砖墙日光温室结构传热特征的监测研究

2019-07-10张纪涛李翠

农学学报 2019年5期

张纪涛　李翠

摘要：为明确砖墙日光温室结构蓄放热特点，为日光温室标准化设计提供指导，本研究监测分析砖墙日光温室热环境及结构的蓄放热特征。通过不同时段的监测分析得到以下结果：（1）砖墙日光温室0～20 cm深度的土壤为蓄热层，0—25 cm的墙体为蓄热层。（2）监测期间，单位面积的墙体和栽培面放热量为蓄热量的58.5%、42.8%。（3）白天日光温室的墙体和栽培面蓄热，夜间室内气温降低后逐渐向室内散热。监测期夜间，墙体和栽培面向室内放热量分别为3.5、6.9 MJ/m，通过前屋面、后屋面平均散失热量分别为10.7、2.3 MJ/m;蓄放热高于散热量为0.64 MJ/m。（4）日光温室外表面一直处于散热状态。在不考虑其他散热损失的条件下，前屋面、后屋面、后墙、侧墙在夜间（18：00-次日8：00）的散热分别占总散热量的76.1%、10.7%、11.5%、1.7%。通过以上结果分析，改善日光温室热环境应采用综合的工程方法，以控制整体建设成本，实现合理的蓄热保温。

关键词：日光温室;结构传热;蓄放热特征;标准化

中图分类号：S626.5

文献标志码：A

论文编号：cjas18100014

0引言

日光温室是中国独创的高效节能型园艺设施，主要依靠太阳辐射和蓄热保温设施维持室内温度，对蔬菜产业的快速发展起到了重要作用。2016年全国日光温室总面为66.1万hm2[1]，日光温室规模及设施装备水平不断提高，但整体标准化程度不高。实现日光温室的标准化建设是设施农业发展的重要内容。日光温室区域标准化的研究报道已有很多，其中最重要的就是合理的蓄热保温设计，以保证良好的热环境，控制建设成本[2-10]。

复合砖墙日光温室相对于厚土墙日光温室占地面积小，但建设成本高、保温性较差。目前，北方地區大多数砖墙日光温室越冬生产表现不佳，主要原因在于室内蓄热量少。日光温室蓄热量由天气、温室的结构参数与材料热特性等决定。前屋面和后坡是日光温室主要的散热结构，因此要求前后屋面具有良好的保温性能;而墙体和栽培土壤是不加温日光温室主要蓄热结构，低温期夜间蓄热结构向室内释放热量，维持日光温室内温度[11-17]。有研究报道，晴天夜间北墙体单位面积放热量为土壤的1.4倍，在阴天条件下单位面积土壤放热量高于墙体，但在不同天气条件下日光温室内土壤表面的全天放热总量总是大于北墙放热总量[18-20]。维持良好的热环境是保证日光温室越冬生产的基础，也是日光温室设计的根本要求。协调设计蓄热与保温，不仅可以提升日光温室的热性能，而且可以降低建设成本。

虽然关于复合砖墙日光温室的热环境研究与结构优化设计的报道很多[21-25]，但针对砖墙日光温室结构蓄放热特征及室内外传热特性的研究尚未见报道。本研究以外保温填充砖墙日光温室为研究对象，监测温室内热环境及结构的室内外蓄放热或传热特性，通过研究分析明确结构蓄热层的厚度和结构传热特点，进一步明确该温室结构优化途径，以促进砖墙日光温室标准化的设计实现。

1材料与方法

1.1试验温室概况

试验温室为复合砖墙结构，具体材料与结构如图l所示。跨度8m、脊高3.7 m、长度60 m，保温被为“防雨毯+羊毛毡”（容重3.3 kg/m2），位于山西省农业科学院东阳试验示范基地（37.550N，112.680E1。室内于2016年9月15日定植番茄，测试期间株高平均0.6—0.8 m。测试期间保温被于8：30卷起、17：00放下。

1.2测试方法

试验分不同时段测定了日光温室结构温度、热流等情况。于2016年10月4-10日，测定了墙体内0、10、20、30、40、50 cm等6个不同深度的温度变化;于2016年12月1-8日测定了土壤内0、10、20、30、50、70 cm等6个不同深度的温度变化;于2017年1月11-13日测试了室内温度及结构传热特征。室内温度及传热特征测定，测点布置如图2所示，试验设置不同位置温度测点21个，编号为T1—T21。室内热通量设置8个测点，分别为墙体3个测点R1—R3，后屋面2个测点R4—R5，前屋面1个测点R6，土壤2个测点R7～R8。温室外表面热通量设置测点4个（R9—Rll）。以上测试温度传感器采用T型热电偶，热通量采用平板热通量传感器，采用JTDL-80温度热流测试仪采集数据（北京世纪建通科技股份有限公司），室外热通量采用JTR01手持热流计（北京世纪建通科技股份有限公司）采集数据，每隔10或15 mm采集1次。

