王 昭 ，何 斌，鄒志榮,王嘉維

(1.西北農(nóng)林科技大學 園藝學院，陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100)

高原非耕地地區(qū)日光溫室熱環(huán)境的研究

王 昭1，何 斌2，鄒志榮1,王嘉維1

(1.西北農(nóng)林科技大學 園藝學院，陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100)

為研究高原非耕地地區(qū)日光溫室熱環(huán)境的變化規(guī)律， 對2014年12月至2015年3月內(nèi)蒙古阿拉善盟典型日光溫室的室外溫度、室內(nèi)溫度、地表下10 cm的土層溫度、前屋面及后屋面的熱流量變化情況進行測定，分析不同天氣條件下，日光溫室氣溫、地溫、熱量情況。結(jié)果表明：該地區(qū)典型溫室日均溫度為5～30 ℃，室內(nèi)晴天最低溫度為2～6 ℃，陰天2～8 ℃，室內(nèi)最高溫度20～30 ℃，室內(nèi)外溫差15～25 ℃，室內(nèi)地溫為7～13 ℃，變化較室外晚1.5 h；熱傳遞方面，晴天熱流量峰值出現(xiàn)在14：00，陰天出現(xiàn)在蓋簾后的2～3 h。確定晴天14：00及陰天13：00為溫室合理灌溉及通風換氣的時間，不僅為進一步探究高原非耕地地區(qū)日光溫室熱環(huán)境特性提供了依據(jù)，還為溫室不同時間不同類型作物的管理方式、溫室結(jié)構的改良提供了思路。

非耕地;日光溫室;溫度;熱流量

隨著國家加大力度提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)水平，其推廣速度和范圍進一步增大[1-3]。近些年來對于日光溫室的研究主要集中在對室內(nèi)溫、光、濕環(huán)境的調(diào)控和溫室結(jié)構的改良2個方面。白義奎等[4]對適宜東北氣候條件的遼沈Ⅰ型日光溫室的溫、光、濕等環(huán)境及保溫性能進行了綜合分析，郭文忠等[5]設計建造寧夏NKWS-Ⅲ型日光溫室基本保證了茄果類蔬菜越冬生長；朱寶文等[6]探明建造于高寒冷地區(qū)的日光溫室室內(nèi)溫度變化規(guī)律，為控制室內(nèi)溫度提供了依據(jù)。同時很多研究者對溫室的改良提出許多設想，張勇等[7]研發(fā)了旋轉(zhuǎn)屋面角日光溫室，即前屋面角度隨著太陽入射角而變化，并對其采光、保溫性能進行了測定。孫周平等[8]研發(fā)的彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室，通過溫室脊高前移、減小溫室中部、后部的遮光面積，提高總體的溫光性能；管勇等[9]將研制的相變蓄熱材料應用于日光溫室北墻提高了溫室氣溫、地溫以及對太陽能的利用。

阿拉善盟地處非耕地高原內(nèi)蒙古自治區(qū)的最西端，平均海拔2 000 m，位于亞洲荒漠區(qū)最東部，總面積達27 km2[10]。沙漠、戈壁、裸巖及沙化土地總面積達93.15%以上，并有不斷擴大的趨勢[11]。因此，本研究通過對阿拉善盟地區(qū)的日光溫室內(nèi)熱環(huán)境的測定，分析在不同天氣條件下溫室內(nèi)熱環(huán)境變化情況，總結(jié)出溫室內(nèi)溫度和熱量的變化規(guī)律，以期能夠?qū)κ覝?、地溫、熱流量變化進行預測，對環(huán)境提前調(diào)控，從而保證溫室能夠維持在適宜作物生長所需的條件范疇。

1 材料與方法

1.1 時間及地點

測試于2014年12月至2015年3月進行，改良溫室均位于阿拉善左旗吉蘭泰鎮(zhèn)瑙干陶力嘎查哈圖左林的非耕地溫室示范基地，地處北緯38°18′49.31″ ，東經(jīng)105°32′42.38″。坐北朝南，南偏西5°，覆蓋材料選擇透光率80%的聚氯乙烯無滴膜，保溫被2.5 kg/m2，厚50 mm。溫室內(nèi)采用壟作的方式種植番茄。溫室的具體結(jié)構參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗方法

