新型装配式节能日光温室冬季温控的有关思考

吴菲菲

（内蒙古农业大学职业技术学院，内蒙古自治区 包头 014109）

作为北方冬季的关键农业设施，日光温室有着广泛的应用，但是传统日光温室普遍存在成本高、工序多、工程量大以及土壤性能受损等一系列问题，所以打造新型装配式节能日光温室非常有必要。新型装配式节能日光温室具有良好的冬季控温效果，大大降低了冬季农作物冻害问题的发生，具有较高的推广价值。

1 当前日光温室的冬季控温发展现状

当前所采用的日光温室主要依靠太阳能来提供能量，并在土壤、山墙以及后墙内对热量进行存储。墙体表面在日间太阳辐射下，能够保存热量，可以使温室中的温度大于35 ℃，但是夜间会出现温度降低的状况，此时土壤、墙体能够释放所存储的热量，提升温室的温度。在这个过程中墙体表面、温室空气能够进行对流，交换热量，且墙体也可以发挥导热作用，将热量释放到温室，使温室中的温度升高。然而在日光温室墙体材质特性的制约下，其蓄热性能较差，因此在下半夜温室的温度较低，增大了低温冷害问题的发生几率，不利于提高作物产量。

日光温室的墙体是关键的蓄热保温部分，在升级、改进日光温室时，主要会针对墙体进行改造。结合日光温室发展现状进行分析，后墙结构发生了很多的改变，逐渐从土筑墙、砖砌墙转变为异质复合墙或机打土墙等。众多学者也针对日光温室的墙体进行研究，分析冬季控温效果。其中，李小芳、陈青云在研究中详细探究了日光温室的气温受砖墙厚度、复合墙内苯板厚度、组合墙体内砖墙厚度、聚苯板厚度等因素的影响，明确了最佳控温效果对应的砖墙聚苯板隔热材料厚度是0.1 m，且保持厚度不变的情况下，砖墙厚度越薄控温效果越优，同时控温效果也会受薄砖墙材质排列的影响；张义、杨其长等学者在论著中，基于日光温室墙体结构，设计出日光温室水幕帘蓄放热系统，发挥水循环的作用，在水池中存储由水幕帘所吸收的日光能量，并于晚上对热量进行释放，以此来达到良好的冬季控温目的；王宏丽、任雷等学者在开展的研究中，探究北面符合保温墙体的传热效果，通过相变材料的蓄热性，避免日光温室夜晚气温过低的问题，使北墙对日光的利用率显著提升。此外，李炳海、刘圣勇等学者还借助太阳能土壤加温系统，分析日光温室的地温改善状况；方慧学者则分析了温室蓄放热增温系统的控温效果，借助透光水幕帘来高效化运用太阳能，改善夜间温室的低温问题。

沈阳农业大学近年来提出一种全新的装配式节能日光温室，通过水载体来储存太阳所释放的热量，并利用温室浅层土壤进行蓄热，依托水循环作用实现浅层土壤、水池对热量的收集和存储，并在夜晚释放土壤热量，使气温得到提升，保障作物的成长。对于新型装配式技能日光温室的研究、设计工作，众多学者在不断探索和分析，为冬季日光温室控温工作的开展提供了参考和指导。

2 水循环系统、空气——地中热交换蓄放热系统的设计

新型装配式节能日光温室主要采用的是水循环系统、空气——地中热交换蓄放热系统，其中回水管道、水池、输水管道、水泵以及采光板等共同构成了水循环系统。采光板（360 m2）位于日光温室内部的后墙体上，后墙内地下设置了水池（32 m2），水泵的流量和功率分别设定为15 m2/h 平方米每小时和750 W。在白天会让水循环系统处于启动状态，向采光板顶部对水进行传送，充分对太阳能进行吸收后沿采光板间隙流出，再次回流入水池内，从而在水池中存储太阳能。而在夜晚温室气温降低的情况下，则需要对水循环系统进行开启，释放由采光板存储的热量，调节温室的气温，避免低温状况。新型装配式节能日光温室的水循环系统如图1 所示。

图1 日光温室的水循环系统

而温室所运用的空气——地中热蓄放热交换系统工作原理则是借助风机，对日光温室顶层4.5 m 位置的热空气向地下0.5 m 处的热交换管进行导入处理，使日间太阳能的存储热量增大，以此来有效调节夜晚温室的气温。

