甘州區(qū)第三代日光溫室設計原理及性能試驗

白曉軍

導讀：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?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?shù)囟寥蘸侠硖柲芙孬@設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構參數(shù)、蓄熱保溫性能提高的原理和試驗的性能表現(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?shù)囟寥眨?2月22日左右）采光區(qū)段合理透光率設計日光溫室合理前屋面角度形成的，理論上在當?shù)刈詈涞亩疽归g可實現(xiàn)室內(nèi)外溫差30℃，但在實際生產(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)型結構參數(shù)》，按照甘州區(qū)冬至日合理太陽能截獲設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?shù)睾涞亩疽归g可實現(xiàn)室內(nèi)外溫差35℃以上，在冬季最低氣溫-28℃不加溫可實行果菜類蔬菜安全生產(chǎn)[1]。

1 第三代日光溫室斷面結構參數(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，日光溫室結構設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構應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?shù)刈畲缶暥龋?3.5°（太陽直射點緯度）]，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，保證了進入溫室內(nèi)的熱量增加，從結構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

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?shù)?.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，當水膜不能向下滑流就會聚集形成水滴，嚴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提高。

3 第三代日光溫室的蓄熱增溫性能試驗與結論

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

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)溫度進行了連續(xù)45天觀察，以檢驗第三代日光溫室在冬季低溫期和極端嚴寒天氣發(fā)生時的蓄熱保溫性能。試驗地點選擇在甘州區(qū)長安鎮(zhèn)萬家墩村日光溫室示范點，用于試驗的第三代日光溫室是2015年8月在該點建成的，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。選擇該示范點保溫性最好的甘州區(qū)生產(chǎn)中主要推廣應用的第二代節(jié)能型土墻結構日光溫室作試驗對照，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，試驗觀測結果詳見表1。

3.2 試驗數(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 試驗結論

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，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到了設計要求。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，試驗證明甘州區(qū)第三代日光溫室結構設計科學合理，其冬季蓄熱保溫性能良好，在嚴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?shù)亻_始示范推廣，將會進一步促進當?shù)囟驹O施蔬菜生產(chǎn)發(fā)展。

參考文獻

[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)型結構參數(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計研究[J].江西農(nóng)業(yè)學報，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.