方 慧，張 義，伍 綱，程瑞鋒，周 波，楊其長(zhǎng)

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大跨度保溫型溫室的熱環(huán)境模擬*

方 慧，張 義，伍 綱，程瑞鋒，周 波，楊其長(zhǎng)**

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

大跨度保溫型溫室為拱型鋼骨架結(jié)構(gòu)，南北走向，相鄰溫室間距僅2m，相比于傳統(tǒng)日光溫室土地利用率提高到91%，且仍具有日光溫室節(jié)能的特點(diǎn)。為分析和評(píng)價(jià)該溫室的蓄熱保溫性能，基于溫室熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、太陽(yáng)輻射、天空輻射、作物蒸騰、自然通風(fēng)等熱物理過(guò)程，構(gòu)建了溫室內(nèi)熱環(huán)境變化模型，并利用Matlab軟件對(duì)其進(jìn)行求解，模擬在冬季連續(xù)4個(gè)典型工作日無(wú)加溫條件下，每10min的室內(nèi)空氣溫度和作物根區(qū)溫度，并將模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，模型對(duì)大跨度溫室內(nèi)空氣溫度模擬的平均絕對(duì)誤差在±1.3℃之內(nèi)，模擬值與實(shí)測(cè)值間直線方程的決定系數(shù)（R2）為0.99（n=576），回歸估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差（RMSE）和相對(duì)誤差（RE）分別為1.6℃和16.4%；作物根區(qū)溫度實(shí)測(cè)值與模擬值的絕對(duì)誤差在±0.6℃之內(nèi)，直線方程的R2為0.91（n=576），RMSE和RE分別為0.76℃和6.7%。模型模擬值與實(shí)測(cè)值較為一致，可為溫室環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

溫室；模型；熱環(huán)境；作物蒸騰；太陽(yáng)輻射；傳熱

大跨度保溫型溫室是結(jié)合日光溫室與塑料大棚優(yōu)點(diǎn)而建的一類新型溫室，該溫室為南北走向，與東西走向日光溫室相比減少了溫室間遮陰的影響，相鄰兩溫室間距可由原來(lái)的8～10m縮減為2m，土地利用率高達(dá)91%[1]。溫室配套裝備有內(nèi)保溫幕和外保溫被雙層保溫結(jié)構(gòu)，提升了溫室蓄熱保溫性能。溫室單體大，可以實(shí)現(xiàn)立體式栽培以及果樹種植，利于機(jī)械化操作。但目前該溫室環(huán)境管理仍由人工經(jīng)驗(yàn)控制通風(fēng)口開口大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。如能通過(guò)數(shù)值模型預(yù)測(cè)溫室內(nèi)環(huán)境溫度，即以室外氣象要素、溫室結(jié)構(gòu)和栽培作物為輸入變量，應(yīng)用能量平衡模型預(yù)測(cè)溫室內(nèi)環(huán)境溫度，可為自動(dòng)化控制提供理論指導(dǎo)。

