皖北地區(qū)裝配式節(jié)能日光溫室的溫光性能試驗(yàn)研究

吳照學(xué)，楊迎春，王 強(qiáng)

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 20036)

皖北地區(qū)裝配式節(jié)能日光溫室的溫光性能試驗(yàn)研究

吳照學(xué)，楊迎春，王 強(qiáng)

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 20036)

為了克服傳統(tǒng)溫室存在的光照和溫度分布不均勻、難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制以及保溫和防濕效果不好等問(wèn)題，選用裝配式彩鋼板保溫節(jié)能日光溫室進(jìn)行研究.溫室的骨架形狀為半圓弧形，外圍的覆蓋材料為玻璃棉彩鋼板，并且玻璃棉彩鋼板可以在溫室的頂部和兩側(cè)山墻處滑動(dòng).采用水循環(huán)蓄放熱系統(tǒng)和空氣-地中蓄放熱系統(tǒng)，跨度為12米，脊高為5.5米，長(zhǎng)度為80米，能夠有效提高日光溫室的冬季溫度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)日光溫室構(gòu)件生產(chǎn)和裝配的標(biāo)準(zhǔn)化.

日光溫室；溫室結(jié)構(gòu)；溫光性能

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，我國(guó)日光溫室的發(fā)展不斷更新，并且對(duì)日光溫室的需求量越來(lái)越大，對(duì)日光溫室的結(jié)構(gòu)和功能提出了更高的要求，創(chuàng)造節(jié)能型的日光溫室成為了當(dāng)前日光溫室主要的發(fā)展趨勢(shì)[1].到目前為止，我國(guó)日光溫室主要類(lèi)型為塑料大棚、日光溫室以及大連體玻璃溫室三種.塑料大棚的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但是存在著保溫蓄熱方面的問(wèn)題，不能夠滿足冬季北方地區(qū)蔬菜的生長(zhǎng)條件[2].玻璃溫室雖然穩(wěn)定性較強(qiáng)，且抗風(fēng)雪能力和采光能力較強(qiáng)，但是價(jià)格昂貴，能源消耗量過(guò)大.日光溫室由于其采光、保溫性能良好以及節(jié)能效果強(qiáng)，成為北方地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)的主要生產(chǎn)方式之一，在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的生產(chǎn)中起著十分重要的作用[3].隨著研究的不斷深入，新型裝配式節(jié)能日光溫室的出現(xiàn)有效地解決了傳統(tǒng)日光溫室的缺點(diǎn)，將太陽(yáng)的輻射作為熱源，水作為傳熱蓄熱的介質(zhì)，極大地完善了日光溫室的溫光性能[4].

1 結(jié)構(gòu)選型與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室系統(tǒng)

試驗(yàn)溫室位于安徽省北部的蚌埠市某一蔬菜瓜果基地，該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候.季風(fēng)明顯，四季分明，氣候溫和，雨量適中，適合作為蔬菜的研究基地.該溫室的骨架形狀為半圓弧形，外圍的覆蓋材料為玻璃棉彩鋼板，玻璃棉彩鋼板能夠在溫室的頂部以及兩側(cè)的山墻來(lái)回移動(dòng)，采用水循環(huán)蓄放熱系統(tǒng)和空氣—地中蓄放熱系統(tǒng).其基本參數(shù)如表1所示.

表1 試驗(yàn)溫室各項(xiàng)參數(shù)

圖1 水循環(huán)系統(tǒng)的效果圖

試驗(yàn)溫室的墻體采用后墻結(jié)構(gòu)支撐，白天利用水循環(huán)系統(tǒng)，將樹(shù)池中的水輸送到頂部的采光板釋放熱量，進(jìn)而促進(jìn)溫室夜間的溫度升高[5].水作為蓄熱的介質(zhì)，方便且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，大大降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本.具體的工作流程如圖1所示.在夜間啟動(dòng)水循環(huán)系統(tǒng)，水池中的水得到太陽(yáng)輻射蓄積的熱量，在夜間溫度下降時(shí)通過(guò)采光板集中向溫室放熱，這樣避免夜間日光溫室的氣溫下降，保障了溫度的適宜性.

