新型装配式节能日光温室冬季温控效果研究

2016-01-08杨凤军杨微微孙周平安子靖徐蕾胡凯凤

湖北农业科学 2015年23期

杨凤军杨微微孙周平安子靖徐蕾胡凯凤

摘要：在黑龙江地区，由于冬季日光温室夜间温度过低，难以满足作物生长的需求。大庆引进的新型装配式节能日光温室，设有水循环蓄放热系统和空气—地中热交换蓄放热系统。以大庆普通温室为对照，检测了冬季最冷时期新型温室与对照温室室温在东西、南北方向上的变化及分布，不同土层土温的变化及南北方向上土温的变化分布情况。结果表明，新型温室可保持夜间室内气温在12 ℃以上，温度分布均匀，比对照温室室内气温提高2～3 ℃。试验温室土层深度在60 cm以上的区域温度一直高于对照温室，10、30、60 cm处夜间平均温差分别为5.7、4.0、2.7 ℃。此新型温室的设计不仅提高了温室内的气温，而且也提高了作物根部的土壤温度。

关键词：日光温室;温度;地温;水循环系统;空气-地中热交换蓄放热系统

中图分类号：S625 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）23-6038-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.23.062

Study on a New Type of Assembled Energy-Saving Sunlight Greenhouse

in Winter Temperature Effect

YANG Feng-jun1，YANG Wei-wei1，SUN Zhou-ping2，AN Zi-jing1，XU Lei1，HU Kai-feng1

（1.Agronomy College，Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing 163319， Heilongjiang， China;

2.Horticulture College，Shenyang Agricultural University， Shenyang 110866， China）

Abstract： In Heilongjiang province， because of solar greenhouse in winter night temperature is too low， so it is difficult to meet the needs of crop growth. A new assembled energy-saving solar greenhouse was introduced into Daqing city， the heat storage of water circulation system and air-ground heat storage in the heat exchange system were designed in the greenhouse. Taking the common greenhouse in Daqing city as comparison， in the coldest winter period， the indoor temperature change and distribution of new-type and common greenhouse in the east and west， north and south direction were detected， also the soil temperature changes and distribution of different soil layer and north-south direction were directed. The results showed that， the indoor temperature could be kept above 12 ℃ at night， with uniform temperature distribution，compared with the common greenhouse， temperature increased by 2～3 ℃. The temperature was higher than the conmmon greenhouse for the new-type greenhouse in region of soil depth above 60 cm， the night mean temperature difference of 10，30 and 60 cm soil depth were 5.7，4.0 and 2.7 ℃， respectively. Therefore， the new type of greenhouse not only can improve the temperature inside the greenhouse， but also boost the soil temperature of crop roots.

Key words： sunlight greenhouse; temperature; the ground temperature; water cycle system; air-ground heat exchange system

日光温室中的能量主要通过太阳能获得，部分能量以热量的形式存储于后墙、山墙和土壤中[1]。白天，墙体表面进行热量的蓄积[2]，这些热量主要是通过接收透过前屋面照射进来的太阳辐射，温室内最高温能达到35 ℃以上;在夜晚，当室内气温下降时，墙体和土壤中蓄积的热量又不断地向温室供应，墙体内通过导热过程以及墙体表面通过与室内空气对流换热的过程，不断地向室内释放热量，以提高空气温度[3]。但是由于受墙体材料热物理特性的限制，北墙蓄热能力有限，所以温室内后半夜的气温往往较低[4]，低温冷害现象时有发生，严重影响作物的高效生产。

在温室的蓄热保温方面，日光温室墙体起到非常重要的作用，是日光温室优化结构时需考虑的重要因素[5]。从近几十年日光温室的不断发展来看[6]，后墙的结构不断变化，由早期的人工土筑墙到砖砌墙，再到目前的机打土墙、异质复合墙等，不胜枚举[7-11]。李小芳等[12]针对砖墙的不同厚度、复合墙中的不同苯板厚度、组合墙体中的不同厚度砖墙和不同厚度的聚苯板组合体对室内气温影响这一问题进行了系统分析，最后得出不同厚度砖墙聚苯板隔热材料的最适厚度为0.10 m;隔热材料在厚度相同时，较薄的砖墙厚度保温效果要优于较厚的砖墙厚度;对于较薄的砖墙厚度，材料的排列秩序对保温影响比较明显;王宏丽等[13]研究相变材料具有较高的蓄热性，白天充分吸收并蓄积来自照射北墙表面的太阳能，夜间再将白天蓄积的热量释放出来，以提高温室的夜间温度，温室墙体厚度减薄，提高照射温室北墙上的太阳能利用率;方慧等[14]研究一种透光水幕帘增加日光温室蓄热量的方法，设计了一种温室蓄放热增温系统，以日光温室的后墙为结构支撑，白天利用该系统的集放热板吸收太阳辐射能，再通过水介质将吸收的热量储存于蓄热水池中;在夜晚，通过水介质的循环将蓄积的热量源源不断地释放到温室中，以提高夜晚的温室内气温;张义等[15]设计了一种以日光温室墙体结构为依托，以水为介质进行热量蓄积与释放的水幕帘蓄放热系统，该系统在白天利用水循环通过水幕帘吸收太阳能，同时将吸收的能量储存在水池中，夜晚再利用水循环通过水幕帘释放热量，使日光温室内温度升高;张海莲等[16]在青海设计了不同埋深的地热管，研究温室地下蓄集太阳热能的效果;刘圣勇等[17]和李炳海等[18]研究利用太阳能使土壤加温的系统，可显著提高地温。

