烟台市日光温室围护结构构造优化分析

吴兴国，袁行健，徐 皓，尹宝全，马云飞

（中国农业大学烟台研究院，山东 烟台 264670）

日光温室是中国北方地区设施农业的重要组成部分。20世纪90年代以来，日光温室蔬菜种植业在烟台得到迅速发展，已经成为了当地经济发展的支柱性产业［1］。日光温室围护结构主要包括墙体、后屋面以及由薄膜和保温被组成的前屋面。在前屋面构造相对固定的情况下，日光温室的墙体及后屋面构造做法对温室内热环境优劣具有直接的影响。日光温室的墙体是日光温室最重要的蓄热及保温构件，通过白天积蓄热量、夜间向温室内散发热量来维持作物生长所需要的温度［2，3］；日光温室的后屋面则能有效地阻止温室内部热量的散失［4］，两者对于日光温室的室内温度环境变化均有着较大的影响［5，6］。马承伟［7］测算得出墙体夜间释放热量可使温室的夜间温度提高4～8℃；李小芳等［8］比较了不同材料组合的墙体对保温性能的影响，发现厚度相同的隔热材料在砖墙厚度较薄时保温效果优于较厚的砖墙；周凯等［9］概括了土墙、砖墙、复合墙体和其他新型墙体各自保温性能的优缺点，并对不同地区日光温室墙体的材料选择进行了研究；于锡宏等［10］在温室其他参数相同的前提下，选取聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯等保温材料进行效果对比试验，推荐聚氨酯作为日光温室墙体外保温材料；王云冰等［11，12］则以聚苯乙烯板、挤塑板、玻璃棉和草帘作为温室后屋面隔热层材料，分析其热工性能及最优厚度，得出以挤塑板为后屋面保温层的日光温室内气温、土温均高于其他材料的结论。

通过调研发现，尽管烟台市日光温室存量较大，但大多数是依靠当地农民的经验进行建造，存在温室冬季内部温度环境不佳、保温效果差等问题［13］，需要进一步进行优化。本研究以改善烟台市日光温室冬季室内温度环境为主要目的，以烟台市典型日光温室围护结构中的后墙及后屋面构造做法为研究对象，根据烟台市地域气候特点及常见建筑材料使用情况，设计不同类型的后墙及后屋面构造做法，利用日光温室设计方案热环境评价系统对采用不同后墙与后屋面构造的日光温室模型进行优化分析。

1 温室模型构建与模拟软件

1.1 烟台市典型日光温室模拟模型构建

1.1.1 模拟温室模型的建立 通过对烟台市常见日光温室进行调研，总结出拟优化的烟台市典型日光温室模型。典型日光温室模型为东西走向，方位角为南偏西3.5°，长度为80 m，跨度为8.5 m，温室的脊高为3.6 m，温室后墙高度为2.7 m，后屋面水平投影为1.26 m，后屋面倾角为35.5°，温室前屋面覆盖厚为0.012 mm EVA薄膜，薄膜的外侧覆盖厚为30 mm丝棉保温被，相邻温室净间距为7 m，温室各部分材料的热性能参数如表1所示。

表1 温室主要材料热性能参数

1.1.2 温室墙体构造设计 烟台市日光温室墙体多为370 mm厚的机制红砖墙或者370 mm厚加气混凝土砌块墙，极少日光温室的墙体采用复合保温构造。考虑到日光温室室内的较高湿度环境，选择水泥承重砖作为日光温室的墙体砌筑材料，墙体由内而外采用蓄热层+保温层以及蓄热层+保温层+保护层的多层复合构造，按照水泥承重砖的模数及墙厚变化，设双层异质复合墙体240 mm水泥砖砌块+70 mm聚苯板、370 mm水泥砖砌块+70 mm聚苯板、490 mm水泥砖砌块+70 mm聚苯板以及多层异质墙体370 mm水泥砖砌块+70 mm聚苯板+120 mm加气混凝土砌块、370 mm水泥砖砌块+70 mm聚苯板+120 mm水泥砖砌块等5种构造。

