屋頂全開啟型Venlo式溫室的降溫效果

齊振宇， 馬 帆， 孔德棟， 胡衛(wèi)珍， 童正仙， 孫曉梅

(1.浙江大學(xué) 農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站，杭州 310058；2.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院 水利系，杭州 311231；3. 上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 組織人事處，上海 201106)

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屋頂全開啟型Venlo式溫室的降溫效果

齊振宇1， 馬 帆1， 孔德棟1， 胡衛(wèi)珍1， 童正仙2， 孫曉梅3

(1.浙江大學(xué) 農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站，杭州 310058；2.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院 水利系，杭州 311231；3. 上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 組織人事處，上海 201106)

通過測試屋頂全開啟型與屋頂通風(fēng)窗型兩種Venlo式溫室在不同設(shè)定條件下的溫度變化，建立兩種溫室室內(nèi)與室外白天溫度變化曲線；結(jié)合兩種溫室自然通風(fēng)條件下通風(fēng)比變化與強(qiáng)制降溫條件下濕簾風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行屋頂全開啟型Venlo式溫室降溫效果的分析。在自然通風(fēng)降溫條件，晴天時(shí)屋頂全開啟型溫室比屋頂通風(fēng)窗型溫室降溫更迅速，室溫更低，更接近設(shè)定溫度；陰天時(shí)差異不明顯，屋頂全開啟型溫室1 d中室內(nèi)最高溫度高于室外溫度0～2.35 ℃，低于屋頂通風(fēng)窗型溫室1 d中最高溫度0～5.25℃；在強(qiáng)制降溫開啟的條件下，屋頂全開啟型溫室濕簾風(fēng)機(jī)啟動(dòng)遲，停止早，濕簾風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間要比屋頂通風(fēng)窗開窗型溫室運(yùn)行時(shí)間少1.5 h，能夠在不影響降溫效果的情況下減少溫室降溫能耗。屋頂全開啟型Venlo式溫室大幅增加了溫室的開窗通風(fēng)比，顯著提高了Venlo式溫室自然通風(fēng)的降溫效果，并減少了溫室強(qiáng)制降溫的運(yùn)行成本。

玻璃溫室； 自然通風(fēng)； 屋頂全開啟； 屋頂通風(fēng)窗

0 引 言

Venlo型溫室起源于荷蘭，是世界上應(yīng)用最廣、使用數(shù)量最多的溫室類型，這種溫室類型從上世紀(jì)90年代初開始引入我國，經(jīng)過20多年的發(fā)展，目前已經(jīng)在蔬菜、花卉、苗木栽培中得到越來越多的應(yīng)用[1-2]。在Venlo式溫室引入后的生產(chǎn)運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的溫室在高緯度的荷蘭是合適的，但在我國的大部分地區(qū)使用時(shí)普遍感覺通風(fēng)面積不夠，屋頂通風(fēng)窗開啟的實(shí)際有效通風(fēng)面積較小，通風(fēng)效果差，夏季降溫比較困難，如果增設(shè)濕簾風(fēng)機(jī)或其他方式強(qiáng)制降溫，運(yùn)行成本很高[3-4]。因此，如何加大Venlo式溫室的通風(fēng)口面積，提高溫室的降溫效果，一直都是國內(nèi)溫室使用者和設(shè)計(jì)建設(shè)者關(guān)注的重要問題[5-6]。