空气——地中热蓄放热交换系统的开启时间为上午10∶00 到下午3∶00，需要设置南北走向的地下热交换管道，且将10 台风机每间隔6 m 进行安放，各台风机对应的进风口、出风口应分别位于日光温室北面、南面，且运行总功率是1.2 kW。该系统要在日光温室的顶层布置上端进风口管道，保持同地面4.5 m的距离。

3 新型装配式节能日光温室的建立及实验研究

（1）构建试验温室。在北方某地区对新型装配式节能日光温室进行构建，且将温室结构设计为半圆弧性骨架，选取具有移动功能的保温山墙，借助岩棉彩钢板对温室进行覆盖，保障日光温室的冬季控温性能。该试验日光温室的占地面积是800 m2，后坡水平投影是1.7 m，采光角度是41°，整个温室对应的长、高和宽分别是65、5.5 以及12 m。此外，试验温室的作物种植空间为3 m 左右，雪荷载、风荷载是45 和55 kg/m2。

将新型装配式节能日光温室标记为A，并将设置的对照温室标记为B，在晴朗天气下，从气温、土温两个角度对照分析两个日光温室的冬季温控效果。

（2）温室的气温和土温对照研究。将试验条件设定为：早上8∶00 将保温板揭开，打开循环水泵进行蓄热，并于下午16:00 将循环水泵关闭，17:00 将保温板盖上。监测点要每隔半小时对土温、气温进行检测，记录好温度变化状况。

测量温室气温的步骤为：对于温室A 应于距地面一米的东西方向上，挑选中间点、各距东侧及西侧山墙三米位置的两点作为三个监测点，并在南北方向挑选中间点、各距前骨架及后墙两米位置的两点作为三个监测点；同理对于温室B 的东西方向上监测点进行设定，而在南北方向上则要选取中间点、各距前墙及后墙两米位置的两点作为三个监测点。借助精创U 盘式温度记录仪数据记录仪RC-5 对两个温室的气温进行检测，测量范围为-20 ℃～40 ℃，精准度为±0.5 ℃，且温度分辨率是0.1 ℃。

测量土温的步骤为：温室A、B 均将土层温度监测点设置在中间位置，土层深度依次为10、30 和60 m，检测各深度下南北方向土层的温度。由于温室东西方向设置了相对均匀的换热管，土层温度不会出现较大的改变，所以检测南北方向的温度情况更科学。通过不锈钢直角地温计来测试温室土层温度，测量范围为-30 ℃～50 ℃，精准度为±1 ℃，且分度值为1 ℃。

4 新型装配式节能日光温室冬季温控效果分析

（1）温室中气温变化状况。首先，不同监测点在东西方向上的温度变化状况。在温室A 中，三个监测点的温度不断升高，直至下午13:00 达到最高，温度依次为32 ℃、37.2 ℃及35.6 ℃，并在此之后不断降低。其中，距东侧山墙三米位置的监测点仅在东侧山墙受阳光照射较强的时间段内，散热较大，使其同其他两个监测点存在约3 ℃温度差，其余时间段分别比其他两个监测点低0.2 ℃、0.3 ℃，这就表示该温室在东西走方向上气温变化不大。

在温室B 中，三个监测点至下午13:00 之前，温度不断升高，之后呈现温度降低的趋势，最低点位于次日早晨6:30 左右，依次为5.9 ℃、7.6 ℃及5.2 ℃。其中，距东侧山墙三米位置的监测点因为东侧山墙存在阴影，所以会低于其他两个监测点的温度，且气温差约为2 ℃，但是同样西侧山墙也存在阴影，所以下午会出现距西侧山墙三米位置的检测点温度较低的状况，由此导致三个监测点的气温出现一定浮动，气温差最大值达到4 ℃，由此表示该温室在东西方向上的气温分布相对不均匀。

对比两个温室的东西向气温变化情况得知：下午13:00 前，在东西方向上温室A 的平均气温明显比B要高，温差的最高值为5.2 ℃；而在17:00 将保温板盖上后，A 所蓄积热量能够长时期保持较高的问题，而B 则出现温度快速降低的状况，导致二者出现较大的气温差。温差最大值达到6.4 ℃，分布在次日1:30到4：00 之间，这时温室外的气温是-20 ℃，表示温室A 能够在白天蓄积热量并于晚上释放热量，所以可以保持一定的室内气温，这就避免了作物的冻害问题。

