基于熱平衡及熱濕參數(shù)動(dòng)態(tài)分析紅梅杏防霜棚“冷室效應(yīng)”*

姜瑞洋，張維江**，馬 軼，馬 芳，馮 娜，李偉建，姜 昌

基于熱平衡及熱濕參數(shù)動(dòng)態(tài)分析紅梅杏防霜棚“冷室效應(yīng)”*

姜瑞洋1，張維江1**，馬 軼1，馬 芳1，馮 娜1，李偉建1，姜 昌2

（1. 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2. 寧夏紅梅杏科技發(fā)展有限公司，固原 756000）

針對(duì)寧南地區(qū)紅梅杏防霜棚夜間棚內(nèi)環(huán)境溫度長期低于棚外，即出現(xiàn)了“冷室效應(yīng)”，未達(dá)到預(yù)防霜凍效果，依據(jù)質(zhì)、熱平衡原理分別研究防霜棚覆蓋層、棚內(nèi)濕空氣和土壤層的熱量收支情況，以及防霜棚系統(tǒng)在棚布覆蓋-次日收攏時(shí)段棚內(nèi)熱量蓄積情況；分析棚內(nèi)主要熱濕參數(shù)的動(dòng)態(tài)過程，以此探究防霜棚內(nèi)相對(duì)濕度及濕空氣狀態(tài)變化對(duì)相變潛熱的影響和棚內(nèi)“冷室效應(yīng)”的產(chǎn)生機(jī)理，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，以達(dá)到有效預(yù)防霜凍災(zāi)害的目的。結(jié)果表明：（1）春、秋季夜間棚內(nèi)出現(xiàn)“冷室效應(yīng)”時(shí)土壤層和覆蓋層均因熱損失較高成為失熱部分，而棚內(nèi)濕空氣因得到熱量較多成為得熱部分。（2）春、秋季棚布覆蓋-次日收攏時(shí)段棚內(nèi)累計(jì)得熱量低于累計(jì)失熱量，導(dǎo)致棚內(nèi)熱量失衡。（3）棚內(nèi)濕空氣熱濕參數(shù)與棚外熱濕參數(shù)存在顯著差異（春季棚內(nèi)的飽和水汽壓除外）；夜間棚內(nèi)水汽密度與露點(diǎn)溫度的動(dòng)態(tài)變化過程均可反映因蒸發(fā)及冷凝而產(chǎn)生的潛熱變化規(guī)律；棚內(nèi)低溫和較高的水汽密度使飽和水汽壓與實(shí)際水汽壓無限接近，導(dǎo)致棚內(nèi)相對(duì)濕度持續(xù)偏高。紅梅杏防霜棚夜間累計(jì)得熱量始終小于累計(jì)失熱量，土壤層和覆蓋層為最主要的熱損失部分，在熱量失衡的情況下出現(xiàn)了“冷室效應(yīng)”。

紅梅杏；冷室效應(yīng)；熱平衡；水汽密度；露點(diǎn)溫度；水汽壓

紅梅杏是寧夏固原地區(qū)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，受當(dāng)?shù)靥厥獾臍夂蛴绊?，在每年紅梅杏初花期和幼果期常會(huì)遭到不同程度的霜凍災(zāi)害，導(dǎo)致當(dāng)?shù)丶t梅杏產(chǎn)業(yè)減產(chǎn)甚至絕收[1?3]。張維江等為當(dāng)?shù)丶t梅杏產(chǎn)業(yè)有效預(yù)防霜凍災(zāi)害初步設(shè)計(jì)并建造了一種體型較小，單膜覆蓋的紅梅杏防霜棚（以下簡稱防霜棚），但在防霜棚試驗(yàn)階段均出現(xiàn)了夜間棚內(nèi)溫度明顯低于棚外的現(xiàn)象。本研究將夜間發(fā)生在密閉的防霜棚內(nèi)溫度長時(shí)間（持續(xù)時(shí)長8～10h）低于棚外溫度的現(xiàn)象稱為“冷室效應(yīng)”。研究夜間防霜棚“冷室效應(yīng)”的產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)優(yōu)化防霜棚設(shè)計(jì)，提高防霜棚預(yù)防霜凍災(zāi)害的能力，為當(dāng)?shù)丶t梅杏產(chǎn)業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。目前有關(guān)溫室大棚內(nèi)出現(xiàn)“冷室效應(yīng)”的研究報(bào)道較少，多數(shù)研究者在分析溫棚內(nèi)小氣候變化規(guī)律時(shí)，因?yàn)槌霈F(xiàn)的“冷室效應(yīng)”持續(xù)時(shí)間短且棚內(nèi)外溫差小，所以并沒有對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理做相應(yīng)的研究，僅結(jié)合各自研究環(huán)境給出了相應(yīng)解釋。李倩等[4]認(rèn)為棚內(nèi)作物種植較密集，導(dǎo)致塑料大棚內(nèi)的土壤在白天吸收的熱量少而夜間土壤的長波輻射較弱，所以棚內(nèi)氣溫低于棚外；趙瑋等[5]認(rèn)為夜間塑料大棚的風(fēng)口關(guān)閉，導(dǎo)致棚內(nèi)外空氣對(duì)流受限，容易出現(xiàn)大棚“冷室效應(yīng)”；姚鋒先等[6]認(rèn)為白天大棚內(nèi)吸收熱量，夜間環(huán)境溫度下降，棚內(nèi)的散熱較棚外要快，所以棚內(nèi)儲(chǔ)熱量不足，此外夜間試驗(yàn)區(qū)域容易出現(xiàn)較強(qiáng)的冷卻輻射所以引起“冷室效應(yīng)”；余紀(jì)柱等[7]認(rèn)為PE薄膜的長波輻射透過率達(dá)80%，棚內(nèi)熱量以傳導(dǎo)和輻射的方式向外部大量散失，導(dǎo)致夜間棚內(nèi)溫度低于棚外；范萬新等[8?9]認(rèn)為在晴天的夜晚通常會(huì)有地面輻射冷卻，棚外近地層會(huì)吸收其他地方的熱量，而棚內(nèi)不僅沒有熱量來源，反而會(huì)通過塑料薄膜向外界散失熱量；于盛楠等[10]認(rèn)為中午太陽高度角開始降低，以及塑料薄膜與后墻對(duì)太陽輻射的影響，使棚內(nèi)溫度較棚外提前下降，導(dǎo)致夜間容易出現(xiàn)“冷室效應(yīng)”。楊棟等[11]認(rèn)為初冬與初春更容易出現(xiàn)大棚“冷室效應(yīng)”，并且單膜覆蓋的大棚出現(xiàn)該現(xiàn)象的頻率高于雙膜覆蓋。綜上所述，前人對(duì)“冷室效應(yīng)”的研究多集中在棚膜的覆蓋形式及小氣候影響因素方面，并未從大棚內(nèi)外熱量收支平衡的角度分析在有“冷室效應(yīng)”情況下大棚內(nèi)的整體熱量收支情況。此外，目前對(duì)溫室大棚內(nèi)濕空氣熱濕參數(shù)的研究報(bào)道較為鮮有，研究濕空氣熱濕參數(shù)對(duì)深入了解棚內(nèi)濕空氣狀態(tài)、調(diào)控棚內(nèi)小氣候因素等方面具有指導(dǎo)性作用[12]。本文擬以試驗(yàn)階段的防霜棚為研究對(duì)象，分析夜間棚內(nèi)外溫、濕度差異，依據(jù)傳熱學(xué)的質(zhì)、熱平衡原理分析防霜棚出現(xiàn)“冷室效應(yīng)”時(shí)的熱量收支情況，以期為優(yōu)化防霜棚設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)防霜棚對(duì)紅梅杏有效預(yù)防霜凍災(zāi)害的目標(biāo)提供理論依據(jù)。同時(shí)，分析棚內(nèi)濕空氣主要熱濕參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程，從而研究棚內(nèi)濕空氣在低溫高濕環(huán)境下的狀態(tài)變化及對(duì)潛熱的影響，以期為溫室大棚內(nèi)小氣候調(diào)控與管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

