外保温连栋温室光热环境及保温性能分析

陈 帆，孙维拓，禹文雅，魏晓明，周宝昌,4，李友丽，郭文忠

外保温连栋温室光热环境及保温性能分析

陈 帆1,2，孙维拓1，禹文雅3，魏晓明1，周宝昌1,4，李友丽1，郭文忠1※

（1. 北京市农林科学院智能装备技术研究中心，北京 100097；2. 宁夏大学农学院，银川 750000；3. 北京翠湖农业科技有限公司，北京 100089；4. 中国农业大学园艺学院，北京 100193）

为解决中国北方地区连栋温室冬季加温能耗大、盈利性和可持续性差等问题，该研究以降低屋面热损失为出发点，设计了大屋面外保温连栋温室，将外保温系统创新应用于连栋温室，并在山东寿光地区，以文洛型连栋温室为参照，对该温室光热环境及保温性能进行试验测试与分析。结果表明：1）连续40 d白天（10:00—16:00），外保温连栋温室作物冠层上方平均太阳辐射为152 W/m2，总透光率（含天沟下方）为40%，比文洛型连栋温室高7个百分点。外保温连栋温室跨中采光最佳，跨东、跨西及天沟下方太阳辐射强度与跨中相比分别减少17%、29%及46%。2）太阳升起后，外保温连栋温室东、西屋面外保温被依次收拢，09:30—12:00室内气温升速为1.9 ℃/h，较文洛型连栋温室低0.3℃/h，收拢保温后10 min内室内气温骤降幅度比文洛型连栋温室低0.3 ℃。温室采用空气内循环加温，地面出风，再由设备间风机组内侧窗回风；加温期间（20:00—07:00）室内空气水平方向平均温差不超过1.2℃，垂直方向不超过1.0 ℃。外保温连栋温室水平方向气温分布均匀，垂直方向温差小于文洛型连栋温室。3）夜间，外保温连栋温室平均气温为13.1～16.1 ℃，室内外平均温差为12.8～21.0 ℃，覆盖外保温被的屋面平均热通量为50.0～97.7 W/m2，单层玻璃屋面为217.6～367.9 W/m2，覆盖外保温可减少75%的玻璃屋面热损失。同期，采用双层内保温的文洛型连栋温室屋面平均热通量为141.1～232.2 W/m2，外保温连栋温室与之相比屋面热损失降低36%，具有更佳的保温性能。加温期间外保温连栋温室平均热量投入实测为74.5 W/m2，并维持17.4 ℃的室内外平均温差，能耗较低。最后拟合了室内外温差对不同温室屋面热通量的影响，外保温连栋温室具有更高的拟合优度。该研究为连栋温室低碳节能发展提供了新型温室结构，也为外保温连栋温室的优化设计和工程应用提供了数据基础。

温室；温度；环境；保温；太阳辐射；空气温度；热通量

0 引 言

作为大型温室的代表，连栋温室是中国设施园艺产业的重要设施结构类型。连栋温室土地利用率高、环境调控能力强、适宜机械化作业，可实现全过程自动化生产和智能化控制，提高劳动生产率，适合企业化、规模化经营。20世纪70年代以来，中国引进了荷兰文洛型小屋顶玻璃温室、美国双层充气塑料膜温室、以色列圆拱形和锯齿形塑料膜温室以及日本塑料板温室等温室类型，在消化吸收的基础上进行创新开发，逐渐形成自主技术体系，至2000年连栋温室自主生产率达70%[1-4]。截至2018年底，全国连栋温室面积已超过54 000 hm2[5]。尤其是在当前国家大力发展现代农业、促进乡村振兴的关键时期，很多地区涌现出完全复制“荷兰模式”的大型连栋玻璃温室项目，连栋温室产业进入发展窗口期。

然而，荷兰文洛型连栋温室及配套技术体系只在具有温带海洋性气候的荷兰和比利时获得成功，该地区周年温度在-5 ～30 ℃范围变化，温室冷、热负荷低[6-7]。中国气候四季分明，在北方地区连栋温室冬季生产加温能耗巨大，投入高但盈利差，严重威胁连栋温室产业可持续发展。例如，北京地区连栋温室冬季加温成本占年运行总成本的40%以上[8]。节能降耗，尤其是降低冬季加温能耗，是中国连栋温室产业破解发展困局的关键。

