基于蓄熱墻和內(nèi)保溫的鋼架大棚保溫模式研究

邵和平，張寧寧，桂勇武，衡 燕

(江蘇丘陵地區(qū)南京農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇南京 210046)

南京及周邊地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)普遍采用8332型鋼架大棚，這種鋼管大棚建設(shè)成本較低，跨度8 m，長(zhǎng)度30 m以上，造價(jià)一般在35～45元/m2，骨架全部采用管徑32 mm的熱鍍鋅圓管裝配而成，拱間距0.8 m，頂高約3.2 m，肩高約1.8 m，大棚側(cè)邊共有4道卡槽。頂部采用3道縱拉桿，兩邊設(shè)帶自鎖裝置的手動(dòng)卷膜通風(fēng)系統(tǒng),卷膜高度約1.2 m。通風(fēng)處安裝25目防蟲網(wǎng)，上膜后每2根拱管間用壓膜繩扣壓，大棚兩端設(shè)置移動(dòng)門。該型大棚整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和土地利用率高，缺點(diǎn)是保溫蓄熱能力不足，不能滿足冬季生產(chǎn)需要，只能用于季節(jié)性蔬菜、花卉和果樹的保護(hù)地栽培。

針對(duì)鋼架大棚在實(shí)際生產(chǎn)中增溫途徑缺乏、保溫效果差的現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)專家進(jìn)行了相關(guān)研究。孫信成研究了多種大棚保溫被覆蓋材料的保溫性能，2月下旬3種保溫被覆蓋的棚內(nèi)最低溫度比棚外提高了10.2～12.6 ℃[1]。鮑恩財(cái)研究了江淮地區(qū)雙層拱架塑料大棚的冬季保溫效果，1月份的棚內(nèi)平均溫度達(dá)18 ℃[2]。周長(zhǎng)吉不僅研究了大跨度保溫塑料大棚保溫被和保溫幕的形式和性能，實(shí)現(xiàn)了日光溫室和連棟溫室保溫技術(shù)的綜合應(yīng)用[3-4]；還報(bào)道了一種裝配式內(nèi)保溫雙層結(jié)構(gòu)主動(dòng)儲(chǔ)放熱塑料大棚，在室外-20～-15 ℃的條件下，棚內(nèi)最低溫度達(dá)到了10 ℃以上[5]。日光溫室以其特有的采光、蓄熱、保溫性能，成為我國(guó)北方園藝作物越冬栽培的主要設(shè)施[6]。后墻作為蓄熱體，在日光溫室保溫方面發(fā)揮了主要作用[7]。梁建龍等[8-14]對(duì)不同墻體材料日光溫室的保溫性能進(jìn)行研究，篩選出保溫性能較好的墻體。?ztürk H H等[15-17]研究了蓄熱裝置卵石床對(duì)鋼架大棚和日光溫室的增溫效果。筆者針對(duì)南京地區(qū)面廣量大的8332型鋼架大棚的保溫需要，試驗(yàn)建立了蓄熱墻和內(nèi)保溫2種保溫模式，同時(shí)選用新型高透光率PO膜覆蓋，以EVA長(zhǎng)壽膜覆蓋為對(duì)照，研究分析鋼架大棚的節(jié)能增溫技術(shù)模式。

1 材料與方法

利用4幢東西向的8332型鋼架大棚，分別進(jìn)行蓄熱墻、內(nèi)保溫及PO膜覆蓋、EVA膜覆蓋的大棚保溫性試驗(yàn)。在大棚內(nèi)安裝空氣溫濕度記錄儀，對(duì)供試大棚的棚內(nèi)溫度、濕度進(jìn)行定時(shí)記錄分析，并對(duì)增溫保溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。1號(hào)棚沿北側(cè)棚邊建設(shè)一條蓄熱墻。采用鋼絲石籠網(wǎng)箱和當(dāng)?shù)匾椎玫那嗍瘔K構(gòu)筑，石籠網(wǎng)箱的規(guī)格為長(zhǎng)1.0 m、寬0.4 m、高0.6 m，堆碼2層，30 m長(zhǎng)的大棚約可堆碼石料14.4 m3。大棚外膜采用三菱樹脂農(nóng)膜公司的“E100” PO膜覆蓋，厚度0.10 mm。2號(hào)棚增設(shè)內(nèi)保溫，即在拱桿下方安裝內(nèi)拱桿，間隔4 m，在內(nèi)拱桿兩側(cè)配套電動(dòng)卷膜器，安裝開(kāi)閉活動(dòng)型內(nèi)保溫，冬季1月份全天關(guān)閉保溫；大棚外膜也采用三菱樹脂 “E100” PO膜覆蓋。3號(hào)棚大棚外膜采用三菱樹脂“E120” PO膜覆蓋，厚度0.12 mm；PO膜具有優(yōu)異的透光性，透光率達(dá)到83%，而且強(qiáng)度高，柔韌性好，是一種全新的大棚農(nóng)膜。4號(hào)棚采用米可多EVA長(zhǎng)壽膜覆蓋，厚度0.08 mm。

