日光溫室圍護結(jié)構(gòu)熱通量與氣象因子的相關(guān)性

張昆　楊波　李鑫

摘要：引入熱通量概念對溫室的保溫蓄熱性能進行評價，通過對比觀測對熱通量和室內(nèi)外氣象因子的相關(guān)性進行了分析。結(jié)果表明，總輻射、溫室內(nèi)外溫度和熱通量相關(guān)性較高，但室外溫度升降轉(zhuǎn)換的時間比熱通量延遲了2～3 h；室內(nèi)相對濕度對熱通量有負調(diào)節(jié)作用，并且夜間作用小于白天，室外相對濕度夜間達到穩(wěn)定狀態(tài)比熱通量延遲近2 h，在這期間對熱通量的影響很??；室外風速是熱通量的一個主要影響因子，但熱通量具有較高的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：日光溫室；圍護結(jié)構(gòu)；熱通量；氣象因子

中圖分類號：S625.5+1 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）15-0041-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.15.010 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Correlation between Heat Flux and Meteorological Factors of

Solar Greenhouse Envelope

ZHANG Kun1，YANG Bo2，LI Xin1

（1.Tianjin Wuqing Meteorological Bureau，Tianjin 301700，China；2.Tianjin Ninghe Meteorological Bureau，Tianjin 301500，China）

Abstract： Introducing the concept of heat flux to evaluate heat preservation and storage performance of solar greenhouse， by comparing the observation of correlation between heat flux and meteorological factors to analyze， and the results show that： the correlation between total radiation and indoor and outdoor temperature of the greenhouse and heat flux is higher，but the outdoor temperature has a nearly 2～3 h delay to the heat flux on rising and dropping time； indoor relative humidity is a negative regulatory role for heat flux， and the effect is less than it during the day， outdoor relative humidity delays nearly 2 h to heat flux on reaching a steady state， and it has a little impact on the heat flux during night； outdoor wind speed is a major factor on heat flux， but it has a lower stability than heat flux.

Key words： solar greenhouse；envelope；heat flux；meteorological factors

日光溫室圍護結(jié)構(gòu)的蓄放熱功能與氣象環(huán)境關(guān)系密切[1-6]，是影響日光溫室熱性能的關(guān)鍵部位之一[7-11]。白天墻體內(nèi)表面吸收的太陽熱量一部分通過對流和輻射傳熱傳給室內(nèi)；一部分通過傳導傳熱給墻體內(nèi)部，其中部分蓄集在墻體內(nèi)，部分傳導到外部放出；夜間墻體積蓄的熱量除繼續(xù)向外放熱，大部分傳入溫室內(nèi)部以維持室內(nèi)溫度。熱通量是衡量墻體蓄熱保溫性能的重要指標，它可以表征溫室內(nèi)部通過墻體與外部進行熱交換的狀況，以及溫室墻體的蓄熱、放熱狀態(tài)，因此熱通量可以作為日光溫室蓄熱保溫性能的評價指標。

評價日光溫室的保溫性能在農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)中有重要作用[12，13]，熱通量一直以來都被當作結(jié)果進行研究，由于熱通量的物理學意義，可以通過墻體的熱通量變化對墻體蓄熱保溫性能進行評價。有關(guān)日光溫室熱通量方面國外早有研究，國內(nèi)在熱通量方面也有一些研究[14-20]，特別對日光溫室土壤熱通量進行了一系列研究，還對多層覆蓋連棟溫室以及日光溫室的熱環(huán)境進行了研究。

本研究引入熱通量概念對溫室的保溫蓄熱性能進行評價，通過對比觀測對熱通量和室內(nèi)外氣象因子的相關(guān)性進行了分析。溫室圍護結(jié)構(gòu)熱通量在典型的晴天天氣條件下，由于室內(nèi)外的氣象因子變化劇烈，導致其具有明顯的正弦曲線波峰式的波動；而在陰天條件下，由于各種氣象因子都趨于穩(wěn)定，所以熱通量整天都沒有顯著變化，整體趨勢平穩(wěn)。所以在研究熱通量與室內(nèi)外氣象因子的相關(guān)性時，僅選取了典型的晴天天氣進行試驗與分析。

