甘州區(qū)第三代日光溫室設(shè)計原理及性能試驗(yàn)

白曉軍

甘州區(qū)第三代日光溫室設(shè)計原理及性能試驗(yàn)

白曉軍

特約欄目主持：張麗華

正高職高級工程師，現(xiàn)任武漢市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣指導(dǎo)中心站長。30年來一直從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣和培訓(xùn)工作，先后承擔(dān)部省下達(dá)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化項(xiàng)目 10 多項(xiàng)，主持各類農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)場演示、推廣、培訓(xùn)會 200 余場，獲全國農(nóng)牧漁業(yè)豐收獎3項(xiàng)，省政府科技進(jìn)步獎1項(xiàng)，地廳級科技進(jìn)步獎4項(xiàng)。被農(nóng)業(yè)部評為全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣先進(jìn)工作者，為省政府專項(xiàng)津貼獲得者，被授予全國農(nóng)機(jī)科普先進(jìn)工作者、武漢市十佳農(nóng)業(yè)女杰、全省農(nóng)機(jī)化工作先進(jìn)工作者等稱號。

導(dǎo)讀：甘肅張掖市甘州區(qū)目前推廣的第二代日光溫室蓄熱保溫性能不滿足當(dāng)?shù)囟緲O端低溫天氣蔬菜安全生產(chǎn)的要求，為了解決此問題，按照當(dāng)?shù)囟寥蘸侠硖柲芙孬@設(shè)計日光溫室合理前屋面角度，形成了蓄熱保溫性能更好的第三代節(jié)能日光溫室。主要介紹了第三代日光溫室的結(jié)構(gòu)參數(shù)、蓄熱保溫性能提高的原理和試驗(yàn)的性能表現(xiàn)。

甘州區(qū)隸屬于甘肅張掖市，位于河西走廊中部，地處東經(jīng) 100°6′～100°52′，北緯 38°32′～39°24′，南依祁連山，北鄰內(nèi)蒙古阿拉善右旗。甘州區(qū)屬大陸性氣候，年均日 照時數(shù) 2 932～3 085 h，具有 充足 的光熱資源發(fā)展節(jié)能日光溫室。 甘州區(qū)年均氣溫 7.8℃，冬季最低氣溫-28.7℃，目前推廣的第二代日光溫室是按照當(dāng)?shù)囟寥眨?2 月 22日左右）采光區(qū)段合理透光率設(shè)計日光溫室合理前屋面角度形成的，理論上在當(dāng)?shù)刈詈涞亩疽归g可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外溫差 30℃，但在實(shí)際生產(chǎn)中第二代日光溫室遇到-28℃的極端低溫天氣， 棚內(nèi)溫度會降到 0℃甚至 0℃以下， 棚內(nèi)蔬菜特別是一些茄果類蔬菜就會發(fā)生凍害，若不加溫就不能保證冬季蔬菜安全生產(chǎn)。 為了解決第二代日光溫室冬季溫度低影響蔬菜安全生產(chǎn)的問題，參考農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司 2014 年制定印發(fā)的 《日光溫室發(fā)展的適宜地區(qū)及優(yōu)型結(jié)構(gòu)參數(shù)》， 按照甘州區(qū)冬至日合理太陽能截獲設(shè)計日光溫室合理前屋面角度，形成了北緯 38°～39°地區(qū)采光、蓄熱和保溫性能更好的第三代節(jié)能日光溫室。第三代節(jié)能日光溫室理論上在當(dāng)?shù)睾涞亩疽归g可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外溫差 35℃以上， 在冬季最低氣溫-28℃不加溫可實(shí)行果 菜 類蔬菜 安全生 產(chǎn)[1]。

1 第三代日光溫室斷面結(jié)構(gòu)參數(shù)