近年來，一種新型的開窗方式被應(yīng)用在Venlo式溫室上，即屋頂全開啟型溫室，這種溫室打破了傳統(tǒng)的溫室頂部固定的方式， 采用了以溫室天溝為固定軸， 整個(gè)屋頂能繞天溝旋轉(zhuǎn)，達(dá)到溫室頂部全開的目的，通風(fēng)換氣比接近100 %[7-8]。理論上，溫室開窗方式?jīng)Q定溫室頂窗可實(shí)現(xiàn)的最大通風(fēng)比，而溫室的最大通風(fēng)比越大，溫室的自然降溫效果越好，國內(nèi)外已有研究者做了這方面的研究[9-13]，但是還沒有對屋頂全開啟型Venlo式溫室與普通屋頂通風(fēng)口開窗兩種不同溫室的降溫效果進(jìn)行系統(tǒng)比較研究[14-16]。本試驗(yàn)通過測試屋頂全開啟型與屋頂通風(fēng)窗型兩種Venlo式溫室在不同設(shè)定條件下的溫度變化，結(jié)合兩種溫室自然通風(fēng)條件下通風(fēng)比變化與強(qiáng)制降溫條件下濕簾風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行屋頂全開啟型Venlo式溫室降溫效果的分析，為溫室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)溫室

試驗(yàn)地點(diǎn)位于浙江大學(xué)紫金港校區(qū)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站溫室群，以A區(qū)、B區(qū)溫室作為試驗(yàn)測試溫室，其中，A溫室為屋頂全開啟型溫室；B溫室為屋頂通風(fēng)窗型溫室。兩座溫室均為Venlo式結(jié)構(gòu)，采用3.2 m屋面，跨度6.4 m，開間4.00 m，肩高4.2m，頂高6 m，天溝寬度0.17 m，玻璃寬度0.73 m，玻璃厚度5 mm，兩座溫室的面積相等，每座溫室的排列方式12.8 m×32 m，兩座溫室都由Priva Integro(V724)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境自動(dòng)控制。

1.1.1 屋頂全開啟型溫室

屋頂全開啟型溫室以天溝為固定軸，整個(gè)屋面能繞天溝旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)頂部全開，通風(fēng)窗寬度2.4 m，開窗角度(與水平面夾角) 30°～83°可調(diào)，最大開窗面積與地面積的比率(以下簡稱通風(fēng)窗比) 為86.93%，主要設(shè)備配件有減速電機(jī)、傳動(dòng)軸、齒條、齒輪、連接件等。工作時(shí)，減速電機(jī)通過傳動(dòng)軸及齒輪帶動(dòng)齒條移動(dòng)，齒條直接推動(dòng)窗戶，將窗戶打開或關(guān)閉。

1.1.2 屋頂通風(fēng)窗開窗溫室

屋頂通風(fēng)窗型溫室的開窗機(jī)構(gòu)以屋脊兩側(cè)交錯(cuò)間隔方式分布，通風(fēng)窗寬度0.80 m，通風(fēng)窗開啟角度(與屋面夾角)0°～30°可調(diào)，屋頂通風(fēng)窗凈高度0.45 m，最大通風(fēng)窗比為25 %，主要設(shè)備配件有減速電機(jī)、傳動(dòng)軸、齒條、齒輪、推桿、拉桿和拉桿連接件等。工作時(shí)，減速電機(jī)通過傳動(dòng)軸及齒輪帶動(dòng)齒條前后移動(dòng)，齒條推動(dòng)推桿移動(dòng)，推桿將推力或拉力傳遞至支桿，將窗戶打開或關(guān)閉。

1.2 試驗(yàn)方法與裝置

1.2.1 試驗(yàn)方法

以2013年5月25日～2014年5月25日溫度變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立兩種不同開窗方式下兩座溫室內(nèi)與室外典型天氣(晴天、陰天)溫度變化曲線，并分析自然通風(fēng)降溫開窗條件下，溫度數(shù)據(jù)變化情況；分析強(qiáng)制降溫條件下溫室內(nèi)外溫度變化情況，比較夏季強(qiáng)制降溫開啟的時(shí)數(shù)并分析兩種開窗方式下溫室運(yùn)行的降溫能耗。

1.2.2 參數(shù)設(shè)置

通過Priva Office對A、B兩座溫室進(jìn)行溫度條件、開窗條件參數(shù)兩種模式設(shè)置，其他參數(shù)均一致，參數(shù)的設(shè)置分為兩個(gè)階段：