新型的裝配式節(jié)能日光溫室采用的半圓弧形結(jié)構(gòu)，溫室的脊高又位于溫室的正中央，所以新型溫室的前屋面角要比傳統(tǒng)溫室的前屋面角大很多.本試驗(yàn)中，新型溫室的前屋面角為 41.5°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)土墻溫室 25.2°.如圖2所示.主要考慮了兩個(gè)方面的因素：一是根據(jù)北緯 32°57'(蚌埠地區(qū)的緯度)夏至?xí)r的太陽(yáng)高度角及其后屋面的投影，二是溫室內(nèi)部的栽培空間大小.日光溫室的前屋面采光角一直是近30多年來(lái)人們優(yōu)化日光溫室結(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn)，從合理屋面角到最佳屋面角，前屋面角不斷增大，提高了 10°左右.要想增加日光溫室的光照，就必須增加前屋面的角度及脊高.

圖2 新型溫室側(cè)立剖面圖

對(duì)照溫室采用III型土墻日光溫室，溫室的凈跨度為7米，脊高為3.3米，后墻高度為2.5米，后墻和山墻底部的寬度為3米，頂部的寬度為1米，采光角度為25.2°，水平投影長(zhǎng)度為1.5米.室外保溫采用的是草簾和棉被覆蓋保溫.

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 溫度測(cè)試方法

氣溫測(cè)量采用溫度記錄儀(型號(hào)：美國(guó)OMEG公司全新1/8 DIN DPi1701)；地溫測(cè)量采用鐵套直角地溫計(jì)測(cè)量，主要是測(cè)量土壤的溫度.測(cè)量?jī)煞N溫室條件下的氣溫分布情況，選擇冬至日作為測(cè)量日，上午八點(diǎn)半將同時(shí)打開(kāi)兩個(gè)溫室的保溫板，同時(shí)將循環(huán)水泵打開(kāi)進(jìn)行蓄熱，下午四點(diǎn)半關(guān)閉水泵，下午5點(diǎn)蓋上保溫板.每隔30分鐘測(cè)量一次溫度.

東西走向溫度測(cè)量：將試驗(yàn)溫室設(shè)為A，對(duì)照溫室設(shè)為B，在離地面1米的高度東西方向上，A溫室選擇三點(diǎn)，為A1、A2和A3，測(cè)量距離東側(cè)山墻3米處、中間以及距離西側(cè)山墻3米處的溫度.對(duì)照溫室B采取同樣的方法測(cè)量，取各個(gè)點(diǎn)的平均溫度.

南北走向溫度測(cè)量：選擇南北方向上的3個(gè)點(diǎn)為A1*、A2*和A3*選擇距離骨架2米處、中間點(diǎn)以及后墻2米處進(jìn)行測(cè)量，對(duì)照溫室B選擇同樣的方法測(cè)量，取各個(gè)點(diǎn)的平均測(cè)量溫度.

1.2.2 室內(nèi)光照的測(cè)量

在上午十點(diǎn)整、十二點(diǎn)整以及下午的兩點(diǎn)整對(duì)兩種日光溫室的光照進(jìn)行測(cè)量.在南北方向上測(cè)量距離溫室前膜1米處、每隔1米以及高度1米的位置測(cè)量光度，A溫室的測(cè)量點(diǎn)為：A1～A11，B溫室的測(cè)量點(diǎn)為B1～B6，取光照的平均值.