國(guó)外溫室小氣候模擬模型主要是針對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蛱卣骱蜏厥医Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)而構(gòu)建。如Bot等[2?5]根據(jù)荷蘭地區(qū)冬季日照時(shí)間短，強(qiáng)度低的特點(diǎn)，研究了連棟玻璃溫室在自然通風(fēng)模式下的溫室內(nèi)熱環(huán)境，將溫室熱環(huán)境模型與作物模型結(jié)合，為荷蘭的溫室環(huán)境模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到重要的推動(dòng)作用，借助該模型，Venlo型溫室的溫光性能進(jìn)一步趨于合理，結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，形成了適合荷蘭氣候特征的溫室結(jié)構(gòu)型式。以色列位于地中海沿岸，光熱資源較好，溫室設(shè)計(jì)重點(diǎn)是考慮通風(fēng)降溫，通過(guò)溫室建模和優(yōu)化計(jì)算，形成了鋸齒屋面、拱圓頂斜立面的溫室結(jié)構(gòu)型式，Tanny等[6?7]一些專家還通過(guò)對(duì)溫室脊高和自然通風(fēng)模式的計(jì)算，提出了以自然通風(fēng)為基礎(chǔ)的合理的溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，使以色列的溫室結(jié)構(gòu)成為這一地區(qū)節(jié)能好、投資少、綜合效益高的溫室類型。英國(guó)是較早進(jìn)行溫室光熱環(huán)境分析的國(guó)家之一。Fuller等[8]利用動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行能量使用的預(yù)測(cè)分析研究，為溫室設(shè)計(jì)提供參考。Trigui等[9]報(bào)道了使用溫室模型進(jìn)行氣候控制的研究成果。但在結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及考慮作物的影響方面的研究報(bào)道較少。從國(guó)際上溫室發(fā)展的整體趨勢(shì)來(lái)看，都是以區(qū)域氣候?yàn)榛A(chǔ)，以系統(tǒng)的光熱資源需求為目標(biāo)，通過(guò)光熱環(huán)境模型的開發(fā)，進(jìn)而進(jìn)行溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，逐漸形成具有區(qū)域特色的溫室結(jié)構(gòu)型式。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在國(guó)外相關(guān)研究基礎(chǔ)上，從20世紀(jì)90年代開始研究溫室大棚的小氣候模擬模型，如Tong等[10]報(bào)道了日光溫室建筑參數(shù)對(duì)室內(nèi)溫度環(huán)境的影響，并對(duì)日光溫室墻體傳熱特性進(jìn)行了研究。杜軍等[11]還就日光溫室的傳熱傳質(zhì)物理過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算，構(gòu)建了初步的溫室環(huán)境模擬模型，為分析溫室的能量傳遞提供了理論依據(jù)。孟力力等[12?14]構(gòu)建了日光溫室光熱環(huán)境方程，利用Matlab軟件求解，預(yù)測(cè)溫室氣體及各結(jié)構(gòu)溫度變化，并根據(jù)各地區(qū)室外環(huán)境特點(diǎn)優(yōu)化日光溫室結(jié)構(gòu)尺寸，該模型忽略植物蒸騰對(duì)熱的影響，適用于空載日光溫室光熱環(huán)境模擬。針對(duì)完全自然通風(fēng)模式下的大跨度保溫型溫室內(nèi)熱環(huán)境模擬的研究，國(guó)內(nèi)鮮有報(bào)道。

本研究針對(duì)大跨度保溫型溫室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建溫室小氣候數(shù)值模型。將溫室能量平衡、番茄蒸騰與小氣候試驗(yàn)相結(jié)合，建立一個(gè)以溫室外氣象條件為輸入?yún)?shù)，以溫室結(jié)構(gòu)、覆蓋材料和栽培作物為邊界條件，預(yù)測(cè)溫室內(nèi)有作物生長(zhǎng)的條件下室內(nèi)空氣溫度和作物根區(qū)土壤溫度的小氣候模擬模型，以期為溫室內(nèi)溫度管理和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)溫室

為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，于2017年12月30日?2018年1月30日在試驗(yàn)溫室進(jìn)行試驗(yàn)。溫室位于北京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地（40.13°N，116.65°E）。溫室為大棚型鋼骨架結(jié)構(gòu)（圖1），長(zhǎng)60.0m，跨度20.0m，脊高4.5m，下沉0.5m，覆蓋塑料薄膜的厚度為0.08mm，溫室北墻采用雙層0.1m的水泥板，中間有0.1m的聚苯板保溫隔熱，溫室南墻為雙層陽(yáng)光板，溫室頂端兩側(cè)和下端兩側(cè)有南北走向的通風(fēng)口，通風(fēng)口最大通風(fēng)寬度分別為0.8m和1.6m，通風(fēng)口用白色防蟲網(wǎng)覆蓋，防蟲網(wǎng)規(guī)格為20目。1平方英寸（2.54cm×2.54cm）內(nèi)的網(wǎng)眼格數(shù)即為防蟲網(wǎng)的目數(shù)。

1.2 環(huán)境參數(shù)的確定

室內(nèi)溫度測(cè)量選用銅?康銅熱電偶（中國(guó)計(jì)量院），測(cè)量精度為±0.2℃。室外太陽(yáng)輻射測(cè)量選用CMP3型太陽(yáng)輻射傳感器，測(cè)量精度為±0.5%。室外溫濕度測(cè)量采用HMP155A型溫濕度傳感器，溫度測(cè)量精度為±0.2℃，相對(duì)濕度測(cè)量精度為±1%。室外風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量采用CSAT3三維風(fēng)速儀，x/y方向風(fēng)速測(cè)量精度為±0.04m·s?1，z方向風(fēng)速測(cè)量精度為±0.02m·s?1。所有傳感器數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)采集器Data logger CR1000（Campbell Scientific, USA）自動(dòng)采集，采集頻率為10次·s?1，每10min記錄一次平均值。

圖1 試驗(yàn)溫室結(jié)構(gòu)

