双膜双被装配式日光温室在郑州地区的小气候测试*

于润才，董晓星，杜南山，国志信，张 涛，朴凤植

双膜双被装配式日光温室在郑州地区的小气候测试*

于润才，董晓星，杜南山，国志信，张 涛，朴凤植**

（河南农业大学园艺学院，郑州 450002）

2020年11月1日-2021年2月28日，在河南郑州地区对冬春季双膜双被装配式日光温室内外温度、光照和湿度小气候进行测定，以探明其温光性能。在温室内外分别布置环境自动记录仪，每台记录仪均连接温湿度传感器和光照传感器，实现数据的自动监测与传输。结果表明：观测期内，温室内旬平均气温为11.4～21.4℃，旬平均最低气温为9.4～16.7℃；温室内0.1m深处旬平均土壤温度为15.4～22.9℃，旬平均最低土壤温度为15.0～22.1℃，温室内外最大气温差和土温差分别为17.0℃和15.6℃。全年最冷时段（1月上旬）温室外旬平均最低气温为−7.9℃，0.1m处土壤温度旬平均最低值为2.2℃，而此时段温室内旬平均最低气温和0.1m处土壤温度旬平均最低值分别达到9.9℃和15.8℃。11月−翌年2月，温室内光照度逐渐增大，晴天光照度在2000～22000lx，11月、12月、1月和2月晴天日平均透光率分别为42%、52%、49%和45%，12月透光率最高，不同月份透光率存在明显差异；阴天温室光照度在300～4000lx，各月阴天日平均透光率分别为34%、35%、36%和33%，透光率差异不明显。11月下旬−1月下旬，温室内夜间湿度为95.4%～99.0%，夜间叶片沾湿时长占比为89.1%～99.5%，温室内湿度大。观测结果说明双膜双被结构日光温室在黄淮地区冬春季具有较好的保温性能，有利于进行喜温果菜类的越冬生产，具有一定的推广应用价值，但是存在温室透光率偏低、光照弱等问题。

装配式日光温室；双膜双被结构；温度；光照；湿度

日光温室实现了传统蔬菜生产向现代生产方式的转变[1]，对保障蔬菜全年供应，提高农民收入，保证人民生活水平意义重大，为设施园艺生产做出了巨大的贡献[2]。但中国地域辽阔，各地的气候条件各不相同，日光温室无论在类型上和功能上逐渐多样化，从鞍山式日光温室、辽沈系列日光温室、山东寿光日光温室、西北型日光温室、“蓟春型”日光温室[3−4]，到后来的装配式日光温室[5]、双屋面日光温室[6]、双连栋日光温室[7]，都是在不断发展的过程中逐渐探索出来的，为设施园艺生产提供了更好的服务。

传统日光温室采用黏土砖墙或机制土墙，墙体材料具有导热系数小、保温性好、具备蓄热功能，对太阳光能的利用效率高，在北方寒冷地区可进行喜温蔬菜的越冬生产。但是砖墙和土墙所用材料不仅对生态破坏严重，而且墙体厚重，占地面积大，同时存在施工周期长、费用高等问题。装配式日光温室不仅减少了对耕地面积的破坏，而且实现了建筑材料标准化和装配化，使得温室建造周期短，使用寿命长，装配式结构温室逐渐被行业普遍接受，并成为研究热点[8]。韩丽蓉等[9]对陕西榆林地区的下沉式大跨度大棚型温室内环境和建造成本进行了研究，发现试验温室最高气温和最低气温较对照温室高2.8℃和4.1℃，保温性能优于砖墙钢骨架结构温室，建筑成本比对照温室减少61.5元·m−2。惠爱斌等[5]对黑龙江哈尔滨地区双拱保温被内置装配式日光温室的小气候环境进行了测试，发现装配式节能日光温室性能比较优越，冬季在室外−26.9℃的低温条件下，室内温度可以保持7.2℃以上。佟雪姣[10]对辽宁沈阳地区的滑盖式节能日光温室进行了研究，发现试验温室保温性能良好，冬季晴天滑盖温室室内夜间空气温度比对照温室升高 2.0～3.0℃。杨微微[11]对黑龙江大庆地区水循环蓄热装配式节能温室进行了研究，发现试验温室夜间室内气温12.0℃以上，比对照温室室内气温提高 2.0～3.0℃。宋明军等[12]对甘肃靖远地区不同跨度组装式日光温室光热环境进行了研究，组装式日光温室墙体热稳定性远低于普通温室，平均最低温度较普通日光温室低1.3～5.3℃。周波等[13]对装配加温除湿系统的轻简装配式日光温室进行了性能测试，发现相比于传统砖墙日光温室，轻简装配式温室冬季夜晚温度提高4.5℃以上，温室夜间相对湿度降低14.0%，相对湿度控制在80.0%以下。宋阳等[14]对内蒙古包头地区的装配式水蓄热内保温日光温室进行了研究，温室晴天夜间室内外最大温差达39.0℃以上。前人研究的多为华北和东北地区内置主动蓄热系统的装配式日光温室，但对黄淮地区双膜双被装配式日光温室的研究还未见报道，亟需补充。本试验拟通过对冬春季节双膜双被装配式日光温室内的温度、光照和湿度进行连续测定，探究其温光性能，为科学管理和生产应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验温室位于河南农业大学科教园区（113.61°N，34.86°E），该处气候条件属于北温带大陆性季风气候，四季分明，全年光照时数在2000～2600h，全年平均气温15.6℃；8月最热，月平均气温25.9℃；1月最冷，月平均气温2.2℃。