(1) 2013年10月25日～2014年5月25日，強(qiáng)制降溫模式關(guān)閉，僅自然通風(fēng)：白天(6:30～20:30)，25 ℃開窗；夜晚(20:30～6:30)，22 ℃開窗。

(2) 2013年5月25日～2013年10月25日，強(qiáng)制降溫模式開啟，結(jié)合自然通風(fēng)：白天(6:30～20:30)，25 ℃開窗，室外溫度高于33 ℃、室內(nèi)溫度高于室外溫度3 ℃度時(shí)進(jìn)行濕簾風(fēng)機(jī)強(qiáng)制降溫；夜晚(20:30～6:30)，22 ℃開窗，不進(jìn)行濕簾風(fēng)機(jī)強(qiáng)制降溫。

1.2.3 數(shù)據(jù)采集與記錄

(1) A、B兩座溫室室內(nèi)、室外空氣溫度由Priva氣象站測得，溫室內(nèi)測點(diǎn)位于溫室中間，距離地面高度1.5 m，溫室外測點(diǎn)位于溫室天溝上方1.5 m處。濕簾風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)(0為停止，1為開啟)、開窗百分率由Priva office采集，數(shù)據(jù)每5 min采集并記錄1次，并計(jì)算：

屋頂通風(fēng)比=最大通風(fēng)比×開窗百分率

(2) 選擇2013年7月16日(強(qiáng)制降溫開啟)、2014年4月28日(晴天自然通風(fēng))、2014年4月17日(陰天自然通風(fēng))進(jìn)行典型天氣條件下的試驗(yàn)，由傳感器(TH-HNW)進(jìn)行A溫室室內(nèi)、B溫室室內(nèi)、室外白天空氣溫度的測定，各設(shè)6個(gè)測點(diǎn)，溫室內(nèi)測點(diǎn)均勻分布在各測量溫室內(nèi)，水平布置，距地面高度 1.5 m(見圖1)；溫室外測點(diǎn)位于溫室附近空曠處，水平布置，距離地面高度1.5 m，6:00開始，每30 min測定1次，20：00結(jié)束。

圖1 溫室內(nèi)測點(diǎn)布置示意圖(m)

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

記錄的數(shù)據(jù)通過Excell 2007進(jìn)行處理和分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 自然通風(fēng)降溫條件下，屋頂全開啟型Venlo式溫室降溫效果

2.1.1 晴天自然通風(fēng)條件下的降溫效果

從2014年4月28日晴天測試并建立的溫度曲線可以看出(見圖2)，室外溫度從6：00時(shí)15.38 ℃，上升至13:30最高達(dá)28.76 ℃，變幅較大。兩座溫室室內(nèi)溫度與室外溫度的變化趨勢基本一致，隨著室外溫度升高，室內(nèi)溫度也不斷升高。上午 8：00，兩座溫室天窗開始開啟(見圖3)，此時(shí)屋頂通風(fēng)窗溫室室內(nèi)溫度 25.8 ℃，屋頂全開啟溫室室溫25.6 ℃，隨著室外溫度上升，兩座溫室室內(nèi)溫度也不斷上升，而屋頂全開啟型溫室室內(nèi)溫度上升較緩慢。隨著兩座溫室室內(nèi)溫度不斷上升，開窗角度不斷加大，至10：00時(shí)，屋頂通風(fēng)窗溫室天窗角度已達(dá)到最大，達(dá)溫室最大通風(fēng)比25%。隨后，室內(nèi)溫度迅速上升，屋頂全開型溫室開窗角度不斷加大，溫室通風(fēng)比不斷升高，溫度上升緩慢。