温室加温节能方法主要包括温室结构及组件优化设计[9-12]，温室环境优化管理[13-16]，以及利用可再生能源或节能技术开发供暖系统[17-19]。其中，温室优化设计可以降低温室热损失与热负荷，从源头降低能耗。研究表明70%以上的温室热量是通过屋面散失的[20]，降低连栋温室屋面热损失有利于降低温室能耗。目前，内保温可保证在冬季夜间节能20%以上，是连栋温室降低屋面热损失最常用的措施[21]；增加内保温层数可以提高温室保温能力[22-23]。然而，内保温的使用对于保温幕密闭性要求高，在生产中保温幕模块之间难以无缝衔接，造成上下层空气混合，保温效果不理想。同时，受制于折叠收放工艺，内保温幕材质一般较薄，热阻值低，节能效果有限。因此，在双层内保温已成为中国北方地区连栋温室标配的情况下，加温能耗问题依旧突出，现有保温措施有很大优化提升空间。

日光温室保温蓄热能力突出，低碳节能，原因之一是拥有独具特色的外保温被[24]，其使用能够降低60%左右的温室热损失[25]。外保温被安装于温室外部，其规格与材质选择较灵活，可铺卷厚型保温被，能与温室屋面紧密贴合，有更大潜力提高温室保温隔热性能。

因此，该研究以降低屋面热损失为出发点，设计了大屋面外保温连栋温室，将外保温系统创新应用于连栋温室，并对外保温连栋温室光热环境特征进行重点解析，同时以传统文洛型连栋温室为参照，评价温室保温性能，以期为外保温连栋温室的优化设计、模拟控制及工程应用提供数据基础与应用参考。

1 材料与方法

1.1 外保温连栋温室设计理念

由北京市农林科学院智能装备技术研究中心自主研发的外保温连栋温室（示意图见图1），具体设计思路如下：

1）大屋面

温室采用大屋面设计，主要为了实现外保温被的安装与使用。大屋面设计还有利于实施外遮阳网分屋面动态控制，在降温的同时保证充足光照；能够形成更高的屋脊，提高温室热环境缓冲能力。

2）下沉式

温室内地面采用下沉式设计，低于地平面80～100 cm，有助于提高温室保温、蓄热能力。

3）三玻两腔立面

温室四周立面采用三玻两腔玻璃构筑，与普通中空玻璃相比，牺牲少许透光率，大幅提升热阻值，可节省侧保温安装。

4）外保温

在温室南北走向的天沟处安装滑动平铺式外保温被，大幅降低冬季采暖热负荷。同时，通过配置智能控制系统，可根据太阳方位角变化对东西屋面外保温进行分时控制，有更大空间权衡温室采光与保温，节本增效。

5）正压通风

温室采用正压通风，从源头控制空气质量，提高温室环境综合调控能力；同时打破单体温室尺寸限制，避免温室内设置大量隔断，有利于规模化、机械化生产作业。

1.2 试验温室及对照温室概况

试验温室为外保温连栋温室（G1），位于山东省寿光市智慧农业科技园（36°54′N，118°52′E）。温室总面积8 484.6 m2，南北走向，跨度12.0 m，一跨内一个屋脊，跨间天沟1.6 m，共计12跨，温室东西总长163.2 m，南北总长52.0 m，温室北侧为设备间，宽8.0 m；温室肩高6.1 m，脊高8.6 m，下沉1.0 m，水平面以上基础墙高0.85 m，屋面倾角23°；温室四周围护结构为三玻（3 mm×5 mm）两腔（2 mm×6 mm）钢化中空玻璃，顶部覆盖为5 mm漫散射单层钢化玻璃；天沟为50 mm聚苯板外覆镀锌钢板；外保温被材料为双层PE编织布夹8 mm聚乙烯发泡棉及200 g/m2喷胶棉，总厚度约35 mm。温室配套外保温系统、外遮阳系统、正压通风温室环境综合调控系统及高压喷雾等系统设备。

