大庆市双膜日光温室保温性能研究

2018-05-14刘传宏杨凤军张晓芳

安徽农业科学 2018年20期

刘传宏杨凤军张晓芳

摘要日光温室蔬菜种植生产中温室的保温性能是冬季重要限制因子，采用双膜覆盖是温室增加保温性能的有效方法。对双膜日光温室和单膜日光温室内部气温、土温进行监测、分析。结果表明，在冬季最冷时间段（12月21日—次年1月9日），双膜日光温室的气温较单膜日光温室在08：30—15：30，最高气温温差为3.7 ℃，最低气温温差为0 ℃；在15：30—次日08：30，最高气温温差达13.5 ℃，最低气温温差为3.9 ℃，尤其在温室的东西两端2个温室的夜间温差更加明显，达到8.5 ℃。双膜日光温室的土温较单膜日光温室在8：30—15：30，最高温差为3.5 ℃，最低温差为0 ℃；在15：30—次日08：30，最高温差达到5.5 ℃，最低温差为2.3 ℃。并且在夜晚时段双膜日光温室的气温、土温降温速度低于单膜日光温室，各点的温度差相对较小。双膜日光温室良好的保温能力，为大庆市冬季日光温室正常生产提供了保障。

关键词双膜日光温室；保温性能；气温；土温；温差

中图分类号 S214 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）20-0171-07

Abstract In greenhouse vegetable production， the thermal insulation performance of greenhouse is an important limiting factor in winter， and double film mulching is an effective method to increase the thermal insulation performance of greenhouse. The temperature and soil temperature of double film greenhouse and single film greenhouse were monitored and analyzed. The results showed that： in the cold winter period （December 21 - January 9th），at 8：30 to 15：30， the temperature of the double film solar greenhouse was compared with the single film solar greenhouse， the maximum temperature difference was 3.7 ℃， the minimum temperature difference was 0 ℃.At 15：30 to the next day 08：30，the maximum temperature difference reached 13.5 ℃， the minimum temperature difference was 3.9 ℃， and the night temperature difference of the two temperature rooms at both ends of the greenhouse was more obvious， and the temperature difference was reached 8.5 ℃.At 8：30 to 15：30， the soil temperature of the double film solar greenhouse was compared with the single film solar greenhouse.At 15：30 to the next day 08：30，the maximum temperature difference was 3.5 ℃， and the minimum temperature difference was 0 ℃. The maximum temperature difference of the greenhouse soil temperature reached 5.5 ℃， and the minimum temperature difference was 2.3 ℃.At night， the temperature and soil temperature of double film greenhouse were lower than those of single film greenhouse， and the temperature difference of each point was relatively small. The double film solar greenhouse has good insulation ability， which provides guarantee for the normal production of greenhouse in winter in Daqing.

Key words Double membrane greenhouse；Thermal properties；Air temperature；Soil temperature；Temperature difference

日光溫室是我国特有的一种设施生产类型，以太阳能为主要能量来源，通过对太阳能的储存、散热完成日光温室能量转换，满足温室冬季生产对温度的需求，具有环保、节能、高效、可持续发展的特点[1-2]。近年来关于日光温室的保温性能、环境因子、结构建造、方位角等方面的研究很多。刘晓蕊等[3]根据内蒙古地区的气候特点，设计出新型内保温日光温室，增强了温室的保温性能和采光条件；王晓东等[4]对新疆塔城地区日光温室的结构做过研究，通过对结构参数进行优化，实现了该地区的越冬生产；何芬等[5-6]根据不同天气，

对北京地区和青海省温室的内部环境因子变化规律进行了研究；孟力力等[7]对日光温室的温度、光照以及保温蓄热能力进行了研究；唐中祺[8]对甘肃省温室的不同跨度、保温性能做过研究；刘璎瑛等[9]根据温室的光照和温度，以及温室的揭盖帘时间，对温室的保温性能做过研究；杨微微[10]对新型装配式节能日光温室冬季温室内部环境因子的变化规律进行了研究。大庆市位于我国北部高寒区，冬季平均气温-15 ℃，最低温度-28 ℃，夜晚温差较大，选择适合该地区设施农业生产的设施类型是亟待解决的问题，笔者团队根据大庆市的地理环境、气候特点、生产成本，推出了双膜日光温室。

