保溫被外設PE黑膜對日光溫室保溫性的影響

禹夏青+張亞紅

摘要：為減少夜間日光溫室前屋面的熱量損失，提高雨雪天氣溫室保溫高于對照效果，以日光溫室為對象，在2015年冬季采用保溫被外覆無接縫PE黑膜的方法測試溫室內(nèi)溫度變化，分析對溫室保溫性能的影響。結(jié)果表明，外設PE黑膜對冬季日光溫室的增溫效果明顯，溫室氣溫、0.05 m處地溫顯著高于對照。其中：晴天與陰天夜間，處理溫室最低氣溫分別較對照提高0.9、0.5 ℃，最低地溫提高0.7 ℃；晴天效果優(yōu)于陰天。雪天夜間最低棚溫較對照高 2.2 ℃，最低地溫提高1.3 ℃，且雪后1周處理溫室降溫幅度明顯小于對照溫室。試驗期間處理溫室旬平均氣溫均高于對照溫室，節(jié)能效果優(yōu)于對照。

關(guān)鍵詞：日光溫室；PE膜保溫被；保溫性

中圖分類號：S626.5文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2017）08-0187-04

日光溫室的保溫材料由保溫圍護結(jié)構(gòu)和活動保溫材料兩部分組成，而夜間通過前屋面外覆蓋保溫材料的熱量散失占溫室熱損失的70%左右[1-2]，冬季日光溫室的保溫和加溫效果成為制約反季節(jié)蔬菜產(chǎn)量和收入的第一因素[3]，提高前屋面保溫材料保溫性意義重大。銀川地區(qū)冬季漫長寒冷，晝夜溫差大，對溫室保溫被保溫性要求較高?，F(xiàn)在大面積使用的針刺氈保溫被由于表面有縫合針孔，存在雨雪天氣易淋濕、卷放困難、保溫性明顯降低等問題。開展試驗研究保溫被外覆無針孔PE膜對溫室保溫性能的影響，對提高溫室使用性能有重要意義。長期以來，保溫覆蓋材料主要有稻草苫、香蒲氈、紙被、棉被等。其中，稻草、香蒲氈導熱系數(shù)很小，保溫效果好，可使溫室夜間熱耗量減少60%[4]，草苫的保溫能力一般為5～6 ℃[5]，用蒲草加蘆葦?shù)牟萆槐匦Ч蛇_7～10 ℃，棉被的保溫能力為7～10 ℃[6]，4層舊水泥袋紙或6層牛皮紙復合成的紙被的保溫能力為6～7 ℃[7]。但隨著日光溫室向集約化、規(guī)?；l(fā)展，上述材料使用后薄厚不均勻，防水性能變差，易霉爛，卷放費工費力，不易保管，使用年限短等問題日益突顯，因此逐漸被淘汰。近年來，保溫被的研究主要集中在2個方面，一方面研發(fā)出保溫性好、質(zhì)地輕、使用壽命長的新型保溫材料，主要有復合型保溫被[1，8-12]、針刺氈保溫被、泡沫保溫被[13]等。其基本結(jié)構(gòu)有兩大類：鍍鋁膜+微孔泡沫塑料（如發(fā)泡聚乙烯），保溫棉毯+防水布，造價低，保溫效果好[8]。20世紀末，周長吉等采用單拱棚試驗分析了市場上6種保溫被的保溫性，發(fā)現(xiàn)5種的保溫性達到或超過單層草簾，并對保溫被結(jié)構(gòu)及其保溫性的進一步改進和提高提出了措施[14]。另一方面在原有材料基礎(chǔ)上進行改進，黃學群等將聚乙烯膜與毛氈或棉氈直接壓合制成保溫被，測試表明比草苫可提高棚內(nèi)溫度1.3～4.6 ℃[15]。周長吉研究證實，雙層塑膜溫室較單層塑膜溫室的保溫能力高40%以上[16]。薛琳等使用棉被加塑料膜保護，在室外-18 ℃最低氣溫條件下可保持室內(nèi)最低氣溫13.5 ℃，基本滿足喜溫果菜的低限溫度[17]。

本試驗通過在保溫被外覆蓋一體無針眼黑色PE薄膜，采用非縫合非膠粘一次成型工藝與棉氈直接壓合的方法，研究對溫室保溫效果的影響，以期為冬季日光溫室提高保溫性能提供理論參考，對冬季設施環(huán)境調(diào)控具有重要意義。