其次，不同监测点在南北方向上的温度变化状况。在采光板采热、太阳能辐射的作用下，温室A 在日间10:00 到14:00 时间段内，中间位置监测点的气温要比各距前骨架、后墙两米位置的两个监测点的温度低，最高的温差值为2 ℃，其他时间的温差基本约为0.2 ℃，表示该温室在南北方向上气温呈均匀分布。

太阳能是温室B 的主要能量来源，因此在10:30到15:30 的时间段内，距后墙两米的监测点温度最高，其次为距后墙两米的监测点、中间位置的监测点，温差的最大数值为5 ℃；而在之后三个监测点的温度会不断下降，但在后墙散热作用下，三个监测点的温度差值会逐渐增大，在次日1:30 到4:30 达到5 ℃的最大差值，表示该温室在南北方向上夜间气温呈不均匀分布的状态。

对比两个温室的南北向气温变化情况得知：温室A、B 在10:00 到13:00 存在显著的气温差，差值约为5.6 ℃，在分别将保温板、保温被盖上之后，二者也存在较大的气温差，差值约为6.1 ℃。尤其在夜间气温变化方面，温室A 可以始终保持在11.5 ℃左右的气温，但是温室B 则仅达到6.6 ℃的气温，表示前者的蓄热保温性能明显较优。

（2）温室中土温变化状况。首先，在相同位置各土层深度下的土温变化方面。针对两个温室，可以分别观察各自在各土层深度下的土温变化状况，其中对于温室A 而言，土层温度具有昼高夜低的特点，在土层加深的过程中，土温会不断下降，各土层下的温度改变趋势存在明显的不同。受太阳照射影响的10 cm 深度的土层，在日间14:00 时温度最高，之后会持续下降，出现很大的变动；30 cm 深度的土层受热量传递时间延后的影响，温度则具有夜晚不断升高而昼间持续下降的特点，能够在夜晚达到约12 ℃左右的土层，满足了作物生长要求；60 cm 深度的土层在水循环系统和空气——地中热蓄放热交换系统的作用下，能够借助风机向地下0.5 m 的热交换管传输热空气，实现日间热能储蓄，使土温高于日间。而对于温室B 而言，10 cm 深度的土温昼高夜低，30 cm及60 cm 深度的土层因为热量传递很慢，因此夜晚土温较高，最大值为9.2 ℃、8.1 ℃，而日间土温较低，最低值为6.1 ℃、5.9 ℃。

在相同土层深度下，两个温室的土温变化状况为：对于10 cm 深度的土层温度，二者日间相差不大，且日间较高而夜晚较低，然而在进行保温之后，温室B的土温下降速度要比A 快；对于30 cm 深度的土层温度，温室B 要低于A；对于60 cm 深度的土层温度，温室A 依靠后墙集热管获得能量，将搜集的热能向土层进行传递，但是温室B 单纯通过土层温度由高到低进行传递，必然达不到温室A 的土温。

其次，在差异位置相同土层深度下的土温变化方面。因为作物生长适宜的土层深度是30 cm，在这一土层深度之下，温室A 在日间14:00 时的土温达到最低，三个监测点按照南——中——北的顺序，土温依次是13.6 ℃、12 ℃和11.3 ℃，且夜间最高的土温值依次是14 ℃、12.8 ℃和11.6 ℃，土温差值最大达到6.4℃，土温差变化无较大波动。因此温室A 在南北方向的土温差呈均匀分布。温室B 在日间14:00 时，南——中——北三个监测点的土温最小值依次是10.8 ℃、10 ℃和7 ℃，在夜晚土温相对较低，依次是9.9 ℃、9.1 ℃和7.6 ℃，土温差最大值达到了7 ℃，变化曲线波动较大，这也就表示温室B 在南北方向上的土温分布并不均匀。

5 结语

上述实验验证：新型装配式节能日光温室具有良好的冬季温控效果，能够在夜间保持一定的气温和土温，为作物的生长提供了良好的环境。新型装配式节能日光温室选用岩棉彩钢板为主材料，制作成半圆弧形坡面，并对温室东侧、西侧山墙设计了围护结构，辅以顶部保温覆盖板，起到很好的保温、密封效果，有效避免了雨雪、大风天气带来的危害。保温覆盖板可以结合天气在不同时间段打开或关上，使温室东侧和西侧山墙遮光较弱的弊端得到了弥补，极大地改善了土地利用效率。但是在实践应用新型装配式节能日光温室的过程中，还需要在实践中不断完善，对装配工艺和系统参数进行持续改进，从而达到推广运用新型装配式节能日光温室的目的。