对照温室为文洛型连栋温室（G2），位于山东省寿光市蔬菜小镇，与G1直线距离约11 km。温室总面积3 948 m2，南北走向，跨度12.0 m，一跨内3个屋脊，共21跨，开间8.0 m，温室东西总长84.0 m，南北总长47.0 m；温室肩高7.0 m，脊高8.0 m，屋面倾角23°；温室四周覆盖为（5+6+5）mm中空钢化玻璃，基础墙高0.5 m，顶部覆盖为5 mm散射钢化玻璃；天沟采用中空铝材料。温室配套外遮阳系统、双层内保温系统、侧保温系统、补光灯、天然气锅炉管道加温系统、湿帘风机降温系统及高压喷雾等系统设备。

试验测试期间，两栋温室种植作物均为番茄，G1在10月定值，次年6月拉秧；G2一年种植2茬，第一茬2月上旬定植，第二茬7月上旬定植。

注：冬季夜间温室覆盖外保温被，采用空气内循环加温，地面出风。白天收拢外保温被，适时开启顶开窗自然通风。

1.3 温室管理

2022年1月13日至2月21日对温室光热环境及保温性能进行试验测试。G1在07:30—08:00收拢东侧屋面外保温被，08:00—09:00收拢西侧，16:30—17:00覆盖外保温被，根据天气变化适当调整收拢与覆盖时间。外保温被与温室屋面紧密贴合，由于机械结构及设计工艺问题，顶开窗存在阻挡保温被行进的潜在风险，因此在测试期间为避免运行故障，外保温被最高覆盖位置设定为顶开窗下沿，实际覆盖面积约占屋面的80%；自2022年1月21日起，外保温被实际覆盖面积约占屋面的60%。雪天出于雪荷载的考虑，温室夜间不覆盖外保温被。根据温室热负荷空间分布，7台风机分3组进行变频控制。当夜间室内气温下降至12℃左右开启风机进行温室加温，风机频率根据室内温度环境在20～45 Hz范围内做调整，一般夜间调整2～3次，次日09:00—10:00关闭风机。15:30—16:00开启风机进行温室臭氧消毒，消毒时长20～30 min。每跨启用东侧或西侧屋面窗户，适时开启顶开窗通风换气，根据天气变化调整开闭时间，开启时间为09:00—10:00，开启角度约为25°，顶开窗关闭时间为14:00—15:00，室内温度过低则不开启。

G2采用自动化操作管理，07:30收拢温室顶部双层内保温和侧墙内保温，17:00—17:30覆盖。温室使用天然气锅炉进行管道加温，供暖时间为20:00至次日09:00，根据天气变化调整供暖时长。温室顶开窗开启时段为11:30—14:00，开启角度约为25°。

1.4 试验仪器与测点布置

1.4.1 试验仪器

温室内空气及风机进出风处温湿度采用美国Onset公司生产的HOBO U14-001型温湿度记录仪测量，温、湿度传感器精度分别为±0.2 ℃和±2.5%；温室内气温分布采用铜康铜T型热电偶测量，精度为±0.2 ℃，测量范围为-20～70 ℃，连接TestoT176型温度记录仪记录；温室内太阳辐射采用荷兰Kipp&Zonen公司生产的CMP6太阳辐射传感器测量，灵敏度为5～20 μV/W/m²，测量范围为0～2 000 W/m2；采用荷兰Hukseflux公司生产的HFP01SC热通量传感器测量玻璃屋面及天沟热通量，灵敏度为50 μV/W/m²，测量范围为-2 000～2 000 W/m2；数据采集仪采用美国Campbell公司生产的CR1000，用于自动记录热通量与太阳辐射值。

室外气象参数采用美国Onset公司生产的HOBO U30小型自动气象站测量，气象参数包括室外空气温、湿度传感器：测量精度分别为±0.2 ℃和±2.5%，测量范围分别为-40～75 ℃和0%～100%；风速风向传感器：测量精度为±1.1 m/s，测量范围为0～45 m/s；太阳总辐射传感器：测量精度为10 W/s，测量范围为0～1 280 W/m2。