1 材料與方法

1.1 日光溫室的結(jié)構(gòu)參數(shù)及儀器布置

供試日光溫室北墻內(nèi)側(cè)1.5 m高、后坡內(nèi)側(cè)中部以及前屋面PVC膜內(nèi)側(cè)中部各布置1個熱通量板；熱通量板連接于TRM-ZS1型室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，熱通量板相對應(yīng)的布點都并置了美國HOBO Pro v2型溫濕度記錄器。

晴天試驗于2017年4月29日0：00-23：50進行；陰天試驗于2017年3月21日0：00-23：50進行。分別對供試日光溫室的西山墻進行連續(xù)24 h的熱通量及各種常規(guī)氣象因子的監(jiān)測，室外氣象因子數(shù)據(jù)由室外氣象站采集，數(shù)據(jù)采集的時間間隔均為10 min。

1.2 方法

利用TRM-ZS1型室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)收集典型晴天和陰天天氣的日光溫室圍護結(jié)構(gòu)連續(xù)24 h的內(nèi)表面熱通量實測數(shù)據(jù)，并通過試驗基地的室外小型氣象站和美國CAMPELL公司的超聲風速儀等設(shè)備所采集的室內(nèi)外氣候環(huán)境因子進行相應(yīng)的分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 總輻射對圍護結(jié)構(gòu)熱通量的影響

如圖1所示，太陽輻射是溫室內(nèi)熱量的主要直接來源，所以溫室內(nèi)部的總輻射對圍護結(jié)構(gòu)的熱通量有直接影響。早晨6：40左右完全揭開草簾時，由于太陽瞬間照射進入溫室內(nèi)部，導致溫室內(nèi)的總輻射迅速升高，并且在11：40左右達到最大值717 W/m2，但北墻、后坡和前屋面達到最大值的時間則分別為10：50、10：30和12：10，最大值分別是46、33、-96 W/m2，到達最大值的時間比墻體延遲了1.0 h左右，比前屋面提前了0.5 h左右。溫室在18：10左右草簾完全放下，太陽總輻射完全消失為0，北墻在15：50、后坡在14：50熱通量開始由正值轉(zhuǎn)向負值；前屋面在17：10開始轉(zhuǎn)向正值，墻體蓄放熱狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間比太陽總輻射的消失時間提前了1～2 h。由于前屋面和墻體之間在材料的物理性質(zhì)和熱特性方面存在很大的差異，所以太陽總輻射對前屋面的熱通量影響更大，太陽輻射非常微弱的變化就能使前屋面的熱通量產(chǎn)生遠大于墻體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的波動?？梢钥闯?，雖然太陽總輻射對圍護結(jié)構(gòu)各個位置熱通量的影響直接而顯著，并且整體的變化趨勢一致，呈現(xiàn)出比較高的相關(guān)性，但是兩者之間的關(guān)系并不是完全對應(yīng)的。

2.2 室內(nèi)溫度對圍護結(jié)構(gòu)熱通量的影響

溫室外部的太陽輻射對溫室內(nèi)部的總輻射和溫度具有強烈的影響，太陽輻射不僅對室內(nèi)的光照條件產(chǎn)生影響，同時也是溫室內(nèi)溫度環(huán)境的主要決定因素，溫室內(nèi)的溫度環(huán)境和太陽總輻射在時間分布和空間分布上有直接關(guān)系，所以室內(nèi)溫度對圍護結(jié)構(gòu)的熱通量也有一定的作用。

從圖2可以看出，溫室內(nèi)溫度和圍護結(jié)構(gòu)熱通量的變化趨勢與總輻射的類似。室內(nèi)溫度在6：40左右完全揭開草簾時，開始隨著太陽輻射的上升而升高。由于熱通量的形成受到導熱形式的影響，所以溫度對其變化趨勢有直接影響。室內(nèi)溫度在13：30左右達到最大值38.3 ℃，相比于北墻、后坡和前屋面達到最大值的時間分別為10：50、10：30和12：10，溫度峰值大概延遲了1～2 h。隨后溫度開始持續(xù)下降，開始下降的時間也比圍護結(jié)構(gòu)的熱通量有1～2 h的延遲。但室內(nèi)溫度相對于太陽輻射，整體的下降趨勢非常平穩(wěn)，沒有太陽總輻射由峰值迅速下降然后瞬間消失那么劇烈。溫室在18：10左右草簾完全放下，雖然在失去總熱源太陽輻射以后，溫度也隨之持續(xù)下降，熱通量也相應(yīng)地逐漸升高，但整個夜間溫度下降不超過2 ℃，熱通量上升北墻不超過1 W/m2，后坡不超過3 W/m2。