大庆市位于黑龙江省中西部，是黑龙江省西部地区最具实力的设施农业生产基地，设施农业自1988年以来，经过长时间的稳步发展，实现了规模化、产业化和市场化的经营模式。该区域发展设施农业有助于摆脱自然条件的束缚，实现农业增效、农民增收。同时也调整了大庆市农业产业结构，促进了该区域农业提档升级，实现了农业现代化。但在该区域设施农业发展的今天，日光温室的建造和使用主要存在着冬季温度低的问题，无法满足植物生长的要求。筆者对双膜日光温室内部的各点气温、分层土壤温度的变化规律，以及冬季温室整体保温性能进行系统的统计与研究，为双膜日光温室的管理控制及推广提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 双膜日光温室与单膜日光温室结构

双膜日光温室与单膜日光温室在结构、角度、大小方面均相同，两者差异为双膜温室内部多一层覆盖膜。试验温室位于黑龙江省大庆市大同区黑龙江八一农垦大学航天育种基地（124°19′E，45°46′N）。温室坐北朝南，东西方向长为60 m，南北跨度8 m，后墙高2.8 m，脊高4.8 m，后墙为混泥土砖墙，建筑面积达480 m2，附属房屋建筑面积12 m2，没有内部保温设备，外覆盖材料均为保温被，温室结构见图1。

1.2 研究方法

测量气温的仪器为HW300X型温度记录仪、HWS300X型温度记录仪。HW300X型温度记录仪测量范围为-20～70 ℃，精度为±0.5 ℃；HWS300X型温度记录仪测量范围为-20～70 ℃，精度为±0.5 ℃。测量土温的仪器为DS1921型号温度记录仪，测量范围为-25～40 ℃，精度为±0.5 ℃。

1.2.1 2种温室东西走向不同位置气温监测。

将双膜日光温室设定为A，单膜日光温室设定为B，距离地面1.5 m处沿东西方向设置3个点，分别为A1、A2、A3，并要求A1距东侧山墙10 m，A1与 A2之间的距离为20 m，A2与A3之间的距离为20 m，A3与西山墙的距离为10 m。使A1、A2、A3距北侧前沿与南侧后墙之间的距离均为4 m。同时要求B温室与A温室采用统一的试验布置方法，该试验方案的设计主要是为了分析双膜日光温室与单膜日光温室东西方向上的温度变化，以及不同温度条件下温室内部气温的变化情况，气温传感器的布置如图2所示。

1.2.2 地温监测、布点方法。

对双膜日光温室与单膜日光温室的地温进行监测，试验时间为2016年12月30日—2017年2月5日，选择不同位置的点，根据不同的时间段，对温室内部整体土温分布状况进行说明。

1.2.2.1 2种温室沿南北方向同一深度不同位置土壤温度监测。

将双膜日光温室设定为A，单膜日光温室设定为B，在双膜温室中选取3个点分别为Aa、Ab、Ac，各点深度均为20 cm。同时要求Aa距前沿棚膜距离为2 m，Aa与Ab之间的距离为2 m，Ab与Ac的距离为2 m，Ac距南沿墙体的距离为2 m，对于单膜日光温室B采用与A温室统一的土温测量布置方法（图3）。

1.2.2.2 2种温室南北方向同一位置不同深度的土壤温度监测。

设定双膜日光温室的试验点为Ad、Ae，要求Ad的深度为20 cm，Ae的深度为40 cm；单膜日光温室试验点为Bd、Be，同时要求Bd与Ad深度相同，均为20 cm，Be与Ae均为40 cm。该试验点的设计主要为了分析温室内部不同深度土壤的变化规律（图4）。

1.2.2.3 2种温室东西方向同一深度不同位置土壤温度监测。

监测同一深度不同位置的土壤温度，在双膜日光温室和单膜日光温室中各选取3个点，沿东西方向布置，分别设定为Ae、Af、Am、Be、Bf、Bm，深度均为30 cm，监测温室内部同一深度不同位置的土壤温度变化情况（图5）。