选用德国Testo公司生产的Testo 890-2红外热像仪获取温室屋面热图像，测量表面温度分布。

温、湿度传感器做防辐射处理。所有设备仪器自动采集数据时长间隔为5 min。

1.4.2 测点布置

1）温室内温、湿度及风机进出口温度测点采用HOBO传感器，G1共计7个，G2共计5个。

2）温室内气温垂直分布、玻璃屋面及天沟温度测点采用铜康铜T型热电偶，G1共计12个，G2共计9个。

3）温室内太阳辐射测点，G1共计4个，G2共计2个。

4）温室内玻璃屋面及天沟热通量测点，G1共计4个，G2共计2个。

室内环境及热通量测点布置详见图2。气象站安装于外保温连栋温室附近空旷处。

注：太阳辐射测点，热通量测点，HOBO温湿度测点，热电偶测点。G1、G2分别为外保温连栋温室与文洛型连栋温室。

2 结果与分析

2.1 温室太阳辐射

2.1.1 温室透光率

太阳辐射是影响温室光、热环境的重要因素，准确获取太阳辐射值和变化规律，在温室设计、环境调控和作物生产管理中具有重要的指导意义[26-28]。由于保温被根据天气变化调整收拢与覆盖时间，为排除保温措施干扰，便于统计分析与对比温室各项环境、热通量及能耗数据，在下文中，若无具体限定，白天统计时段为10:00 —16:00，夜间为20:00—次日07:00。图3所示为两栋温室连续40 d收拢外保温被期间的平均太阳辐射。白天保温全收拢期间，G1作物冠层上部平均太阳辐射为152 W/m2，较G2高27 W/m2。天沟下方辐射，G1总透光率为40%，不含天沟下方为42%，分别比G2总透光率高7和9个百分点。可能的原因包括：G1外保温被紧贴屋面，在运行过程中会摩擦清扫屋面的灰尘，有利于透光；G1采用大屋面设计，外保温被与外遮阳均收拢于天沟上部，呈南北向安装，无内保温及内遮阳，避免了遮阴累加，且随着太阳方位角的变化，室内南北遮阴带可以东西移动，室内光照分布均匀（图4a）；而G2外遮阳与室内双层内保温幕均采用折叠收放工艺，通常每隔4.0 m布置一组，即使在完全收拢状态下也会形成稠密的阴影带（图4b）。此外，玻璃材质及老化程度等也会影响温室透光率。测试期间G1每日平均最高透光率（含天沟下方）为50%，比G2提高了15个百分点；中午前后（11:00—13:00）太阳辐射较强烈，连续40 d G1平均透光率为38%，较G2高3个百分点。

图3 温室白天平均太阳辐射

图4 温室遮阴示意图

2.1.2 室内太阳辐射分布

G1作物冠层上部，跨西、跨中、跨东和天沟下方各处平均太阳辐射分别为133.7、187.5、155.1和101.9 W/m2。受天沟影响，G1跨中采光最佳，与跨中相比，跨东、跨西及天沟下方接收太阳辐射强度分别减少17%、29%及46%。G1东西方向辐射分布存在差异，可能的原因是太阳辐射数据统计上午时段短于下午时段，与跨西相比，跨东受相邻天沟遮阴时间较短（图5a）。G2作物冠层上部，跨西和跨东平均太阳辐射分别为125.1和128.5 W/m2，差异仅为3.4 W/m2（图5b）。与G1相比，G2东西方向太阳辐射分布更加均匀。

2.2 温室气温

2.2.1 室内平均气温

气温是影响作物生长发育的重要环境因素，掌握气温总体变化、升速及空间分布等对于温室节能降耗、作物高产具有积极意义[29-30]。由图6可知，白天温室密闭且保温全收拢期间，G1连续40 d平均气温为20.7 ℃，G2为21.7 ℃，两栋温室白天平均气温差异不大。夜间，正压通风内循环加温系统配合外保温被可将G1平均气温控制在14.5 ℃，天然气锅炉管道加温配合双层内保温可将G2平均气温控制在15.1 ℃，两栋温室均可满足作物夜间气温需求。

2.2.2 气温升速

图7a为两个温室气温升速，上午太阳升起后，随着东、西屋面外保温被依次收拢，G1在09:30—12:00气温升速为1.9 ℃/h，比G2低0.3 ℃/h。可能的原因是G1西侧屋面外保温收拢较晚，但G1收拢东侧屋面外保温后10 min内室内气温骤降幅度比G2低0.3 ℃。因此，外保温连栋温室分时收拢外保温有利于缓解气温骤降问题（图7b）。

