烏日力格崔世茂*宋 陽，2呂?；⑼跤耢o孫世軍趙振宇

（1內蒙古農業(yè)大學農學院，內蒙古呼和浩特 010019；2內蒙古華申創(chuàng)達科技有限公司，內蒙古包頭014010；3包頭市農業(yè)科學研究所，內蒙古包頭 014013）

據(jù)農業(yè)農村部農業(yè)機械化管理司統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2016年全國設施農業(yè)總面積208.288萬hm2，其中連棟溫室面積5.177萬hm2，日光溫室面積66.145萬hm2，塑料大棚面積136.967萬hm2。設施農業(yè)越來越受歡迎的同時，也出現(xiàn)了越來越多有待解決的問題。三面環(huán)墻作為日光溫室的主要圍護結構，具有吸收和傳遞熱量功能，對維持作物正常生長發(fā)育所需溫度起著關鍵性作用。目前，日光溫室主要墻體結構有傳統(tǒng)的機打土墻、磚墻以及復合異質墻體等，其中理想的復合異質墻體具有三層結構，即內側由蓄熱、吸熱能力較強的材料組成蓄熱層，外側由導熱、散熱能力較弱的材料組成保溫層，中間由隔熱性能較強的材料形成隔熱層（宋明軍和趙鵬，1999；周長吉，1999；張立蕓 等，2006；管勇 等，2012；張義 等，2012）。

日光溫室主要能量來源是太陽輻射能。日光溫室墻體具有保溫蓄熱和放熱雙重功能，蓄熱層白天蓄積熱量，隔熱層和保溫層則防止墻體熱量散失。白天，太陽光以短波輻射形式透過前屋面進入溫室內，被室內墻體、地面、空氣以及植物等吸收，再以熱的形式進行交換、傳遞。其中，部分熱量儲存到墻體、土壤；夜間，白天所貯藏的熱量向溫室內緩慢釋放（馬承偉 等，2008；薛亞寧 等，2010）。在各種園藝設施結構中，節(jié)能日光溫室是我國獨創(chuàng)的具有民族自主知識產(chǎn)權的一種溫室類型，其最大的特點就是兼具良好的保溫和蓄熱性能，使夜間室內氣溫保持較高的水平（李明 等，2016；石玉 等，2017）。

為充分利用太陽輻射能且提高日光溫室墻體的保溫蓄熱性能，諸多學者對日光溫室墻體材料及墻體結構類型等方面進行了一系列研究，并取得了一些重要進展。提高太陽能利用效率并對溫室結構進行優(yōu)化和改造是一個新的研究方向。劉文合和蓋世臣（2015）通過利用太陽能集熱器加熱水，并在地下散熱水管中循環(huán)散熱直接對溫室內土壤進行加熱，以達到降低耗能量、提高溫室內溫度的目的，試驗結果表明太陽能輔助加溫系統(tǒng)具有明顯增加室溫的效果。Arkar等（2016）為溫室設計了一種太陽能空氣加熱系統(tǒng)，并分析了其蓄熱性能以及太陽能的利用率。對日光溫室墻體結構類型的研究也有重要研究進展，如張義等（2012）設計了一種以日光溫室墻體結構為依托的水幕簾蓄放熱系統(tǒng)，應用該系統(tǒng)可將溫室內夜間溫度提高5.4 ℃以上，實現(xiàn)了果菜類蔬菜安全越冬，同時將上市時間至少提前20 d。郭建業(yè)等（2016）設計出以日光溫室墻體結構為依托的水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)能將平均氣溫提高3.65 ℃以上，地溫提高2.0 ℃左右；夜間氣溫至少提高3.0 ℃，地溫提高1.0 ℃以上，既能有效地提高溫度，還能替代化石燃料的使用而減少有害氣體的排放量。本試驗利用水的比熱容大、吸收熱量多、成本低的優(yōu)點，通過在日光溫室后墻體（37墻）表面加裝蓄熱水管的方法吸收溫室內多余的太陽輻射能來提高墻體蓄放熱性，從而有效改善日光溫室溫度環(huán)境，以期為冬季日光溫室的蔬菜栽培提供理論依據(jù)和實踐支持。

1 材料與方法

1.1 日光溫室概況

試驗溫室位于包頭市農牧科學院研究所試驗基地。溫室方位為南偏西5°，南北跨度10 m，東西長度100 m，后墻高度4.2 m，后墻厚度0.37 m，外拱高度5.6 m，內拱高度4.67 m，室內無立柱，采用單膜雙保溫被覆蓋，內層專用輕質防水保溫被，各保溫被均可獨立卷放，外層固定PO棚膜，37墻外貼0.1 m厚聚苯板輔助保溫。

