溫室設(shè)計(jì)必要通風(fēng)量估算方法的確定及參數(shù)取值分析

王 莉，周長(zhǎng)吉

·農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程·

溫室設(shè)計(jì)必要通風(fēng)量估算方法的確定及參數(shù)取值分析

王 莉，周長(zhǎng)吉

（農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所，北京 100125）

估算必要通風(fēng)量是溫室通風(fēng)設(shè)計(jì)確定通風(fēng)機(jī)風(fēng)量和數(shù)量、通風(fēng)口尺寸和位置等硬件設(shè)施的前提，但實(shí)踐中，通過(guò)比較滿(mǎn)足排熱、除濕和增加二氧化碳（carbon dioxide）CO2三方面需求而確定必要通風(fēng)量的方法繁瑣，缺少氣象數(shù)據(jù)，溫室受熱面積修正系數(shù)、蒸騰蒸發(fā)熱量損失系數(shù)、室外水平面太陽(yáng)總輻射照度、室外計(jì)算溫度、室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度等參數(shù)難以確定。為解決這些問(wèn)題和使農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《溫室通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》修訂版中推薦的必要通風(fēng)量計(jì)算方法更具有操作性，該文分析了3種必要通風(fēng)量計(jì)算方法與通風(fēng)能力設(shè)計(jì)時(shí)最大必要通風(fēng)量的關(guān)系；借鑒美國(guó)空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算參數(shù)獲得方法并采用中國(guó)可獲得的氣象數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得出中國(guó)各地12個(gè)月份的室外水平面太陽(yáng)總輻射照度和室外計(jì)算干球溫度，解決了溫室通風(fēng)設(shè)計(jì)中無(wú)法針對(duì)不同使用期估算必要通風(fēng)量的問(wèn)題；另外通過(guò)分析中國(guó)溫室主要結(jié)構(gòu)形式、溫室受熱面積修正系數(shù)、蒸騰蒸發(fā)熱量損失系數(shù)、當(dāng)?shù)貧庀笠约白魑锶~面積指數(shù)等參數(shù)之間的關(guān)系，明確了溫室受熱面積修正系數(shù)等參數(shù)的取值方法。研究表明：通風(fēng)能力設(shè)計(jì)時(shí)必要通風(fēng)量應(yīng)采用排除熱量滿(mǎn)足溫度要求的方法計(jì)算。溫室受熱面積修正系數(shù)取值：連棟溫室可在1.0～1.3范圍內(nèi)取值，夏季可取1.0～1.1，春秋季可取1.2～1.3，溫室規(guī)模小、所在地緯度高的地區(qū)取較大值；日光溫室可在1.0～1.5范圍內(nèi)取值，夏季可取1.0～1.2，春秋季可取1.3～1.5，其中所在地緯度高的地區(qū)可取較大值。蒸騰蒸發(fā)熱量損失系數(shù)取值：可根據(jù)當(dāng)?shù)厥彝夂瑵窳?，育苗期?.65～0.90之間選取，栽培期在0.80～1.15之間選取。

溫度；蒸騰蒸發(fā)；設(shè)計(jì)；溫室通風(fēng)設(shè)計(jì)；必要通風(fēng)量；參數(shù)取值方法；受熱面積修正系數(shù)；蒸騰蒸發(fā)熱量損失系數(shù)

0 引 言

通風(fēng)對(duì)于溫室環(huán)境調(diào)控至關(guān)重要，學(xué)者開(kāi)展過(guò)大量研究，楊振超等[1]研究了西北型節(jié)能日光溫室內(nèi)的風(fēng)速分布規(guī)律及室外風(fēng)速與通風(fēng)面積對(duì)室內(nèi)風(fēng)速的影響，胡建等[2]比較了采用通風(fēng)、濕簾-風(fēng)機(jī)、高壓噴霧、集中霧化等降溫措施進(jìn)行溫室夏季降溫的優(yōu)缺點(diǎn)，俞永華[3]提出了基于多態(tài)原則的通風(fēng)與降溫系統(tǒng)可改善氣候適應(yīng)性及降低運(yùn)行成本，李本卿等[4-8]對(duì)強(qiáng)制通風(fēng)條件下的Venlo型玻璃溫室和圓拱形塑料溫室內(nèi)部的溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬及展望了CFD技術(shù)的應(yīng)用前景，張良[9]對(duì)自然通風(fēng)條件下屋頂全開(kāi)型溫室進(jìn)行了模擬與測(cè)試研究，但鮮見(jiàn)有圍繞溫室工程設(shè)計(jì)中通風(fēng)技術(shù)的工程化實(shí)踐問(wèn)題開(kāi)展的研究。