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)日光溫室與對(duì)照溫室保溫效果分析

2.1.1 東西走向不同點(diǎn)溫度分析

從圖中可以看出A溫室的三個(gè)測(cè)量點(diǎn)A1、A2和A3隨著時(shí)間的變化溫度顯著升高，并且在下午1點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大值.在上午10點(diǎn)整到12點(diǎn)30分時(shí)A1點(diǎn)的散熱量較大，溫度明顯低于其他兩點(diǎn).在其他時(shí)間內(nèi)，A1的溫度明顯低于其他兩點(diǎn)，說(shuō)明A溫室的總體溫度處于穩(wěn)定的狀態(tài)，在東西方向的溫度分布較為均勻.而B(niǎo)溫室的三個(gè)測(cè)量點(diǎn)在下午1點(diǎn)之前，溫度有所升高，但是下午4點(diǎn)30分以后，溫度逐漸降到最低.另外，B溫室的三個(gè)點(diǎn)溫度分布呈現(xiàn)明顯的不均勻，且沒(méi)有穩(wěn)定的變化.東西方向的溫差最大為4℃.

圖3 A和B溫室東西走向不同點(diǎn)溫度

2.1.2 南北走向不同點(diǎn)溫度分析

在南北方向上，白天的上午10點(diǎn)整和下午的2點(diǎn)整，A1*和A2*的溫度較高，受到太陽(yáng)輻射以及采光板的影響，A2*溫度較低，溫差最大在2℃左右，其余的溫差都是在0.2℃左右.說(shuō)明了A溫室在南北方向上的溫差較小，溫度分布均勻.而B(niǎo)溫室白天的上午10點(diǎn)30分以及下午的15點(diǎn)30分之間，B1*的溫度最大，其次為B2*，再次是B3*.最大溫差達(dá)到了6℃左右.受到太陽(yáng)輻射的影響，溫度在下午15點(diǎn)30分以后逐漸降低，之后溫差達(dá)到5℃，說(shuō)明了B溫室在南北方向的溫度溫差較大，溫度分布不均勻.

圖4 A和B溫室南北走向不同點(diǎn)溫度

由此可見(jiàn)，新型裝配式節(jié)能日光溫室在保溫和蓄熱方面明顯優(yōu)于對(duì)照溫室，有助于解決作物成活率低的問(wèn)題.溫度分布較為均勻，更加有利于作物均勻生長(zhǎng).

2.2 試驗(yàn)日光溫室與對(duì)照溫室光照效果分析

2.2.1 溫室內(nèi)光照的總體水平分布

表2 光照強(qiáng)度變化規(guī)律結(jié)果匯總表(單位：klx)

在日光溫室中，作物緊鄰前膜處生長(zhǎng)接受的光照強(qiáng)度要明顯優(yōu)于在后墻生長(zhǎng)的作物[6,7].因此在室內(nèi)作物的光照強(qiáng)度呈現(xiàn)出由南向北逐漸遞減的趨勢(shì).從表2中可以看出，在南北方向上，A溫室冬季的光照平均值為27.21klx，而B(niǎo)溫室冬季光照平均值為25.21klx，A溫室具有明顯的優(yōu)勢(shì)，且顯著高于室外的溫度.

2.2.2 溫室內(nèi)外同一時(shí)間不同跨度的光照分布情況

在中午12:00整，A溫室在南北方向上的光照變化幅度較小，分布比較均勻，在11米處時(shí)光照有所降低，主要是受到通風(fēng)開(kāi)窗系統(tǒng)的影響，總體上看A溫室內(nèi)的光照變化幅度較小，光照充足且穩(wěn)定，而B(niǎo)溫室的光照變化幅度較大，且南北光照相差較大.

圖5 中午12:00溫室內(nèi)不同跨度的光照分布

2.2.3 溫室內(nèi)同一點(diǎn)的光照強(qiáng)度隨時(shí)間變化的規(guī)律

從圖6中可以看出，A溫室冬季溫室內(nèi)的平均光照為26.77klx，B溫室的平均光照為23.90klx，明顯優(yōu)于B溫室.并且早晚光照較弱的情況下，A溫室在白天10:00-15:00時(shí)，平均光照達(dá)到了42.28klx，B溫室的平均光照達(dá)到了36.14klx.明顯A溫室優(yōu)于B溫室，主要是A溫室的透光薄膜材質(zhì)優(yōu)于B溫室.在光照分布上A溫室分布較為均勻，變化幅度不大.