1.3 数据分析

采用Excel 2007对数据进行整理归纳，筛选有意义的数据制作折线图、统计图，运用数据反映温室气温、土温的整体变化趋势，比较说明双膜日光温室的保温性能。

2 结果与分析

2.1 2种温室东西方向各点温度分析

图6是12月20日温室内部温度变化情况，表明双膜温室在东西方向上，A1、A2、A3 3个试验点的温度随时间的变化出现增温和降温现象，14：00—次日8：00 A温室持续降温，并在08：00时温度达到最低，最低温度分别为6.6、7.2、6.3 ℃，并且A2点的温度始终高于A1与A3，温差值小于A1与A3，表明温室的中间部分温度高，且变化平稳，有助于植物生长。

由图6可知，08：00—14：00双膜日光温室的温度开始快速上升，但A1处由于受到东山墙影子的影响，温度上升趋势低于A2、A3 2个试验点；12：00以后A温室的3个试验点温度上升到一天中的最高值，依次为27.7、31.0、30.0 ℃，同时由于太阳自转和西侧山墙的影响，温室西侧温度的最高值出现在12：00—14：00。说明温室的增温受太阳辐射能、方位角以及采光角的影响。

14：00—17：00温室开始快速降温，平均速率达4.7 ℃/h；在17：00以后双膜日光温室开始盖上二层膜和保温被，温室内部降温速度变缓，平均速度为0.5 ℃。说明二层膜和保温被有助于减少温室热能的流失，提高温室的保温性能。A3点由于受到西山墙影子的影响，太阳照射幅度减少，温度下降速度略快于A1和A2 2个部分。数据显示，A2和A1、A3 3个点的温差为0～2.3 ℃，整体温差较小，说明A温室在东西方向上各点的温度分布相对比较均匀。

从图6可以看出，B温室的3个试验点在14：00—次日08：00，温室内温度持续降低，并在08：00温室揭开保温被时，室内温度降到最低值，分别为-0.1、0.2、-0.5 ℃；12：00—14：00 3个试验点的温度达到一天中的最高值，分别为21.9、26.3、27.2 ℃，由于东侧山墙挡住了部分太阳辐射，使得B1试验点的温度始终低于B2、B3 2点。从折线图的起伏可以看出，3个试验点在14：00以后，由于西山墙影子的影响，使得B3点的温度下降速度快于B1和B2 2个试验点，温差在-0.4～5.3 ℃，温差幅度较大。因此可以说明B温室在东西方向上温度分布不均。

图7、8、9是温室12月20日单膜温室与双膜温室内部气温变化，表明A1与B1、A2与B2、A3与B3 6个试验点的温度变化，A温室对应的试验点温度始终高于B温室对应的试验点。但在08：00—14：00，2个温室受太阳辐射能的影响开始增温，A温室的平均速率3.4 ℃/h，B温室的平均速率为4.7 ℃/h。由于A、B温室采用同样的建造手法，同样的覆盖材料，但A温室的温度始终高于B温室，且增溫速度低于B温室，说明A温室的温度变化平稳。根据图7～9中A1与B1、A2与B2、A3与B3各对应点的误差线显示，B温室的误差线始终高于A温室的误差线，说明A温室的温度变化稳定，不易出现低温冷害，更加适合植物冬季生长。同时根据3个图的趋势线可以知道，A温室的增温、降温速度缓和，温差小；B温室的增温、降温速度快，温差大，说明A温室的二层膜有助于提高温室的保温性能。

2.2 2种温室平均气温与室外平均气温分析

图10是12月21—29日A、B温室变化，表明A、B温室的温度变化呈正相关的关系，说明A、B温室在生产中都具有保温蓄热的能力。但A温室平均温度始终高于B温室，A温室的内部温度与室外温度相比，平均提高温室气温25.4 ℃，B温室有效提高温室气温19.0 ℃，说明A温室的二层膜更有助于提高温室的内部温度。通过误差线显示，B温室的温度变化值误差大于A温室，说明A温室的平均温度环境优于B温室。

