

1 集装箱出菇舱气流组织设计

1.1 集装箱菇房设计

出菇舱由型号20FT的冷藏集装箱改造而成，分为出菇舱和环控设备舱两部分。其出菇舱由可移动立体培养架、LED补光系统、环境控制系统、加湿系统等构成。环控设备舱主要用于放置加湿控制装置及其他装置。集装箱内部长、宽、高分别为5.456、2.294、2.273 m，内部容积约28.4 m3。

集装箱菇房结构如图1所示。出菇舱内放置长0.9 m、高2.0 m的菇架共18组，上面放有13层菌包，每层摆放7个。菌包外径110 mm，长度 250 mm。舱内栽培架布置方式为左右两排分别设5列，中间部分考虑到舱门开合设4列。左右两排菇架距墙壁约0.1 m，两侧菇架与中间菇架分别相隔2个过道，过道宽度约0.5 m。

集装箱菇房空调系统的制冷量取决于集装箱围护结构传热以及食用菌呼吸作用。由于不同的食用菌对温湿度的要求不同，且生长期间温湿度波动范围较小，所以在菇房通风设计中空调送风仅承担舱内热负荷，湿负荷则由额外的加湿系统进行控制。该文研究内容为菇房内气流速度及温度分布情况，湿度暂不作为研究对象。

1.2 送风量计算

集装箱菇房的屋顶及四周的围护结构均由3层材料构成。内壁与外壁材料为建筑钢材，厚度约2 mm；内外钢板中间使用隔热保温性能较好的聚苯乙烯泡沫塑料，厚度为104 mm。内侧钢板与舱内气流进行对流换热，外侧钢板与外部空气进行对流换热。由于室内外温差的存在，3层材料之间进行热传导。

围护结构耗热量（Qw）计算公式如下：

式中：Qw为围护结构耗热量，单位W；T0为外界环境空气温度，单位K;Ta为菇房设计温度；h1为外界空气与围护结构外表面的对流换热系数，单位W/（m2·K）;h2为菇房内部空气与围护结构内表面的对流换热系数，单位W/（m2·K）;d0、d1、d2分别为聚苯乙烯泡沫塑料、内钢板和外钢板的厚度，单位m;k0、k1、k2分别为聚苯乙烯泡沫塑料、内钢板和外钢板的导热系数。

钢板的对流换热系数为22 W/（m2·K），聚苯乙烯泡沫塑料的导热系数为0.042 W/（m2·K），钢板导热系数为58.2 W/（m2·K），则总换热系数为0.39 W/（m2·K）。经计算，可得夏季舱体传热冷负荷约1.0 kW，冬季舱体传热冷负荷约0.5 kW。

菌包内装有培养料，食用菌接种于培养料后在出菇舱进行生长活动，其主要生理活动包含呼吸作用和蒸腾作用。忽略食用菌与周围环境的潜热交换，根据经验食用菌菌包的散热冷负荷约3 kW；舱内均匀布设LED灯带作为补光系统，灯光冷负荷约0.5 kW。

茹房送风量通过下式计算：

式中：G为菇房送风量，单位kg/s；Q为总冷负荷，单位kW；hx为室内设计状态空气焓值（干空气），单位kJ/kg；h0为送风状态空气焓值（干空气），单位kJ/kg。

室内状态点的确定取决于食用菌的生长要求，对于此次研究的食用菌，假定室内设计温度为15 ℃，考虑到部分余量，菇房总送风量为0.83 kg/s。

1.3 孔板设计

由于集装箱菇房层高较低、单位面积送风量较大，且食用菌生长区域既对温度有着严格的要求，又要保持较低的风速，因此此次设计采用上送下回的通风方式并在风口处铺设均流孔板。同时，菌包作为舱内热源，在整个舱体中密度较大且其与舱壁间距较小，为使其与热源分布相适应，在孔板设计时采用全面孔板送风和全面孔板回风设计。孔板长5 m、宽2.29 m，孔板厚度2 mm；孔眼直径6 mm，孔与孔的间距为35 mm。孔板孔眼排列布置如图2所示。

稳压层高度按下式计算：

式中：Ld为空调房间单位面积送风量，单位m3/（m2·h）；S为稳压层内有孔板部分气流最大流程，单位m；VS为送风出口风速，单位m/s。

孔板送风出口风速按下式估算：

式中：dS为孔口直径，单位m；γ为空气运动黏度，对于标准空气其运动黏度为15.06×10-6，单位m2/s。经计算得出，孔眼平均气流速度约3.77 m/s。