鋼架大棚的4種不同保溫模式分別標(biāo)記為蓄熱墻(T1)、內(nèi)保溫(T2)、PO膜覆蓋(T3)和EVA膜覆蓋(T4)。棚內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)每30 min記錄1次。提取2018年1月份的數(shù)據(jù)，對(duì)每日的日最低溫、日最高溫、日平均溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，單日溫度和濕度變化采用24個(gè)時(shí)段的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.14種不同保溫模式棚內(nèi)的日最低溫變化由圖1可以看出，T1的日最低溫最高，其次是T2，無(wú)保溫技術(shù)的T3和T4均明顯低于T1和 T2，兩者差異不大。在溫度波動(dòng)劇烈的強(qiáng)冷空氣影響期間，增加保溫技術(shù)的鋼架大棚保溫效果更明顯，如在月最低溫出現(xiàn)的1月12日，T1的日最低溫分別比T3和T4提高5.4和4.6 ℃，T2分別比T3和T4提高3.9和3.1 ℃。在月次低溫出現(xiàn)的1月30日，T1的日最低溫比T3和T4提高5.6 ℃，T2的日最低溫比T3和T4提高2.9 ℃，T3和T4基本一致。說(shuō)明鋼架大棚增加蓄熱墻或內(nèi)保溫措施后夜間保溫性能有明顯提升。

圖1 鋼架大棚4種不同保溫模式1月份的日最低溫變化Fig.1 Daily minimum temperature variation of four different thermal insulation modes in steel frame sheds in January

圖2為4種不同保溫模式晴天的單日溫度變化。由圖2可見(jiàn)，從0:00開(kāi)始，4種保溫模式下溫度均逐漸下降，但T1模式下降幅度較平緩，T2、T3、T4模式下降趨勢(shì)基本一致。6:00～7:00，棚內(nèi)溫度達(dá)到一天中的最低值，溫度由高到低分別是T1為-0.60 ℃，T2為-2.20 ℃，T3為-6.10 ℃，T4為-5.25 ℃。7:00后，隨著太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，棚內(nèi)溫度迅速上升，12:30～14:00，棚內(nèi)溫度達(dá)到一天中的最高值，溫度由高到低分別是T2為35.95 ℃，T1為34.40 ℃，T3為30.35 ℃，T4為28.5 ℃。15:00后，溫度開(kāi)始迅速回落。說(shuō)明蓄熱墻和內(nèi)保溫模式不僅對(duì)夜間最低溫度有較大提升，而且對(duì)全天的溫度也有較大的提升作用。

圖2 鋼架大棚4種不同保溫模式晴天的單日溫度變化Fig.2 Daily temperature variation of four different thermal insulation modes of steel frame shed on sunny days

2.24種不同保溫模式的日最高溫由圖3可以看出，增加保溫技術(shù)的T1和T2均高于T3和T4，而且在晝溫較低的陰雨天氣，這種效果更加明顯。如在最低晝溫出現(xiàn)的1月27日，T1的日最高溫分別比T3和T4提高6.7和6.4 ℃，T2的日最高溫分別比T3和T4提高3.5和3.2 ℃。說(shuō)明鋼架大棚增加保溫措施對(duì)光照不足期的棚內(nèi)溫度也有明顯提升。

圖3 鋼架大棚4種不同保溫模式1月份的日最高溫變化Fig.3 Daily maximum temperature variation of four different thermal insulation modes in steel frame sheds in January