1.2 供试温室

试验温室于2019年8月建成投入使用，如图1所示。温室方位为东西延长，前屋面朝南，长度80m，跨度12m，脊高5.5m，檐高4.0m。温室采用双膜双被结构，即双层落地式钢骨架结构，外层骨架为桁架结构，上下弦材料均为35mm×25mm×2mm的C型钢，透明覆盖材料为0.15mm的PO薄膜，北墙外侧加装100mm厚岩棉彩钢夹心板，外覆盖再生棉芯防雨保温被，前屋面设置1.8m宽的底部通风口和1.2m宽的顶部通风口。内层骨架为40mm×70mm× 1.8mm的几字钢，透明覆盖材料为0.1mm的PO膜，外覆盖200g·m−2的轻型喷胶棉保温被，通风口与外层位置保持一致。温室东西两侧各设一个3m×3m缓冲间，东侧山墙设一个3.0m×2.5m的机械入口。温室内番茄和辣椒于9月下旬定植，2月中旬拉秧，以常规方式进行栽培管理，测试期间8：30揭开保温被，17：00放下双层保温被进行保温。室内温度过高时，打开通风口进行通风散热。温室从11月下旬−2 月中旬通风时仅开顶部通风口，底部通风口不打开，其他时段通风时底部和顶部通风口均开启。

1.3 项目测试

温室内外环境均利用环境自动记录仪（大连产，型号GS1）进行测试，室内布设3台记录仪，分别位于温室内距东山墙10m、50m和距西山墙10m处，室外布设1台记录仪，位于温室南侧10m开阔无遮挡处。每台记录仪连接3个温湿度传感器和1个光照传感器，温湿度传感器分别位于距温室地面−0.1m（即地下0.1m）、0.2m和1.5m高度处，光照传感器位于距室内地面1.5m高度处（图2）。温度传感器的测量范围为−40～80℃，精度为±0.3℃，湿度传感器范围为0～100%，精度为±3%，光照传感器范围为10～83000lx，精确度为±2%。测试时间为2020年11月1日−2021年2月28日。

1.4 数据处理

试验数据均使用Microsoft office Excel计算及处理。

2 结果与分析

2.1 双膜双被装配式日光温室内温度测试结果

2.1.1 旬平均温度

表1统计了温室内东部、中部和西部的旬平均气温和旬平均土温，即该旬各个测点温度的平均值。由表可以看出，温室内温度高于室外温度，温室内气温较高，平均为11.4～21.4℃，温室内平均土温为15.4～22.9℃，土温高且稳定，环境较适宜，温室保温性良好。温室内外气温差为5.3～17.0℃，温室内外土温差为5.6℃～15.6℃，温室内外温差大，说明温室增温性能较好。其中，温室内东、中、西3个部位气温差异不明显，但是中部土温高于两侧，东部与中部土壤温差为1.4～2.8℃，西部与中部土壤温差为0.2～1.7℃，表明温室内土温在东西向表现具有一定的不均匀性。

图1 双膜双被装配式日光温室结构示意图

图2 温光传感器位置示意图

表1 2020年11月1日−2021年2月28日温室内外旬平均温度（℃）

Note:E- is the first ten-day of a month, M- is the middle ten-day of a month, L- is last ten-day of a month. The same as below.

