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不同新型日光温室结构在江苏省苏北地区的性能测试分析

范文

孟力力　鲍恩财　夏礼如　邹志荣　齐锴亮

摘要：为提高江苏省苏北地区日光温室冬季保温蓄热性能，设计建造斜面骨架式日光温室（G1）、主动蓄热型日光温室（G2）等2种新型日光温室结构，以当地传统日光温室（G3）为对照温室，测定3种温室冬季内部光热环境参数。试验结果表明，连续晴天条件下，G1、G2、G3的夜间平均气温分别为12.5、12.6、11.1 ℃;连续阴天条件下，3座温室的夜间平均气温分别为10.6、11.9、10.0 ℃;连续31 d（2018年12月22日至2019年01月22日）的测试结果表明，3座温室的气温总体表现为G2略优于G1，G1、G2均优于G3;可满足黄瓜的越冬生产需求。G2温室的主动蓄热循环系统在典型晴天的蓄热性能良好，夜间可以起到良好的放热效果，有利于温室保持较为稳定的室内温湿度环境。因此，主动蓄热型日光温室结构在江苏省苏北地区具有较好的推广价值。

关键词：日光温室;主动蓄热;墙体;温度;蓄热性能;越冬生产

中图分类号： S625.1? 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2020）19-0238-07

收稿日期：2019-12-20

基金项目：国家自然科学基金（编号：31901420）;陕西省科技计划（编号：2019FP-023）;农业农村部西北设施园艺工程重点实验室开放课题基金（编号：2018SSYY-2）;江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（16）1002]。

作者简介：孟力力（1982—），女，山西晉中人，硕士，副研究员，主要从事设施园艺环境工程研究。E-mail：menglili90@163.com。

通信作者：鲍恩财，博士，助理研究员，主要从事设施园艺工程相关研究。E-mail：baoencai1990@163.com。

日光温室是由我国自主研发的高效节能的设施结构，它解决了我国北方地区冬季蔬菜的供应问题，为农民增收、居民生活水平提高和农业产业发展做出了极大的贡献[1]。

日光温室最大的特点是温室墙体既可以承重，也可以起到良好的蓄热保温作用[2-3]。如何提高日光温室冬季的保温蓄热性能也是一直以来的研究热点。杨仁全等研究发现，日光温室的墙体在白天吸收太阳辐射储蓄热量，在夜间向室内空气释放热量[4-5]。但也有研究表明被动蓄热墙体的有效蓄放热厚度有限，如李小芳分析得到，当黏土砖墙的厚度达到36 cm时可保证室内气温稳定，使用聚苯板做隔热材料的厚度以10 cm为宜[6];彭东玲等试验发现，墙体的有效蓄热层与天气、墙体总厚度以及墙体热特性参数有关，试验期间有效蓄热层厚度为0.26～0.45 m[7-8];李明等发现土壤蓄热层厚度为38.5 cm[9];为了提升日光温室蓄热性能，张勇等提出了一种能够将白天富余能量进行有效存储的主动蓄热墙体日光温室[10-12];李文等设计了以水为蓄热介质的主动蓄放热系统，可以有效改善日光温室夜间的低温状况[13];鲍恩财等进一步优化了主动蓄热循环系统，以固化沙为主要蓄热体设计了固化沙主动蓄热墙体温室，使温室性能得到进一步的优化[14]。

江苏省苏北地区属于北亚热带向暖温带过渡的湿润季风气候，水热资源充沛，是江苏省发展日光温室的重点区域。当地日光温室面积大、类型多，发展较为迅速，但在发展过程中未能充分考虑当地气候条件，温室内蔬菜作物易处于冬季低温寡照、夏季高温高湿等逆境下，对当地日光温室蔬菜周年生产造成极大影响[15]。

为此，本试验特引进西北农林科技大学自主研发的斜面骨架式日光温室[16]及主动蓄热型日光温室[17-18]2种新型日光温室结构，并以当地传统日光温室为对照进行冬季室内光热环境测试，分析3种温室结构的光热性能，以期为新型日光温室结构在苏北地区的进一步推广应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验温室

3座供试温室均位于江苏省苏北市淮阴区马头镇国家农业科技园区的四新成果展示基地（33°54′N，118°94′E），于2017年10月建成，为了保证试验对比效果，3座温室内均同一时间定植黄瓜（于2018年10月5日定植），其他农艺管理措施保持一致，灌溉方式为滴灌;夜间采用保温被覆盖，上午09：00收卷，下午17：00铺放。本试验中保温被覆盖时段为夜间（下午17：00至次日09：00），保温被卷起时段为白天（09：00—17：00）。晴天正午（12：00）前后打开通风口，13：30关闭。

