后墻涂色對(duì)日光溫室光熱性能的影響

劉杰 成宇宇 王川奇

|摘要|墻體是日光溫室吸熱貯熱的重要結(jié)構(gòu)，不同顏色對(duì)光的吸收反射不同，試驗(yàn)通過將庭院式溫室作為模型溫室，對(duì)黏土磚后墻涂色的效應(yīng)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：涂黑處理、不涂色（對(duì)照：黏土藍(lán)磚）、涂白處理的墻體溫度、光照強(qiáng)度和空氣溫度均存在差異。在連續(xù)晴天時(shí)，涂黑處理隔間內(nèi)的溫度最高，涂白處理隔間內(nèi)的光照強(qiáng)度最強(qiáng)。在連續(xù)陰天時(shí)差距不明顯。通過試驗(yàn)得出涂黑處理能提高后墻溫度2.1℃，涂白處理則會(huì)降低墻體溫度3.3℃;涂黑處理還能夠增加溫室內(nèi)的空氣溫度，而涂白處理對(duì)光照強(qiáng)度的增加較為顯著，相比對(duì)照平均提高997.4 lx。需要指出的是本結(jié)果是在無外保溫材料下獲得的，保溫措施會(huì)提升其效果。

引言

日光溫室是中國(guó)主要的生產(chǎn)設(shè)施，其重要特征是具有墻體結(jié)構(gòu)，能有效降低貫流散熱并具有貯熱緩溫的效應(yīng)。趙崠[1]、佟國(guó)紅[2]等研究了不同墻體材料對(duì)溫室環(huán)境的影響，白義奎等[3-4]對(duì)復(fù)合墻體材料和單一墻體材料進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)復(fù)合墻體材料性能更優(yōu)。溫祥珍[5]等研究了復(fù)混墻體熱傳導(dǎo)規(guī)律，馬宇婧[6]研究了營(yíng)養(yǎng)液中的熱傳導(dǎo)規(guī)律，認(rèn)為熱傳導(dǎo)是個(gè)過程，是物質(zhì)的特性，反映在速度上是相對(duì)穩(wěn)定的。盡管如此，楊艷紅[7]認(rèn)為由于空氣的熱容量很小，也比較敏感，墻體的貯熱能夠?qū)鉁禺a(chǎn)生明顯影響。崔慶法[8]、馬鵬里[9]、王靜[10]、封美琦等[11-12]指出在實(shí)際的農(nóng)事操作中，將反光幕、黑膜張掛在溫室后墻上，這些反射光會(huì)從溫室后方照向前方，較好地改善溫室內(nèi)光照不均的現(xiàn)象，但會(huì)降低溫室后墻蓄熱能力，對(duì)溫室環(huán)境的溫度、光照以及溫室生長(zhǎng)作物都存在一定的影響。試驗(yàn)以太谷地區(qū)為例，對(duì)庭院式日光溫室后墻進(jìn)行涂黑、涂白處理，研究涂色后溫室內(nèi)小氣候的變化，旨在滿足種植者的實(shí)際需求，選擇最適合庭院式日光溫室的涂色方案，為日光溫室性能的改善提供解決方案。

試驗(yàn)場(chǎng)地與方法

試驗(yàn)溫室及其建造

試驗(yàn)在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施農(nóng)業(yè)工程研究中心進(jìn)行。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏厥易背希闹軣o遮蔭，東西長(zhǎng)度為15.5 m，南北跨度為1.6 m，后墻高2.5 m，前屋面為單斜式，并設(shè)有立窗，立窗高度為1.4 m，前屋面角為34.5°。以原有的墻體作為庭院式溫室后墻（墻體實(shí)際高度3 m，厚24 cm），用陳舊角鋼做棚體的骨架結(jié)構(gòu)，前屋面、立窗及溫室側(cè)墻均采納PE薄膜覆蓋，棚膜主要通過卡簧與卡槽的連接，固定在溫室的鋼架上，并在庭院式溫室左側(cè)制作簡(jiǎn)易門（圖1）。

試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法

庭院式溫室用PE薄膜分隔成5個(gè)隔間，東西兩側(cè)設(shè)置緩沖間（長(zhǎng)1.75 m），中間3個(gè)隔間為試驗(yàn)處理間，每個(gè)隔間長(zhǎng)4 m。設(shè)置3個(gè)處理，從西到東分別是：（1）涂黑處理（用墨汁涂黑后墻）;（2）對(duì)照（黏土藍(lán)磚不涂色）;（3）涂白處理（用生石灰涂白后墻）。3個(gè)隔間其他條件保持一致（圖1），并在2018年5月對(duì)庭院式溫室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行測(cè)定。