溫室內(nèi)空氣溫度檢測(cè)點(diǎn)布置于溫室中間位置，距離地面1.5m高。番茄根區(qū)溫度布置于溫室中間位置，布置土壤深度0.15m。室外風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、太陽(yáng)輻射傳感器布置于距離溫室北側(cè)10.0m，距離地面高度4.0m。

1.3 葉面積測(cè)定

試驗(yàn)溫室內(nèi)種植番茄，2017年9月7日定植，定植密度為2.8棵·m?2。2017年12月27日進(jìn)行一次葉面積測(cè)量，單張葉片面積的測(cè)量采用描葉法，具體方法參考文獻(xiàn)[15]，根據(jù)描葉法測(cè)得的數(shù)據(jù)確定葉片鮮重與葉面積的關(guān)系式，并計(jì)算平均每株植物的葉面積和溫室番茄總?cè)~面積。

1.4 模型檢驗(yàn)方法

引用回歸估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差RMSE（root mean squared error）、相對(duì)誤差RE（relative prediction error）和決定系數(shù)R2（determination coefficient）對(duì)模型的擬合度進(jìn)行分析。RMSE可以反應(yīng)誤差的離散程度，RMSE越小表示模擬效果越好。相對(duì)誤差RE可反應(yīng)誤差在真實(shí)值中所占的比例，RE值越小表示模擬結(jié)果越精確。R2是衡量?jī)山M數(shù)據(jù)之間線性相關(guān)程度的量，R2越趨近于1，表示模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值相關(guān)性越好。相應(yīng)計(jì)算式為

2 結(jié)果與分析

2.1 大跨度保溫型溫室熱環(huán)境模擬思路和假設(shè)

熱環(huán)境模擬主要基于溫室內(nèi)熱量平衡方程。由圖2可見(jiàn)，自然條件下大跨度保溫型溫室內(nèi)空氣的能量，主要來(lái)源于溫室各結(jié)構(gòu)吸收的太陽(yáng)輻射再次釋放到空氣中的熱流量（Fa），以及空氣與土壤對(duì)流換熱熱流量（Faf,c），能量流失主要包括室內(nèi)外空氣通過(guò)覆蓋層的熱傳導(dǎo)損失（Fao,c）、通風(fēng)換氣熱損失（Fao,v）、空氣與植物葉片熱對(duì)流損失（Fap,c）。溫室內(nèi)作物的能量來(lái)源為作物對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收（Fps,R）和通過(guò)對(duì)流作物吸收的空氣中的能量（Fap,c），能量流失主要包括作物與天空的長(zhǎng)波輻射（Fpsky,LR）和作物蒸騰潛熱損失（Fp,tr）。土壤的能量來(lái)源為土壤吸收的太陽(yáng)輻射（Ffs,R），能量流失主要包括土壤與天空的長(zhǎng)波輻射（Ffsky,LR）、土壤與空氣熱對(duì)流損失（Faf,c）和土壤熱傳導(dǎo)損失的熱量（Fdf,c）。溫室熱平衡可分為三大模塊：室內(nèi)空氣的熱平衡、作物的熱平衡和作物根區(qū)土壤的熱平衡。因此，本研究擬利用這三大模塊的能量平衡方程構(gòu)建溫室熱平衡模型，通過(guò)輸入外界環(huán)境參數(shù)達(dá)到求解室內(nèi)空氣溫度和作物根區(qū)土壤溫度的目的。

溫室內(nèi)環(huán)境空間分布存在一定差異，若考慮該因素須構(gòu)建三維數(shù)值模型，其計(jì)算量非常大。因此，為簡(jiǎn)化計(jì)算，考慮構(gòu)建一維傳熱模型，并做如下假設(shè)：假設(shè)溫室內(nèi)空氣混合均勻，密度無(wú)變化；溫室內(nèi)地面、植物接收的太陽(yáng)輻射照度均勻分布；假設(shè)溫室南北兩側(cè)墻為絕熱墻體，忽略對(duì)溫室熱環(huán)境的影響；番茄果實(shí)含水量在90%以上，因此其密度、比熱容參考水；地面深層土壤溫度穩(wěn)定不變。外界環(huán)境輸入?yún)?shù)包括室外太陽(yáng)輻射、室外空氣溫度、室外濕度、室外風(fēng)速、地面深層土壤溫度。模型所用各材料參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 溫室熱交換過(guò)程

