日光溫室北側(cè)墻體內(nèi)部冬春季的溫度日較差變化分析

楊艷紅，李亞靈*，馬宇婧，楊存良，溫祥珍*

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，山西 太谷 030801； 2.山西忻州原平市糧種場，山西 原平 034100)

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日光溫室北側(cè)墻體內(nèi)部冬春季的溫度日較差變化分析

楊艷紅1，李亞靈1*，馬宇婧1，楊存良2，溫祥珍1*

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，山西 太谷 030801； 2.山西忻州原平市糧種場，山西 原平 034100)

[目的]確定日光溫室建設(shè)中合理的墻體厚度。[方法]在山西晉中市選取3種日光溫室，北側(cè)墻體底部分別為6.6 m(下凹式日光溫室)、2 m(粘土墻)、0.5 m(磚混結(jié)構(gòu)墻體)，溫室內(nèi)部跨度分別為15.00 m、10.00 m、9.25 m，在墻體1.5 m高度的地方，從室內(nèi)往外每隔5 cm設(shè)定一個測點，分別測定墻體冬春季節(jié)的溫度變化(每0.5 h自動記錄一次數(shù)據(jù))，通過各測點的日較差分布區(qū)段將墻體劃分為不同的層次，并分析其溫度拐點的變化。[結(jié)果]結(jié)果表明：雖然墻體結(jié)構(gòu)、厚度不同，但熱交換規(guī)律基本一致。根據(jù)日較差的變化大小將墻體劃分為熱交換層、熱緩沖層和熱穩(wěn)定層，分別位于墻體從內(nèi)向外的0～15 cm、15～25 cm和25 cm以后，相對應(yīng)的日較差變化范圍分別為5 ℃以上(有時達25 ℃)、2～5 ℃和0～2 ℃；通過線性回歸計算求得溫室墻體內(nèi)部熱交換層與熱穩(wěn)定層的拐點(即熱緩沖層)位于17～22 cm之間，且拐點處的日較差差異不大，這與墻體的熱交換方式(傳導(dǎo)放熱)有關(guān)；從冬到春，墻體內(nèi)部的拐點位置并沒有顯著變化，但日較差在降低，這與太陽高度角的變化及通風(fēng)有關(guān)。[結(jié)論]經(jīng)本文分析認為，山西晉中地區(qū)日光溫室北側(cè)墻體的適宜厚度為30 cm。

日光溫室； 北墻內(nèi)部； 冬春季； 日較差； 變化

日光溫室作為我國北方地區(qū)重要的蔬菜生產(chǎn)設(shè)施，具有節(jié)能、造價低、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能良好等特點[1,2]。墻體作為日光溫室最具特色的結(jié)構(gòu)部分，不僅起承重支撐作用，而且也是日光溫室蓄熱、隔熱的重要載體[3]，同時關(guān)系到土地的利用率、溫室建造成本等[4,5]。因此，墻體成為日光溫室研究領(lǐng)域中的重要內(nèi)容。

目前有關(guān)日光溫室研究的資料主要集中于其結(jié)構(gòu)及材料優(yōu)化方面，如隋明浩等[6]對山西地區(qū)日光溫室建筑材料的使用現(xiàn)狀進行了分析研究，認為山西地區(qū)日光溫室建設(shè)目前階段仍比較適合采用土墻。黃雪等[7]研究分析了下挖式日光溫室土墻溫度和熱流的變化規(guī)律，將墻體內(nèi)側(cè)0.8～1.0 m的部分作蓄熱層，墻體外側(cè)0.4～0.6 m的部分作御冷層，二者之間的部分為過渡層，其厚度為2.2～2.6 m。溫祥珍和李亞靈[8]分析了日光溫室磚混結(jié)構(gòu)墻體內(nèi)冬春季溫度狀況，結(jié)論認為距溫室內(nèi)側(cè)墻體表面0～15 cm處是吸貯熱或放熱的主要部位；距墻體內(nèi)側(cè)表面30～35 cm處是熱穩(wěn)定層；墻體外側(cè)也受外界氣溫的影響，但影響范圍局限在距外表面15 cm之內(nèi)，且變幅較小。

