沙漠組裝式溫室光熱環(huán)境測試與分析

王瑞 劉凱 張書峰 董浩遠 王祥兵 許紅軍

摘要：測試和田沙漠組裝式溫室的光熱環(huán)境，尤其是溫室的蓄放熱量及保溫能力，為和田地區(qū)日光溫室性能做出評價，采用數(shù)據(jù)記錄儀對溫室內(nèi)外環(huán)境的光熱環(huán)境進行測定，結果表明，晴天光照度平均為18 058 lx，空氣溫度可達40 ℃以上，且土層越深，地溫越穩(wěn)定;地面蓄熱時平均熱流密度為47.85 W/m2，放熱時平均熱流密度為16.91 W/m2;土壤表面溫度和空氣平均值分別為15.47、15.30 ℃;最大值可達37.90、45.00 ℃;墻體吸熱時平均熱流密度為 13.91 W/m2，放熱時平均熱流密度為5.40 W/m2;墻體表面溫度和空氣溫度平均值分別為15.76、14.61 ℃，最大值可達72.10、55.30 ℃;地面白天最大蓄熱量為2.03 MJ/m2，地面最大放熱量為1.35 MJ/m2，墻體白天最大蓄熱量為 0.76 MJ/m2，墻體最大放熱量為0.40 MJ/m2。從溫光特性方面來看，沙漠組裝式溫室各環(huán)境因子變化較大，溫室內(nèi)部空氣溫度、墻體溫度、地表溫度波動較大，熱穩(wěn)定較差;地面是主要的蓄放熱體，溫室墻體蓄熱量、放熱量很小，難以起到穩(wěn)定溫室夜間溫度的作用。

關鍵詞：沙漠;組裝式溫室;溫室內(nèi)環(huán)境;蓄放熱量

中圖分類號： S625.1;S625.5? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）18-0196-05

收稿日期：2021-02-06

基金項目：新疆維吾爾自治區(qū)高?？蒲杏媱澴匀豢茖W青年項目（編號：XJEDU2019Y017）;國家級大學生創(chuàng)新項目（編號：201910758028）。

作者簡介：王 瑞（1996—），女，陜西武功人，碩士研究生，主要從事設施園藝工程方面的研究。E-mail：wangrui19961@163.com。

通信作者：許紅軍，博士，副教授，主要從事設施園藝工程方面的研究。E-mail：xuhongjun01@163.com。

日光溫室在我國北方蔬菜越冬生產(chǎn)上應用廣泛，通過少量加熱或不加熱進行生產(chǎn)，節(jié)能效果明顯[1-2]。我國西北地區(qū)適宜發(fā)展非耕地設施農(nóng)業(yè)，寧夏回族自治區(qū)、甘肅省及新疆維吾爾自治區(qū)等多地開展非耕地設施蔬菜生產(chǎn)探索，通過因地制宜利用沙漠、戈壁開展設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，已成為脫貧攻堅和鄉(xiāng)村振興的重要途徑之一[3-4]。近年來，在新疆以和田沙漠區(qū)域組裝式日光溫室為主的非耕地設施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速并形成了一定規(guī)模[5]。受到當?shù)貤l件的制約，無法利用傳統(tǒng)建筑材料大規(guī)模地建造溫室，因此沙漠溫室絕大多數(shù)為組裝式溫室。而組裝式溫室受材料熱物性的影響與傳統(tǒng)溫室光溫環(huán)境有一定差異，探索非耕地區(qū)域沙漠組裝式溫室的光溫環(huán)境特點，對于蔬菜作物的高效生產(chǎn)以及溫室結構進一步的優(yōu)化設計意義重大。

