皖北地区装配式节能日光温室的温光性能试验研究

吴照学，杨迎春，王 强

(安徽农业大学工学院，安徽 合肥 20036)

皖北地区装配式节能日光温室的温光性能试验研究

吴照学，杨迎春，王 强

(安徽农业大学工学院，安徽 合肥 20036)

为了克服传统温室存在的光照和温度分布不均匀、难以实现自动化控制以及保温和防湿效果不好等问题，选用装配式彩钢板保温节能日光温室进行研究.温室的骨架形状为半圆弧形，外围的覆盖材料为玻璃棉彩钢板，并且玻璃棉彩钢板可以在温室的顶部和两侧山墙处滑动.采用水循环蓄放热系统和空气-地中蓄放热系统，跨度为12米，脊高为5.5米，长度为80米，能够有效提高日光温室的冬季温度，同时实现日光温室构件生产和装配的标准化.

日光温室；温室结构；温光性能

随着科学技术的不断进步和发展，我国日光温室的发展不断更新，并且对日光温室的需求量越来越大，对日光温室的结构和功能提出了更高的要求，创造节能型的日光温室成为了当前日光温室主要的发展趋势[1].到目前为止，我国日光温室主要类型为塑料大棚、日光温室以及大连体玻璃温室三种.塑料大棚的结构较为简单，价格低廉，但是存在着保温蓄热方面的问题，不能够满足冬季北方地区蔬菜的生长条件[2].玻璃温室虽然稳定性较强，且抗风雪能力和采光能力较强，但是价格昂贵，能源消耗量过大.日光温室由于其采光、保温性能良好以及节能效果强，成为北方地区设施农业的主要生产方式之一，在农业现代化的生产中起着十分重要的作用[3].随着研究的不断深入，新型装配式节能日光温室的出现有效地解决了传统日光温室的缺点，将太阳的辐射作为热源，水作为传热蓄热的介质，极大地完善了日光温室的温光性能[4].

1 结构选型与试验方法

1.1 试验温室与对照温室系统

试验温室位于安徽省北部的蚌埠市某一蔬菜瓜果基地，该地区属暖温带半湿润季风气候.季风明显，四季分明，气候温和，雨量适中，适合作为蔬菜的研究基地.该温室的骨架形状为半圆弧形，外围的覆盖材料为玻璃棉彩钢板，玻璃棉彩钢板能够在温室的顶部以及两侧的山墙来回移动，采用水循环蓄放热系统和空气—地中蓄放热系统.其基本参数如表1所示.

表1 试验温室各项参数

图1 水循环系统的效果图

试验温室的墙体采用后墙结构支撑，白天利用水循环系统，将树池中的水输送到顶部的采光板释放热量，进而促进温室夜间的温度升高[5].水作为蓄热的介质，方便且经济实用，大大降低了农业生产的成本.具体的工作流程如图1所示.在夜间启动水循环系统，水池中的水得到太阳辐射蓄积的热量，在夜间温度下降时通过采光板集中向温室放热，这样避免夜间日光温室的气温下降，保障了温度的适宜性.

新型的装配式节能日光温室采用的半圆弧形结构，温室的脊高又位于温室的正中央，所以新型温室的前屋面角要比传统温室的前屋面角大很多.本试验中，新型温室的前屋面角为 41.5°，远远大于传统土墙温室 25.2°.如图2所示.主要考虑了两个方面的因素：一是根据北纬 32°57'(蚌埠地区的纬度)夏至时的太阳高度角及其后屋面的投影，二是温室内部的栽培空间大小.日光温室的前屋面采光角一直是近30多年来人们优化日光温室结构的研究热点，从合理屋面角到最佳屋面角，前屋面角不断增大，提高了 10°左右.要想增加日光温室的光照，就必须增加前屋面的角度及脊高.

