冬季日光温室电热膜和风机组合增温性能研究

范奥华，杨有刚，裴 雪，王孝龙，张彦钦

(1.西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨陵 712100；2.农业部农业物联网重点实验室，陕西 杨陵 712100)

0 引言

农业设施温室的出现打破了传统农业生产中的地域和时空的限制，制造一个不受时节、气候及地域影响的半隔绝环境，从而实现了全年不间断生产，给人们的全年蔬菜不间断供应提供了的可能[1]。在我国北方，日光温室是设施温室最主要的存在形式，其向阳面主要由PVC类透光薄膜和保温棉被组成，这种成本低、保温性能好的温室在北方得以广泛推广。日光温室在一般情况不需要额外加热即可满足正常的生产需求[2]；但在极端天气的条件下(如雨雪天气或连续阴雨天气等)，室内的温度可能会过低而出现冻害现象，甚至造成重大经济损失。目前，主要的加热方式可分为热水和热风供暖，分别以水和空气为介质。前者热容量大，热稳定性好，但增温慢，且二者的热源大多为化学燃料，易造成空气污染，不宜广泛采用；而电热膜供暖方式，以空气作为介质，电能为能量来源，加热快、无污染，但仅靠封闭室内空气的自然对流，对整个温室完成加温将耗电量巨大。因此，一般选择电热线加热作物苗床，对温室育苗过程中的地温提高较为常用[3]。

通过人为扰动空气来组织适当的气流，提高环境的均匀性，是改善日光温室环境的重要途径[4]。研究表明：使用风机进行强制通风可以获得良好的气流组织，因为温度等的分布主要取决于温室内部气流的运动形式[5]，可以为作物的生长提供相对均匀的环境，如提高温度和CO2浓度的均匀性，促进作物对CO2的高效利用[6-7]，改善温室环境，提高作物产量[8]。据此，本文采用轴流风机来加速室内空气循环，不仅实现了定向增温，而且节省了能耗，并在冬季不同天气条件下进行了试验来测试其增温性能，以及不同加热方式与不同风机台数的组合加热效果，旨在给实际生产活动提供指导。

1 试验材料及方法

1.1 能量计算与分析

自然状态下，温室内的能量来自于外部太阳能的补充，主要影响因素有外部太阳辐射的大小、接收太阳辐射的有效面积及太阳的照射时间等；而内部能量的散失主要包括通过薄膜和墙体向外散热，主要以传热和辐射两种方式进行。由于材料保温性能的原因，尤以透光薄膜的散热性能最强。影响散热的因素主要有材料的热阻和室内外的温差等，则室内的净热量计算公式为

(1)

其中，Q1为输入的太阳能；R1和R2分别为透光薄膜和壁面的热阻；ΔT为温差。在夜间时Q1=0，则只有热量的散失，不过由于覆盖的卷帘棉被而使透光薄膜的热阻变大。在北方的冬季，极端天气情况就需要额外实施增温措施。实验温室体积约为960m2，而铺设的电热膜的总功率为25kW，则将室内空气加热1℃所需的能量为

Q2=cmΔt=cρVΔt

(2)

其中，V为温室体积，空气比热容c=1.01kj/(kg·℃)，空气密度ρ=1.205kg/m3，目标温升Δt=1℃，则理想情况下需要加温的时间为

t=Q2/P

(3)

其中，P为加热设备的功率，代入数据得加温时长为0.78min。在实际中有能量转化率的因素，再加上通过墙壁、地面以及卷帘棉被向外扩散的能量损失，事实上需要加温的时长远大于这个值，目前并没有这方面的报道。因此，根据预试验中的数据分析，加热8～9min时才能够将温室上层聚集的高温空气转移至温室南侧，使室内的温度提升1～2℃左右，故本试验选择拟加温时长为10min。

