新型主动储放热组装结构日光温室性能测试分析

司长青 何 芬 周长吉 高贺昌 张 柏 李晓明

（1 农业农村部农业设施结构设计与智能建造重点实验室，北京 100125；2 农业农村部规划设计研究院，北京 100125；3 三峡大学机械与动力学院，湖北宜昌 443002；4 北京华美沃龙农业科技有限公司，北京 100024）

日光温室是我国自主研发的一种特殊温室类型，自20 世纪80 年代中期在我国开始推广。根据2020 年全国农业机械化统计年报数据，我国日光温室面积达到55 万hm，占全国设施总面积的30%。日光温室的研制开发及推广有效解决了我国冬季蔬菜供应短缺及农民收入低等问题（鲍顺淑等，2010）。

日光温室的储放热功能是其主要的节能机制之一。传统日光温室储放热系统主要依靠墙体和地面白天蓄积太阳辐射热，夜间向温室内释放白天贮蓄的太阳辐射热量。这种被动储放热形式因墙体与土壤传热缓慢而作用有限，难以将白天富集的太阳热能有效地收集、贮蓄起来，用于夜间室内增温。早期有些研究曾利用水等媒介吸收太阳能，通过构建地中热交换系统对地面土壤进行加热，但因工程量较大，蓄、放热效果有限，没有获得大量应用（白义奎 等，2002）。目前很多研究通过内部或外部集热装置将白天太阳热能收集、贮存于水体中，夜间释放出来提高室内气温（郑钦中 等，2021），或将热水通入地面土壤，提高地温（方慧 等，2012；于威 等，2014；于涛 等，2022）；也有研究采用相变贮热的方法储存热量用于日光温室加温，与水体贮热相比，这种方法能够显著降低贮热设施的体积（鲍恩财 等，2018；张勇 等，2021）。现今关于日光温室储放热系统的研究总体较为成熟，但仍然存在成本高、储放热量不足等问题。目前日光温室结构的发展呈现轻简化趋势，通过墙体的被动储热几乎完全消失，为此亟须提出替代传统墙体储放热的轻简化主动储放热方法。

本研究提出一种新型主动储放热组装结构日光温室，通过设置后墙水循环储放热系统和土壤空气循环储放热系统，提高室内环境温度；并在河北、内蒙、宁夏冬季严寒时段对该温室进行性能测试，分析其室内环境变化规律，以期为该温室的优化设计及应用推广提供实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验温室概况

试验温室为新型主动储放热组装结构日光温室（图1），该温室坐北朝南，长100 m，跨度12 m，脊高5.5 m，后墙高4.0 m，后屋面水平投影宽2.0 m。温室承力采用完全组装结构，前屋面与后屋面采用单管拱架，并设有屋脊拉杆；温室的后墙和山墙采用双立柱格构结构，立柱和腹杆均采用方管，结构承载能力强，更有利于抗风。温室后墙和后屋面采用柔性橡塑保温被覆盖，厚度60 cm，保温被外表面覆盖一层白色红外线反光膜，可有效降低辐射散热，提高保温性能。为减小边际效应前部基础散热，温室前屋面底脚增设了8 cm 厚、50 cm 深的硬质再生橡塑隔热层。

图1 新型主动储放热组装结构日光温室

1.2 主动储放热系统

温室配套了主动储放热系统，该系统由后墙水循环储放热系统和土壤空气循环储放热系统组成（图2）。后墙水循环储放热系统主要由给水管、水袋、回水管、集水槽和给水水泵组成（图2-a）。该系统的工作原理为：白天水袋吸收太阳辐射热量，在早晨卷起保温被后，水泵不启动，水袋表面产生的热量可迅速释放到室内，提升室内气温；当室温达到一定设定值后，水泵自动启动，将水袋白天吸热后的热水集中汇流到集水槽中。当夜间室内气温低于设定的警戒值时，水泵自动启动，保温水槽内的温水再次流经吊挂水袋，向室内散热。

