管夢真，王傳清，段緒勝,2，李天華，魏珉,4**，曹欣（.山東農業(yè)大學園藝科學與工程學院，山東泰安 2708；2.山東農業(yè)大學水利土木工程學院，山東泰安 2708；3.山東農業(yè)大學機械與電子工程學院，山東泰安 2708；4.農業(yè)農村部黃淮海設施農業(yè)工程科學觀測實驗站，山東泰安 2708；.濟南萊蕪安信農業(yè)科技有限公司，山東萊蕪 2700）

近年來，大跨度外保溫塑料大棚因其具有土地利用率高、環(huán)境性能穩(wěn)定、適合機械化作業(yè)等優(yōu)點而在中國部分設施園藝產(chǎn)區(qū)得到快速推廣，關于結構與性能研究日益增多[1-4]。但是，大跨度外保溫塑料大棚的保溫蓄熱能力有限，寒冷季節(jié)和天氣條件下常常出現(xiàn)低溫現(xiàn)象，影響作物生長和產(chǎn)量[5-6]。前人研究表明，土壤-空氣熱交換系統(tǒng)具有良好的白天降溫、夜間增溫效果，且系統(tǒng)運行成本較低[7-11]。為此，本試驗設計了一種土壤-空氣熱交換系統(tǒng)，并觀測了在大跨度外保溫塑料大棚中的增溫效果，以期為系統(tǒng)優(yōu)化和生產(chǎn)應用提供指導。

材料與方法

供試大棚及系統(tǒng)設置

試驗于2021年11月8日～12月10日在山東省濟南市萊蕪區(qū)萊蕪安信農業(yè)科技有限公司(北緯N36°14′，東經(jīng)E117°32′）進行。大棚為東西走向，非對稱結構，跨度20 m（南側13 m、北側7 m），脊高6.5 m，長度50 m，覆蓋0.1 mm厚度PO 膜和由編織布、珍珠棉、太空棉制作的保溫被。在大棚中部，用厚度0.1 mm 雙層PO膜（膜間距60 mm）作為隔斷，東部設置土壤-空氣熱交換系統(tǒng)，西部為對照區(qū)（圖1）。

圖1 土壤-空氣熱交換系統(tǒng)示意圖

土壤-空氣熱交換系統(tǒng)結構包括集熱部件、散熱部件及控制部件。集熱部件包括直徑200 mm的集風管和157 W 單項離心式鼓風機，集風管安裝在大棚屋脊投影部位，沿大棚延長方向間距6 m排列，距地面高度4.5 m，上端進風口處安裝鼓風機。散熱部件安裝在地下60 cm 處，主要包括大棚長度方向上的直徑160 mm 散熱主管、大棚跨度方向上直徑110 mm 散熱支管。散熱主管連接集風管和散熱支管，散熱支管間距1 m，向大棚兩側延伸并在靠地腳處伸出地面，距棚南端與北端1 m，支管上沿圓周均勻分布6 列直徑30 mm孔洞，在管道伸長方向上的間距為150 mm，外包裹一層厚度2 mm 無紡布防止土壤堵塞管孔。散熱管道下部鋪設厚度3 cm 珍珠棉以減少向地下傳熱。系統(tǒng)于白天棚內氣溫高于25℃時開啟，低于20℃時停止；夜間棚內氣溫低于12℃時開啟，高于16℃時停止。每天棚內氣溫高于28℃打開頂通風口，低于23℃時關閉。

棚內種植作物為粉果番茄‘圣羅蘭3681’，2021 年8 月17 日定植采取南北向高畦雙行種植，大行距120 cm、小行距40 cm、株距 35 cm。單干整枝，5 穗果后打頂，膜下滴灌，常規(guī)管理。

環(huán)境指標測定方法

棚內空氣溫濕度：在處理區(qū)與對照區(qū)中部，由南向北1/12、3/12、5/12、7/12、9/12、11/12 處，垂直方向上距地面高度1.5 m、3.0 m、4.5 m 處各分別布點。此外在集風管進風口、散熱支管出風口處分別布點。其中南部溫度為1/12、3/12 測點處的平均值，中部為5/12、7/12 測點處的平均值，北部為9/12、11/12 測點處的平均值。

