壁柱式日光溫室溫度變化規(guī)律及溫度預(yù)測(cè)模型研究

劉洋+方旋

【摘要】以墻體總熱阻值及后墻材料（紅磚）相同為前提，以常規(guī)平面墻體作對(duì)照，研究壁柱式（凹凸面）墻體對(duì)日光溫室溫效應(yīng)的影響并建立溫度預(yù)測(cè)模型。采用SPSS軟件構(gòu)建日光溫室次日最低/最高氣溫預(yù)報(bào)模型。結(jié)果表明：不同天氣條件下，壁柱式日光溫室和對(duì)照溫室氣溫日變化規(guī)律基本一致，都有明顯升降變化；壁柱式日光溫室平均溫度、最低/最高氣溫均高于對(duì)照；模型模擬值和實(shí)測(cè)值RMSE都在2℃以內(nèi)，MRE在9%左右。壁柱式溫室保溫性好，蓄熱能力強(qiáng)。所建模型對(duì)日光溫室最低/最高氣溫模擬具有較高精度，滿足溫室最低/最高氣溫預(yù)測(cè)要求。

日光溫室是中國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施，它具有造價(jià)低、節(jié)能、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能良好等特點(diǎn)[1-2]。日光溫室的后墻是組成溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)不可或缺的重要部分，從溫室熱工性能角度講，日光溫室后墻是保證室內(nèi)作物正常生長(zhǎng)溫度的關(guān)鍵要素。溫室熱工性能在溫室建設(shè)完成后就基本確定，因此在溫室長(zhǎng)度和高度確定的條件下，為了提高磚墻結(jié)構(gòu)日光溫室的熱工性能，增大墻體室內(nèi)的比表面積，是一種有效的解決途徑[3]。壁柱式溫室是一種增大表面積的日光溫室，與傳統(tǒng)平面型墻體相比，凹凸型后墻比平面具有更大表面積，能夠更好蓄積太陽(yáng)能，增加墻體與室內(nèi)空氣交換能力。目前，壁柱式日光溫室在中國(guó)北部及西北部地區(qū)已經(jīng)推廣應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)壁柱式日光溫室內(nèi)環(huán)境溫度效應(yīng)鮮有研究，缺少相關(guān)的室內(nèi)溫度變化規(guī)律理論及溫度預(yù)警模型，來(lái)指導(dǎo)該類溫室進(jìn)行常規(guī)性種植管理。因此，筆者重點(diǎn)研究了春季壁柱式日光溫室溫度變化規(guī)律，以次日室內(nèi)最低/最高氣溫為預(yù)測(cè)目標(biāo)，以日光溫室小氣候范圍內(nèi)的當(dāng)日環(huán)境因子作為自變量，建立春季日光溫室內(nèi)最低/最高氣溫預(yù)測(cè)模型，以期為今后壁柱式日光溫室研究提供理論依據(jù)。

材料與方法

試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)于2013年4月1日～5月31日在山東鑫誠(chéng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)溫室為遼沈Ⅰ型日光溫室，選用墻體材料為紅磚，后墻結(jié)構(gòu)分別為壁柱式（凹凸面）和平面式。

試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)期間，室外氣象條件由氣象站自動(dòng)采集，采集頻率10 min/次。采用HOBO溫濕度儀、T型熱電偶、光照度計(jì)分別測(cè)定日光溫室室內(nèi)溫濕度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度及光照強(qiáng)度。其中溫度采集頻率為10 min/次；光照強(qiáng)度采集頻率為30 min/次。如圖1所示，溫濕度儀分別放置在距前屋面1 m、后墻1 m和溫室中部位置距地面1 m高平面上；T型熱電偶安置在溫室頂部、后坡、后墻及中部地表處。其中后墻熱電偶線按0.5 m間隔均勻分布；光照度計(jì)放置在溫室中部距離地面高0.5 m位置上。

統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化或歸一化處理，采用Microsoft Excel 2003對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖與制表；用SPSS18.0軟件進(jìn)行相關(guān)分析和逐步回歸分析。

結(jié)果與分析

不同天氣情況（晴天、陰天）日光溫室內(nèi)氣溫的日變化特點(diǎn)