①角度 方位角：座北向南，正南偏西 5°～8°為宜；前屋面角：平均 37°，天窗角 25°，地窗角 80°；后屋面仰角 45°。

②高度 脊高：6 m；后墻高：3.9 m。

③跨度 跨度：10 m。

④長度 長度：70 m。

⑤ 厚 度 墻 體 ： 山 墻 底 寬 3.7 m， 后 墻 底 寬3.3 m，后 墻頂寬 2.0 m；后 坡 保 溫層：中部厚 度 不 小于 0.8 m。

⑥前后坡長比 前后坡長比4∶1。

⑦高跨比 高跨比：0.6。

⑧后屋面水平投影 后屋面水平投影 2.1 m。

2 第三代日光溫室較第二代日光溫室蓄熱增溫性能提高原理

2.1 減小太陽直射光線在棚膜表面的入射角，可以提高日光溫室的采光性能提高

太陽直射光線在塑料薄膜表面上的入射角與薄膜透光率的關(guān)系為隨著入射角的增大，薄膜透光率呈下降趨勢。 在太陽直射光線入射角小于 40°之前，隨著入射角增大，透射率下降甚微；入射角在40°～60°透射率開始緩慢下降；入射角大于 60°后透射率迅速下降；入射角在 80°～90°透射率從 60%下降為 0[2]。 根 據(jù)這一 原理，日 光溫 室 結(jié)構(gòu) 設(shè) 計 時 要 注 意使冬季太陽直射光線在整個溫室前屋面塑料薄膜表面的入射角都小于 40°， 保證前屋面薄膜有較高的透光率，從而提高溫室的采光性能。

2.2 影響冬季太陽直射光線在溫室前屋面塑料薄膜表面入射角大小的因素

影響冬季太陽直射光線在溫室前屋面塑料薄膜表面入射角大小的因素主要有 2個，一是太陽高度角，二是溫室前屋面角。 首先，太陽高度角越小，太陽直射光線在溫室前屋面塑料薄膜表面的入射角就越大。 北方地區(qū)冬至日的太陽高度角最小，因此冬至日太陽直射光線在溫室前屋面的入射角度也最大。 其次，溫室前屋面角越小，太陽直射光線在溫室前屋面塑料薄膜表面的入射角就越大。日光溫室的前屋面呈圓弧形，前屋面角度由下部到上部逐漸變小，因此太陽直射光線在前屋面上部的入射角最大。綜合考慮上述2個因素，冬季具有較好采光性能的日光溫室結(jié)構(gòu)應(yīng)該是冬至日太陽直射光線在溫室前屋面上部的入射角小 于 40°，這樣就可以保證冬季任何時候太陽直射光線在整個溫室前屋面任何一段的入射角都小于 40°。

2.3 冬季太陽直射光線在第三代溫室前屋面塑料薄膜表面上的入射角大幅減小

甘州區(qū)第三代溫室通過增大高跨比，整體增大溫室的前屋面角度，使冬至日太陽直射光線在第三代溫室最上部前屋面塑料薄膜表面上的入射角減小到 40°以下。 第三代日光溫室高跨比為 0.6，比第二代溫室（0.44）的增大 36%以上；第三代日光溫室最上部前屋面角達(dá)到了 25°，比第二代溫室（13°）增大了 12°。 甘州區(qū)的冬至日太陽高度角最小為 27° [90°—39.5°（當(dāng)?shù)刈畲缶暥龋?3.5°（太陽直射點(diǎn)緯度）]， 冬至日太陽直射光線在第三代日光溫室最上部前屋面塑料薄膜上的入射角減小到了 38°[90°—27°（太陽高度角）—25°（溫室前屋面角）]，比冬至日太陽直射光線在第二代日光溫室最上部前屋面塑料薄膜上的入射角 50°（90°—27°—13°）減小了 12°。這樣就保證了整個冬季太陽直射光線在第三代日光溫室前屋面任何一段塑料薄膜上的入射角最大不會超過 40°，使其前屋面塑料薄膜的透光率比第二代日光溫室顯著提高，保證了進(jìn)入溫室內(nèi)的熱量增加，從結(jié)構(gòu)上改善了第三代日光溫室的采光性能。2.4 增加了墻體的高度和厚度，提高了溫室蓄熱和放熱效能