注：I為太陽(yáng)輻射；To為室外空氣溫度；Tsky為天空溫度；Ta為室內(nèi)空氣溫度；Tp為植物溫度；Tf為淺層土壤溫度；Td為深層土壤溫度；Fa為溫室各結(jié)構(gòu)吸收的太陽(yáng)輻射再次釋放到空氣中的熱流量；Fao,c為室內(nèi)外空氣通過(guò)覆蓋層的熱流量；Fao,v為室內(nèi)外空氣自然通風(fēng)熱流量；Faf,c為土壤與空氣通過(guò)對(duì)流換熱的熱流量；Fap,c為作物與空氣通過(guò)對(duì)流換熱的熱流量；Fps,R為作物吸收的太陽(yáng)輻射；Fpsky,LR為作物與天空的長(zhǎng)波輻射熱流量；Fp,tr為作物蒸騰潛熱熱流量；Ffs,R為土壤吸收的太陽(yáng)輻射；Ffsky,LR為土壤與天空的長(zhǎng)波輻射熱流量；Fdf,c為土壤層熱傳導(dǎo)熱流量。

Note：I is solar radiation. Tois outside air temperature. Tskyis sky temperature. Tais inside air temperature. Tpis plant temperature. Tfis shallow soil layer temperature. Tdis deep soil layer temperature.Fais solar radiation absorbed by greenhouse opaque elements and released to the greenhouse air.Fao,cis heat exchange between greenhouse and outdoor air through the plastic cover.Fao,vis heat exchange between greenhouse and outdoor air by ventilation.Faf,cis heat exchange between up layer soil and air by convection.Fap,cis heat exchange between plant and air by convection.Fps,Ris plant absorbed solar radiation.Fpsky,LRis long-wave radiation exchange between plant and sky.Fp,tris latent heat flux by plant transpiration.Ffs,Ris soil absorbed solar radiation.Ffsky,LRis long-wave radiation exchange between soil and sky.Fdf,cis heat exchange between soil layers by conduction.

2.2 大跨度保溫型溫室熱環(huán)境模擬方程

2.2.1 空氣能量平衡

溫室內(nèi)空氣能量變化主要包括：（1）溫室覆蓋層、骨架、內(nèi)保溫幕吸收的太陽(yáng)輻射再次釋放到室內(nèi)空氣中的熱量（Fa）；（2）空氣與土壤對(duì)流換熱吸收的熱量（Faf,c）；（3）室內(nèi)外空氣通過(guò)覆蓋層的熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流導(dǎo)致的能量損失（Fao,c）；（4）室內(nèi)室外空氣通過(guò)自然通風(fēng)導(dǎo)致的能量損失（Fao,v）；（5）室內(nèi)空氣與作物的熱對(duì)流導(dǎo)致的能量損失（Fap,c）。

由于保溫需要，9：00?16：00需要揭開保溫被吸收太陽(yáng)輻射，夜間需要覆蓋保溫被以減少熱量損失，因此，溫室內(nèi)空氣能量變化方程可分白天和夜間兩種情況建立。

白天，揭開保溫被時(shí)為

夜間，蓋上保溫被后為

其中，各能量交換項(xiàng)計(jì)算式分別為

表1 模型中材料參數(shù)

2.2.2 作物能量平衡

其中，各能量交換項(xiàng)計(jì)算式分別為

2.2.3 作物根區(qū)土壤熱量平衡

其中，各能量交換項(xiàng)計(jì)算式分別為

式（18）?（20）中，hfsky,LR為土壤與天空長(zhǎng)波輻射系數(shù)（W·m?2·K?1），hdf為土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)（W·m?2·K?1），Td為深層土壤溫度（K）。

2.3 大跨度保溫型溫室熱環(huán)境模擬方程參數(shù)確定及求解

2.3.1 溫室自然通風(fēng)量計(jì)算

試驗(yàn)期間當(dāng)溫室溫度較高時(shí)，開啟上通風(fēng)口進(jìn)行通風(fēng)降溫，此時(shí)通風(fēng)量[19?20]的計(jì)算式為

溫室通風(fēng)口處裝有防蟲網(wǎng)，防蟲網(wǎng)對(duì)通風(fēng)的阻力系數(shù)為0.4，因此，實(shí)際通風(fēng)量的計(jì)算式為

2.3.2 覆蓋層與空氣對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算

白天，揭開保溫被階段，室內(nèi)外空氣的熱傳遞以覆蓋層外側(cè)與室外空氣的對(duì)流換熱為主，對(duì)流換熱系數(shù)是與室外風(fēng)速有關(guān)的函數(shù)，覆蓋層傳熱系數(shù)計(jì)算式可簡(jiǎn)化為[21]