1.2 试验材料

1.2.1 试验温室

本试验在陕西省西安市阎良区西北农林科技大学蔬菜基地2号日光温室(34.65°N，109.23°E)内进行，温室为北方典型热镀锌钢管结构日光温室，结构参数如表1所示。电热膜为韩国瑞斯博(RexVa)公司研发的XICA电热膜，因采用了高效辐射导热方式，加热快且降低能耗；选用的型号为XT-308，宽度为0.8m，单位长度的耗电量180W，铺设长度140m，总功率25KW；本试验中电热膜覆盖于温室内后墙和后坡表面，覆盖占比约为62.5%；选用的风机型号是轴流风机T35-11-5.6，主轴转速960r/min，功率0.37kW，共4台，沿温室长度方向均匀悬挂在温室顶梁钢管上。风机的高度被证明在作物冠层以上1.0～1.5m高度时冠层空间获得较好的效果[8]。本研究中，温室内的作物为黄瓜，平均高度为1.50m，冠层高度在1.40m左右，故将风机放置在距后墙2.7m、高2.4m的位置，风

向由北向南，悬挂方式如图1所示。

表1 试验温室结构参数

1.电热膜 2.轴流风机 3.控制柜

1.2.2 温度监测节点的布置

为了对温室内的温度分布情况和温度变化情况进行精确的监测，采用室内分布式温度远程监测系统，以STC89C52单片机为核心处理器，传感器采用Dallas公司生产的DS18B20数字温度传感器，监测节点数多达128个，成本低，稳定性好，精度高，且融合了农业物联网监测系统，能够实现远程实时监测，为温室的调控提供了极大的方便，可以满足要求。结合各节点之间布线的实际情况和实际需要的温度情况，将节点分别放置在沿东西方向的8个截面上，截面分布如图2(a)所示；中间的4个截面沿东西方向均匀布置测点密度较高，如图2(b)所示；而接近东西山墙的监测截面放置密度可以适当降低，如图2(c)所示。

图2 监测节点布置示意图

1.3 试验方法

加热设备的加热效率主要由加热速度和温升幅度来衡量。较高的加热效率意味着其在较短的时间内就能达到较大幅度的温升，其与加热时长的长短和能耗高低直接相关，即为控制加热成本的主要因素；而温升的幅度是衡量加热效果的直观表征。在试验前的测试过程中，大量数据表明在30min内加热10min左右时，温度的变化情况较为完整，有温度上升和下降的主要变化趋势，最终温度基本趋于平稳。因此，本试验以30min为1个试验周期，测试不同加热策略下的温度变化情况。

根据上述的分析，为了测试温度加热的时间和加热的方式对室内温度的影响，本试验选择的策略有3种：①连续加热前5min；②连续加热前10min；③先加热前5min，停止10min后再加热5min，即间隔加热10min。

前两种策略测试不同的加热时长的影响，而后两种策略测试相同加热时长不同加热方式的影响，第3种方式亦可当做第1种方式的升级，再结合不同的风机数量对室内冠层温度分布情况进行综合试验。根据上述试验方法的描述，本试验对电热膜不同的加热策略和不同风机台数在晴天、阴天和雨天分别进行了相关的试验，之后利用MatLab进行数据处理，利用Origin软件绘制趋势图，并对结果进行对比分析。

2 试验结果分析

2.1 预试验

在进行试验之前首先进行预试验，在实验温室内连续监测室内个监测节点的温度和室外的环境信息。以2017年1月14日(多云)为例，作为空白对照组，预试验期间不加热、不开风机、不开卷帘棉被，监测同等情况下的室内外温度等环境参数的变化趋势，结果如图3所示。

