土壤-空气热交换系统在大跨度外保温塑料大棚中应用效果研究＊

2022-10-19管梦真王传清段绪胜李天华魏珉曹欣山东农业大学园艺科学与工程学院山东泰安2708山东农业大学水利土木工程学院山东泰安2708山东农业大学机械与电子工程学院山东泰安2708农业农村部黄淮海设施农业工程科学观测实验站山东泰安2708济南莱芜安信农业科技有限公司山东莱芜2700

农业工程技术 2022年22期

关键词：阴天温湿度晴天

管梦真，王传清，段绪胜,2，李天华，魏珉,4**，曹欣（.山东农业大学园艺科学与工程学院，山东泰安 2708；2.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 2708；3.山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安 2708；4.农业农村部黄淮海设施农业工程科学观测实验站，山东泰安 2708；.济南莱芜安信农业科技有限公司，山东莱芜 2700）

近年来，大跨度外保温塑料大棚因其具有土地利用率高、环境性能稳定、适合机械化作业等优点而在中国部分设施园艺产区得到快速推广，关于结构与性能研究日益增多[1-4]。但是，大跨度外保温塑料大棚的保温蓄热能力有限，寒冷季节和天气条件下常常出现低温现象，影响作物生长和产量[5-6]。前人研究表明，土壤-空气热交换系统具有良好的白天降温、夜间增温效果，且系统运行成本较低[7-11]。为此，本试验设计了一种土壤-空气热交换系统，并观测了在大跨度外保温塑料大棚中的增温效果，以期为系统优化和生产应用提供指导。

材料与方法

供试大棚及系统设置

试验于2021年11月8日～12月10日在山东省济南市莱芜区莱芜安信农业科技有限公司(北纬N36°14′，东经E117°32′）进行。大棚为东西走向，非对称结构，跨度20 m（南侧13 m、北侧7 m），脊高6.5 m，长度50 m，覆盖0.1 mm厚度PO 膜和由编织布、珍珠棉、太空棉制作的保温被。在大棚中部，用厚度0.1 mm 双层PO膜（膜间距60 mm）作为隔断，东部设置土壤-空气热交换系统，西部为对照区（图1）。

图1 土壤-空气热交换系统示意图

土壤-空气热交换系统结构包括集热部件、散热部件及控制部件。集热部件包括直径200 mm的集风管和157 W 单项离心式鼓风机，集风管安装在大棚屋脊投影部位，沿大棚延长方向间距6 m排列，距地面高度4.5 m，上端进风口处安装鼓风机。散热部件安装在地下60 cm 处，主要包括大棚长度方向上的直径160 mm 散热主管、大棚跨度方向上直径110 mm 散热支管。散热主管连接集风管和散热支管，散热支管间距1 m，向大棚两侧延伸并在靠地脚处伸出地面，距棚南端与北端1 m，支管上沿圆周均匀分布6 列直径30 mm孔洞，在管道伸长方向上的间距为150 mm，外包裹一层厚度2 mm 无纺布防止土壤堵塞管孔。散热管道下部铺设厚度3 cm 珍珠棉以减少向地下传热。系统于白天棚内气温高于25℃时开启，低于20℃时停止；夜间棚内气温低于12℃时开启，高于16℃时停止。每天棚内气温高于28℃打开顶通风口，低于23℃时关闭。

棚内种植作物为粉果番茄‘圣罗兰3681’，2021 年8 月17 日定植采取南北向高畦双行种植，大行距120 cm、小行距40 cm、株距 35 cm。单干整枝，5 穗果后打顶，膜下滴灌，常规管理。

环境指标测定方法

棚内空气温湿度：在处理区与对照区中部，由南向北1/12、3/12、5/12、7/12、9/12、11/12 处，垂直方向上距地面高度1.5 m、3.0 m、4.5 m 处各分别布点。此外在集风管进风口、散热支管出风口处分别布点。其中南部温度为1/12、3/12 测点处的平均值，中部为5/12、7/12 测点处的平均值，北部为9/12、11/12 测点处的平均值。

棚内地温：在处理区与对照区中部，散热支管向南（向北）延长的中间位置、离地面深度10 cm、30 cm、50 cm 处分别布点，测点位于高畦中央，其中处理区位于换热管道正上方；此外，在上述空气温湿度测点的正下方、距地面深度15 cm 处分别布点，其中处理区位于两根换热管道的中间，南、中、北部的设置同空气温湿度相同（图2）。

图2 棚内温湿度记录仪布点示意图

棚外空气温湿度和地温：在距大棚北面30 m空地上、离地面高度1.5 m 处设置空气温湿度测点，在地面下10、15、30、50 cm 深度处设地温测点。

温湿度传感器采用美国 Hobo 公司 U23-001型温湿度记录仪；地温传感器采用路格L93-4 地温记录仪。仪表每隔 15 min 自动记录数据1 次，相同位点重复测点3 次。

系统性能评价方法

土壤-空气热交换系统性能可用能效比（COP）表示。

系统能效比：

式中：QP为空气与地下管道交换热量，kW.h；WP.为风机的消耗电能，kW.h。

热量交换效率主要取决于管道的空气流量与空气在换热管道进、出口的焓差。

空气焓值计算公式为：

式中：T为温度（℃）；d为空气的含湿量（kJ/kg）。

空气含湿量：

系统白天蓄积热量Q 计算公式为：

数据处理方法

采用 Microsoft Excel 2013 和 SPSS 26.0 软件对数据进行处理与统计分析。

结果与分析

土壤-空气热交换系统对大棚气温的影响

不同天气条件下气温比较

表1 为11 月8 日～12 月10 日处理区、对照区及室外气温状况。无论晴天还是阴天，处理区昼最高和平均气温均低于对照区高于室外，晴天分别低0.7℃和0.9℃，阴天分别低0.5℃和0.7℃。处理区夜均气温均在12℃以上，夜平均气温、夜最低气温晴天较对照区分别高2.5℃和3.0℃，较室外高11.8℃和13.0℃，阴天较对照区分别高1.9℃和2.4℃，较室外高10.0℃和12.2℃。

