连栋温室侧立面塑料薄膜保温效果及试验研究

肖林刚，王先宏，王 瑞，吴乐天，张丽

(1.新疆农业科学院农业机械化研究所，乌鲁木齐 830091；2.阿瓦提县农业农村局，阿克苏 843200)

连栋温室自20世纪70年代开始在我国得到发展，历经自行设计、国外引进、优化提升3个阶段，在保障优质农产品供给、促进农业现代化发展方面发挥了重要作用。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。随着连栋温室的发展，其自身存在问题日益凸显。例如，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，使生产经营者收益受限，已成为连栋温室产业发展的瓶颈。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。在我国北纬35°～40°地区，冬季加温能耗约占总成本的30%～50%[1]，因此连栋温室节能技术和装备的研究尤为重要。目前，设计连栋温室时，多采用改善供暖设施的方式提高能量利用率，或通过改造围护结构、增设保温设施来减少热量损失，或通过建立温室能耗模型及相关经济效益预测系统并利用温室智能化控制来实现精准供能。采用这些方式，在一定程度上降低了连栋温室冬季加温的能耗。从改变温室整体结构方面进行的研究目前还较少。

在连栋温室实际生产过程中，应用多层覆盖技术，在温室顶部设置多层保温幕，是目前最主要的保温方式。蔡龙俊等[2]提出，使用内保温幕是温室供热系统运行时的重要节能措施；赵淑梅等[3]将温室配备一层保温幕和配备多层保温幕进行了对比研究，并推导出温室配备多层保温幕的传热系数；宋明军等[4]对单层膜温室、双层膜温室和传统土墙温室进行了光环境观测分析，结果表明双层膜温室相比单层膜温室，其冬季最低温度能提高4.20℃。在连栋温室节能保温技术方面，国外的研究较为全面，并取得了成果。

1 材料与方法

1.1 试验温室

温室保温措施设计。为了提高试验数据的准确性和减少试验环境误差，将对比温室安排在同一座大温室中，将该温室沿东西向平均划分为A区和B区。在A区，装有侧立面保温棚膜设备。用于日光温室覆盖的EVA棚膜的单层厚度为0.1mm，棚膜与温室侧面玻璃的距离为0.25m，将温室侧面布置的暖气片包裹在温室内。棚膜上部紧贴临内保温幕固定，下端延伸到地面，并用重物压住下端，以防热量缝隙流失。在B区，则没有安装侧立面保温棚膜设备。试验期间温室内保温幕均为展开状态，避免两个分区顶部的热交换。

1.2 温室测点布置

给A和B两个分区温室各安装4个温度传感器。将4个温度传感器由北向南布置在每个分区温室的中央，距离地面的高度为1.4m。各测点与温室北侧面玻璃的距离依次为0.2m(棚膜与玻璃的距离为0.25m，将探测器安装在棚膜和玻璃之间、棚膜的外侧)、0.5m、1.5m和4.5m(温室的中间位置)，用以观测温室南北向水平温度变化。在室外距离地面1.4m处安装温度传感器和光照传感器，在室内中间位置距地面1.4m处安装一个光照传感器。通过使用上述整套传感器，记录室内外的温度和光照参数。

1.3 数据分析和评价方法

选取2017年2月12日～21日的观测数据，运用Excel软件对数据进行处理，筛选具有代表意义的数据制作折线图和统计图。通过数据反映温室的气温和光照的整体变化趋势，比较A区和B区温室的保温性能和透光率变化，获取在四周侧立面悬挂棚膜和没有悬挂棚膜两种对比温室的室内外温度和太阳辐射量的动态变化规律，对连栋温室四周侧立面是否悬挂棚膜的温光环境特征作出分析和评价。

2 结果与分析

2.1 温度极值变化性能分析

选取测试期间最冷的那一天（2017年2月21日）的试验数据为A区和B区相应位置的温差对照数据。分区记录每一位置的最高温度值和最低温度值，将对应的A区温度减去B区温度得到相应的温差值。A区和B区温差对照数据见表1。

表1 A区和B区温差对照表(2017年2月21日)

中午时温室内的温度最高，各测点温度的最高值一般出现在14∶30左右。由表1可知，温差最大的位置为0.2m处；此处最高值的温差绝对值最大，为7.5℃。通过玻璃缝隙渗透进来的室外冷空气和通过玻璃热传导形成的冷空气被棚膜有效阻隔在棚膜之外，使得A区棚膜的保温效果较为明显。在4.5m处，最高值的温差绝对值最小，为3.0℃。从0.2m处至4.5m处，各测点最高值的温差绝对值依次减小。

黎明时温室内的温度最低，各测点温度的最低值一般出现在09∶30左右。此时，A区棚膜的保温效果依然较为显著。由表1可知，在0.2m处，最低值的温差绝对值最大，为6.0℃；在0.5m处，最低值的温差绝对值最小，为2.3℃。各测点最低值的温差绝对值的变化规律依然是0.2m处最大，其他3处相对较低。

总体来看，温室侧立面塑料薄膜的保温效果较为显著。

2.2 室内外平均气温变化分析

测试期内A、B区温室温度与室外温度的变化如图1所示。由图1可以看出，室内温度与室外温度呈正相关，这和刘传宏的双膜日光温室保温研究的结论一致。虽然A区温室和B区温室都具有一定的蓄热保温能力，但是A区温室的蓄热保温能力明显更强。在测试期内，A区温室平均温度始终高于B区温室平均温度；相比室外温度，A区温室平均温度提高了25.3℃，B区温室平均温度提高了 22.35℃。这说明，在温室内侧立面安装棚膜更有助于提高温室内的温度。根据试验数据统计，整个测试期内A区温室的平均温度为17.4℃，B区温室的平均温度为14.5℃，A区温室的平均温度较B区温室的平均温度提高了2.9℃，温度提升效果较为明显。由图1可知，A区温室与B区温室每日对应的平均温差无明显波动，说明A区温室棚膜的保温性能稳定；由两分区温室的平均温度趋势线可以看出，A区温室的日平均温度始终高于B区温室日平均温度，说明A区温室的棚膜有助于提高温室的保温性能。

图1 A、B区温室温度与室外温度变化

3 结语

根据对比试验数据可知，在晴天条件下，两温室昼间的最高温差为2.2℃，夜间的最高温差为3.5℃，说明棚膜在夜间的保温性能高于昼间；在昼间采光时，两温室内光照强度曲线变化的趋势相同，有棚膜温室的光照强度比无棚膜温室的光照强度低6.71%， 有棚膜温室的室内温度始终高于无棚膜温室的室内温度；在升/降温速率方面，无棚膜温室的透光率高于有棚膜温室的透光率，无棚膜温室的升温速率比有棚膜温室的升温速率快0.2℃/h；有棚膜温室的降温速率比无棚膜温室的降温速率慢0.1℃/h；在阴天低温条件下，有无棚膜对温室内温度的变化趋势影响不大，但有棚膜温室的保温和增温效果更为明显。通过分析对比试验数据得到上述结论，为进一步研究极端天气下应用连栋温室侧立面保温系统提供基础数据支撑，助力连栋温室侧立面保温技术的推广应用。