由图3可以看出：室外温度在日出前处于较低的水平，随着8:00太阳辐射的增大逐渐升高，且趋势基本一致，室外风速在温度和光照达到一定程度时逐渐增大；室内的温度在太阳辐射为零时一直处于降低的趋势，因为没有外界能量的输入，且室内温度高于室外，室内热量会向外扩散；而当室外温度和光照的增加时，室内温度就会逐渐增加，此时在卷帘棉被覆盖状态，热量主要靠热传导方式进入室内。试验中，温度的均方差值一直处于0.1附近，说明自然状态下室内的温度均匀性较好。由于室内空气流动较小，温度分布基本处于平衡的动态状态。

2.2 晴天

晴天情况下，以2017年1月12日进行分析。室外温度-2～8℃，最大光照辐射值在出现在中午13:00前后达到540W/m2，在上午07:00-07:30和07:30-08:00的两个测试周期内测试间隔加热10min的加热策略，在08:00-08:30和08:30-09:00的两个测试周期内测试连续加热前10min的加热策略，在09:00-09:30和09:00-10:00的两个测试周期内测试连续加热前5min的加热策略。其中，每种加热策略的两个周期内的第1个周期内只开中间2台风机，第2个周期内开全部4台风机，具体流程如下表2所示。

测试过程中室外的温度和光照变化情况如图4所示。

图4 晴天室外环境参数

在上午8:50之前，室外温度较低，都在0℃以下，光照也较弱，光辐射值在50W/m2以下；之后开始迅速增强，室外的温度也在光照变强的同时逐渐变大。在每个加热测试周期内，温室内作物冠层平面温度的最大值、均值、最小值和温度均方差的变化情况分别如图5所示。由图5可以看出：各种加热策略的测试期末相对于测试期伊始都具有不同程度的升温，且温度的均方差值都处于较低的水平，表明温度在上升的同时均匀性也得到了保证。当间隔加热10min时，室内外温差起始为7.44℃，风机2台和4台的温度均值分别增

加1.1℃和0.38℃，增幅分别为18.5%和5.4%，说明在2台风机时增温的效果更好。对比发现：4台风机时，温度均方差值一直在0.2以内，一直低于2台风机的情况，表明4台风机时温度的均匀性更好，但最终都处于0.1附近，表示二者均达到较好的均匀性；当连续加热10min时，室内外温差起始时为8.97℃，风机2台和4台的温度均值分别增加0.02℃和0.63℃，增幅分别为0.3%和8.6%，表示4台风机时加温效果较好。温度的均方差值在10:00时有所剧烈升高，是因为加热导致温度均匀性变差，打破了之前的平衡，且4台风机时温度均方差值明显小于2台风机时的情况，再次印证了4台风机的均匀效果优于2台风机时。当连续加热5min时，室内外温差在7.48℃，风机2台和4台的温度分别增加1.37℃和1.35℃，增幅分别为17.2%和14.4%，明显优于连续加热10min时的情况，与客观条件不符。笔者分析认为是由于室外的强光照所引起的，即使没有打开卷帘棉被也有能量的输入，在9:00前后室外光照已经达到200W/m2，在连续加热5min并配合4台风机时的20～30min时间段数据表现最为明显，温度的均方差值的反常提高表示有能量的变化，即太阳能的输入破坏了原有的平衡，降低了温度的均匀性。