图5 温室太阳辐射分布规律

图6 温室内平均气温

2.2.3 气温空间分布

G1采用正压通风内循环加温，地面出风，再由设备间风机组内侧窗回风，主要采取对流换热加温。温室覆盖外保温且加温期间，室内空气水平方向最大平均温差不超过1.2 ℃，气温分布均匀（表1）；空气垂直方向最大平均温差不超过1.0 ℃，距离地面1.0 m处平均气温为14.8℃，随地面高度的增加气温依次降低，距离地面6.0 m处平均气温为13.8 ℃（表2）；由于温室内热气向上运动，距地面7.0 m处气温略有回升，比6.0 m处平均气温高0.5 ℃。白天温室密闭且保温全收拢期间，室内空气水平方向气温分布均匀；垂直方向最大平均温差为3.8 ℃，距离地面1.0 m处平均气温为19.2 ℃，随距地面高度的增加气温逐渐升高，距离地面6.0 m处平均气温升至最高23.0 ℃，然后开始下降，7.0 m处平均气温比6.0 m处低1.6 ℃。

注：图b为温室收拢保温措施10 min内气温变化

G2采用暖气管道散热片加温，主要采取辐射换热。G2覆盖保温幕且加温期间，水平方向空气最大平均温差不超过0.9 ℃，气温分布均匀（表1）；夜间空气垂直方向最大平均温差为5.3 ℃，平均气温由低到高依次为8.0、7.0、2.0、3.0、4.0、1.0、5.0 m；5.0 m处由于靠近加温管道，气温最高；8.0 m处位于双层内保温幕的上方，靠近玻璃屋面气温最低（表2）。白天温室密闭且保温全收拢期间，水平方向室内气温分布均匀；垂直方向最大平均温差为4.5 ℃，平均气温由低到高依次为1.0、2.0、7.0、5.0、8.0、4.0、3.0 m；受作物生长活动、温室结构、设备布局及生产管理等影响，G2白天垂直方向气温分布无规律。两栋温室在水平方向气温分布均匀，垂直方向分布存在差异。

2.3 温室空气湿度

湿度间接影响作物生长发育，温室内相对湿度较高，易造成屋面内表面结露，降低温室透光率，同时引发病虫害[31]。白天收拢外保温且温室密闭期间，室外平均相对湿度为25%～80%，G1平均相对湿度为69%～87%；夜间覆盖外保温且加温期间，室外平均相对湿度为39%～88%，G1为79%～89%，室内长期处于高湿状态（图8）。可通过安装集露槽，优化温室集露槽设计及安装工艺，将屋面凝结的水珠及时彻底地转运清除，可防止结露滴落至室内地面或植株叶片，有效降低室内相对湿度，改善作物生长环境。

表1 温室内水平方向气温分布

注：表1中数据为2022年1月13日至2月21日平均气温。

Note: The data in table 1 are the average air temperature from January 13 toFebruary 21, 2022.

表2 温室内垂直方向气温分布

注：表2中G1数据为2022年1月13日至2月21日平均气温，G2数据为2022年2月17日至2月28日平均气温。

Note: The G1 data in table 2 are the average air temperature from January 13 toFebruary 21, 2022, and the G2 data are the average air temperature from February 17 toFebruary 28, 2022.

图8 温室平均相对湿度

2.4 屋面热通量

2.4.1 夜间热通量分析

连续40 d夜间覆盖外保温且加温期间，G1平均气温为13.1～16.1 ℃，室内外平均温差为12.8～21.0 ℃。G1覆盖外保温被屋面平均热通量为50.0～97.7 W/m2，单层玻璃屋面为217.6～367.9 W/m2，覆盖外保温被可减少玻璃屋面热损失75%。同期，采用双层内保温的G2屋面平均热通量为141.1～232.2 W/m2，G1与之相比屋面热损失降低36%。鉴于两温室平均温差不超过0.6 ℃，因此与传统连栋温室相比，本研究的外保温连栋温室具有更佳的保温性能（图9）。连续40 d加温期间G1平均热量投入实测为74.5 W/m2，并维持17.4 ℃的室内外平均温差，耗能较低（图10）。SUN等[8]预测寿光地区外保温连栋温室热负荷为98.2 W/m2，此实测热量投入与之相符。需要说明的是，测试期间G1屋面外保温被实际覆盖面积约60%～80%；可以预见，当连栋温室外保温被全面覆盖温室屋面，G1节能性将更加突出。

