华南高温高湿地区连栋温室环境测试分析＊

李 苇，李惠玲，王 岩（1.农业农村部农业设施结构工程重点实验室，北京 10015；.广东省现代农业装备研究所，广州 51060；.广东弘科农业机械研究开发有限公司，广州 510555）

中国连栋温室发展始于20 世纪70 年代末，主要通过引进国外大型连栋温室，并在消化吸收的基础上进行自主创新研究，20 世纪80年代后期，已基本形成自主温室产业技术体系，直至2000 年，国产连栋温室已达到70%左右[1-3]。连栋温室作为农业现代化的重要标志，具有产出高、抗灾害能力强、科技含量高等特点，研究表明，大型连栋温室单产就可以提高4～5 倍[4-6]。然而，目前中国大型连栋温室普遍存在投入高、收益小的问题，主要原因是温室小气候环境调控管理成本偏高。

高温高湿地区温室主要考虑采光、抗风、防雨、降温性能，降温措施主要有自然通风降温、遮阳降温、喷雾降温、蒸发降温，空调降温，采用外遮阳，内遮阳、风机湿帘、层面喷淋、室内喷雾以及循环风机等降温形式[7-8]。通风降温性能较好的温室大棚资金投入较大，回收周期较长，发展受到一定程度的限制，推广应用难度相对较大。为了提高温室通风降温效果，同时减少温室运营成本，对高温高湿地区温室进行温湿度、光照的测试及分析，对后续温室环境模拟和改善温室结构具有一定实际意义。

材料与方法

试验材料

试验温室为广东省农业技术推广总站示范基地2019 年新建的蝶形开窗玻璃温室。试验温室坐落于广州市天河区柯木塱，东经113°40′，北纬23°18′，海拔30 m。广州市属于亚热带季风气候，夏长冬暖，雨量充沛。

试验温室是一座综合性展览温室，内部分5个功能区，各功能区间设有玻璃隔断墙，隔断墙无侧窗通风（图1～2）。温室主体采用连栋小尖顶结构，主体构架采用轻型热镀锌钢材料。温室天窗装置绕屋顶铝合金专用型材旋转，采用电动扭矩分配开窗机构，最大开启角度达到45°，温室四周装有高约1.5 m 电动垂直升降侧窗，通风口均安装防虫网。温室内设有内遮阳系统，采用遮光率为60% 的铝箔隔热膜，用于调节温室内光照强度，与通风窗相结合，可以提高温室自然降温效果。温室屋面覆盖4 mm 厚漫反射玻璃+AR 涂层，透光率93% 以上，四周覆盖5 mm 厚度单层钢化玻璃，并贴安全膜，透光率90% 以上，隔断墙覆盖4 mm 厚漫反射玻璃+AR涂层，透光率93% 以上。温室内配置风机湿帘降温装置、循环风机系统，风机功率1.1 kW，转速440 rpm，通风量44500 m3/h，循环风机功率185 W，转速930 rpm，通风量6500 m3/h。

图1 试验温室平面图

图2 仪器安装图

屋顶天窗通风口宽度1 m，长度为温室沿屋脊方向长度，试验区设置18 个连续天窗通风口。温室侧窗长度为温室山墙面长度，高度1.5 m，离地高0.3 m。温室屋顶通风口配置25 目防虫网。四周通风口装设40 目防虫网。风机湿帘系统采用嵌入式安装，温室的一面山墙安装风机，另一山墙面安装湿帘箱。试验区湿帘高度1.8 m，厚0.15 m，长度19.2 m，风机装设9 台。

试验仪器

试验所用仪器主要有环境数据采集器（Auto-100），温度传感器测量范围为-40～60 ℃，测量精度±0.5 ℃，以水银温度计经常性校准温度传感器；相对湿度测量范围0～100% 测量精度为±3%；光照度传感器测量范围0～200 klx，测量精度±5%，弱风风速传感器0.3～60 m/s，分辨力0.05 m/s，起动风速≤0.3 m/s。以上设备均由北京奥托智诚科技发展有限公司提供。

试验设计

试验于2020 年8 月9～12 日开展，试验区温室结构参数如表1 所示。试验期间试验区内未种植任何作物。

表1 温室试验区结构参数

室外环境参数测量

室外环境参数主要包括温湿度、光照度、风速风向，通过室外数据采集器自动采集。室外采集系统位于温室外空旷处，周围无遮挡，传感器安装距地高2.5 m，室外环境数据每小时自动记录1 次，通过计算机可以保存处理。

