日光温室北侧墙体内部冬春季的温度日较差变化分析

杨艳红，李亚灵*，马宇婧，杨存良，温祥珍*

(1.山西农业大学 园艺学院，山西 太谷 030801； 2.山西忻州原平市粮种场，山西 原平 034100)



日光温室北侧墙体内部冬春季的温度日较差变化分析

杨艳红1，李亚灵1*，马宇婧1，杨存良2，温祥珍1*

(1.山西农业大学 园艺学院，山西 太谷 030801； 2.山西忻州原平市粮种场，山西 原平 034100)

[目的]确定日光温室建设中合理的墙体厚度。[方法]在山西晋中市选取3种日光温室，北侧墙体底部分别为6.6 m(下凹式日光温室)、2 m(粘土墙)、0.5 m(砖混结构墙体)，温室内部跨度分别为15.00 m、10.00 m、9.25 m，在墙体1.5 m高度的地方，从室内往外每隔5 cm设定一个测点，分别测定墙体冬春季节的温度变化(每0.5 h自动记录一次数据)，通过各测点的日较差分布区段将墙体划分为不同的层次，并分析其温度拐点的变化。[结果]结果表明：虽然墙体结构、厚度不同，但热交换规律基本一致。根据日较差的变化大小将墙体划分为热交换层、热缓冲层和热稳定层，分别位于墙体从内向外的0～15 cm、15～25 cm和25 cm以后，相对应的日较差变化范围分别为5 ℃以上(有时达25 ℃)、2～5 ℃和0～2 ℃；通过线性回归计算求得温室墙体内部热交换层与热稳定层的拐点(即热缓冲层)位于17～22 cm之间，且拐点处的日较差差异不大，这与墙体的热交换方式(传导放热)有关；从冬到春，墙体内部的拐点位置并没有显著变化，但日较差在降低，这与太阳高度角的变化及通风有关。[结论]经本文分析认为，山西晋中地区日光温室北侧墙体的适宜厚度为30 cm。

日光温室； 北墙内部； 冬春季； 日较差； 变化

日光温室作为我国北方地区重要的蔬菜生产设施，具有节能、造价低、结构优化、性能良好等特点[1,2]。墙体作为日光温室最具特色的结构部分，不仅起承重支撑作用，而且也是日光温室蓄热、隔热的重要载体[3]，同时关系到土地的利用率、温室建造成本等[4,5]。因此，墙体成为日光温室研究领域中的重要内容。

目前有关日光温室研究的资料主要集中于其结构及材料优化方面，如隋明浩等[6]对山西地区日光温室建筑材料的使用现状进行了分析研究，认为山西地区日光温室建设目前阶段仍比较适合采用土墙。黄雪等[7]研究分析了下挖式日光温室土墙温度和热流的变化规律，将墙体内侧0.8～1.0 m的部分作蓄热层，墙体外侧0.4～0.6 m的部分作御冷层，二者之间的部分为过渡层，其厚度为2.2～2.6 m。温祥珍和李亚灵[8]分析了日光温室砖混结构墙体内冬春季温度状况，结论认为距温室内侧墙体表面0～15 cm处是吸贮热或放热的主要部位；距墙体内侧表面30～35 cm处是热稳定层；墙体外侧也受外界气温的影响，但影响范围局限在距外表面15 cm之内，且变幅较小。

大部分研究结果都是基于同一类型日光温室墙体结构，本文针对山西晋中地区具有代表性的3种日光温室，厚土墙下凹式日光温室、普通土墙日光温室、砖混结构日光温室的墙体内部的温度日较差在冬春季节的变化进行分析，因为墙体温度变化不仅反映了墙体的保温性能，还是墙体材料吸热和放热的表观反应，期望为日光温室墙体的建设提供参考价值。

1 材料与方法

1.1 供试温室及试验方法

本试验供试日光温室共有3座，均建在山西省晋中市太谷县(37°42′N，112°55′E，位于山西省晋中盆地东北部)。温室结构示意简图见图1[9]，温室结构基本参数见表1。

图1 供试温室结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the greenhouse structure in the experiment

温室号Green-houseNo.北墙NorthWall墙体材料Wallmaterials墙高WallHeight墙底宽WidthBottom顶宽WidthTop长度Length跨度TotalSpan内部跨度InnerSpan脊高RidgeHeight作物CropsA土墙4.56.61.6240.021.615.06.0番茄B土墙3.42.01.0150.012.010.03.4番茄C砖混3.00.50.543.09.759.254.5番茄

注：温室C北墙墙体为夹心复混材料：12 cm红砖 + 24 cm生石灰 + 12 cm红砖。

Note:The north wall of Greenhouse C was made of 12 cm red brick + 24 cm quicklime + 12 cm red brick.