測定的數(shù)據(jù)為室內(nèi)外溫度、室內(nèi)地溫、前后屋面各點熱流量。分別在溫室東西方向的1/3和2/3，距后墻4 m，高度1.5 m的位置。室外測點選在全天均無遮蔽物的空曠場地，高度為2.0 m。數(shù)據(jù)從2014-12-22越冬茬番茄定植后開始，到2015-03-01果實全部采摘完畢為止。測點布置方式如表2所示。9：00之前根據(jù)日出情況揭簾，17:00后蓋簾。

表1 試驗溫室結(jié)構參數(shù)Table 1 Structure parameters

表2 測點分布情況Table 2 Distribution of measuring points

2 結(jié)果與分析

測定期間的天氣為晴天占62.3%，多云占29.0%，其他天氣占8.7%。因此溫度變化趨勢按晴天和陰天2種情況進行分析。太陽升起時需揭簾使作物能夠接收到陽光的照射進行光合作用，一般時間為9:00左右[12]，故以此為觀測起點。

2.1 溫室內(nèi)日氣溫

2.1.1 溫室內(nèi)日平均氣溫變化趨勢 日平均氣溫能夠反映溫室內(nèi)溫度變化的總體趨勢，是研究溫室性能的基本指標。2014-12-22至2015-02-26各時段平均溫度變化情況如圖1所示。

試驗溫室在15:00前，晴天溫度以平均4.67 ℃/h速度上升，陰天為2.5 ℃/h；15：00至蓋簾前，晴天以3.55 ℃/h速度下降，陰天為2.54 ℃/h；夜間，晴天溫度維持在7.5～10.5 ℃，陰天為4.5～8.3 ℃。

2.1.2 溫室內(nèi)日最低溫度變化趨勢 植物生長發(fā)育必須要達到一定的有效積溫，否則會導致作物生長不良。一些蔬菜作物如白菜類、根菜類、蔥蒜類和大部分葉菜類等2 a生蔬菜需要度過一段時間的低溫通過春化作用才能開花結(jié)實。圖2為監(jiān)測期間室內(nèi)最低溫度。

圖1 日平均溫度Fig.1 Daily mean temperature

不同天氣條件下室外最低溫度為-12～-5 ℃，改良溫室晴天日最低溫度主要分布范圍較大，且溫度區(qū)段更低，晴天主要分布在2～8 ℃，占總天數(shù)的81.82%,陰天集中在2～6 ℃，占78.26%。低溫出現(xiàn)的時間在一天中的5:00-7:00，溫度從蓋簾后一直處于下降的狀態(tài)。如種植番茄、黃瓜、茄子等喜溫蔬菜或需提前采收，可以采取熱風爐進行適當加溫，尤其是種子發(fā)芽階段，以加快其生長。

圖2 日最低溫度Fig.2 Daily minimum temperature

2.1.3 溫室內(nèi)日最高溫度變化趨勢 日光溫室主要是解決北方地區(qū)冬季氣溫偏低不適宜作物生長的問題[13]，但在某些時刻由于外界環(huán)境和溫室自身結(jié)構共同影響下，溫室內(nèi)會出現(xiàn)高溫現(xiàn)象。圖3為監(jiān)測期間，不同天氣條件的日最高溫度所占的比例。

圖3 日最高溫度Fig.3 Daily maximum temperature

從最高溫度的范圍上來看，已滿足白菜、甘藍、番茄、黃瓜、茄子等常見蔬菜的正常生長要求，同時建議在陰天時及時加溫以保證作物品質(zhì)和生長速度[14]。

相比于其他地區(qū)溫室可以看出，高寒非耕地地區(qū)溫室的最高溫度出現(xiàn)較其他地區(qū)溫室晚1～2 h。

2.1.4 溫室內(nèi)外溫差變化趨勢 室內(nèi)外溫差部分反映的溫室保溫效果。圖4為不同天氣條件室內(nèi)外不同時刻溫差變化情況。

圖4 溫室內(nèi)外溫差Fig.4 Temperature difference between internal and external greenhouse