1材料與方法

1.1試驗概況

試驗于2015年1月13日至3月15日在寧夏銀川市華西村園富生態(tài)區(qū)（106.06°E，38.62°N）基地進行。選取地理位置、溫室結(jié)構(gòu)、土壤性狀一致的2棟溫室。溫室長70 m，寬 9 m，脊高3.3 m，后坡1.5 m，坐北朝南。溫室透明外覆蓋材料為厚0.9 mm無滴PVC膜，保溫材料為復合保溫被，材質(zhì)由內(nèi)向外依次為拉力氈+2層針刺氈+拉力氈+防水布。厚度3.80 cm，重量2.45 kg/m2。

1.2試驗方法

1.2.1試驗設計試驗設2個處理，處理溫室保溫被利用PE黑膜做保溫被表層材料，另1棟溫室則不作處理為對照。覆蓋處理及環(huán)境監(jiān)測儀器布局見圖1。

1.2.2觀測項目每個處理溫室中部安放NIL溫室娃娃（環(huán)境監(jiān)測儀器），監(jiān)測室內(nèi)空氣溫度（WT）、5 cm處土壤溫度（DT）?？諝鉁囟葴y量高度為1.5 m處，地溫用外帶熱敏電阻溫度的探頭插入栽培壟地下5 cm處。數(shù)據(jù)均為15 min自動記錄1次，數(shù)據(jù)采集從2015年1月13日至3月15日。

1.2.3試驗儀器室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測儀器（溫室娃娃），由國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心制造。

1.3統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)采用SPASS17.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件和Excel軟件分析。

2結(jié)果與分析

2.1室外覆蓋對日光溫室保溫性能的影響

2.1.1典型天氣溫室氣溫、地溫日變化

2.1.1.1雪天溫室氣溫、地溫變化2015年1月27日雪天日光溫室內(nèi)氣溫和地溫的日變化，16：40開始下雪，17：00蓋被至次日09：55。從圖2可以看出，下雪前最低溫出現(xiàn)在 10：10，處理溫度高于對照0.6 ℃；10：30時揭開保溫被后，氣溫緩慢上升；隨著外界光照度的增加，11：30氣溫快速上升，13：50達到最大值，處理溫度為17.7 ℃，對照溫度為 16.7 ℃。16：40開始下雪，溫室氣溫下降速度加快，蓋被前最低氣溫處理溫室與對照溫室分別為8.8、6.1 ℃；17：30蓋保溫被后，氣溫開始緩慢升高；20：00至次日凌晨緩慢降低，凌晨處理溫室與對照溫室的氣溫分別為9.3、7.1 ℃。

地溫從11：00開始緩慢上升，最高地溫出現(xiàn)在17：00左右，此時處理溫度高于對照1 ℃。之后緩慢下降至次日中午時分；地溫變化范圍在13.7～20.2 ℃。處理與對照的夜平均地溫分別為13.6、12.7 ℃；最低地溫出現(xiàn)在22：00，處理與對照溫度分別為13.5、12.2 ℃，處理高于對照1.3 ℃。

2.1.1.2下雪前后1周溫室內(nèi)溫度變化下雪前后1周溫室氣溫變化見圖3。下雪前后的26—28日溫室氣溫快速下降。其中，下雪前的26—27日，處理的日平均氣溫從11.7 ℃下降至10.0 ℃，對照的日平均氣溫從11.2 ℃下降至9.2 ℃，分別下降了1.7、2.0 ℃。下雪后的27—28日，處理的日平均氣溫從10.0 ℃下降至8.6 ℃，對照的日平均氣溫從9.2 ℃下降至7.2 ℃，分別下降了1.4、2.0℃。雪停后的29日溫室氣溫快速回升，29-30日為陰天，溫室平均氣溫持平。31日晴天，處理溫室與對照溫室日平均氣溫分別緩和升至10.5 ℃和10.2 ℃。