1.2 水管蓄熱墻體的設計

水管為PE材質，將其固定于日光溫室后墻表面，距地表面高度為0.2 m，每個水管外徑為0.1 m，水管間距為0.4 m，水管高度為3 m，溫室共有28根水管，水管蓄熱墻體總長度約14 m，蓄熱水管總體積為0.66 m3（圖1）。

1.3 試驗設計與方法

將普通日光溫室（37墻）用雙層間距2 m的PE膜分成兩個大小相等的區(qū)域。溫室東側為水管蓄熱墻體溫室（圖2），西側為普通日光溫室（37墻），將普通日光溫室作為對照區(qū)。試驗于2016年12月1日至2017年2月28日進行。重點觀測溫室內空氣溫度、蓄熱水管內水溫、后墻表面溫度以及墻體內部（距后墻內表面向外10、20 cm處）溫度，測試點布置如圖1所示。蓄熱水管內水溫測點（溫度探頭）置于蓄熱水管壁表面與后墻表面中間，為防止外界環(huán)境影響，用泡沫將溫度探頭與墻體、空氣隔絕。墻體溫度數(shù)據(jù)采用ZDR多路溫度記錄儀（杭州澤大儀器有限公司）實時監(jiān)測，測量范圍為-40～100 ℃，精度±0.2 ℃。水管溫度、室內外空氣溫度以及土壤溫度數(shù)據(jù)采用測試范圍為-20～40 ℃，精度為±0.5 ℃的RC-4迷你型溫度記錄儀實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)均每15 min采集1次。試驗期間每天上午9：00開啟棉簾（保溫被），下午16：00關閉棉簾。

圖1 試驗溫室結構及測點布置

圖2 試驗區(qū)水管蓄熱墻體

2 結果與分析

2.1 蓄熱水管對日光溫室環(huán)境溫度的影響

2.1.1 典型晴天蓄熱水管對室內氣溫的影響 由圖3可知，上午9：00開棉簾前，試驗區(qū)與對照區(qū)氣溫均達到最低，分別為8.5 ℃和6.2 ℃，試驗區(qū)比對照區(qū)高2.3 ℃。打開棉簾之后，由于太陽輻射強度的增加，以及外界氣溫的熱傳導作用下，試驗區(qū)和對照區(qū)氣溫均呈升高趨勢，試驗區(qū)氣溫升高較快。由于對照區(qū)磚墻吸收熱量快，中午13：00對照區(qū)氣溫率先達到最高溫度30.2 ℃，試驗區(qū)在14：00達到最高溫度，為40.2 ℃。隨后由于太陽輻射強度降低，溫室內氣溫逐漸下降。但是試驗區(qū)氣溫始終高于對照區(qū)?？梢娂友b水管后，白天由于水管吸收一部分太陽輻射，所以試驗區(qū)達到最高氣溫滯后于對照區(qū)，下午太陽能輻射減少后，試驗區(qū)和對照區(qū)氣溫迅速降低，但是由于水管不斷地向外散發(fā)熱量，所以試驗區(qū)氣溫始終高于對照區(qū)。

圖3 典型晴天日光溫室氣溫日變化曲線（2017-01-14）

2.1.2 典型陰天蓄熱水管對室內氣溫的影響 由圖4可知，陰天上午9：00開棉簾前，試驗區(qū)與對照區(qū)氣溫均達到最低，分別為9.8 ℃和9.2 ℃，水管外壁溫度為11.3 ℃；打開棉簾后，由于微弱的太陽輻射強度的照射，試驗區(qū)、對照區(qū)及蓄熱水管內水溫均呈緩慢升高的趨勢。試驗區(qū)氣溫升高最快，其次是對照區(qū)，水管溫度升高最慢。受太陽輻射照度的影響，14：00才達到日最高溫，水管溫度、試驗區(qū)和對照區(qū)氣溫分別為25.6、37.5、37.1 ℃。隨后溫室內氣溫及蓄熱水管內水溫逐漸下降。但是水管降溫速度最慢，溫度最高，同時試驗區(qū)氣溫始終高于對照區(qū)。可見加裝水管后，陰天也能達到提高室內氣溫以及保溫的目的。

