多重保温覆盖连栋温室的设计及性能分析

何 芬 魏晓明* 蔡 峰 干天广

(1.农业农村部规划设计研究院，北京 100125；2.农业农村部农业设施结构工程重点实验室，北京 100125；3.北京兴业华农农业设备有限公司，北京 101309)

连栋温室自20世纪70年代在我国得到发展，历经自行设计、国外引进、优化提升3个阶段[1]，为保障优质农产品供给、促进农业现代化发展发挥了重要作用[2]。根据农业农村部农业机械化管理司统计，至2018年我国连栋温室面积已达5.43万hm2[3]。随着连栋温室的发展，其自身存在问题日益凸显，如设施结构标准化水平低，技术装备参差不齐，冬季加温能耗高导致产投比倒挂，生产经营者收益受限，已成为限制连栋温室产业发展的瓶颈[1]。我国由于自然气候差异，温室生产冬季加温所需能耗较欧洲国家高很多[4]。在我国北纬35°～40°，冬季加温能耗约占总成本的30%～50%[5]，因此连栋温室节能技术和装备研究尤为重要。目前连栋温室多采用改善供暖设施提高能量利用率[6-7]，改造围护结构[8-10]、增设保温设施减少热量损失[11-12]，或建立温室能耗模型及相关经济效益预测系统[13]，利用温室智能化控制实现精准供能，这些方式的应用在一定程度降低了连栋温室冬季加温能耗，但从改变温室整体结构方面进行研究的较少。本研究旨在设计一种新型连栋温室结构，通过设置内外双层薄膜和双层保温幕布形成多重保温覆盖系统，以提高冬季室内温度，降低加温能耗；同时通过对该温室在北京冬季最冷时段进行性能测试，分析其室内环境变化规律，以期为该温室的优化设计及应用推广提供实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验温室主要结构

试验温室为多重保温覆盖连栋温室(图1)，温室东西走向，跨度7 m，3连跨，长度45 m，15个开间；温室肩高4 m，立柱高4.5 m，脊高6.3 m。温室围护结构覆盖材料均采用0.15 mm厚聚烯烃(polyolefin，PO)膜，所有覆盖薄膜通过铝合金卡簧卡槽或固膜卡固定。温室整体骨架采用镀锌钢管，立柱采用镀锌矩形钢管。温室顶部单层骨架单层膜覆盖，四周均采用内外双层骨架双层膜覆盖，两层膜之间距离为260 mm。温室顶部上层设置内遮阳系统，材料为铝箔网，遮阳率10%，节能率35%；下层设置保温双层幕布，节能率75%。温室四周侧墙配套与顶部规格一致的保温双层幕布。内遮阳和保温双层幕布分别采用不同的卷放系统控制其开合，卷放系统通过减速电机带动驱动轴转动，从而带动托幕线实现内遮阳和保温幕布的开合。

图1 多重保温覆盖连栋温室截面图

1.2 测试条件

试验于2017-12-27—2018-01-22日在北京市海淀区温泉镇的多重保温覆盖连栋温室内进行。温室内无任何加温设施，试验期间选种作物为对温度要求较低的叶菜。室内遮阳和保温幕布的闭合均根据环境控制系统基于室内温度变化进行控制。

为对多重覆盖温室的保温性能进行对比测试，将试验温室按跨分为3个测试区，分别为1区、2区、3区，每个测试区面积相同，均为315 m2。1区内搭建2个小拱棚，拱棚直接采用双层活动保温幕布覆盖，2区内搭建塑料拱棚，采用薄膜外加双层活动保温幕布进行覆盖。

实际测试中，为使作物生产管理(灌溉等)及设备管理(自然通风、内保温及保温幕布系统)一致，将3个测试区设置在同一个温室内。温室内白天因太阳辐射及通风等多种因素造成空气温度、光照等环境因子在水平和垂直方向均存在差异性；且3个测试区位置不一致，外部围护条件不同，直接导致测试结果也有一定的差异性。

采用HOBO UX100-003型号(美国onset公司生产，精度±0.2 ℃)温湿度记录仪对温室内外温度和相对湿度进行测量，总共布置8个测点，其中室内7个，室外1个，均布置在温室长度方向的中间位置，具体的测点布置如图2所示。为避免太阳辐射等环境因素影响温湿度传感器测量的准确度，在记录仪外部罩上表面粘贴铝箔的纸杯。

1,2，…，8为温、湿度测点。

2 结果与分析

2.1 室外环境

试验期间室外温湿度变化见图3。每天14:00前后达到最高温，随后一直下降，次日6：00前后达到最低值。相对湿度和温度具有耦合性，其一天的变化与温度变化相反。试验期间多为晴天，室外平均气温-2.3 ℃，最高气温15.6 ℃，最低气温-14.5 ℃；平均相对湿度41.5%，最大相对湿度88.7%，最小相对湿度15.0%。

图3 测试期间室外温湿度

2.2 室内环境

2.2.1温室整体环境分析

测试期间3个测试区温度变化见图4。3个测试区的整体变化趋势一致，每天14:00—14:30达到最高温，6：00—7:00达到最低值。1区和2区之间的温度差异不明，3区与其他2个区相比，差异较明显。通过对测试数据进行统计，计算分析室内、外平均气温、日最低气温、夜间平均气温、夜间室内外温差等指标，对不同测试区内的整体热环境进行分析和评价。