圖2 晴天溫室室內(nèi)、室外溫度變化曲線

圖3 晴天溫室屋頂通風(fēng)比變化曲線

至下午13：35，溫室通風(fēng)比達(dá)全天最大值70%，下午14：00，屋頂通風(fēng)窗溫室室內(nèi)達(dá)到最高溫度33.6 ℃。此時(shí)，室外溫度為28.52 ℃，屋頂全開啟型溫室溫度29.72 ℃。隨著室外溫度的降低，兩座溫室室內(nèi)溫度逐漸下降，至下午16：00，屋頂通風(fēng)窗溫室開窗角度開始減小，通風(fēng)比逐漸下降。從變化的趨勢上看，屋頂全開啟型溫室天窗通風(fēng)比變化幅度更大，變化更迅速。 屋頂全開啟型溫室比屋頂通風(fēng)窗型溫室降溫更迅速，室溫更低，并更接近室外溫度。

2.1.2 陰天自然通風(fēng)條件下的降溫效果

從2014年4月17日陰天測試并建立的溫度曲線可以看出(見圖4)，室外溫度從早上6：00時(shí)18.71 ℃上升至13：30最高達(dá)22.34 ℃，變幅較小。兩座溫室室內(nèi)溫度與室外溫度的變化趨勢基本一致，隨著室外溫度升高，室內(nèi)溫度也不斷升高。上午10：00，兩座溫室室溫超過開窗設(shè)定溫度，天窗幾乎同時(shí)開啟，隨著室外溫度的上升，室內(nèi)溫度不斷升高，兩座溫室開窗角度不斷加大，溫室通風(fēng)比不斷提高，至下午13：30，室溫達(dá)到最高，隨后緩慢降低(見圖5)。在測量期間發(fā)現(xiàn)，從10：00～16：00，兩座溫室的通風(fēng)比變化曲線基本吻合，差異不大，兩座溫室室溫的變化線也基本吻合，始終在設(shè)定開窗溫度25 ℃附近。兩座溫室室內(nèi)最大溫差出現(xiàn)在14：00，溫差為 1.21 ℃，此時(shí)，屋頂通風(fēng)窗溫室室溫為27.08 ℃，屋頂全開啟溫室室溫為25.87 ℃，室外溫度為22.28 ℃。

圖4 陰天溫室室內(nèi)、室外溫度變化曲線

圖5 陰天溫室屋頂通風(fēng)比變化曲線

2.1.3 自然通風(fēng)條件下，全開啟型Venlo式溫室降溫效果

2013年10月25日～2014年5月25日為自然通風(fēng)降溫模式運(yùn)行，開窗溫度設(shè)置25 ℃，從Priva office記錄的兩座溫室的數(shù)據(jù)并建立的曲線可以看出(見圖6)，屋頂通風(fēng)窗型溫室每天最高溫度(峰值)較高，屋頂全開啟型溫室的每天最高溫度(峰值)較低，從整個(gè)階段來看，自然通風(fēng)降溫條件下，屋頂通風(fēng)窗型溫室1 d中的最高溫度為22.50～39.75 ℃，屋頂全開啟型溫室1 d中的最高溫度在22.51～34.50 ℃，屋頂全開啟型溫室1 d中室內(nèi)最高溫度高于室外溫度0～2.35 ℃，低于屋頂通風(fēng)窗型溫室1 d中最高溫度0～5.25 ℃。從兩座溫室最高室溫差值與室外溫度變化趨勢來看，室外溫度越高，兩座溫室1 d中的室內(nèi)最高溫差值越大。兩者之間的最大差值出現(xiàn)在2014年的5月16日，為5.25 ℃，該天記錄室外最高溫度為32.15 ℃，屋頂全開啟型溫室室溫的最高溫度為34.50 ℃，屋頂通風(fēng)窗型溫室室溫的最高溫度39.75 ℃。