试验温室结构如图1所示。斜面骨架式日光温室（G1），坐北朝南，长度为52 m，跨度为11.4 m，顶高为5.325 m，前屋面采用斜面式桁架结构，后墙高为3.680 m，后墙厚度为1.240 m，结构为100 mm聚苯板+120 mm黏土砖墙+960 mm相变固化土+120 mm 黏土砖墙（从外向内），相变固化土由当地黄土添加8%（质量比）的相变固化剂搅拌均匀制成，相变固化剂配方见文献[18]。主动蓄热型日光温室（G2），前屋面采用弧形结构，顶高为5.167 m，后墙尺寸、结构与G1一致;G2后墙高度方向均匀布置3道纵向通风道，顶部内置2台轴流风机;温室采用卡槽骨架，间距1.240 m，后屋面采用100 mm聚苯板，前屋面覆盖聚烯烃（PO）膜。对照温室为淮安当地传统的日光温室（G3），后墙高为3.680 m，厚度为1.240 m，结构为100 mm聚苯板+120 mm黏土砖墙+960 mm当地夯实黄土墙+120 mm 黏土砖墙（从外向内），其他参数与G1、G2一致。

1.1.2 主动蓄热循环系统

G2温室的主动蓄热循环系统包括风道、风机及其控制系统。在鲍思财等的研究[18-20]基础上，为提高蓄热体的蓄热效果和蓄热量，结合热空气向上运动的自然现象，改进了原有的主动蓄热循环系统。本试验所用主动蓄热循环系统如图2所示，将进风口、出风口的位置设在后墙顶部，进风口设置在后墙东西两端，出风口设置在后墙中部。其后墙中建造有横向、竖向风道，供气流运动。轴流风机采用负压通风的形式，安装在出风口外表面，风机启动时，墙内形成负压，温室内部的空气携带热量从进风口进入后墙通风管道，经过热交换，热量蓄积入蓄热体中。

G2的横向风道采用市场现有的预制混凝土孔道楼板在后墙内部居中布置，共3层，每层预制孔道楼板的截面尺寸为555 mm×120 mm，其中通风孔有5个，每个通风孔的直径为80 mm，纵向风道为黏土砖砌筑，进通道截面尺寸为960 mm×200 mm，出风口截面尺寸为960 mm×400 mm;G2的轴流风机（上海展鸣风机电器有限公司生产）为负压通风，共2台，位于温室后墙中部的出风口上方，每台额定功率为0.12 kW，风量为2 100 m3/h，转速为2 800 r/min。

风机的开启、停止均采用自动控制模式，当白天（09：00—17：00）的室温高于25 ℃时自动开启进行蓄热，室温低于20 ℃时停止;当夜间（17：00至次日09：00）的室温低于13 ℃时自动开启进行放热，室温低于8 ℃时停止。

1.1.3 测试仪器

温室内外空气温度和相对湿度的测量采用HOBO UX100-011型温湿度记录仪（美国Onset公司生产，精度：温度±0.2 ℃，相对湿度±2.5%），温室内外光照度测量采用HOBO UA002-64型光照强度记录仪（美国Onset公司生产，精度为±10 lx）。

1.2 测点布置

3座供试温室内部各布置2个室内气温湿度测定点，2个室内光照测定点。分别布置在温室长度方向3等分截面处，跨度方向中部。其中温湿度测点和光照测点位于地面以上1.5 m高度处（避开温室天窗及侧窗等风口位置）。G2的主动蓄热循环系统进风口及出风口各布置2个温湿度测点。

室外环境数据测点布置在距G1正西方10 m处的空旷场地，温湿度测点和光照测点的水平高度均与温室内测点一致。为避免太阳辐射和露水对仪器测量的影响，温湿度记录仪均配套安装气象专用防辐射罩。试验数据采集时间为2018年11月1日至2019年1月31日，所有记录数据的时间间隔均为30 min。

1.3 数据处理

本试验数据采用Excel 2016进行数据分析及图表的制作。

2 结果与分析

2.1 温室内外光照度对比分析

太阳光是日光温室能源的主要来源，其强度直接影响到温室的蓄放热效果。选取连续10 d（2018年11月19日00：00至2018年11月29日00：00）测量的平均数据（表1）可知，白天室外平均光照度为48 125 lx，G1温室平均光照度为41 180 lx，G2温室平均光照度为40 591 lx，G3温室平均光照度为37 118 lx。室外光照度比G1温室高4 133～9 459 lx，比G2温室高3 847～11 746 lx，比G3温室高6 125～16 668 lx。3座温室平均光照度和透光率从大到小依次为G1>G2>G3，说明主动蓄热型和斜面骨架式日光温室的采光比对照温室（G3）的效果要好。