日光溫室的光熱環(huán)境改善可通過結構、后墻材料、蓄熱設備，最大限度地利用太陽輻射為溫室供暖[6]。基于非穩(wěn)態(tài)導熱理論，后墻溫度及蓄放熱變化受太陽輻射周期性變化引起，可通過提高后墻放熱溫度和降低后墻放熱量來改善溫室保溫性能[7]。組裝式溫室概念較為寬泛，目前墻體形式也多樣化，徐剛毅對4種不同保溫材料構成的6種墻體結構的溫室保溫性能進行研究，肯定了組裝式輕體日光溫室強化聚苯保溫板的保溫性能[8]。趙鵬等對甘肅靖遠組裝式滌棉墻體日光溫室進行研究，結果表明，該溫室具有升溫快、降溫也快的特點[9]。李星等測得采用保溫被作維護材料的組裝式溫室，在外界溫度為-10 ℃時，室內(nèi)能保持5 ℃以上，可進行喜陰涼果菜越冬生產(chǎn)[10]。宋明軍等研究表明，組裝式溫室保溫性均低于土墻溫室，墻體蓄熱能力差，同時具有升溫速度快、降溫速度也快的特點，組裝式溫室墻體熱穩(wěn)定性遠低于普通溫室[11-12]。許紅軍等研究表明，沙漠區(qū)域組裝式溫室保溫效果優(yōu)于磚墻溫室，但其蓄熱能力較差，呈現(xiàn)出中午溫度過高、夜間溫度偏低、晝夜溫差較大的特點[5，13]。丁明元等用保溫棉被、雙面彩鋼板構成保溫墻體及后屋面，建成全鋼結構組裝式日光溫室，通過架設黑色水管網(wǎng)，可解決溫室部分后墻無法蓄熱的問題[14]。另外，相關研究者提出用水的比熱容大蓄熱、前屋面雙層膜覆蓋、增加蓄熱設備等[15-20]來解決此問題。

大量研究表明，組裝式溫室熱穩(wěn)定性較差，其原因主要與溫室維護結構的蓄放熱能力弱有關，但對蓄放熱量大小與變化規(guī)律缺乏進一步探索。因此，本研究以和田沙漠溫室為研究對象，通過對1月沙漠組裝式溫室在無加熱環(huán)境下，對光熱環(huán)境尤其是圍護結構的蓄放熱量進行測定，深入分析產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因，為組裝式溫室設計提供相關理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗時間為2019年1月14日至2月2日，共19 d，試驗溫室位于新疆和田市吉亞鄉(xiāng)金葉村，海拔1 300 m，地處80°E、37°N。該溫室為組裝式溫室（圖1），全鋼骨架結構，后墻、后屋面、東西山墻及保溫被均為10 cm厚噴膠棉，溫室坐北朝南，南偏西走向，長度60 m，跨度9 m，后墻外部高度4.8 m，脊高 5.6 m，鋼骨架每榀間隔1 m（圖2），由北京佳華泰科技有限公司建造。溫室內(nèi)種植南瓜，采用椰糠、沙、有機肥等混合基質栽培方式。

1.2 試驗儀器

PDE-KI數(shù)據(jù)記錄儀，哈爾濱物格電子技術有限公司生產(chǎn);JTR01熱流計，北京世紀建通環(huán)境技術有限公司生產(chǎn);PD溫度數(shù)據(jù)記錄儀，哈爾濱物格電子技術有限公司生產(chǎn)。通過上述儀器測試組裝式溫室地溫、氣溫、濕度、光照度、熱流密度等環(huán)境因子。

1.3 測試方法

在溫室的1/2跨度、離地面高度1.5 m處測量空氣溫度、濕度、光照度，以及土壤0、20、40 cm 深度土壤溫度。測試墻體1.5 m高處熱流密度，以及墻體表面溫度與距離墻體1 cm空氣溫度，測試溫室中部土壤熱流密度，以及土壤表面溫度與距離土壤 1 cm 空氣溫度變化。測量室外高度 1.5 m 處空氣溫度及20 cm處地溫。儀器記錄間隔均設置為10 min。