圖6 自然通風(fēng)條件下，溫室室內(nèi)、室外溫度變化曲線

2.2 強(qiáng)制降溫開啟結(jié)合自然通風(fēng)條件下屋頂全開啟型Venlo式溫室降溫效果

在溫室控制系統(tǒng)強(qiáng)制降溫開啟的情況下，白天25℃開窗，當(dāng)室外溫度高于33 ℃、室內(nèi)溫度高于室外溫度3 ℃時(shí)，進(jìn)行濕簾風(fēng)機(jī)強(qiáng)制降溫；從2013年7月16日兩座溫室溫度變化的情況來看(見圖7)，從早上6：00開始，外界溫度為25.20 ℃，兩座溫室溫度稍高于室外溫度，隨著室外溫度不斷升高，兩座溫室雖然開窗角度不斷加大，但室溫還是迅速上升，至7:57，屋頂通風(fēng)窗型溫室已經(jīng)達(dá)到33.26 ℃，濕簾風(fēng)機(jī)第1次啟動(dòng)，室內(nèi)溫度迅速降低，溫室進(jìn)入風(fēng)機(jī)濕簾啟動(dòng)(關(guān)窗)—停止(開窗)間歇運(yùn)行階段(見圖8)，而屋頂全開啟型溫室通過不斷加大開窗角度，室溫上升較慢，至8：43，室內(nèi)溫度為33.63 ℃，濕簾風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，隨即也進(jìn)入間歇運(yùn)行階段。至下午16：21，屋頂全開啟型溫室進(jìn)入濕簾風(fēng)機(jī)間歇啟動(dòng)階段，至下午18：15，室溫32.65 ℃時(shí)，濕簾風(fēng)機(jī)完全停止。屋頂通風(fēng)型溫室17：11進(jìn)入間歇運(yùn)行階段， 至19：04，室溫32.45 ℃時(shí)濕簾風(fēng)機(jī)也完全停止。

圖7 強(qiáng)制降溫條件下，溫室室內(nèi)、室外溫度變化曲線

圖8 濕簾風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)曲線

從9：46～16：21，兩座溫室濕簾風(fēng)機(jī)都啟動(dòng)后，兩座溫室室內(nèi)溫度曲線幾乎重合，并與室外溫度的變化趨勢一致，始終低于室外溫度3～4.5 ℃，說明兩座溫室在強(qiáng)制降溫啟動(dòng)時(shí)，降溫的效果基本一致，無顯著差異(見圖6)。 從Priva控制系統(tǒng)記錄的濕簾風(fēng)機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)曲線來看，屋頂全開啟型溫室濕簾—風(fēng)機(jī)啟動(dòng)遲，停止早，風(fēng)機(jī)濕簾運(yùn)行時(shí)間要比屋頂通風(fēng)窗開窗型溫室運(yùn)行時(shí)間少1.5 h(見圖8)。

3 結(jié)果與討論

溫室生產(chǎn)中，采取不同的開窗方式，對溫室內(nèi)各環(huán)境因子調(diào)控效果影響較大，特別是對溫室通風(fēng)降溫效果的影響尤為顯著。試驗(yàn)通過測試屋頂全開啟型與屋頂通風(fēng)窗型兩種不同開窗方式的Venlo式溫室，在控制系統(tǒng)設(shè)置的兩種不同降溫運(yùn)行模式下，進(jìn)行了屋頂全開啟型Venlo式溫室降溫效果的測試。

(1) 強(qiáng)制通風(fēng)關(guān)閉，僅自然通風(fēng)降溫模式。屋頂全開啟型溫室室內(nèi)溫度下降明顯，可以快速除去溫室內(nèi)的高溫、高濕空氣，達(dá)到快速降溫的效果，屋頂全開啟型溫室比屋頂通風(fēng)窗型溫室降溫更迅速，室溫更低，更接近設(shè)定溫度；屋頂全開啟型溫室1 d中室內(nèi)最高溫度高于室外溫度0～2.35 ℃，低于屋頂通風(fēng)窗型溫室1 d中最高溫度0～5.25 ℃。從差值與室外溫度變化趨勢來看，室外溫度越高，兩座溫室1 d中的室內(nèi)最高溫差值越大。