從圖中可以看出，室內(nèi)溫度始終高于室外溫度，溫差集中在15～25 ℃。

典型晴天室內(nèi)外的溫差在14:00-15:00達到峰值，這是通風換氣及作物灌溉之前的階段，一天中光照強度最大，照射到室內(nèi)的太陽光一部分被地面和墻體吸收蓄熱，一部分經(jīng)地面反射為長波輻射，變化對室外溫度依存性小，溫差變大[8]；15:00-18:00，每小時下降2.3 ℃；18:00至次日9:00溫差較小，維持在18 ℃左右。

典型陰天由于一天內(nèi)溫度光強變化不大，對溫室升溫影響較小，同時為防止室內(nèi)溫度過低會采用熱風爐進行加溫，提早蓋簾以保持溫度。

相比其他地區(qū)日光溫室，該地區(qū)日光溫室具有晝夜溫差大等特點。

2.2 溫室內(nèi)地溫

地溫能顯著影響蔬菜作物的生長發(fā)育，地溫過高或過低顯著影響蔬菜根系對水分的吸收，劇烈的地溫變化會對根系的應力構成威脅，甚至造成作物枯萎；影響蔬菜根系對養(yǎng)分的吸收。不同天氣條件下日平均地溫變化如圖5所示。

改良溫室晴天條件下(圖5-A)，室內(nèi)地溫在10～15 ℃，室外地溫-5.6～-2.0 ℃，室內(nèi)相比室外地溫高14.2 ℃，最高溫度出現(xiàn)在18:00，最低溫度出現(xiàn)在10:00-11:00；室內(nèi)16:00至次日9:00溫度處于下降趨勢，平均每小時下降0.22 ℃；室內(nèi)9:00-16:00溫度表現(xiàn)為上升趨勢，每小時升高0.49 ℃，室內(nèi)溫度波動幅度高于室外。陰天條件下(圖5-B)，室內(nèi)地溫為7.20 ℃～9.65 ℃，室外地溫-4.98～-3.40 ℃，室內(nèi)相比室外地溫高12.5 ℃，最高溫度出現(xiàn)在14:00-15:00，最低溫度出現(xiàn)在9:00-12:00；室內(nèi)16:00至次日9:00溫度處于下降趨勢，平均每小時下降0.14 ℃；室內(nèi)12：00-16:00溫度處于上升趨勢，每小時升高0.20 ℃。

圖5 室內(nèi)外地溫Fig.5 Soil temperature difference between internal and external greenhouse

室內(nèi)地溫變化晚于室外1.5 h左右，波動幅度高于室外，溫度較低時采取加溫措施會造成溫度的加速上升。

2.3 日光溫室內(nèi)熱流變化

圖6為不同天氣條件下室內(nèi)各點熱流量變化情況。整體上看，陰天波動弱于晴天，越靠近屋脊各點變化越劇烈。晴天各時刻前屋面的熱流量明顯高于陰天，1點～4點整體波動趨勢相似，晴天峰值出現(xiàn)在14:00前后，陰天最大值在蓋簾后2～3 h。最小值出現(xiàn)在揭簾前。晴天會出現(xiàn)室內(nèi)溫度下降過快，5點(后屋面)散熱，在陰天條件下，1點～4點全天處于波動平穩(wěn)狀態(tài)，無明顯的峰值和最小值出現(xiàn)。5點的峰值出現(xiàn)在14:00，可達到35 W/(m2·s)。

圖6 各測點熱流變化Fig.6 Dynamics of heat flux in different observation points

以下從9:00揭簾時間、14:00室外溫度最高時間、17:00蓋簾前及0:00進行逐一分析。特殊的時段對熱流量進行分析。從圖7-A可以看出，9:00，1點～3點熱流量相近，并處于較低范圍，4點略高，5點值接近其他各點的2/3。14:00，各點熱流量處于較高值，1點略低于2點～4點，5點較4點低1/4左右。17:00，2點、3點值相似，1點和4點分別略低、略高于這兩點，5點出現(xiàn)負值，表明該點由吸熱狀態(tài)變?yōu)榉艧釥顟B(tài)，該現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于溫度快速下降，而后屋面保溫效果較好造成變化滯后進而放熱，為負值。夜間前屋面熱流量差距縮小至基本一致。建議14:00可以進行適當?shù)墓喔燃巴L。從后屋面的熱特性計算可以在中間加導熱系數(shù)0.033～0.044 W/(m· ℃)的EPS泡沫板。