查閱近年氣候資料發(fā)現(xiàn)，寧夏固原地區(qū)春霜凍多發(fā)生于3月下旬?5月上旬，秋霜凍多發(fā)生于10月中旬?11月下旬，其中春霜凍對(duì)紅梅杏的傷害最大[13?15]。因此，本試驗(yàn)選擇2020年春季（3月下旬?4月下旬）和秋季（10月下旬?11月下旬），在固原市原州區(qū)的紅梅杏建設(shè)示范基地（36°8′25″N，106°7′50″E，海拔1640m）于2019年12月搭建的紅梅杏防霜棚內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)屬內(nèi)陸暖溫帶半干旱氣候，年平均氣溫6.75℃，無霜期144d。

紅梅杏防霜棚的結(jié)構(gòu)形式為裝配式拱形鍍鋅鋼骨架結(jié)構(gòu)（圖1），共用31根拱架（規(guī)格DN20鍍鋅鋼管）和3根長60m縱向拉桿（規(guī)格DN15鍍鋅鋼管）組成，其中縱向拉桿與拱架采用專用卡具連接；防霜棚南北兩側(cè)均有厚度為10cm的巖棉夾心板材作為擋風(fēng)側(cè)板；防霜棚跨度2m，高度2.5m，脊高1.5m，長度60m，南北走向，占地面積120m2；防霜棚的覆蓋材料采用卡槽及蛇形鋼絲彈簧固定，為增強(qiáng)夜間防霜棚的保溫性能，覆蓋材料選用厚度2mm不透光無紡布，單層覆蓋，日落前將棚東西兩側(cè)無紡布卷落下來，將棚全面覆蓋，次日日出后卷起并堆積至棚頂中間，全程由電動(dòng)卷簾機(jī)展開與收攏；試驗(yàn)期間防霜棚內(nèi)單行種植2a生紅梅杏樹苗，株高經(jīng)修剪至2m，株距2m，共29棵，地徑平均2.6cm，試驗(yàn)期間管理方式為自然生長，無灌溉。

1.南側(cè)板South side panel, 2.北側(cè)板North side panel, 3.覆蓋材料Covering material, 4.拱架Arch steel frame, 5.縱向拉桿Longitudinal side bar, 6.電動(dòng)卷簾機(jī)Electric shutter rolling machine, 7.卷簾臂Roller shutter arm

1.2 觀測(cè)項(xiàng)目

防霜棚內(nèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、土壤溫度及大氣壓力，棚外監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、土壤溫度、大氣壓力及風(fēng)速風(fēng)向。棚內(nèi)外溫濕度監(jiān)測(cè)使用JL-17型溫濕度記錄儀（中國產(chǎn)），溫度測(cè)量范圍?30～70℃，精度±0.2℃；相對(duì)濕度測(cè)量范圍0～100%，精度±3%；土壤溫度監(jiān)測(cè)使用JL-16-D1型6路土壤測(cè)溫儀（中國產(chǎn)），測(cè)量范圍?30～70℃，精度±0.2℃；防霜棚外風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)使用JL-22型風(fēng)速風(fēng)向記錄儀（中國產(chǎn)），風(fēng)速測(cè)量范圍0～60m·s?1，精度±1m·s?1；防霜棚內(nèi)外大氣壓力的監(jiān)測(cè)均采用RS-458型大氣壓測(cè)量儀（中國產(chǎn)），測(cè)量范圍0～120kPa，精度±0.15kPa。

防霜棚內(nèi)所有監(jiān)測(cè)設(shè)備均設(shè)在由北向南棚中央30m處，其中溫濕度記錄儀共有兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別在距離地面高2m和1m處；大氣壓測(cè)量儀設(shè)在距離地面高1.5m處；土壤測(cè)溫儀共有6個(gè)測(cè)點(diǎn)，埋深依次為5cm、15cm、25cm、35cm、45cm、65cm。棚外環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)距防霜棚正西面80m處，其中溫濕度記錄儀、土壤測(cè)溫儀、大氣壓測(cè)量儀的測(cè)點(diǎn)數(shù)量及測(cè)點(diǎn)高度均與棚內(nèi)一致，風(fēng)速風(fēng)向記錄儀設(shè)在距地面高度2m處。所有數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔均為5min。

試驗(yàn)階段以當(dāng)日氣象臺(tái)發(fā)布的夜間最低溫度為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)預(yù)報(bào)最低溫度2℃或以下時(shí)，開始紅梅杏防霜棚試驗(yàn)，17：00左右在日落前覆蓋棚布，棚內(nèi)無加溫措施，次日8：00左右日出后卷起棚布，覆蓋時(shí)長14h～16h。

1.3 分析方法

從兩個(gè)方面對(duì)防霜棚的熱平衡進(jìn)行分析，其一，為分析防霜棚的主要失熱部分，將防霜棚夜間熱平衡分為三個(gè)模塊，分別為覆蓋層、棚內(nèi)濕空氣、土壤層的熱平衡，春季試驗(yàn)多集中在紅梅杏初花期前后，對(duì)2a生樹苗的修剪管理及秋季的落葉現(xiàn)象導(dǎo)致紅梅杏樹樹葉較少，因此，春秋季夜間棚內(nèi)紅梅杏呼吸作用的耗熱量較小，作物的熱平衡可忽略不計(jì)[16?17]，根據(jù)各層之間物質(zhì)與能量的交換以及與外界的質(zhì)、熱交互過程來定性與定量分析各個(gè)部分的熱量得失情況；其二，研究防霜棚整體與外界環(huán)境的質(zhì)、熱交互情況，即夜間在進(jìn)入棚內(nèi)熱量與散失熱量的共同作用下防霜棚的熱量蓄積情況。

常溫常壓下，濕空氣的熱濕參數(shù)均被視為常數(shù)，但本試驗(yàn)通過分析幾個(gè)主要熱濕參數(shù)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化，研究夜間棚內(nèi)在低溫高濕情況下濕空氣的狀態(tài)變化及其對(duì)相變潛熱的影響，分析防霜棚內(nèi)相對(duì)濕度持續(xù)偏高的原因。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Matlab軟件對(duì)上述分析方法進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，使用Excel進(jìn)行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 初/終霜期防霜棚內(nèi)“冷室效應(yīng)”現(xiàn)象分析

2.1.1 春季終霜期內(nèi)

2020年3月下旬?4月下旬當(dāng)?shù)仡A(yù)報(bào)夜間最低氣溫為2℃或以下的共5d，分別為3月29日，4月10、12、16和25日，為增加試驗(yàn)次數(shù)，再增選晴朗無風(fēng)且最低氣溫高于2℃的夜晚（4月6、7、26和27日）進(jìn)行觀測(cè)試驗(yàn)。由表1可知，春季試驗(yàn)防霜棚內(nèi)平均溫度低于室外，均出現(xiàn)了“冷室效應(yīng)”，其中4月10、12和25日夜間有輕霜凍預(yù)警，因此，重點(diǎn)分析這3d夜間棚內(nèi)外溫度變化，由于棚內(nèi)外1m與2m高處的溫度差異不大，因此，重點(diǎn)分析1m高處溫度。