夜間，當(dāng)覆蓋上保溫被以后，保溫被的熱阻較大，則傳熱系數(shù)需綜合考慮覆蓋層與室外空氣的對(duì)流換熱與保溫被的熱阻，蓋上保溫被后傳熱系數(shù)計(jì)算式為

式中，D為保溫被厚度（m），ablanket為保溫被導(dǎo)熱系數(shù)（W·m?2·K?1）。

溫室內(nèi)空氣與土壤的對(duì)流換熱系數(shù)與兩者溫差有關(guān)[3]，其計(jì)算式為

溫室內(nèi)空氣與葉片的對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算式為[3]

式中，ra為葉片氣流阻力系數(shù)（s·m?1），近似取值275。

作物與天空長(zhǎng)波輻射換熱系數(shù)[22]計(jì)算式為

地面與天空長(zhǎng)波輻射換熱系數(shù)[22]計(jì)算式為

式中，Ef為地面的發(fā)散系數(shù)，取值1，F(xiàn)fsky為地面與天空角系數(shù)，計(jì)算式為

式中，Kp為作物對(duì)長(zhǎng)波輻射的發(fā)散系數(shù)，取值0.94。

2.3.3 空氣熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算

飽和水蒸氣壓差VPD[16]的計(jì)算式為

式（31）?式（33）中，Pv-a表示溫室空氣實(shí)際水蒸氣壓（Pa），Pvsat-a表示溫室空氣飽和蒸汽壓（Pa），RH表示空氣相對(duì)濕度。

2.3.4 作物蒸騰參數(shù)計(jì)算

式中，rs,min為最小葉片氣孔阻力系數(shù)（s·m?1），取值150。

2.3.5 模型求解

將室外空氣溫濕度、室外風(fēng)速、太陽(yáng)總輻射、深層土壤溫度作為外界輸入條件，對(duì)微分方程組（7）、（8）、（14）和（20）求解。首先將熱平衡微分方程組離散化，得到線性方程組，采用Matlab軟件編譯線性方程組，輸入初始條件和外界環(huán)境參數(shù)，給定計(jì)算步長(zhǎng)，從初始解出發(fā)，利用每一時(shí)刻的值推算下一時(shí)刻的值，逐次迭代，求出室內(nèi)空氣溫度、作物溫度和作物根區(qū)溫度。

2.4 大跨度保溫型溫室熱環(huán)境模擬模型驗(yàn)證

2.4.1 外界環(huán)境參數(shù)

試驗(yàn)驗(yàn)證選擇最冷的時(shí)段2017年12月30日?2018年1月30日進(jìn)行，為避免番茄出現(xiàn)凍害，夜間開啟電加熱裝置。為真實(shí)反映大跨度保溫型溫室的保溫性能，選擇2017年12月30日?2018年1月2日連續(xù)4d未開啟電加熱裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析。其中12月30日、31日為陰天，1月1日、2日為晴天。圖3為測(cè)試期間室外空氣溫濕度變化曲線，圖4為室外太陽(yáng)輻射和氣流速度變化曲線。

試驗(yàn)期間為北京一年中最冷月份，2017年12月30日、31日（陰天）室外相對(duì)濕度明顯高于2018年1月1日、2日（晴天），陰天夜間2：00?9：00時(shí)間段，相對(duì)濕度達(dá)到90.0%以上。試驗(yàn)期間室外溫度較低，最低溫達(dá)?11.0℃，最高溫也僅有6.0℃，試驗(yàn)期間室外平均溫度分別為?3.4、?5.9、?3.7和?5.9℃。

2017年12月30?31日室外太陽(yáng)輻射波動(dòng)較大，兩天太陽(yáng)輻射平均值分別為131、133W·m?2。2018年1月1?2日為典型晴天，太陽(yáng)輻射在12：00?14：00時(shí)間段達(dá)到較高值，兩個(gè)晴天太陽(yáng)輻射最大值分別為450、420W·m?2，平均值分別為251、235W·m?2。試驗(yàn)期間4d室外風(fēng)速平均值分別為0.8、0.9、0.5和0.6m·s?1。

