大慶市地區(qū)雙膜日光溫室冬季保溫效果的分析

雷 娜，楊鳳軍*

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江大慶 163000）

日光溫室是中國獨(dú)具知識(shí)產(chǎn)權(quán)的溫室類型。自20世紀(jì)80 年以來日光溫室從遼寧省南部的海城和房店興起，迅速推廣至中國北方地區(qū)[1，2]。日光溫室產(chǎn)業(yè)作為我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的主體，近20 年來已成為種植業(yè)效益最高的產(chǎn)業(yè)。它為解決長期困擾我國北方地區(qū)冬季的蔬菜淡季供應(yīng)、增加農(nóng)民收入、節(jié)約能源、促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、安置就業(yè)、避免溫室加溫造成的污染環(huán)境、提高城鄉(xiāng)居民的生活水平、穩(wěn)定社會(huì)等均做出了歷史性貢獻(xiàn)[1]。近些年對(duì)于日光溫室的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部環(huán)境因子、保溫性能等方面的研究很多。徐凡等[3]對(duì)華北五省區(qū)日光溫室的微氣候進(jìn)行了研究并確定了統(tǒng)一的溫室熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)；李曄等[4]對(duì)國內(nèi)外以及中國北方地區(qū)的城市的溫度和光照資源進(jìn)行了研究分析；佟雪姣等[5]對(duì)以水為介質(zhì)的太陽能水循環(huán)系統(tǒng)中不同顏色陽光板蓄熱性進(jìn)行了研究。而東三省由于其地理位置的局限；李清明等[6]對(duì)溫室建造時(shí)的下挖深度對(duì)其環(huán)境因子和空間分布的影響進(jìn)行了研究；鄒志榮[7]等對(duì)西北地區(qū)山地日光溫室的類型做了相關(guān)的研究，并且確定了其中性能較好的溫室種類；畢玉革[8]對(duì)北方干寒地區(qū)日光溫室所適應(yīng)的小氣候環(huán)境進(jìn)行了研究，并構(gòu)建出適用性模型。東三省由于其地理位置的局限，冬季氣溫極低的同時(shí)光照不足，單膜溫室無法滿足生產(chǎn)的基本需求。大慶市根據(jù)自身?xiàng)l件引進(jìn)了雙膜溫室：在溫室內(nèi)部增加內(nèi)膜，提高生產(chǎn)溫度，滿足溫室冬季基本的生產(chǎn)需求。通過對(duì)雙膜日光溫室內(nèi)部溫度進(jìn)行研究，同時(shí)分析冬季最冷時(shí)節(jié)溫室內(nèi)部溫度變化，為雙膜日光溫室以后的使用與推廣提供一些指導(dǎo)意見。

1 材料與方法

1.1 雙膜日光溫室與單膜日光溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)概述

雙膜日光溫室與單膜日光溫室在建筑結(jié)構(gòu)、內(nèi)部種植作物均相同，兩者差異僅為雙膜日光溫室內(nèi)部多了一層較薄的內(nèi)膜。試驗(yàn)溫室位于黑龍江省大慶市大同區(qū)，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)航天果蔬基地內(nèi)（E124°48′，N45°46′），溫室結(jié)構(gòu)為半圓弧形骨架與墻體圍合而成，墻體為東西山墻與后墻3 個(gè)部分，墻體材質(zhì)為紅磚與混凝土相結(jié)合，墻體厚度0.35m，溫室屋面覆蓋材料采用聚氯乙烯薄膜為外膜，聚乙烯薄膜為內(nèi)膜，運(yùn)用羊毛保溫被為夜間保溫材料。溫室建造方向坐北朝南，南北跨度8m，脊高4.8m，后墻高2.8m，長為60m，屋面采光角度為36°，溫室整體建筑面積480m2，附屬面積12m2，風(fēng)荷載0.65kN/m2，雪荷載0.550.65kN/m2，溫室豎向有效栽培空間為2.2～2.5m（如圖1）。