2.1.1.3晴天溫室氣溫、地溫變化2015年1月21日為晴天，日光溫室內(nèi)氣溫、地溫的日變化見圖4。白天揭被前最低溫出現(xiàn)在08：00，處理溫度高于對照0.7 ℃。09：30揭開保溫被后，氣溫迅速上升，12：00時達到最大值，處理與對照溫度分別為28.6、27.7 ℃。12：00—14：00溫室進行短暫的換氣通風，氣溫快速下降；14：00閉風口，氣溫快速上升；17：00蓋保溫被后，溫度逐漸降低，至次日揭保溫被前降到最低點。處理與對照平均氣溫分別為15.80、13.81 ℃。最低氣溫出現(xiàn)在次日凌晨，分別是12.4、11.5 ℃。

地溫在揭被前09：00達到最低，處理與對照溫度分別為12.8、11.5 ℃。揭被后，溫室地溫開始緩慢上升，最高地溫出現(xiàn)在16：00，此時處理溫室與對照溫室地溫分別為20.0、18.3 ℃，處理較對照地溫高1.7 ℃。之后緩慢下降，至次日凌晨出現(xiàn)最低地溫，處理溫室與對照溫室地溫分別15.3、146 ℃。全天地溫變化范圍處理溫室在13.1～20℃之間，對照溫室在11.5～18.3℃之間。處理溫室與對照溫室蓋被后的夜平均地溫分別為16.9、16.1 ℃。

2.1.1.4陰天溫室氣溫、地溫日變化2015年2月20日為陰天，日光溫室內(nèi)氣溫和地溫日變化見圖5。當天外界氣溫為-6.5～11.2 ℃。陰天氣溫變化整體趨勢與晴天相似，處理與對照溫室的日平均溫度為20.3、18.6 ℃。夜間處理與對照的平均空氣溫度分別為15.1、13.8 ℃。夜間最低氣溫出現(xiàn)在揭被前08：30，處理與對照溫度分別為15.2、12.7 ℃。10：00 揭開保溫被，氣溫開始緩慢上升，至13：00溫室氣溫達到通風前最高；13：00-14：00溫室通風，氣溫快速下降；14：00-16：00，溫室溫度快速上升，至16：00達到全天最高氣溫，此時處理溫室氣溫高于對照溫室氣溫1.6 ℃。16：00蓋保溫被后，溫室氣溫先快速下降后再緩慢下降，至次日凌晨溫室出現(xiàn)最低氣溫，此時處理溫室與對照溫室氣溫分別為171、16.6 ℃。

地溫變化與晴天地溫變化基本一致，處理與對照日平均地溫分別為18.9、18.3 ℃。揭被前09：00地溫最低，此時處理與對照地溫分別為15.3、16.0 ℃。揭被后地溫逐漸上升，至15：00達最大值，此時處理溫度高于對照1 ℃。

2.1.2保溫被對夜間平均氣溫、地溫的影響試驗期間共52 d，溫室夜晚平均氣溫見圖6，平均地溫見圖7。由圖6可以看出，處理溫室夜晚平均氣溫小于冬季溫室大多數(shù)植物生長的臨界溫度10 ℃的天數(shù)比對照溫室少3 d；在10～13、>13～15 ℃溫度范圍內(nèi)，對照溫室天數(shù)分別比處理溫室多5、3 d；>15～18、>18 ℃的較適宜的夜晚溫室氣溫范圍內(nèi)，處理溫室天數(shù)均比對照溫室多5 d。由圖7可以看出，溫室地溫相對氣溫變化較平緩。處于11～13℃低地溫范圍的天數(shù)處理溫室比對照溫室少2 d；地溫處于>13～15 ℃的天數(shù)，處理溫室比對照溫室少6 d；>15～18、>18 ℃的地溫范圍內(nèi)，處理溫室天數(shù)分別比對照溫室多3、6 d。

2.2保溫被節(jié)能效果分析

節(jié)能效果分析采用文獻[18-19]的算法，即雙層保溫被

由于不同材料組合數(shù)目很多，可由其每層單獨用作單層保溫幕時的熱節(jié)省率（數(shù)據(jù)在文獻中已推算得出）進行推算。

從圖8可以看出，附加保溫覆蓋1與主覆蓋層共同工作時（圖8-a）的熱節(jié)省率為αc1，附加保溫覆蓋2與主覆蓋層共同工作時（圖8-b）熱節(jié)省率為αc2。αc為附加保溫覆蓋1、2同時使用的節(jié)省率；資料[19]中，可以查到主覆蓋層以及附加保溫覆蓋1、附加保溫覆蓋2分別與主覆蓋層共同工作時的熱節(jié)省率αc1與αc2（表1）。