大部分研究結(jié)果都是基于同一類型日光溫室墻體結(jié)構(gòu)，本文針對山西晉中地區(qū)具有代表性的3種日光溫室，厚土墻下凹式日光溫室、普通土墻日光溫室、磚混結(jié)構(gòu)日光溫室的墻體內(nèi)部的溫度日較差在冬春季節(jié)的變化進行分析，因為墻體溫度變化不僅反映了墻體的保溫性能，還是墻體材料吸熱和放熱的表觀反應(yīng)，期望為日光溫室墻體的建設(shè)提供參考價值。

1 材料與方法

1.1 供試溫室及試驗方法

本試驗供試日光溫室共有3座，均建在山西省晉中市太谷縣(37°42′N，112°55′E，位于山西省晉中盆地東北部)。溫室結(jié)構(gòu)示意簡圖見圖1[9]，溫室結(jié)構(gòu)基本參數(shù)見表1。

圖1 供試溫室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the greenhouse structure in the experiment

溫室號Green-houseNo.北墻NorthWall墻體材料Wallmaterials墻高WallHeight墻底寬WidthBottom頂寬WidthTop長度Length跨度TotalSpan內(nèi)部跨度InnerSpan脊高RidgeHeight作物CropsA土墻4.56.61.6240.021.615.06.0番茄B土墻3.42.01.0150.012.010.03.4番茄C磚混3.00.50.543.09.759.254.5番茄

注：溫室C北墻墻體為夾心復(fù)混材料：12 cm紅磚 + 24 cm生石灰 + 12 cm紅磚。

Note:The north wall of Greenhouse C was made of 12 cm red brick + 24 cm quicklime + 12 cm red brick.

溫室A測試時間為2014年1月29日-2014年2月21日(共24 d)，溫室B、C測試時間均為2014年3月1日-2014年5月31日(共92 d)。

溫室環(huán)境管理：一般溫室A揭蓋保溫被時間分別為9∶00、16∶00左右，農(nóng)戶根據(jù)蔬菜生長發(fā)育所需適溫靈活調(diào)整溫室B和溫室C揭放保溫被的時間。

1.2 測點布置

墻體溫度通過多點溫度傳感器(出自邯鄲市益盟電子有限公司)自動記錄，為避免東西山墻對墻體溫度變化的影響，試驗中安裝多點溫度傳感器的探頭均位于北墻中部距地面1.5 m高處，從墻體內(nèi)表面開始垂直于外側(cè)，每5 cm深放置一個傳感器探頭，其中溫室A墻體內(nèi)的測定位置共18處，分別為5 cm、10 cm、15 cm、20 cm……85 cm、90 cm，溫室B和溫室C墻體內(nèi)的測定位置均為6處。所有傳感器均每30 min記錄一組溫度數(shù)據(jù)。

論文中的數(shù)據(jù)處理采用WPS軟件，所用數(shù)據(jù)為日光溫室墻體內(nèi)部各測點的日較差，即一天中最高溫與最低溫的差值。

2 結(jié)果與分析

2.1 北側(cè)墻體內(nèi)部的日較差在不同溫度區(qū)的分布

溫室A北墻內(nèi)的日較差分7個溫度區(qū)，見表2。由表2可見，在2014年1月29日-2月21日共24 d的觀察中，溫室A墻體內(nèi)部5 cm、10 cm、15 cm深處的日較差都主要集中于5 ℃以上(有時甚至高達25 ℃)，分別有22 d、20 d、16 d，占觀察總天數(shù)的92%、83%、67%；20 cm、25 cm深處的日較差主要集中于2～5 ℃，均有18 d，占觀察總天數(shù)的75%；30 cm、35 cm深處的日較差主要集中于0～2 ℃，分別有20 d、21 d，占觀察總天數(shù)的83%、88%；40～90 cm深處的日較差始終在0～2 ℃范圍內(nèi)。

表2 溫室A墻體內(nèi)部的日較差在不同溫度區(qū)的天數(shù)/dTable 2 The days of the daily TemDIF inside north wall of Greenhouse A in different temperature ranges

注：數(shù)據(jù)來自墻體各測點2014.01.29-2014.02.21(共24 d)的日較差。

Note: Data originated from the daily TemDIF of each measuring point inside north wall from Jan. 29 to Feb. 21, 2014 (in total 24 days).

