頂部通風(fēng)對塑料大棚內(nèi)溫度的影響

張?zhí)凭?郭翔+龐雄斌+張俊峰+劉海

【摘要】塑料大棚由于成本低、構(gòu)造簡單而受到武漢地區(qū)廣大農(nóng)戶的歡迎，然而塑料大棚一般只依靠側(cè)窗自然通風(fēng)換氣，其夏季降溫問題始終是困擾武漢地區(qū)農(nóng)戶設(shè)施生產(chǎn)的一個難題，現(xiàn)設(shè)計了一種可手動開啟與關(guān)閉的簡易通風(fēng)窗，分析了添加通風(fēng)窗后塑料大棚內(nèi)的溫度變化情況。

塑料大棚是湖北武漢地區(qū)農(nóng)戶蔬菜栽培的主要設(shè)施類型，武漢市為大力發(fā)展“菜園子工程”，新建設(shè)施蔬菜基地7萬畝（4667 hm2），形成10萬畝（6667 hm2）設(shè)施種植規(guī)模。然而塑料大棚的環(huán)境調(diào)控措施較少，夏季降溫僅依靠側(cè)窗通風(fēng)或直接拆除大棚薄膜，導(dǎo)致薄膜損壞現(xiàn)象嚴重。夏季最大限度實現(xiàn)塑料大棚的通風(fēng)降溫是本文的研究重點，若采取智能溫室所使用的措施，如濕簾-風(fēng)機降溫系統(tǒng)等會增加運行能耗，增加使用成本，不適合大眾型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。

因此，本文設(shè)計了一種通風(fēng)窗，研究塑料大棚頂部添加通風(fēng)窗對內(nèi)部溫度分布的影響，使不消耗任何能源的生產(chǎn)管理系統(tǒng)效率達到最大化，對于提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量等有重要意義。

通風(fēng)窗結(jié)構(gòu)設(shè)計

塑料大棚結(jié)構(gòu)

試驗塑料大棚為南北朝向，跨度8 m，棚高3.2 m，肩高1.8 m，長40 m，約320 m2。位于武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院北部園區(qū)基地。

通風(fēng)窗設(shè)計

由于塑料大棚內(nèi)一般不配備供電系統(tǒng)，因此設(shè)計了手動開啟式通風(fēng)窗結(jié)構(gòu)。通風(fēng)窗主體材料為熱鍍鋅鋼材，主要包括：棚窗座架、壓膜槽、壓膜條、蓋板、限位卡座、天窗頂桿及頂桿加長桿。

棚窗座架是用角鋼焊接而成，由于試驗塑料大棚拱距為0.7 m，設(shè)計棚窗座架長1 m，寬0.6 m。棚窗座架長1 m的設(shè)計可使棚窗橫跨于2根相鄰的拱桿，便于工作人員安裝操作。塑料膜通過壓膜槽與壓膜條契合固定，棚窗座架一個長邊中間設(shè)置有限位卡座，與其對應(yīng)的蓋板一邊焊接有天窗導(dǎo)桿，天窗導(dǎo)桿的上部設(shè)有限位槽，其作用主要是在通風(fēng)窗關(guān)閉時，棚窗座架與蓋板鎖牢，防止風(fēng)力較大時掀開通風(fēng)窗，天窗導(dǎo)桿的下部等間隔設(shè)有3個限位槽，由此可調(diào)節(jié)通風(fēng)窗的開窗大小。人工通過中空的頂桿加長桿與天窗頂桿契合，可開啟或關(guān)閉通風(fēng)窗（圖1～2）。

每個通風(fēng)窗最大開窗面積為0.6 m2，整體重量小于11 kg，統(tǒng)計造價約為300元/扇。

根據(jù)塑料大棚的面積和通風(fēng)需求來確定安裝通風(fēng)窗的個數(shù)，為防止單向風(fēng)將通風(fēng)窗掀起，通風(fēng)窗的位置依次安排在塑料大棚頂部左右兩邊等間隔排列。試驗塑料大棚共安裝4個通風(fēng)窗，共計通風(fēng)面積2.4 m2。實際生產(chǎn)中，可根據(jù)溫度及風(fēng)速情況，單獨開啟通風(fēng)窗，并調(diào)節(jié)通風(fēng)窗口大小。