室内温湿度参数测量

温湿度在试验区内沿横向、纵向、竖向均匀布置27 个采样点，其中，纵横向均匀布置9个点，竖向分别布置低、中、高3 层，立面分布情况如图3 所示，平面分布如图4 所示。室内温湿度传感器每小时采集1 次，试验前温室通风半小时。进行两组对比试验。

图3 温湿度采集点立面分布图/mm

（1）自然通风试验：四周通风口全开，天窗全开，自然通风下，研究分析温湿度随外部环境因素变化情况。自然通风试验条件下，9:00～18:00 启动室内遮阳网系统。

（2）强制通风试验：根据华南地区温室种植调研情况，人为设置降温方案，研究分析温室内强制降温情况，具体试验方案如下：①提前开启温室天窗、侧窗及门，6:00 开始温室自然通风试验；②9:00 启动室内遮阳网系统，10:00 温室内进行自然通风；③10:00启动风机-湿帘系统和循环风机系统，关闭通风窗系统，18:00 温室内进行强制降温；④18:00 关闭风机-湿帘系统，收起内遮阳系统，开启温室通风窗系统，温室内进行自然通风。

室内光照度参数测量

室内光照度在试验区均匀布置9 个采集点，竖向布置1 层，离地高度0.6 m，具体分布情况见图4。

图4 温湿度采集点平面分布图/mm

室内风速参数测量

由于试验区的对称性，室内风速采用9 个弱风速测量仪构成多点检测，对温室内关键点风速进行采集。采集平面布置3 个点，竖向布置3 层，具体分布情况如图5 所示。

图5 风速采集点分布情况图/mm

结果与分析

室内外光照度随时间变化

由图6 可知，在一天时间里（6:00～18:00）室内外光照度呈不规则变化，两者变化趋势基本一致，且室内光照度较室外低。9:00 温室启动了室内遮阳系统，室内光照度有明显降低，且室内光照度保持较低水平，遮光效果显著。室内不同位置光照度无明显差异。

图6 温室内外光照度随时间变化曲线图

室内外温湿度变化规律

表2 是自然通风条件下和不同工况条件下室外温湿度统计表。由表可知，试验温室在测试期间处于高温高湿环境。温室自然通风条件下，天窗、侧窗及门都处于全开状态，考虑晴天太阳强度较大，9:00 启动室内遮阳系统辅助温室降温。

表2 室外温湿度统计表

由图7 可知，室内温度高于室外，整体变化趋势一致。11:00 室内外温度达到当天峰值，对应图6 中，室外最高光照度，说明室外太阳能量对室内温度有显著影响。室内温度在竖向存在明显梯度变化，低层温度明显低于中高层，中高层温度较为接近。温度最高点时，竖向三层最大温差为7.9℃。

图7 自然通风条件下温室内外温度随时间变化曲线图

由图8 可知，10:00 关闭通风口后，启动强制降温系统，室内竖向温度梯度变化更加显著，室内低层温度低于室外的，中高层温度依旧高于室外的，说明强制降温对低层降温效果显著，相对于室外，最大降温4.8℃，室内热量集聚到温室高层，并随室外温度降低逐步降低。

图8 不同工况下温室内外温度随时间变化曲线图

由图9 可知，室内相对湿度变化趋势与温度相反，且低于室外相对湿度，整体变化趋势与室外相对湿度一致。自然通风条件下，9:00启动遮阳系统后，适当阻止了室内水分的蒸发，相对于室外，室内相对湿度略有增加。室内相对湿度在竖向呈梯度变化，低中层相对湿度高于高层，低中层差距不明显。由图10 可知，10:00 关闭通风口后，启动强制降温系统，室内相对湿度逐渐高于室外。室内竖向相对湿度梯度变化更加显著，低层相对湿度显著高于中高层，最大相对湿度差23.1%。

图9 自然通风条件下温室内外相对湿度随时间变化曲线图

图10 不同工况下温室内外相对湿度随时间变化曲线图

室内外风速变化规律

由图11 可知，自然通风条件下，室外风速呈无规律变化，室内风速基本不受室外影响，且室内风速纵向变化不大。由图12 可知，不同工况下，室内外风速变化关系依旧不大，但受风机湿帘和循环风机的影响，室内纵向风速分布梯度变化明显，且低层风速明显增加，对室内温度分布产生一定的影响。