图2 新型温室侧立剖面图

对照温室采用III型土墙日光温室，温室的净跨度为7米，脊高为3.3米，后墙高度为2.5米，后墙和山墙底部的宽度为3米，顶部的宽度为1米，采光角度为25.2°，水平投影长度为1.5米.室外保温采用的是草帘和棉被覆盖保温.

1.2 测试方法

1.2.1 温度测试方法

气温测量采用温度记录仪(型号：美国OMEG公司全新1/8 DIN DPi1701)；地温测量采用铁套直角地温计测量，主要是测量土壤的温度.测量两种温室条件下的气温分布情况，选择冬至日作为测量日，上午八点半将同时打开两个温室的保温板，同时将循环水泵打开进行蓄热，下午四点半关闭水泵，下午5点盖上保温板.每隔30分钟测量一次温度.

东西走向温度测量：将试验温室设为A，对照温室设为B，在离地面1米的高度东西方向上，A温室选择三点，为A1、A2和A3，测量距离东侧山墙3米处、中间以及距离西侧山墙3米处的温度.对照温室B采取同样的方法测量，取各个点的平均温度.

南北走向温度测量：选择南北方向上的3个点为A1*、A2*和A3*选择距离骨架2米处、中间点以及后墙2米处进行测量，对照温室B选择同样的方法测量，取各个点的平均测量温度.

1.2.2 室内光照的测量

在上午十点整、十二点整以及下午的两点整对两种日光温室的光照进行测量.在南北方向上测量距离温室前膜1米处、每隔1米以及高度1米的位置测量光度，A温室的测量点为：A1～A11，B温室的测量点为B1～B6，取光照的平均值.

2 结果与分析

2.1 试验日光温室与对照温室保温效果分析

2.1.1 东西走向不同点温度分析

从图中可以看出A温室的三个测量点A1、A2和A3随着时间的变化温度显著升高，并且在下午1点时达到最大值.在上午10点整到12点30分时A1点的散热量较大，温度明显低于其他两点.在其他时间内，A1的温度明显低于其他两点，说明A温室的总体温度处于稳定的状态，在东西方向的温度分布较为均匀.而B温室的三个测量点在下午1点之前，温度有所升高，但是下午4点30分以后，温度逐渐降到最低.另外，B温室的三个点温度分布呈现明显的不均匀，且没有稳定的变化.东西方向的温差最大为4℃.

图3 A和B温室东西走向不同点温度

2.1.2 南北走向不同点温度分析

在南北方向上，白天的上午10点整和下午的2点整，A1*和A2*的温度较高，受到太阳辐射以及采光板的影响，A2*温度较低，温差最大在2℃左右，其余的温差都是在0.2℃左右.说明了A温室在南北方向上的温差较小，温度分布均匀.而B温室白天的上午10点30分以及下午的15点30分之间，B1*的温度最大，其次为B2*，再次是B3*.最大温差达到了6℃左右.受到太阳辐射的影响，温度在下午15点30分以后逐渐降低，之后温差达到5℃，说明了B温室在南北方向的温度温差较大，温度分布不均匀.

图4 A和B温室南北走向不同点温度

由此可见，新型装配式节能日光温室在保温和蓄热方面明显优于对照温室，有助于解决作物成活率低的问题.温度分布较为均匀，更加有利于作物均匀生长.

2.2 试验日光温室与对照温室光照效果分析

2.2.1 温室内光照的总体水平分布

表2 光照强度变化规律结果汇总表(单位：klx)

在日光温室中，作物紧邻前膜处生长接受的光照强度要明显优于在后墙生长的作物[6,7].因此在室内作物的光照强度呈现出由南向北逐渐递减的趋势.从表2中可以看出，在南北方向上，A温室冬季的光照平均值为27.21klx，而B温室冬季光照平均值为25.21klx，A温室具有明显的优势，且显著高于室外的温度.

2.2.2 温室内外同一时间不同跨度的光照分布情况

在中午12:00整，A温室在南北方向上的光照变化幅度较小，分布比较均匀，在11米处时光照有所降低，主要是受到通风开窗系统的影响，总体上看A温室内的光照变化幅度较小，光照充足且稳定，而B温室的光照变化幅度较大，且南北光照相差较大.