張掖市甘州區(qū)第二代節(jié)能日光溫室建造剖面圖

墻體高度對溫室夜間溫度能夠產(chǎn)生明顯影響，隨 墻 體 高 度 增 加 ，溫 室 夜 間 溫 度 提 高[3]。 在 白 天 ， 北墻是溫室的主要蓄熱體，增加了北墻的高度和厚度就增加了蓄熱體體積，可以延長墻體在夜間的放熱時 間 ，增 強(qiáng) 日 光 溫 室 夜 間 的 熱 穩(wěn) 定 性[4]。 第 三 代 日 光溫 室 北 墻 底 寬 3.3 m， 頂寬 2.0 m，高度 3.9 m；第二代日光溫室北墻底寬2.2 m，頂寬1.4 m，高度 2.7 m。 與第 二 代 日 光 溫 室 比較，第三代日光溫室不僅顯著增高了北墻，而且還加厚了墻體。第三代日光溫室北墻墻體增高加厚以后 ， 其 北 墻 墻 體 橫 截 面 積 達(dá) 到 了 10.33 m2， 比 第 二代日光溫室（4.86 m2）增加了 1 倍多，其以墻體為主的蓄熱物體積也就比第二代日光溫室的增大了1倍多。第三代日光溫室北墻最小厚度 2.0 m，比第二代日光溫室（1.4 m）增加了 0.6 m。 第三代日光溫室北墻 平 均 厚 度 2.65 m，比 第 二 代 日 光 溫 室 （1.8 m）大0.85 m， 比 當(dāng) 地 1.26 m 的 最 大 凍 土 層 厚 度 大1.39 m。 因此，第三代日光溫室北墻墻體加厚后，墻體所蓄積的熱量向室外傳導(dǎo)損失比第二代日光溫室的大幅減少，蓄熱、放熱性能增加。

2.5 增大了前屋面角， 有利于棚膜面附著水滴下滑，增加棚膜的透光率

當(dāng)遇到寒冷的天氣，由于棚室內(nèi)外溫差比較大，棚室內(nèi)棚膜上不可避免地產(chǎn)生水膜，當(dāng)水膜不能向下滑流就會聚集形成水滴，嚴(yán)重影響棚膜的透光率，降低棚內(nèi)溫度。 據(jù)測定，棚膜上附著一層水滴后 ，一 般 可 使 棚 膜 的 透 光 率 下 降 20%～30%[5]。 由 于第三代日光溫室前屋面角比第二代日光溫室的增大了 12°（達(dá)到了 25°），附著在第三代日光溫室前屋面棚膜面上的水膜更容易沿著棚膜斜面向下滑流，不易聚集形成水滴。 因此，相比第二代日光溫室，第三代日光溫室內(nèi)棚膜面上水滴附著數(shù)少，水滴停留的時間也短，因而，第三代日光溫室的棚膜面透光率相對增加，溫室的采光增溫效能也相應(yīng)提高。

3 第三代日光溫室的蓄熱增溫性能試驗(yàn)與結(jié)論

3.1 第三代日光溫室蓄熱保溫性能與第二代日光溫室比較試驗(yàn)

2015 年冬至 （12 月 22 日）至 2016 年立春（2月 4 日），對第三代、第二代日光溫室的室內(nèi)溫度進(jìn)行了連續(xù) 45天觀察，以檢驗(yàn)第三代日光溫室在冬季低溫期和極端嚴(yán)寒天氣發(fā)生時的蓄熱保溫性能。試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在甘州區(qū)長安鎮(zhèn)萬家墩村日光溫室示范點(diǎn)，用于試驗(yàn)的第三代日光溫室是 2015年 8月在該點(diǎn)建成的，溫室墻體為 土 墻 ， 長 度 70 m， 脊 高 6 m， 跨度 10 m，后 墻高度 3.9 m，后 墻 平均厚 2.65 m。 選擇該示范點(diǎn)保溫性最好的甘州區(qū)生產(chǎn)中主要推廣應(yīng)用的第二代節(jié)能型土墻結(jié)構(gòu)日光溫室作試驗(yàn)對照，溫室長度 70 m，脊 高 4.0 m，跨 度 9.0 m，后 墻 高 2.7 m， 后 墻 平 均 厚 度1.8 m。 參試的 2 座溫室在 2016 年 1 月均不種植任何作物，試驗(yàn)期間夜間均采用保溫性能較好的棉被覆蓋，除 2 座溫室類型不同外，其他管理措施一致。溫度測試方法為在溫室中央距離地面 1 m 處放置溫度 計 ，每 天 8：00（ 揭 簾 前 1～2 h）、20：00（ 蓋 簾 后 2～3 h）觀察室內(nèi)溫度， 取 8：00 的溫度為每天溫室內(nèi)的最低溫度， 取當(dāng)日 20：00 和次日 8：00 2 個溫度的平均值為溫室夜間平均溫度，同時觀測室外夜間最低氣溫，試驗(yàn)觀測結(jié)果詳見表 1。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分析