受太陽運(yùn)行的影響，18：00?次日6：00棚外氣溫逐漸下降；棚內(nèi)溫度則隨著18：00左右棚布落下后的保溫作用，氣溫逐漸上升，約1h后達(dá)到最大值，然后開始下降，最終逐漸低于棚外溫度，形成了“冷室效應(yīng)”。

表1 2020年3?4月防霜棚內(nèi)外氣溫觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由圖2可見，每次“冷室效應(yīng)”發(fā)生時(shí)，棚內(nèi)外溫度會(huì)產(chǎn)生較大的差異。4月10日，棚布覆蓋后，18：00?19：00棚內(nèi)溫度升高了1.2℃，19：00?次日6：00棚內(nèi)溫度下降速度為1.6℃·h?1，高于棚外溫度的下降速度（1.2℃·h?1），造成棚內(nèi)溫度低于棚外溫度的“冷室效應(yīng)”。此時(shí)段，棚內(nèi)和棚外的平均溫度分別為?0.3℃和1.2℃，平均溫差1.5℃，最低溫度均出現(xiàn)在次日6：00，分別為棚內(nèi)?6.2℃和棚外?3.7℃，最低溫度相差2.5℃。7：00左右太陽升起棚內(nèi)外溫度均開始回升，棚內(nèi)溫度回升更快，直到8：00棚布卷起，棚內(nèi)外溫度恢復(fù)一致。4月12日和4月25日夜間?次日凌晨棚內(nèi)、外溫度變化趨勢(shì)與4月10日一致，均在20：00左右?次日6：00出現(xiàn)了“冷室效應(yīng)”，4月12日、25日夜間棚內(nèi)平均溫度分別為3.0℃和2.7℃，棚外平均溫度均為4.9℃，棚內(nèi)與棚外的平均溫差分別為1.9℃和2.2℃?？梢?，在有霜凍的夜晚使用單層無紡布覆蓋的防霜棚防御霜凍時(shí)，棚內(nèi)受凍強(qiáng)度明顯高于棚外，未能達(dá)到保護(hù)紅梅杏樹防御霜凍災(zāi)害的目的，保溫效果不理想，不符合本研究的設(shè)計(jì)初衷。

圖2 2020年4月夜間發(fā)生“冷室效應(yīng)”時(shí)防霜棚內(nèi)外溫濕度變化過程

園藝設(shè)施在夜間基本處于一種封閉狀態(tài)，其內(nèi)部相對(duì)濕度因溫度較低且通風(fēng)不足而相對(duì)較大[18]。由圖2可知，4月10日、12日和25日棚布覆蓋后，棚內(nèi)相對(duì)濕度較棚外上升速度快，在次日卷起棚布前也都保持較高的水平，如4月10日23：00棚內(nèi)相對(duì)濕度已經(jīng)達(dá)到90.0%以上，而棚外在次日4：00左右才達(dá)到相對(duì)濕度的最大值74.0%。4月10、12和25日夜間?次日凌晨棚內(nèi)平均相對(duì)濕度分別為84.0%、82.5%、71.4%，棚外平均相對(duì)濕度分別為53.9%、44.5%、25.0%，棚內(nèi)相對(duì)濕度明顯高于棚外。

2.1.2 秋季初霜期內(nèi)

如圖3所示為11月3、6和8日夜間出現(xiàn)“冷室效應(yīng)”時(shí)棚內(nèi)外溫濕度逐時(shí)變化過程。由圖可見，與春季略有不同，在秋季日落時(shí)棚布覆蓋后棚內(nèi)溫度并未因保溫作用而有明顯的增溫過程，而表現(xiàn)為棚內(nèi)溫度的下降幅度明顯高于棚外。11月6日18：00棚內(nèi)外溫度均為7℃，而22：00棚內(nèi)溫度已經(jīng)降至?0.9℃，棚外則為1.1℃，相同時(shí)段內(nèi)棚內(nèi)外的降溫速度分別為2.0℃·h?1、1.4℃·h?1。11月3、6和8日夜間棚內(nèi)平均溫度分別為3.5、?0.7和4.6℃，棚外平均溫度分別為5.9、1.6和7.2℃，棚內(nèi)平均溫度分別低于棚外2.4、2.3和2.6℃，同時(shí)這3d夜間棚內(nèi)最低溫度分別為?0.65、?4.6和?0.35℃，棚外最低溫度分別為?0.1、?3.6和1℃?？梢?，秋季試驗(yàn)同樣出現(xiàn)了防霜棚內(nèi)溫度低于外界溫度的“冷室效應(yīng)”現(xiàn)象，同樣未能起防御霜凍災(zāi)害的目的。

圖3 2020年11月夜間發(fā)生“冷室效應(yīng)”時(shí)防霜棚內(nèi)外溫濕度的變化過程

秋季夜間棚內(nèi)外相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)與春季基本一致，如圖3所示。棚布覆蓋后，棚內(nèi)相對(duì)濕度有明顯的上升過程，觀測(cè)期內(nèi)至19：00相對(duì)濕度都已達(dá)到90%以上，并在次日0：00均已接近100%，其中11月3日和8日均在次日6：00棚內(nèi)相對(duì)濕度達(dá)到了100%，而11月6日的次日1：50就已達(dá)100%，這3d棚內(nèi)濕空氣的飽和狀態(tài)均持續(xù)到卷起棚布時(shí)才結(jié)束。而棚外夜間的相對(duì)濕度基本保持在30%～88%，僅11月3日的次日凌晨出現(xiàn)了相對(duì)濕度升高并接近于棚內(nèi)的現(xiàn)象，最高達(dá)到98.7%，但總體上均表現(xiàn)為棚內(nèi)相對(duì)濕度高于棚外。

2.2 “冷室效應(yīng)”發(fā)生時(shí)防霜棚內(nèi)熱平衡分析

2.2.1 分析思路和假設(shè)

對(duì)分析棚內(nèi)外的熱交換過程做如下假設(shè)：將防霜棚南、北面擋風(fēng)側(cè)板視為絕熱部分，忽略其對(duì)棚內(nèi)熱環(huán)境的交互作用；覆蓋面、棚內(nèi)空氣、土壤淺層與深層的溫度視為均勻狀態(tài)；覆蓋層內(nèi)外表面溫度一致；只考慮土壤層沿深度方向的熱傳導(dǎo)，跨度與長度方向的傳熱忽略不計(jì)；棚內(nèi)2a生紅梅杏樹夜間呼吸作用耗熱量小，忽略不計(jì)。

（1）覆蓋層能量

覆蓋層能量平衡方程為

式中，△Qf為覆蓋層的得熱量（W），正值表示獲得熱量，負(fù)值表示失去熱量。Qf,H2O表示覆蓋層水蒸氣凝結(jié)潛熱放熱量[19]（W），Qf,aw表示棚外濕空氣與覆蓋材料外表面的對(duì)流換熱量(W)，Qf,s表示覆蓋層內(nèi)表面對(duì)土壤表層的長波輻射交換能量（W），Qf,sky表示覆蓋層外表面對(duì)天空的長波輻射能（W），Qf,an表示棚內(nèi)濕空氣與覆蓋層內(nèi)表面的對(duì)流換熱量（W）。其中

式中，γ是水的蒸發(fā)潛熱，取值2.26×106J·kg?1；Af為覆蓋層面積，取值377.54m2；K為棚內(nèi)濕空氣中水蒸氣質(zhì)量向覆蓋層的傳遞速率（m·s?1），計(jì)算式為