對溫室B和C進行了類似的分析，并列于表3。由表3可見，在2014年3月1日-5月31日共92 d的觀察中，溫室B和C墻體內(nèi)部5 cm、10 cm深處的日較差都主要集中于5 ℃以上，分別有73、49 d和83、74 d，占觀察總天數(shù)的79%、53%和90%、80%；溫室B墻體內(nèi)部15 cm、20 cm深處和溫室C墻體內(nèi)部15～30 cm深處的日較差主要集中于2～5 ℃，占觀察總天數(shù)的60%以上；溫室B墻體內(nèi)部25 cm、30 cm深處的日較差主要集中于0～2 ℃，分別有62 d、85 d，占觀察總天數(shù)的67%、92%。

通過對3種類型日光溫室墻體內(nèi)各深度的日較差在不同溫度區(qū)的天數(shù)進行分析得出，溫室A、B、C墻體內(nèi)部的日較差變化范圍分別為0～25 ℃、0～15 ℃、0～20 ℃，其中墻體內(nèi)部日較差快速下降部位主要位于5～15 cm處，變化幅度在5 ℃以上，最高可以達到25 ℃左右；日較差變化平緩部位主要位于15～25 cm處，變化幅度在2～5 ℃；日較差變化穩(wěn)定部位主要位于25 cm之后，變化幅度在0～2 ℃，據(jù)此將墻體劃分為熱交換層(>5 ℃)、熱緩沖層(2～5 ℃)和熱穩(wěn)定層(0～2 ℃)。

表3 溫室B、C墻體內(nèi)部的日較差在不同溫度區(qū)的天數(shù)/dTable 3 The days of the daily TemDIF inside north wall of Greenhouse B and C in different temperature ranges

注：溫室B、C的數(shù)據(jù)來自墻體各測點2014.03.01-2014.05.31(共92 d)的日較差。

Note: Data originated from the daily TemDIF of each measuring point inside north wall from Mar. 1 to May 31, 2014 (in total 92 days).

2.2 北側(cè)墻體內(nèi)部日較差的變化狀況

為了進一步了解墻體內(nèi)部熱交換層與熱穩(wěn)定層變化的準確部位，以墻體深度為橫坐標，日較差大小為縱坐標繪制得圖2。然后分別列出墻體內(nèi)部熱交換層和熱穩(wěn)定層的線性方程式y(tǒng)=kx+b并列于表4，其中k(斜率)代表墻體在單位深度的日較差大小，b(截距)代表墻體處于某一熱變化層時，墻體內(nèi)表面的日較差大小。

由圖2可知，3種類型日光溫室墻體內(nèi)部日較差的變化走勢一致，即在拐點前后，日較差呈先快速下降后變得平緩。溫室A、B、C墻體內(nèi)部日較差變化幅度大小分別為0～14.0 ℃、1.0～11.0 ℃、3.0～9.7 ℃，其中溫室A、B、C墻體內(nèi)部熱交換層/熱穩(wěn)定層的日較差變化速率分別約為(0.7 ℃/0℃、0.5 ℃/0.1 ℃、0.5 ℃/0℃)/cm，日較差變化的拐點分別位于22、17、17 cm左右，相應(yīng)的日較差大約為2.0、3.0、3.0 ℃。可能受季節(jié)的影響，溫室A墻體內(nèi)部的拐點位置比溫室B、C略深些，拐點處的日較差也低約1.0 ℃，而同一季節(jié)的溫室B、C墻體內(nèi)部的拐點位置和相應(yīng)的日較差幾乎一致。

表4 溫室A、B、C墻體內(nèi)部熱交換層/熱穩(wěn)定層的趨勢線方程Table 4 Trend line equations of the daily TemDIF inside north wall for heat exchange/stability layer

圖2 溫室A、B、C墻體內(nèi)部日較差變化狀況Fig.2 The daily TemDIF variation inside north wall of Greenhouse A, B, C 注：溫室A的數(shù)據(jù)來自墻體各測點2014.01.29-2014.02.21(共24 d)的平均日較差；溫室B、C的數(shù)據(jù)均來自墻體各測點2014.03.01-2014.05.31(共92 d)的平均日較差。Note: Data originated from the averaged daily TemDIF of each measuring point inside north wall from Jan. 29 to Feb. 21, 2014 (in total 24 days) for Greenhouse A, from Mar. 1 to May 31, 2014 (in total 92 days) for Greenhouse B, C.