圖3 2017年12月30日?2018年1月2日連續(xù)4d室外空氣溫濕度（10min數(shù)據(jù)）

圖4 2017年12月30日?2018年1月2日連續(xù)4d室外太陽(yáng)輻射和風(fēng)速（10min數(shù)據(jù)）

2.4.2 模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

利用室外空氣溫度、濕度、太陽(yáng)輻射和風(fēng)速模擬逐10min室內(nèi)空氣溫度和作物根區(qū)土壤溫度變化過(guò)程，與相應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5。由圖5a可見(jiàn)，模型模擬的逐10min氣溫變化過(guò)程與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)基本一致，均表現(xiàn)為0：00?9：00逐漸降低，9：00?15：00快速升高，15：00?24：00逐漸降低的過(guò)程，只是在不同天氣模擬值與實(shí)測(cè)值擬合程度略有不同。晴天與陰天云量不同，陰天云量多，太陽(yáng)輻射波動(dòng)大，室內(nèi)溫度波動(dòng)也大。為便于分析模型總體誤差，計(jì)算模擬值與實(shí)測(cè)值的回歸估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差、相對(duì)誤差和決定系數(shù)，分別為1.6 ℃、16.4%和0.99（n=576），4d的平均絕對(duì)誤差為±1.3℃之內(nèi)。

作物根區(qū)溫度模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖5b所示，模型模擬的逐10min根區(qū)土壤溫度變化過(guò)程與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)基本一致，均表現(xiàn)為1：00?10：00逐漸降低，10：00?16：00快速升高，16：00?次日1：00逐漸降低的過(guò)程。土壤的比熱高于空氣，因此，土壤溫度的降低與升高時(shí)間節(jié)點(diǎn)均比空氣延遲1h。根區(qū)土壤溫度實(shí)測(cè)值與模擬值絕對(duì)誤差為±0.6℃之內(nèi)，R2為0.91（n=576），RMSE和RE分別為0.76℃和6.7%。

綜上可知，該模型可根據(jù)室外環(huán)境參數(shù)模擬大跨度保溫型溫室內(nèi)空氣溫度和作物根區(qū)土壤溫度，模擬值與實(shí)測(cè)值差異小。

圖5 溫室內(nèi)空氣溫度（a）和作物根區(qū)土壤溫度（b）模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

3 結(jié)論與討論

（1）根據(jù)室外環(huán)境參數(shù)、溫室結(jié)構(gòu)和作物生長(zhǎng)狀況，應(yīng)用熱力學(xué)、傳熱學(xué)和溫室采光理論分析室內(nèi)外的熱平衡，建立溫室小氣候模擬模型，模擬溫室內(nèi)空氣溫度和作物根區(qū)土壤溫度。溫室空氣溫度的模擬值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)一致，模擬值與實(shí)測(cè)值RMSE、RE和R2分別為1.6℃、16.4%和0.99，4d的平均絕對(duì)誤差為±1.3℃之內(nèi)。作物根區(qū)土壤溫度4d的實(shí)測(cè)值和模擬值絕對(duì)誤差為±0.6℃之內(nèi)，R2為0.91，RMSE和RE分別為0.76℃和6.7%。相對(duì)于孟力力等[12]的研究，本模型精度更高，誤差小。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，獲得室外氣象參數(shù)后即可利用建立的模型預(yù)測(cè)溫室內(nèi)溫度變化，從而給溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化和管理提供參考。

（2）該模型充分考慮作物與環(huán)境交互傳熱的影響，尤其在作物對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收方面，根據(jù)作物對(duì)光譜吸收特性，將透射進(jìn)溫室的太陽(yáng)輻射分為光合有效輻射（PAR）、近紅外（NIR）和紫外（UVR）三段主要吸收波，分別考慮植物冠層對(duì)PAR、NIR和UVR的吸收率。與傳統(tǒng)建立在溫室裸地（沒(méi)有作物）的模型相比[25?26]，更能真實(shí)反映溫室實(shí)際情況，適用范圍更廣。

（3）土壤熱物理參數(shù)是在試驗(yàn)期間采集的土樣測(cè)試獲得。但實(shí)際生產(chǎn)管理中是根據(jù)室外環(huán)境條件和作物生長(zhǎng)階段，不定期對(duì)作物進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液澆灌，從而影響土壤熱物理特性，因此，使用所建立的模型對(duì)溫室內(nèi)溫度進(jìn)行模擬時(shí)，需實(shí)測(cè)土壤熱物理參數(shù)，并在模型中做必要的修正。

（4）太陽(yáng)輻射照射到溫室覆蓋層后一部分被吸收，一部分被反射，一部分被透射，根據(jù)太陽(yáng)光線與覆蓋層法線的夾角不同，其吸收比、反射比和透射比也不相同，在一天中太陽(yáng)光線角度在不斷變化，覆蓋層剖面也非單一直線，而是多段弧面，因此，覆蓋層對(duì)太陽(yáng)輻射的透射率是動(dòng)態(tài)變化的，在本模型中通過(guò)給定透射率，反映了覆蓋膜對(duì)太陽(yáng)輻射的影響，但透射率與不同入射角和覆蓋膜與地面的夾角的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系未予涉及，下一步將對(duì)此作更深一步研究。

本研究中建立的大跨度保溫型溫室熱環(huán)境模擬主要針對(duì)北京地區(qū)的大跨度溫室，對(duì)其它地區(qū)和棚型的適用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

[1]周升,張義,程瑞鋒,等.大跨度主動(dòng)蓄能型溫室溫濕環(huán)境監(jiān)測(cè)及節(jié)能保溫性能評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,32(6):218-225.