在溫室工程設(shè)計(jì)中，通風(fēng)設(shè)計(jì)涉及通風(fēng)能力設(shè)計(jì)和通風(fēng)調(diào)控設(shè)計(jì)兩方面內(nèi)容。通風(fēng)能力設(shè)計(jì)的兩項(xiàng)主要任務(wù)，一是確定通風(fēng)窗口的尺寸和位置；二是確定通風(fēng)機(jī)的規(guī)格和數(shù)量。通風(fēng)調(diào)控設(shè)計(jì)則是在通風(fēng)機(jī)和通風(fēng)口等硬件設(shè)施確定之后對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量和窗口開(kāi)啟大小的日常管理調(diào)控措施。通風(fēng)能力和通風(fēng)調(diào)控設(shè)計(jì)均取決于作物環(huán)境調(diào)控對(duì)通風(fēng)量的需求，而通風(fēng)量需求一般認(rèn)為應(yīng)滿(mǎn)足排熱、除濕和增加二氧化碳（CO2）三方面目標(biāo)，也稱(chēng)為排除多余熱量、排除多余濕氣和增加CO2必要通風(fēng)量[10-14]，其理論計(jì)算均基于物質(zhì)平衡和能量平衡原理，反映的是瞬時(shí)規(guī)律，涉及的參數(shù)包括：與溫室結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)，如溫室受熱面積修正系數(shù)a、溫室各部分覆蓋層的傳熱系數(shù)KK、溫室覆蓋層的太陽(yáng)輻射-透射率τ；與室外氣候環(huán)境有關(guān)的參數(shù)，如室外水平面太陽(yáng)總輻射照度E、室外空氣干球溫度to、室外空氣含濕量do；與作物有關(guān)的參數(shù)，如蒸騰蒸發(fā)熱量損失系數(shù)β、植物葉面積指數(shù)LAI（leaf area index）、單位植物葉面積對(duì)CO2的平均吸收強(qiáng)度IP；以及作物對(duì)環(huán)境的需求，如保持作物生長(zhǎng)適宜的室內(nèi)溫度ti、濕度和CO2水平。雖然理論計(jì)算方法成熟，但各書(shū)籍、研究文獻(xiàn)中均未從工程應(yīng)用角度出發(fā)針對(duì)通風(fēng)能力設(shè)計(jì)時(shí)如何考慮必要通風(fēng)量計(jì)算的問(wèn)題以及上述各項(xiàng)參數(shù)如何取值的問(wèn)題加以探討。另外，溫室設(shè)計(jì)用途既有周年使用也有夏季悶棚停用等不同情況，由于缺少氣象數(shù)據(jù)而不能根據(jù)溫室使用期進(jìn)行設(shè)計(jì)。為解決這些問(wèn)題，也為了使農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《溫室通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》修訂版中推薦的必要通風(fēng)量計(jì)算方法更具有可操作性[15-17]，該文分析、明確了通風(fēng)能力設(shè)計(jì)時(shí)必要通風(fēng)量應(yīng)采用的計(jì)算方法，并就計(jì)算方法中涉及的a、τ、KK、β、E、ti、to等待確定參數(shù)取值依據(jù)加以探討，明確了在不同情況下的取值。該文還借鑒美國(guó)空氣調(diào)節(jié)室外空氣計(jì)算參數(shù)獲得方法并采用中國(guó)可獲得的氣象數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得出中國(guó)各地12個(gè)月份的室外空氣計(jì)算參數(shù)。另外，利用這些參數(shù)對(duì)北京地區(qū)育苗和栽培溫室在不同使用期的必要通風(fēng)量進(jìn)行了計(jì)算和比較。

1 通風(fēng)能力設(shè)計(jì)時(shí)的必要通風(fēng)量計(jì)算

通風(fēng)能力設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)必要通風(fēng)量的考慮與通風(fēng)調(diào)控時(shí)有所不同，就上述幾種必要通風(fēng)量計(jì)算以及參數(shù)取值的問(wèn)題，基于了一個(gè)原則，就是依據(jù)必要通風(fēng)量核算出的通風(fēng)窗口尺寸、位置以及通風(fēng)機(jī)規(guī)格、數(shù)量應(yīng)在溫室設(shè)計(jì)使用期的最不利氣候環(huán)境條件下能夠滿(mǎn)足溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)環(huán)境調(diào)控需求，即需要在各種極端條件下加以考慮。對(duì)于風(fēng)機(jī)通風(fēng)而言，原則上所選的通風(fēng)機(jī)容量在室外參數(shù)不超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，應(yīng)能保持室內(nèi)參數(shù)也在設(shè)計(jì)值范圍。因此，如果3種必要通風(fēng)量在設(shè)計(jì)時(shí)都需要考慮的話(huà)，計(jì)算出的必要通風(fēng)量應(yīng)該是3種必要通風(fēng)量之中最大的一個(gè)。

比較上述3種通風(fēng)量，其中排除濕氣必要通風(fēng)量的考慮，源于因溫室內(nèi)部濕度過(guò)高結(jié)露會(huì)帶來(lái)植物真菌病問(wèn)題，通常發(fā)生在早上室內(nèi)空氣溫度過(guò)低濕度過(guò)大的時(shí)候，需要通過(guò)通風(fēng)將濕氣排出室外，此時(shí)如果室外溫度過(guò)低，排濕通風(fēng)則不可進(jìn)行。排除濕氣必要通風(fēng)量一般通過(guò)作物的蒸騰蒸發(fā)量進(jìn)行估算或根據(jù)灌溉量（通常作物通過(guò)氣孔排出的灌溉吸水量可達(dá)95%）進(jìn)行估算[14]，其估算值除受到作物在溫室中的存在狀況影響外，還受到室外空氣含濕量和室內(nèi)相對(duì)濕度期望值（或室內(nèi)含濕量期望值）的影響。實(shí)踐中，排濕需求一般在早上溫度較低時(shí)，此時(shí)的室外空氣溫度和太陽(yáng)輻射量還不足以使室內(nèi)空氣溫度上升到排除多余熱量的室內(nèi)空氣溫度甚至適宜作物生長(zhǎng)的最低溫度限，過(guò)多的冷風(fēng)進(jìn)入會(huì)使室內(nèi)空氣溫度下降過(guò)快引起作物溫度過(guò)低甚至低溫脅迫，只能通過(guò)少量的通風(fēng)將過(guò)多濕氣排出，通風(fēng)量不宜過(guò)大，通風(fēng)時(shí)間也很短。如果室外空氣干燥，短時(shí)間的通風(fēng)換氣就可使室內(nèi)空氣相對(duì)濕度下降，而當(dāng)溫室遭遇室外高溫高濕情況時(shí)，再大的通風(fēng)量對(duì)于溫室排除濕氣也無(wú)濟(jì)于事。另一方面，利用排除濕氣必要通風(fēng)量的動(dòng)態(tài)平衡公式計(jì)算時(shí)涉及到室內(nèi)外空氣含濕量，而室外含濕量的變化沒(méi)有一定之規(guī)，假設(shè)采用最不利室外氣象條件進(jìn)行計(jì)算，最不利情況要屬室外含濕量最高的時(shí)段，即高溫高濕時(shí)段，而此時(shí)段對(duì)于室內(nèi)環(huán)境調(diào)控的主要矛盾是降溫而非除濕，計(jì)算得出的除濕必要通風(fēng)量遠(yuǎn)小于排除熱量必要通風(fēng)量，因此，通過(guò)相對(duì)確定的室外氣象條件估算除濕必要通風(fēng)量對(duì)工程設(shè)計(jì)的意義并不大。