图11 自然通风条件下温室内外风速随时间变化曲线图

图12 不同工况下温室内外风速随时间变化曲线图

室内不同位置同一高度温湿度变化规律

由图13 可知，在自然通风条件下，湿帘侧在铺开室内遮阳后，各采样点温度分布较均匀，相对湿度变化相似，当天最高温度为11:00 的43.9℃。由图14 可知，中部D2 温度略高于E2和F2，相对湿度呈相反变化，E2 和F2 温度差较小，相对湿度也相近。中部当天最高温度为11:00 达到43.7℃。由图15 可知，风机侧各采样点温差较大，其中G2 温度最高，相对湿度最低，当天11:00 最高温度达45.3℃。

图13 自然通风条件下室内中层湿帘侧温湿度变化曲线图

图14 自然通风条件下室内中层中部温湿度变化曲线

图15 自然通风条件下室内中层风机侧温湿度变化曲线图

中层在10:00 启动强制降温系统后，湿帘侧温度高于其他位置，且温湿度分布均匀性最差。图16 显示，湿帘侧当天最高温度在11:00达到43.8℃，最大温差4.4℃，最大相对湿度差8.6%。图17 显示，中部当天最高温度为11:00的43.4 ℃，最大温差2.6 ℃，最大相对湿度差11.6%。图18 显示，风机侧当天最高温度在11:00 为40.6℃，温差1.6℃内。

图16 不同工况下室内中层湿帘侧温湿度变化曲线图

图17 不同工况下室内中层中部温湿度变化曲线图

图18 不同工况下室内中层风机侧温湿度变化曲线图

室内中部不同高度温湿度随时间变化

由图19 可知，自然通风条件下，随高度增加温度呈递增趋势，相对湿度变化趋势不明显。中高层与低层温度差距显著，最大温差5.5℃。由图20 可知，不同工况下温湿度变化趋势与自然通风条件下类似，但随高度增加，温度梯度变化加剧。低层与中层最大温差9.8℃，中层与高层最大温差8.5℃。说明封闭环境下，温室内热量在顶部集聚，且无法消散，进一步说明温室屋面天窗结构设计是必要的。

图19 自然通风条件下室内中部不同高度温湿度变化曲线

图20 不同工况下室内中部不同高度温湿度变化曲线

讨论和结论

室内外光照度试验表明，室外平均光照度52.7 kl x，最高1 48.3 kl x，室内平均光照度7.2 klx，最高19.4 klx。温室主体钢构架、覆盖材料及室内遮阳系统对室内光照度有重要影响。

受温室结构及覆盖材料采光性能的影响，室内光照度较室外低[9]，与前人研究一致。对于白天高温时段，作物气孔关闭，不进行光合作用，应主要考虑降温需求，若需要延长作物生长时间，可以增设补光设施。

自然通风6:00～9:00，室内温湿度与室外相近，9:00 启动遮阳系统后，阻止室内水分蒸发，室内相对湿度略有增加。10:00 启动强制降温系统，室内低层温度低于室外，降湿效果显著，室内相对湿度逐步高于室外。室内温湿度分布均匀性受温室结构影响，在空间呈不均匀分布，随高度增加，温度增加，相对湿度降低，强制降温条件下，随高度增加温度差异更显著，中高层与低层温差最大可达9.8℃，室内热量集聚到温室中高层，降温措施对低层降温效果显著，最大降温4.8℃。室内不同位置温湿度分布不均匀，自然通风条件下，由于湿帘侧与室内过道邻近，铺开遮阳网后，受室外太阳光照和风速影响较为均匀，因而，湿帘侧温湿度分布相对均匀，温差在1.4℃内。风机侧各采样点邻近通风窗，均匀性就差，温度较其他位置高，这与张芳等[10]研究规律相似；在启动强制降温系统后，风机侧温湿度均匀性有改善，湿帘侧温湿度均匀性最差。观赏性温室一般建设的较高大，增大了空间面积，但同时也增加了环境控制难度。建议温室风机湿帘降温设施设计不同高度，实现中高层温度有效降温，减少室内热量聚集效益。

在室内外气流交换速度不显著条件下，室内风速呈弱风速，室内气流速度几乎不受室外影响；在强制降温条件下，室内气流竖向呈梯度变化，随高度增加，气流速度降低。室内风速分布主要受温室通风结构和室外风速大小的影响[11-12]，现有研究表明，开侧窗时通风效果最佳，该试验温室结构类似梅州围屋，温室脊高较大，试验区两侧玻璃隔断无通风窗，因而室内气流变化效果不显著。

本研究在高温高湿地区温室内进行了三维温度场、湿度场和风速场的实测试验研究，分析了温室内温湿度、光照、风速随时间的变化规律，比较了温湿度空间变化规律，对改进高温高湿地区温室结构型式和通风降温方式具有一定意义。