温室A测试时间为2014年1月29日-2014年2月21日(共24 d)，温室B、C测试时间均为2014年3月1日-2014年5月31日(共92 d)。

温室环境管理：一般温室A揭盖保温被时间分别为9∶00、16∶00左右，农户根据蔬菜生长发育所需适温灵活调整温室B和温室C揭放保温被的时间。

1.2 测点布置

墙体温度通过多点温度传感器(出自邯郸市益盟电子有限公司)自动记录，为避免东西山墙对墙体温度变化的影响，试验中安装多点温度传感器的探头均位于北墙中部距地面1.5 m高处，从墙体内表面开始垂直于外侧，每5 cm深放置一个传感器探头，其中温室A墙体内的测定位置共18处，分别为5 cm、10 cm、15 cm、20 cm……85 cm、90 cm，温室B和温室C墙体内的测定位置均为6处。所有传感器均每30 min记录一组温度数据。

论文中的数据处理采用WPS软件，所用数据为日光温室墙体内部各测点的日较差，即一天中最高温与最低温的差值。

2 结果与分析

2.1 北侧墙体内部的日较差在不同温度区的分布

温室A北墙内的日较差分7个温度区，见表2。由表2可见，在2014年1月29日-2月21日共24 d的观察中，温室A墙体内部5 cm、10 cm、15 cm深处的日较差都主要集中于5 ℃以上(有时甚至高达25 ℃)，分别有22 d、20 d、16 d，占观察总天数的92%、83%、67%；20 cm、25 cm深处的日较差主要集中于2～5 ℃，均有18 d，占观察总天数的75%；30 cm、35 cm深处的日较差主要集中于0～2 ℃，分别有20 d、21 d，占观察总天数的83%、88%；40～90 cm深处的日较差始终在0～2 ℃范围内。

表2 温室A墙体内部的日较差在不同温度区的天数/dTable 2 The days of the daily TemDIF inside north wall of Greenhouse A in different temperature ranges

注：数据来自墙体各测点2014.01.29-2014.02.21(共24 d)的日较差。

Note: Data originated from the daily TemDIF of each measuring point inside north wall from Jan. 29 to Feb. 21, 2014 (in total 24 days).

对温室B和C进行了类似的分析，并列于表3。由表3可见，在2014年3月1日-5月31日共92 d的观察中，温室B和C墙体内部5 cm、10 cm深处的日较差都主要集中于5 ℃以上，分别有73、49 d和83、74 d，占观察总天数的79%、53%和90%、80%；温室B墙体内部15 cm、20 cm深处和温室C墙体内部15～30 cm深处的日较差主要集中于2～5 ℃，占观察总天数的60%以上；温室B墙体内部25 cm、30 cm深处的日较差主要集中于0～2 ℃，分别有62 d、85 d，占观察总天数的67%、92%。

通过对3种类型日光温室墙体内各深度的日较差在不同温度区的天数进行分析得出，温室A、B、C墙体内部的日较差变化范围分别为0～25 ℃、0～15 ℃、0～20 ℃，其中墙体内部日较差快速下降部位主要位于5～15 cm处，变化幅度在5 ℃以上，最高可以达到25 ℃左右；日较差变化平缓部位主要位于15～25 cm处，变化幅度在2～5 ℃；日较差变化稳定部位主要位于25 cm之后，变化幅度在0～2 ℃，据此将墙体划分为热交换层(>5 ℃)、热缓冲层(2～5 ℃)和热稳定层(0～2 ℃)。

表3 温室B、C墙体内部的日较差在不同温度区的天数/dTable 3 The days of the daily TemDIF inside north wall of Greenhouse B and C in different temperature ranges

注：温室B、C的数据来自墙体各测点2014.03.01-2014.05.31(共92 d)的日较差。

Note: Data originated from the daily TemDIF of each measuring point inside north wall from Mar. 1 to May 31, 2014 (in total 92 days).