對(duì)于增加CO2必要通風(fēng)量的估算，會(huì)受到室外CO2濃度水平的影響，即使達(dá)到室外CO2體積分?jǐn)?shù)400 μL/L的水平，距離作物增產(chǎn)所需的500 μL/L以上還有較大差距，實(shí)踐中通?？梢圆扇「鞣N措施補(bǔ)充CO2。顯然在不采取補(bǔ)充CO2措施時(shí)通風(fēng)量越大越利于提高室內(nèi)CO2濃度水平，必要量的估算僅是限定CO2濃度水平不低于一定值的前提下進(jìn)行的，采用此方法估算的通風(fēng)量趨于一定值（如限定CO2體積分?jǐn)?shù)水平不低于300 μL/L時(shí)為

0.011 m3/(s·m2)；如果限定CO2濃度水平趨向于室外水平則通風(fēng)量趨近無(wú)窮大），因此用于工程設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行估算也沒(méi)有實(shí)質(zhì)性意義。

由此可見(jiàn)，在3種必要通風(fēng)量估算中，排除多余熱量必要通風(fēng)量的計(jì)算對(duì)于溫室通風(fēng)設(shè)計(jì)顯得格外重要，在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ASAE EP406.4[18]中也同樣采用了計(jì)算排除多余熱量通風(fēng)量來(lái)確定必要通風(fēng)量的方法，如式（1）所示。

式中qb為必要通風(fēng)率，m3/(s·m2)；a 為溫室受熱面積修正系數(shù)，無(wú)量綱參數(shù)；τ為溫室覆蓋層的太陽(yáng)輻射透射率，無(wú)量綱參數(shù)；E 為室外水平面太陽(yáng)總輻射照度，W/m2；β為蒸騰蒸發(fā)熱量損失系數(shù)，無(wú)量綱參數(shù)；Kk為溫室各部分覆蓋層的傳熱系數(shù)，k=1， 2，…,n ，W/(m2·℃)；Agk為溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)覆蓋層各部分面積，k=1， 2，…,n ，m2；ti、to分別為室內(nèi)空氣溫度和室外空氣溫度的設(shè)計(jì)值，℃；AS為溫室地面面積，m2；cp為排出溫室的空氣質(zhì)量定壓熱容，J/(kg·℃)；ρa(bǔ)為排出溫室的空氣密度，kg/m3；tp、tj分別為排出室外空氣溫度和進(jìn)入室內(nèi)空氣溫度，℃。

2 溫室受熱面積修正系數(shù)

溫室受熱面積修正系數(shù)a反映了溫室實(shí)際采光量與溫室地面面積的關(guān)系。由于必要通風(fēng)量公式中溫室的輻射得熱量計(jì)算以室外水平面太陽(yáng)總輻射照度E和溫室地面面積AS作為參數(shù)，而實(shí)際進(jìn)入溫室的太陽(yáng)輻射熱量是太陽(yáng)光輻射通過(guò)溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)采光面進(jìn)入到室內(nèi)產(chǎn)生的熱量，該熱量計(jì)算要受到溫室采光面和太陽(yáng)入射角度的影響，參數(shù)a作為考慮這兩方面因素影響的修正。

所謂溫室采光面影響，是由溫室結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定的，而太陽(yáng)入射角則受到溫室所處的地理緯度和溫室方位的影響。通常，溫室都會(huì)依勢(shì)而建，即在條件允許的情況下采用當(dāng)?shù)夭晒庾钸m的屋面角和溫室方位。當(dāng)這些設(shè)計(jì)確定之后，采光面的影響因素就是溫室的結(jié)構(gòu)形式，而太陽(yáng)入射角的影響因素則是周年變化的太陽(yáng)高度角h。因?yàn)闇厥业妮椛涞脽崃繎?yīng)為太陽(yáng)沿入射方向的輻射照度與垂直于該方向透光面積的乘積，該量也等于進(jìn)入室內(nèi)的水平面太陽(yáng)總輻射照度E與光線(xiàn)通過(guò)溫室采光面投射到地面面積AT的乘積，因此參數(shù)a應(yīng)為AT與AS的比值。從圖1看出，連棟溫室的a主要取決于溫室規(guī)模，而日光溫室的a受季節(jié)變化影響較大，根據(jù)國(guó)內(nèi)常見(jiàn)溫室結(jié)構(gòu)及尺寸估算，連棟溫室可在1.0～1.3范圍內(nèi)取值，夏季可取1.0～1.1，春秋季可取1.2～1.3，溫室規(guī)模小、所在地緯度高的地區(qū)取較大值；日光溫室可在1.0～1.5范圍內(nèi)取值，夏季可取1.0～1.2，春秋季可取1.3～1.5，其中所在地緯度高的地區(qū)可取較大值。