针对以上研究，沈阳农业大学设计了一种新型装配式节能日光温室，该温室以太阳能为热源，以水为蓄热介质，以温室浅层土壤为蓄热体，白天通过水的循环将热量收集并储存到水池和温室浅层土壤中，夜间通过土壤的自然放热将热量释放到温室中，提高温室夜间温度[19]，降低作物冬季冻害的发生率，实现作物的安全越冬。2013年将新型温室引进大庆，本试验对新型温室的冬季温度环境进行检测，为进一步优化新型装配式节能日光温室的结构和功能提供了理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验温室的概况

试验温室位于黑龙江省大庆市大同区航天果蔬基地内（东经124°48′，北纬46°2′），该温室的骨架为半圆弧形结构，采用可以滑动的岩棉彩钢板保温覆盖形式和可移动的保温山墙，采用水循环系统和空气—地中热交换蓄放热系统，跨度12 m，脊高5.5 m，长度65 m，屋面采光角高达 41.5°。后坡水平投影长为1.6 m，净面积为780 m2;设计风荷载0.55 kN/m2，雪荷载0.45 kN/m2;温室有效栽培空间2.5～3.5 m。

1.2 水循环系统和空气-地中热交换蓄放热系统的设计

温室的蓄热体主要采用的是水循环系统。水循环系统由水池、水泵、输水管道、采光板、回水管道和控制器等组成[20]。温室内后墙上有一个面积360 m2的采光板，水池容积32 m2，位于温室后墙内侧地下，水泵功率750 w，流量15 m2/h。昼间8：30～16：00启动水循环系统，把水池中的水输送到采光板的顶部，通过采光板吸收太阳能，并顺着采光板的每个空隙流下，最后通过回流管道流回水池，这样太阳照射能蓄积在水池。夜间0：30～6：30日光温室内温度下降时再次启动水循环系统，可通过白天采光板积累的热量向温室中释放，从而避免日光温室夜间温度降低，如图1所示。

空气-地中热蓄放热交换系统：该系统将温室内顶部4.5 m处的热空气通过风机导入到温室地下0.5 m的热交换管中，以提高白天温室的蓄积热量和土壤的温度[20，21]。该系统只在昼间10：00～15：00启动，晚上停止运行。风机总功率为1.2 kW。该系统中，地下热交换管为南北走向，进风口在温室的北侧，出风口在温室的南侧，每6 m设为一组，每组设置一个小型风机，共10台风机;系统进风口管道的上端位于温室顶部，距温室地面约4.5 m（此处晴天温度有时可达40 ℃左右）。

1.3 试验方案

选择晴天同时测定试验温室与对照温室、气温的分布情况和地温的变化情况。试验时间为2014年1月8日至9日，8：30揭开保温板，开启循环水泵蓄热，16：00关闭循环水泵，17：00盖上保温板。每间隔30 min记录各监测点的温度。

气温的测量：将试验温室设为A，对照温室为设B，距离地面1 m的高度上，在东西方向上A温室选取3点A1、A2、A3，分别距离东侧山墙3 m处、中间点、距离西侧山墙3 m处;在南北方向上同样选取3点A1′、A2′、A3′，分别距离后墙2 m处、中间点、距离前骨架2 m处。相应的B温室在东西方向上选取3点B1、B2、B3，分别距离东侧山墙3 m处、中间点、距离西侧山墙3 m处;在南北方向上取3点B1′、B2′、B3′，分别距离后墙2 m处、中间点、距离前墙2 m处。应用HOBO U10-003 型测量仪测量A温室温度，测量范围为-40 ℃～100 ℃，精度±0.5 ℃，分辨率0.1 ℃;应用HOBO U23-003 型测量仪测量B温室温度，测量范围为：-40 ℃～100 ℃，精度±0.21 ℃，分辨率0.02 ℃。