溫度變化情況

本試驗設(shè)計了側(cè)窗開啟+頂部通風(fēng)窗（處理A）與僅有側(cè)窗開啟（處理B），監(jiān)測大棚內(nèi)溫度變化情況。觀測時間為2016年9月10日～9月18日。采用RC-4型數(shù)據(jù)采集器，自動采集存儲大棚內(nèi)溫度數(shù)據(jù)。其中測試了棚外環(huán)境溫度，位點2、3、4之間的間距為4 m，分別距頂高0.5 m；位點6、7、8距地面1 m；位點2與6、位點3與7、位點4與8在同一垂直面上，位點2與6距南門8 m；位點1、5、6在同一水平面上，距地面1 m，位點1距西側(cè)窗1 m，位點5距東側(cè)窗1 m（圖3、圖4）。

不同位點隨時間的變化曲線

試驗記錄了9天內(nèi)2個大棚相同位點溫度和室外環(huán)境溫度隨時間的變化曲線，溫度記錄時間間隔為每1 h記錄1次。試驗于9月10日0：00開始記錄，橫坐標為記錄的次數(shù)，縱坐標為溫度值。在記錄時間內(nèi)，大棚內(nèi)各位點每天溫度的變化趨勢與室外溫度變化相似，白天隨著外界溫度的升高而升高，夜晚則逐漸降低并趨于環(huán)境溫度（圖5）。晴天13：00～14：00時棚內(nèi)溫度位于最高點，由于塑料薄膜的保溫作用，大棚內(nèi)溫度一般高于室外溫度，從9：00開始棚內(nèi)溫度與棚外溫度即出現(xiàn)較大溫差，一直持續(xù)至15：00，15：00之后棚內(nèi)外溫差逐漸縮小。由此可知，晴天時，塑料大棚應(yīng)該在每天9：00之前開窗通風(fēng)，以避免棚內(nèi)溫度的迅速提升。

9月15～17日為陰雨天氣，晝夜溫差相對較小，最高溫度值也與晴天情況下有所差異，陰天的棚內(nèi)氣溫與每天相同時間段的相關(guān)性較低，與棚外溫度的相關(guān)性增強。

位點2、3、4與位點6、7、8相比，在白天晴天時，處理A溫度顯著低于處理B。在位點1和位點5處白天溫度差別不大（處理A稍低于處理B），主要是由于兩處均位于大棚側(cè)窗附近。

不同位點溫度平均值

2個塑料大棚不同位點在9月10～18日每天14：00的環(huán)境溫度平均值低于棚內(nèi)各點處溫度值（圖6）。

溫度分析可知，處理A與處理B處于大棚上層的位點2、3、4的溫度整體高于下層各位點溫度，由于溫度具有向上部遷移的作用，故上部溫度較高。處理A的位點2、4由于垂直上方為通風(fēng)窗位置，溫度稍低于位點3，處理B的位點2、3、4的溫度差別不大。處理A的位點2、3、4的溫度顯著低于處理B，約低3.2～4.4℃。雖然處理A的位點3上部無通風(fēng)窗，但在位點2、4頂部通風(fēng)窗的作用下，位點3的溫度較無通風(fēng)窗的大棚仍降低3.2℃。

處理B的下層位點1、5的溫度稍低于位點6、7、8，由于位點1、5處于側(cè)窗附近，處理A的下層位點1、5與位點6、7、8差別不大，說明添加頂部通風(fēng)窗后增加了熱量流動，下層溫度基本相似。處理A的下層溫度約為37～38℃，而處理B溫度約為39～40.5℃。由此可知，頂部開窗對其正下方環(huán)境具有降溫作用，且頂部開窗增加了熱量流動，對大棚下層環(huán)境也起到降溫作用。

總結(jié)

本文設(shè)計的通風(fēng)窗為手動開合式，安裝操作方便，不需要消耗能源，塑料大棚頂部添加通風(fēng)窗，能夠在一定程度降低棚內(nèi)的環(huán)境溫度。晴天白天9：00～15：00，環(huán)境溫度與棚內(nèi)溫差較大，在生產(chǎn)管理上，可在每天9：00前打開通風(fēng)窗以避免棚內(nèi)溫度的迅速提升。

*項目支持：武漢市農(nóng)科院育才計劃項目（YC201402）。

作者簡介：張?zhí)凭辏?987-），女，工程師，研究方向：農(nóng)業(yè)工程。

**通信作者：張俊峰（1984-），男，博士，高級工程師，研究方向：農(nóng)業(yè)工程。