從圖7-B可以看出，9:00時,1點～4點熱流量較小，15 ～20 W/m2，無明顯差異，后屋面接近前屋面的1/2。14：00，各測點達到峰值，1點～4點逐步遞增，1點和5點值接近。17：00時，1點～4點差距較小，3點、4點吸熱量減小，5點減小了2/3，表明此時室內(nèi)溫度已經(jīng)下降，后屋面的保溫性能開始發(fā)揮作用。0：00，3點～5點升高，由于陰天夜晚溫度較低，室內(nèi)進行了適當加溫措施。建議揭簾時覆蓋傳熱系數(shù)為3.3 W/(m2·K)及30 mm左右的保溫被，前屋面前1/2部分建議加厚10 mm，同時后屋面在建造溫室時內(nèi)部另加50 mm苯板保溫，陰天時可適當推遲揭簾時間至11:00，待室外溫度升高光線變強時開始揭簾。蓋簾時間提前至15:00。13:00可適當進行少量灌溉，避免通風散熱和濕度過大造成的霜霉病等病害產(chǎn)生。

A.晴天 Clear days;B.陰天 Overcast 圖7 極值時刻各點熱流量Fig.7 Thermal flow of different measuring points at time series of extremal temperature

2.4 溫室內(nèi)熱交換計算

溫室內(nèi)熱量變化受到室內(nèi)外環(huán)境條件的影響。熱量交換途徑有：太陽輻射得熱，圍護結(jié)構對流換熱，室內(nèi)作物、燈具、人體等之間相互熱交換，溫室內(nèi)作物葉片的蒸騰作用引起潛熱的變化，土壤水分的蒸發(fā)引起潛熱的變化，溫室內(nèi)換氣裝置(門、天窗、風機等)及結(jié)構縫隙等與外界產(chǎn)生的對流換熱共5個方面[15]。當熱量的流入量高于散熱量時會使引起溫室內(nèi)溫度升高，相反會造成溫度的下降。由此可推出溫室內(nèi)熱量平衡方程可以表述為：

△E=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

其中△E為溫室內(nèi)熱量變化(負值為熱量的散失，正值為熱量的流入)，W；Q1為溫室內(nèi)接收到的太陽輻射能,W；Q2為通過溫室的圍護結(jié)構(前屋面、后屋面、后墻等)換熱量,W；Q3為溫室內(nèi)作物、燈具、人體等之間的熱交換量,W；Q4為土壤傳熱量,W；Q5為溫室換氣裝置(門、天窗、風機等)及結(jié)構縫隙等與外界產(chǎn)生的對流換熱,W；Q6為溫室內(nèi)作物葉片的蒸騰作用引起潛熱的變化。

該地區(qū)室外年平均最低溫度為-14 ℃，不同種類的作物生長適宜溫度不同，如韭菜、菠菜、大蔥、大蒜等耐寒作物適宜生長溫度為15～20 ℃；白菜、甘藍、馬鈴薯、蘿卜等半耐寒作物適宜生長溫度為18～23 ℃；番茄、茄子、辣椒、黃瓜等喜溫作物適宜生長溫度為20～30 ℃；南瓜、西瓜、甜瓜、豇豆等耐熱作物適宜生長溫度為25～35 ℃。白天基本可以達到所有作物生長所需的條件，夜間溫度均低于15 ℃，不適宜作物的正常生長。需考慮夜間加溫，故此處設定室內(nèi)設計溫度為15 ℃。

(1)溫室內(nèi)接收的太陽輻射能(Q1)

由于夜間的溫室沒有太陽光照射，因此Q1為零。

(2)溫室結(jié)構換熱(Q2)