由此可見，溫室內(nèi)部墻體附近的溫度、太陽總輻射和圍護結(jié)構(gòu)熱通量的整體變化趨勢一致，但開始升降和到達峰值的時間并不完全同步。夜間太陽總輻射為0 W/m2，室內(nèi)溫度保持在20 ℃左右，熱通量北墻、后坡和前屋面分別保持在-14、-8、18 W/m2左右。室內(nèi)溫度和熱通量的升降程度相似，沒有太陽總輻射的變化程度劇烈。

2.3 室內(nèi)空氣相對濕度對圍護結(jié)構(gòu)熱通量的影響

溫室內(nèi)部空氣相對濕度的變化，受到室內(nèi)水分平衡的直接影響。溫室內(nèi)部的水分變化與室內(nèi)作物的栽培條件、土壤的蒸發(fā)率、水蒸氣的凝結(jié)率、水蒸氣的滲漏率和通風換氣影響水蒸氣的變化率等因素有關(guān)。

在白天，由于溫度偏高并且人為進行通風換氣，所以前屋面的內(nèi)表面幾乎不發(fā)生冷凝現(xiàn)象；然而在夜間，水蒸氣在覆蓋材料內(nèi)表面發(fā)生冷凝，形成大量水滴，導致前屋面附近溫度驟降，濕度增加，吸收大量熱量，所以夜間前屋面的冷凝現(xiàn)象不可忽略不計。墻體附近的水蒸氣很少凝結(jié)成水滴，所以空氣相對濕度對墻體熱通量的影響相對于前屋面較小。如果溫室內(nèi)部采用無土栽培或者土壤表面用塑料薄膜覆蓋，則可以忽略土壤的水氣蒸發(fā)。而水蒸氣又通過潛熱形式直接影響溫室內(nèi)部的熱平衡。

如圖3所示，由于白天溫室通風換氣，導致溫室內(nèi)的空氣相對濕度迅速下降，空氣相對濕度和圍護結(jié)構(gòu)熱通量的變化趨勢與太陽總輻射和室內(nèi)溫度相比完全相反，由此可見空氣濕度對熱通量的影響屬于負調(diào)節(jié)。上午6：40左右，在完全揭開草簾時的85%左右，僅經(jīng)過2 h，至上午9：00左右就已經(jīng)下降到了40%左右，在下午4：00-5：00達到最小值20%，夜間凝結(jié)的水滴在通風換氣和溫室內(nèi)部溫度升高的條件下發(fā)生相變，吸收了部分熱量，可能對圍護結(jié)構(gòu)的熱通量產(chǎn)生一定影響。當下午放下草簾以后，熱通量很快就趨于穩(wěn)定，但是水蒸氣要到夜間20：00以后才逐漸穩(wěn)定在70%左右，可見在夜間水蒸氣對熱通量的調(diào)節(jié)作用有所下降。

2.4 室外溫度對圍護結(jié)構(gòu)熱通量的影響

在熱通量的物理形成過程中，涉及到墻體內(nèi)外表面兩側(cè)進行熱量流動交換的過程。熱通量是指在單位時間內(nèi)單位面積傳遞的熱量，在傳熱學中，這種熱量從固體壁的一側(cè)通過固體壁面?zhèn)鬟f到另一側(cè)的過程稱為傳熱過程。

在熱傳遞的過程中導熱也是主要形式之一，而溫室墻體內(nèi)外兩側(cè)形成的溫差就成為導熱形式的主要驅(qū)動因子。墻體兩側(cè)的溫差越大，所表現(xiàn)出來的熱通量的絕對值就越大，表明墻體熱量的傳遞程度就越高。墻體在白天接受太陽輻射積蓄熱量，夜間通過熱傳導形式，在向溫室內(nèi)部放熱維持熱平衡的同時也向外界釋放一部分熱量，損失一部分熱量。