2 結果與分析

2.1 溫室環(huán)境測試

2019年1月14日至2月2日溫室內(nèi)部環(huán)境因子變化見圖3。晴天正午溫室內(nèi)光照度能達到 30 000 lx 以上。揭開保溫被后晴天光照度平均為18 058 lx，陰天平均為3 284 lx。揭開保溫被后，溫室內(nèi)部氣溫逐漸升高，最高值出現(xiàn)在正午前后，最低氣溫出現(xiàn)在第2天揭開保溫被前后。測試期間，室內(nèi)平均空氣溫度為14.34 ℃，正午前后溫室內(nèi)部空氣溫度過高，晴天條件下溫度可達40 ℃以上，溫室內(nèi)外溫度相差達17.21～30.94 ℃，平均相差18.9 ℃，晴天溫差大于陰天。從濕度來看，晴天揭開保溫被后平均相對濕度為64.99%，夜間平均值為96.27%;陰天揭開保溫被后相對濕度為92.97%，夜間為99.09%。晴天相對濕度最大值出現(xiàn)在夜間及早晨，隨著外界光照度的加強、溫度的升高，相對濕度逐漸減小，正午前后達到最小值，之后又逐漸增大。在試驗中發(fā)現(xiàn)，晴天條件下，揭開保溫被后30 min內(nèi)，溫室內(nèi)相對濕度會達到短暫飽和狀態(tài)，隨著溫室溫度的升高，濕度逐漸降低。測試期間，0、20、40 cm處平均地溫依次升高15.05 、15.59、16.27 ℃，地溫最大值依次為37.90 、27.70、20.20 ℃（0 cm>20 cm>40 cm），地溫最低值依次為7.30 、9.00、12.70 ℃（0 cm <20 cm<40 cm）。地溫變化規(guī)律為：地表溫度過高，變化幅度較大;土層越深，地溫越穩(wěn)定，變化幅度越小。

2.2 溫室墻體與地面的熱流密度測試

為進一步探索溫室環(huán)境變化，測試2019年1月14日至2月2日溫室內(nèi)部地面的熱流密度及溫度，其變化規(guī)律見圖4。地面熱流密度變化規(guī)律為：白天土壤吸熱時間較短，熱流密度較大;夜間土壤放熱時間較長，熱流密度較為均勻。測試期間，晴天溫室揭開保溫被后，地面由放熱轉為蓄熱階段，溫室地面放熱量68.75%的集中在11：10—12：10之間;保溫被蓋上后地面即開始放熱，溫室地面放熱量50%集中在17：30—18：30之間。晴天地面吸熱時，平均熱流密度為47.85 W/m2，放熱時平均熱流密度為16.91 W/m2;陰天地面吸熱時，平均熱流密度為11.47 W/m2，放熱時熱流密度為13.91 W/m2。

從圖4可以看出，土壤表面溫度和距土壤1 cm處空氣溫度總體相差不大，白天空氣溫度略高于土壤表面溫度，而夜間空氣溫度略低于土壤表面溫度，同時空氣溫度比土壤表面溫度降溫快。試驗測得，土壤表面溫度平均值15.05 ℃，空氣溫度平均值 14.86 ℃。晴天土壤表面溫度和空氣平均值分別為15.47、15.30 ℃，最大值分別為37.90、45.00 ℃，最小值分別為7.30、7.10 ℃。陰天土壤表面溫度和空氣溫度平均值分別為13.33、13.09 ℃，最大值分別為24.50、22.90 ℃，最小值分別為10.60、10.00 ℃。

測試了2019年1月14日至2月2日溫室內(nèi)部墻體的熱流密度及溫度，其變化規(guī)律見圖5。白天墻體吸收太陽輻射，墻體表面溫度升高，熱流密度增大，夜間墻體向溫室環(huán)境緩慢放熱，墻體表面溫度降低，熱流密度小;熱流密度變化規(guī)律與地面一致，但遠小于地面熱流密度變化。晴天墻體熱流密度變化，從環(huán)境中平均流入墻體的熱流密度為13.91 W/m2，從后墻釋放到環(huán)境中的平均熱流密度為5.40 W/m2;陰天白天從環(huán)境中平均流入墻體的熱流密度為1.92 W/m2，夜間從后墻釋放到環(huán)境中平均熱流密度為5.40 W/m2。