棚內地溫：在處理區(qū)與對照區(qū)中部，散熱支管向南（向北）延長的中間位置、離地面深度10 cm、30 cm、50 cm 處分別布點，測點位于高畦中央，其中處理區(qū)位于換熱管道正上方；此外，在上述空氣溫濕度測點的正下方、距地面深度15 cm 處分別布點，其中處理區(qū)位于兩根換熱管道的中間，南、中、北部的設置同空氣溫濕度相同（圖2）。

圖2 棚內溫濕度記錄儀布點示意圖

棚外空氣溫濕度和地溫：在距大棚北面30 m空地上、離地面高度1.5 m 處設置空氣溫濕度測點，在地面下10、15、30、50 cm 深度處設地溫測點。

溫濕度傳感器采用美國 Hobo 公司 U23-001型溫濕度記錄儀；地溫傳感器采用路格L93-4 地溫記錄儀。儀表每隔 15 min 自動記錄數(shù)據(jù)1 次，相同位點重復測點3 次。

系統(tǒng)性能評價方法

土壤-空氣熱交換系統(tǒng)性能可用能效比（COP）表示。

系統(tǒng)能效比：

式中：QP為空氣與地下管道交換熱量，kW.h；WP.為風機的消耗電能，kW.h。

熱量交換效率主要取決于管道的空氣流量與空氣在換熱管道進、出口的焓差。

空氣焓值計算公式為：

式中：T為溫度（℃）；d為空氣的含濕量（kJ/kg）。

空氣含濕量：

系統(tǒng)白天蓄積熱量Q 計算公式為：

數(shù)據(jù)處理方法

采用 Microsoft Excel 2013 和 SPSS 26.0 軟件對數(shù)據(jù)進行處理與統(tǒng)計分析。

結果與分析

土壤-空氣熱交換系統(tǒng)對大棚氣溫的影響

不同天氣條件下氣溫比較

表1 為11 月8 日～12 月10 日處理區(qū)、對照區(qū)及室外氣溫狀況。無論晴天還是陰天，處理區(qū)晝最高和平均氣溫均低于對照區(qū)高于室外，晴天分別低0.7℃和0.9℃，陰天分別低0.5℃和0.7℃。處理區(qū)夜均氣溫均在12℃以上，夜平均氣溫、夜最低氣溫晴天較對照區(qū)分別高2.5℃和3.0℃，較室外高11.8℃和13.0℃，陰天較對照區(qū)分別高1.9℃和2.4℃，較室外高10.0℃和12.2℃。

表1 土壤-空氣熱交換系統(tǒng)對棚內氣溫的影響

氣溫的空間分布特征

處理區(qū)與對照區(qū)氣溫空間分布見表2。晝間，跨度方向上處理區(qū)以中部最高、南部次之、北部最低，對照區(qū)為南部最高、中部次之、北部最低；觀測期內處理區(qū)和對照區(qū)水平方向溫差范圍晴天分別為0.51～1.01℃和0.46～1.70℃，陰天為0.45～1.52℃和0.16～1.90℃，兩區(qū)水平方向氣溫變異系數(shù)晴天分別為2.8%和3.0%，陰天為 2.9%和3.8%；垂直方向上，隨高度增加，氣溫先升高后降低，以3.0 m 處最高、4.5 m 處最低，其中處理區(qū)和對照區(qū)垂直方向溫差范圍晴天分別為0.36～0.78℃和0.23～1.20℃，陰天為0.36～0.97℃和0.30～1.12℃，兩區(qū)氣溫變異系數(shù)晴天分別為1.3% 和1.5%，陰天為1.5% 和1.7%。

表2 土壤-空氣熱交換系統(tǒng)對氣溫空間分布的影響

夜間，跨度方向上處理區(qū)與對照區(qū)均表現(xiàn)為中部高、兩側低的特點，兩者水平方向溫差晴天分別為0～0.08℃和0.02～0.11℃，陰天為0.02～0.09℃和0.02～0.11℃，其氣溫變異系數(shù)晴天分別為0.6%和0.9%，陰天為0.5% 和0.8%；垂直方向上，隨著高度增加氣溫逐漸降低，以1.5 m 處最高、4.5 m處最低，處理區(qū)和對照區(qū)垂直方向上溫差晴天為0.01～0.06℃和0.04～0.16℃，陰天為0.03～0.06℃和0.03～ 0.14℃，其氣溫變異系數(shù)晴天分別為0.4%和0.6%，陰天為0.2%和0.4%。可見，無論晴天和陰天，均以處理區(qū)的氣溫空間分布更均勻。