2.3 2种温室东西方向上多云及晴天天气条件下温室内部温度分析

图11是12月23日多云天气条件下A、B温室内部气温的变化情况，A温室折线图基本平缓，一日内最高温度差为1.3 ℃。B温室的温度变化幅度相对较大，最高温度差达 8.8 ℃，并且A温室温度始终高于B温室。说明A温室在多云天气条件下太阳辐射能加温不足时，A温室的保温性能优于B温室，根据误差线显示，说明A温室的温度变化值误差较小。

根据2条折线图的对比可知，虽然A温室温度一直高于B温室，但B温室在10：00—14：00温度明显上升，速度快于A温室。说明A温室内部的二层膜阻挡了太阳辐射能的进入，减弱了温室内部白天的增温效果。根据趋势线的显示，说明温室阴天天气条件下温室温度逐渐降低。因此温室在生产中必须注意二层膜的揭、盖时间，最大程度地提高温室的增温效果。

图12是12月25日晴天条件下A、B温室内部温度的变化情况，从图中可看出，A温室的最低温度为8.4 ℃，B温室最低温度为1.6 ℃，最低温度的温差为6.8 ℃；A、B温室最高温度分别为28.4 ℃、18.8 ℃，温差值9.6 ℃。A、B温室晴天升温迅速，但夜晚降温时段B温室快于A温室，说明A温室的保温性能优良。图12误差线和趋势线表明晴天天气下温室温度变化值，误差较小，并且温度呈现上升趋势，具有增温的作用。

2.4 2种温室同一深度南北方向上土温变化分析

根据植物生长对土壤深度的要求，选择30 cm处为土壤试验深度[11]。从图13可知A温室在南北方向同一深度土壤温度变化情况，温室通过白天吸收太阳光长波辐射，以土壤为主要介质传给土壤层，土壤层温度升高[12]。由图13可知，A温室在南、中、北3个试验点，最低温度分别为13.5、12.5、11.0 ℃，最高温度分别为15.0、14.0、14.0 ℃，3 d内A温室最大温差为0～4 ℃。同时根据图中3个试验点的误差线可以知道，A温室在北侧和中间温度更加稳定，南侧的增温、降温速度略高于其他2个试验点，整体数据表明A温室的土温在南北方向变化平缓，有助于植物整齐生长。图13误差线显示，说明温室南侧地温变化值相对较大，温度相对低于其他2个试验点。

2.5 2种温室同一位置不同深度的土壤温度变化分析

图15是A温室一日内不同深度同一位置的土壤温度变化情况，白天由于太阳辐射的影响，土壤温度升高，但随着试验点埋藏深度加深，土壤增温效果减弱。由图15可知，在10 cm处土壤层随着太阳辐射照射强度的不同，土温变化较为明显，白天快速增温，夜晚快速降温，并且温度波动幅度较大。在30 cm处受太阳辐射增温效果不明显，夜间散热效果也低于10 cm处的散热层，原因是由于土壤热量的传递在时间上相对延后，说明土温的增温、降温受土壤层深度的影响。

2.6 2种温室同一深度不同位置的土壤温度分析

图17 表明A温室在东侧、南侧、北侧3个试验点夜间最低温度分别为9.5、14.0、11.0 ℃，白昼最高温度分别为11.0、15.0、13.5 ℃，温度变化幅度趋于平缓，平均温差为4.1 ℃。南侧试验点略高于其余2个试验点，东侧土壤温度由于受到东侧山墙的影响，土壤白昼升温，夜晚降温幅度相对较小，一日内最大温差值达到3.0 ℃，误差值较小，因此可以推断A温室土壤温度分布均匀。

从图18可以看出，B温室白天通过太阳辐射土壤增温，夜晚降温，但各点的温度变化幅度较大，3个试验点最低温度分别为6.0、9.0、8.0 ℃，最高温差达到5.5 ℃，说明B温室内部整体土层温度分布不均，且温度低，不利于植物正常生长。