土壤空气循环储放热系统主要由循环风机、送风管、换热管和出风管组成（图2-b），换热管道水平铺设于土壤中，埋设深度为0.6 m。该系统的工作原理为：白天风机将室内热空气经由送风管导入地面土壤换热管，热空气与地下土壤间换热，将空气中热量储存在土壤中，降低空气温度、提高土壤温度，换热管连接出风口，将换热后的冷空气导出土壤重新返回温室，实现空气循环并降低室内温度；夜间当室内空气温度低于换热管位置处土壤温度时，风机开启，室内冷空气沿白天相同路径，吸收土壤热量后返回室内，提升空气温度。

图2 主动储放热系统

1.3 测试条件

选取河北保定、内蒙古巴彦淖尔和宁夏石嘴山3 个地区的试验温室进行测试。测试时间为冬季严寒时段，河北保定为2022 年1 月10—21 日，内蒙古巴彦淖尔为2021 年12 月24 日至2022 年1 月5日，宁夏石嘴山为2021 年12 月24 日至2022 年1月3 日，温室种植作物为番茄。取温室中部横截面为测点布置面，沿跨度方向布置3 个空气温湿度记录仪（HOBO UX100-3，精度 ± 0.2 ℃，下同）和3 个土壤温度记录仪（TY-JL/02，精度 ± 0.2 ℃），距后墙内表面分别为2、6、10 m。空气温湿度传感器距地面高度1.5 m，土温传感器埋深12 cm。室外空气温度采用温湿度记录仪测试，布置在温室周边的空旷位置，距地面高度3 m。

1.4 数据处理

根据实际观测天气云量，将试验期间的天气划分为晴天和阴天。白天温度计算时段为8：00—20：00，夜间温度计算时段为20：00 至次日8：00，每30 min 记录1 次。采用Microsoft Excel 2019 软件对测试数据进行分析，取3 个测点平均值作为室内空气温度和土壤温度。

2 结果与分析

2.1 室内外环境分析

2.1.1 室内外气温变化 如图3 所示，河北保定2022 年1 月10—21 日室外平均气温为-3.5 ℃，最高气温为5.9 ℃，最低气温为-13.1 ℃；温室内平均气温为14.96 ℃，最高气温为29.17 ℃，最低气温为8.23 ℃。内蒙古巴彦淖尔2021 年12 月24 日至2022 年1 月5 日室外平均气温为-11.9 ℃，最高气温为8.1 ℃，最低气温为-23.5 ℃；温室内平均气温为20.12 ℃，最高气温为33.27 ℃，最低气温为13.92 ℃。宁夏石嘴山2021 年12 月24 日至2022 年1 月3 日室外平均气温为-9.8 ℃，最高气温为3.2℃，最低气温为-20.8 ℃；温室内平均气温为20.97℃，最高气温为37.32 ℃，最低气温为17.51 ℃。

图3 测试地区温室内外气温变化

2.1.2 土壤温度变化 由于并未测得宁夏石嘴山试验温室的土壤温度，仅对河北保定和内蒙古巴彦淖尔试验温室土壤温度进行对比分析。河北保定和内蒙古巴彦淖尔温室内土壤温度在一天中呈规律性变化，7：00—8：00 温度最低，12：00—14：00 温度 达到最高。河北保定测试温室的室内土壤平均温度为17.1 ℃，最高温度为19.4 ℃，最低温度为15.1 ℃；内蒙古巴彦淖尔测试温室的室内土壤平均温度为19.8 ℃，最高温度为21.3 ℃，最低温度为18.6 ℃（图4）。新型主动储放热组装结构日光温室内土壤最低温度均大于15 ℃，能够满足作物的生长需求。

图4 测试地区温室内土壤温度变化

2.2 日光温室整体环境性能分析

通过统计测试数据，计算分析室内日平均气温、日最低气温、白天室内气温大于15 ℃的平均时长、夜间日平均气温以及夜间室内外温差等指标，对不同测试地区日光温室的整体热环境进行分析和评价。

如表1 所示，测试期间，3 个地区室外日平均气温的平均值均小于-3 ℃，其中内蒙古巴彦淖尔最低，为-11.9 ℃；室内日平均气温的平均值均保持在15 ℃以上。从日最低气温看，3 个地区室外最低气温的最低值均小于-13 ℃，室内日最低气温的最低值均保持在8 ℃以上，其中内蒙古巴彦淖尔室外日最低温度最低，为-23.5 ℃，但室内日最低气温依然能保持在13.5 ℃以上。河北保定、内蒙古巴彦淖尔、宁夏石嘴山白天室内气温大于15 ℃的平均时长分别为7.7、11.8、12.0 h，均超过7 h。