2.2 温室内外气温对比分析

2.2.1 连续晴天条件下温室内外气温对比分析如图3-a所示，连续晴天条件下3座试验温室内气温均高于室外气温，说明日光温室都具有较好的保温性，可为作物越冬栽培提供适宜的外部环境。连续晴天G1、G2、G3、室外的平均气温为26.7、27.3、25.5、7.1 ℃，G1与G2差异较小（<1 ℃），G1、G2平均气温分别比G3高1.2、1.8 ℃;连续晴天夜间（17：00至次日09：00）G1、G2、G3、室外的平均气温分别为12.5、12.6、11.1、-4.6 ℃，G1与G2几乎无差异，两者的平均气温分别较G3高1.4、1.5 ℃。G1、G2、G3、室外的夜间最低气温分别为8.2、8.3、7.2、-10.1 ℃，G1、G2夜间最低气温比G3分别高1.0、1.1 ℃。

2.2.2 连续阴天条件下温室内外气温对比分析

苏北地区冬季常有连续阴天，低温弱光会对日光温室安全生产造成极大影响。因此，有必要对冬季连续阴天条件下日光温室的保温性能进行比较分析。魏瑞江等研究认为，连续3 d 以上无日照或逐日日照时数≤2 h 连续4 d以上为连续阴天统计标准[19]。本试验分析测试期间，室外气象条件出现1次连续阴天，为2019年1月3日至2019年1月6日。因此，本试验对2019年1月3日至2019年1月6日的温室内外气温进行分析。

由图3-b可知，连续阴天G1、G2、G3、室外的平均气温分别为11.5、13.1、10.7、3.7 ℃;G1、G2、G3、室外的夜间（17：00至次日09：00）平均气温分别为10.6、11.9、10.0、1.0 ℃;G1、G2、G3及室外的夜间最低气温分别为9.6、10.7、9.4、-1.0 ℃。因此，在连续阴天条件下，保温蓄热效果表现为G2>G1>G3。

2.2.3 测试期间温室内气温分析

为了更好地了解3座温室长期的室内气温变化，选取冬至（2018年12月22日）后的连续1个月的室内气温进行对比分析。黄瓜在白天、夜间适宜的空气温度分别为18～25、10～15 ℃，在夜间的最低耐受空气温度为8 ℃[21]。

在31 d的测试期内，非晴天天气有15 d，其中有连续5 d（2019年1月3日至2019年1月7日）和连续3 d（2018年12月25至2018年12月27日）的天气为阴转小雨，导致温室内出现低温的天数较多。如表2所示，G1、G2的平均最低气温分别比G3高0.9、1.4 ℃，夜間（17：00至次日09：00）平均气温分别高1.2、1.6 ℃。G2的夜间的平均气温和最低气温均最高，且G2最低气温≤8 ℃的天数只有1 d，测试期无最低气温≤5 ℃的情况，可见G1、G2的抵抗连续低温的能力较强，基本可以满足温室内黄瓜、番茄等喜温果菜类蔬菜在不须要额外加温（气温≤5 ℃时，须要额外加温）情况下越冬生产的需求，有利于作物生长。3座温室的气温总体表现为G2优于G1，二者均优于G3。G1、G2墙体抵抗低温的能力相对较强，能够在温度较低的天气情况下更加持久地为室内作物提供热量，更有利于作物生长，这也是其室内夜间和阴天气温较G1高的原因。

2.3 主动蓄热型日光温室的性能分析

2.3.1 主动蓄热循环系统的工作原理

主动蓄热型日光温室的热量传递过程主要分为以下3种基本方式：热传导、热对流和热辐射。目前对日光温室后墙被动传热过程研究诸多，而关于主动蓄热循环系统的研究较少，本节重点分析日光溫室内主动蓄热循环系统的工作原理。

主动蓄热循环系统主要包括传热风道、轴流风机及自动控制系统。传热风道出口位置安装有轴流风机，轴流风机的开关由室内空气温度的变化来决定，从而可以最大限度地提高日光温室墙体的蓄热量。白天，由于太阳辐射使得温室内的空气温度升高，有时气温已经超过作物生长的适宜温度，而后墙被动蓄热的有效厚度有限、深层温度依然较低，启动轴流风机，使温室内的热空气流经风道，进入风道的热空气在风道内与管道壁面进行强迫对流换热，使空气中的热能向后墙深层蓄热体转移，后墙深层的温度升高，从而将空气中富余的热能贮存到后墙深层中，在此过程中，白天（09：00至17：00）平均气温≥18 ℃的天数（d）181717

空气的对流传热也降低了室内空气温度。夜间，当温室内气温低于设定值时，启动轴流式风机，使空气流经风道而被加热，对流换热后将后墙深层贮存的热量随气流释放到温室内，从而维持温室内相对较高的温度。