圖1 連棟溫室和日光溫室太陽(yáng)輻射示意圖Fig.1 Sketch map of solar radiation on multi-span greenhouse and sunlight greenhouse

3 蒸騰蒸發(fā)熱量損失系數(shù)

蒸騰蒸發(fā)熱量損失系數(shù)β是溫室中由于蒸發(fā)作用所吸收熱量與溫室太陽(yáng)輻射熱的比值，它代表輻射熱轉(zhuǎn)變?yōu)闈摕岬牟糠郑诒匾L(fēng)量計(jì)算公式中計(jì)算得熱量時(shí)起到至關(guān)重要的作用。在建筑空氣調(diào)節(jié)中，水蒸氣的發(fā)生直接影響建筑內(nèi)的溫度和濕度變化，1 kg水蒸發(fā)的潛熱達(dá)2 442 kJ，相當(dāng)于使一座日光溫室空氣溫度下降1 ℃所需要的熱量。溫室中β值的變化范圍為0～1.0，甚至?xí)^(guò)1.0[18]，已被相關(guān)研究證實(shí)（Willits D H的研究結(jié)果，β值可達(dá)1.75）[19]。

溫室中的蒸發(fā)源包括溫室中生長(zhǎng)的植物和非植物蒸發(fā)源。植物蒸發(fā)也稱(chēng)為蒸騰，是水經(jīng)由植物體蒸發(fā)到空氣中的現(xiàn)象，包括了蒸發(fā)面液體擴(kuò)散的物理作用過(guò)程和植物根系吸水、體內(nèi)輸水和葉面氣孔開(kāi)放的生理作用過(guò)程。植物蒸發(fā)量主要取決于植物種類(lèi)和生育階段，在水供應(yīng)充足的情況下還與光照、空氣溫度、濕度和風(fēng)速密切相關(guān)。非植物蒸發(fā)源指的是溫室中存在有水槽或地面有水的情況，以及噴淋灌溉等可進(jìn)入空氣中的水都應(yīng)算在內(nèi)。

面對(duì)如此多的影響因素和寬泛的取值范圍，在溫室通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)如何合理取值很值得探討。

在ASAE早期出版的《動(dòng)植物環(huán)境控制》[20-21]中，β的設(shè)計(jì)取值為0.5，在ASAE標(biāo)準(zhǔn)[18]的早期版本中β值的推薦值為0～1.0，之后又改為0到1.0以上，并列舉了當(dāng)室外輻射照度為900 W/m2、輻射透過(guò)率為0.8、溫室覆蓋面積與地面面積之比為1.2、傳熱系數(shù)4.0 W/(m2·℃)、室外空氣溫度為33 ℃時(shí)無(wú)濕簾（進(jìn)入室內(nèi)空氣溫度等于室外空氣溫度）和有濕簾（進(jìn)入室內(nèi)空氣溫度為26 ℃）的進(jìn)出溫室空氣溫差與蒸騰蒸發(fā)熱量損失系數(shù)β和通風(fēng)率三者之間的關(guān)系，如圖2所示?？梢钥闯觯瑹o(wú)濕簾情況下，β在0.8～1.0之間時(shí)，室外空氣流經(jīng)溫室其溫度會(huì)上升，并且隨通風(fēng)率增加溫升會(huì)減小，即上升幅度在減??；而當(dāng)β在1.0～1.4之間時(shí)，流經(jīng)溫室的空氣溫度會(huì)下降，并且隨通風(fēng)率增加其下降幅度也減小。也就是說(shuō)，由于室內(nèi)植物的蒸騰蒸發(fā)作用會(huì)使進(jìn)入溫室內(nèi)的空氣降溫，該效果已經(jīng)被實(shí)踐證實(shí)，這也是為什么以色列（屬干燥地區(qū)）的溫室通風(fēng)設(shè)計(jì)中在室外溫度為36 ℃時(shí)還可以只通過(guò)自然通風(fēng)實(shí)現(xiàn)作物需要的低于室外的室內(nèi)溫度環(huán)境。另外，從圖中可以看到，作物蒸騰蒸發(fā)的降溫作用隨著通風(fēng)率的增加而減弱，這就是為什么夏季炎熱時(shí)如果想使作物茂密的溫室降溫可以適當(dāng)關(guān)小通風(fēng)口或減小通風(fēng)量而不是采取相反的措施。

圖2 溫室進(jìn)出風(fēng)溫度差與通風(fēng)率和β值的關(guān)系Fig.2 Relationship air temperature difference and ventilation rate or β in greenhouse

ASAE標(biāo)準(zhǔn)中推薦，β取值取決于作物的類(lèi)型、數(shù)量、生育期、健康狀況和（或）脅迫程度，并取決于通風(fēng)進(jìn)入空氣的含濕量，還取決于溫室內(nèi)非植物蒸發(fā)源可能的蒸發(fā)量。沒(méi)有建立根系的幼苗期植物、受脅迫的植物、衰老或?qū)⑺赖闹参铩滋旌粑实偷闹参铮ㄈ绱蠖鄶?shù)肉質(zhì)植物）以及進(jìn)入空氣的含濕量高時(shí)，都使β趨于低值。如此寬泛的選擇，會(huì)使設(shè)計(jì)人員難以把握。設(shè)計(jì)人員面臨的設(shè)計(jì)情況千變?nèi)f化而非單一，對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題所掌握的已知條件各不相同（例如，設(shè)計(jì)時(shí)溫室擬栽種作物、作物生育周期及使用季節(jié)有可能已經(jīng)完全明確，也有可能沒(méi)有明確的計(jì)劃），設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)設(shè)計(jì)條件參考標(biāo)準(zhǔn)中所給出的信息來(lái)判斷如何取值，因此，對(duì)于受多因素影響的參數(shù)而言，在標(biāo)準(zhǔn)中盡可能多地提供有數(shù)據(jù)支持的參數(shù)間相互關(guān)系的信息是最為可取的方法。