如圖4所示，室外溫度在夜間穩(wěn)定程度也很高，基本維持在4～7 ℃，在上午8：00以后，室外溫度迅速上升，至14：30時達到最大值21.6 ℃，但整個白天室外總體的溫差并不大。相比于北墻、后坡和前屋面達到最大值的時間10：50、10：30和12：10，有將近2～3 h的延遲，之后開始持續(xù)穩(wěn)定地下降，在夜間20：00以后達到穩(wěn)定的13 ℃左右。白天室外溫度和墻體的熱通量整體趨勢都是升高，但是熱通量的上升幅度比較大，這是由于溫室內(nèi)部的溫度上升程度更大，導致墻體兩側(cè)的溫差逐漸增大，大量熱量積蓄到墻體內(nèi)部，造成了熱通量絕對值偏大。

結(jié)果表明，溫室外部的溫度是熱通量形成的因子之一，逐漸增大的墻體兩側(cè)的溫差是熱通量漸漸升高的驅(qū)動因子，但其升降轉(zhuǎn)換的時間比熱通量延遲了2～3 h，比溫室內(nèi)部的溫度還延遲了1 h左右，說明室外溫度對熱通量的作用不僅屬于負調(diào)節(jié)因子，并且對它的影響要小于室內(nèi)溫度和太陽輻射。

2.5 室外空氣相對濕度對圍護結(jié)構(gòu)熱通量的影響

雖然室內(nèi)外的空氣相對濕度的變化程度相近，但變化的絕對數(shù)值有所差異。在試驗當天的0：00-18：00，室外的空氣相對濕度比室內(nèi)小10%～20%，但之后到次日凌晨，室內(nèi)外的空氣相對濕度差達到50%左右。室內(nèi)外的濕度差劇烈的變化可能對墻體的熱通量產(chǎn)生影響，由于溫室外部溫度變化程度小于室內(nèi)，所以室外空氣相對濕度對溫度的影響小于室內(nèi)。

如圖5所示，由于白天風速較大且不穩(wěn)定，導致溫室外部的空氣相對濕度下降幅度偏大，空氣相對濕度對圍護結(jié)構(gòu)熱通量的影響屬于負調(diào)節(jié)。上午 8：20之前，室外空氣相對濕度維持在60%左右，波動幅度較小，但經(jīng)過1 h以后，至上午9：20左右就已經(jīng)下降到了27%左右，12：30-17：20達到最小值11%左右，之后至夜間有所升高，但和之前的夜間相比，下降顯著，這可能導致次日夜間溫度高于前夜，并對圍護結(jié)構(gòu)的熱通量產(chǎn)生一定影響。

當夜間放下草簾以后，由于室內(nèi)外溫度都比較穩(wěn)定，墻體傳熱程度變化較小，所以圍護結(jié)構(gòu)的熱通量很快就趨于穩(wěn)定，但是室外空氣相對濕度和室內(nèi)濕度一樣，要到夜間20：00以后才逐漸穩(wěn)定，空氣相對濕度在26%左右趨于平穩(wěn)。由此可見，無論是室內(nèi)空氣濕度還是室外濕度，和熱通量的變化趨勢都有差異。夜間達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間比熱通量延遲了近2 h，在這期間可以說室外的空氣相對濕度對熱通量的影響非常小，墻體只是通過周圍的溫度在對熱通量進行調(diào)節(jié)，在夜間溫室外部的水蒸氣對圍護結(jié)構(gòu)熱通量的調(diào)節(jié)作用也有所減小。

2.6 室外風速對圍護結(jié)構(gòu)熱通量的影響

溫室前屋面的覆蓋物把溫室內(nèi)的空氣和外界空氣完全隔離開，二者之間只能通過通風口進行物質(zhì)能量交換?？諝獾牧鲃影芰亢唾|(zhì)量兩種形式的變化，它影響了溫室內(nèi)部的大多數(shù)環(huán)境氣象因子。通風是由溫室內(nèi)外的壓差引起的，而壓差則是由外界的風速或內(nèi)外空氣的密度差所引起的。通風的空氣流通量取決于外界風速、內(nèi)外溫差以及通風口的大小與形狀等因素。