式中，hf,an為棚內(nèi)濕空氣與覆蓋層內(nèi)表面間的自然對(duì)流換熱系數(shù)（W·m?2·K?1），通過努謝爾特準(zhǔn)則Nu[20]計(jì)算得出；ρf為覆蓋材料密度，取值82kg·m?3；Cf為覆蓋材料比熱容，取值1.6832kJ·kg?1·K?1；Le為濕空氣中水蒸氣的Lewis數(shù)，取值0.89。覆蓋材料無紡布的物性參數(shù)（密度、比熱容、導(dǎo)熱率）利用基于瞬態(tài)熱線法的儀器TC3000測(cè)定得出。

式（2）中，ρva和ρvf分別為棚內(nèi)濕空氣水汽密度和覆蓋材料內(nèi)表面飽和水汽密度（kg·m?3），當(dāng)ρva≤ρvf時(shí)，Qf,H2O取值為0，計(jì)算式分別為

式中，e和es分別為棚內(nèi)濕空氣的實(shí)際水汽壓和飽和水汽壓（Pa）；MH2O為水的摩爾質(zhì)量，取值18×10?3kg·mol?1；Tan和Tfn分別為棚內(nèi)環(huán)境溫度與覆蓋材料內(nèi)表面溫度（K），其中覆蓋材料的表面溫度根據(jù)馬承偉等[21?23]提供的方法，通過覆蓋材料的傳熱量滿足能量平衡關(guān)系計(jì)算獲得；Rv為氣體常數(shù)，取值8.134J·mol?1·K?1。

式（3）?式（6）中，hf,aw為棚外濕空氣與覆蓋材料外表面對(duì)流換熱系數(shù)(W·m?2·K?1)，與棚外風(fēng)速有關(guān)，根據(jù)雷諾準(zhǔn)則Re的大小判斷棚外空氣經(jīng)過覆蓋層外表面的流態(tài)，并根據(jù)層流與紊流各自不同的努謝爾特準(zhǔn)則Nu得到對(duì)流換熱系數(shù)；Tfw和Taw分別為覆蓋材料表面溫度和棚外濕空氣溫度（K）；Ef和Es分別表示覆蓋層內(nèi)表面與土壤表層的發(fā)射率，分別取值0.9和0.8[12]；Ff,s表示覆蓋層內(nèi)表面對(duì)土壤表層的輻射角系數(shù)，取值0.32[12]；σ表示黑體輻射常數(shù)，取值5.67×10?8W·m?2·K?4；Ts為土壤表層溫度（K）；Esky表示天空發(fā)射率，取值1[12]；Ff,sky表示覆蓋層外表面對(duì)天空的輻射角系數(shù)，取值1[12]；夜間的太陽短波輻射為0，天空可視為無限大黑體，因此，天空輻射溫度Tsky=0.0552Taw1.5[24]，單位K。

（2）棚內(nèi)濕空氣能量

棚內(nèi)濕空氣能量平衡方程為

式中，△Qa為棚內(nèi)濕空氣的得熱量（W），正值表示棚內(nèi)濕空氣得到熱量，負(fù)值表示失去熱量，Qan,s表示棚內(nèi)濕空氣與土壤表層的對(duì)流換熱量（W）；Qf,an表示棚內(nèi)濕空氣與覆蓋層內(nèi)表面的對(duì)流換熱量（W）；Qa,v表示棚內(nèi)外濕空氣的滲透換熱量[25?26]（W），由圍護(hù)結(jié)構(gòu)的連接或覆蓋部分存在裂縫、破損、縫隙所引起的棚內(nèi)外熱量交換；Qf,an表示棚內(nèi)濕空氣與覆蓋層內(nèi)表面的對(duì)流換熱量（W）。其中

式（11）?式（13）中，As為棚內(nèi)土壤表面面積（m2）；han,s為棚內(nèi)濕空氣與土壤表層的自然對(duì)流換熱系數(shù)（W·m?2·K?1），計(jì)算方法同式（7）的hf,an；Vn為棚內(nèi)容積，取值274.3m3；N、Cpw和ρw分別為換氣次數(shù)（h?1）、棚外濕空氣定壓比熱(kJ·kg?1·K?1)和棚外濕空氣密度(kg·m?3)，其中換氣次數(shù)的計(jì)算式為

式中，U為室外風(fēng)速（m·s?1）；△T為棚內(nèi)外環(huán)境溫度差（K）。

（3）棚內(nèi)土壤能量

棚內(nèi)土壤能量平衡方程為

式中，△Qs表示棚內(nèi)土壤的熱量（W），正值表示獲得熱量，負(fù)值表示失去熱量。Qs,sd為土壤表層至深層由熱傳導(dǎo)而引起的導(dǎo)熱量（W）；Qs,H2O為土壤水分蒸發(fā)的潛熱量（W）；Qan,s表示棚內(nèi)濕空氣與土壤表層的對(duì)流換熱量（W）；Qs,f為棚內(nèi)土壤表面對(duì)覆蓋層內(nèi)表面的長波輻射交換能量（W），其中

式（16）?式（19）中，λ為土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)，0.86W·m?1·K?1；D為土壤層的鉛直深度，取0.45m；Tsd為0.45m深處土壤溫度（K）；△為棚內(nèi)濕空氣es隨Tan變化的曲線斜率（kPa·K?1）；Rn為夜間棚內(nèi)地表面凈輻射（W·m?2)；G為土壤熱通量（W·m?2)；ρn為棚內(nèi)濕空氣密度（kg·m?3）；Cpn為棚內(nèi)濕空氣定壓比熱(kJ·kg?1·K?1)；ra和rs分別為空氣動(dòng)力學(xué)阻抗與土壤表面阻抗，分別取值98s·m?1和210s·m?1；Fs,f為土壤層表面對(duì)覆蓋層內(nèi)側(cè)的輻射角系數(shù)，取值1[12]。

（4）防霜棚夜間蓄熱

將防霜棚視為一個(gè)整體的系統(tǒng)，根據(jù)能量守衡定律，該系統(tǒng)在得熱與失熱的共同作用下，研究它在整個(gè)夜間的熱量蓄積情況，于是有

式中，△Q為棚內(nèi)覆蓋?次日棚布收攏棚內(nèi)蓄積的總能量（W），正值表示棚內(nèi)累計(jì)得熱量大于失熱，負(fù)值表示棚內(nèi)累計(jì)得熱量小于失熱，當(dāng)△Q=0時(shí)，棚內(nèi)累計(jì)得熱量等于累計(jì)失熱量。式（20）中Qaw,an為貫流換熱量（W），表示溫度高的一側(cè)通過覆蓋材料向溫度低的一側(cè)傳遞的熱量，計(jì)算式為

式中，f為覆蓋材料的熱節(jié)省率，取值0.64[12]；α為熱量貫流率（W·m?2·K?1），計(jì)算式為

式中，δ為覆蓋材料厚度，即0.002m。

2.2.2 防霜棚不同模塊熱平衡分析

各模塊熱量得失情況如表2所示。其中，4月10和12日、11月3和6日夜間覆蓋層和棚內(nèi)土壤層均為失熱部分，棚內(nèi)濕空氣為得熱部分，而4月25日和11月8日除土壤層為失熱部分外，覆蓋層和棚內(nèi)濕空氣均為得熱部分。