11月下旬−翌年1月下旬温室外气温逐渐下降，1月上旬室外平均气温和平均土温降至最低，分别为−0.5℃和3.5℃，而温室内平均气温和土温在15.5～16.5℃和17.5℃～19.1℃，温室外温度低，温室内温度高，环境适宜。同时温室内外气温和土温最大差值分别为17.0℃和15.6℃，温室内外温差大，温室表现出良好的增温能力。

2.1.2 日最低温度的旬平均值

表2统计了温室内东部、中部和西部的日最低气温和土温的旬平均值，即该旬各个测点每日最低温度平均值。由表可知，温室内外最低平均气温变化与平均气温变化规律一致，温室内最低平均气温在9.4～16.7℃，温度较适宜，有良好的保温能力。最低平均土温在15.0～22.1℃，土温稳定且较高，温室中部土温高于东西部，与平均土温有相同的分布规律，温室东部与中部土壤温差为0.2～4.5℃，西部与中部温差为0.7～1.8℃，温室东西向土温具有一定的不均匀性。温室内外最低平均温差在6.7～18.8℃，土壤平均最低温差在7.2～15.1℃，温室内外温差较大，说明温室增温能力良好；12月上旬−2月上旬室外气温低至0℃以下，温度较低，1月上旬室外气温达到最低，此时室外气温为−7.9℃，土壤温度为2.2℃，室内气温在9.9～10.9℃，土壤温度在15.8～17.2℃，温室内温度较高，土温适宜。温室内外最大气温差和土温差分别为18.8℃和15.1℃，温室内外温差较大，说明温室增温明显。

表2 2020年11月1日−2021年2月28日温室内外日最低温度的旬平均值（℃）

2.1.3 连续低温期间温度

由图3可见，2021年1月4−7日室外出现了连续低温天气，一日内温室内外气温和土温呈先上升后下降的变化，温室内最低气温出现在8：00左右，最低土温出现时间比气温延后1h左右，最高气温出现在12：00左右。4−7日室外最低气温分别为−7.9、−7.9、−9.7和−15.4℃，0.1m土温最低值分别为2.3、2.7、1.8和0.4℃，室外气温偏低，试验温室内最低气温分别为10.1、10.5、10.0和8.8℃，温室内气温较为适宜，温室保温性能良好，温室内外气温差分别为18.0、18.4、19.7和24.2℃。1月4−7日温室内土温最低值分别为16.3、15.9、16.1、16.1℃，温室内外土壤温差为14.0、13.7、14.3、15.7℃。温室内外温差大，说明温室具有明显的增温能力。

图3 2021年1月连续4d室外气温低于−5℃期间温室内外温度变化

2.2 双膜双被装配式日光温室光照测试结果

2.2.1 整个测试期间

图4展示了2020年11月1日−2021年2月28日温室内外的光照度。由图可以看出，温室内光照度小于温室外，阴天光照度小于晴天，11月温室内平均光照度为8415lx，12月为9320lx，1月为11414lx，2月为14219lx，整个测试期间温室内外月平均光照度呈逐渐增大，其中11月最小，各月份的光照度有明显差异。图4显示，晴天，温室内的光照度是室外的一半，温室透光率在50%左右，而阴天光照度较低且温室内光照度低于室外的一半，说明该温室晴天的透光率比阴天相对要高。

2.2.2 晴天

分别选取为11月10日、12月10日、1月11日和2月10日，分析11月、12月、1月和2月典型晴天温室的光环境，结果见图5。由图中可知，温室内光照度和透光率日变化均呈单峰状曲线变化，每日9：00光照度和透光率开始上升，光照度在12：00左右到达顶峰，之后开始下降，与室外的日变化趋势基本保持一致。11月−翌年2月晴天温室内日平均光照度分别为12227、12596、12810和15070lx，最大光照度分别为18070、18944、18592和21917lx。温室透光率在30%～70%之间变化，且透光率在12：00左右最大。11月−翌年2月温室平均透光率分别42%、52%、49%和45%，一日内最大透光率分别为50%、65%、60%和53%，温室透光率各月份间存在差异，以12月最大。