由于風速對溫度和空氣相對濕度以及其他一些因素都有一定影響，所以它也是熱通量變化的一個驅(qū)動因子。在夜間，室外風速穩(wěn)定在1 m/s，和墻體的熱通量一樣保持穩(wěn)定狀態(tài)。上午9：00開始，風速開始逐漸增大，并且非常不穩(wěn)定，升降幅度在3～9 m/s，一直到夜間20：00以后，才逐漸穩(wěn)定在2 m/s左右。雖然室外風速基本符合正弦曲線波峰式的波動規(guī)律，但熱通量的波動顯然比室外風速穩(wěn)定。

從圖6可以看出，白天室外風速變化劇烈且無規(guī)律，它通過降低室內(nèi)外溫度對墻體的熱通量產(chǎn)生影響，所以熱通量和室外風速的變化規(guī)律和室內(nèi)外溫度基本一致，但內(nèi)部聯(lián)系有待進一步分析。

3 結(jié)論

通過對日光溫室內(nèi)外各種氣象因子的觀測和研究，分析了各種氣象因子對日光溫室圍護結(jié)構(gòu)熱通量的影響，結(jié)果表明：

1）太陽總輻射對圍護結(jié)構(gòu)各個位置熱通量的影響直接而顯著，并且整體的變化趨勢一致，呈現(xiàn)出較高的相關(guān)性，但是兩者之間的關(guān)系在時間上并不是完全對應(yīng)的。

2）室內(nèi)溫度和熱通量的升降程度相似，沒有太陽總輻射的變化程度劇烈。溫室內(nèi)部墻體附近的溫度、太陽總輻射和圍護結(jié)構(gòu)熱通量的整體變化趨勢一致，但開始升降和到達峰值的時間有所差異。

3）白天溫室通風換氣，溫室內(nèi)的空氣相對濕度迅速下降。空氣相對濕度和圍護結(jié)構(gòu)熱通量的變化趨勢與太陽總輻射和室內(nèi)溫度相比完全相反，空氣濕度對熱通量的作用屬于負調(diào)節(jié)，并且在夜間空氣相對濕度對熱通量的調(diào)節(jié)作用有所下降。

4）溫室外部的溫度是熱通量形成的因子之一，逐漸增大的墻體兩側(cè)的溫差是熱通量逐漸升高的驅(qū)動因子，但其升降轉(zhuǎn)換的時間比熱通量延遲了2～3 h，說明室外溫度對熱通量的作用不僅屬于負調(diào)節(jié)因子，并且對它的影響要小于室內(nèi)溫度和太陽輻射。

5）室外濕度和熱通量的變化趨勢也有差異。夜間達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間比熱通量延遲了近2 h，在這期間可以說室外的空氣相對濕度對熱通量的影響非常小。

6）風速對溫度和空氣相對濕度以及其他一些因素都有一定影響，所以它也是熱通量變化的一個驅(qū)動因子。雖然室外風速基本符合正弦曲線波峰式的波動規(guī)律，但熱通量的波動顯然比室外風速穩(wěn)定。

4 討論

日光溫室山墻接收到的太陽直接輻射，隨著太陽高度角和墻體方位角的變化而改變，熱通量在上午9：00左右即達到最大值，是1 d當中蓄熱最關(guān)鍵的時期，作為實心材料的墻體結(jié)構(gòu)，白天接受太陽輻射而積蓄熱量，從而對日光溫室的熱環(huán)境產(chǎn)生影響。這與李小芳等[5]的研究結(jié)果一致，但其將山墻接受的太陽輻射視為均勻分布，沒有考慮到山墻不同部位在同一時刻接收到的太陽輻射有很大差異，這也導致了不同部位在夜間對溫室的放熱量也有很大差異，其中溫室北部接受到的太陽總輻射顯著低于墻體南部。

室外風速對熱通量的影響程度和溫度相近，遠低于太陽輻射的影響。室外空氣相對濕度對熱通量的影響顯著大于室內(nèi)空氣相對濕度，均達到0.3以上，這是因為室外水蒸氣的多少對太陽輻射的透過率有影響，水蒸氣增加導致太陽輻射在進入溫室之前，經(jīng)過反射與折射要損失掉較大部分的能量，降低了溫室的太陽輻射透過率，從而對圍護結(jié)構(gòu)的熱通量產(chǎn)生了影響。

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