晴天溫室內(nèi)氣溫的日變化特點(diǎn)

由圖2可知，壁柱式和對(duì)照溫室氣溫日變化規(guī)律基本一致。0：00～7：30（揭簾前），2棟溫室內(nèi)溫度均處于下降趨勢(shì)，壁柱式日光溫室氣溫略高于對(duì)照，平均溫差1.44℃；揭簾后，隨著光輻射增強(qiáng)，2棟溫室內(nèi)的溫度迅速上升，均呈不規(guī)則拋物線形，其中壁柱式日光溫室上升速度大于對(duì)照，平均溫差2.75℃，2棟溫室于13：00同時(shí)達(dá)到最高溫度，分別為28.84、24.8℃，此時(shí)溫差最大，為4.04℃。下午16：30，溫室蓋簾，對(duì)照溫室氣溫仍處于下降趨勢(shì)，至18：00穩(wěn)定在18℃左右，而壁柱式溫室室溫在蓋簾后先上升至23.4℃，然后緩慢降低至20℃左右。

陰天溫室內(nèi)氣溫的日變化特點(diǎn)

由圖3可知，與晴天相比，陰天條件下光強(qiáng)較弱，壁柱式溫室和對(duì)照溫室氣溫一天內(nèi)最高峰值均小于晴天條件下氣溫最高值。0：00～5：30，壁柱式溫室和對(duì)照溫室氣溫均呈下降趨勢(shì)，平均溫差1.44℃，5：30出現(xiàn)最低值，分別為12.40和10.92℃；5：30～7：30，2棟溫室內(nèi)的溫度出現(xiàn)回升現(xiàn)象；揭簾后，隨著光照強(qiáng)度增強(qiáng)，2棟溫室內(nèi)的溫度上升趨勢(shì)增大，于13：00達(dá)到最高值，分別為24.09和21.49℃，此時(shí)溫差最大，為3.29℃；下午16：30（蓋簾），2棟溫室氣溫仍在下降，至次日凌晨趨于穩(wěn)定，分別為15、14℃。

溫室內(nèi)氣溫最高值和最低值的月變化特點(diǎn)

溫室內(nèi)氣溫最低值的月變化特點(diǎn)

如圖4可知，4月份壁柱式日光溫室和對(duì)照溫室氣溫最低值變化規(guī)律一致，壁柱式溫室氣溫最低值均高于對(duì)照，平均溫差1.84℃，最大溫差3.38℃。4月份內(nèi)2棟溫室氣溫最低值均有較大起伏，壁柱式溫室氣最低值變化范圍7.28℃～18.80℃，對(duì)照溫室氣溫最低值變化范圍5.16～16.63℃，兩溫室氣溫最低值升降變化一致。

溫室內(nèi)氣溫最高值的月變化特點(diǎn)

由圖5可知，4月份壁柱式日光溫室和對(duì)照溫室氣溫最高值變化規(guī)律一致，壁柱式溫室氣溫最低值高于對(duì)照，平均溫差1.47℃，最大溫差2.48℃。4月份內(nèi)兩溫室氣溫最高值均有較大起伏，壁柱式溫室氣溫最高值變化范圍22.36～35.35℃，對(duì)照溫室氣溫最高值變化范圍20.76～33.87℃，2棟溫室氣溫最高值升降變化一致。

日光溫室空氣最低溫度和最高溫度預(yù)報(bào)模型的建立

預(yù)報(bào)氣溫與室內(nèi)外各氣象要素的相關(guān)分析

以次日室內(nèi)最低氣溫和最高氣溫為預(yù)測(cè)目標(biāo)，應(yīng)用相關(guān)分析技術(shù)分析預(yù)測(cè)目標(biāo)與室內(nèi)外氣象因素的相關(guān)性（表1）。

如表1所示，與次日最低氣溫呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性的氣象因素有：當(dāng)日室內(nèi)最大光照度、地表最低溫度、墻體表面最高和最低溫度、前膜最高和最低溫度、后坡最高和最低溫度及室內(nèi)最小相對(duì)濕度值。與次日最高氣溫呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性的氣象因素有：次日室內(nèi)最大光照度、當(dāng)日地表最低溫度、墻體表面最低溫度和后坡最低溫度。