2.3 溫室B、C墻體內(nèi)部日較差的月變化狀況

北墻內(nèi)部日較差的月變化可能受季節(jié)的影響。我們分別分析溫室B、C墻體內(nèi)部每月的日較差變化(圖3)，并將結(jié)果列在表5中。從圖3可以看出，從冬到春，隨著天氣變暖，3、4、5月份溫室B墻體內(nèi)部5～30 cm處的日較差變化范圍分別為9.0～1.5、8.6～1.5、8.0～1.4 ℃，溫室C墻體內(nèi)部5～30 cm處的日較差變化范圍分別為11.6～2.9、8.9～3.2、8.4～3.5 ℃。墻體內(nèi)部日較差的變化趨勢基本一致，即隨著墻體深度的增加，熱交換層日較差下降較快，熱穩(wěn)定層日較差下降平緩。此外，溫室B、C墻體內(nèi)部熱交換層的日較差變化速率為0.5 ℃·cm-1，熱穩(wěn)定層的日較差變化速率為(0.1～0.0) ℃·cm-1(表5)。3～5月，日較差變化的拐點隨時間的推移并沒有發(fā)生顯著變化，在17、18 cm前后，相應(yīng)的日較差約為3.0 ℃。

圖3 溫室B、C墻體內(nèi)部日較差的月變化狀況Fig.3 The monthly variation of the daily TemDIF inside north wall of greenhouse B and C 注：圖中的月變化數(shù)據(jù)點分別來自3月(03.01～03.31)、4月(04.01～04.30)、5月(05.01～05.31)溫室B、C墻體內(nèi)各測點的平均日較差。 Note: The monthly data points in the plots were from the averaged daily TemDIF of measuring points inside north wall in March (from Mar. 1 to Mar. 31), April (from Apr. 1 to Apr. 30), May (from May 1 to May 31).

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

農(nóng)民認為墻體越厚蓄熱保溫效果越好，將墻體建成基座為7～9 m厚的厚土墻，溫祥珍等[1]分析了日光溫室磚混結(jié)構(gòu)墻體內(nèi)冬春季溫度狀況，提出了熱交換層(近內(nèi)側(cè)0 ～20 cm)熱穩(wěn)定層(30～35 cm)和外界氣溫影響層(近外側(cè)0～15 cm)的分層理論[1]。彭冬玲[10]在日光溫室主動蓄熱機理及試驗研究中，認為在距離墻體內(nèi)表面30～40 cm深處，存在一個溫度不隨時間變化的“恒溫層”，即“有效蓄放熱層”，深層墻體則為保溫層。李明等[11～13]依據(jù)“溫差法”和“溫波法”確定了墻體蓄熱層的厚度，得出溫差法和溫波法所確定的土墻蓄熱層厚度分別為30 cm和40 cm。李明等[13]根據(jù)墻體溫度的波動及供熱情況將土墻劃分為用于儲蓄熱量的“蓄熱層”和防止熱量從蓄熱層流向室外的“保溫層”。這些研究結(jié)果都對厚土墻的建造提出了質(zhì)疑。

表5 溫室B、C墻體內(nèi)部熱交換層/熱穩(wěn)定層的趨勢線方程

Table 5 Monthly variation trend line equations of the daily TemDIF inside north wall for heat exchange/stability layer in Greenhouse B, C.

溫室號GreenhouseNo.月份Month熱交換層Heatexchangelayer熱穩(wěn)定層Heatstabilitylayer拐點InflectionPoint方程式EquationR2方程式EquationR2交點坐標IntersectioncoordinatesBMar.y=-0.496x+11.3880.998y=-0.116x+4.8970.990(17.1,2.91)Apr.y=-0.476x+10.8760.998y=-0.115x+4.8660.982(16.6,2.95)Mayy=-0.435x+10.0750.996y=-0.108x+4.5910.983(16.8,2.78)CMar.y=-0.648x+14.9380.998y=-0.038x+3.9370.605(18.0,3.25)Apr.y=-0.471x+11.3000.998y=0.026x+2.4030.521(17.9,2.86)Mayy=-0.446x+10.6610.997y=0.052x+1.8740.886(17.7,2.79)