3 讨论

我国日光温室的发展已有30多年的历史，经过创新、引进、改良等，实现了温室的越冬生产。研究表明，传统日光温室的保温主要靠温室后墙、覆盖材料、保温材料决定。传统日光温室的覆盖材料大多以一层或多层草帘、纸被和棉被增加温室的保温性能，但夜间由于温室放热以前屋面为主，昼夜温差大，温室生产无法满足温度的要求。温室在生产中主要面临的问题是冬季温度过低，植物生长缓慢，甚至死亡，极易出现低温、冷害[13-14]。

近些年来我国众多学者通过对温室的建造材料、角度、覆盖材料、结构等方面进行改进，进一步提高了我国日光温室的保温性能[15-17]。

建造材料：主要包括砖墙、混合墙、水墙体，以及新型保温材料（珍珠岩、保温棉等）的运用，通过提高温室的保温、蓄热能力，增加温室的保温效果。

角度：是指温室的方位角和温室的仰角，根据当地的地理纬度，选择最佳的方位角和仰角最大程度地利用太阳光，提高温室的采光面，增加温度，促进植物生长。

覆盖材料：是指温室建造采用的内膜、外膜以及保温被，最大程度地吸收太阳光照和夜间保暖。

结构：温室建造坐北朝南，采用圆弧形钢架结构，结合砖墙、复合墙以及水体墙，实现采光、保温，提高温室温度。

同时对于不同的地理环境低温危害不同，对于我国东北、西北地区，冬季过于寒冷，温室冬季正常生产需要采用加温装置[18-21]。

日光温室是我国设施生产中运用最多的一种设施类型，它具有投入低、便于管理等方面的优势[22-23]。但对于当前我国日光溫室快速发展的同时，也面临着一系列的问题，如单位产量低、环境控制水平差、温室内部土质污染严重、夏季高温冬季低温以及阴雨天气弱光胁迫频发，寒冷地区无法周年生产等一系列问题，因此无法实现提质增效的目标[24-26]。设施农业的发展需要解决一系列的问题，满足我国设施农业安全生产，提高产量和价值的需要[27-28]。双膜日光温室在保温、蓄热方面的研究得出了类似的结论，蒋国振等[29]提出通过研究温室盖帘时间，提高温室内部的温度。孙周平等[30]开发了彩钢板装配式温室，通过改变东西山墙墙体的材质，增加温室的采光面，提高太阳能的使用，增加温室保温、蓄热的能力。乔正卫等[31]通过试验选择保温性能最佳的保温覆盖材料，满足温室夜间保温的要求。方慧等[32]通过对温室内部环境研究各个因子的变化规律，优化温室的保温性能，满足生产的需要。伍虹宇等[33]通过原有温室，在温室后墙的顶端设计U型槽，采用隔热、传热原理，增加温室的保温性能。温室的保温性能主要通过温室的结构、角度、覆盖材料、墙体厚度、透光率等方面进行优化。

4 结论

双膜日光温室的温度分布，在东西方向上比单膜日光温室均匀，各测试点的温度均高于单膜日光温室。在平均温度上双膜日光温室高于单膜日光温室，且与室外温度呈负相关的关系，可以有效提高气温25～35 ℃。同时在多云天气条件下，太阳辐射能相对减少较少，温室内部所受的太阳辐射能不足时，双膜日光温室的气温变化整体处于平缓，且能满足植物生长对温度的要求，但二层膜在白天会阻挡太阳辐射能的进入，使温室增温减弱。

双膜日光温室在白天和夜间的土温均高于单膜日光温室，各测试点的土温变化由南到北波动逐渐减小。在植物生长最适土层深度30 cm处的土温变化中，双膜日光温室的这一深度的土温夜间变化较小，单膜日光温室的土温变化幅度相对较大。同时在不同深度阶段，土温随着土层的加深变化幅度逐渐减小。

双膜日光温室测试时间内室内平均气温13.4 ℃，最低温度8.0 ℃，最高温度36.0 ℃；土温平均温度11.4 ℃，最低温度9.0 ℃，最高温度15.0 ℃。因此可以推断双膜日光温室在保温、蓄热的性能方面优于单膜日光温室，有助于解决大庆市冬季植物生长低温、冷害的威胁，同时双层膜日光温室内部温度分布均匀，有利于植物整齐生长。另外，良好的保温能力有助于应对大庆市特殊天气，例如光照不足、温室内部增温减弱所带来的威胁等。

参考文献

[1] 李天来.我国日光温室产业发展现状与前景[J].沈阳农业大学学报，2005，36（2）：131-138.