Willits[19]的模擬研究結(jié)果中β值與通風(fēng)率和葉面積指數(shù)的關(guān)系如圖3所示（其中圖3a的葉面積指數(shù)為1.32，圖3b的通風(fēng)率為0.087 m3/(s·m2)，室外空氣溫度均為36.8 ℃，含濕量為3.3～29.9 g/kg范圍），可以看出，在不使用濕簾裝置當(dāng)通風(fēng)率大于0.05 m3/(s·m2)時(shí)，增加通風(fēng)率對(duì)于β值的變化并不明顯，而葉面積指數(shù)的影響非常顯著，只要葉面積指數(shù)超過(guò)0.5，β值均在0.8以上，并且隨著室外空氣濕度的降低即空氣含濕量的減小，β值增加明顯，當(dāng)葉面積指數(shù)達(dá)到3、室外空氣含濕量為3.3 g/kg氣時(shí)，β值可達(dá)到1.7以上。

由上分析，β值受到通風(fēng)率、葉面積指數(shù)和室外空氣含濕量的影響，其中葉面積指數(shù)和室外空氣含濕量的影響更為顯著。在工程設(shè)計(jì)階段，葉面積指數(shù)通常處于未知狀況，在溫室使用過(guò)程中葉面積指數(shù)會(huì)因栽種作物種類(lèi)、方式以及生長(zhǎng)期的不同而不同，準(zhǔn)確測(cè)算難度大，僅可做到粗略估計(jì)，正常情況下單層育苗時(shí)的葉面積指數(shù)可取為0.5，生長(zhǎng)期的葉面積指數(shù)則＞1.3。室外空氣含濕量因中國(guó)地域廣闊而各地差異明顯，但周年變化對(duì)于特定地區(qū)則符合一定的規(guī)律性，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)，北京、上海、海口、重慶、廣州、西安、沈陽(yáng)、哈爾濱、蘭州、烏魯木齊10地各月的最大空氣含濕量如表1所示?？梢钥闯觯？谕馊甑淖畲罂諝夂瑵窳砍霈F(xiàn)在7、8、9三個(gè)月，同一地區(qū)不同月份含濕量差異明顯；不同地區(qū)最大含濕量超過(guò)15 g/kg的月份數(shù)不同，干燥地區(qū)各月的最大含濕量差異較大。例如，北京的最低含濕量出現(xiàn)在1月份，最高含濕量出現(xiàn)在8月，差值達(dá)24.83 g/kg，含濕量大于15 g/kg的月數(shù)為4個(gè)月；?？诟髟伦畲蠛瑵窳烤笥?5 g/kg；烏魯木齊、蘭州各月最大含濕量均不超過(guò)于16 g/kg；含濕量大于15 g/kg的月數(shù)廣州8個(gè)月、重慶7個(gè)月、上海為6個(gè)月、西安5個(gè)月、沈陽(yáng)3個(gè)月、哈爾濱2個(gè)月、蘭州2個(gè)月，呈現(xiàn)出由南至北、由東及西的含濕量下降的趨勢(shì)。

可見(jiàn)，基于滿(mǎn)足最不利條件的原則，在估算最大必要通風(fēng)量時(shí)，可以使用當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)中的最大空氣含濕量值和最小葉面積指數(shù)參照?qǐng)D3來(lái)確定β值的大小，即育苗期可在0.65～0.90之間選取、栽培期在0.80～1.15之間選取。例如，計(jì)算無(wú)濕簾裝置溫室最大必要通風(fēng)量時(shí)，4、5月份北京育苗溫室可取為0.75，?？诳扇?.65；北京栽培溫室可取為0.9～1.05，海口為0.8，烏魯木齊為1.0～1.1。

表1 典型地區(qū)各月出現(xiàn)的最大空氣含濕量Table1 Month maximal outside humidity ratios in typical regions g·kg-1

圖3 蒸騰蒸發(fā)熱量損失系數(shù)與通風(fēng)率和葉面積指數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship of evapotranspiration coefficient and ventilation rate plus leaf area index

4 室外水平面太陽(yáng)總輻射照度

室外水平面太陽(yáng)總輻射照度E是溫室內(nèi)熱量的主要貢獻(xiàn)者，而室外空氣溫度對(duì)必要通風(fēng)量的估算也產(chǎn)生很大影響，二者均屬于氣象數(shù)據(jù)范疇。無(wú)論是利用熱模擬計(jì)算機(jī)程序預(yù)測(cè)室內(nèi)溫度和濕度的變化，還是利用公式推算出極端情況下冷負(fù)荷量，都離不開(kāi)相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)。

