河北永清连栋温室周年环境测试及分析＊

何 芬，丁小明，尹义蕾，裴庆余，富建鲁，李 艳（农业农村部规划设计研究院/农业农村部农业设施结构工程重点实验室，北京 100125）

河北省设施园艺产业自20 世纪80 年代开始发展，截至2018 年河北省温室面积达到15.32 万hm2，占全国温室面积的8.1%，其中连栋温室336.05 hm2，日光温室6.3 万hm2，塑料大棚8.99 万hm2[1]。在保障蔬菜周年供应、促进农民增收、带动城乡劳动力就业、提高资源利用率等方面发挥了巨大作用[2]。永清县位于河北中部，地处京畿重地、环渤海经济圈腹地，京、津、保三角地带中心。近年，永清县抢抓京津冀协同发展重大机遇，瞄准服务临空经济区和京津雄“菜篮子”，以城郊都市型农业为方向，大力发展设施园艺产业。2019 年永清县蔬菜播种面积38.5万亩（25679.5 hm2），其中设施蔬菜28.5 万亩（19009.5 hm2），占比74%；仅黄瓜、西红柿等深冬蔬菜，年产量约68 万t[3]。目前永清设施多以日光温室和塑料大棚为主，连栋温室多建在农业园区内，以新品种新技术等展示试验示范为主。因连栋温室初期投资建设成本和冬季加温能耗高，导致产投比倒挂，生产经营者受益受限，成为限制连栋温室产业发展的瓶颈[4]。为此，本文以永清县连栋温室为研究对象，通过对其室内外环境进行周年测试，分析其室内外环境变化规律，旨在为连栋温室的优化设计及在永清县的应用推广提供实践依据。。

材料与方法

试验温室主要结构

试验温室为文洛型连栋温室（图1）。温室南北走向，跨度16 m，7 连跨，长度40 m，10个开间；温室肩高6.2 m，脊高6.95 m。温室内部分为6 个种植区和1 个设施园艺装备展示区，每个种植区种植作物不一样（图2），分区隔断下部为300 mm 高240 mm 厚砖墙，上部为5 mm单层玻璃。温室外部围护结构覆盖材料为双层中空玻璃（5 mm+6A+5 mm，6A 表示空腔间隔宽度6 mm），A1、A2、A3 区的屋面为5 mm 散射钢化玻璃，其它区的屋面为5 mm 单层钢化玻璃，分区隔离为4 mm 单层玻璃。温室整体骨架采用轻钢结构，配套了顶开窗、内外遮阳系统、湿帘通风降温系统、内保温系统、热水采暖系统、水肥一体化系统、室内循环风机等。采暖为各分区独立控制的集中采暖，采暖时间为每年的10月～ 次年4 月；每个区安装4 台风机，功率为1.1 kW/ 台。2019 年整个园区冬季燃气采暖费为39.7 万，燃气价格为3.2 元/m3。

图1 连栋温室概况

测试条件

试 验 于2019 年11 月1 日～2020 年10 月31日在河北永清县连栋温室内进行。试验温室运行期间采用荷兰Ridder 公司HortiMaX 环境控制系统对室内外环境进行监测和控制，A1、A2、A3、B1、B2、B3 区分别布置一个温湿度测点，室外设置室外气象站，共布置7 个测点（图2）。测试参数包括室外气象参数和室内环境参数，其中室外气象参数包括室外温度、风速、风向、太阳总辐射强度等；室内环境参数包括空气温度和相对湿度。测试期间环境控制装备均根据环境控制系统基于室内温度变化进行控制。各区的环境控制设备有顶部天窗和环流风机通风系统、风机湿帘降温系统、高压喷雾系统、热水加温系统、内外遮阳系统。具体环境控制设定的参数如表1 所示。

图2 温室分区及室内外环境测点分布示意图/mm

表1 设定的控制参数

当室内温度超过设定值时，HortiMaX 环控系统优先开启顶窗进行自然通风降温；当光辐射超过设定值时，启动遮阳系统进行遮阳；夏季当室内温度超过最高设定值时关闭顶窗，启动风机湿帘进行强制通风降温；冬季当室内温度低于设定值时，启动内保温幕布进行保温和加温系统进行加温；当室内湿度低于设定值时，启动高压喷雾系统进行增湿。