（1）覆蓋層熱平衡

由表2可見，Qf,sky為主要的熱損失，這是因?yàn)橐归g天空輻射溫度低于覆蓋層溫度所致，而Qf,H2O、Qf,aw、Qf,s、Qf,an均為覆蓋層提供熱量，這是因?yàn)榕飪?nèi)外環(huán)境溫度、土壤溫度均高于覆蓋層表面溫度所致。在4月10和12日、11月3和6日夜間熱損失Qf,sky占總熱量的百分比依次為52%、56%、54%和53%，均大于總熱量的一半，而其余各項(xiàng)占比總體情況表現(xiàn)為Qf,H2O＜Qf,an＜Qf,aw＜Qf,s，其中Qf,H2O提供的熱量最少，依次為0.7%、0.3%、1.2%和1.8%，同時(shí)也可以看出，秋季夜間覆蓋層內(nèi)側(cè)由水汽凝結(jié)所提供的熱量高于春季，Qf,aw和Qf,s為主要的熱量來源，將二者相加后占比依次為44%、38%、38%和40%。而4月25日夜間提供熱量的Qf,s和熱損失Qf,sky占比均為40%，外加其余各項(xiàng)提供的熱量，導(dǎo)致覆蓋層得熱量的占比（59.9%）大于損失熱的占比（40%），同樣，在11月8日由于提供熱量的Qf,an與熱損失Qf,sky的占比分別為38.6%和40.1%，外加其余各項(xiàng)提供的熱量，導(dǎo)致覆蓋層得熱量的占比（59.8%）大于損失熱的占比（40.1%），因此，4月25日和11月8日的覆蓋層為得熱部分。

表2 夜間“冷室效應(yīng)”發(fā)生時(shí)防霜棚不同模塊的熱量得失(kW)

注：正值表示得到的熱量，負(fù)值表示失去的熱量。表3同。

Note: positive value indicates the heat obtained and negative value indicates the heat lost. The same as table 3.

（2）棚內(nèi)濕空氣熱平衡

由于棚內(nèi)環(huán)境溫度低于土壤與外界溫度，所以棚內(nèi)濕空氣熱量收支中Qan,s和Qa,v為棚內(nèi)濕空氣提供熱量，由表2可知，4月10、12和25日，11月3、6和8日的Qan,s為主要熱量來源，6d內(nèi)的平均占比為79.5%，其次為Qa,v，平均占比3.4%。由于覆蓋層內(nèi)表面溫度低于棚內(nèi)環(huán)境溫度，使得覆蓋層吸收棚內(nèi)濕空氣溫度，因此，Qf,an為主要熱損失，6d內(nèi)Qf,an平均占比為17%，小于Qan,s的占比，因此，夜間棚內(nèi)濕空氣為得熱部分。

（3）棚內(nèi)土壤層熱平衡

夜間防霜棚內(nèi)無熱源供暖時(shí)，棚內(nèi)環(huán)境溫度低于土壤溫度，所以土壤層就是唯一的熱源。由表2可知，在土壤層的熱量收支中，Qs,f、Qan,s、Qs,H2O均為土壤層的熱損失項(xiàng)，其中Qs,f和Qan,s占比最大，該兩項(xiàng)在6d內(nèi)的平均占比分別為42.1%和42%，Qs,H2O的占比最小，為6.9%，由此可知，夜間土壤水分蒸發(fā)消耗的潛熱較小。而Qs,sd在不同情況下表現(xiàn)為不同的傳熱方向，例如在4月10日、11月3日、6日和8日夜間，由于表層土溫持續(xù)較長時(shí)間低于深層土溫，即Qs,sd為負(fù)值，熱量由深層向表層傳遞，Qs,sd為土壤層的得熱項(xiàng)，在4月12日和25日夜間由于表層土溫持續(xù)長時(shí)間高于深層土溫，即Qs,sd為正值，熱量由表層向深層傳遞，Qs,sd為土壤層的熱損失項(xiàng)，但不論Qs,sd是正值或負(fù)值，該項(xiàng)在土壤層熱量收支中占比較少，在6d內(nèi)的平均占比僅9.1%。

2.2.3 防霜棚系統(tǒng)熱量蓄積情況分析

如表3所示，6d內(nèi)在棚布覆蓋至次日收攏時(shí)段內(nèi)，整個(gè)防霜棚系統(tǒng)均處于失熱狀態(tài)，即棚內(nèi)累計(jì)得熱量均小于累計(jì)失熱量。由于夜間棚內(nèi)環(huán)境溫度低于土壤溫度和棚外溫度，以及覆蓋層得到的潛熱能與吸收的土壤長波輻射能，所以，Qf,H2O、Qan,s、Qs,f、Qaw,an、Qa,v均為得熱項(xiàng)，除Qs,sd外其余均為熱損失項(xiàng)，Qs,sd受表層土溫和深層土溫溫差的影響，其傳熱方向不能一概而論。

表3 夜間“冷室效應(yīng)”發(fā)生時(shí)防霜棚系統(tǒng)熱量蓄積情況（kW）

4月12日、25日Qs,sd為熱損失項(xiàng)，這2d夜間防霜棚系統(tǒng)得熱項(xiàng)提供的平均累計(jì)熱量由多至少依次為Qan,s＞Qs,f＞Qaw,an＞Qa,v＞Qf,H2O，平均占比依次為25.6%、18%、2.5%、0.4%和0.2%。而熱損失項(xiàng)所消耗的平均累計(jì)熱量由多至少依次為Qf,sky＞Qf,s＞Qs,sd＞Qs,H2O，平均占比依次為26.1%、17.3%、6.3%和3.6%。所以總累計(jì)得熱量和總累計(jì)熱損失占比分別為46.7%和53.3%，累計(jì)得熱量小于累計(jì)熱損失，導(dǎo)致夜間棚內(nèi)出現(xiàn)“冷室效應(yīng)”現(xiàn)象。

4月10日、11月3、6和8日Qs,sd為得熱項(xiàng)，這4d夜間防霜棚系統(tǒng)得熱項(xiàng)提供的平均累計(jì)熱量由多至少依次為Qs,f＞Qan,s＞Qaw,an＞Qs,sd＞Qf,H2O＞Qa,v，平均占比依次為19.6%、17.2%、4.2%、3.1%、1.1%和0.9%。由熱損失項(xiàng)所消耗的平均累計(jì)熱量由多至少依次為Qf,sky＞Qf,s＞Qs,H2O，平均占比依次為36.8%、14.2%和2.9%?？偫塾?jì)得熱量和總累計(jì)熱損失量占比分別為46.1%和53.9%，同樣的累計(jì)得熱量小于累計(jì)熱損失，導(dǎo)致夜間棚內(nèi)出現(xiàn)“冷室效應(yīng)”現(xiàn)象。

由此可知，夜間在棚內(nèi)無熱源設(shè)備供暖時(shí)，土壤是最主要的熱源，通過對(duì)流與輻射的方式向防霜棚提供熱量，其次是棚外環(huán)境以對(duì)流和滲透方式向棚內(nèi)提供熱量，但相對(duì)土壤而言，提供的熱量較少，這是因?yàn)橐归g棚內(nèi)溫度雖然低于外界溫度，但外界溫度始終保持著較低的水平，因此，供熱量較少，而由覆蓋材料內(nèi)表面引起的水分凝結(jié)潛熱量與滲透換熱量的占比最低，提供的累計(jì)熱量最少。防霜棚的覆蓋層為主要失熱部分，因外界天空輻射溫度低于覆蓋層溫度，覆蓋層主要以長波輻射的方式向外傳熱，還有覆蓋層向棚內(nèi)土壤的長波輻射熱損失，這對(duì)防霜棚系統(tǒng)的熱環(huán)境也有一定不利影響，而由土壤水分引起的汽化潛熱造成的熱損失相對(duì)較少。

2.3 “冷室效應(yīng)”發(fā)生時(shí)防霜棚內(nèi)外濕空氣熱濕參數(shù)