由圖4可以看出，6:00～7:00，棚內(nèi)溫度最低，溫度由高到低分別是T1為6.95 ℃，T2為3.30 ℃，T4為1.25 ℃，T3為0.45 ℃。7:00后溫度逐漸上升，12:00～13:00溫度達(dá)到最高值，溫度由高到低分別是T1為10.20 ℃，T2為6.95 ℃，T4為3.80 ℃，T3為3.60 ℃。隨后溫度逐漸下降，下降趨勢(shì)基本一致。說(shuō)明在缺少太陽(yáng)輻射的條件下，鋼架大棚增加蓄熱墻或內(nèi)保溫對(duì)全天時(shí)段內(nèi)的溫度均有穩(wěn)定的提升作用。其中，蓄熱墻的增溫作用最明顯，增加約6 ℃；內(nèi)保溫的增溫作用次之，增加約3 ℃。

圖4 鋼架大棚4種不同保溫模式陰天的單日溫度變化Fig.4 Daily temperature variation of four different thermal insulation modes of steel frame shed on cloudy days

2.34種不同保溫模式棚內(nèi)的日平均溫通過(guò)計(jì)算鋼架大棚內(nèi)的日平均溫度，可以清晰發(fā)現(xiàn)4種不同保溫模式間的差異。由圖5可見(jiàn)，增加保溫技術(shù)的T1、T2模式的日平均溫始終高于無(wú)保溫技術(shù)的T3、T4模式，T1和T2模式 1月上旬溫度曲線基本重合，差異不大。1月下旬差異增大，T1的增溫作用比T2更強(qiáng)。T3和T4的溫度曲線基本重合，差異不大。說(shuō)明隨著低溫期的持續(xù)，蓄熱墻的增溫保溫作用比內(nèi)保溫更明顯。

2.44種不同保溫模式的相對(duì)濕度4種保溫模式的棚內(nèi)相對(duì)濕度(RH)也有差異。由圖6可見(jiàn)，在晴天條件下，4種保溫模式的單日RH變化均呈現(xiàn)典型的“U”型曲線，變化趨勢(shì)基本一致。夜間棚內(nèi)RH基本呈水平直線，其中T1最低，約90%，其他3種模式均在90%以上。由圖7可見(jiàn)，8:00后隨著棚內(nèi)溫度上升，RH迅速下降。10:00后達(dá)到40%～60%的較低水平，T1、T2的最低值在40%左右，T3的最低值在50%左右，T4的最低值在60%左右。15:00后隨著棚內(nèi)溫度下降，RH又迅速回升。在陰天條件下，4種保溫模式的RH差異較大。T1由于蓄熱墻的增溫作用，夜間RH在90%左右，白天逐漸下降，最低值在85%左右。T2、T3和T4的RH基本穩(wěn)定，白天的下降趨勢(shì)不明顯。T2在92%～93%，T3和T4在96%左右。

圖5 鋼架大棚4種不同保溫模式1月份的日平均溫變化Fig.5 Daily average temperature variation of four different thermal insulation modes in steel frame sheds in January

圖6 4種不同保溫模式下晴天的單日相對(duì)濕度變化Fig.6 Daily relative humidity variation in sunny days under four different heat preservation modes

3 結(jié)論與討論

鋼架大棚增加蓄熱墻或內(nèi)保溫的保溫措施后，棚內(nèi)溫度有明顯提升。特別是在太陽(yáng)輻射缺乏的夜間和陰雨天，增溫效果尤其明顯。在晴天條件下，蓄熱墻和內(nèi)保溫對(duì)全天的溫度均起到較大的提升作用，晝間的棚內(nèi)高溫也為夜間的增溫效果蓄積了熱能。在同樣的太陽(yáng)輻射和覆蓋材料下，蓄熱墻大棚在巖石吸收熱量的情況下，棚內(nèi)最高溫仍比PO膜大棚高，可能是由于建在大棚北側(cè)的蓄熱墻對(duì)太陽(yáng)輻射有一定的反射作用，從而使地表輻射增強(qiáng)。在陰天條件下，蓄熱墻和內(nèi)保溫對(duì)溫度的維持作用更明顯，對(duì)全天溫度均有穩(wěn)定的提升作用，蓄熱墻增溫約6 ℃，內(nèi)保溫增溫約3 ℃。4種保溫模式的棚內(nèi)RH變化與溫度變化相一致，在晴天條件下，90%以上的高濕度均出現(xiàn)在夜間低溫期。在陰天條件下，由于棚內(nèi)的連續(xù)低溫，PO膜大棚和EVA膜大棚濕度均達(dá) 95%以上，只有蓄熱墻大棚的RH在白天可以下降到90%以下，有利于冬季作物的病害控制。

圖7 4種不同保溫模式下陰天的單日相對(duì)濕度變化Fig.7 Daily relative humidity variation in cloudy days under four different heat preservation modes