热通量传感器的固定方法：墙体测点采用墙体胶贴于墙体表面;土壤测点将传感器用薄土固定于土壤表面;室内前屋面热通量传感器采用胶带贴于棚膜上，室外前屋面传感器贴于保温被外侧，室外后坡测点将传感器贴于后坡上覆盖保温被的外侧。

1.3数据处理与分析

温室内结构热通量测定取重复测点的平均值进行绘图，以避免出现较大误差。采用Excel 2007处理数据和作图。

2结果与分析

2.1墙体与栽培面不同深度温度变化

砖墙日光温室后墙内0、10、20、30、40、50 cm的温度监测结果如图3所示。在监测时段内气温变化幅度分别为10.3—30.3、14.6—23.7、16.5—20.4、17.4—19.8、16.9—18.8、16.3—18.2℃。砖墙内部20、30、40、50 cm的温度日均变化幅度很小，平均值分别为2.3、1.0、0.6、0.5℃，可见0—20 cm厚的墙体可以有效蓄放热。

室内不同深度地温监测结果如图4所示，0、10、20、30、50、70 cm深度的平均地温分别为15.8、16.5、17.2、17.2、17.9、18.6CC，随深度增加地温升高;地温日变幅的平均值分别为6.1、2.1、0.8、0.4、0.2、0.1℃，随深度的增加日变幅逐渐变小，≥30 cm深的地温日变幅≤0.8℃。通过温度变化可以看出0—20 cm的土壤为有效蓄热层。

2.2温度变化监测结果

试验温室气温如图5A所示，日平均气温为15.4。C;夜间（18：00-次日7：50）平均气温为12.14C;室内最低气温出现在8：00-8：40，为8.8℃。卷起保温被后室内气温迅速升高，开风口后受室外气流影响而波动，放下保温被后气温逐渐降低。室内夜间气温北侧高于南侧约0.55℃，下部高于上部约0.30℃。

土壤温度如图SB所示。测试期间土壤温度呈现出周期变化的趋势，其中土壤表层温度最低温度出现在11：00-12：00;而10、20 cm深的最低温度出现在12：00-13：00。0、10、20 cm土深的温度分别为12.4—16.4、11.7—15.8、11.8—15.2℃，平均温度分别为14.5、14.5、14.3℃。其中，20 cm深的土壤夜间温度变化幅度<0.5℃。

墙表温度如图5C所示。测试期间墙体白天接受太阳辐射，温度逐渐升高，晚上逐渐降低，开风口后因空气扰流影响而呈现波动。0、0.7、1.5 m等不同高度处的墙表温度分别为9.1—25.4、9.5—28.2、9.3—28.3℃，平均为14.5、15.5、15.2℃。墙体基部夜间温度高于中上部。

2.3温室土壤、后墙蓄放热特征及屋面传热特征

日光温室内各结构传热情况测试结果如图6所示。前屋面和后屋面一直处于散热状态，而室内栽培面和墙体白天蓄热、夜间放热。白天卷起保温被后，受室外气象因素的影响前屋面热通量剧烈波动，在保温被放下后散热平稳，测试时段平均为19.35 W/m2，在放被期间热通量平均为23.6 W/m2。后屋面为彩钢保温屋顶，一直处于散热状态，测试期间热通量平均为26.5 W/m2，放被期间散热的热通量平均为26.9 W/m2。

当气温高于墻体和栽培面温度时，二者为蓄热状态，平均蓄热的热通量分别为39.3、36.0 W/m2;气温低于墙体和栽培面温度时，墙体和栽培面向室内放热，平均放热的热通量为23.0、15.4 W/m2。单位面积的墙体和栽培面放热量为蓄热量的58.5%、42.8%。测试期间单位面积的墙体和栽培面蓄热量分别比放热量高2.2、7.8 kj/m2。

在放被保温时段内（17：00-次日8：30），单位长度的温室墙体、栽培面向室内放热量分别为3.5、6.9 MJ/m，而通过前屋面、后屋面平均散失热量分别为10.7、2.3 MJ/m，单位长度日光温室散热量大于墙体和栽培面的放热量为0.64 MJ/m。