土温的测量：在温室A与温室B的中部布置土层温度的测点，A温室和B温室土层深度分别是Aa=10 cm、Ab=30 cm、Ac=60 cm，Ba=10 cm、Bb=30 cm、Bc=60 cm;同时测量10、30、60 cm不同土层深度在温室南北方向上的温度变化情况，因在东西方向上换热管布置比较均匀，热量分布也均匀，土温变化小。利用铁套直角地温计分别测量A、B温室内的土层温度测量，范围为-40 ℃～100 ℃，精度0.5分度，示值误差±1 ℃。

2 结果与分析

2.1 温室内气温变化

2.1.1 东西走向不同点温度分析从A温室的东西方向上看，A1、A2、A3 3个点的温度随着时间的推移逐渐升高，在下午13：00，A1、A2、A3 3点的温度达到最大值，分别为32.0、37.3、35.5 ℃，然后随着时间的推移又逐渐下降，A温室在10：00～12：30，由于打开东侧山墙增加光照，使A1点的散热量加大，即A1点的温度比A2、A3两点的温度低3.0 ℃左右，在其他时间，A1点温度较A3点和A2点温度都稍低，温差0.2 ℃和0.3 ℃，说明A温室在东西水平方向上的温度分布比较均匀。

B温室的3个点B1、B2、B3，白天13：00以前温度逐渐升高，14：00以后温度开始降低，第二天6：30达到最低值，分别为5.8、7.5、5.1 ℃。B1点由于受东侧山墙阴影的影响，所以B1点的温度比B3点及B2点的温度都低，温差2.0 ℃左右;到下午，由于西侧山墙阴影的出现，B3点的温度降低幅度较大，使B1、B2、B3 3个点的温度变化不稳定，最大温差4 ℃左右，说明在东西方向上B温室的温度分布不均匀。

图2是A温室与B温室在东西方向上的平均温度变化情况。A温室与B温室在白天13：00以前，主要是受太阳能的影响，温度升高，A温室的东西方向平均温度大于B温室，最大温差5.1 ℃，在14：00～17：00盖上保温板以前，两温室内的温度逐渐下降，盖上保温板以后，A温室内温度主要受蓄积热量的影响，这时两温室内的温差加大，在凌晨1：30～4：00温差最大，温差最大值为6.3 ℃，此时室外的温度为-23.0 ℃，说明A温室白天通过水循环系统和地热交换系统蓄积热量，夜间通过释放蓄积热量来维持温室内温度，即使室外达到最低温时，A温室内的植物也能保持正常生长。

2.1.2 南北走向不同点温度分析在南北方向上，温室除地面向空气中均匀放热外，后墙及水池中蓄积的热量也在夜间放热，放热的大致方向是从北到南，这种放热的形式可能会造成温室在南北方向上的温度分布不均。在A温室，受采光板及太阳辐射的影响，白天10：00～14：00，A1′、A3′温度稍高，A2′温度次之，温差最大2 ℃，其余时间温差保持在0.2 ℃左右，说明在南北方向上A温室夜间温度分布非常均匀。

B温室主要受太阳辐射的影响，白天10：30～15：30，温度B3′>B2′>B1′，最大温差6.0 ℃左右，15：30以后3 个点的温度逐渐降低，受后墙散热的影响，B1′、B2′、B3′3 个点的温差越来越大，最大温差出现在凌晨1：30～4：30，温差为5.0 ℃，说明在南北方向上对照温室夜间温度分布不均匀。

从图3可以看出A温室与B温室在南北方向上平均温度的变化情况，白天10：00～13：00太阳光照比较强，两个温室的温差变化明显，平均温差为5.5 ℃左右，盖上保温板及保温被后，两个温室间的温差变化增大，平均温差为6.0 ℃左右，当夜间室外温度达到最低时，A温室在水循环系统和空气—地中热蓄热系统的共同作用下，温室内的气温为11.7 ℃，而B温室内气温只有6.5 ℃，说明A温室的保温蓄热能力高于B温室。

2.2 温室内土温变化

2.2.1 土温在同一位置不同土层深度的变化

1）同一温室不同土层深度温度的变化。A温室内土层温度的日变化是昼高夜低，随着土层深度的增加，土温降低，不同土层温度的变化趋势差异较大，土壤表面10 cm处的温度随着太阳辐射照度的变化比较明显，白天温度高，14：00达到最高温，14：00以后温度逐渐降低，且波动较大;30 cm土层温度白天逐渐降低，夜间逐渐升高，主要是因为热量的传递在时间上比较延后，夜间能保持温度在11～13 ℃，使植物正常生长。60 cm土层温度主要受水循环的影响，空气-地中热交换系统昼间10：00～15：00启动，将温室上部4.5 m处的热空气通过风机导入到温室地下0.5 m处的热交换管中，以提高温室内白天的热量积累和土温，然后夜间放热，60 cm土层温度白天比晚上高。白天B温室10 cm土层温度由于太阳辐射温度升高，晚上温度降低，30、60 cm土层热量传递比较慢，所以土温白天低，最低土温在14：00，分别为6.13 ℃和5.96 ℃;夜间高，由于热量的传递，最高土温分别为9.18 ℃和8.06 ℃（表1）。