1.1.3 温室后屋面构造设计 烟台日光温室后屋面多采用草帘或者玉米秸秆作为保温层，由内到外的构造多为薄膜+60 mm草帘+薄膜+150 mm草泥。为提高后屋面的保温性能，选用聚苯板作为日光温室后屋面保温材料，其由内向外的构造做法可以为薄膜+100 mm挤塑板+30 mm厚水泥沙浆抹面保护层，将上述两种做法分别编号为后屋面1及后屋面2。

1.2 模拟软件

1.2.1 模拟软件的选择 对于已建成的温室，通常采用现场测量的方法来获取温室环境数据，对于尚处于设计阶段的日光温室，由于无法进行现场测量，模拟是对日光温室环境进行预测与优化的有效途径［14-17］。

由中国农业大学开发的日光温室热环境分析软件，采用有限差分等数值方法，对于给定地理位置、室外气象条件及建筑构造参数的日光温室，可以进行室内热环境全天变化情况的模拟，对日光温室热环境性能进行预测和评价，并对温室进行优化［15］。近年来，多位学者采用此软件对不同区域的日光温室进行优化研究，也相应地验证了软件的精确性和实用性［18-21］。

1.2.2 模拟软件的验证 为验证日光温室热环境分析软件的精确性，选择烟台市农业科学院试验基地某日光温室进行复制建模，采用2020年12月31日至2021年1月3日的室外实测气象数据，所模拟的温室室内温度与实测室内温度如图1所示。

图1 温室室内实际温度与模拟温度对比

在模拟期内，日光温室热环境模拟分析软件所模拟的室内温度与实测室内温度的变化趋势大致相同，最低气温的最大差值为1.2℃，最高气温的最大差值为1.5℃，软件模拟的精确性较高。

1.3 模拟条件

优化模拟所采用的气象数据文件来源于烟台市农业科学院试验基地2020年12月30日—2021年1月3日的实测数据。模拟时，温室的密闭性设置为一般，温室土地类型为土壤地面，无覆盖，室内植物繁茂程度一般，植物高度1 m，室内植物与墙面距离为1.2 m，温室保温被的开启时间为8：00—16：30，通风按照日光温室冬季常规通风管理进行设置。

模拟优化分为两部分：一是模拟在采用不同墙体构造以及不同屋面的情况下日光温室的室内自然温度变化情况，并选取冬季的某时间段进行比较分析；二是模拟在采用不同墙体构造以及不同屋面的情况下日光温室的积温情况，并选取冬季的某时间段进行对比分析。

2 模拟结果与分析

2.1 单质墙体对温室温度的影响

在模拟日光温室其他结构参数相同的情况下，将采用370 mm厚的机制红砖墙与后屋面1的温室设为A，将采用370 mm厚加气混凝土砌块墙与后屋面1的温室组合设为B，其室内温度模拟结果如图2所示。在冬季生产条件下，温室温度从10：00左右开始迅速上升，并在14：00左右达到峰值后开始下降，16：30左右保温被关闭后，温度下降的速率有所降低。与温室A相比，温室B的平均室温要高0.5℃左右，其白天的最高温度高2～3℃，其夜间最低温度要高出0.3℃左右。

图2 温室A、温室B冬季室内温度模拟

另外，两种温室在模拟时间段的最低温度分别为3.18℃和3.52℃，低于叶类蔬菜的生长下限温度，容易导致日光温室内作物停止生长，甚至产生冻害。

2.2 单质墙体对温室积温的影响

作物在生长发育时期，不仅要求一定的温度水平，而且还需要一定的热量总和。如图3所示，在模拟时间段内，温室A高于10℃的活动积温为847.34℃，温室B高于10℃的活动积温为982.40℃，比温室A多15.94%。烟台市常见的两种单质材料后墙温室中，采用厚370 mm加气混凝土砌块后墙日光温室的保温性能优于采用厚370 mm的机制红砖墙温室。

图3 温室A、B内高于10℃的活动积温

2.3 双层异质复合墙体对温室温度的影响

在其他构造参数相同的情况下，将采用240 mm水泥砖砌块+70 mm聚苯板与后屋面1的温室设为C，将采用370 mm水泥砖砌块+70 mm聚苯板与后屋面1的温室组合设为D，将采用490 mm水泥砖砌块+70 mm聚苯板与后屋面1的温室组合设为E；将采用240 mm水泥砖砌块+70 mm聚苯板与后屋面2的温室设为F，将采用370 mm水泥砖砌块+70 mm聚苯板与后屋面2的温室组合设为G，将采用490 mm水泥砖砌块+70 mm聚苯板与后屋面2的温室组合设为H，其不同组合的模拟结果分别如图4至图8所示。