2.2.3 阴天

分别选取11月17日、12月1日、1月24日和2月28日，分析11月、12月、1月和2月典型阴天温室的光环境，结果见图6。由图中可见，一天内室内光照度亦呈单峰曲线变化，室内光照度变化与室外的变化趋势保持一致。11月−翌年2月室内日平均光照度分别为877、1911、1852和1567lx，最大光照度分别为1794、3901、4101和3200lx。温室透光率在30%～55%之间变化，11月−翌年2月温室平均透光率分别34%、35%、36%和33%，温室的透光率各月份间无明显差异。与晴天相比，阴天温室透光率较晴天低10%左右。

图4 2020年11月1日−2021年2月28日温室内外光照度

图5 典型晴天温室光照度及透光率

图6 典型阴天温室光照度及透光率

2.3 双膜双被装配式日光温室空气相对湿度测试结果

表3统计了2020年11月1日−2021年2月28日温室内外的相对湿度。由表中可见，温室内湿度大于温室外，夜间湿度大于白天湿度，温室内白天湿度在48.8%～90.4%，夜间湿度在89.3%～99.0%。温室内白天湿度较低，夜间湿度接近饱和状态。叶片沾湿时长占比能更好地反映温室内湿度的大小和对作物的影响程度，根据叶片结露%RH模型，当室内相对湿度＞91.8%时，叶片结露。根据叶片结露时长比（LWD%）=叶片结露时间(LWD)/总时长(h)[15]，对温室内叶片沾湿时长占比进行计算。由表3可见，11月上旬−翌年2月下旬，温室内白天旬叶片沾湿时长占比在5.3%～59.8%，夜间旬叶片沾湿时长占比在56.5%～99.5%。其中，11月下旬−翌年1月下旬，温室内叶片白天沾湿时间占比在22.6%～59.8%，夜间在89.1%～99.5%。说明温室内白天湿度较低，而夜间湿度均接近饱和状态。

表3 2020年11月1日−2021年2月28日温室内外旬平均相对湿度及叶片沾湿时长占比（%）

注：根据叶片结露%RH模型，当相对湿度＞91.8%时，叶片结露。叶片结露时长比(LWD%)=叶片结露时间(LWD)/总时长（H）。

Note: According to the leaf condensation model, when the air relative humidity is more than 91.8%, the leaf condensed. Proportion of the duration of leaf condensation (LWD%) = the duration of leaf condensation (LWD) / total duration (H)

3 结论与讨论

3.1 讨论

温室内气温和耕层土壤温度是设施环境调控能力的重要指标，也是进行设施生产计划的重要依据。番茄苗期生长最低温度为7.0℃，生殖生长的最低温度为15.0℃，低于此温度则造成生殖障碍，同时其最适耕层土壤温度范围为18.0～20.0℃[16]。冬春季试验温室内旬平均气温除11月下旬外，其它阶段旬平均气温在13.9～21.4℃，旬平均最低气温在10.1～16.7℃，温室内平均土温在15.4～22.9℃，旬平均最低土温在16.3～22.1℃，温室东西方向土温存在不均匀，但差异不大，可以满足番茄植株的正常生长发育，且通过番茄种植试验，双膜双被装配式温室可实现番茄越冬生产。在冬季最冷时间段1月上旬，温室平均最低气温为9.9℃，室内外温差为17.9℃；极端天气下室内外温差为24.3℃，与河南地区下沉式日光温室[17]冬季最冷时间段1月中旬室内平均最低气温为5.5℃，室内外温差为9.1℃比较，双膜双被装配式日光温室的保温性能更优。

不同结构温室的采光性能不同，且采光性能会直接影响蔬菜的生长发育和果实品质。番茄的光饱和点为70000lx，光补偿点为2000lx[18]，试验温室冬春季月平均光照度随时间逐渐增加，晴天平均光照度在12000lx以上，种植试验表明其可以满足番茄的正常生长。试验温室由于采用双层薄膜覆盖，透光率较单层膜结构低，河南地区下沉式日光温室1月晴天平均透光率为60%[17]，而试验温室为49%，双膜双被结构日光温室的采光性能较下沉式日光温室差。11月−翌年2月，晴天温室的平均透光率分别42%、52%、49%和45%，阴天温室的平均透光率分别34%、35%、36%和33%，阴天温室透光率较晴天低10%左右。这主要是因为晴天太阳光主要为直射光，其透射率与入射角和屋面角均有关，而阴天室外光环境主要为漫反射，仅与屋面角有关[19−20]。当前日光温室在采光设计时，主要考虑的是冬至日前后的透光性能，而忽略了其它月份的透光率，因此各月份间透光率存在一定差异。