2.4砖墙日光温室外表面传热特征

日光温室外表面散热情况监测结果如图7所示。侧墙、后墙、后屋面、前屋面一直处于散热状态，平均热通量分别为9.6、6.3、17.2、24.3 W/m2。在夜间（18：00-次日08：00）的平均热通量分别为9.4、8.4、14.1、18.6 W/m2。对于整座温室，前屋面、后屋面、后墙、侧墙的夜间（18：00-次日8：00）散热量分别为455.6、64.0、68.6、10.2 MJ，在不考虑其他散热损失的条件下，其分别占总散热量的76.1%、10.7%、11.5%、1.7%，详见图8。可见日光温室前屋面保温性对日光温室保温的重要性，同时应增加后坡的结构保温性。

3结论

（1）砖墙日光温室0—20 cm深度的土壤为蓄热层，0—25 cm的墙体为蓄热层。（2）监测期间，单位面积的墙体和栽培面放热量为蓄热量的58.5%、42.8%。（3）白天日光温室的和墙体和栽培面蓄热，夜间室内气温降低后逐渐向室内散热。墙体和栽培面向室内放热量分别为3.5、6.9 MJ/m，通过前屋面、后屋面平均散失热量分别为10.7、2.3 MJ/m;蓄放热高于散热量为0.64 MJ/m。（4）日光温室外表面一直处于散热状态。在不考虑其他散热损失的条件下，前屋面、后屋面、后墙、侧墙在夜间（18：00-次日8：00）的散热分别占总散热量的76.1%、10.7%、11.5%、1.7%。

4讨论

在低温期夜间，日光温室整体一直处于散热状态，温室内气温主要依靠墙体和栽培面的散热维持，但前屋面、后屋面散失的热量高于获得热量，温度持续降低，直到次日接受到太阳辐射。本研究在不同时段内研究了砖墙日光温室的土壤与墙体的温度变化，依据温度变化幅度（即温波法[26]），确定了蓄热层的厚度。然后分析了日光温室内的结构与空气温度变化以及结构室内外传热特征。本研究基于室内外的监测与分析更加明确了该日光温室的结构传热特征，对于指导砖墙日光温室的结构优化具有重要指导意义。

在测试期间，该温室的后墙未被植物和后坡等遮光，而栽培面受到种植作物的遮光的影响。单位后墙蓄放热热通量高于栽培面，但后墙面积小于栽培面，单位长度的温室栽培面的蓄放热量高于后墙。因此，增加后墙高度可以增加蓄放热量、提高空气温度。对于前后屋面来说，增加保温被保温性能和增加后坡热阻，有利于减少室内热量散失。从工程上来说，改善日光温室低温期的热环境可以通过优化日光温室结构尺寸改善采光、合理设计蓄热结构增加蓄热量、增加前后屋面热阻等措施获得更好的热环境[27-31]。日光温室内夜间除前后屋面散热外，还有土壤传热以及冷风渗透散热;另外，温室的蓄放热受到栽培作物、管理措施（如通风、地面覆盖、卷放被等）的影响。因此，还需进一步完善测试研究，以明确砖墙日光温室结构传热特征、建立精准的温室热量模型。

参考文献

[1] 农业部农业机械化管理司.温室数据平台[EB/OL].http：//datasheshiyuanyi.com/AreaData/， 2016

[2] 李天来我国口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.

[3] 李红甘肃武威市口光温室标准化建造技术[J]农业工程技术，2018，38（14）：28.

[4] 张彩虹，姜鲁艳，邹平，等新疆非耕地口光温室标准化设计探讨[J]农业工程技术，2017，37（19）：24-28

[5] 徐丽丽，周长吉，赵跃龙，等.对寿光口光温室建设标准化发展的调查与思考[J]天津农业科学，2014，20（12）：113-117.

[6] 白义奎，周东升，曹刚，等北方寒区节能口光温室建筑设计理论与方法研究[J]新疆农业科学，2014，51（6）：990-998

[7] 火玉洁，张成荣，李桃，等口光温室优化设计原理及标准建立研究[J].山西农业科学，2014，42（1）：69-73

[8] 吴乐天，马彩雯，张彩虹，等新疆标准化口光温室热环境实测与模拟分析[J]新疆农业科学，2013，50（5）：924-930

[9] 马彩雯，王晓冬，邹平，等新疆新型高效节能口光温室标准化设计探讨[J]中国农机化，2010（2）：47-51

[10]周长吉我国温室标准化研究进程[J].中国蔬菜，2012（18）：15-20

[11]工传清，李纯青，魏珉，等不同围护结构口光温室环境性能比较[J]山东农业科学，2018，50（8）：63-66，71.