圖1 日光溫室東西方向截面

1.2 試驗(yàn)材料

溫室氣溫的監(jiān)測(cè)儀器為：HW300X 型溫度記錄儀與HWS300X 型溫度記錄儀，采用自動(dòng)記錄形式，具有數(shù)據(jù)記錄時(shí)間長，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存容量大，記錄準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

HW300X 型溫度記錄儀溫度監(jiān)測(cè)范圍：-20～70℃；精度：±0.4℃；HWS300X 型溫度記錄儀，溫度記錄儀溫度監(jiān)測(cè)范圍：-20～70℃；精度：±0.5℃。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 種溫室南北方向各點(diǎn)氣溫監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)時(shí)間為2016 年12 月～2017 年3 月北方地區(qū)冬季最冷時(shí)間段，早上8：00 揭開保溫被的同時(shí)，采用卷簾機(jī)去掉二層膜，下午17：00 蓋上保溫被以后，蓋上二層膜，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度記錄時(shí)間為隔30min 記錄1 次。

將雙膜日光溫室設(shè)為A，單膜日光溫室設(shè)為B，在A 溫室距離地面1.4m 處沿南北方向設(shè)置3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)：A1、A2、A3，同時(shí)要求A1距離溫室前骨架為2m，A1、A2、A3之間的距離都為2m，A3距離后墻也為2m。同時(shí)B溫室同樣在南北方向選取3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)B1、B2、B3，采取與A 溫室同樣的布置方法。該監(jiān)測(cè)方案主要是為了分析雙膜日光溫室與單膜日光溫室在南北方向上的溫度變化情況，不同條件下溫室內(nèi)部氣溫的變化情況以及在特殊天氣下溫室內(nèi)部溫度變化規(guī)律，氣溫檢測(cè)儀器的布置如圖2 所示。

圖2 南北方向不同位置氣溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)

1.3.2 數(shù)據(jù)分析。用WPS 表格對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸納，篩選有意義的數(shù)據(jù)制作出表格及折線圖、統(tǒng)計(jì)圖，反映出數(shù)據(jù)的整體變化趨勢(shì)，從而比較說明雙膜日光溫室的保溫性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種溫室南北方向各點(diǎn)溫度分析

圖3 是12 月22 日（冬至日）2 種溫室在南北方向的內(nèi)部氣溫變化情況，表明了雙膜日光溫室在南北方向上，A1、A2、A3都有隨著時(shí)間變化而出現(xiàn)氣溫升高和下降的現(xiàn)象，從下午2：00 開始到次日早上8：00 位置，氣溫呈現(xiàn)逐步下滑趨勢(shì)，同時(shí)在8：00 達(dá)到最低氣溫，最低溫度分別為3.1℃、3.3℃、3.6℃，同時(shí)A3點(diǎn)溫度波動(dòng)相較于A1點(diǎn)更小，這也說明也越靠近溫室南側(cè)，升溫越快，降溫也越快，溫度波動(dòng)較大，而溫室北側(cè)由于有后墻熱源，雖然升溫較慢，但是溫度波動(dòng)較小，更穩(wěn)定。

圖3 A、B 溫室南北方向氣溫變化

由圖3 可知，A1、A2、A33 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)日平均氣溫分別為11.7℃、11.3℃、12.3℃，08：00～14：00 雙膜日光溫室的溫度開始快速上升，但A3處由于受到后墻的影響，溫度的上升趨勢(shì)低于A1、A22 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；12：00 之后A1、A2、A33 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都達(dá)到該日溫度的峰值，依次為31.4℃、32.5℃、35.7℃。14：00～15：30 溫室開始快速降溫，平均速率達(dá)8.07℃/h；在17：00 之后雙膜日光溫室開始蓋上保溫被和二層膜，這時(shí)溫室內(nèi)部降溫速度開始放緩，平均速度為0.58℃/h。說明保溫被和二層膜有助于減少溫室熱量的散失，增強(qiáng)溫室的保溫性能。A1監(jiān)測(cè)點(diǎn)由于靠近溫室南側(cè)端，溫度來源基本為后墻且遠(yuǎn)離后墻，溫度下降速率較快，但A1相較于A2、A3監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫差為0～3.9℃，整體溫差較小，說明A 溫室在南北方向上的溫度分布較為均勻。

