顶部通风对塑料大棚内温度的影响

张唐娟+郭翔+庞雄斌+张俊峰+刘海

【摘要】塑料大棚由于成本低、构造简单而受到武汉地区广大农户的欢迎，然而塑料大棚一般只依靠侧窗自然通风换气，其夏季降温问题始终是困扰武汉地区农户设施生产的一个难题，现设计了一种可手动开启与关闭的简易通风窗，分析了添加通风窗后塑料大棚内的温度变化情况。

塑料大棚是湖北武汉地区农户蔬菜栽培的主要设施类型，武汉市为大力发展“菜园子工程”，新建设施蔬菜基地7万亩（4667 hm2），形成10万亩（6667 hm2）设施种植规模。然而塑料大棚的环境调控措施较少，夏季降温仅依靠侧窗通风或直接拆除大棚薄膜，导致薄膜损坏现象严重。夏季最大限度实现塑料大棚的通风降温是本文的研究重点，若采取智能温室所使用的措施，如湿帘-风机降温系统等会增加运行能耗，增加使用成本，不适合大众型农业生产要求。

因此，本文设计了一种通风窗，研究塑料大棚顶部添加通风窗对内部温度分布的影响，使不消耗任何能源的生产管理系统效率达到最大化，对于提高作物的产量和质量等有重要意义。

通风窗结构设计

塑料大棚结构

试验塑料大棚为南北朝向，跨度8 m，棚高3.2 m，肩高1.8 m，长40 m，约320 m2。位于武汉市农业科学技术研究院北部园区基地。

通风窗设计

由于塑料大棚内一般不配备供电系统，因此设计了手动开启式通风窗结构。通风窗主体材料为热镀锌钢材，主要包括：棚窗座架、压膜槽、压膜条、盖板、限位卡座、天窗顶杆及顶杆加长杆。

棚窗座架是用角钢焊接而成，由于试验塑料大棚拱距为0.7 m，设计棚窗座架长1 m，宽0.6 m。棚窗座架长1 m的设计可使棚窗横跨于2根相邻的拱杆，便于工作人员安装操作。塑料膜通过压膜槽与压膜条契合固定，棚窗座架一个长边中间设置有限位卡座，与其对应的盖板一边焊接有天窗导杆，天窗导杆的上部设有限位槽，其作用主要是在通风窗关闭时，棚窗座架与盖板锁牢，防止风力较大时掀开通风窗，天窗导杆的下部等间隔设有3个限位槽，由此可调节通风窗的开窗大小。人工通过中空的顶杆加长杆与天窗顶杆契合，可开启或关闭通风窗（图1～2）。

每个通风窗最大开窗面积为0.6 m2，整体重量小于11 kg，统计造价约为300元/扇。

根据塑料大棚的面积和通风需求来确定安装通风窗的个数，为防止单向风将通风窗掀起，通风窗的位置依次安排在塑料大棚顶部左右两边等间隔排列。试验塑料大棚共安装4个通风窗，共计通风面积2.4 m2。实际生产中，可根据温度及风速情况，单独开启通风窗，并调节通风窗口大小。

温度变化情况

本试验设计了侧窗开启+顶部通风窗（处理A）与仅有侧窗开启（处理B），监测大棚内温度变化情况。观测时间为2016年9月10日～9月18日。采用RC-4型数据采集器，自动采集存储大棚内温度数据。其中测试了棚外环境温度，位点2、3、4之间的间距为4 m，分别距顶高0.5 m；位点6、7、8距地面1 m；位点2与6、位点3与7、位点4与8在同一垂直面上，位点2与6距南门8 m；位点1、5、6在同一水平面上，距地面1 m，位点1距西侧窗1 m，位点5距东侧窗1 m（图3、图4）。

不同位点随时间的变化曲线

试验记录了9天内2个大棚相同位点温度和室外环境温度随时间的变化曲线，温度记录时间间隔为每1 h记录1次。试验于9月10日0：00开始记录，横坐标为记录的次数，纵坐标为温度值。在记录时间内，大棚内各位点每天温度的变化趋势与室外温度变化相似，白天随着外界温度的升高而升高，夜晚则逐渐降低并趋于环境温度（图5）。晴天13：00～14：00时棚内温度位于最高点，由于塑料薄膜的保温作用，大棚内温度一般高于室外温度，从9：00开始棚内温度与棚外温度即出现较大温差，一直持续至15：00，15：00之后棚内外温差逐渐缩小。由此可知，晴天时，塑料大棚应该在每天9：00之前开窗通风，以避免棚内温度的迅速提升。

9月15～17日为阴雨天气，昼夜温差相对较小，最高温度值也与晴天情况下有所差异，阴天的棚内气温与每天相同时间段的相关性较低，与棚外温度的相关性增强。

位点2、3、4与位点6、7、8相比，在白天晴天时，处理A温度显著低于处理B。在位点1和位点5处白天温度差别不大（处理A稍低于处理B），主要是由于两处均位于大棚侧窗附近。

不同位点温度平均值

2个塑料大棚不同位点在9月10～18日每天14：00的环境温度平均值低于棚内各点处温度值（图6）。

温度分析可知，处理A与处理B处于大棚上层的位点2、3、4的温度整体高于下层各位点温度，由于温度具有向上部迁移的作用，故上部温度较高。处理A的位点2、4由于垂直上方为通风窗位置，温度稍低于位点3，处理B的位点2、3、4的温度差别不大。处理A的位点2、3、4的温度显著低于处理B，约低3.2～4.4℃。虽然处理A的位点3上部无通风窗，但在位点2、4顶部通风窗的作用下，位点3的温度较无通风窗的大棚仍降低3.2℃。

处理B的下层位点1、5的温度稍低于位点6、7、8，由于位点1、5处于侧窗附近，处理A的下层位点1、5与位点6、7、8差别不大，说明添加顶部通风窗后增加了热量流动，下层温度基本相似。处理A的下层温度约为37～38℃，而处理B温度约为39～40.5℃。由此可知，顶部开窗对其正下方环境具有降温作用，且顶部开窗增加了热量流动，对大棚下层环境也起到降温作用。

总结

本文設计的通风窗为手动开合式，安装操作方便，不需要消耗能源，塑料大棚顶部添加通风窗，能够在一定程度降低棚内的环境温度。晴天白天9：00～15：00，环境温度与棚内温差较大，在生产管理上，可在每天9：00前打开通风窗以避免棚内温度的迅速提升。

*项目支持：武汉市农科院育才计划项目（YC201402）。

作者简介：张唐娟（1987-），女，工程师，研究方向：农业工程。

**通信作者：张俊峰（1984-），男，博士，高级工程师，研究方向：农业工程。