Zhou S,Zhang Y,Cheng R F,et al.Evaluation on heat preservation effects in micro-environment of large-scale greenhouse with active heat storage system[J].Transactions of the CSAE,2016,32(6):218-225.(in Chinese)

[2]Bot G P A.Greenhouse climate:from physical processes to a dynamical model[D].The Netherlands:Wageningen Agricultural University,1983.

[3]De Zwart H F.Analyzing energy saving options in greenhouse cultivations using a simulation model[D].The Netherlands: Wageningen Agricultural University,1996.

[4]Vanthoor B H E,Stanghellini C,Van Henten E J,et al.Optimal greenhouse design should take into account optimal climate management[J].Acta Horticulturae,2008, (802):97-104.

[5]Vanthoor B H E,Stanghellini C,Van Henten E J,et al.The effect of outdoor climate conditions on passive greenhouse design[J].Acta Horticulturae,2009, (807):61-66.

[6]Tanny J,Dicken U,Cohen S.Vertical variation in turbulence statistics and energy balance in a banana screen house[J]. Biosystems Engneering,2010,106(2):175-187.

[7]Meir T,Josef T.Natural ventilation of greenhouse:experiments and model[J].Agricultural and Forest Meteorology,1999,(96): 59-70.

[8]Fuller R J,Meyer C P,Sale P J M.Validation of a dynamic model for predicting energy use in greenhouses[J].Journal of Agricultural Engineering Research,1987,38(1):1-14.

[9]Trigui M,Barrington S,Gauthier L.A strategy for greenhouse climate control,Part I:model development[J].Journal of Agricultural Engineering Research,2001,78(4):407-413.

[10]Tong G,Christopher D M,Li B.Numerical modelling of temperature variations in a Chinese solar greenhouse[J]. Computers and Electronics in Agriculture,2009,(68): 129-139.

[11]杜軍,王懷彬,楊勵(lì)丹.溫室內(nèi)氣溫與土溫相關(guān)性傳熱模型[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,32(5):1-4.

Du J,Wang H B,Yang L D.Interactive heat transfer of air and soil temperature in greenhouse[J].Journal of Harbin Institute of Technology, 2000,32(5):1-4.(in Chinese)

[12]孟力力,楊其長(zhǎng),Bot G P A,等.日光溫室熱環(huán)境模擬模型的構(gòu)建[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(1):164-170.

Meng L L,Yang Q C,Bot G P A,et al.Visual simulation model for thermal environment in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the CSAE,2009,25(1):164-170.(in Chinese)

[13]馬承偉,卜云龍,籍秀紅,等.日光溫室墻體夜間放熱量計(jì)算與保溫蓄熱性評(píng)價(jià)方法的研究[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,26(5):411-415.

Ma C W,Bu Y L,Ji X H.Method for calculation of heat release at night and evaluation for performance of heat preservation of wall in solar greenhouse[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2008,26(5):411-415.(in Chinese)

[14]馬承偉,韓靜靜,李睿.日光溫室熱環(huán)境模擬預(yù)測(cè)軟件研究開發(fā)[J].北方園藝,2010,(15):69-75.

Ma C W,Han J J,Li R.Research and development of software for thermal environmental simulation and prediction in solar greenhouse[J].Northern Horticulture,2010,(15):69-75.(in Chinese)

[15]李軍,姚益平,徐蕊,等.長(zhǎng)江下游防蟲網(wǎng)覆蓋塑料大棚內(nèi)溫濕度模擬[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(6):238-244.

Li J,Yao Y P,Xu R,et al.Simulation of air temperature and relative humidity in plastic greenhouse tunnel covered with insect-proof nets in lower reaches of Yangtze River[J]. Transactions of the CSAE,2010,26(6):238-244.(in Chinese)

[16]Impron I,Hemming S,Bot G P A.Simple greenhouse climate model as a design tool for greenhouse in tropical lowland[J]. Biosystems Engineering,2007,(98):79-89.