圖6 距離前膜1米處點(diǎn)的光照強(qiáng)度變化

由此可以看出，新型裝配式溫室內(nèi)的光照在一天內(nèi)明顯優(yōu)于對(duì)照溫室，且光照的分布較為均勻，采光角度和方位角度設(shè)計(jì)都有利于作物的生長(zhǎng).

3 小結(jié)

本研究對(duì)比傳統(tǒng)的III型土墻溫室與新型的彩鋼板裝配式節(jié)能日光溫室，研究其保溫和采光效果兩個(gè)方面的性能，結(jié)果表明，新型的彩鋼板裝配式節(jié)能日光溫室具有良好的保溫效果，夜間溫度能夠保持在12℃ 以上，各個(gè)方向的溫度分布較為均勻穩(wěn)定，有利于植物的生長(zhǎng).在采光效果上，新型的彩鋼板裝配式節(jié)能日光溫室采光角度達(dá)到41.5°，采光率提高了5.3%，更加有利于作物的整體生長(zhǎng).

[1] 鄒偉東,張百海,姚分喜,等.基于改進(jìn)型極限學(xué)習(xí)機(jī)的日光溫室溫濕度預(yù)測(cè)與驗(yàn)證[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,(24):194-200.

[2] 周文韜, 周建華, 張靖悅. 竹鋼在景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J]. 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015,(4):89-94.

[3] 孫維拓,郭文忠,徐凡,等.日光溫室空氣余熱熱泵加溫系統(tǒng)應(yīng)用效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,(17):235-243.

[4] 蔡唯益,袁軍,喬克,等. 圓拱型溫室風(fēng)壓數(shù)值模擬與研究[J]. 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014,(10):92-95.

[5] 李明,周長(zhǎng)吉,丁小明,等.日光溫室聚苯乙烯型磚復(fù)合墻保溫蓄熱性能[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,(1):200-205.

[6] 劉晨霞,馬承偉,王平智,等.日光溫室保溫被保溫性能影響因素的分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,(20):186-193.

[7] 彭代慧,傘磊.具有水流層的雙層玻璃溫室模型研究[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, (1):167-172.

(責(zé)任編校：晴川)

Experimental Study on Temperature and Light Performance of Assembled Energy-saving Solar Greenhouse in Northern Anhui

WU Zhaoxue, YANG Yingchun, WANG Qiang

(College of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei Anhui 230036, China)

In order to overcome the problems of nonuniform distribution of light and temperature, automatic control, bad characteristics of thermal insulation and moisture-proof effect, the thermal insulation energy-saving solar-greenhouse which equipped with the assembly-type color steel plate is chosen to be on the research.The shape of the skeleton of the greenhouse is semicircular. The cover material surrounding is glass wool plate,which can slide on the top and sides of gable greenhouse. The water-cycle heat-storage system and air-ground heat-storage system, which are in a span of 12 meters, height of 5.5 meters, 80 meters in length, can effectively improve the temperature of the greenhouse in winter, and complete the standardization of production and equipment of the components of the solar-greenhouse at the same time.

solar greenhouse; greenhouse structure; temperature and light performance

2016-11-30

國(guó)家科技支撐計(jì)劃子課題“砒砂巖固結(jié)促生技術(shù)研發(fā)”(批準(zhǔn)號(hào)：2013BAC0502)；安徽省教研課題“‘翻轉(zhuǎn)課堂’在土木工程材料課程中的應(yīng)用與優(yōu)化”(批準(zhǔn)號(hào)：2015jyxm081).

吳照學(xué)(1976— )，男，安徽樅陽(yáng)人，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院講師，碩士.研究方向：設(shè)施工程、巖土工程.

S625.1

A

1008-4681(2017)02-0035-03