2.2 北侧墙体内部日较差的变化状况

为了进一步了解墙体内部热交换层与热稳定层变化的准确部位，以墙体深度为横坐标，日较差大小为纵坐标绘制得图2。然后分别列出墙体内部热交换层和热稳定层的线性方程式y=kx+b并列于表4，其中k(斜率)代表墙体在单位深度的日较差大小，b(截距)代表墙体处于某一热变化层时，墙体内表面的日较差大小。

由图2可知，3种类型日光温室墙体内部日较差的变化走势一致，即在拐点前后，日较差呈先快速下降后变得平缓。温室A、B、C墙体内部日较差变化幅度大小分别为0～14.0 ℃、1.0～11.0 ℃、3.0～9.7 ℃，其中温室A、B、C墙体内部热交换层/热稳定层的日较差变化速率分别约为(0.7 ℃/0℃、0.5 ℃/0.1 ℃、0.5 ℃/0℃)/cm，日较差变化的拐点分别位于22、17、17 cm左右，相应的日较差大约为2.0、3.0、3.0 ℃。可能受季节的影响，温室A墙体内部的拐点位置比温室B、C略深些，拐点处的日较差也低约1.0 ℃，而同一季节的温室B、C墙体内部的拐点位置和相应的日较差几乎一致。

表4 温室A、B、C墙体内部热交换层/热稳定层的趋势线方程Table 4 Trend line equations of the daily TemDIF inside north wall for heat exchange/stability layer

图2 温室A、B、C墙体内部日较差变化状况Fig.2 The daily TemDIF variation inside north wall of Greenhouse A, B, C 注：温室A的数据来自墙体各测点2014.01.29-2014.02.21(共24 d)的平均日较差；温室B、C的数据均来自墙体各测点2014.03.01-2014.05.31(共92 d)的平均日较差。Note: Data originated from the averaged daily TemDIF of each measuring point inside north wall from Jan. 29 to Feb. 21, 2014 (in total 24 days) for Greenhouse A, from Mar. 1 to May 31, 2014 (in total 92 days) for Greenhouse B, C.

2.3 温室B、C墙体内部日较差的月变化状况

北墙内部日较差的月变化可能受季节的影响。我们分别分析温室B、C墙体内部每月的日较差变化(图3)，并将结果列在表5中。从图3可以看出，从冬到春，随着天气变暖，3、4、5月份温室B墙体内部5～30 cm处的日较差变化范围分别为9.0～1.5、8.6～1.5、8.0～1.4 ℃，温室C墙体内部5～30 cm处的日较差变化范围分别为11.6～2.9、8.9～3.2、8.4～3.5 ℃。墙体内部日较差的变化趋势基本一致，即随着墙体深度的增加，热交换层日较差下降较快，热稳定层日较差下降平缓。此外，温室B、C墙体内部热交换层的日较差变化速率为0.5 ℃·cm-1，热稳定层的日较差变化速率为(0.1～0.0) ℃·cm-1(表5)。3～5月，日较差变化的拐点随时间的推移并没有发生显著变化，在17、18 cm前后，相应的日较差约为3.0 ℃。

图3 温室B、C墙体内部日较差的月变化状况Fig.3 The monthly variation of the daily TemDIF inside north wall of greenhouse B and C 注：图中的月变化数据点分别来自3月(03.01～03.31)、4月(04.01～04.30)、5月(05.01～05.31)温室B、C墙体内各测点的平均日较差。 Note: The monthly data points in the plots were from the averaged daily TemDIF of measuring points inside north wall in March (from Mar. 1 to Mar. 31), April (from Apr. 1 to Apr. 30), May (from May 1 to May 31).

3 讨论与结论

3.1 讨论

农民认为墙体越厚蓄热保温效果越好，将墙体建成基座为7～9 m厚的厚土墙，温祥珍等[1]分析了日光温室砖混结构墙体内冬春季温度状况，提出了热交换层(近内侧0 ～20 cm)热稳定层(30～35 cm)和外界气温影响层(近外侧0～15 cm)的分层理论[1]。彭冬玲[10]在日光温室主动蓄热机理及试验研究中，认为在距离墙体内表面30～40 cm深处，存在一个温度不随时间变化的“恒温层”，即“有效蓄放热层”，深层墙体则为保温层。李明等[11～13]依据“温差法”和“温波法”确定了墙体蓄热层的厚度，得出温差法和温波法所确定的土墙蓄热层厚度分别为30 cm和40 cm。李明等[13]根据墙体温度的波动及供热情况将土墙划分为用于储蓄热量的“蓄热层”和防止热量从蓄热层流向室外的“保温层”。这些研究结果都对厚土墙的建造提出了质疑。

表5 温室B、C墙体内部热交换层/热稳定层的趋势线方程

Table 5 Monthly variation trend line equations of the daily TemDIF inside north wall for heat exchange/stability layer in Greenhouse B, C.

