全聚苯乙烯泡沫板墻體日光溫室的應(yīng)用效果

周 瑩

(1.菏澤學(xué)院 資源與環(huán)境系，山東 菏澤 274000； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

全聚苯乙烯泡沫板墻體日光溫室的應(yīng)用效果

周 瑩1,2

(1.菏澤學(xué)院 資源與環(huán)境系，山東 菏澤 274000； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

為了探究聚苯乙烯泡沫板輕質(zhì)墻體對日光溫室保溫效果的影響，對栽培種植管理相同的全聚苯乙烯泡沫板墻體(200 mm)日光溫室(簡稱EPS溫室)和傳統(tǒng)夯土墻墻體日光溫室的室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了對比研究。結(jié)果表明：白天(保溫被開啟階段)晴天、陰天情況下，EPS溫室室內(nèi)溫度比土墻溫室室內(nèi)溫度平均低1.6 ℃和 3.2 ℃，雨天、雪天特殊天氣情況下，EPS溫室室內(nèi)溫度比土墻溫室室內(nèi)溫度平均低0.5 ℃和0.6 ℃，不影響作物正常生長的情況下，可以有效減少高溫高濕病蟲害的發(fā)生；夜間(保溫被遮蔽階段)晴天、陰天情況下，EPS溫室比土墻溫室的室內(nèi)溫度平均低0.6 ℃和0.4 ℃，在雨天和雪天特殊天氣下，EPS溫室比土墻溫室的室內(nèi)溫度平均低0.1 ℃和高0.2 ℃，其保溫效果與土墻溫室基本一樣。EPS溫室在節(jié)省土地、大幅度提高土地利用率、建造簡便的同時，夜間達(dá)到了較好的保溫效果，在一些暖冬地區(qū)可以進(jìn)行建造使用，但要注意特殊天氣及時采取應(yīng)對措施。

日光溫室； 聚苯乙烯泡沫板； 土墻； 保溫效果； 熱環(huán)境

日光溫室是我國特有的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的一種農(nóng)業(yè)設(shè)施類型，在我國很多地區(qū)被廣泛應(yīng)用。由于大多數(shù)日光溫室不安裝輔助加溫設(shè)備，墻體就成為保證室內(nèi)氣溫、滿足作物生長需求的核心要素[1]。墻體材料不僅是影響墻體保溫蓄熱性能的重要因素，也是影響墻體結(jié)構(gòu)安全、建造成本和生態(tài)環(huán)境的重要因素[2]。整個墻體的隔熱保溫及蓄熱能力的強(qiáng)弱決定著室內(nèi)作物能否安全越過北方寒冷的冬季[3]。在我國北方地區(qū)，土墻日光溫室面積在日光溫室的總面積中所占比例最大[4]。厚實(shí)的墻體隔熱性能好，蓄熱能力強(qiáng)，在冬季不加熱的情況下，土墻溫室能基本保證室內(nèi)作物正常生長[5-7]。很多學(xué)者對土墻日光溫室的傳熱及保溫特性進(jìn)行了大量研究[8-10]，取得了較好的效果。但較厚的日光溫室土質(zhì)墻體不僅增加溫室建造成本，也造成耕地資源浪費(fèi)，因此，多地出現(xiàn)了不同保溫墻體的日光溫室。其中，聚苯乙烯泡沫板(EPS板)具有質(zhì)輕、自立、耐壓、保溫等優(yōu)良性能，在工程中具有廣泛的應(yīng)用[11]。EPS板作為輕質(zhì)保溫材料被逐漸應(yīng)用于日光溫室生產(chǎn)，該材料可放置于墻體中間或貼附在墻體外表面來提高墻體保溫性能[12]。EPS板被用于復(fù)合墻體中，取得了較好的保溫效果[13-15]。EPS板具有導(dǎo)熱系數(shù)小、耐候性和尺寸穩(wěn)定性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，鑒于此，依據(jù)魯西南地區(qū)冬季日照充足、最底氣溫不低于-10 ℃左右等環(huán)境條件和農(nóng)民的生產(chǎn)要求設(shè)計(jì)了一種全EPS墻體的日光溫室，并探究全EPS墻體溫室的保溫效果，將其與傳統(tǒng)土墻日光溫室的保溫性能相比較，為其在一些冬季相對較暖的地區(qū)推廣提供理論依據(jù)，節(jié)約土地資源的同時，降低成本投入，為農(nóng)民的生產(chǎn)實(shí)踐提供理論指導(dǎo)，防止農(nóng)民盲目設(shè)計(jì)與改造溫室，影響生產(chǎn)效益。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)溫室