图5 晴天试验温度变化情况

2.3 阴天

在阴天情况下，以2017年1月5日进行分析，室外温度0～6℃，最大光辐射值为110W/m2，试验方法和步骤与晴天时类似，具体流程如下表3所示。

表3 阴天测试策略

测试阶段内室外环境的空气温度、光辐射和风速随时间的变化情况如图6所示。

图6 阴天室外环境参数

图6中，室外的温度、光辐射和风速均处于较低的水平。

每个测试阶段室内冠层平面温度的最大值、均值、最小值和温度均方差值的变化情况分别如图7所示。除了连续加热5min的情况，在测试期末温度几乎回到初始状态外，其他的加热策略在最终几乎都能在初始状态的基础上有一定的增温， 说明在阴天情况下每个周期内加热5min是不够的。经过对比分析，每种加热策略在4台风机时的温度均方差值都要小于2台风机时的情况，说明4台风机时的温度均匀性更好。这是因为风机越多，室内气体的流速越大，能量的流动也更多，使温度更加均匀。连续加热10min情况下，2台风机时温度均值增加1.03℃，增幅为15.0%，4台风机时温度均值增加0.47℃，增幅为5.9%，2台风机时的温度增幅更大；且在间隔加热10分钟情况下，2台风机时温度均值增加0.59℃，增幅为7.0%，4台风机时温度均值增加0.34℃，增幅为3.8%，同样是2台风机时的温度增幅大。这说明，在阴天时打开4台风机虽然可使冠层温度均匀性更好，但同样在薄膜、墙壁或者地面等交界面造成更剧烈的热交换，加速了内部能量向温室外部的流失，使温度的增幅降低。

图7 晴天试验温度变化情况

2.4 雨天

在雨天情况下，以2017年1月6日进行分析，室外温度2～5℃，最大光辐射值为60 W/m2，试验方法和步骤同样类似于晴天和阴天，具体流程如表4所示。

表4 雨天测试策略

测试阶段内室外环境参数的变化情况如图8所示。由图8可以看出：雨天室外温度较晴天时高，室内外温差在5℃左右，光辐射处于较低的水平，但外界的平均风速较大。

每个测试阶段室内冠层平面温度的最大值、均值、最小值和温度均方差值的变化情况分别如图9所示。从图9可以看出：风机2台和4台时的温度均方差值并没有很大的区别，甚至在连续加热5min和连续加热10min时4台风机时的均方差值更大，这和晴天、阴天的情况不同；但是与阴天情况类似的是，在连续加热5min时，不同的风机数量下温度均值几乎不变甚至有所下降，说明加热5min并不能满足增温要求；而连续加热10min时，2台风机和4台风机的温度均值的增加量分别为-0.24℃和0.32℃，增幅分别为-2.5%和3.4%，间隔加热10min时2台风机和4台风机的温度均值分别增加0.37℃和0.12℃，增幅分别为3.9%和1.2%，与晴天和阴天增温效果相差较大。分析室内外环境信息后，猜测是由于室外风速较大引起的，在07:44～09:44期间内平均风速为1.8m/s左右，风速大(即空气流速大)加速了起室内外的热交换(即加热的热量很快传导到室外)，从而导致风机数量越多温度增幅越小，故雨天增温风机数量不宜过多。

图8 雨天室外环境参数

图9 晴天试验温度变化情况

3 结论

1)晴天时，当室内外温差为7.44℃时，间隔加热10min的加热策略在2台风机时不仅能获得较大的温度增幅，且能获得良好的均匀性；而连续加热10min时，4台风机情况下的温度增幅和均匀性都较好。综合考虑风机的能耗，宜选择间隔加热10min、2台风机的加热策略；而连续加热5min的情况时，与1月6日数据进行对比，室内外温差和风速均相差较小，唯一不同的是外部光照辐射(即影响增温的因素)，说明太阳辐射隔着卷帘棉被仍能给室内增温。

2)阴天时，室内外温差为7.6℃左右时，连续加热5min不能够满足增温的需求；温差在8℃左右时，连续加热10min和间隔加热10min的加热策略下，风机2台对冠层的温度增幅比4台风机时的大，温度的均匀性也较好，适合选择连续加热10min、2台风机的加热策略。

3)雨天时，连续加热5min仍不能满足加热需求，外界风速较大导致室内热量散失较快，根据数据分析出更适合使用2台风机的方式，宜选择间隔加热10min、2台风机的加热策略。

在分析室内温度场的分布时，室内的作物会通过影响气流的流动而对增温效果有一定的影响，且作物本身也影响温度的分布，因此温度场分布的数据具有一定的局限性。为了对日光温室的增温效果进行详细分析，还需进一步更加深入的研究。