图5 中午12:00温室内不同跨度的光照分布

2.2.3 温室内同一点的光照强度随时间变化的规律

从图6中可以看出，A温室冬季温室内的平均光照为26.77klx，B温室的平均光照为23.90klx，明显优于B温室.并且早晚光照较弱的情况下，A温室在白天10:00-15:00时，平均光照达到了42.28klx，B温室的平均光照达到了36.14klx.明显A温室优于B温室，主要是A温室的透光薄膜材质优于B温室.在光照分布上A温室分布较为均匀，变化幅度不大.

图6 距离前膜1米处点的光照强度变化

由此可以看出，新型装配式温室内的光照在一天内明显优于对照温室，且光照的分布较为均匀，采光角度和方位角度设计都有利于作物的生长.

3 小结

本研究对比传统的III型土墙温室与新型的彩钢板装配式节能日光温室，研究其保温和采光效果两个方面的性能，结果表明，新型的彩钢板装配式节能日光温室具有良好的保温效果，夜间温度能够保持在12℃ 以上，各个方向的温度分布较为均匀稳定，有利于植物的生长.在采光效果上，新型的彩钢板装配式节能日光温室采光角度达到41.5°，采光率提高了5.3%，更加有利于作物的整体生长.

[1] 邹伟东,张百海,姚分喜,等.基于改进型极限学习机的日光温室温湿度预测与验证[J].农业工程学报,2015,(24):194-200.

[2] 周文韬, 周建华, 张靖悦. 竹钢在景观设计中的应用研究[J]. 西南师范大学学报(自然科学版), 2015,(4):89-94.

[3] 孙维拓,郭文忠,徐凡,等.日光温室空气余热热泵加温系统应用效果[J].农业工程学报,2015,(17):235-243.

[4] 蔡唯益,袁军,乔克,等. 圆拱型温室风压数值模拟与研究[J]. 西南师范大学学报(自然科学版), 2014,(10):92-95.

[5] 李明,周长吉,丁小明,等.日光温室聚苯乙烯型砖复合墙保温蓄热性能[J].农业工程学报,2016,(1):200-205.

[6] 刘晨霞,马承伟,王平智,等.日光温室保温被保温性能影响因素的分析[J].农业工程学报,2015,(20):186-193.

[7] 彭代慧,伞磊.具有水流层的双层玻璃温室模型研究[J].西南大学学报(自然科学版), 2014, (1):167-172.

(责任编校：晴川)

Experimental Study on Temperature and Light Performance of Assembled Energy-saving Solar Greenhouse in Northern Anhui

WU Zhaoxue, YANG Yingchun, WANG Qiang

(College of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei Anhui 230036, China)

In order to overcome the problems of nonuniform distribution of light and temperature, automatic control, bad characteristics of thermal insulation and moisture-proof effect, the thermal insulation energy-saving solar-greenhouse which equipped with the assembly-type color steel plate is chosen to be on the research.The shape of the skeleton of the greenhouse is semicircular. The cover material surrounding is glass wool plate,which can slide on the top and sides of gable greenhouse. The water-cycle heat-storage system and air-ground heat-storage system, which are in a span of 12 meters, height of 5.5 meters, 80 meters in length, can effectively improve the temperature of the greenhouse in winter, and complete the standardization of production and equipment of the components of the solar-greenhouse at the same time.

solar greenhouse; greenhouse structure; temperature and light performance

2016-11-30

国家科技支撑计划子课题“砒砂岩固结促生技术研发”(批准号：2013BAC0502)；安徽省教研课题“‘翻转课堂’在土木工程材料课程中的应用与优化”(批准号：2015jyxm081).

吴照学(1976— )，男，安徽枞阳人，安徽农业大学工学院讲师，硕士.研究方向：设施工程、岩土工程.

S625.1

A

1008-4681(2017)02-0035-03