溫室是一個相對穩(wěn)定的半封閉環(huán)境，根據(jù)穩(wěn)定傳熱理論：

Q2=∑hiSi(Tn-Tw)h1

其中hi為不同材料圍護結(jié)構的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Si為不同材料各部分面積， m2；Tn為室內(nèi)溫度， ℃；Tw為室外溫度，℃。

其中h1為復合圍護結(jié)構外層材料的對流換熱系數(shù)，W/( m2·K)，此處取值8.72 W/( m2·K)；δ為復合圍護結(jié)構隔層材料的厚度，m；λ為復合圍護結(jié)構隔層材料的導熱系數(shù)，W/(m·K)；h2為復合圍護結(jié)構內(nèi)層材料的對流換熱系數(shù)，W/( m2·K) )，此處取值23.26 W/( m2·K)。

前屋面面積913.11 m2，外層覆蓋保溫被；h1=50 mm，λ1=0.03 W/(m·K)，內(nèi)層為聚氯乙烯無滴膜，h2=1 mm，λ2=7.2 W/(m·K)；后屋面面積139.996 m2，外層為SBS防水卷材，h3=5 mm，中間為水泥砂漿，δ1=30 mm，λ1=0.93 W/(m·K)，內(nèi)層為聚苯板，h4=5 mm；后墻面積336 m2，外層為聚苯板，h4=150 mm，內(nèi)層為厚土坯墻，h5=1 500 mm。

冷風滲透損失可按公式：

Q2=Cpm(Tn-Tw)

其中Cp為空氣的定壓比熱，0.279 kW·h/(kg·℃);m為通過冷風滲透進入溫室的空氣質(zhì)量，kg；空氣質(zhì)量為每小時冷風滲透進入溫室的空氣總質(zhì)量，可按公式：

m=NVρb

其中N為每小時溫室內(nèi)空氣交換的總次數(shù)，日光溫室N=0.33～41，取0.35[16]；V為溫室體積，2 932 m3；ρb為空氣密度，kg/m3，室內(nèi)溫度15 ℃時，空氣密度取1.315 kg/m3。

Q2=0.279×0.35×2 932×1.315×29=10 918.42 kW

(3) 溫室內(nèi)作物及燈具、人體等之間的熱交換量(Q3)

夜間不進行補光處理，工作人員無夜間作業(yè)，Q3取值為零。

(4)土壤傳熱損失(Q4)

選取墻外8 m以內(nèi)范圍，以2 m寬為一個梯度，由外到內(nèi)各梯度的傳熱系數(shù)取K1=0.52 W/(m2·K)，K2=0.25 W/(m2·K)，K3=0.15 W/(m2·K)，K4=0.10 W/(m2·K)[17]，計算其通過土壤傳熱的熱量損失Q4=0.52×80×2×29+0.25×80×2×29+0.15×80×2×29+0.10×80×2×29=4.732 8 kW

(5)溫室換氣裝置(門、天窗、風機等)及結(jié)構縫隙等與外界產(chǎn)生的對流換熱量(Q5)

夜間為達到保溫效果會關閉門窗及其他通風換氣設備，因此本次計算設定為密閉環(huán)境，Q5為零。

故當忽略不同風速及葉面蒸騰作用的影響(Q6)時，可近似求得夜間日光溫室熱量散失情況。溫室內(nèi)夜間熱量損失：

△E=270 483.627 531+4 732.8=275 216.4 W

若要保證喜涼作物的正常生長，當室外溫度在-14 ℃時，室內(nèi)溫度需維持在15 ℃以上，則溫室內(nèi)的采暖負荷至少為275 216.4 W。

若要保證半耐寒作物的正常生長，當室外溫度在-14 ℃時，室內(nèi)溫度需維持在18 ℃以上，則溫室內(nèi)的采暖負荷至少為303 687.1 W。

若要保證喜溫、耐熱作物的正常生長，當室外溫度在-14 ℃時，室內(nèi)溫度需維持在20 ℃以上，則溫室內(nèi)的采暖負荷至少為322 667.5 W。

3 結(jié) 論

溫室內(nèi)熱量變化受到室內(nèi)外環(huán)境條件的影響，熱量交換途徑有：

(1) 室內(nèi)相比室外地溫變化晚1.5 h左右，當室外地溫發(fā)生變化時，應提前調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。