從圖3 可以得知，B1、B2、B33 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)日平均氣溫依次為8.0℃、8.2℃、8.0℃，B 溫室的3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)從下午2：00 開始至次日早上8：00，溫室內(nèi)部溫度持續(xù)走低，同時(shí)在早上8：00 揭開保溫被時(shí)，溫室內(nèi)部溫度達(dá)到最低，B1、B2、B3分別為-1.7℃、-0.4℃、-0.6℃；12：30 3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度達(dá)到一天之中的峰值，分別為27.8℃、28.8℃、29.1℃，由于南側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)較為靠近溫室抵角，且離后墻較遠(yuǎn)，一天之中溫差較大，升溫迅速但同時(shí)降溫速度也是3 個(gè)之中最快，B1相較于B2、B3兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，溫差為0～7.5℃，差值相較于A 溫室更大。同時(shí)根據(jù)圖3 表明A 溫室夜間溫度始終高于B 溫室，且A 溫室一天之中最高和最低溫度都高于B 溫室。在白天時(shí)A 溫室平均升溫速率為6.7℃/h，B 溫室平均升溫速率為6.5℃/h，說明在南北方向上A 溫室的保溫性能、圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)于B 溫室。

2.2 2 種溫室平均氣溫與室外平均氣溫分析

圖4 是12 月10～20 日A、B 2 種溫室的平均溫度變化，可以看出A、B 溫室的溫度變化呈正相關(guān)，表明A、B 2 種溫室在生產(chǎn)實(shí)踐上都有保溫蓄熱的能力。由圖4 可知，在11 天內(nèi)A 溫室平均溫度為11.8℃，B 溫室內(nèi)部平均溫度為4.6℃，室外平均溫度為-13.3℃，A溫室的平均溫度均高于B 溫室，A 溫室的內(nèi)部溫度相較于室外溫度，平均有效提高溫度25.1℃，B 溫室平均溫度有效提高18.0℃。說明A 溫室整體保溫性能優(yōu)于B 溫室，A 溫室內(nèi)部的雙層膜更有提升溫室的內(nèi)部溫度。同時(shí)通過誤差線顯示，B 溫室的溫度變化誤差比A溫室更大，說明A 溫室內(nèi)部溫度環(huán)境要優(yōu)于B 溫室。

圖4 A、B 溫室溫度與室外溫度變化

2.3 2 種溫室極端天氣條件下溫室內(nèi)部氣溫分析

圖5 是2016 年12 月21 日（冬至日）薄霧、小雪的極端低溫天氣條件下，A、B 溫室內(nèi)部溫度的變化情況，A 溫室內(nèi)部溫度始終高于B 溫室，A 溫室的平均溫度為6.4℃，B 溫室的平均溫度為0.5℃，室外平均溫度為-15.7℃，可知A 溫室在薄霧、小雪天氣條件下，有效提高溫室內(nèi)部溫度22.1℃，可保持葉菜類植物的基本生存條件。由趨勢(shì)線可知，在極端天氣下，室外溫度呈下降趨勢(shì)，而溫室的溫度呈上升趨勢(shì)，同時(shí)A 溫室的上升幅度大于B 溫室，說明二層膜在極端天氣情況下可以有效保持溫室內(nèi)部熱量不散失，保溫性能優(yōu)于B 溫室。

圖5 A、B 溫室極端天氣溫度變化

2.4 2 種溫室多云、陰天天氣條件下溫室內(nèi)部氣溫分析

圖6 是12 月22 日陰天天氣條件下A、B 溫室氣溫變化圖，由圖可知A 溫室溫度一直高于B 溫室，說明A 溫室在陰天天氣條件下太陽輻射能加溫不足，A、B 溫室增溫緩慢，但A 溫室的保溫性能仍然優(yōu)于B 溫室。根據(jù)趨勢(shì)線可知，2 種溫室加溫趨勢(shì)基本相同，雖然A 溫室保溫性能優(yōu)于B 溫室，但由于雙層膜的阻擋，再加上外部太陽輻射不足的情況下，增溫效果相較于B 溫室卻并不明顯。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，必須注意二層膜的揭、蓋時(shí)間，以求獲得最好的增溫、保溫效果。