試驗中前屋面主覆蓋材料為PVC膜，保溫材料為復合型保溫被，附加保溫材料為PE膜。

2.3日光溫室內(nèi)不同環(huán)境因子旬變化

2.3.1日光溫室溫度旬變化研究冬季氣溫和地溫的旬變化，有助于安排栽培茬次、選擇覆蓋材料。試驗期間，1月下旬出現(xiàn)小雪天氣。從表2可以看出，測定期內(nèi)，外界平均旬氣溫最低-6.8 ℃時，處理最高氣溫與最低氣溫分別為16.0、6.7 ℃，對照為15.6、6.2 ℃，最低氣溫處理高于對照 0.5 ℃。與對照相比，處理旬平均氣溫總體提高0.1～0.8 ℃。最低平均氣溫出現(xiàn)在2015年1月上旬，對照出現(xiàn)了5.4 ℃的低溫，比處理低0.4 ℃，在外界氣溫最低的1月下旬和2月上旬，處理溫室平均氣溫分別提高0.4、0.7 ℃，且1月下旬處理溫室最低氣溫高于對照0.5 ℃。與對照溫室相比，處理溫室的旬平均氣溫提高0.1～0.8 ℃。

2.3.2日光溫室地溫旬變化地溫旬變化與氣溫變化基本相似，但相對比較平緩，溫室旬平均地溫在14.2～16.1 ℃之間。試驗期間處理旬平均地溫都高于對照，地溫增幅為 0.1～0.5 ℃。2015年1月上旬，外界地溫最低達 -11 ℃，此時處理最低地溫高于對照地溫0.7 ℃。外界旬平均地溫、最高地溫最低為1月中旬，此時處理最高地溫、最低地溫分別比對照高0.2、1.5 ℃（表3）。

2.4保溫被綜合效應分析

分別統(tǒng)計試驗期間1月下旬至3月上旬晴天（42 d）、陰天（28 d）夜間試驗溫室、對照溫室溫度物理量平均值，利用成對平均數(shù)比較[20]，進行t檢驗，驗證其顯著性。查表得陰天t0.05=2.78，晴天t0.05=2.23，若|t|>t0.05，則為顯著，反之，不顯著。

從表4可以看出，保溫被外覆PE膜可以顯著提高冬季日光溫室空氣溫度，同時對晴天、雪天地溫提高顯著，陰天地溫提高不顯著。

3結(jié)論與討論

本試驗貫穿寧夏銀川地區(qū)整個冬季，試驗結(jié)果表明，日光溫室冬季使用覆PE黑膜保溫被，晴天溫室夜間最低氣溫升高0.9 ℃；雪天溫室夜間最低氣溫提高2.2 ℃，減小了雨雪天氣下溫室溫度下降幅度大對棚溫的影響；晴天和雪天可有效提高溫室夜間5 cm處地溫，分別提高0.7、1.3 ℃。溫室溫度提高的程度雖不是很高，但它對低溫期的棚內(nèi)作物生長來說卻可以起到非常關(guān)鍵的臨界保護作用。冬季有降水月份的覆PE黑膜保溫被保溫效果較無降水月份明顯；處理溫室節(jié)能率比對照溫室高5%。

處理保溫被采用的整體黏合工藝生產(chǎn)的復合保溫材料能夠很好地克服行縫工藝制成保溫被雨水易從針眼處滲入，保溫被受濕以后影響保溫效果，受濕保溫被里的水分難以散失的問題，規(guī)避了冬季保溫被長期處于潮濕的狀態(tài)。前人對保溫被保溫性研究多為其性能的實驗室靜態(tài)測試[21-22]，或是在冬季某一階段于溫室小試驗場對其進行實際環(huán)境監(jiān)控分析[23]，本試驗時間較長，涵蓋整個冬天降溫過程，分析了冬季降雪天氣下，處理對日光溫室保溫性能的影響。農(nóng)用保溫材料的性價比影響其推廣應用，目前，現(xiàn)代化溫室中應用最普及的鋁箔最貴，最低價格15元/m2以上，試驗所用PE膜成本適中，價格2.3元/m2，試驗溫室每棟的額外成本1 500元左右，性價比較高，且其生產(chǎn)工藝簡單，值得推廣。溫室種植作物對環(huán)境的響應還需進一步深入研究。

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