從表1可得出，參試的第三代日光溫室距地面1 m 處的 45 天的夜間平均溫度為 14.2℃，8：00 最低平均溫度為 10.4℃，20：00 的平均溫度為 18℃，與8：00 的平均溫度差為 7.6℃，最大溫差為 11℃，最低溫度在 10℃以上日數(shù)為 34 天，室內(nèi)最低觀測溫度為5℃。作為試驗(yàn)對照的第二代日光溫室距離地面 1 m處的 45 天的夜間的平均溫度為 11.7℃， 8：00 最低平 均 溫 度 為 6.8℃ ，20：00 的 平 均 溫 度 為 16.6℃ ，與8：00 的平均溫度差為 9.8℃，最大溫差為 16℃，最低溫度在 10℃以上日數(shù)為 11 天， 室內(nèi)最低觀測溫度為-2℃。 試驗(yàn)期第三代日光溫室的夜間平均溫度、最低平均溫度 分別比第二代日光溫 室高 2.5、3.6℃；第二代日光溫室 20：00 與 8：00 的平均溫度差比第三代日光溫室的平均溫度差大 2.2℃， 而且室外夜間氣溫越低，該溫度差之間的差值越大，當(dāng)夜間室外氣溫下降到-29～-20℃時，第二代日光溫室 20：00與 8：00 的平均溫度差比第三代日光溫室的平均溫度差差值逐漸增大到 35℃，最低溫度差也增大到 5～7℃。 2016 年 1 月 24 日早晨室外最低氣溫為-29℃（歷史最低氣溫-28℃）時，第三代日光溫室室內(nèi)觀測最低溫度為5℃， 比第二代日光溫室最低溫度高出 7℃，與室外溫度差為 34℃。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

通過比較分析可以看出，第三代日光溫室熱容量大，白天蓄熱、夜間保溫放熱性能強(qiáng)，特別是在遇到連陰低溫和極端低溫天氣時，相比第二代日光溫室， 第三代日光溫室的蓄熱保溫性能更加突出，其夜間最低溫度可比第二代日光溫室高 7℃以上，可保證果菜類喜溫蔬菜的安全生產(chǎn)，蓄熱保溫性能基本達(dá)到了設(shè)計要求。 另外，第三代日光溫室除通過增大高跨比、 增高加厚墻體， 顯著提高了采光、蓄熱、保溫、增溫性能外，其室內(nèi)空氣的速度場和溫度場逐漸趨向均勻，溫室內(nèi)靠近南棚底角處渦旋逐漸減少，其流場和溫度場的均勻性有明顯改善，減少了 作物生 長區(qū)的 溫度分 層，有 利 于作 物 生長[4]。 第三代日光溫室室內(nèi)空間較第二代日光溫室增大約72%，能夠顯著降低棚內(nèi)空氣濕度，抑制或減輕病害的發(fā)生，創(chuàng)造了更加舒適的勞動環(huán)境，有利于勞動者身體健康。

總之，試驗(yàn)證明甘州區(qū)第三代日光溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計科學(xué)合理，其冬季蓄熱保溫性能良好，在嚴(yán)寒天氣過程中能顯著提高溫室內(nèi)最低溫度，能夠滿足喜溫蔬菜的安全生產(chǎn)要求。 目前，該溫室已在當(dāng)?shù)亻_始示范推廣，將會進(jìn)一步促進(jìn)當(dāng)?shù)囟驹O(shè)施蔬菜生產(chǎn)發(fā)展。

表1 日光溫室蓄熱保溫性能試驗(yàn)溫度觀測記載 ℃

[1] 農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司.日光溫室發(fā)展的適宜地區(qū)及優(yōu)型結(jié)構(gòu) 參 數(shù) [EB/OL].（2014-08-29）.http://www.moa.gov.cn/fwllm/ nszd/2014nszd/201409/t20140901_4042100.htm

[2] 張利華，劉杰，徐為根，等.日光溫室前屋面角的設(shè)計研究[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，2010，22（1）：74-77.

[3] 溫祥珍，梁海燕，李亞靈，等.墻體高度對日光溫室內(nèi)夜間氣溫的影響[J].中國農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)報，2009，17（5）：980-983.

[4] 張林 華，董瑞.高 跨比對 日光 溫室綜合影 響的研究[J].可 再生能源，2007（8）：15-17.

[5] 王 玉 堂.如 何 消 除 塑 料 大 棚 薄 膜 水 滴 [J].西 南 園 藝 ，2006（1）：43.

白曉軍，甘肅張掖市甘州區(qū)經(jīng)濟(jì)作物技術(shù)推廣站，734000，電話：13993663901，E-mail：baixiao9966@126.com

2016-11-20