2.4.2 室内外温差对温室屋面热通量的影响

对于给定材质与规格的温室屋面，室内外温差是影响屋面热通量的关键因素之一[32-33]。图11为室内外温差对G1覆盖外保温被玻璃屋面、单层玻璃屋面及G2玻璃屋面热通量的影响。由图11可知，随着室内外温差增大热通量变大，即屋面热损失变大；3种屋面热通量与室内外温差均存在显著的相关性（值均为0）。G1覆盖外保温被玻璃屋面及单层玻璃屋面热通量与室内外温差的拟合优度（0.511 7及0.529 6）高于G2玻璃屋面（0.361 9）。可能的原因是G1玻璃屋面紧密贴合外保温被，形成的多层覆盖材质特性、传热性能较稳定，因此相关性较好；而G2室内空气与室外空气间存在玻璃屋面及双层内保温，形成的多层覆盖内部空气扰动混合，传热性能不稳定。

图9 温室屋面及天沟夜间平均热通量

图10 外保温连栋温室热量投入

a. 覆盖外保温被的玻璃屋面b. 单层玻璃屋面c. 双层内保温幕的玻璃屋面 a. Glass roof covered with external thermal blanket b. Single-layer glass roofc. Glass roof with double-layer indoor thermal screens

2.5 温室屋面红外热图像

图12为G1部分覆盖外保温被后玻璃屋面气温分布情况。覆盖外保温被玻璃屋面内表面温度较高，最高达13.0 ℃，未覆盖外保温被玻璃屋面内表面温度较低，最低温度为4.0 ℃。覆盖外保温被玻璃屋面比未覆盖外保温被玻璃屋面温度高，原因是温室覆盖外保温后屋面热阻值大幅提高，进而减少屋面内表面向外表面传热，使屋面内表面与室外环境能够形成更大温差。图12拍摄时间为2022年2月18日19:05，此时G1覆盖外保温被屋面热通量为38.9 W/m2，单层玻璃屋面为166.8 W/m2，覆盖外保温被可减少玻璃屋面热损失77%。因此，温室覆盖外保温被保温隔热效果明显。

图12 外保温连栋温室屋面红外热成像

2.6 典型天气室内环境变化特征

2.6.1 典型天气光热环境变化

图13a为晴天G1室内气温、相对湿度和太阳辐射的变化。07:30收拢东侧屋面外保温被，此时室外太阳辐射为19.4 W/m2，室内气温为13.6 ℃。10 min后室内气温上升0.1 ℃，未出现气温骤降现象，其原因是西侧屋面外保温未收拢，在保证太阳辐射从东侧屋面进入温室的同时，减少了温室热损失，温室得热大于失热。随着太阳辐射逐渐增加，07:30—09:30室内气温逐渐升高，气温升速为1.8 ℃/h。09:30收拢西侧屋面外保温被，此时室内太阳辐射达到62.8 W/m2，气温为17.6 ℃。外保温全收拢且密闭期间（09:30—12:00）气温升速为3.0 ℃/h，升温速度较未完全收拢外保温时段快。12:50温室气温最高26.0 ℃，此时太阳辐射也达到最大为173.2 W/m2，同时空气相对湿度降至最低为75%。16:30覆盖外保温被，室内气温逐渐下降，19:45室内最低气温为12.2 ℃，此时相对湿度最高为93%。20:00开启加热，室内气温逐渐升高，相对湿度逐渐下降。

图13b为雪天G1室内气温、相对湿度和太阳辐射的变化。09:00同时收拢东、西两侧屋面外保温被，此时室外太阳辐射为58.1 W/m2，室内气温为16.2 ℃，无骤降现象，升温缓慢。09:30开始降雪，室内气温下降，从10:10开始气温回升，至11:35室内气温达到最高值16.8 ℃，此时太阳辐射也达到最大87.9 W/m2。16:00覆盖外保温被，此时气温下降至最低为12.9 ℃，同时，室内空气相对湿度最高为93%。18:00温室开启加温，室内气温上升，相对湿度降低。