3.2 結(jié)論

本研究通過對不同結(jié)構(gòu)、不同厚度的日光溫室墻體進行日較差分析，獲得如下結(jié)果：

1、盡管墻體日較差受溫室結(jié)構(gòu)、墻體厚度等影響很大，但熱交換規(guī)律一致。根據(jù)日較差變化幅度大小將墻體劃分為3個層次，分別為熱交換層、熱緩沖層和熱穩(wěn)定層，分別位于墻體從內(nèi)到外0～15 cm、15～20 cm和25～30 cm。這與溫祥珍等[8]對日光溫室磚混結(jié)構(gòu)墻體研究結(jié)果基本一致。認為這與墻體熱交換的方式(傳導(dǎo)放熱)有關(guān)。

2、熱交換層、熱緩沖層和熱穩(wěn)定層處相應(yīng)的日較差變化范圍分別為5 ℃以上、2～5 ℃和0～2 ℃。

3、三種類型日光溫室墻體內(nèi)部日較差的拐點均位于熱緩沖層，差異不大。從冬到春，熱交換層與熱穩(wěn)定層之間的拐點位置變化不大，但拐點處的日較差稍微下降，這可能與太陽高角度和通風(fēng)有關(guān)。

4、經(jīng)本文分析認為在山西晉中地區(qū)，日光溫室墻體的適宜厚度約為30 cm。

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(編輯：武英耀)

Analysis of the daily temperature differences inside north wall in solar greenhouse during winter and spring

Yang Yanhong1, Li Yaling1*, Ma Yujing1, Yang Cunliang2, Wen Xiangzhen1*

(1.CollegeofHorticulture,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801，China; 2.GrainSeedFactory,YuanpingCounty,ShanxiProvince,Yuanping034100，China)

[Objective]In order to determining the reasonable thickness of the north wall in the construction of solar greenhouse.[Methods]Three Chinese solar greenhouses were selected in Jinzhong city, Shanxi province, in which the bottom of the north wall were 6.6 m (for digging-down greenhouse), 2 m (for clay wall) and 0.5 m (for brick-mixture wall), respectively. And the inner span of the greenhouses were 15 m, 10 m, 9.25 m, respectively. The temperature inside north wall (the measuring points were set at every 5 cm from inner surface to the outside) was measured every 0.5 h at 1.5 m height above ground during winter and spring period. According to analyzing the daily differences (TemDIF) of each measuring point, the north wall was divided into different layers, then to analyzing the variation of the inflection point.[Results]Theresult showed that, the heat exchange rules inside north wall were basically the same, although the structure and thickness of north wall were different. According to the variation of the daily TemDIF in each layer, the north wall was divided into three layers that were heat exchange layer, heat buffer and heat stability layer which were located at 0～15 cm, 15～25 cm and beyond 25 cm depth, respectively, from inner surface of north wall to outside. The TemDIF in those layers were above 5 ℃ (up to 25 ℃), 2～5 ℃ and 0～2 ℃, respectively. The change point/inflection point between layers of heat exchange and heat stability was located at 17～22 cm calculated by linear regression. And the daily TemDIF in those points were not very different, which was related to the way of heat exchange (heat conduction) of the north wall. From winter to spring, the location of the change point/inflection point did not change significantly, but the daily TemDIF was decreased a little, it was related to the changes of solar elevation angle and ventilation.[Conclusion]According to the analysis of this paper, the suitable thickness of the north wall in solar greenhouse in Jinzhong, Shanxi province was around 30 cm.

Solar greenhouse, The north wall, Winter and spring period, The daily temperature differences(TemDIF), Variation

2017-04-10

2017-05-09

楊艷紅(1991-)，女(漢)，山西朔州人，碩士研究生，研究方向：設(shè)施園藝

*通信作者：溫祥珍，教授，博士生導(dǎo)師，Tel:0354-6288789;E-mail: wenxiangzhen2009@hotmail.com

國家自然科學(xué)基金重點項目(61233006)；山西省煤基重點科技攻關(guān)項目(FT201402-05)

S625.1

A

1671-8151(2017)08-0594-06