(2) 陰天全天前屋面中下部及后屋面熱流量明顯高于晴天，須適當對這兩個位置覆蓋保溫被或苯板以減小熱量流失。

(3) 溫室后墻熱流變化情況，晴天條件下，從揭簾至16:00，后墻熱流量介于前屋面各點之間，16:00后熱流量高出其他各點20%左右；陰天條件下，14:00左右后墻墻熱流量達到峰值，是所有點中熱量流出的最高位置。

(4)夜間通過熱風爐的方式進行加溫，加溫負荷可根據(jù)各地自身氣候情況及對室溫的要求參考本試驗計算結(jié)果進行測算。

(5)夜間對后屋面進行保溫被覆蓋，加28.1 mm以上的保溫被，為保證夜間保溫效果前屋面前1/2處應加厚10 mm。晴天14:00對作物進行灌溉，并配合通風換氣，陰天減少灌溉量。揭簾時間推遲至11:00之后，蓋簾時間提前至15:00，13:00開始少量灌溉，無須通風，以減少熱量散失。

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(責任編輯：潘學燕 Responsible editor:PAN Xueyan)

Thermal Environment Research on Solar Greenhouses in Plateau and Non-cultivated Land

WANG Zhao1,HE Bin2,ZOU Zhirong1and WANG Jiawei1

(1.College of Horticulture,Northwest A&F University,Yangling Shaanxi 712100,China; 2.College of Water Resources and Architectural Engineering,Northwest A&F University,Yanling Shaanxi 712100,China)

To study the thermal change rule of solar greenhouse in the non-cultivated plateau, the temperatures of outdoor indoor,and 10 cm soil layer were measure,and the heat flow change of the front and back roof was also detected in Alxa League,Inner Mongolia from December in 2014 to March in 2015,and the solar greenhouse temperature,ground temperature and heat were analyzed under different weather conditions.The result shows that the average daily temperature of the greenhouse in the region was ranged from 5 ℃ to 30 ℃,the minimum indoor temperature was 2 ℃-6 ℃ in sunny day,and 2 ℃-8 ℃ in cloudy day; the indoor maximum temperature was 20 ℃-30 ℃,the indoor and outdoor temperature difference was 15 ℃-25 ℃,the indoor ground temperature was 7 ℃-13 ℃,changed later for 1.5 h than the outdoor;in terms of heat transmission,the heat flow peak appeared in 14:00 in sunny day,and 2 h-3 h after covering curtain in cloudy day.It was determined that 14:00 in sunny day and 13:00 in cloudy day was appropriate time for the irrigation,ventilation and air exchange for the greenhouse,which not only provides the basis for the study on the characteristics of solar greenhouse thermal environment in non-cultivated plateau,but also provides reference for the management of different crops in greenhouse,and improvement of the greenhouse structure.

Non-cultivated land; Solar greenhouse; Temperature; Heat flux

2016-05-12 Returned 2016-06-21

The Scientific Research Foundation for the National Nonprofit Industry(Agriculture)(No.201203002);Science and Technology Coordination Project of Shaanxi Province(No.2016KTCL02-02).

WANG Zhao,female,master student.Research area:facility agriculture environment.E-mail:wangzhao9199@126.com

HE Bin,male,Ph.D,associate professor,master supervisor.Research area:building structure and facility agriculture.E-mail:ylhebin@163.com

日期：2017-08-18

2016-05-12

2016-06-21

國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203002);陜西省科技統(tǒng)籌項目(2016KTCL02-02)。 第一作者：王 昭，女，在讀碩士研究生，從事設施農(nóng)業(yè)環(huán)境研究。E-mail:wangzhao9199@126.com

何 斌，男，博士，副教授，碩士生導師，主要從事建筑結(jié)構設施農(nóng)業(yè)研究。E-mail：ylhebin@163.com

S625.1

A

1004-1389(2017)08-1230-09

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