图13 典型天气外保温连栋温室光热环境变化

2.6.2 典型天气热通量变化

在晴天（图14a），07:10 G2收拢双层内保温幕，玻璃屋面热通量上升了36%；07:40 G1收拢东侧屋面外保温被，覆盖外保温被玻璃屋面热通量上升了60%，单层玻璃屋面热通量下降了10%。原因是G2随着双层内保温幕的收拢，室内热空气上升，导致玻璃屋面两侧温差增大，热通量上升；G1收拢东侧屋面外保温被，屋面热阻值下降；同时，G1室内气温下降，室内外温差降低，单层玻璃屋面热通量下降。16:00 G1覆盖外保温被，屋面热通量骤降84%后逐渐稳定，单层玻璃屋面在覆盖外保温被后热通量下降明显。G2在16:30覆盖双层内保温幕，玻璃屋面热通量骤降36%，17:00温室加温开启，热通量总体呈上升趋势。19:30 G1加温开启，覆盖外保温被玻璃屋面、单层玻璃屋面热通量逐渐上升，随后在22:30左右随室外环境变化热通量开始下降。

在雪天（图14b），07:10 G2收拢双层内保温幕，热通量上升到最高为215.7 W/m2后逐渐下降，此时G1覆盖外保温被的玻璃屋面热通量为81 W/m2。09:00 G1同时收拢东、西两侧屋面外保温被，之前覆盖外保温被的玻璃屋面热通量升高了70%，一直为单层玻璃的屋面下降了27%，原因同晴天。16:00 G1覆盖外保温被，覆盖外保温被的玻璃屋面热通量骤降至49.4 W/m2，单层玻璃屋面热通量逐渐上升，18:15上升到233.6 W/m2后逐趋于稳定。

图14 典型天气条件下热通量的变化

3 结 论

本研究以降低屋面热损失为出发点，创新温室结构，设计建造了外保温连栋温室，通过试验研究得出以下结论：

1）外保温连栋温室在外保温被全收拢时总透光率为40%，比同地区文洛型连栋温室高7个百分点，跨中采光最佳，跨东、跨西及天沟下方太阳辐射强度与跨中相比分别减少17%、29%及46%。

2）外保温连栋温室在09:30—12:00温升速为1.9 ℃/h，略低于文洛型连栋温室，但收拢保温后10 min内室内气温骤降幅度比文洛型连栋温室低0.3 ℃。外保温连栋温室水平方向气温分布均匀；垂直方向平均温差在白天温室密闭且外保温全收拢期间（10:00—16:00）不超过3.8 ℃，在覆盖外保温且加温期间（20:00—07:00）不超过1.0 ℃，小于文洛型连栋温室。

3）2022年1月13日至2月21日，温室夜间加温期间外保温连栋温室平均气温为13.1～16.1 ℃，室内外平均温差为12.8～21.0 ℃。覆盖外保温被的屋面平均热通量为50.0～97.7 W/m2，单层玻璃屋面为217.6～367.9 W/m2，覆盖外保温被可减少屋面热损失75%。同期，采用双层内保温的文洛型连栋温室玻璃屋面平均热通量为141.1～232.2 W/m2，外保温连栋温室与之相比屋面热损失降低36%，具有更佳的保温性能。连续40 d外保温连栋温室平均热量投入实测为74.5 W/m2，并维持17.4 ℃的室内外平均温差，耗能较低。

该研究是对国产化低能耗大型连栋温室发展道路的创新探索，为设施园艺低碳生产提供了新路径。随着连栋温室外保温被机械结构设计与配套技术工艺愈发成熟，外保温连栋温室在中国北方地区将具有更广阔的应用前景。

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Analyzing light and thermal environment and insulation performance of a multi-span greenhouse with external insulation

CHEN Fan1,2, SUN Weituo1, YU Wenya3, WEI Xiaoming1, ZHOU Baochang1,4, LI Youli1, GUO Wenzhong1※

(1.,,100097,;2.,,750000,;3..,.,100089,;4.,,100193,)