图4 测试区温度变化

2.2.2日平均气温和最低气温分析

日平均气温指0:00—24:00时间段内空气温度的平均值，是温室热环境的一项基本指标。日最低气温直接影响室内作物的生长，持续的低温有可能造成作物冻害。室内外日平均气温和最低气温等统计结果见表1。

表1 室内不同测试区及室外日平均气温和日最低气温

由统计分析数据(表1)可以看出：测试期间为北京冬至前后室外最冷时段，室外的日平均气温的平均值为-2.3 ℃，最低值为-5.7 ℃。3个测试区的日平均气温的平均值维持在6.0 ℃以上，其中2区的日平均温度高于1区0.3 ℃，差异不大；1区和2区的日平均温度均高于3区4～5 ℃，差异明显。3个区的日平均最低温度除3区低于5 ℃外，其他2个区在8 ℃以上。从日最低气温看，3个区日最低气温的最低值差异较大，3区仅有-1.4 ℃；2区最高，达到5.2 ℃。分段计日最低气温的日数，在测试的26 d时间内，3区最低气温≤5 ℃有25 d，室内气温≤5 ℃日平均时长达到12 h；2区日最低气温均在5～12 ℃，且没有≤5 ℃的时段；1区日最低气温≤5 ℃ 仅3 d，其余时段均在5～12 ℃，室内气温≤5 ℃ 日平均时长仅为0.2 h。由以上数据可知，1区和2区的温度环境和保温效果明显优于3区。1区和2区在无加温条件下可满足叶菜生长需求，3区可通过增加临时辅助加温设施满足叶菜的生产；3个区均无法满足喜温果菜(番茄、黄瓜等)的温度环境需求。

2.2.3夜间日平均气温和室内外温差分析

试验温室无任何辅助加温设备，主要靠白天太阳辐射自然升温，夜间靠内外双层膜、双层幕布等多重覆盖保温。因此夜间温度状况能较好反映温室的保温性能。夜间温度的计算时段为20:00—次日8:00，具体夜间日平均气温等统计数据见表2。

表2 室内不同测试区夜间温度性能

由表2看出，3个区的夜间日平均气温的平均值最低的是3区，仅2.6 ℃，1区和2区均在8 ℃以上，且比3区高5 ℃以上。从夜间室内外温差统计数据看，1区和2区的夜间室内外温差的平均值在14 ℃以上，比3区高5～6 ℃。由此可知，1区和2区的保温性能最好，3区的保温性能最差。

2.3 多层覆盖对温度环境的影响

试验温室顶部采用铝箔网材质的内遮阳，测试及统计室外、室内顶部(测点1)、内遮阳下(测点2)3个区域的温度，分析内遮阳对温度环境的影响。由图5可见，通过顶部薄膜覆盖、设置内遮阳，室内顶部和内遮阳下温度较室外高。室内顶部平均温度为0.4 ℃，内遮阳下1.9 ℃，较室外分别高2.7 ℃和4.2 ℃。对于夜间温度，室内顶部夜间温度平均值仅为-6.2 ℃，内遮阳下-4.1 ℃，室外-6.4 ℃，可见夜间情况下，当仅只有一层膜覆盖时，室内外温度差异为0.2 ℃，保温性能微乎其微。当再采用内遮阳时，夜间保温性能可提高2 ℃。

图5 测试期间室外、室内顶部、内遮阳下的温度变化

试验温室在侧墙采用内外双层膜结构，测试及统计分析室外、内外膜之间(测点6)、内膜与保温幕布之间(测点7)3个区域的温度，分析设置内外双层膜对温度环境的影响。从图6可看出，通过设置双层膜，内外膜之间温度的平均值为-1.1 ℃，内膜与保温幕布之间为0.7 ℃，较室外分别高1.2 ℃和3.0 ℃。对于夜间温度，内外膜之间温度平均值仅为-7.3 ℃，内膜与保温幕布之间-5.4 ℃，室外-6.4 ℃，可见夜间情况下，当仅只有一层外膜覆盖时，室内温度较室外低0.9 ℃。当再采用内膜时，夜间保温性能有一定提高，较室外高1 ℃。

图6 测试期间室外、内外膜之间、内膜与保温幕布之间的温度变化

3 结 论

本研究设计了一种多重保温覆盖连栋温室，在北京冬季对温室性能进行测试，结果表明：在无辅助加温的情况下该多重保温覆盖连栋温室内日平均温度、日最低气温的平均值为6.1和1.4 ℃，夜间日平均气温、室内外温差的平均值为2.4和9.0 ℃，小拱棚+双层幕布覆盖、塑料拱棚+薄膜和双层幕布覆盖2个对照区的日平均温度、日最低气温的平均值可高4～6 ℃，夜间日平均气温、室内外温差的平均值高5～6 ℃，且日最低气温平均值为5～12 ℃。该多重保温覆盖连栋温室需要进一步加强保温覆盖设计或增加临时辅助加温设备才能满足叶菜作物的生长要求。