2.2 日光溫室后墻墻體溫度日變化曲線

墻體溫度變化幅度反映了日光溫室保溫性能及吸熱放熱速度。圖5為2017年1月14日（晴天）試驗區(qū)與對照區(qū)墻體溫度日變化曲線。夜間（關閉棉簾期間），試驗區(qū)后墻距墻體內表面0、10、20 cm處溫度始終高于對照區(qū)對應位置處的溫度，其中試驗區(qū)后墻距墻體內表面0、10、20 cm處最低溫度分別出現(xiàn)在9：00、9：00、10：00，分別為10.9、12.2、11.7 ℃；對照區(qū)后墻距墻體表面0、10、20 cm處最低溫度分別出現(xiàn)在9：00、9：00、10：00，分別為8.2、10.1、10.7 ℃。試驗區(qū)后墻距墻體內表面0 cm和20 cm處溫差為0.8 ℃，而對照區(qū)溫差為2.5 ℃。試驗區(qū)后墻距墻體內表面0、10、20 cm處最低溫度變化趨勢為先升高再降低，對照區(qū)則一直升高，說明對照區(qū)后墻一直向外散熱，試驗區(qū)墻體保溫性能強于對照區(qū)。由于太陽輻射強度的增強，試驗區(qū)與對照區(qū)后墻溫度均呈升高趨勢。但是由于對照區(qū)磚墻表面吸收熱量快，所以中午開棉簾期間，對照區(qū)磚墻表面溫度高于試驗區(qū)。隨后試驗區(qū)與對照區(qū)后墻內部溫度逐漸降低，由于蓄熱水管將白天所吸收的太陽輻射能緩慢釋放到溫室環(huán)境及墻體中，使試驗區(qū)后墻表面溫度高于對照區(qū)，且降溫速度低于對照區(qū)。

圖4 典型陰天日光溫室氣溫日變化曲線（2017-01-28）

圖5 日光溫室后墻內部溫度日變化曲線

2.3 連續(xù)不良天氣條件下墻體內部溫度變化曲線

圖6 連續(xù)不良天氣條件下墻體內部溫度變化曲線

由圖6可見，2017年1月4日（霧霾天氣）9：00試驗區(qū)與對照區(qū)墻體內部溫度達到最低值，試驗區(qū)自墻體表面0、10、20 cm處墻體溫度分別為 10.6、11.8、11.5 ℃，比對照區(qū)分別提高 1.7、1.3、0.4 ℃。1月5日（典型陰天）9：30左右墻體內部溫度達到最低值。試驗區(qū)自墻體表面0、10、20 cm處墻體溫度分別為11.2、12.1、11.8 ℃，比對照區(qū)分別提高1.6、1.3、0.6 ℃。1月6日（雨夾雪天氣）由于天氣原因，當天墻體內部溫度最低值出現(xiàn)在11：30左右，試驗區(qū)自墻體表面0、10、20 cm處墻體溫度分別為10.8、11.9、11.8 ℃，比對照區(qū)分別提高1.4、1.2、0.6 ℃。表明日光溫室后墻加裝蓄熱水管之后，在連續(xù)不良天氣條件下墻體內部最低溫度均高于對照區(qū)相應墻體內部溫度，其墻體保溫性能顯著提高。

2.4 日光溫室內氣溫比較

日光溫室保溫性能主要體現(xiàn)在12月至翌年2月，由表1可見，1月外界氣溫最低時期，試驗區(qū)最高氣溫、最低氣溫及平均氣溫均高于對照區(qū)，分別提高了5.22、0.71、1.36 ℃。12月試驗區(qū)最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫也均高于對照區(qū)。2月隨著外界氣溫慢慢升溫，試驗區(qū)與對照區(qū)氣溫無明顯差異?？梢?，加裝水管之后12月和1月溫室保溫效果更加明顯。

表1 日光溫室月平均氣溫比較 ℃

2.5 蓄熱水管對土壤溫度的影響

2.5.1 溫室內土壤溫度比較 由圖7可見，2017年1月試驗區(qū)溫室內土壤平均溫度始終顯著高于對照區(qū)。其中，1月6日是雨夾雪天氣，試驗區(qū)與對照區(qū)平均土壤溫度分別為14.8 ℃和12.3 ℃，相差2.5℃。1月14日是典型的晴天，試驗區(qū)與對照區(qū)平均土壤溫度分別為16.9 ℃和13.7 ℃，相差3.2 ℃。

2.5.2 連續(xù)不良天氣土壤溫度比較 由圖8可見，2017年1月4日（霧霾天氣）10：00試驗區(qū)與對照區(qū)土壤溫度達到最低值，分別為13.9℃和10.8 ℃，相差3.1 ℃。1月5日（典型陰天）10：00試驗區(qū)與對照區(qū)土壤溫度達到最低值，試驗區(qū)比對照區(qū)高3.0 ℃。1月6日（雨夾雪天氣），由于天氣原因土壤溫度最低值出現(xiàn)在13：00，試驗區(qū)比對照區(qū)高2.6 ℃?？梢娙展鉁厥液髩友b蓄熱水管之后，在連續(xù)不良天氣條件下（2017年1月12～14日）土壤最低溫度均高于對照區(qū)。