圖6 A、B 溫室多云天氣溫度變化

2.5 2 種溫室晴天天氣條件下溫室內(nèi)部氣溫分析

圖7 是12 月24 日晴天天氣條件下，A、B 溫室內(nèi)部氣溫變化情況，由圖可知，A、B 溫室的最低溫度為4.4℃、-0.2℃，A、B 溫室的最高溫度為31.0℃、23.7℃，最高氣溫差值為12.5℃，說明A 溫室在晴天條件下內(nèi)部氣溫高于B 溫室，內(nèi)部整體環(huán)境更有優(yōu)勢(shì)。根據(jù)A、B 溫室變化趨勢(shì)可知，A、B 溫室白晝時(shí)升溫迅速，在09：00～13：00 這段時(shí)間內(nèi)，B 溫室溫度的增長斜率大于A 溫室，說明二層膜對(duì)溫室吸收光照有一定影響，但夜晚時(shí)段A 溫室降溫比B 溫室緩慢，可知二層膜對(duì)于溫室夜晚保溫性能有著極大的提升。同時(shí)根據(jù)2 種溫室的趨勢(shì)線走勢(shì)可知，晴天天氣在溫室北部氣溫呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，相較于極端天氣和陰天天氣有更大的提升，說明晴天條件對(duì)溫室內(nèi)部溫度具有明顯增溫的作用。

圖7 A、B 溫室晴天溫度變化

2.6 2 種溫室內(nèi)部最低溫度分析

圖8 是A、B 溫室在2016 年12 月12 日～2016 年12 月23 日冬季最冷時(shí)段，A、B 溫室內(nèi)部每日最低溫度（8：00）變化情況。根據(jù)圖8 可知，A 溫室12 日8：00種最低氣溫為3.7℃，最高溫度為8.2℃，平均溫度為5.7℃，12 日內(nèi)最大溫差為4.5℃，B 溫室12 日8:00 種最低氣溫為1.1℃，最高溫度為3.8℃，平均溫度為2.1℃，12 日內(nèi)最大溫差為2.7℃，室外最低氣溫為-17℃，最高氣溫-10℃，平均溫度-12.8℃。12 日內(nèi)A溫室內(nèi)部平均最低溫度相較于B 溫室高出3.6℃。以上數(shù)據(jù)說明A 溫室內(nèi)部環(huán)境整體更優(yōu)，在協(xié)助生產(chǎn)應(yīng)對(duì)冬季低溫威脅時(shí)更有優(yōu)勢(shì)，更加適合溫室冬季生產(chǎn)。

3 討論

圖8 A、B 溫室內(nèi)部最低溫度變化

日光溫室是我國特有的一種設(shè)施生產(chǎn)類型，通過白晝時(shí)段吸收太陽輻射能轉(zhuǎn)化熱能，夜晚后墻完成能量轉(zhuǎn)化，將光能以熱能的形式散發(fā)出去，實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)。中國東北、西北和華北的絕大部分地區(qū)適合發(fā)展日光溫室生產(chǎn)，沈陽、呼和浩特和烏魯木齊成為中國冬季日光溫室適宜發(fā)展區(qū)域的北線。同時(shí)認(rèn)為中國三北地區(qū)不適宜大面積發(fā)展大型連棟溫室，而應(yīng)以發(fā)展高效節(jié)能日光溫室園藝生產(chǎn)為主，適當(dāng)發(fā)展大、中、小棚園藝生產(chǎn)。在設(shè)施園藝生產(chǎn)體系中，應(yīng)以不斷提高低成本增溫、保溫、降溫以及增光等高新技術(shù)創(chuàng)新為主，進(jìn)一步充分利用自然光熱資源，以大幅度提高設(shè)施園藝生產(chǎn)效益[4]。研究表明，傳統(tǒng)日光溫室保溫主要靠白天后墻蓄熱，夜晚后墻緩慢釋放熱量，所以白天應(yīng)充分利用太陽能（通過合理的棚型和后墻結(jié)構(gòu)，調(diào)整屋面角度、增加覆蓋材料的透光性、減少建材遮光性等），挖掘光能使溫度升高的潛力，保持較高的相對(duì)溫度，根據(jù)陰晴天氣情況適時(shí)揭蓋保溫被，選擇性能良好的保溫被，對(duì)室內(nèi)氣溫、墻溫、地溫的提高有重要的作用，同時(shí)可以通過調(diào)節(jié)日光溫室內(nèi)的氣溫來調(diào)節(jié)地溫、墻溫[9]，從而避免植物遭受低溫、冷害。