在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中，室外水平面太陽(yáng)輻射照度給出了各氣象臺(tái)站各月21日中午時(shí)分的晴日室外太陽(yáng)直射和散射輻射照度，可供空調(diào)負(fù)荷計(jì)算時(shí)使用[22-24]。而中國(guó)的“采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范”標(biāo)準(zhǔn)[25-28]中，夏季太陽(yáng)輻射照度是按地理緯度和7月大氣透明度以及7月21日太陽(yáng)赤緯計(jì)算數(shù)據(jù)給出，使用時(shí)需要在“夏季空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)用大氣透明度分布圖”中查出所在地透明度結(jié)合所在地緯度再查取太陽(yáng)輻射照度值，并沒(méi)有每月數(shù)據(jù)。由于各月沒(méi)有太陽(yáng)輻射照度數(shù)據(jù)可用，對(duì)于非周年使用溫室如夏季7、8月份不使用溫室估算最大必要通風(fēng)量時(shí)則不可行。本文利用中國(guó)氣象數(shù)據(jù)研究成果獲得的標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)[29]（依據(jù)1995年～2005年的氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)獲得的接近平均值的一年逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)），借鑒美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)提取了各月21日當(dāng)?shù)刂形鐣r(shí)分的水平面太陽(yáng)輻射照度值，并且提取了各月水平面太陽(yáng)輻射照度的最大值，北京等上述10臺(tái)站的數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，7月份最大值與夏季水平面太陽(yáng)輻射更為接近，21日的最大值并非全部出現(xiàn)在中午時(shí)分，各月21日的最大值也并不是當(dāng)月的最大值，有的相差較大，如上海4月份的數(shù)據(jù)。究其原因，標(biāo)準(zhǔn)年數(shù)據(jù)是研究者在考慮了每時(shí)濕度、云量等關(guān)系的情況下，利用觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和太陽(yáng)輻射瞬時(shí)模型進(jìn)行推定獲得，最大值并未出現(xiàn)在21日?？梢?jiàn)，計(jì)算最大必要通風(fēng)量時(shí)，采用各月水平面太陽(yáng)輻射最大值更為合適。

表2 典型地區(qū)各月的室外水平面太陽(yáng)總輻射照度Table2 Month horizontal solar irradiance in typical regions W·m-2

5 室外空氣溫度

室外空氣溫度to是估算必要通風(fēng)量時(shí)的設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)，即室外計(jì)算干球溫度。在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)[23-24]中，室外空氣溫度不僅給出了夏季室外計(jì)算干球溫度，還給出了各月的室外計(jì)算干球溫度，供不同用途建筑和建筑用途在一年之中發(fā)生改變時(shí)計(jì)算空調(diào)負(fù)荷時(shí)使用，而且沒(méi)有空調(diào)與通風(fēng)參數(shù)之分。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的夏季室外計(jì)算干球溫度有0.4%、1%和2%不保證率3種情況，逐月室外計(jì)算干球溫度有0.4%、2.0%、5.0%和10.0%不保證率4種，其中逐月的2.0%、5.0%和10.0%不保證率與夏季的0.4%、1%和2%對(duì)應(yīng)，分別為14、36和72 h。這些計(jì)算參數(shù)的獲得都是以逐時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。

中國(guó)夏季空氣室外計(jì)算參數(shù)分為空氣調(diào)節(jié)和通風(fēng)兩種，夏季室外空氣調(diào)節(jié)計(jì)算干球溫度的統(tǒng)計(jì)方法與美國(guó)、日本等國(guó)也不同，是按累年平均不保證時(shí)數(shù)（50 h）確定的，夏季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度采用歷年最熱月14時(shí)的月平均溫度的平均值，并且氣象數(shù)據(jù)是以每天4次（2、8、14、20時(shí)）的定時(shí)溫度記錄為基礎(chǔ)。由于中國(guó)氣象臺(tái)站在觀(guān)測(cè)時(shí)統(tǒng)一采用北京時(shí)間進(jìn)行記錄，14時(shí)是一日定時(shí)記錄中氣溫最高的一次，因此存在夏季室外計(jì)算干球溫度采用的14時(shí)溫度數(shù)據(jù)并不能真正反映當(dāng)?shù)剌^高的14時(shí)氣溫的問(wèn)題，多數(shù)地區(qū)會(huì)有1～3 h的時(shí)差。各地的夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度要高于夏季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度，例如幾個(gè)典型地區(qū)的如表3所示，兩者相差2～6 ℃。

在周年使用溫室的通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算必要通風(fēng)量時(shí)，由于溫度對(duì)作物生長(zhǎng)格外重要，采用夏季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度估算則冷負(fù)荷值偏低，不符合設(shè)備能夠在絕大多數(shù)氣象條件下達(dá)到室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的概率統(tǒng)計(jì)保證率原則，相比之下采用夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度則更具有合理性[13]。中國(guó)地域廣闊，由于受當(dāng)?shù)貧庀髼l件所限，有些溫室在夏季的最熱月份并不進(jìn)行作物生產(chǎn)，對(duì)于這些高溫季節(jié)并不使用的溫室進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)還采用夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度則冷負(fù)荷值過(guò)高，與實(shí)際情況不符?？梢?jiàn)，中國(guó)“采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范”標(biāo)準(zhǔn)中的室外溫度計(jì)算參數(shù)對(duì)于溫室通風(fēng)設(shè)計(jì)并不完全適用，因此有必要利用目前可獲得的室外氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出適合溫室通風(fēng)設(shè)計(jì)使用的室外計(jì)算溫度。

本研究利用標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)[29]，借鑒美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)月計(jì)算參數(shù)不保證率概念，統(tǒng)計(jì)得出了適合于中國(guó)溫室通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)參照使用的各月計(jì)算干球溫度，雖然與利用歷年逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的方法不完全一致，但仍可在現(xiàn)階段中國(guó)實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)不足的情況下使用，如表3給出了6、7、8月份的月室外計(jì)算干球溫度以及不同統(tǒng)計(jì)方法得出的夏季計(jì)算干球溫度。

表3 典型地區(qū)多種估算計(jì)算干球溫度方法對(duì)照Table3 Comparison of estimated dry-bulb temperature using different methods in typical regions

對(duì)照不同方法獲得的數(shù)據(jù)可以看出，最熱月份（多數(shù)為七月）5%不保證率的數(shù)據(jù)與夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度、夏季不保證率5.0%的干球溫度、不保證50 h夏季計(jì)算干球溫度Ⅲ均接近，比較不保證時(shí)數(shù)基本相當(dāng)，可見(jiàn)采用該方法獲得各月數(shù)據(jù)具有合理性，是現(xiàn)階段可取的方法。