2.3.2 主动蓄热系统的进、出风口温度分析

对不同天气条件下G2温室的进出风口温度、室内外空气温度进行分析。由图4可知，主动蓄热循环系统的进风口温度与室内气温变化大体一致，在事先设定好的时间（09：00—17：00）内，当室内气温达到25 ℃ 时风机开始启动，风机启动后出风口气温呈现轻微波动随后达到相对平稳的状态，直至室内气温低于20 ℃ 时风机停止运转，说明该时段内温室后墙墙体在持续蓄热，蓄热时段G2的进、出风口平均温差为10.5 ℃;蓄热时段G2的进、出风口平均相对湿度差为30.8%;G2的蓄热时间距统计为7 h，说明在白天室内气温升高阶段，G2的蓄热性能良好;随着夜间（17：00至次日09：00，下同）室内气温逐渐降低，当室内气温开始低于13 ℃时，风机启动开始放热，直至室内气温低于8 ℃时停止，从图4可以看出在典型晴天夜间室内气温均高于8 ℃，因此主动蓄热循环系统可持续放热，放热时段G2的进、出风口平均温差为2.5 ℃;G2的进、出风口平均相对湿度差为7.0%;G2的放热时间为21：00—08：30，合计11.5 h，说明在保温被覆盖后，室内气温降低阶段 G2后墙开始持续放热。

由图5可知，连续阴天白天期间（09：00—17：00）G2温室室内气温未达到25 ℃，风机未启动进行主动蓄热;进、出风口温度变化与室内气温一致;但是室内空气温度高于出风口温度，此时G2的墙体有一个被动蓄热过程，期间G2的进、出风口平均温差分别为2.6 ℃;G2的进、出风口平均相对湿度差为10.4%;随着夜间气温逐渐降低，当室内气温开始低于13 ℃时，风机启动开始放热，直至室内气温低于8 ℃时停止，从图5可以看出在连续阴天期间夜间室外温度高于0 ℃，室内最低气温均高于8 ℃，因此主动蓄热循环系统可以持续放热;放热时段G2的室内空气、出风口平均温差分别为0.52 ℃;放热时段G2的进、出风口平均相对湿度差为1.2%;说明在连续阴天情况下，由于白天墙体蓄积的热量很少，夜间墙体热量消耗殆尽，与室内空气的温差已经很小，起不到良好的调节温度的效果。

3 讨论

近年来日光温室的研究重点主要集中在保温蓄热原理和蓄热技术的研究上[21-22]。日光温室的墙体结构及蓄热方式可以明显提升日光温室的性能，这与鲍恩财等的研究结果[14，23]一致。墙体整体温度受太阳辐射、室内气温影响的程度与主动蓄热循环系统影响的程度有待后续试验论证，以优化主动蓄热型日光温室内热量的蓄积与利用。日光温室蓄热方面，张义等设计了一种水幕帘蓄放热系统，今后可以尝试将后墙主动蓄热与水幕帘蓄放热系统结合应用从而进一步提高蓄热效果[24];热量利用方面，柯行林等试验得到水循环主动蓄放热系统加热基质比加热空气可提高基质平均温度2.5～5.3 ℃，番茄产量提高43.0%[25]。本试验所用的日光温室墙体主动蓄热循环系统可在下一步研究中作为作物根际的热量来源。

本试验所用3座温室的主要区别是墙体的建造材料及蓄热方法（蓄热材料、传热风道材质）不同，因此，无法分析单一因素对墙体蓄热厚度的影响。通过整体分析可知，连续31 d的温室温度测试结果分析表明G1与G2差异不大，但两者均优于G3，新型日光温室结构均优于当地的传统日光温室结构。后期可将G1的斜面骨架与G2的主动蓄热循环系统相结合，综合提高温室结构的光温性能。

4 结论

针对江苏省苏北地区日光温室发展遇到的冬季低温问题，进一步提高当地温室的光温性能，本试验对2种新型日光温室结构进行光热环境测试，并以当地传统的日光温室为对照进行对比分析，得到以下结论：

（1）连续10 d的光照数据表明，G1平均透光率为84.2%、G2平均透光率83.3%，均明显优于G3（75.4%）。

（2）连续31 d（2018年12月22日至2019年1月22日）的测试结果表明，G1、G2、G3的日平均气温分别为15.1、15.6、14.0 ℃，平均最低气温分别为10.3、10.8、9.4 ℃，因此3座温室的气温总体表现为G2优于G1，G1优于G3。

（3）G2的主动蓄热循环系统在晴天夜间放热时间可达11.5 h，可以良好地调节夜间温度;连阴天时，墙体白天蓄积热量较少，夜间放热量很少，起不到良好的调节效果。

综上所述，主动蓄热型日光温室较传统日光温室的保温蓄热效果好，在江苏省苏北地区具有较好的推广价值。

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