温室湿度的大小也是影响植株生长发育的重要因素。试验温室11月下旬−翌年1月下旬，温室内白天湿度在71.9%～90.4%，夜间湿度为95.4%～99%，白天叶片沾湿发生的时间占比在22.6%～59.8%，夜间室内叶片沾湿时长占比在91.1%以上，温室内白天湿度较低，而夜间湿度均接近饱和状态。试验温室内湿度较大容易引起温室内病原菌的滋生，可能会导致植株产生一系列病害，应多措施综合进行湿度控制，在保证室内温度的前提下，尽可能提早打开通风口，加强温室的通风。

3.2 结论

双膜双被日光温室保温性能较好，优于当地下沉式日光温室，可满足喜温类果菜所需的环境条件，实现果菜的越冬生产，具有一定的推广应用价值。但是双层薄膜的使用，导致了温室内透光率和光照度较低，下一步可利用卷起的内层薄膜或采用人工补光，进一步改善温室内光环境，提高生产效率。

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A Test about Microclimate in Prefabricated Solar Greenhouse with Double Film and Double Insulation Structure Cover in Zhengzhou Region

YU Run-cai, DONG Xiao-xing, DU Nan-shan, GUO Zhi-xin, ZHANG Tao, PIAO Feng-zhi

（Horticultural College, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China）

The prefabricated solar greenhouse has the tendency to replace the traditional greenhouse in the protected cultivation in China. The prefabricated solar greenhouse with double membrane and double insulation cover is one of them. But studies on microclimate of such greenhouses are lack. Therefore, the study of the microclimate in this kind of greenhouse is necessary, which can provide the basis for cultivation and management. The tested greenhouse is located in Zhengzhou, Henan province. Temperature, ground temperature at −0.1m（0.1m depth underground）, relative humidity and illuminance were measured both inside and outside the tested greenhouse. There are three recorders in the greenhouse, one 10m from the east wall, one 50m from the east wall and one 10m from the west wall, and there is also a 10m away from the southern greenhouse. The test period was from Nov.1, 2020 to Feb.28, 2021. The results showed that the ten-day average air temperature was 11.4−21.4℃, and the ten-day average of daily minimum air temperature was 9.4−16.7℃ in the greenhouse. The ten-day average temperature of soil temperature at 0.1m depth was 15.4−22.9℃, and the ten-day average of daily minimum soil temperature at 0.1m depth was 15.7−21.1℃in the greenhouse ,and the max air temperature and soil temperature difference between indoor and outdoor was 17.0℃ and 15.6℃. During the coldest January late of the test, the ten-day average of daily minimum air temperature and soil temperature at 0.1m depth was 7.9℃ and 2.2℃. Ten-day average of daily minimum air temperature and soil temperature at 0.1m depth greenhouse was 9.9℃ and 15.8℃. The illuminance in the greenhouse increased gradually in the whole period. The typical sunny days illumination changed between 2000−22000lx, and average light transmittance were 42%, 52%, 49% and 45% in the greenhouse. The light transmittance existed obvious differences between each month, which was highest in December. The typical cloudy days illumination change between 300−4000lx and average light transmittances were 34%, 35%, 36% and 33% in the greenhouse, when light transmittance was not obvious difference between each month. The relative humidity was relatively high and was close to 100% at night in the greenhouse. The relative humidity is 95.4%−99.0%, and the proportion of the duration of leaf condensation is 89.1%−99.5% at night from late-Nov. 2020 to late-Jan. 2021. Come to a conclusion, the prefabricated solar greenhouse with double film and double insulation structure cover has better thermal insulation performance, and it can be used for the basis for cultivation and management. But the illumination transmittance light is low.

Prefabricated solar greenhouse; Double film and double insulation structure cover structure; Temperature; Illumination; Humidity

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.02.001

于润才,董晓星,杜南山,等.双膜双被装配式日光温室在郑州地区的小气候测试[J].中国农业气象,2022,43(2):83-92

收稿日期：2021−05−15

国家大宗蔬菜产业技术体系专项（CARS−23−B03）

通讯作者：朴凤植，教授，博士生导师，主要研究方向为园艺设施结构优化与环境调控、菜田土壤生态与环境管理技术，E-mail：Piao1203@163.com

于润才，E-mail：751741825@qq.com