[2] 李天来，齐红岩，齐明芳.我国北方温室园艺产业的发展方向：现代日光温室园艺产业[J].沈阳农业大学学报，2006，37（3）：265-269.

[3] 刘晓蕊，朱山川，刘杰才，等.新型内保温日光温室光照和温湿度性能的初步研究[J].农业工程技术，2014（4）：64-66.

[4] 王晓冬，马彩雯，邹平，等.日光温室保温性能的试验与优化设计[J].农机化研究，2009（9）：172-175.

[5] 何芬，富建鲁，尹义蕾，等.北京地区典型日光温室冬季环境测试分析[J].北方园艺，2015（20）：51-53.

[6] 何芬，周长吉，齐飞，等.青海西宁地区日光温室冬季环境测试分析[J].北方园艺，2010（20）：86-89.

[7] 孟力力，杨其长，宋明军.北京地区日光温室温光及蓄热性能的试验研究[J].陕西农业科学，2008，54（4）：61-64.

[8] 唐中祺.不同跨度日光温室结构设计及升温保温性能研究[D].兰州：甘肃农业大学，2014.

[9] 刘璎瑛，丁为民，张剑锋.徐州地区日光温室保温性能的试验研究[J].农机化研究，2003（2）：166-169.

[10] 杨微微.新型装配式节能日光温室冬季环境因子变化规律的研究[D].大庆：黑龙江八一农垦大学，2015.

[11] BAI Y K，LIU W H，WANG T L，et al.Experimental research on environment and heat preservation effect of solar greenhouse：Type Liaoshen I[J].Transactions of the Chinese society of agricultural engineering，2003，19（5）：191-196.

[12] CHEN D S.Theory and practice of energy saving solar greenhouse in China[J].Transactions of the Chinese society of agricultural engineering，2001，17（1）：22-26.

[13] 袁静，李树军，崔建云，等.山东寿光冬季日光温室内温度变化特征及低温预报[J].中国农学通报，2012，28（3）：300-304.

[14] 黎贞发，李春，刘淑梅.日光温室气象服务技术发展现状与展望[J].安徽农业科学，2010，38（12）：6292-6294.

[15] 高艳明.宁夏不同类型日光温室温光性能观测与评价[D].北京：中国农业大学，2006.

[16] 董仁杰，吕钊钦，齐刚，等.蜂窝塑膜温室覆盖材料性能试验研究[J].山东农业大学学报，1993，24（1）：30-36.

[17] 將志刚，龙剑.复合外墙内外保温的传热特性研究[J].制冷，2006，25（2）：44-47.

[18] 王奉钦.太阳能集热器辅助提高日光温室地温的应用研究[D].北京：中国农业大学，2004.

[19] 吴美妮.华南地区工厂化农业设施引进与国产化[J].农业机械，2001（4）：32-33.

[20] 刘文科，杨其长，魏灵玲.LED光源及其设施园艺应用[M].北京：中国农业科学技术出版社，2012.

[21] 王顺生，马承伟，柴力龙，等.日光温室内置式太阳能集热调温装置试验研究[J].农业化研究，2007（2）：130-133.

[22] 任艳芳，温祥珍，李亚灵，等.温室内保温覆盖材料的保温性能研究初报[J].华北农学报，2001，16（S1）：107-110.

[23] 马承伟，韩静静，李睿.日光温室热环境模拟预测软件研究开发[J].北方园艺，2010（15）：69-75.

[24] 王科学，朱蕾，师臣.大庆市大同区设施农业发展现状、问题及建议[J].黑龙江农业科学，2015（4）：53-56.