預(yù)測(cè)模型建立

以次日室內(nèi)最低和最高氣溫為應(yīng)變量，根據(jù)所得結(jié)果，選擇相應(yīng)達(dá)到顯著水平以上的氣象因素為自變量，建立日光溫室內(nèi)空氣溫度最低和最高值預(yù)測(cè)模型（表2）。

模型檢驗(yàn)

以2012年5月份日光溫室內(nèi)外氣象數(shù)據(jù)輸入模型，預(yù)測(cè)次日溫室氣溫預(yù)報(bào)值。如表3所示，建立的4個(gè)方程平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差都在可接受誤差范圍內(nèi)，所建方程符合要求，達(dá)到預(yù)測(cè)精度要求。

結(jié)論

本試驗(yàn)是在溫室墻體材料相同的前提下對(duì)不同墻體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果表明：

（1）不同天氣情況下，壁柱式日光溫室和對(duì)照溫室氣溫日變化規(guī)律一致，且壁柱式溫室平均溫度均高于對(duì)照；壁柱式溫室最低和最高氣溫均高于對(duì)照，平均溫差為1.5和2.1℃，說(shuō)明壁柱式溫室保溫性好，墻體保溫蓄熱能力強(qiáng)。

（2）以次日室內(nèi)最低氣溫為預(yù)測(cè)目標(biāo)，建立次日室內(nèi)最低和最高氣溫預(yù)測(cè)模型。模型模擬值和實(shí)測(cè)值RMSE都在2℃以內(nèi)，MAE和MRE均在1.5%和9%左右；壁柱式日光溫室模型模擬值和實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)R2為0.936、0.904，對(duì)照溫室模型模擬值和實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)R2為0.959、0.866，表明所建模型對(duì)室內(nèi)最低和最高氣溫模擬都有較高精度，能夠滿足日光溫室預(yù)測(cè)要求。

壁柱式日光溫室模型為：

T最低氣溫= 3.155+0.243SR2+0.304T5D- 0.147T6D-0.358T5G+0.264T3G

T最高氣溫= 1.837+0.420T1G+0.239SR1+ 0.402T2D+

0.142T3G

對(duì)照日光溫室模型為：

T最低氣溫= 6.984+0.488T4G+1.399T4D-1.120T3D+

0.298T2G-0.431T3G+0.067RHD

T最高氣溫=2.410 + 0.288T1G+0.529SR1+0.283T5D-

0.147T3G

討論

該預(yù)報(bào)模型可預(yù)測(cè)日光溫室最低/最高溫度。當(dāng)室內(nèi)氣溫高/低于作物臨界值，農(nóng)戶可提前降溫/增溫。但因日光溫室氣溫受外界環(huán)境因素影響較多，室內(nèi)溫變速率隨著天氣狀況和季節(jié)變化而變化，所以該模型還不能涵蓋整個(gè)日光溫室溫度變化全過(guò)程。模型對(duì)晴天和陰天氣溫預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率相對(duì)較高，而對(duì)多云天氣下氣溫預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率相對(duì)較低。

北方日光溫室溫度變化規(guī)律有一致性，日光溫室溫度預(yù)測(cè)模型可試用于北方地區(qū)。試驗(yàn)中保溫材料和性能較固定，而實(shí)際上各地農(nóng)戶保溫材料參差不齊，因此實(shí)際應(yīng)用模型預(yù)報(bào)結(jié)果存在誤差，還需進(jìn)一步訂正和研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 何雨，須暉，李天來(lái).日光溫室后墻內(nèi)側(cè)溫度變化規(guī)律及溫度預(yù)測(cè)模型[J].北方園藝，2012（7）：34-39.

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[3] Katsoulas N， Savvas D， Tsirogiannis I， et al. Responseof an eggplant crop grown under Mediterranean summerconditions to greenhouse fog cooling[J]. Scientifichorticultural，2009，123（1）：90-98.

作者簡(jiǎn)介：劉洋（1991-），女，山東濱州人，碩士，現(xiàn)主要從事果樹方面研究工作。