2.3.1 水汽密度

由圖4可知，棚布覆蓋后棚內(nèi)水汽密度有明顯的上升趨勢(shì)，維持平均1h左右達(dá)到最大值后又呈下降趨勢(shì)，而棚外水汽密度的變化幅度相對(duì)于棚內(nèi)較小，次日棚布卷起，棚內(nèi)外濕空氣在對(duì)流的情況下水汽密度保持一致。春季夜間棚內(nèi)外水汽密度的平均增長率分別為65.2%和42.8%，秋季分別為47%和29.6%，秋季棚內(nèi)外水汽密度的增長程度相對(duì)低于春季，這是因?yàn)榍锛疽归g棚內(nèi)外水汽密度的總體水平（棚內(nèi)外平均值分別為0.0053和0.0046kg·m?3）高于春季（棚內(nèi)外平均值0.0049和0.0027kg·m?3），其次秋季棚內(nèi)外水汽密度相差程度低于春季，因此，在圖4中秋季11月3日、8日夜間棚內(nèi)外水汽密度在變化過程中出現(xiàn)了基本一致的現(xiàn)象。但總體而言，在防霜棚的作用下棚內(nèi)水汽密度顯著高于棚外（P＜0.05）。

圖5為試驗(yàn)期間棚內(nèi)土壤表層因水分蒸發(fā)而消耗潛熱量的逐時(shí)變化過程，由圖5a、b、c可以看出，土壤表層水分蒸發(fā)潛熱初期有明顯的上升過程，這是因?yàn)榇杭九锊几采w后隨著棚內(nèi)溫度的升高土壤表層水分蒸發(fā)能力增強(qiáng)，上升至最大值后又呈下降趨勢(shì)，這與圖4a、b、c的棚內(nèi)水汽密度變化趨勢(shì)基本吻合，隨著棚內(nèi)相對(duì)濕度的不斷升高或接近飽和狀態(tài)以及溫度的持續(xù)降低，土壤水分蒸發(fā)能力也隨之降低，因此，潛熱消耗量下降或?yàn)?，與此同時(shí)水汽密度也呈下降趨勢(shì)，次日日出后由于棚布卷起較晚，棚內(nèi)溫度升高，土壤表層水分蒸發(fā)能力再次增強(qiáng)，導(dǎo)致潛熱消耗量升高的同時(shí)水汽密度也隨之上升，由此可知，棚內(nèi)水汽密度的升高是由土壤表層水分蒸發(fā)占主導(dǎo)所致，同時(shí)水汽密度的變化過程可間接反映棚內(nèi)土壤表層蒸發(fā)能力及水分蒸發(fā)潛熱消耗量的變化過程。與春季不同，由圖3可知棚布覆蓋后秋季的棚內(nèi)溫度呈下降趨勢(shì)，同時(shí)由圖5d、e、f可知，土壤表層水分蒸發(fā)潛熱量也呈明顯的下降趨勢(shì)，因此，圖4d、e、f中棚布覆蓋后水汽密度的上升并非土壤水分蒸發(fā)占主導(dǎo)因素，而是防霜棚的封閉效果引起，之后隨著棚內(nèi)溫度的降低以及相對(duì)濕度的不斷升高或接近飽和，土壤的水分蒸發(fā)能力下降或停止，因此，水汽密度不斷降低。由此可知，秋季水汽密度的上升過程是由防霜棚的封閉使棚內(nèi)水汽的聚集導(dǎo)致，而后水汽密度的下降是因?yàn)榕飪?nèi)相對(duì)濕度接近飽和導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)能力降低所致。

圖4 夜間“冷室效應(yīng)”發(fā)生時(shí)防霜棚內(nèi)外水汽密度的變化情況

圖5 夜間“冷室效應(yīng)”發(fā)生時(shí)防霜棚內(nèi)土壤表層蒸發(fā)潛熱的變化情況

注：因?yàn)?1月6日、8日覆蓋棚布時(shí)間分別為17：50和16：50，所以圖5e、f的分析起始時(shí)間分別為18：00和17：00，圖7e、f同。

Note: Because the covering time was 17：50 and 16：50 on November 6th and 8th respectively, so the starting time of analysis in Fig. 5e and Fig. 5f was 18：00 and 17：00 respectively, the same as Fig. 7e and Fig. 7f.

2.3.2 露點(diǎn)溫度

露點(diǎn)溫度Td指在等壓情況下，濕空氣溫度Ta下降至飽和時(shí)的溫度，即當(dāng)Td＜Ta時(shí)，濕空氣未飽和；當(dāng)Td=Ta時(shí)，濕空氣飽和；當(dāng)Td＞Ta時(shí)，濕空氣過飽和[27]。針對(duì)夜間防霜棚內(nèi)低溫高濕環(huán)境下的露點(diǎn)溫度與覆蓋層內(nèi)表面、土壤表層、棚外露點(diǎn)溫度的逐時(shí)變化情況進(jìn)行對(duì)比分析，來研究防霜棚內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的冷卻及傳熱情況。將飽和水汽壓公式轉(zhuǎn)換得出露點(diǎn)溫度的推移式[28]，即

式中，Td為露點(diǎn)溫度（℃），es為飽和水汽壓（hPa）。夜間棚內(nèi)外露點(diǎn)溫度的逐時(shí)變化過程如圖6所示，由圖可見，棚布覆蓋后，棚內(nèi)露點(diǎn)溫度與棚外相比有明顯的上升趨勢(shì)，達(dá)到最大值后均呈現(xiàn)緩慢的下降趨勢(shì)，但總體上均高于棚外露點(diǎn)溫度，其中圖6a、b、c的春季變化過程最明顯，而圖6d、e、f中棚內(nèi)外露點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化出現(xiàn)了基本一致的現(xiàn)象，這是因?yàn)榍锛就饨绛h(huán)境比春季較濕潤所致，經(jīng)計(jì)算，春季棚內(nèi)外平均露點(diǎn)溫度依次為0.1℃和?8.3℃，秋季為1℃和?0.9℃，總體表現(xiàn)為棚內(nèi)高于棚外（P＜0.05）。

由圖6還可知，夜間棚內(nèi)土壤表層溫度明顯高于棚內(nèi)露點(diǎn)溫度，春、秋季棚內(nèi)土壤表層溫度的平均值分別為2.6和7.1℃，均高于棚內(nèi)平均露點(diǎn)溫度，說明春、秋季夜間棚內(nèi)土壤表層并未出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。而覆蓋層內(nèi)表面溫度在春、秋季均表現(xiàn)出從高于棚內(nèi)露點(diǎn)溫度再降至低于露點(diǎn)溫度的過程，說明夜間覆蓋層內(nèi)表面有冷凝現(xiàn)象，覆蓋層內(nèi)表面溫度與露點(diǎn)溫度的差值小于零時(shí)則出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象，春季基本在次日1：00?7：00有冷凝現(xiàn)象，秋季則在20：00?次日卷起棚布時(shí)段。此外，根據(jù)式（2）計(jì)算得出春、秋季覆蓋層內(nèi)表面冷凝潛熱逐時(shí)變化過程，由圖7可以明顯看出，夜間覆蓋層內(nèi)表面因冷凝而產(chǎn)生潛熱的時(shí)段與通過露點(diǎn)差所判斷的時(shí)段高度吻合，同時(shí)由圖7d、e、f可以看出，秋季夜間覆蓋層出現(xiàn)冷凝的時(shí)間比春季提前約5h，結(jié)束時(shí)間比春季晚0.5～1.0h，這是因?yàn)榍锛九飪?nèi)水汽密度高于春季，棚內(nèi)覆蓋層表面因冷凝產(chǎn)生的潛熱量要高于春季。綜上所述，防霜棚可以有效提高棚內(nèi)露點(diǎn)溫度，這有助于防霜棚覆蓋層內(nèi)表現(xiàn)產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象而得到潛熱量，同時(shí)研究露點(diǎn)溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度的差值有利于了解因冷凝而得到潛熱的時(shí)間長短。