2）不同温室同一土层深度温度的变化。A、B两温室10 cm土温都是昼高夜低，白天两温室土温差异不大，但盖上保温板、保温被后，A温室土温下降比B温室慢;A温室30 cm土温明显高于B温室。在A温室60 cm土层，其热量来源于后墙的集热管收集的热量，集热管收集的热量转移到土层中，以及高温土层与周围低温土层之间的热量传递;而B温室60 cm土层的热量仅来源于高温土层与周围低温土层之间的热量传递，所以A温室60 cm土层温度明显高于B温室（表1）。

3）平均温度。在白天，A温室地表主要通过太阳的辐射直接蓄热，60 cm土层则通过水循环将热量收集并储存起来，因此A温室10 cm 和60 cm土层温度均高于30 cm土层。B温室白天只能通过太阳辐射蓄积热量，所以从10 cm土层到60 cm土层温度逐渐降低。白天通过水循环系统和空气-地中热系统增加了A温室的蓄热量，夜间A温室各层土温均高于B温室（表1）。

2.2.2 土温在不同位置同一土层深度的变化 30 cm土层是植物生长的最适土层深度。在30 cm土层，白天14：00温度最低，A温室南、中、北3个点此时最低土温分别为13.5、12.0、11.2 ℃;夜间3：30达到最大值，A温室南、中、北3个点此时最高土温分别为14.0、12.7、11.6 ℃，一天内最大温差为6.4 ℃，差值变化曲线平稳，可A温室南北方向上温差小，分布均匀（图4）。

从图5可以看出，B温室白天14：00最低土温南、中、北3个点分别为10.8、10.0和7.0 ℃，晚上3：30达到最大值，南、中、北分别为9.9、9.1、7.6 ℃，一天内B温室的最大温差为7.0 ℃，温差曲线变化明显，由此可以看出B温室南北方向上温差较大，分布不均匀。

3 小结与讨论

研究结果表明，应用水循环系统和空气—地中热蓄放热系统提高日光温室夜间温度的方法是可行的。通过试验得出以下结论：①应用该系统可提高温室内的夜间温度，当室外气温达到最低值-23.1 ℃时，试验温室内的气温仍保持在13 ℃以上，保证了作物的正常生长;②水循环系统对保证温室晚间的温热环境具有重要作用，该系统可以代替砖墙的蓄热、保温功能;③空气—地中热蓄放热系统白天通过贮存太阳辐射的热能，使温室浅层土温升高较明显，60 cm土温平均升高4 ℃，30 cm土温平均升高2 ℃。由于土壤蓄积热量的增加，盖上保温板和保温被后，试验温室与对照温室的温差开始增加，平均温差为4.0 ℃;④由于试验温室晚上散热量较少，所以在晚上温室中的东西、南北和垂直方向的温度分布较均匀，南北方向上的植株长势均匀，株高较整齐，而对照温室植株南侧低、北侧高。可见试验温室的环境有利于作物生长，并且作物长势整齐。

参考国内外对日光温室空气—地中热蓄放热系统的研究成果[22-24]，结合当地的实际情况，采用新型装装配式节能日光温室。新型温室地下热交换管的走向为南北方向，进风口位于温室的北侧，出风口位于温室的南侧，每6 m为一组，设置一个小型风机，共10台风机，而不像传统温室采用一个大型的轴流风机、东西走向的热交换管;进风口管道的上端在温室顶部，距离温室地面4.5 m左右，不同于传统温室主要是抽取近地面的空气。新型温室通过贮存太阳热能来提高苗床的温度并利用蓄积的热量进行加热，是温室加温、节能的新方法。

新型装配式节能日光温室在用材上采用保温性能好的岩棉彩钢板，作为半圆弧形坡面和东西两侧山墙的围护结构，由于在温室顶部的岩棉彩钢板保温覆盖件可以在温室骨架上的滑道实现精准运行，不仅便于实现日光温室的自动化控制，而且在晚上能够与温室四周形成一个整体的岩棉彩钢板保温覆盖的围护结构，可显著提高温室的密封性和保温性，有效解决了传统日光温室保温外置所带来的防雨、防雪、防风和防火等能力差，以及保温效果不佳等问题。与此同时，东西两侧的岩棉彩钢板保温覆盖山墙还可以分别在上午、下午打开，有效解决了日光温室东西两侧山墙遮光差的问题，提高了温室的土地利用率。

新型装配式节能日光温室还处于试验的初级阶段，系统还存在装配不完善、集热率不高等现象，需要通过进一步优化系统的参数、改进装配及施工的工艺，完善系统的性能，推动新型温室的推广与应用。

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