6 室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)溫度

室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)溫度ti通常由溫室建設(shè)方對(duì)溫室設(shè)計(jì)提出要求，是依據(jù)溫室擬種植作物的種類(lèi)、品種、生長(zhǎng)期（或生育期）以及栽培季節(jié)（整個(gè)作物周期在一年當(dāng)中所處的時(shí)間）所決定的。例如，番茄不同生育階段對(duì)溫度有不同的要求[30]：種子發(fā)芽適溫為25～30 ℃，28 ℃為最適溫度，高于35 ℃多數(shù)品種發(fā)芽率低，超過(guò)40 ℃發(fā)芽困難；幼苗期對(duì)溫度的適應(yīng)性較強(qiáng)，適宜溫度白天23～28 ℃，溫度過(guò)高易使幼苗徒長(zhǎng)；開(kāi)花期要求溫度較高且嚴(yán)格，一般25～28 ℃為宜，高于33℃會(huì)引起落花；結(jié)果期一般晝溫25～28 ℃，果實(shí)著色對(duì)溫度要求較嚴(yán)格，在19～24 ℃有利于番茄紅素的形成，高于30 ℃對(duì)著色不利。

雖然通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)最大冷負(fù)荷量進(jìn)行估算，對(duì)于栽培西紅柿的適溫范圍25～28℃，則并不需要按照低限來(lái)確定設(shè)計(jì)值，由于計(jì)算時(shí)其他參數(shù)取值都考慮了要滿(mǎn)足最不利條件，因此按高限28℃取值估算的冷負(fù)荷量已經(jīng)可以滿(mǎn)足作物在整個(gè)生育期內(nèi)的適溫要求。但是，如果從設(shè)備配備和溫室工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性考慮，適溫高限也并非唯一選擇方案，按照栽培實(shí)踐，只要夜間溫度能降下來(lái)使得一日的平均溫度控制在21 ℃就可滿(mǎn)足西紅柿的溫度要求，例如日最高溫控目標(biāo)可取為30～32 ℃，只要夜間溫度能降下來(lái)使得一日的平均溫度控制在21 ℃仍可滿(mǎn)足西紅柿的溫度要求。因此，對(duì)于晝夜溫差大、光照條件好的地區(qū)，室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)溫度可高于適溫上限，但不應(yīng)超過(guò)最高溫控目標(biāo)。

7 案例計(jì)算

以北京地區(qū)某連棟玻璃溫室為例，單棟跨度9.6 m、5連棟、長(zhǎng)48 m、檐高4 m，面積2 304 m2。按照上述分析的室外空氣計(jì)算值和各參數(shù)取值方法，估算育苗溫室和栽培溫室必要通風(fēng)量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4?？梢钥闯觯诓煌路莸氖彝鈿庀髷?shù)據(jù)以及溫室不同用途（育苗或栽培），為滿(mǎn)足室內(nèi)溫度要求，所采取的工程措施不同。如果溫室用于育苗，由于苗期的葉面積指數(shù)低，因作物蒸騰蒸發(fā)作用損失的熱量小，因此需要較多的風(fēng)機(jī)數(shù)量，并且在5月份時(shí)就需要濕簾降溫，而栽培溫室5月份時(shí)僅使用風(fēng)機(jī)降溫就可滿(mǎn)足環(huán)境溫度的要求。

表4 北京地區(qū)育苗溫室和栽培溫室必要通風(fēng)量估算Table4 Estimated necessary ventilation rate of nursery greenhozuses and cultivating greenhouses in Beijing

8 結(jié) 論

在溫室通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算必要通風(fēng)量時(shí)，與溫室結(jié)構(gòu)有關(guān)的溫室受熱面積修正系數(shù)a、與作物和環(huán)境條件有關(guān)的蒸騰蒸發(fā)熱量損失系數(shù)β、與室外氣象有關(guān)的室外水平面太陽(yáng)總輻射照度E和室外空氣干球溫度to等參數(shù)如何取值，決定了必要通風(fēng)量計(jì)算值的大小。本文通過(guò)研究分析空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范室外空氣計(jì)算參數(shù)獲得方法的國(guó)內(nèi)外差異以及作物生長(zhǎng)溫度要求等與溫室通風(fēng)設(shè)計(jì)的相關(guān)性，借鑒美國(guó)空氣調(diào)節(jié)室外空氣計(jì)算參數(shù)獲得方法并采用中國(guó)可獲得氣象數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)獲得中國(guó)各地12個(gè)月份室外計(jì)算參數(shù)E、to，解決了溫室通風(fēng)設(shè)計(jì)中無(wú)法根據(jù)使用期估算必要通風(fēng)量的問(wèn)題。另外通過(guò)分析中國(guó)溫室主要結(jié)構(gòu)形式、a、β等參數(shù)與溫室結(jié)構(gòu)、當(dāng)?shù)貧庀笠约白魑锶~面積指數(shù)的關(guān)系，明確了計(jì)算排除熱量最大必要通風(fēng)量時(shí)各參數(shù)的取值方法。a取值：連棟溫室可在1.0～1.3范圍內(nèi)取值，連棟溫室規(guī)模小時(shí)取較大值；日光溫室可在1.0～1.5范圍內(nèi)取值，夏季可取1.0～1.2，春秋季可取1.3～1.5，其中所在地緯度高的地區(qū)可取較大值。β取值：可根據(jù)當(dāng)?shù)厥彝夂瑵窳浚缙谠?.65～0.90之間選取，栽培期在0.8～1.15之間選取。

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Determination of calculated method for necessary ventilation rate and its determination analysis of parameter value