2.3.3 飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓

防霜棚內(nèi)飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓在夜間的變化可以反應(yīng)棚內(nèi)相對(duì)濕度較高的原因，飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓的計(jì)算式分別為

式中，es、e分別為飽和水汽壓（hPa）和實(shí)際水汽壓（hPa）；ta為環(huán)境溫度（℃）；RH為相對(duì)濕度（%）。由圖8a、b、c可以看出，春季棚布覆蓋后棚內(nèi)飽和水汽壓有明顯的上升趨勢(shì)，上升至最大值后又呈下降趨勢(shì)，在該現(xiàn)象持續(xù)約2h以后由于棚內(nèi)飽和水汽壓下降速度略高于棚外，因此出現(xiàn)了持續(xù)低于棚外飽和水汽壓的現(xiàn)象。由圖8d、e、f可以看出，秋季棚布覆蓋后棚內(nèi)外的飽和水汽壓直接表現(xiàn)為下降趨勢(shì)（P＜0.05），這是因?yàn)轱柡退麎壕o隨環(huán)境溫度的變化而變化[29]。結(jié)合圖2可知，棚內(nèi)飽和水汽壓低于棚外的直接原因是棚內(nèi)溫度低于棚外溫度，春季棚內(nèi)飽和水汽壓平均低于棚外飽和水汽壓的12.6%，秋季為15.6%。

圖7 夜間“冷室效應(yīng)”發(fā)生時(shí)防霜棚覆蓋層內(nèi)表面冷凝潛熱量的變化情況

圖8 夜間“冷室效應(yīng)”發(fā)生時(shí)防霜棚內(nèi)外飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓的變化情況

實(shí)際水汽壓的變化過程受水汽密度的影響，比較圖4與圖8可以看出，二者的變化過程一致，表現(xiàn)為棚布覆蓋后棚內(nèi)實(shí)際水汽壓快速上升，上升至最大值后又呈下降趨勢(shì)，春季棚外的實(shí)際水汽壓變化范圍不大，基本維持在2.7～5.1hPa，平均為3.4hPa，而棚內(nèi)實(shí)際水汽壓在5.0～12.9hPa，平均為6.3hPa，比棚外高出46%。秋季夜間棚內(nèi)實(shí)際水汽壓的變化過程初期與春季一致，但由于當(dāng)?shù)厍锛疽归g較濕潤以及秋季夜間棚內(nèi)土壤水分蒸發(fā)能力明顯低于春季，因此，隨時(shí)間的推移出現(xiàn)了棚內(nèi)外實(shí)際水汽壓基本一致的現(xiàn)象，但總體仍表現(xiàn)為秋季夜間棚內(nèi)實(shí)際水汽壓顯著高于棚外（P＜0.05），秋季棚內(nèi)外平均水汽壓分別為6.7hPa和5.9hPa，比棚外高出12.5%。

相對(duì)濕度是同溫度下實(shí)際水汽壓與飽和水汽壓的比值[30]，當(dāng)相對(duì)濕度高，并且接近于100%時(shí)說明同溫度下的實(shí)際水汽壓幾乎接近于飽和水汽壓。由圖8可以看出，隨著時(shí)間的不斷推進(jìn)，棚內(nèi)實(shí)際水汽壓與飽和水汽壓的變化曲線無限接近，春季棚內(nèi)外的實(shí)際水汽壓與飽和水汽壓平均最小壓差分別為0.26hPa和2.1hPa，秋季分別為0hPa和0.35hPa，這就是造成棚內(nèi)相對(duì)濕度高于棚外的原因。

綜上所述，影響相對(duì)濕度的因素有實(shí)際水汽壓和飽和水汽壓，但片面地分析二者的數(shù)量關(guān)系并不能科學(xué)解釋相對(duì)濕度升降的原因。其主要影響因素分別為水汽密度和環(huán)境溫度，當(dāng)棚內(nèi)實(shí)際水汽壓變化相對(duì)穩(wěn)定或不變時(shí)，飽和水汽壓開始下降并逐漸接近實(shí)際水汽壓，導(dǎo)致相對(duì)濕度升高，在這種情況下引起相對(duì)濕度升高的主要原因是棚內(nèi)溫度降低；當(dāng)棚內(nèi)飽和水汽壓變化相對(duì)穩(wěn)定或不變時(shí)，由實(shí)際水汽壓的上升并逐漸接近飽和水汽壓導(dǎo)致相對(duì)濕度升高，此時(shí)相對(duì)濕度升高的主要原因是棚內(nèi)水汽密度增多。由圖8a、b、c可知，春季初期水汽密度增加是棚內(nèi)相對(duì)濕度升高的主要原因，而后由于出現(xiàn)了“冷室效應(yīng)”，此時(shí)棚內(nèi)溫度的快速降低成為相對(duì)濕度持續(xù)偏高的主要原因；由圖8d、e、f可知，秋季棚布覆蓋后首先棚內(nèi)溫度的快速下降和棚內(nèi)水汽密度的快速上升共同作用導(dǎo)致棚內(nèi)相對(duì)濕度增加，而后水汽密度呈明顯下降趨勢(shì)，但隨著棚內(nèi)“冷室效應(yīng)”出現(xiàn)由于環(huán)境溫度持續(xù)下降，導(dǎo)致棚內(nèi)相對(duì)濕度持續(xù)偏高，此時(shí)棚內(nèi)溫度的降低過程逐漸成為影響棚內(nèi)相對(duì)濕度持續(xù)偏高的主要原因。

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

本研究針對(duì)新設(shè)計(jì)的紅梅杏防霜棚在夜間進(jìn)行保溫試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的“冷室效應(yīng)”進(jìn)行熱平衡分析，得出夜間棚內(nèi)無熱源設(shè)備提供熱量時(shí)，土壤層為主要的熱源，以對(duì)流和輻射的方式向棚內(nèi)釋放熱量，這在崔思宇等[16?17，31]的研究結(jié)果中得到了證實(shí)。此外本試驗(yàn)得出夜間外界環(huán)境通過覆蓋層以對(duì)流和滲透方式向棚內(nèi)輸送熱量，這與多名研究者的結(jié)論相悖[17,19,26]，這是因?yàn)樵谒麄兊难芯恐幸归g棚內(nèi)溫度均高于棚外溫度，保溫性較好，根據(jù)能量守恒定律，熱量總是從高溫側(cè)流向低溫側(cè)，因此，覆蓋層以輻射、對(duì)流和滲透方式向棚外輸送熱量，然而，本試驗(yàn)夜間防霜棚內(nèi)基于“冷室效應(yīng)”的情況下環(huán)境溫度低于外界溫度，根據(jù)能量守恒定律外界環(huán)境通過覆蓋層以對(duì)流和滲透方式向棚內(nèi)輸送熱量，盡管如此由于向棚內(nèi)輸送的熱量較少，根據(jù)對(duì)防霜棚夜間熱平衡的分析來看，覆蓋層主要以輻射的方式向外界輸送大量熱量，成為主要失熱部分。