試驗(yàn)地點(diǎn)位于山東省菏澤市定陶縣黃店鎮(zhèn)(東經(jīng)115°72′，北緯35°08′)，試驗(yàn)用聚苯乙烯泡沫板溫室(以下簡稱EPS溫室)依據(jù)日光溫室設(shè)計(jì)原理和當(dāng)?shù)氐乩砦恢脳l件進(jìn)行設(shè)計(jì)建造，基本參數(shù)如下：溫室跨度7 m，長100 m，脊高3.4 m，后墻高2.7 m，室內(nèi)下挖500 mm；溫室東西山墻、北墻的墻體材料均選用200 mm厚EPS板，EPS板用粘接膠漿粘接外包裹塑料膜；前屋面采用全鋼骨架，通過有限元分析設(shè)計(jì)及考慮經(jīng)濟(jì)問題采用粗細(xì)圓鋼管結(jié)合的屋面形式，鋼管直徑分別為15 mm和10 mm，即節(jié)省成本又能保證結(jié)構(gòu)安全；前屋面采光角、后屋面仰角通過計(jì)算合理取得，分別為27.5°和38.5°[16]，后屋面水平投影長度為1 m；前屋面選用0.1 mm厚防滴聚氯乙烯膜覆蓋，卷簾—保溫被機(jī)構(gòu)進(jìn)行外覆蓋保溫；后屋面由聚苯板和防水材料組成。試驗(yàn)溫室剖面示意圖如圖1所示。對照溫室為原有土墻日光溫室，其北墻及東西山墻均為壓實(shí)土墻，北墻頂部厚1 m，底部厚5 m，東西山墻厚1.5 m，除墻體材料不同外，其他構(gòu)造均與試驗(yàn)溫室一致。

圖1 試驗(yàn)溫室剖面及測點(diǎn)布置

測試時間為2014年12月—2015年2月，跟蹤記錄溫室冬季生產(chǎn)的整個階段，測試期間兩溫室內(nèi)栽培管理措施一致，保溫被的揭蓋時間視天氣情況而定。

1.2 試驗(yàn)儀器

室外環(huán)境監(jiān)測：PM-11z植物生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的DWS-11z氣象站單元(以色列產(chǎn))，太陽輻射測量范圍：0～1 200 W/m2，溫度測量范圍：-40～60 ℃，相對濕度測量范圍：3%～100%，降雨分辨率：1 mm，風(fēng)速測量范圍：1.3～58 m/s。

溫室室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測：多通路溫濕度測試儀，分別用于記錄2個溫室內(nèi)的溫濕度，溫度傳感器測量范圍：-50～150 ℃(測試精度：±0.5 ℃，分辨率：0.1 ℃)，濕度傳感器測量范圍：0～100%(測量精度：±3%，分辨率：0.1%)，設(shè)置時間間隔為10 min。

1.3 試驗(yàn)方法

每個溫室室內(nèi)設(shè)置3組共6個測試點(diǎn)，用來采集溫室內(nèi)溫濕度。第1組的2個測點(diǎn)分別設(shè)置在距溫室前端1.5 m、距溫室內(nèi)地面高1 m處，第2組的2個測點(diǎn)分別設(shè)置在距溫室前端3 m、距溫室內(nèi)地面高1.5 m處，第3組的2個測點(diǎn)分別設(shè)置在距溫室前端4.5 m、距溫室內(nèi)地面高2 m處，每組測點(diǎn)中的第1個測點(diǎn)距溫室東墻35 m，第2個測點(diǎn)距溫室東墻70 m，測點(diǎn)布置如圖1所示。

2 結(jié)果與分析

選取嚴(yán)冬季節(jié)(2015年1月20日—1月30日)中晴天、陰天、雨天和雪天4種天氣作為典型天氣，對典型天氣的代表典型日2015年1月20日(陰)、2015年1月22日(晴)、2015年1月24日(雨)和2015年1月28日(雪)所獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 陰天溫室內(nèi)的熱環(huán)境特點(diǎn)