表1 土壤-空气热交换系统对棚内气温的影响

气温的空间分布特征

处理区与对照区气温空间分布见表2。昼间，跨度方向上处理区以中部最高、南部次之、北部最低，对照区为南部最高、中部次之、北部最低；观测期内处理区和对照区水平方向温差范围晴天分别为0.51～1.01℃和0.46～1.70℃，阴天为0.45～1.52℃和0.16～1.90℃，两区水平方向气温变异系数晴天分别为2.8%和3.0%，阴天为 2.9%和3.8%；垂直方向上，随高度增加，气温先升高后降低，以3.0 m 处最高、4.5 m 处最低，其中处理区和对照区垂直方向温差范围晴天分别为0.36～0.78℃和0.23～1.20℃，阴天为0.36～0.97℃和0.30～1.12℃，两区气温变异系数晴天分别为1.3% 和1.5%，阴天为1.5% 和1.7%。

表2 土壤-空气热交换系统对气温空间分布的影响

夜间，跨度方向上处理区与对照区均表现为中部高、两侧低的特点，两者水平方向温差晴天分别为0～0.08℃和0.02～0.11℃，阴天为0.02～0.09℃和0.02～0.11℃，其气温变异系数晴天分别为0.6%和0.9%，阴天为0.5% 和0.8%；垂直方向上，随着高度增加气温逐渐降低，以1.5 m 处最高、4.5 m处最低，处理区和对照区垂直方向上温差晴天为0.01～0.06℃和0.04～0.16℃，阴天为0.03～0.06℃和0.03～ 0.14℃，其气温变异系数晴天分别为0.4%和0.6%，阴天为0.2%和0.4%。可见，无论晴天和阴天，均以处理区的气温空间分布更均匀。

土壤-空气热交换系统对大棚地温影响

不同天气条件下地温比较

不同天气条件大棚15 cm 处地温比较（表3）。无论晴天还是阴天，处理区昼间与夜间地温均显著高于对照区和室外。处理区昼平均与夜平均地温晴天较对照区分别高1.4℃和1.5℃，较室外高5.5 ℃和8.8 ℃，阴天较对照区分别高1.1℃和1.1℃，较室外高8.3℃和11.8℃。处理区最高与最低地温晴天较对照区分别高1.0℃和2.0℃，较室外高3.0℃和11.2℃，阴天较对照区高0.5℃和1.6℃，较室外高5.0℃和14.8℃。

表3 土壤-空气热交换系统对棚内地温的影响

地温空间变化特征

由图3 可以看出，昼间，跨度方向上处理区地温以中部最高、南部次之、北部最低，对照区为南部最高、中部次之、北部最低，两者水平方向地温温差范围晴天分别为 0.2～0.9℃和0.1～1.0℃，阴天分别为0.2～0.7℃和0.2～1.0℃，其地温变异系数晴天分别为2.1% 和2.9%，阴天为1.7% 和3.1%；夜间，水平方向上两者均以中部最高、南部次之、北部最低，其中处理区和对照区水平方向地温温差范围晴天分别为0.1～0.9℃、0.1～1.3℃；阴天分别为0.2～0.8℃、0.2～1.2℃，其地温变异系数晴天分别为2.2% 和3.4%，阴天为 1.9% 和3.2%。

图3 土壤-空气热交换系统对水平方向地温空间分布的影响

图4 为垂直方向10 cm、30 cm、50 cm 深度地温变化。无论晴天与阴天，处理区昼间与夜间地温以50 cm 处最高、10 cm 处最低，处理区昼间与夜间垂直方向地温温差范围晴天分别为0.4～1.4 ℃和0.1～0.3℃，阴天为0.3～0.5℃和0.1～0.3℃，其地温变异系数晴天分别为3.2%和0.7%，阴天为3.6%和0.6%；对照区晴天昼间与夜间地温都呈现50cm处最高、30cm处最低的趋势，阴天地温分布规律同处理区，对照区昼间与夜间垂直方向地温温差范围晴天分别为0.1～0.5℃和0.1～0.3℃，阴天为0.8～1.0℃和0.1～0.8℃，其地温变异系数晴天分别为1.4% 和0.7%，阴天为2.5% 和1.8%。

图4 土壤-空气热交换系统对垂直方向地温空间分布的影响

土壤-空气热交换系统能效分析

如表4 所示，晴天系统日蓄热量为308.29～372.83 MJ，平均蓄热量为331.84 MJ，日耗电量4.37～4.82 kW·h，平均耗电量4.52 kW·h，系统的能效比（COP）为16.23～20.95，平均能效比为17.84。系统阴天时蓄热时间小于晴天，日蓄热量100.89～221.04 MJ，平均蓄热量144.58 MJ，日耗电量2.99～4.24 kW·h，平均耗电量3.35 kW·h，系统的能效比（COP）为8.43～13.20，平均能效比为10.11。可见，无论晴天与阴天系统整体蓄积的热量明显高于风机运行消耗的电能，经济性较好。