表1 测试地区温室内外日平均气温、最低气温及白天室内气温大于15 ℃平均时长

从表2 可看出，河北保定、内蒙古巴彦淖尔、宁夏石嘴山地区室外夜间日平均气温的平均值分别为-6.6、-16.4、-13.2 ℃；室内夜间日平均气温的平均值分别为12.1、17.1、18.4 ℃，最低值分别为11.2、15.9、18.3 ℃；室内外夜间平均温差分别为18.7、33.8、31.6 ℃，最低温差分别为14.9、23.3、25.5 ℃，可见新型主动储放热组装结构日光温室的夜间保温性能优越。

表2 测试地区温室内外夜间日平均气温和室内外温差 ℃

2.3 典型天气条件下温室内外温度变化

在温室的使用过程中，低温冻害经常在连续的阴雪天气时发生，连续阴雪天的天气状况最能考验温室是否能够满足作物生长需求，因此，分析温室内温度在连续阴雨天时的变化显得极其重要。本试验分析了2 种典型天气日光温室内环境变化：①连续晴天中的一天；② 连续阴雪天中的一天。

2.3.1 晴天温室内外温度变化 在连续3 天晴天条件下，分别选取中间1 天测试温室内外温度，得到3 个地区晴天条件下试验温室内外温度变化情况（图5）。河北保定、内蒙古巴彦淖尔、宁夏石嘴山地区试验温室内的平均温度分别为15.7、20.4、21.7 ℃，最低温度分别为9.2、15.2、18.0 ℃，其中最低温度出现在8：00—9：30。一天中室内外空气温度变化趋势一致，均呈现出先下降后上升再下降的趋势，室内空气温度变化相较于室外有一定滞后。

图5 测试地区晴天室内外空气温度的变化

2.3.2 阴雪天温室内外温度变化 在连续3 天阴雪天条件下，分别选取中间1 天测试试验温室内外温度，得到3 个地区阴雪天条件下试验温室内外温度变化情况（图6）。河北保定、内蒙古巴彦淖尔、宁夏石嘴山地区试验温室内的平均温度在阴雪天条件下分别为11.6、19.8、20.3 ℃，最低温度分别为8.2、16.3、17.9 ℃，最低温度出现在8：30—10：00。阴雪天较典型晴天条件，温室内空气温度变化较室外更加滞后，且室内外温差减小。

图6 测试地区阴雪天室内外空气温度的变化

3 讨论

本研究设计的新型储放热组装结构日光温室，符合国家节能减排的政策，通过储放热系统能够充分利用太阳辐射能量。据估算，水循环储放热系统一昼夜可释放8.4 × 10kJ 的热量，相当于节省了300 kW · h的电力（周长吉 等，2022）。单栋温室面积为1 200 m，建设成本（包括温室墙体、骨架、卷帘机、保温被等）约为23 万元。水循环储放热系统设备一次性投入约2.6 万元，土壤空气循环储放热系统一次性投入约1.7 万元。

该新型温室墙体及维护结构使用轻质柔性保温材料，具有较好的保温性能，配备的主动储放热系统弥补了墙体被动储放热功能的不足，即使在北方严寒地区室内外平均温差仍能达到18 ℃以上，土壤最低温度大于15 ℃，具有较好的保温蓄热性能。目前，该温室已在北京、内蒙古、宁夏、新疆、河北等地推广，用于黄瓜、番茄等果菜的越冬生产。今后，如何合理调控温室储放热能力，发挥温室最大储放热潜力，提高生产综合效益是该新型温室优化的目标和方向。

4 结论

本研究设计了一种新型主动储放热组装结构日光温室，并在河北保定、内蒙古巴彦淖尔、宁夏石嘴山地区寒冷时段对新型温室进行性能测试，结果表明，此类型温室室内日平均气温、日最低气温的平均值分别为15.0、20.1、21.0 ℃和9.0、15.3、17.7 ℃，夜间日平均气温、室内外温差的平均值分别为12.1、17.1、18.4 ℃和18.7、33.8、31.6 ℃，能够满足喜温果菜的生长要求。