測(cè)試儀器及定點(diǎn)分布

庭院式溫室內(nèi)外空氣溫度使用HOBO（型號(hào)U12-13）測(cè)定，并懸掛于隔間，中心距離地面1.5 m處，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為30 min。溫室內(nèi)外光照強(qiáng)度使用手持?jǐn)?shù)字照度計(jì)TES-1332A測(cè)定，測(cè)定位置同空氣溫度一致，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為1 h。墻體溫度使用非接觸式紅外測(cè)溫儀測(cè)定，測(cè)定位置為各隔間后墻中心，距離地面高1.5 m處，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為1 h。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)用Excel進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

結(jié)果與分析

庭院式溫室墻體表面溫度的日變化

圖2為不同涂色下庭院式溫室墻體表面溫度的日變化，整體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，涂黑處理于14：00達(dá)到最高溫，對(duì)照和涂白處理于15：00達(dá)到最高溫，白天各時(shí)刻墻體表面溫度均呈現(xiàn)：涂黑處理>對(duì)照>涂白處理。表1為不同涂色下庭院式溫室墻體表面溫度的平均值及極端值。涂黑處理墻溫的平均值、最高溫、最低溫、日較差均最高，其中平均溫較對(duì)照、涂白處理分別高2.1、5.4℃。這說明涂黑處理能提高后墻表面溫度，而涂白處理則會(huì)降低墻體表面溫度。

庭院式溫室內(nèi)光照強(qiáng)度的日變化

圖3為不同涂色下庭院式溫室內(nèi)外光照強(qiáng)度的日變化，從圖中可以看出外界光照強(qiáng)度遠(yuǎn)高于溫室內(nèi)光照強(qiáng)度，溫室內(nèi)3種處理的光照強(qiáng)度差異不大，涂白處理略高于對(duì)照和涂黑處理，整體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，這表明溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度受覆蓋材料、骨架等因素的影響大大削弱。表2為不同涂色下試驗(yàn)溫室內(nèi)外光照強(qiáng)度的平均值及極端值。涂白處理的平均值、最高溫、最低溫、日較差均最高，表明后墻涂白可以有效增強(qiáng)溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度。

庭院式溫室空氣溫度的日變化

圖4為不同涂色下庭院式溫室內(nèi)外氣溫的日變化，總體來看3個(gè)處理的氣溫均高于外界氣溫，在10：00～16：00內(nèi)外空氣溫度的差值最大，6：00氣溫開始升高，6：00～8：00內(nèi)部氣溫上升速度低于外界，8：00后內(nèi)部升溫速度加快，14：30達(dá)到最高溫。白天氣溫大致呈現(xiàn)出涂黑處理>對(duì)照>涂白處理，夜間3個(gè)處理差異不大。結(jié)果表明后墻涂黑可以提高溫室內(nèi)的氣溫，有色的后墻的蓄熱能力強(qiáng)于白色后墻。

天氣對(duì)庭院式溫室內(nèi)空氣溫度的影響

圖5為陰晴天不同涂色處理庭院式溫室內(nèi)外空氣溫度的日變化，相較于晴天，陰天的氣溫變化較為平緩，同時(shí)3個(gè)處理的空氣溫度相差較小，中午涂黑處理的稍高一些。

表3為不同天氣空氣溫度的平均值及極端值，晴天時(shí)，涂黑處理、對(duì)照、涂白處理的平均氣溫分別為32.8、31.9、31.3℃，而外界的平均氣溫為24.2℃。陰天時(shí)，在涂黑處理、對(duì)照、涂白處理的3種處理下，平均氣溫分別為18.6、18.8、18.4℃，而外界的平均氣溫為15.4℃。陰天各處理的平均值、最高、最低值十分接近。這說明涂色處理主要在晴天起作用，陰天各處理之間的差異不明顯。

結(jié)論

試驗(yàn)通過在后墻涂色的基礎(chǔ)上測(cè)定庭院式日光溫室的光照強(qiáng)度和溫度等指標(biāo)，得出涂黑處理能提高后墻溫度2.1℃，涂白處理則會(huì)降低墻體溫度3.3℃。后墻涂黑還能夠增加溫室內(nèi)的空氣溫度，而后墻涂白對(duì)光照強(qiáng)度的增加較為顯著。

由于墻體色對(duì)光的吸收反射不同，會(huì)影響到墻體和室內(nèi)溫度，涂黑處理可明顯提高墻體溫度和溫室內(nèi)溫度，尤其在光照強(qiáng)的中午;涂白處理反光性強(qiáng)，墻體獲得能量少，溫度較低，但室內(nèi)光照會(huì)加強(qiáng)。因此我們可以根據(jù)種植者實(shí)際需求，通過改變后墻顏色，進(jìn)而提高溫室的光熱性能。

后墻涂色操作簡(jiǎn)單，成本低廉，對(duì)日光溫室內(nèi)環(huán)境的改變不需要額外消耗能源，而是通過物理方法直接改變庭院式日光溫室的光熱性能，避免了張掛物與后墻之間存在空隙的問題，容易推廣。

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