2015年1月20日陰天，8:00揭保溫被，17:30蓋保溫被。室內(nèi)外溫度、太陽輻射如圖2所示。

圖2 陰天室外太陽輻射及室內(nèi)外溫度

白天，EPS溫室和土墻溫室內(nèi)的溫度均隨室外太陽輻射的變化而發(fā)生大幅度改變，特別是EPS溫室的室內(nèi)氣溫變化尤為突出；在8:00—11:30期間，EPS溫室室內(nèi)溫度比土墻溫室室內(nèi)溫度平均高0.5 ℃，最高達(dá)2.6 ℃；11:30—17:30期間，土墻溫室室內(nèi)溫度明顯高于EPS溫室，尤其是陰天加劇的14:00后，EPS溫室的室內(nèi)溫度最高為29.2 ℃，土墻溫室的室內(nèi)最高溫度為32.8 ℃。夜間(17:30—次日8:00)，EPS溫室的室內(nèi)溫度最低為13.9 ℃，土墻溫室的室內(nèi)最低溫度為13.5 ℃，室內(nèi)最低氣溫均出現(xiàn)在清晨7:30左右，EPS溫室比土墻溫室的室內(nèi)溫度平均低0.4 ℃。陰天的白天，在太陽輻射變化較大的環(huán)境因素影響下，EPS溫室的熱穩(wěn)定性較土墻溫室差，EPS溫室的升溫速度低于土墻溫室，EPS溫室比土墻溫室室內(nèi)氣溫平均低3.2 ℃，兩溫室內(nèi)的最高氣溫相差3.6 ℃，最低氣溫基本一致；夜間2種不同墻體溫室內(nèi)的氣溫相差不大，說明在陰天太陽輻射較低的情況下，土質(zhì)墻體溫室蓄放熱的保溫效果與EPS溫室基本相同。

2.2 晴天溫室內(nèi)的熱環(huán)境特點(diǎn)

2015年1月22日晴天，8:00揭保溫被，17:30蓋保溫被。室內(nèi)外溫度、太陽輻射如圖3所示。

圖3 晴天室外太陽輻射及室內(nèi)外溫度

保溫被揭開后，由于太陽輻射的作用，溫室內(nèi)溫度迅速回升。在8:00—11:00期間，EPS溫室回溫速度較快，其室內(nèi)溫度比土墻溫室室內(nèi)溫度平均高0.3 ℃，最高達(dá)2.9 ℃，土質(zhì)后墻的吸蓄熱能力和聚苯板后墻的保溫能力凸顯；11:00—16:00期間，土墻溫室室內(nèi)溫度高于EPS溫室，EPS溫室的室內(nèi)溫度最高為32.4 ℃，土墻溫室的室內(nèi)最高溫度為35.7 ℃；16:00后隨著太陽輻射的減少，兩溫室室內(nèi)溫度明顯下降，EPS溫室室內(nèi)溫度下降速率高于土墻溫室。17:30保溫被遮蓋后，兩溫室室內(nèi)溫度下降趨勢逐漸趨于平穩(wěn)；兩溫室的最低氣溫均出現(xiàn)在清晨7:30左右，EPS溫室的室內(nèi)溫度最低為12.6 ℃，土墻溫室的室內(nèi)最低溫度為12.7 ℃。晴天的白天，EPS溫室比土墻溫室的室內(nèi)溫度平均低1.6 ℃，最大溫差為5.0 ℃，土墻溫室的升溫效果明顯；晴天的夜間，EPS溫室比土墻溫室的室內(nèi)溫度平均低0.6 ℃，EPS溫室和土墻溫室的保溫效果相差不大。

2.3 雨天溫室內(nèi)的熱環(huán)境特點(diǎn)

2015年1月24日雨天，10:00半揭保溫被，15:00蓋保溫被。室內(nèi)外溫度、太陽輻射如圖4所示。

圖4 雨天室外太陽輻射及室內(nèi)外溫度

雨天，保溫被半揭開后室內(nèi)溫度均有所下降，由于室外太陽輻射較低、保溫被的半遮蓋，兩溫室室內(nèi)溫度變化波動較為平穩(wěn)，室內(nèi)溫度均偏低，最高溫度均不到15.0 ℃。白天(10:00—15:00)，EPS溫室室內(nèi)最高溫度為12.3 ℃，土墻溫室的室內(nèi)最高溫度為12.8 ℃，EPS溫室比土墻溫室的室內(nèi)溫度平均低0.5 ℃，相差不大；保溫被遮蔽后15:00—17:30期間，溫室內(nèi)溫度有所回升，土墻溫室的室內(nèi)溫度回升速率高于EPS溫室；17:30后溫室內(nèi)溫度趨于平穩(wěn)。夜間，EPS溫室的室內(nèi)溫度比土墻溫室的室內(nèi)溫度平均低0.1 ℃。

2.4 雪天溫室內(nèi)的熱環(huán)境特點(diǎn)

2015年1月28日小雪，9:00揭保溫被，13:30左右下雪半蓋保溫被，16:00全蓋保溫被。室內(nèi)外溫度、太陽輻射如圖5所示。

早上9:00揭保溫被后，隨著太陽輻射的加強(qiáng)，兩溫室室內(nèi)溫度緩步上升，至下雪前，EPS溫室的室內(nèi)溫度最高為21.7 ℃，土墻溫室的室內(nèi)最高溫度為22.3 ℃，兩溫室室內(nèi)溫度相差較小，EPS溫室比土墻溫室的室內(nèi)溫度平均低0.2 ℃；下雪半蓋保溫被(13:30—16:00)，隨著室外溫度和太陽輻射的下降，溫室內(nèi)溫度逐漸下降；16:00全蓋保溫被后，溫室內(nèi)氣溫回升后趨于平穩(wěn)。白天(9:00—16:00)，EPS溫室比土墻溫室的室內(nèi)溫度平均低0.6 ℃；夜間(16:00—次日8:00)EPS溫室比土墻溫室的室內(nèi)溫度平均高0.2 ℃。