图4 温室A-E冬季室内温度模拟

图8 温室F、G、H冬季室内温度模拟

如图4所示，在其他结构构造参数相同的情况下，C、D、E温室的室内温度值相差不大。与单质墙体温室A相比，采用双层复合墙体温室室内平均温度要高1.7℃左右。就温室白天的最高温度而言，双层复合墙体温室要比温室A高1℃左右，但比温室B要低1.5℃左右；就温室夜间的最低温度而言，双层复合墙体温室要比温室A、B高2.4℃左右。

图6 温室D、G冬季室内温度模拟

如图5至图7所示，在其他结构构造参数相同的情况下，采用后屋面2构造的温室在白天保温被卷起时，温室室内温度相差不大，在保温被放下时，其温度均高于采用后屋面1构造的温室，且其最低温度有所提升。图8显示，在采用后屋面2构造的情况下，温室F、G、H的室内温度差别并不明显，需要根据经济及积温等综合因素进行判断。

图5 温室C、F冬季室内温度模拟

图7 温室E、H冬季室内温度模拟

2.4 两层异质复合墙体对温室活动积温的影响

图9、图10分别为温室A至E以及温室F、G、H高于10℃的活动积温。如图所示，在模拟时间段内，在采用后屋面1的情况下，采用两层复合墙体的温室的积温均明显高于采用单质材料后墙的温室，但不同厚度的两层复合墙体的温室积温差距并不大；在采用后屋面2的情况下，不同厚度的两层复合墙体的温室积温基本相等。综合比较经济因素，采用370 mm水泥砖砌块+70 mm聚苯板+后屋面2构造组合的温室性能较优。

图9 温室A至E内高于10℃活动积温

图10 温室F、G、H内高于10℃活动积温

2.5 多层异质复合墙体对温室温度的影响

温室采用多层异质复合墙体条件相同的情况下，将采用370 mm水泥砖砌块+70 mm聚苯板+120 mm加气混凝土砌块与后屋面2构成日光温室设为温室I，将370 mm水泥砖砌块+70 mm聚苯板+120 mm水泥砖砌块与后屋面2构成的日光温室设为温室J，将温室A、B、D、G、I、J 6个温室的室内温度进行对比，结果如图11所示。在其他结构构造参数相同的情况下，当模拟温室采用后屋面2构造时，与其他温室相比，温室I、J的整体平均气温值要高。其中采 用370 mm水泥 砖 砌块+70 mm聚 苯板+120 mm加气混凝土砌块保护层为后墙的温室I的整体平均气温值比温室A高2.4℃。特别在夜间，其平均温度值有较为明显的提高，最低温度值比温室A高3.5℃左右，在室外气温为-15℃的低温情况下，温室室内外的温差达22℃左右，有效地减少了冻害现象发生，促进了作物生长。

图11 温室A、B、D、G、I、J冬季室内温度模拟

2.6 多层异质复合墙体对温室积温的影响

在模拟时间段内，在采用后屋面2的情况下，采用加气混凝土砌块为外层保护墙的温室I的积温高于采用水泥砌块为外层保护墙的温室J（图12）。综合比较经济及室内温度等因素，采用370 mm水泥砖砌块+70 mm聚苯板+120 mm加气混凝土砌块与后屋面2构造组合的温室性能较优。

图12 温室G、I、J高于10℃的活动积温

3 结论

本研究以改善烟台市日光温室冬季热环境为主要目的，通过日光温室热环境分析软件对不同后墙与后屋面构造的日光温室模型进行模拟优化。模拟结果表明，日光温室围护结构后墙以及后屋面的热工性能对日光温室冬季室内热环境有着较大的影响，采用多层异质复合墙体和导热系数较小的后屋面可以有效地提高烟台市日光温室冬季室内平均温度。其中，采用370 mm水泥砖砌块+70 mm聚苯板+120 mm加气混凝土砌块为后墙、薄膜+100 mm挤塑板+30 mm厚水泥沙浆抹面保护层为后屋面的日光温室室内热环境相较其他组合的日光温室室内热环境更为优良。