圖7 1月溫室內平均土壤溫度變化曲線

2.5.3 連續(xù)晴天土壤溫度比較 由圖9可見，與連續(xù)不良天氣土壤溫度變化趨勢類似，日光溫室后墻加裝蓄熱水管之后，在連續(xù)晴天條件下（2017年1月12～14日）土壤最低溫度均高于對照區(qū)，增溫幅度為2.0～3.7 ℃。

圖8 連續(xù)不良天氣條件下日光溫室土壤溫度變化曲線

圖9 連續(xù)晴天條件下日光溫室土壤溫度變化曲線

3 結論與討論

日光溫室是一種利用太陽輻射能進行熱量蓄積和釋放的農業(yè)設施，白天通過墻體、土壤等蓄積太陽能，并在夜間室內溫度降低時將白天蓄積的熱量釋放到環(huán)境當中，維持溫室內熱環(huán)境的穩(wěn)定狀態(tài)（方慧 等，2012）。因此，了解日光溫室墻體熱特性規(guī)律對設施蔬菜栽培生產(chǎn)具有重要指導意義。當環(huán)境溫度較低時，墻體會將蓄積的熱量釋放到作物生長環(huán)境中，確保作物的正常生長發(fā)育。日光溫室墻體蓄熱性能受到多種環(huán)境因素的共同作用，包括墻體材料、墻體結構、室內外空氣溫度等。本試驗利用水的比熱容大、吸收熱量多、成本低的優(yōu)點，在日光溫室后墻體（37墻）表面加裝蓄熱水管的方法提高墻體蓄放熱性，通過分析加裝蓄熱水管后墻體內部溫度變化規(guī)律及氣溫變化規(guī)律，得到如下結論。

加裝蓄熱水管之后墻體內部溫度晝夜變化趨勢變緩，開棉簾之前，試驗區(qū)自墻體內表面0、10、20 cm處最低溫度變化趨勢為先升高再降低，而對照區(qū)相同位置處最低溫度變化趨勢為一直升高，說明對照區(qū)后墻一直向外散熱，加裝蓄熱水管明顯提高了墻體保溫性能。

日光溫室加裝蓄熱水管后，晴天時最低氣溫提高2.3 ℃，陰天時最低氣溫提高0.6 ℃，此結果與梁浩等（2013）的研究結果稍有差距，是因為本試驗加裝的水管總體積（0.66 m3）較小，提高的溫度有限，且試驗地不在同一地區(qū)。1月試驗區(qū)最高氣溫、最低氣溫及平均氣溫比對照區(qū)分別提高了5.22、0.71、1.36 ℃。說明在關閉棉簾期間，當環(huán)境溫度低于水管溫度時，加裝的蓄熱水管將白天蓄積的太陽輻射能緩慢向室內釋放，從而使低的環(huán)境溫度與作物正常生長溫度達到平衡狀態(tài)。

土壤溫度是日光溫室蔬菜生產(chǎn)的重要環(huán)境指標，可直接影響作物根系的生長和養(yǎng)分的吸收，也是室溫升高的直接熱量來源之一（管勇 等，2012）。劉圣勇等（2003）研究表明，采用太陽能地下加熱系統(tǒng)，地溫平均提高4.4 ℃，黃瓜產(chǎn)量可提高21%以上。本試驗中，日光溫室加裝蓄熱水管后，在連續(xù)不良天氣（3 d）條件下，能將日光溫室土壤（20 cm）日最低溫提高2.6～3.1℃；連續(xù)晴天（3 d）條件下，能將日光溫室土壤（20 cm）日最低溫提高2.0～3.7 ℃。可見，不管晴天還是連陰天，加裝蓄熱水管對土壤溫度提高顯著。春、夏黃瓜自根苗在土壤溫度14 ℃以下時，根系生長明顯受阻（Tachibana，1982），本試驗在加裝蓄熱水管之后能將土壤（20 cm）溫度提高到14 ℃以上，可以為黃瓜自根苗以及其他喜溫性蔬菜的生長發(fā)育提供了較好的土壤生長環(huán)境。

本試驗加裝的蓄熱水管體積（0.66 m3）較小，但仍可以在陰天條件下使室內最低氣溫提高0.6℃，在連續(xù)不良天氣條件下使室內土壤溫度（20 cm）提高2.6 ℃以上，并且能提高墻體保溫蓄熱性能。假設將0.66 m3體積的水量增加到兩倍以上，可以使室內氣溫、墻體保溫性能以及土壤溫度的提高更為顯著。本試驗建造成本較低，與傳統(tǒng)的加溫方式相比具有節(jié)約能源、環(huán)保及節(jié)省人工的優(yōu)勢，相比土墻、秸稈墻體溫室而言，降低了墻體占地面積，有效提高了土地利用率。可見，加裝蓄熱水管明顯地改善了溫室內的熱環(huán)境，提高了日光溫室的太陽能熱利用率。