[17]Yang X S.Greenhouse micrometeorology and estimation of heat and water vapor fluxes[J].J Agric Engng Res,1995,(61): 227-238.

[18]方慧,楊其長(zhǎng),張義.基于熱泵的日光溫室淺層土壤水媒蓄放熱裝置試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(20):210-216.

Fang H,Yang Q C,Zhang Y.Experimental study on shallow soil assisted heat release-storage system with water-water heat pump in solar greenhouse[J].Transactions of the CSAE, 2012,28(20):210-216.(in Chinese)

[19]Boulard T,Baille A.Modelling of air exchange rate in a greenhouse equipped with continuous roof vents[J].Journal of Agricultural Engineering Research,1995,(61):37-48.

[20]Roy J G,Boulard T,Kittas C,et al.Convection and ventilation transfer in greenhouses,Part 1:the greenhouse considered as a perfectly stirred tank[J].Biosystems Engneering,2002,(83): 1-20.

[21]Boulard T,Baille A.A simple greenhouse climate control model incorporating effects of ventilation and evaporative cooling[J].Agricultural and Forest Meteorology,1993,(65): 145-157.

[22]章熙民,任澤霈.傳熱學(xué)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2001.

Zhang X M,Ren Z P.Heat transfer[M].Beijing:China Building Industry Press,2001.(in Chinese)

[23]Li S H,Daniel H,Willits,et al.Thermal modeling of greenhouse aquaculture raceway systems[J].Aquacultural Engineering, 2009,41(1):1-13.

[24]Morille B,Migeon C,Bournet P E.Is the Penman-Monteith model adapted to predict crop transpiration under greenhouse conditions?Application to a new guinea impatiens crop[J]. Scientia Horticulturae,2013,(152):80-91.

[25]李德,張學(xué)賢,祁宦,等.宿州日光溫室內(nèi)部最高和最低氣溫的預(yù)報(bào)模型[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2013,34(2) :170-178.

Li D,Zhang X X,Qi H,et al.Forecast model of the highest and lowest temperature in the sunlight greenhouse in Suzhou[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2013,34(2): 170-178.(in Chinese)

[26]李寧,申雙和,黎貞發(fā),等.基于主成分回歸的日光溫室內(nèi)低溫預(yù)測(cè)模型[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2013,34(3):306-311.

Li N,Shen S H,Li Z F,et al.Forecast model of minimum temperature inside greenhouse based on principal component regression[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2013,34(3): 306-311.(in Chinese)

Modelling of Thermal Climate in a Large-scale Insulation Solar Greenhouse

FANG Hui, ZHANG Yi, WU Gang, CHENG Rui-feng, ZHOU Bo, YANG Qi-chang

(Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Energy Conservation and Waste Management of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)

Large-scale insulation solar greenhouse, with wide span, steel frame and built in south-north orientation, was a tunnel type greenhouse. The distance between greenhouses was only 2m and the land utilization efficiency can be increased up to 91%, but it still has the characteristics of energy saving compared with traditional solar greenhouse. A greenhouse climate model was developed in order to predict the inside air temperature and root zone temperature to assess the greenhouse insulation and heat storage ability based on the physical processes of heat conduction, heat convection, solar radiation distribution, sky radiation, crop transpiration and air exchanged by natural ventilation. The model was established with Matlab software to calculate the temperature of the different parts. The variables, include inside air temperature and plant root zone temperature, were also measured during four successive days with time span of 10min. The results showed that the absolute error of the air temperature inside large-scale insulation solar greenhouse was ±1.3℃, the simulated air temperature agreed well with the measured data. The determination coefficient of linear equation (R2) (n=576), root mean squared error (RMSE) and relative prediction error (RE) between simulated and measured air temperature was 0.99, 1.6℃ and 16.4%, respectively. The absolute error of the root zone temperature was ±0.6℃. The determination coefficient of linear equation (R2) (n=576), RMSE and RE between simulated and measured root zone temperature was 0.91, 0.76℃ and 6.7%, respectively. It was concluded that the model was robust and could be used for the optimization of the large-scale insulation solar greenhouse as well as the climate control.

Greenhouse; Model; Thermal climate; Plant transpiration; Solar radiation; Heat conductance

10.3969/j.issn.1000-6362.2019.03.002

方慧,張義,伍綱,等.大跨度保溫型溫室的熱環(huán)境模擬[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2019,40(3):149-158

2018-07-21

。E-mail：yangqichang@caas.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金（51508560）

方慧（1983-），女，助理研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程。E-mail：fanghui@caas.cn