從圖5可以看出，墻體表面溫度和距墻體1 cm處空氣溫度早晚及夜間差異不大，正午前后溫度差異較大，墻體溫度高于空氣溫度。由于溫室內(nèi)側墻體1 m以上噴膠棉都刷為黑色，而黑色對太陽輻射吸收強、吸熱快，因此晴天墻體表面及空氣溫度非常高，這與磚墻溫室、土墻溫室蓄放熱規(guī)律不一致。試驗測得墻體和空氣表面溫度平均值分別為14.83、13.92 ℃。晴天墻體表面溫度和空氣溫度平均值分別為15.76、14.61 ℃，最大值分別為72.10、55.30 ℃，最小值分別為3.90、4.00 ℃。陰天墻體表面溫度和空氣溫度平均值分別為11.09、11.14 ℃，最大值分別為29.70、29.10 ℃，最小值分別為6.60、6.70 ℃。

2.3 墻體地面蓄放熱量

溫室圍護結構蓄放熱量為某一天早晨溫室揭開保溫被至次日早晨揭開保溫被期間溫室圍護結構單位面積吸收或放出的總熱量。溫室蓄放熱量大小，將直接影響溫室內(nèi)溫度的熱穩(wěn)定性。從圖6可以看出，組裝式溫室地面蓄放熱量多，而墻體蓄放熱量少;放熱量數(shù)值均較為穩(wěn)定，蓄熱量受太陽輻射影響而差異較大。測試期間，地面白天最大蓄熱量為2.03 MJ/m2，地面最大放熱量為1.35 MJ/m2。墻體白天最大蓄熱量為0.76 MJ/m2，最大放熱量為 0.40 MJ/m2。墻體白天平均蓄熱0.27 MJ/m2，夜間平均放熱0.33 MJ/m2;地面白天平均蓄熱 0.91 MJ/m2，地面夜間平均放熱1.08 MJ/m2。

3 討論與結論

從組裝式溫室測試結果來看，組裝式溫室可以提高室內(nèi)地面溫度和空氣溫度20 ℃左右，達到日光溫室生產(chǎn)的相關要求，這與馬承偉等的研究結果[2-10]基本一致。組裝式溫室內(nèi)部環(huán)境特點變化與宋明軍等的研究結果[11]基本一致，也呈現(xiàn)出“升溫快，降溫快”的特點。由于新疆沙漠區(qū)域特殊的地理位置，光照強烈、晝夜溫差大，導致溫室內(nèi)部正午前后空氣溫度、地表溫度過高，對生產(chǎn)不利。因此，組裝式溫室作為新型溫室類型，在沙漠區(qū)域生產(chǎn)是基本可行的，但是也存在性能不佳的問題，需要改進，對“溫室內(nèi)部中午溫度過高”，可考慮采用白天儲熱裝置進行熱量儲存、夜間進行綜合利用的方式，且值得進一步研究。

從熱流密度的測試結果來看，地面的蓄放熱能力遠大于溫室墻體。組裝式溫室主要由地面進行蓄放熱，墻體蓄放熱能力極差，這也是組裝式溫室與磚墻、土墻日光溫室的區(qū)別。組裝式溫室墻體材料為噴膠棉，墻體沒有蓄熱層，只有保溫層，噴膠棉導熱系數(shù)小，比熱容低，而土壤比熱容大，可以很好地吸收并蓄集熱量。由于墻體沒有蓄熱能力，導致墻體表面溫度在正午前后過高，致使溫室空氣溫度上升較高，夜間無法向溫室釋放熱量，所以夜間降溫也快。因此，如何進一步增強組裝式溫室墻體蓄熱能力、增強組裝式溫室內(nèi)部熱穩(wěn)定性值得進一步研究。

組裝式溫室由于造價低、安裝簡便、不會破壞土壤耕作層等優(yōu)勢而被不斷擴大使用。本研究通過測定分析2019年1月沙漠組裝式溫室室內(nèi)環(huán)境因子，得出以下結論：（1）從溫光特性方面來看，沙漠組裝式溫室各環(huán)境因子變化較大，溫室內(nèi)部空氣溫度、墻體溫度、地表溫度波動較大，熱穩(wěn)定較差。光照度、空氣溫度、土壤溫度均能夠滿足生產(chǎn)的相關要求，但是存在正午空氣溫度、地表溫度過高的不足之處。（2）組裝式溫室中，地面是主要的蓄放熱體，溫室墻體蓄熱量、放熱量很小，導致墻體白天溫度較高、夜間溫度較低，難以起到穩(wěn)定溫室夜間溫度的作用。

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