(2) 強(qiáng)制降溫開啟結(jié)合自然通風(fēng)模式。屋頂全開啟型溫室與屋頂通風(fēng)窗型溫室在風(fēng)機(jī)濕簾啟動(dòng)后，溫室的降溫效果基本一致，能夠使室內(nèi)溫度低于外溫度3～4.5℃，但屋頂全開啟型溫室濕簾-風(fēng)機(jī)啟動(dòng)遲，停止早，風(fēng)機(jī)濕簾運(yùn)行時(shí)間要比屋頂通風(fēng)窗開窗型溫室運(yùn)行時(shí)間少1.5 h，能夠在不影響降溫效果的情況下減少溫室降溫能耗。

4 結(jié) 語

Venlo式溫室降溫問題一直是設(shè)施農(nóng)業(yè)所面臨的難題之一，我國大部分地區(qū)夏季高溫炎熱，普通的屋頂通風(fēng)窗自然通風(fēng)條件下，降溫效果很難滿足植物種植需要，而通過濕簾風(fēng)機(jī)強(qiáng)制降溫，雖效果明顯，但耗電量大，運(yùn)行成本較高。屋頂全開啟型Venlo式溫室是溫室開窗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上的一次飛躍，大幅增加了溫室的開窗通風(fēng)比，顯著提高了Venlo式溫室自然通風(fēng)的降溫效果，并降低了溫室強(qiáng)制降溫的運(yùn)行成本。

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Cooling Effect of Open-Roof Venlo Greenhouse

QIZhen-yu1,MAFan1,KONGDe-dong1,HUWei-zhen1,TONGZheng-xian2,SUNXiao-mei3

(1. Agricultural Experiment Station, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. Department of Water Conservancy，Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology, Hangzhou 311231, China;3. Department of Organizational Personnel, Shanghai Academy Agricultural Sciences, Shanghai 201106, China)

In order to provide a theoretical basis for optimizing the structure design of the greenhouse and to provide a reference for environmental control, the cooling effect of the open-roof Venlo greenhouse was compared with the roof vent Venlo greenhouse. By testing the open-roof Venlo greenhouse and the roof vent Venlo greenhouse under different conditions of temperature setting, daytime temperature curve of greenhouse indoor and outside were created. And the cooling effects of the two kinds of greenhouses were analyzed according to the change of roof ventilation ratios, and the conditions of under natural ventilation conditions and wet pad-fan running situations by forced cooling. In sunny day and under natural ventilation cooling conditions, the open-roof Venlo greenhouse was more quickly to be cool, and could reach the lower temperature, and be closer to the set temperature than the roof vent Venlo greenhouse; Ihe difference was not significant in cloudy days. The highest day temperature of the open-roof Venlo greenhouse was higher than the outdoor temperature about 0-2.4 ℃, it was less than the highest day temperature of the roof vent Venlo greenhouse which was 0-5.2 ℃. The wet pad-fan of open-roof greenhouse started up later and stoped earlier than the roof vent greenhouse, while wet pad-fan running time of open-roof vent greenhouse was less than the roof vent greenhouse about 1.5 hours. Open-roof vent greenhouse could reduce greenhouse cooling energy consumption without compromising cooling effect situation. Open-roof vent greenhouse sharply increased roof ventilation ratio of greenhouse, significantly improved the Venlo greenhouse natural ventilation cooling effect and reduced the operating costs of greenhouse forced cooling.

greenhouses; natural ventilation; open roof; roof vent

2014-06-30

浙江大學(xué)實(shí)驗(yàn)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(188100-560101/024 )

齊振宇(1976-)，男，浙江杭州人，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)樵O(shè)施園藝與環(huán)境控制。

Tel.: 0571-88981767；E-mail: qizhenyu@zju.edu.cn

S 625.1； S 625+3

A

1006-7167(2015)05-0031-05