土壤-空氣熱交換系統(tǒng)對大棚地溫影響

不同天氣條件下地溫比較

不同天氣條件大棚15 cm 處地溫比較（表3）。無論晴天還是陰天，處理區(qū)晝間與夜間地溫均顯著高于對照區(qū)和室外。處理區(qū)晝平均與夜平均地溫晴天較對照區(qū)分別高1.4℃和1.5℃，較室外高5.5 ℃和8.8 ℃，陰天較對照區(qū)分別高1.1℃和1.1℃，較室外高8.3℃和11.8℃。處理區(qū)最高與最低地溫晴天較對照區(qū)分別高1.0℃和2.0℃，較室外高3.0℃和11.2℃，陰天較對照區(qū)高0.5℃和1.6℃，較室外高5.0℃和14.8℃。

表3 土壤-空氣熱交換系統(tǒng)對棚內地溫的影響

地溫空間變化特征

由圖3 可以看出，晝間，跨度方向上處理區(qū)地溫以中部最高、南部次之、北部最低，對照區(qū)為南部最高、中部次之、北部最低，兩者水平方向地溫溫差范圍晴天分別為 0.2～0.9℃和0.1～1.0℃，陰天分別為0.2～0.7℃和0.2～1.0℃，其地溫變異系數(shù)晴天分別為2.1% 和2.9%，陰天為1.7% 和3.1%；夜間，水平方向上兩者均以中部最高、南部次之、北部最低，其中處理區(qū)和對照區(qū)水平方向地溫溫差范圍晴天分別為0.1～0.9℃、0.1～1.3℃；陰天分別為0.2～0.8℃、0.2～1.2℃，其地溫變異系數(shù)晴天分別為2.2% 和3.4%，陰天為 1.9% 和3.2%。

圖3 土壤-空氣熱交換系統(tǒng)對水平方向地溫空間分布的影響

圖4 為垂直方向10 cm、30 cm、50 cm 深度地溫變化。無論晴天與陰天，處理區(qū)晝間與夜間地溫以50 cm 處最高、10 cm 處最低，處理區(qū)晝間與夜間垂直方向地溫溫差范圍晴天分別 為0.4～1.4 ℃和0.1～0.3℃，陰天為0.3～0.5℃和0.1～0.3℃，其地溫變異系數(shù)晴天分別為3.2%和0.7%，陰天為3.6%和0.6%；對照區(qū)晴天晝間與夜間地溫都呈現(xiàn)50cm處最高、30cm處最低的趨勢，陰天地溫分布規(guī)律同處理區(qū)，對照區(qū)晝間與夜間垂直方向地溫溫差范圍晴天分別為0.1～0.5℃和0.1～0.3℃，陰天為0.8～1.0℃和0.1～0.8℃，其地溫變異系數(shù)晴天分別為1.4% 和0.7%，陰天為2.5% 和1.8%。

圖4 土壤-空氣熱交換系統(tǒng)對垂直方向地溫空間分布的影響

土壤-空氣熱交換系統(tǒng)能效分析

如表4 所示，晴天系統(tǒng)日蓄熱量為308.29～372.83 MJ，平均蓄熱量為331.84 MJ，日耗電量4.37～4.82 kW·h，平均耗電量4.52 kW·h，系統(tǒng)的能效比（COP）為16.23～20.95，平均能效比為17.84。系統(tǒng)陰天時蓄熱時間小于晴天，日蓄熱量100.89～221.04 MJ，平均蓄熱量144.58 MJ，日耗電量2.99～4.24 kW·h，平均耗電量3.35 kW·h，系統(tǒng)的能效比（COP）為8.43～13.20，平均能效比為10.11?？梢?，無論晴天與陰天系統(tǒng)整體蓄積的熱量明顯高于風機運行消耗的電能，經(jīng)濟性較好。

表4 不同天氣系統(tǒng)蓄熱性能對比

結論

土壤-空氣熱交換系統(tǒng)加溫效果顯著，晴天夜均氣溫較對照區(qū)提高2.5℃，陰天提高1.9℃，且作物冠層高度氣溫的水平分布更均勻；同時能夠顯著提高土壤溫度。

土壤-空氣熱交換系統(tǒng)晴天日均蓄能331.84 MJ，平均能效比（COP）17.84；陰天日均蓄能144.58 MJ，平均能效比（COP）10.11。系統(tǒng)整體蓄積的熱量遠大于風機運行所消耗的電量，節(jié)能效果顯著。