近幾年來，日光溫室已經(jīng)有了極大的改善，許多學(xué)者對(duì)溫室的建造材料、建造角度、覆蓋材料、溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，進(jìn)一步提高了日光溫室的保溫性能。然而對(duì)于我國東北、西北等地區(qū)，冬季過于寒冷且低溫持續(xù)時(shí)間長，冬季溫室正常生產(chǎn)需要采用一些加溫裝置，在此方面已有一些研究，例如水幕簾蓄放熱系統(tǒng)[10]，PC 陽光板收集/散熱裝置的太陽能水循環(huán)系統(tǒng)[5，11]，自動(dòng)控溫加溫設(shè)備[12]等等。同時(shí)，日光溫室一些別的缺陷也暴露了出來：溫室內(nèi)部濕度過大易引起病蟲害、陰雨天氣采光不足導(dǎo)致溫室內(nèi)部產(chǎn)生低溫冷害、單位產(chǎn)量低等問題。設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要解決一系列的問題，滿足我國設(shè)施農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)，提高產(chǎn)量和價(jià)值的需要[13，14]。佟國紅[15]等通過試驗(yàn)證明了復(fù)合墻溫室墻體蓄熱性及熱穩(wěn)定性均優(yōu)于同指標(biāo)土墻溫室；王蕊等采用石蠟為相變基材，研發(fā)了?；⒅橄嘧冃滦蜔o機(jī)保溫蓄熱材料，進(jìn)一步提升了溫室后墻的蓄熱性能[16]；封美琦等[17]對(duì)溫室內(nèi)后墻的涂刷顏色進(jìn)行研究，優(yōu)化果實(shí)質(zhì)量。

4 結(jié)論

雙膜日光溫室的溫度分布在南北方向上較單膜日光溫室更均勻，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度均高于單膜日光溫室，說明雙膜日光溫室的采光性能優(yōu)于單膜日光溫室，有助于提高溫室溫度，促進(jìn)植物生長。在平均溫度上雙膜日光溫室也高于單膜日光溫室，可以有效提高溫度25～35℃。同時(shí)在極端天氣、多云及陰天天氣、晴天條件下，雙膜日光溫室內(nèi)部溫度均高于單膜日光溫室，且內(nèi)部氣溫波動(dòng)整體平緩，較單膜日光溫室有一定的提升，可以更好地滿足植物生長對(duì)溫度的需求，但雙膜日光溫室在外部光照不足時(shí)，由于內(nèi)部有二層膜對(duì)太陽輻射能進(jìn)入的阻擋，會(huì)使增溫效果有所減弱。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要注意二層膜的揭、蓋時(shí)間。

雙膜日光溫室在冬季最冷時(shí)段溫室內(nèi)部最低氣溫高出單膜日光溫室4.8℃，與大慶市室外溫度相比平均有效提高日平均氣溫20.85℃，冬季最冷時(shí)段日最低平均氣溫高出單膜日光溫室日平均最低溫度3.1℃。在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，室內(nèi)平均氣溫為13.5℃，最低溫度8.0℃，最高溫度36℃。因此可以推斷雙膜日光溫室蓄熱性能優(yōu)于單膜日光溫室，有助于解決大慶市地區(qū)冬季日光溫室內(nèi)植物常遇到的低溫脅迫問題，有助于維持植物正常的生理活動(dòng)。