圖5 雪天室外太陽輻射及室內(nèi)外溫度

3 結(jié)論與討論

通過對2種不同保溫墻體日光溫室的室內(nèi)熱環(huán)境的對比試驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論。

白天(保溫被開啟階段)，在4種不同的天氣情況下，EPS溫室回溫速度均較快，但其室內(nèi)溫度低于土墻溫室，晴天平均低1.6 ℃，陰天平均低3.2 ℃，雨天平均低0.5 ℃，雪天平均低0.6 ℃。受太陽輻射和室外溫度的影響,EPS溫室的蓄熱保溫效果雖較差于土墻溫室，但基本與土墻溫室一致，特別是在晴天和陰天情況下室內(nèi)最高溫度比土墻溫室分別低5.0 ℃和3.6 ℃，可以有效地減少高溫高濕病蟲害的發(fā)生。

夜間(保溫被遮蔽階段)，在4種不同的天氣情況下，EPS溫室都能保證植物生長所需的最低溫度，其保溫效果基本與土墻溫室基本一致。EPS溫室比土墻溫室的室內(nèi)溫度，晴天平均低0.6 ℃，陰天平均低0.4 ℃，雨天平均低0.1 ℃，雪天平均高0.2 ℃。在特殊天氣、白天太陽輻射較弱的情況下，EPS溫室夜間的保溫效果稍優(yōu)于土墻溫室。

EPS溫室在節(jié)省土地、提高土地利用率的情況下，因EPS良好的保溫能力，達(dá)到了與土質(zhì)墻體基本一樣的、較好的保溫效果。

綜上，為了提高土地的利用率，同時保證溫室越冬生產(chǎn)的順利進(jìn)行、提高生產(chǎn)效率，建議在一些暖冬地區(qū)可以將厚土墻溫室改造成為全EPS板溫室，但要考慮惡劣天氣的影響，及時采取相應(yīng)措施。為了更好地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，將進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究，對不同時期溫室內(nèi)的熱環(huán)境進(jìn)行全面監(jiān)控，獲得更加詳實(shí)、可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為農(nóng)民提供理論指導(dǎo)。

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The Application Effect of Polystyrene Foam Board Wall in Solar Greenhouse

ZHOU Ying1,2

In order to explore the influence of polystyrene foam board on the insulation effect of solar greenhouse,a comparative experiment of thermal environment in the greenhouse of two different types of wall(200 mm polystyrene foam board and soil) was carried out in this paper.The results showed that,in sunny and cloudy days of daytime(insulation pads opened),the indoor temperatures of polystyrene foam board greenhouse(EPS) were lower than soil wall greenhouse by 1.6 ℃ and 3.2 ℃ on average; in rainy and snowy days,the indoor temperatures of EPS were lower than soil wall greenhouse by 0.5 ℃ and 0.6 ℃ on average,which did not affect the normal growth of crops,and could effectively reduce the occurrence of pests and diseases under high temperature and high humidity.In sunny and cloudy days of nighttime(insulation pads closed),the indoor temperatures of EPS were lower than soil wall greenhouse by 0.6 ℃ and 0.4 ℃ on average;in rainy and snowy days,the indoor temperature of EPS was lower than soil wall greenhouse by 0.1 ℃ and highter than soil wall greenhouse by 0.2 ℃ on average,so the insulation effect of EPS was the same as soil wall greenhouse.The EPS greenhouse is simple to build,saves the land and improves the utilization ratio of land,and could reach a well insulation effect at night,so it is suitable to be built in some warm winter areas,but the special weather should be paid attention to in a timely manner.

solar greenhouse; polystyrene foam board; soil wall; insulation effect; thermal environment

2016-07-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30771241)；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20130311010-4)；菏澤學(xué)院基金項(xiàng)目(XY14KJ09)

周 瑩(1984-)，女，山東濟(jì)寧人，在讀博士研究生，研究方向：設(shè)施農(nóng)業(yè)工程與技術(shù)。 E-mail：zhouying.yy@163.com

S625

A

1004-3268(2017)03-0152-04

(1.Resources and Environment Department,Heze University,Heze 274000,China; 2.Engineering College,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801,China)