夜間防霜棚內(nèi)露點(diǎn)溫度明顯高于棚外露點(diǎn)溫度，這將對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面在低溫高濕環(huán)境下產(chǎn)生水汽的冷凝現(xiàn)象提供有利條件，本研究中夜間防霜棚覆蓋層內(nèi)表面溫度低于露點(diǎn)溫度，確有冷凝現(xiàn)象產(chǎn)生，并釋放出少量潛熱，而土壤表層溫度高于露點(diǎn)溫度，因此無冷凝現(xiàn)象，這與佟國紅等[32?33]的研究結(jié)果相呼應(yīng)。雖然圍護(hù)結(jié)構(gòu)夜間出現(xiàn)的冷凝現(xiàn)象對(duì)棚內(nèi)的保溫可以起到積極作用，但是由于其提供的潛熱量較少，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)因?qū)α髋c輻射方式產(chǎn)生的顯熱損失較大，因此，迫于棚內(nèi)熱損失量高于得熱量的前提下，出現(xiàn)了“冷室效應(yīng)”現(xiàn)象，由此說明針對(duì)此次設(shè)計(jì)的紅梅杏防霜棚在有效防御霜凍災(zāi)害方面還有待進(jìn)一步研究與完善。

受條件約束，防霜棚內(nèi)的溫濕度監(jiān)測(cè)只能滿足鉛直方向溫度分布的觀測(cè)，為簡化計(jì)算假設(shè)了棚內(nèi)水平方向溫度分布均勻，而在實(shí)際生產(chǎn)中棚內(nèi)水平方向的熱量傳遞情況對(duì)棚內(nèi)熱平衡具有一定的影響。此外，試驗(yàn)期間棚內(nèi)栽種的2a生紅梅杏對(duì)熱量平衡的影響暫可忽略不計(jì)，但在往后的試驗(yàn)中隨著作物的生長，對(duì)棚內(nèi)熱平衡的影響不能忽視，因此，為全面準(zhǔn)確分析防霜棚出現(xiàn)“冷室效應(yīng)”現(xiàn)象的熱量收支情況，下一步將棚內(nèi)水平方向的溫度分布情況考慮在內(nèi)，以及針對(duì)棚內(nèi)栽種2a生以上的紅梅杏在夜間參與棚內(nèi)的熱量交換也要進(jìn)行重點(diǎn)研究。

3.2 結(jié)論

（1）春、秋季試驗(yàn)期夜間紅梅杏防霜棚內(nèi)環(huán)境的整體特征表現(xiàn)為低溫高濕。棚內(nèi)環(huán)境溫度低于棚外環(huán)境溫度，平均相差2℃，未能起到有效預(yù)防霜凍的目的，反而加劇了棚內(nèi)紅梅杏樹的受凍情況；棚內(nèi)相對(duì)濕度明顯高于棚外，二者平均相差38%，秋季棚內(nèi)普遍出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。

（2）春、秋季夜間防霜棚各個(gè)部分在熱量收支方面總體表現(xiàn)為土壤層與覆蓋層為失熱部分，棚內(nèi)濕空氣為得熱部分，其中覆蓋層的熱量損失中Qs,sky為主要的熱損失，平均占比53.8%；土壤層作為唯一的熱源，Qs,f與Qan,s引起的熱損失較大，二者總占平均為42%，為主要熱損失項(xiàng)；棚內(nèi)濕空氣因Qan,s為主要的熱量來源，平均占比79.5%。在防霜棚熱量蓄積方面，夜間棚內(nèi)累計(jì)得熱量小于累計(jì)失熱量，二者平均占比分別為46.4%和53.6%，因此棚內(nèi)存在熱量失衡現(xiàn)象，導(dǎo)致“冷室效應(yīng)”的產(chǎn)生。

（3）除春季飽和水汽壓外，棚內(nèi)熱濕參數(shù)與棚外存在顯著性差異（P＜0.05）。棚內(nèi)水汽密度的升降可以準(zhǔn)確反映土壤水分在夜間的蒸發(fā)能力，并解釋不同季節(jié)土壤因蒸發(fā)而產(chǎn)生潛熱的規(guī)律；將圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的逐時(shí)溫度與棚內(nèi)環(huán)境逐時(shí)露點(diǎn)溫度的變化進(jìn)行比較，可以準(zhǔn)確判斷圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面是否有冷凝現(xiàn)象產(chǎn)生，以及冷凝現(xiàn)象產(chǎn)生起止時(shí)間；棚內(nèi)相對(duì)濕度偏高的原因是飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓在夜間的變化過程無限接近，棚內(nèi)溫度偏低及水汽密度的升高是棚內(nèi)相對(duì)濕度持續(xù)偏高的主要原因。

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Study on “Cold Chamber Effect” of Red Plum Apricot Frost Proof Shed Based on Dynamic Analysis of Heat Balance and Heat and Moisture Parameters

JIANG Rui-yang1，ZHANG Wei-jiang1，MA Yi1，MA Fang1，F(xiàn)ENG Na1，LI Wei-jian1，JIANG Chang2

(1. School of civil and hydraulic engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China；2. Ningxia Hongmei Apricot Technology Development Co. Ltd., Guyuan 756000)

A frost-proof shed was designed to prevent perennial frost disaster suffered by red plum apricots in the southern area of Ningxia. During the tests at night, the ambient temperature in the shed was always lower than that outside the shed, resulting in a "cold chamber effect”, and the desired effect was not achieved. Therefore, there was a test that needed to probe into the mechanism of the “cold chamber effect” in the frost-proof shed to provide a theoretical basis for improving the design of the frost-proof shed accurately and prevent frost disaster effectively. According to the principle of mass and heat balance, the test was researched the heat budget of the cover layer, the moist air in the shed, and the soil layer respectively then studied the heat accumulation in the whole system of the frost-proof shed during the period after the covering of the shed cloth to the time before its folding on the next day. Finally, the test explored the influence of relative humidity and the changes of moist air on phase transition latent heat by analyzing the dynamic process of main heat and humidity parameters in the shed. The study results show that: (1) when the “cold chamber effect” occurs at night in spring and autumn, both the soil layer and the cover layer become the part losing heat due to more heat loss, while the moist air in the shed becomes the part gaining heat due to more heat gain. (2) In spring and autumn, the accumulated heat gain is lower than the accumulated heat loss in the shed during the period after the covering of the shed cloth to the time before its folding on the next day, resulting in the heat imbalance in the shed. (3) There is a significant difference in the heat and humidity parameters of the moist air in the shed and those outside the shed (except the saturated water vapor pressure in the shed in spring); The dynamic changes of the water vapor density and the dew point temperature in the shed at night can reflect the change rules of latent heat caused by evaporation and condensation; The low temperature and higher water vapor density in the shed make the saturated water vapor pressure infinitely close to the actual water vapor pressure, resulting in the relative humidity in the shed persistently on the high side. The accumulated heat gain of the frost-proof shed for red plum apricots is always less than the accumulated heat loss at night, and the soil layer and the cover layer are the most important parts losing heat, and thus the “cold chamber effect” appears in the case of heat imbalance.

Red plum apricots; Cold chamber effect; Heat balance; Water vapor density; Dew point temperature; Water vapor pressure

姜瑞洋,張維江,馬軼,等.基于熱平衡及熱濕參數(shù)動(dòng)態(tài)分析紅梅杏防霜棚“冷室效應(yīng)”[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2022,43(3):177-193

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.03.002

2021?04?22

寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大（重點(diǎn)）項(xiàng)目“寧南山區(qū)生態(tài)恢復(fù)與水資源潛力開發(fā)研究與示范”（2018ZDKJ0040）

張維江，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦珊档貐^(qū)水資源調(diào)控及水土保持，E-mail：zwjiang @263.net

姜瑞洋，E-mail：469560272@qq.com