结果与分析

室外环境

试验期间室外环境参数变化如图3 所示。室外最高空气温度40.5 ℃，最低空气温度-13.7 ℃，全年平均气温14.2 ℃；室外风速范围0～12 m/s，全年平均风速1.26 m/s；室外太阳辐射范围0～1228 W/m2，全年平均太阳辐射168 W/m2。

图3 室外环境参数

温室整体环境性能分析

统计分析温室6 个区的温湿度数据，得出6个区的空气温湿度变化范围及平均温湿度，如表1所示。由表2 可见，6 个区的全年平均温度为19.7～22.4℃，平均相对湿度为71.4%～94.2%。6个区的最低温度范围为3.5～10.1℃，最高温度范围为39.5～45.6℃。因6 个区种植的作物不同，所采取的调控手段不同，其全年环境变化也不同。

表2 室内6 个区空气温湿度变化

图4 为室外和室内6 个区的不同月份的平均温度值变化图。从图4 中可看出，试验期间室外12 月和1 月份的平均温度处于0℃以下，为全年最低，仅有-0.5℃和-0.3℃；室内12 月和1 月份的平均温度也为全年最低，为17.3 ℃和15.1℃。室外7 月和8 月份的平均温度最高，为26.8 ℃；室内平均温度最高值出现在7 月和8 月份，每个区的平均温度最高值不一样，为25.9～30.9℃。

图4 室内外月平均温度

表3 为统计的试验期间室内外不同月份不区种植区的极值温度。A1 为草莓种植区，草莓种植温室设计要求最低温度为5℃，目前草莓种植区最低温度为4℃，比设计温度低1℃；11 月～ 次年5 月种植期间A1 区最低温度的平均值为6.7℃，最高温度的平均值为29.2℃。A2、A3 区为果菜种植区，温室设计要求最低温度为12℃，11 月～次年3 月种植期间A2、A3 区最低温度的平均值分别为11.3℃和12.1℃，最高温度平均值分别为29.5℃和27.1℃，基本达到设计要求。B1为草莓育苗区，3～11 月育苗期最低温度的平均值为12℃，最高温度的平均值为32.9℃。B2 为周年育苗区，温室设计要求最低温度为15℃，目前该区11 月～ 次年5 月的最低温度均低于设计值。B3 为叶菜区，温室设计要求最低温度为5℃，该区仅3 月最低温度值低于设计值，仅为3.5℃，其他月份均达到设计要求。

表3 室内外不同月份极值温度/℃

按季节对温室性能进行分析，统计一年中夏季（6～8月）和春季（12月～次年3月）的温度值。夏季整个温室最高温度平均值达到39.1℃，最低温度平均值为19℃；冬季最高温度平均值31.7℃，最低温度平均值为7.8℃。从中可看出，夏季温室还需进一步降温才适于越夏生产，冬季可正常生产果菜和叶菜。

极端天气条件下温室环境日变化

试验期间，室外最低温度出现在2019 年12月31 日5:00，最高温度出现在2020 年7 月24日15:00。为此挑选这两天作为室外极端温度条件，图5a 和图5b 分为极低和极高温度条件下室内环境日变化图。从图中可看出，一天之内最高温度出现在12:00～14:00，最低温度出现在6:00～8:00。

图5 典型条件下室内外空气温度日变化

统计极端天气条件下不同区白天（8:00～18:00）和夜间（19:00～ 次日7:00）的温度范围，如表4 所示。

表4 极端天气条件下室内温度范围

结论

通过对河北永清县连栋温室的室内外环境进行周年测试，分析了室内外环境变化规律及温室整体环境性能。结果表明试验期间河北永清县室外空气温度-13.7～40.5 ℃，温室内空气温度为3.5～45.6 ℃；结合温室果菜、草莓、育苗等种植最低温度需求，对试验温室6 个种植区不同月份的极值温度分析，6 个种植区中的A1、A2、A3、B1、B3 区的最低温度值基本达到室内设计温度值，而B2 区作为育苗区，温度目标值较高，目前暂未达到设计要求，需要进一步提高该区的温室冬季保温性能，如采用多层保温幕等；对于夏季降温，可适时采用内外遮阳、风机湿帘和喷雾降温系统降低室内温度。