Large-scale greenhouse can be expected to serve as the future direction in the horticulture industry. However, the multi-span greenhouses can consume a large amount of energy for heating in winter in northern China, resulting in low profitability and sustainability. In this study, a multi-span greenhouse was designed with large roofs and external insulation, in order to reduce the heat loss of the greenhouse roof. The external insulation system was innovatively applied to the multi-span greenhouse. The greenhouse design was expected to improve thermal insulation performance and reduce heating energy consumption. A field test was carried out in Shouguang, Shandong Province, China. Taking the Venlo-type multi-span greenhouse in the same area as a reference, a systematic investigation was made on the light and thermal environment, thermal insulation performance of the multi-span greenhouse with external insulation. The experimental data were analyzed from continuous 40 winter days. The results show that: 1) The average solar radiation was 152 W/m2above the crop canopy inside the tested greenhouse during the day (10: 00-16: 00), and the total light transmittance was 40%, which was 7 percentage points higher than that of Venlo type multi-span greenhouse. The best daylighting was found in the middle of the greenhouse span, due to the influence of the gutter. The solar radiation intensity at the east and west of the greenhouse span and under the gutter was reduced by 17%, 29%, and 46%, respectively, compared with the middle. 2) There was the folded in turn for the external thermal blankets covering the east and west greenhouse roofs after the sun rose. Specifically, the indoor air temperature rose at 1.9 ℃/h from 09:30 to 12:00, which was 0.3 ℃/h slower than that of the Venlo-type one. However, the sudden drop in the air temperature of the multi-span greenhouse with the external insulation was reduced by 0.3℃ within 10 min after folding insulation devices. The tested greenhouse was heated by the internal air circulation, with the air coming out from the ground and then returning to the equipment room through the inner side windows. During the heating period (20:00-07:00), the average temperature difference of indoor air in the horizontal direction did not exceed 1.2 ℃, without exceeding 1.0 ℃ in the vertical direction. The uniform distribution was observed in the horizontal temperature of the multi-span greenhouse with the external insulation. The vertical temperature difference was smaller than that of the Venlo-type one. 3) The average air temperature at nighttime inside the multi-span greenhouse with external insulation ranged from 13.1 to 16.1 ℃, and the average temperature difference between indoor and outdoor air was 12.8-21.0℃. The average heat flux of the glass roof that was covered with the external thermal blanket was 50.0-97.7 W/m2, while the single-layer glass roof was 217.6-367.9 W/m2. The greenhouse covering with the external thermal blanket was reduced by 75% in the heat loss of the glass greenhouse roof. At the same time, the average heat flux was 141.1-232.2 W/m2in the Venlo-type one with double-layer indoor thermal screens in use. The roof heat loss of the multi-span greenhouse with the external insulation was reduced by 36%, indicating a better insulation performance. The mean heat energy input of the multi-span greenhouse with external insulation was measured to be 74.5 W/m2during the heating period, maintaining an average temperature difference between indoor and outdoor air of 17.4 ℃. Thus, the energy consumption of heating the multi-span greenhouse with the external insulation was low. Finally, the fitted influence of indoor and outdoor air temperature differences on the heat fluxes of greenhouse roofs was presented, and the tested greenhouse showed better goodness of fitting. This finding can provide a new type of greenhouse structure for the low-carbon and energy-saving production of multi-span greenhouses. A data basis can also be offered for the optimal design and engineering application of the multi-span greenhouse with external insulation.

greenhouse; temperature; environment; thermal insulation; solar radiation; air temperature; heat flux

10.11975/j.issn.1002-6819.202212081

S625.5；S26+1

A

1002-6819(2023)-06-0194-10

陈帆，孙维拓，禹文雅，等. 外保温连栋温室光热环境及保温性能分析[J]. 农业工程学报，2023，39(6)：194-203.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212081 http://www.tcsae.org

CHEN Fan, SUN Weituo, YU Wenya, et al. Analyzing light and thermal environment and insulation performance of a multi-span greenhouse with external insulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(6): 194-203. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212081 http://www.tcsae.org

2022-12-12

2023-01-20

北京市乡村振兴科技项目（20220716；20221230-02）；现代农业产业技术体系北京市创新团队项目（BAIC08-2022）；国家农业信息化工程技术研究中心寿光试验站项目（QDJY-2019-030）

陈帆，研究方向为设施园艺环境工程。Email：chenfan_nercita@163.com

郭文忠，研究员，研究方向为设施园艺工程与智能装备。Email：guowz@nercita.org.cn