温室号GreenhouseNo.月份Month热交换层Heatexchangelayer热稳定层Heatstabilitylayer拐点InflectionPoint方程式EquationR2方程式EquationR2交点坐标IntersectioncoordinatesBMar.y=-0.496x+11.3880.998y=-0.116x+4.8970.990(17.1,2.91)Apr.y=-0.476x+10.8760.998y=-0.115x+4.8660.982(16.6,2.95)Mayy=-0.435x+10.0750.996y=-0.108x+4.5910.983(16.8,2.78)CMar.y=-0.648x+14.9380.998y=-0.038x+3.9370.605(18.0,3.25)Apr.y=-0.471x+11.3000.998y=0.026x+2.4030.521(17.9,2.86)Mayy=-0.446x+10.6610.997y=0.052x+1.8740.886(17.7,2.79)

3.2 结论

本研究通过对不同结构、不同厚度的日光温室墙体进行日较差分析，获得如下结果：

1、尽管墙体日较差受温室结构、墙体厚度等影响很大，但热交换规律一致。根据日较差变化幅度大小将墙体划分为3个层次，分别为热交换层、热缓冲层和热稳定层，分别位于墙体从内到外0～15 cm、15～20 cm和25～30 cm。这与温祥珍等[8]对日光温室砖混结构墙体研究结果基本一致。认为这与墙体热交换的方式(传导放热)有关。

2、热交换层、热缓冲层和热稳定层处相应的日较差变化范围分别为5 ℃以上、2～5 ℃和0～2 ℃。

3、三种类型日光温室墙体内部日较差的拐点均位于热缓冲层，差异不大。从冬到春，热交换层与热稳定层之间的拐点位置变化不大，但拐点处的日较差稍微下降，这可能与太阳高角度和通风有关。

4、经本文分析认为在山西晋中地区，日光温室墙体的适宜厚度约为30 cm。

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(编辑：武英耀)

Analysis of the daily temperature differences inside north wall in solar greenhouse during winter and spring

Yang Yanhong1, Li Yaling1*, Ma Yujing1, Yang Cunliang2, Wen Xiangzhen1*

(1.CollegeofHorticulture,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801，China; 2.GrainSeedFactory,YuanpingCounty,ShanxiProvince,Yuanping034100，China)

[Objective]In order to determining the reasonable thickness of the north wall in the construction of solar greenhouse.[Methods]Three Chinese solar greenhouses were selected in Jinzhong city, Shanxi province, in which the bottom of the north wall were 6.6 m (for digging-down greenhouse), 2 m (for clay wall) and 0.5 m (for brick-mixture wall), respectively. And the inner span of the greenhouses were 15 m, 10 m, 9.25 m, respectively. The temperature inside north wall (the measuring points were set at every 5 cm from inner surface to the outside) was measured every 0.5 h at 1.5 m height above ground during winter and spring period. According to analyzing the daily differences (TemDIF) of each measuring point, the north wall was divided into different layers, then to analyzing the variation of the inflection point.[Results]Theresult showed that, the heat exchange rules inside north wall were basically the same, although the structure and thickness of north wall were different. According to the variation of the daily TemDIF in each layer, the north wall was divided into three layers that were heat exchange layer, heat buffer and heat stability layer which were located at 0～15 cm, 15～25 cm and beyond 25 cm depth, respectively, from inner surface of north wall to outside. The TemDIF in those layers were above 5 ℃ (up to 25 ℃), 2～5 ℃ and 0～2 ℃, respectively. The change point/inflection point between layers of heat exchange and heat stability was located at 17～22 cm calculated by linear regression. And the daily TemDIF in those points were not very different, which was related to the way of heat exchange (heat conduction) of the north wall. From winter to spring, the location of the change point/inflection point did not change significantly, but the daily TemDIF was decreased a little, it was related to the changes of solar elevation angle and ventilation.[Conclusion]According to the analysis of this paper, the suitable thickness of the north wall in solar greenhouse in Jinzhong, Shanxi province was around 30 cm.

Solar greenhouse, The north wall, Winter and spring period, The daily temperature differences(TemDIF), Variation

2017-04-10

2017-05-09

杨艳红(1991-)，女(汉)，山西朔州人，硕士研究生，研究方向：设施园艺

*通信作者：温祥珍，教授，博士生导师，Tel:0354-6288789;E-mail: wenxiangzhen2009@hotmail.com

国家自然科学基金重点项目(61233006)；山西省煤基重点科技攻关项目(FT201402-05)

S625.1

A

1671-8151(2017)08-0594-06