Wang Li, Zhou Changji
(Institute of Protected Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Engineering, Beijing 100125, China)

In the design of a greenhouse ventilation system, estimating the necessary ventilation rate is a prerequisite for determining the air volume and the number of fans, the size and the location of vents, and so on. However, in practice it is a complicated procedure to determine the necessary ventilation rate based on the 3 factors, i.e. temperature, humidity and CO2(carbon dioxide) concentration. We face the following problems: (1) The absence of climate data; (2) Difficulties in choosing values for parameters, including solar heat gain correction factor, evapotranspiration coefficient, outdoor horizontal solar irradiance, outdoor design dry-bulb temperature, indoor design temperature, and so on. This paper aims to solve the problems above and enhance the practicality of the estimation method of the necessary ventilation rate, which is recommended in the edited version of NY/T 1451 Design Rule for Greenhouse Ventilation. Firstly, we determine the calculation method of necessary ventilation rate for capability design. Secondly, we calculate the monthly value of outdoor horizontal solar irradiance and outdoor design dry-bulb temperature of Chinese typical regions by referring to the American method of determining climatic design condition, and using available climate data in China. The monthly data are useful when there are seasonal variations in solar geometry and intensity, or greenhouse use patterns are taken into consideration. Lastly, this paper solves the problem of how to set values for solar heat gain correction factor, evapotranspiration coefficient, and indoor design temperature under different conditions. We compare the necessary ventilation rate estimated based on cooling air, dehumidification and enhancing CO2concentration. The purpose of dehumidification is to prevent the plant disease caused by high humidity in greenhouse. High humidity usually occurs in the morning, when low ventilation is applied due to low temperature. The necessary ventilation rate obtained based on dehumidification is much smaller than that based on cooling air. The estimation based on enhancing CO2concentration only guarantees the lower bound of CO2concentration: If the CO2concentration is no smaller than 300 μL/L, the estimated ventilation rate is 0.011 m3/(s·m2); when the CO2concentration is close to the outside environment (400 μL/L), it tends to infinity. Therefore, the estimation based on CO2concentration is not suitable for ventilation system design. Greenhouse solar heat gain correction factor shows the correlation between actual amount of solar radiation and greenhouse floor area, and is obtained based on solar altitude and greenhouse structural type. The value equals to the projected area of greenhouse divided by greenhouse floor area. For the common greenhouse structures in China, this parameter should be between 1.0 and 1.3 for gutter connected greenhouses, 1.0-1.1 for summer, and 1.2-1.3 for spring and autumn, and is negatively correlated to the size of gutter connected greenhouse. Alternatively, it should take a value between 1.0 and 1.5 for sunlight greenhouses (1.0-1.2 for summer, 1.3-1.5 for spring and autumn), and is positively correlated to the latitude in this case. The evapotranspiration coefficient is the ratio of the energy used to evaporate water from the canopy or water surface to the incoming solar energy. The existing research shows that this parameter is related to ventilation rate, leaf area index (LAI) and outside humidity ratio. However, at the project design stage, LAI is usually unknown. According to the worst case design, when plants are very young and sparse, LAI can take the value of 0.5; when plants are flourished and healthy, LAI is usually over 1.3. In China, outside humidity ratio in different areas varies, but their annual fluctuations follow certain patterns. Using data from China TMY2 (typical meteorological year), we can obtain the monthly maximum outside humidity ratios of 10 cities (Beijing, Shanghai, Haikou, Chongqing, Guangzhou, Shenyang, Harbin, Xi’an, Lanzhou and Urumchi). Between June and September, Urumchi has a monthly maximum outside humidity ratio of 9-16 g/kg, whereas the value in Haikou is 19-28 g/kg. As a result, based on outside humidity ratio and LAI we can estimate that, when plants are very young and sparse, the evapotranspiration coefficient should take value in 0.65-0.90; when plants are flourished and healthy, it should be in 0.80-1.15. Take a specific multi-span greenhouse in Beijing as the example, we use the method provided in this paper to estimate the necessary ventilation rate of young and flourished plants greenhouses respectively. We can see that when the climatic design conditions or the greenhouse functions are different, the engineering methods we adopt are different. In young plants greenhouse, due to a low LAI, energy used to evaporate water is small, and therefore, not only a large number of fans are requested, but evaporative pads should be used to cool air in May. However, in flourished plants greenhouses, cooling air by fans on its own is enough to meet the indoor temperature requirement. Our results suggest that the calculation method of necessary ventilation rate for capability design should be based on the factor of temperature. Our research provides a viable method of parameter estimation for this purpose.

temperature; evapotranspiration; design; greenhouse ventilation design; necessary ventilation rate; setting parameters; correction factor of got-hot area; evapotranspiration coefficient

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.028

S2

A

1002-6819(2017)-05-0190-09

王 莉，周長(zhǎng)吉. 溫室設(shè)計(jì)必要通風(fēng)量估算方法的確定及參數(shù)取值分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(5)：190－198.

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.028 http://www.tcsae.org

Wangli, Zhou Changji. Determination of calculated method for necessary ventilation rate and its determination analysis of parameter value[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(5): 190－198. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.028 http://www.tcsae.org

2016-04-19

2016-12-22

2016年農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定和修訂及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證項(xiàng)目：修訂《溫室通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2130109）

王 莉，女（漢族），重慶市人，研究員，主要從事園藝產(chǎn)品設(shè)施栽培和采后商品化處理技術(shù)與裝備的工程化研究、標(biāo)準(zhǔn)化研究、裝備研發(fā)及工程咨詢(xún)等工作。北京 農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所， 100125。Email：wanglicaae@163.com

中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員：王 莉（E041200524S）